海上短波通信鏈路計算與分析*

葉桂林

(北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 102209)

海上短波通信鏈路計算與分析*

葉桂林

(北京圣非凡電子系統(tǒng)技術(shù)開發(fā)有限公司 北京 102209)

針對海上實際通信環(huán)境,分析了海上短波傳播方式及影響短波傳輸信道特性的參數(shù),結(jié)合鞭天線方向圖,對近場和遠場的地波和天波場強進行了計算和對比分析,并得出結(jié)論,為海上短波有效通信提供了理論依據(jù)。

海上通信; 鞭天線; 地波; 天波場強

Class Number TN91

1 引言

短波通信通常是指用波長為10m～200m的電磁波進行的無線電通信,也把短波通信稱為高頻無線電通信。短波通信自問世以來,以其設(shè)備簡單、成本低廉、架設(shè)方便、機動靈活以及面對戰(zhàn)爭和大型自然災(zāi)害時,設(shè)備具有較強的抗毀性,無須中繼即可進行中遠距離通信,特別是中遠距離軍事通信中、抗震防災(zāi)等通信中都發(fā)揮了重要的作用[1～2]。

短波傳播的基本方式有兩種:地波傳播和天波傳播。地波傳播是指電波沿地球表面?zhèn)鞑?。這種傳播方式信號穩(wěn)定,基本上不受天氣條件、晝夜和季節(jié)變化影響。但隨著電波頻率的增高,傳播損耗迅速增大。天波傳播是指電波由發(fā)射天線向高空輻射,經(jīng)高空電離層反射后到達地面接收點的傳播。天波傳播優(yōu)點是傳播損耗小,可用較小功率進行遠距離通信,但受電離層影響較大, 有較嚴重的衰落現(xiàn)象[3]。

海上短波通信在特定距離上究竟以哪種方式傳播,有待研究。本文就海上實際通信環(huán)境, 結(jié)合鞭狀天線方向圖、天線效率、天線增益等,分別計算特定距離上地波和天波場強,進行比較,并將結(jié)果進行了分析和討論,得出有用的結(jié)論,其研究結(jié)果為海上有效通信提供了理論依據(jù)。

2 地波場強計算

地波傳播是指電波沿海平面?zhèn)鞑?由于地波傳播時信號比較穩(wěn)定,基本上不受氣象條件的影響,對其衰減進行預(yù)測相對容易。其信道的損耗主要來自兩個方面:一是在自由空間傳播因擴散而引起的自然衰減,衰減大小與距離和工作頻率有關(guān)；二是地面對電波的吸收,地面的電氣參數(shù)包括:電導(dǎo)率、介電常數(shù)、地面曲率等對于地波的傳播產(chǎn)生比較大的影響,一般來說,導(dǎo)電性能良好的海平面相對于陸地衰減要小,傳播距離較遠[4]。

在接收點可達到的場強值可按舒-范公式表示[5],如式(1)所示:

(1)

式中,Pr為輻射功率,單位KW；D為傳播方向的增益系數(shù),r為收發(fā)距離,單位km,A為大地損耗衰減因子。

衰減因子A與工作頻率、地表電導(dǎo)率、介電常數(shù)等有關(guān),A的計算與傳播距離有關(guān),小于臨界距離,可忽略地球彎曲對傳輸?shù)挠绊?如果收發(fā)距離超過了該距離,計算時必須考慮地球彎曲的影響。

臨界距離如式(2)所示:

dcr=80f-1/3

(2)

1) 當d

衰減因子常用下列經(jīng)驗公式計算:

(3)

式中,d為有效數(shù)值距離,單位km,β為相位常數(shù)。

有效數(shù)值距離d和相位系數(shù)可由式(4)和式(5)計算得到:

(4)

(5)

式中,f為頻率,單位MHz,σ為地表電導(dǎo)率,單位S/m,εr為相對介電常數(shù),λ為波長。

2) 當d>dcr時

此時達到接收點的地波是沿著地球弧形表面繞射傳播的,必須考慮地球曲率的影響,這種遠距離的地波電場強度必須使用繞射公式進行計算:

(6)

參量δ隨電波的極化而變,對于垂直極化而言:

(7)

式中,τ0是與參量δ相關(guān)的復(fù)數(shù),可以通過查兩者的關(guān)系曲線獲得[6]。

根據(jù)舒-范公式,對艦艇在海上500km內(nèi)的地波通信鏈路進行計算,典型地設(shè)置發(fā)射機輸出功率為1kW,方向系數(shù)D取3,海面相對介電常數(shù)εr=80,電導(dǎo)率σ=4Ω/m。計算工作頻率分別為3MHz、6MHz、9MHz、15MHz時接收點場強與距離的關(guān)系,結(jié)果如圖1所示。

