民航空管甚高頻收發(fā)天線間距淺析

楊奕堂

摘要：通過推導(dǎo)VHF收發(fā)天線的距離計算，淺析了在建設(shè)VHF站點時收發(fā)天線距離需要考慮的相關(guān)因素，得出正常情況下天線的距離要求，并結(jié)合工程實踐探討了雙腔濾波器串接時天線間的距離，得出發(fā)射功率、靈敏度與距離之間的關(guān)系。

關(guān)鍵詞：甚高頻;空管;天線距離

中圖分類號：V355.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672 - 9129（ 2018） 12 - 0124 - 02

1 引言

在民航空管甚高頻（ VHF）共用天線設(shè)計中，如若發(fā)射和接收天線距離過近并且頻率間隔太小，連續(xù)相位噪聲以及雜散干擾將會成為新的噪聲輸入，這將使得系統(tǒng)輸出信噪比不斷惡化，接收機的靈敏度大大降低，業(yè)界將其稱為發(fā)射機邊帶噪聲干擾。此類干擾將直接影響到VHF甚高頻天線前期的部署（間距的確定），因此是空管VHF技術(shù)保障必須研究的關(guān)鍵問題之一。

2 相關(guān)理論

是否損失3dB信噪比可以衡量VHF系統(tǒng)是否存在固有噪聲以外的干擾，而在實際工作中，對于接收機而言損失3dB信噪比沒法真正辨別，只有損失超過3dB且輸出信號質(zhì)量降低系統(tǒng)才能夠察覺到，相關(guān)文獻將3dB作為考量收發(fā)天線間距的重要參數(shù)。在實際工作中，收發(fā)天線應(yīng)當滿足接收機信噪比損失小于3dB。當發(fā)射機邊帶噪聲功率等于輸入端的內(nèi)部噪聲功率時，系統(tǒng)輸出的信噪比損失為3dB。定義發(fā)射機天線增益為Gi，接收機天線增益為Cr，根據(jù)自由空間傳輸理論有：Lf=/GiGr（1）

Ni為發(fā)射機到接收天線的邊帶噪聲功率，由式（1）、（2），當邊帶噪聲功率等于輸入端的內(nèi)部噪聲功率時，系統(tǒng)輸出的信噪比損失為3dB，可以得出：Lf（ dB）= Ni（dB） - Nin（dB） （2）

其中Nin為輸入端的內(nèi)部噪聲功率。因此，問題的討論可以轉(zhuǎn)換為發(fā)射機邊帶功率噪聲Ni和輸入端的內(nèi)部噪聲功率Nin。相關(guān)文獻指出可以通過（3）計算：

2010gR= Lf（dB） - 32.44 - 2010gf+Gi（dB）+ Gr（dB） （3）

2.1 發(fā)射機邊帶噪聲。發(fā)射機的邊帶噪聲表現(xiàn)為載波頻譜中心頻率兩邊的連續(xù)噪聲，以PAE為例50W的發(fā)射機測試載波f>f0（f0為中心頻率）部分可以看出，在該范圍內(nèi)存在連續(xù)的相位噪聲和離散頻譜。并且△f=f-f0≤500kHz內(nèi)的頻譜幅度都在- 60dBm以上，這在一定的距離條件下對于相鄰接收機可以造成干擾。假設(shè)載波功率為P則其邊帶功率為：

Pw= Pm2/4 （4）

（其中m為調(diào)制度）?？紤]△f= 200 kHz.根據(jù)實際一個測試案例，邊帶功率大約為- 45 dBm，載波功率為3.16 x10 -8m2/4，m取經(jīng)驗值0.3，則根據(jù)式（4）得出Pw為7.11 xl0 -10（W）。

民航空管的VHF信號需要通過腔體濾波器、饋線再發(fā)送到天線。實際測量中相位噪聲及離散干擾信號邊帶對于發(fā)射機載波功率的功率譜密度為S（△f），取其為S（ 200 kHz）。根據(jù)相關(guān)文件參數(shù)可以查出參考值為lOlogS（200kHz）=- 142dBc/Hz，腔體濾波器損耗以德國KATHAEIN公司生產(chǎn)K6421351型濾波器為例，通常f0+200kHz處損耗為14dB。饋線損耗則與實際饋線的長度和直徑有關(guān)（此處還需考慮隔離器、合路器等其他器件在內(nèi)的損耗）。

