基于短波車載三環(huán)天線的通信性能分析

李長勇，胡中豫，吳　迪

(重慶通信學院，重慶 400035)

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基于短波車載三環(huán)天線的通信性能分析

李長勇，胡中豫，吳迪

(重慶通信學院，重慶 400035)

摘要：電離層特性對短波天波通信性能有較大影響，但研究短波天線運用對通信性能影響的文獻很少。采用MMANA-GAL軟件仿真分析了車載三環(huán)天線的性能參數(shù)，并結(jié)合短波通信鏈路性能分析軟件(簡稱ITS軟件)分析了車載三環(huán)天線與鞭天線不同運用時的通信性能比較，結(jié)果顯示車載三環(huán)天線在低頻端工作時，高仰角輻射差，大于10 MHz后天波高仰角輻射增強，增益隨著頻率增大明顯增大。通信性能分析可知，10 MHz工作時，車載三環(huán)天線的近距離(300 km內(nèi))通信時接收機可以有更高的信噪比,所以車載三環(huán)天線在近距離通信有更好的應用效果。

關(guān)鍵詞：車載三環(huán)天線；MMANA-GAL；天線方向性；ITS軟件；信噪比

0引言

車載三環(huán)天線是鞭天線接一個由3個水平環(huán)組成的頂負載。天線調(diào)諧器安裝于車體內(nèi)，天線從車體內(nèi)的天調(diào)伸出，三環(huán)到天調(diào)間的連線相當于鞭天線的垂直部分。采用這種三環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)垂直鞭天線相比帶來以下好處[1]：① 降低了天線的高度，提高車輛的通過能力；② 通過加項負載，天線的電長度比鞭天線長得多，并改善了天線低頻端的阻抗特性，有利于天調(diào)的調(diào)諧匹配；③ 天線的三環(huán)水平放置在車頂，提高了近垂直方向的輻射性能，有利于克服短波通信中的“盲區(qū)”。但眾多的資料如文獻[2-4]沒有給出三環(huán)天線的輻射方向圖的情況，沒有對天線的克服通信盲區(qū)進行解釋的理論依據(jù)。本文利用了MMANA-GAL天線仿真軟件對該天線的相關(guān)性能參數(shù)進行了仿真分析，得到了天線的方向性、增益和輸入阻抗等參數(shù)值。從方向圖和輸入阻抗看，仿真結(jié)果與文獻[1]中說到的三環(huán)天線的特性相吻合，有利于克服通信盲區(qū)和改善低頻端阻抗特性。在分析三環(huán)天線特性的基礎(chǔ)上，本研究還建立了基于ITS軟件的天線模型，利用ITS軟件進行通信鏈路性能分析，比較了與傳統(tǒng)鞭天線的性能。

1車載三環(huán)天線的結(jié)構(gòu)及仿真模型建立

三環(huán)天線的三環(huán)所在平面長3.2 m,寬1.8 m，由直徑2.5 cm線管構(gòu)成，饋線接于離一端30 cm的邊管線上，饋線由車頂延伸上來，長90 cm，根據(jù)實際的天線結(jié)構(gòu)和尺寸建立了水平三環(huán)天線天線的MMANA-GAL模型如圖1所示，模型下邊的柵格網(wǎng)等效于車體的車頂，上部的三環(huán)結(jié)構(gòu)為天線的加載頂，天線的主要輻射部分為直立的90 cm長的鞭狀線。坐標原點在金屬反射面上，設置反射面離地高度為車頂離地高度3 m。結(jié)合實際，設置地面電導率為5 ms/m，電介常數(shù)為13。

圖1　車載三環(huán)天線的結(jié)構(gòu)模型圖

用于天線模型的建立和仿真的軟件為MMANA-GAL。該軟件與其它電磁仿真軟件如(HFSS，XFDTD)相比的主要特點是針對線性結(jié)構(gòu)的天線進行建模，可以設計大尺寸(幾十米長)的天線，計算方便快捷，平面結(jié)構(gòu)可以用網(wǎng)格等效，只要網(wǎng)格的尺寸相對波長足夠小。除了可以計算輻射方向增益數(shù)據(jù)外，還可以計算天線輸入阻抗和對應饋電線阻抗的LC匹配電路參數(shù)值。