通過圖1的計算結(jié)果可以看出,地波場強與國際無線電咨詢委員會(CCIR)報告海面上地波傳播曲線CCIR368-2對比,兩者基本符合。地波場強隨著距離的增大逐漸減小,頻率越高地波場強越小,這是因為趨膚效應(yīng)的影響,頻率大的電磁波在地面感應(yīng)電流也大,衰減也大。

3 天波場強計算

天波傳播是中遠短波通信主要的傳播方式。影響天波傳播的因素很多,主要有發(fā)射功率、工作頻率、天線增益、傳播損耗、時間、地理位置等[7～8]。

根據(jù)ITU-RP.533推薦的天波傳播場強計算模型,結(jié)合實用性的要求,短波天波接收點場強Et可用下式計算[6]:

Et=137.2+20lgf+10lgP+Gt-Lb

(8)

式中,Et為天波傳播時接收點信號強度,單位dB(μV/m)；F為工作頻率,單位為MHz；P為發(fā)射機發(fā)射功率,單位kW；Gt為天線增益,單位為dB；Lb為天波傳輸損耗,單位為dB。

根據(jù)傳輸損耗形成原因,短波天波基本傳輸損耗Lb表示為

Lb=Lbf+Li+Lg+Yp

(9)

式中,Lbf為自由空間傳輸?shù)膫鬏敁p耗,Li為電離層吸收損耗,Lg為地面反射損耗,對于電離層一次反射,沒有地面反射損耗；Yp為額外系統(tǒng)損耗[9～10]。

1) 自由空間基本傳輸損耗

自由空間基本傳輸損耗是無線電波離開發(fā)射天線后因幾何擴散而引起的能量損失。天波一跳的傳播如圖2所示。

若設(shè)天線的輻射功率為P,則在有效傳播路徑r處的功率通量密度為P/4πr2,已知在自由空間各向同性天線接收總面積為λ2/4π(λ為波長),因此接收到的總功率為Pλ2/(4πr)2,則自由空間傳播損耗可表示為

(10)

Lbf的計算公式也可以表示為

Lbf(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lg(r)

(11)

式中,f為工作頻率,單位為MHz,r為電波傳播有效路徑,單位為km。

有效路徑可根據(jù)圖2可計算:

(12)

其中,Δ為射線仰角,D為大圓距離,R為地球半徑,h′為電離層高度。

2) 電離層吸收損耗

電離層的吸收損耗是無線電傳播中的第二大項損耗。電離層的吸收損耗和太陽黑子數(shù)、太陽天頂角以及工作頻率、輻射仰角有關(guān),計算電離層吸收損耗利用以下半經(jīng)驗公式:

(13)

式中

I=(1+0.0037R12)·(cos0.881χ)1.3

(14)

i100=arcsin(0.985·cosΔ)

(15)

式中,I為吸收系數(shù),R12為太陽黑子數(shù),i100為100km高度處電波入射角,Δ為射線仰角,fH為100km高處磁旋頻率。

通常,工程計算采用圖表法來計算電離層的吸收損耗,fH與太陽頂角χ可根據(jù)反射點緯度和時間等,通過圖表計算出,進而可計算出吸收系數(shù)I和電離層吸收損耗。

3) 地面反射損耗

地面損耗是電波經(jīng)由地面反射發(fā)生的,電離層一次反射的情況下地面反射損耗為零,海面反射每次反射取1dB。

4) 額外系統(tǒng)損耗

額外系統(tǒng)損耗是指除了上述損耗以外的其他原因造成的損耗總和,包括電離層偏倚吸收、多徑效應(yīng)、偏離大圓電路的傳播等引起的損耗,精確計算比較困難。對于包括我國在內(nèi)的中緯度地區(qū)而言,額外系統(tǒng)損耗基本上是本地時間函數(shù),取值在16dB～20dB之間,額外系統(tǒng)損耗取18dB。

4 天線效率與天線增益

4.1 天線效率計算

實際使用過程中,由于天線存在熱損耗,而且機殼、地網(wǎng)射頻電流的損耗要比理想狀態(tài)大得多,實際地網(wǎng)上損耗電阻的經(jīng)驗公式為

(16)

式中,B為與地有關(guān)的常數(shù),約等于2～7；h為天線高度。

如果僅考慮地損耗,天線的效率如式(17)所示:

(17)

4.2 天線增益計算

在具體的計算中,仰角方向的天線增益Gt為

Gt=ηD

(18)

式中,η為天線效率,D為仰角方向的方向性系數(shù)。對于鞭天線來說,其方向性系數(shù)D可表示為

(19)

式中,F(θ)為天線垂直方向的方向圖函數(shù),Rr為鞭天線的輻射電阻。

(20)