根據(jù)（4）和實際情況，有：

Ni= 101（lgP +lOlogS（ △f）+ 10logBn - 10logLFT（5）

其中Bn為邊帶帶寬，對于音頻信號Bn通常取3100Hz（ 3400 - 300=3100Hz）.LFT為饋線損耗和濾波損耗之和，經(jīng)驗值取5dB。

2.2接收機內(nèi)部噪聲。同理接收機的內(nèi)部噪聲Nin為：

Nin= 10log（ LFRNF2 Ni）=LFR（ dB）+ NF2（dB）+Ni（dB） （6）

其中LFR為接收機的饋線損耗和濾波損耗，取5dB。NF2為噪聲系數(shù)，將接收機當為線性無源四端網(wǎng)絡(luò)，根據(jù)無源四端網(wǎng)絡(luò)噪聲系數(shù)等于網(wǎng)絡(luò)的傳輸損耗可以得出NFl= LFFR。NF1為饋線/腔體濾波器部分噪聲系數(shù)，通過NF1可以進一步求出NF2，相關(guān)推導(dǎo)篇幅所限不贅述。

3 收發(fā)天線的距離探討

根據(jù)上述理論推導(dǎo)，結(jié)合實際案例可以得出發(fā)射功率為50W的甚高頻收發(fā)天線組的接收機內(nèi)部噪聲為Nin= - 154dB，發(fā)射機邊帶噪聲為Ni= - llOdB，將其代入（2）得到Lf（dB）= Ni（ dB） - Nin（dB） =44dB。根據(jù)式（3）可以得出logR=0.578 - logf+Gi（dB）/20+ Gr（dB ）/20。對于確定的Gi（dB）和Gr（dB）發(fā)射頻率f越大距離R越小，因此在規(guī)定的工作頻率范圍內(nèi)取下限頻率時天線的距離最大。而在民航空管VHF中，頻率范圍為118MHz - 137MHz，因此，此處只需要考慮118MHz的發(fā)射頻率下的天線距離R即可得出其應(yīng)保持的最小距離。根據(jù)相關(guān)資料，在用的甚高頻收發(fā)天線為半波天線，增益系數(shù)為1.6，將其代人式（4）可以計算得出R =51m。

實際工作中，一個站點部署多個頻點是工作需要，要保持50m左右的距離顯然有點難度。從上述的推導(dǎo)中可以看出，縮短R的唯一辦法是縮短傳輸損耗Lf，而在限制饋線長度的條件下，增加腔體濾波器成為了解決問題的最終選擇，最為常見的辦法就是通過腔體濾波器串接。

將接收機和發(fā)射機分別串接兩個腔體濾波器，天線距離R可以縮小到8m。這種串接一方面可以縮短天線距離為工程建設(shè)提供便利另一方面也可以抑制類似交調(diào)、互調(diào)等干擾。

然而，腔體濾波器的串接并不是越多越好，實驗表明，兩個串接的腔體濾波器實現(xiàn)的噪聲系數(shù)是單腔體濾波器的1.56倍，根據(jù)噪聲系數(shù)的定義，在輸入信噪比一定的情況下，噪聲系數(shù)的增大將是信噪比的降低，進而導(dǎo)致接收機靈敏度的降低。三個以上的腔體濾波器串接將會導(dǎo)致這種情況的繼續(xù)惡化。這也說明，縮短收發(fā)天線間距是以犧牲發(fā)射功率和接收靈敏度為代價的，在VHF站點建設(shè)中，并不能一味追求天線距離的緊湊，應(yīng)當綜合考慮發(fā)射功率、接收靈敏度的相關(guān)設(shè)置。

4 結(jié)束語

本文從實際工作出發(fā)，淺析了與VHF天線收發(fā)距離有關(guān)的相關(guān)原理并推導(dǎo)相關(guān)的計算公式，最終通過工程實踐計算出相關(guān)數(shù)值，并提出了雙腔體濾波器串接的方法對天線建設(shè)的作用以及天線建設(shè)距離的設(shè)置需要考慮的相關(guān)因素，為相關(guān)研究拋磚引玉。