2車載三環(huán)天線的仿真與分析

同一天線尺寸確定后，不同的工作頻率天線的特性有所不同，性能參數(shù)也隨頻率有所變化，由于該天線主要用于短波頻段2～30 MHz，考慮文章篇幅有限，只分別仿真計算了天線工作在2 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、24 MHz和28 MHz等幾個頻率的輻射特性以及相關(guān)參數(shù)，以便于考查變化趨勢。

2.1輻射方向增益

圖2給出了幾個頻點的E面方面圖，通過比較分析可知：隨著頻率增大，E面(XOZ垂直面)最大輻射方向有一定的仰角，在高仰角方向上增益隨頻率逐漸增大。由于鞭天線在整個頻段內(nèi)與2 MHz的方向圖類似，不具備高仰角輻射能力，所以在低頻端5 MHz以下，高仰角輻射性不強，與鞭天線輻射特性有些相似，隨著頻率增大，高仰角輻射更強，10 MHz以上更加明顯。H面(XOY水平面)在各個頻率點基本呈現(xiàn)全向性，只是在28 MHz這個頻率上有些向X軸方向偏移，從仿真結(jié)構(gòu)分析可能與反射面的位置有關(guān)。

在應用中考慮輻射仰角與通信距離關(guān)系時，遠距離通信要求輻射仰角低，近距離通信要求輻射仰角高。這個關(guān)系可以參考文獻[5]，從三環(huán)天線的在5 MHz以下的方向圖可知，低仰角(30°～60°)度輻射更強，高仰角輻射(60°～90°)輻射弱，因此不適合近距離通信，不利于克服短波通信中的盲區(qū)。隨著頻率的增大，高仰角輻射增強，大于10 MHz后，高仰角輻射強于低仰角輻射，但在近距離克服通信盲區(qū)時，不能工作在太高的頻率，因為太高的頻率信號不利于電磁波的電離層反射，一般情況下不大于15 MHz。

圖2　三環(huán)天線在7個頻率點下的E面方向圖

2.2增益與輸入阻抗

仿真計算出了天線在每間隔2 MHz的頻點的增益值和輸入阻抗。圖3給出了增益值，從增益的數(shù)值分析可知，在低頻端(10 MHz以下)，天線增益不高，結(jié)合方向圖可以知道，雖低頻端低仰角輻射更強適合遠距離通信，但增益不高也會影響通信性能。隨著頻率增大，增益增大，輻射性能更好，但作為近距離通信時克服通信盲區(qū)也不應選擇太高頻率。

圖3　天線增益與頻率關(guān)系

圖4給出了不同頻率下的天線輸入阻抗值。從輸入阻抗數(shù)值可知，在低頻端，電阻與電抗的變化不是那么劇烈，更有利于自動天線調(diào)諧器的匹配。這也解釋了文獻[1]提到的三環(huán)天線與鞭天線相比改善了低頻端的阻抗特性這一結(jié)論。實際應用中，饋線與天線輸入端接有自動天線調(diào)諧器以實現(xiàn)阻抗匹配，通過仿真可以得到不同頻率下所采用的匹配電路以及電路中的阻抗數(shù)值。

圖4　天線輸入阻抗與頻率關(guān)系

3車載三環(huán)天線用于短波通信的性能分析

美國國家電信和信息局的電信科學協(xié)會(NTIA/ITS)開發(fā)的仿真器ITS HF Propagation(ITS軟件)可進行短波通信鏈路性能的仿真分析[6,7]。該軟件利用電離層變化特性通過選擇不同天線類型，分析不同日期時間下的頻率與接收端信噪比的關(guān)系來進行短波鏈路規(guī)劃。在實際運用中證明是目前最可靠實用的短波通信鏈路分析軟件[8-11]。軟件主要由基于ICEPAC(電離層剖面增強電路性能分析程序)、VOACAP(美國之音電路分析程序)、REC533(國際電聯(lián)建議報告Rec533模型分析程序)的3種模型開發(fā)的點對點和區(qū)域覆蓋分析模塊組成?？梢詫Χ滩ㄍㄐ沛溌愤M行點對點性能分析和區(qū)域覆蓋性能分析，以對短波鏈路建設進行規(guī)劃(選頻 、選天線和選址等)。