式中,θ為輻射仰角(輻射方向與水平面的夾角),k=2π/λ,l為對稱振子臂長,即鞭天線的幾何長度。

5 場強計算與分析

5.1 鞭天線方向圖

下面結(jié)合鞭天線的方向圖,對距離發(fā)射點一定范圍內(nèi)的地波場強和天波場強進行計算和仿真。

根據(jù)式(20)畫出鞭天線的方向圖如圖3所示,其中天線垂直于海平面90°方向放置。

由鞭天線的方向圖可以看出,當h/λ<1/2時,隨著h/λ的增加,水平面方向的方向系數(shù)逐漸變大,h/λ=1/2時,達到最大；當h/λ>1/2時,開始出現(xiàn)旁瓣,當h/λ=3/4時,水平方向處成為旁瓣,而主瓣出現(xiàn)在45°左右；當h/λ=1時,水平方向處輻射為零。而近距離范圍內(nèi)的地波場強取決于水平方向的輻射強度,近距離范圍內(nèi)的天波場強則取決于高仰角方向天線的輻射強度,低仰角方向的輻射強度決定了天波中遠距離通信的通信距離。

5.2 場強計算結(jié)果分析

按照第2～4節(jié)場強的計算過程,分別計算工作頻率為3.75MHz、7.5MHz、15MHz下距離發(fā)信地點100km、200km、300km、400km、500km、1000km、2000km、3000km、4000km的地波和天波場強并進行對比,其中,發(fā)射機輸出功率Pr為1kW,海面相對介電常數(shù)εr=80,電導(dǎo)率σ=4Ω/m,發(fā)射天線選用10m鞭天線,這三種頻率下的h/λ分別為1/8、1/4、1/2,計算結(jié)果如下:

1) 工作頻率3.75MHz下計算出的場強如表1所示。

表1 工作頻率3.75MHz下的場強計算結(jié)果

對比分析,從計算結(jié)果可以看出,由于天線方向增益的影響,場強與距離并不完全呈線性關(guān)系；在工作頻率為3.75MHz時,在400km以內(nèi),電波以地波傳播為主,400km以外電波以天波傳播為主；同時也可以看出在1000km處的天波場強要比400km以外的地波場強大。

2) 工作頻率7.5MHz下計算出的場強如表2所示。

表2 工作頻率7.5MHz下的場強計算結(jié)果

對比分析:從計算結(jié)果可以看出,由于天線方向增益的影響,場強與距離并不完全呈線性關(guān)系,在工作頻率為9MHz時,350km以內(nèi),電波以地波傳播為主,350km以外電波以天波傳播為主；同時也可以看出在2000km處的天波場強要比400km以外的地波場強大。

3) 工作頻率15MHz下計算出的場強如表3所示。

表3 工作頻率15MHz下的場強計算結(jié)果

對比分析,從計算結(jié)果可以看出,由于天線方向增益的影響,場強與距離并不完全呈線性關(guān)系,在工作頻率為15MHz時,300km以內(nèi)電波以地波傳播為主,300km以外電波以天波傳播為主,同時也可以看出在4000km處的天波場強要比300km以外的地波場強大。

6 結(jié)語

本文結(jié)合鞭天線的方向圖,通過對4000km范圍內(nèi)地波和天波場強的計算、比較和分析,可以得出以下結(jié)論:

1) 從場強的計算可以看出,近距離范圍內(nèi),電波傳播以地波傳播為主,遠距離傳播,則主要以天波傳播為主。

2) 地波場強工作頻率越大,地波衰減越快,相應(yīng)的傳播距離越短,因此近距離短波通信應(yīng)盡量選用低頻率進行通信,以保證通信的有效性。

3) 地波和天波場強的大小和天線方向圖緊密相關(guān),當沿著地平面方向的波瓣輻射較大時,地波場強較大,低仰角方向天線輻射較強時,天波場強較大,便于進行中遠距離通信?？梢岳迷撎匦?可以實現(xiàn)特定目的通信,例如,想要通過短波方式實現(xiàn)遠程通信,而不被近距離監(jiān)聽時,可控制天線在地平面方向的波瓣輻射最小,同時在低仰角方向,使天線輻射盡可能的大。

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Calculation and Analysis of HF Communication Circuit at Sea

YE Guilin

(Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development Company, Beijing 102209)

Based on the communication environment at sea, the transit methods and parameters which influence transmit characteristic of HF transmission Channel. Combined with the whip antenna power rating, the ground-wave field-strength and the sky-wave field-strength are alculated and compared. The conclusion provides theory evidence to establish available communication at sea effectively.

communication at sea, whip antenna, ground-wave, sky-wave field-strength

2016年10月9日,

2016年11月15日

葉桂林,男,碩士,工程師,研究方向:短波通信技術(shù)。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.014