3.1ITS軟件天線模型建立

現(xiàn)有短波天線中，部分天線結(jié)構(gòu)與ITS軟件的天線結(jié)構(gòu)模型相同，只是尺寸大小需要指定，如：水平雙極天線(籠形天線)對應ITS軟件中的天線類型 23、終端加載水平菱形天線對應ITS中的天線類型21、水平對數(shù)周期天線對應ITS中的天線類型05、垂直單極(鞭)天線對應ITS中的天線類型10等，要進行短波鏈路分析時，可以在ITS中的天線分析模塊HFANT中指定參數(shù)值，就可創(chuàng)建這些天線的模型。

較新的幾種常用天線如：固定臺站的水平三線寬帶天線、倒V型三線寬帶天線、倒V型雙極寬帶天線以及機動臺的車載弓形天線(半環(huán)天線)、車載三環(huán)天線在ITS軟件中沒有可用模型，需要對這幾種天線進行建模。在MMANA-GAL中，按天線的實際結(jié)構(gòu)畫出天線，在每個頻點上進行天線仿真，分別得到每個頻點不同俯仰角不同方位角的增益數(shù)據(jù)。再把這些數(shù)據(jù)組合成 sample.90文件結(jié)構(gòu)相同的文件，形成天線數(shù)據(jù)文件。在研究工作中生成了“水平三線寬帶天線”和“車載三環(huán)天線”等天線模型文件并可用于ITS仿真。

3.2車載三環(huán)天線通信性能分析

3.2.1仿真條件

仿真環(huán)境是基于ITS軟件的“ICEAREA”短波通信區(qū)域覆蓋模型分析模塊進行仿真，以成都為發(fā)射機中心，發(fā)射機功率1 000 W，用到的天線有水平三線寬帶天線、10 m鞭天線、車載三環(huán)天線。分析比較收發(fā)都為10 m鞭天線和車載三環(huán)天線的性能；發(fā)天線為水平三線寬帶天線，收端分別為10 m鞭天線和車載三環(huán)天線的性能。

主要條件：太陽黑子數(shù)SSN=80，地磁活動指數(shù)Q=2，系統(tǒng)參數(shù)設置：噪聲電平-145 dB，主瓣最小仰角0.1°，電路可靠度(可通率)90%，接收機系統(tǒng)要求1 Hz帶寬下的信噪比為42 dB，多徑信號功率容許3 dB，最大容許時延0.1 ms。UT=4( 北京時間中午12點)，考慮饋線損耗，天線實際輸入功率700 W，主瓣方向正北；收天線分別為10 m鞭天線、車載三環(huán)天線，主瓣向北方。分析參數(shù)為接收機接收端的信噪比(SNR)，由于考慮電路可靠度90%，所以又以SNR90表示。

3.2.2仿真結(jié)果

仿真輸出參數(shù)主要考查電路可靠度為90%時的接收機可獲得的信噪比(SNR90)，圖中信噪比等值線區(qū)域含義表示：如接收機處在這個區(qū)域內(nèi)，則接收機可以獲得這個數(shù)值的信噪比。由于接收機要求達到某一個數(shù)值(如42 dB(1 Hz帶寬下))的信噪比才能可靠通信，則比較2種天線作接收天線時接收端信號比可達到42 dB的區(qū)域。

(1) 不同工作頻率時的區(qū)域覆蓋性能

位于成都中心的發(fā)天線為車載三環(huán)天線，收天線也為車載三環(huán)天線時，頻率分別為5 MHz和10 MHz時的區(qū)域覆蓋性能進行分析，5 MHz時的整個中國區(qū)域內(nèi)的信噪比都很低，小于42 dB；10 MHz時，以成都為中心的一個500 km左右的橢圓內(nèi)的信噪比<42 dB,在大于這個橢圓以外到1 500 km以內(nèi)的大于橢圓內(nèi)可以達到42 dB的信噪比。說明15 MHz的頻率比5 MHz的工作頻率有更好的性能覆蓋。

(2) 不同天線時的性能比較

比較2種天線在10 MHz時的區(qū)域覆蓋性能，收發(fā)天線均為車載三環(huán)天線時，性能覆蓋區(qū)域如圖5(a)所示，信噪比>42以上的區(qū)域在半徑從100～1 000 km范圍內(nèi)；收發(fā)天線均為鞭天線時如圖5(b)，信噪比>42以上的區(qū)域在半徑從5 00 km到1 000 km范圍內(nèi)；因此很顯然，收發(fā)天線均為車載三環(huán)天線的近距離覆蓋可以達更近的區(qū)域，這從2種天線的方向圖比較可以解釋。

圖5　不同收發(fā)天線時的性能覆蓋區(qū)域

(3) 車載三環(huán)天線和鞭天線時的比較

以水平三線寬帶天線作發(fā)射天線，圖6(a)為接收天線為10 m鞭天線時的性能區(qū)域覆蓋圖，圖6(b)為接收天線為水平三環(huán)天線時的性能區(qū)域覆蓋圖。從圖6可知，信噪比>42 dB的區(qū)域出現(xiàn)在以昆明為中心半徑500 km的橢圓區(qū)域和處于西寧、蘭州和銀川覆蓋區(qū)的橢圓區(qū)域。2種天線的接收性能比較一致。

圖6　發(fā)射機天線水平三線寬帶天線，2種天線收時的信噪比分布圖

但比較以成都為中心的300 km以內(nèi)的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，圖6(a)中的10 m鞭天線作接收時信噪比在35 dB以下，圖6(b)中以三環(huán)天線作接收天線時，信噪比在35 dB以上，所以三環(huán)天線在近距離通信時，接收機可以獲得更好的信噪比。

4結(jié)束語

由于車載三環(huán)天線在大于10 MHz的頻率有很好的高仰角輻射能力，所以在收發(fā)天線均為車載三環(huán)天線時，10 MHz時車載三環(huán)天線比鞭天線的近距離覆蓋性能好；以三線寬帶天線作發(fā)射天線，車載三環(huán)天線作收天線時，在遠距離區(qū)域通信的性能與鞭天線作收天線時比較一致，但在近距離區(qū)域比10 m鞭天線的作接收天線時有更好的通信性能。從方向圖理論分析可知選擇更高的頻率，車載三環(huán)天線高仰角輻射更好，但由于頻率增高電波穿透電離層會使反射能力變?nèi)?，所以在實際使用中不能選擇太高的頻率，一般低于15 MHz以下。通過分析比較之選擇不同收發(fā)天線、不同時間和頻率時的性能覆蓋關(guān)系，可以為通信系統(tǒng)規(guī)劃提供天線選擇和頻率選擇的依據(jù)。

參考文獻

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Analysis on Performance of HF Communication Circuit Based on Vehicular Three-loop Antenna

LI Chang-yong,HU Zhong-yu,WU Di

(ChongqingCommunication Institute,Chongqing 400035,China)

Abstract：In this paper,ITS software is used to analyze the performance of HF communication circuit when vehicular three-loop antenna and 10-meter whip antenna are used respectively.The result shows that the performance varies when different antennas are used.The three-loop antenna achieves high-elevation angle radiation under proper frequency,and obtains better signal-to-noise ratio(SNR)in a distance between 50-300 km,so it has the advantage of overcoming the problem of HF communication blind areas.So,the result shows that the antenna can be selected for better communication performance.

Key words：vehicular three-loop antenna;MMANA-GAL;antenna pattern;ITS software;signal-to-noise ratio

中圖分類號：TN924+.2

文獻標識碼：A

文章編號：1003-3114(2016)02-59-4

作者簡介：李長勇(1970—)，男，副教授/博士，主要研究方向：超寬帶無線通信技術(shù)與天線技術(shù)。胡中豫(1954—)，男，教授，碩士生導師，主要研究方向：短波通信技術(shù)。吳迪(1984—)，男，講師，碩士，主要研究方向：微波通信與智能天線。

收稿日期：2015-11-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.15

引用格式：李長勇，胡中豫，吳迪.基于短波車載三環(huán)天線的通信性能分析[J].無線電通信技術(shù),2016,42(2):59-62.