非標準配置條件下超短波多天線共址布局設(shè)計

王鼎，謝洪森，田華明，黃子革

（海軍航空大學青島校區(qū)，山東青島，266041）

0 引言

超短波對空通信以其抗干擾性強，承載能力大，可靠性高的特性，成為目前最主要的對空通信方式。超短波對空通信越來越繁忙，需要越來越多的頻率來滿足機場塔臺和空中管制部門的需求，同時為保障地空通信無間斷運行還需要有主頻和備頻。電臺數(shù)量的增加，通信頻率的增加，無形中增加了同頻干擾與鄰頻互擾的風險，因此在工程實踐中經(jīng)常涉及在有限陣地空間下實現(xiàn)超短波多天線共址配置問題。本文運用天線最小隔離度算法，提出了非標準配置條件下超短波電臺多天線共址布局設(shè)計方法，實現(xiàn)了超短波通信系統(tǒng)的互聯(lián)互通和電磁兼容，有效解決了機場塔臺、對空臺天線場地受限引發(fā)的同頻互擾問題。

1 天線共址配置方式

無線電系統(tǒng)間電磁干擾主要傳輸途徑是天線間的耦合，常用隔離度來定量表征這種耦合的強弱程度。天線的載體和天線間的距離以及障礙物不同，分析它們耦合的方法也不同，分析過程的難易程度也有很大的區(qū)別。對于自由空間分隔相距比較遠的天線，天線間耦合的相互影響主要是通過天線的遠區(qū)場進行的，與天線近場情況的關(guān)系較小。但當天線間的距離比較近時，分析它們的耦合就需要考慮天線的具體形式、饋電結(jié)構(gòu)、安裝位置和安裝殼體等各種因素的影響。

在超短波對空通信系統(tǒng)中，無論是發(fā)射還是接收都需要經(jīng)過天線系統(tǒng)，由此可見天線在超短波信號的傳輸中起到重要的作用。當搭建新的超短波對空通信系統(tǒng)時，必須充分考慮天線問題，如果天線的地理位置、天線高度、天線間距等選取不恰當，就會對以后的使用造成極大的影響，干擾問題就會源源不斷。

超短波天線都采用收發(fā)一體模式，這樣就使天線安裝受到限制，收、發(fā)天線基本上相當于同址安裝，這就需要讓收、發(fā)天線有一定的間距，才能有足夠的信號隔離度，才能保證超短波信號質(zhì)量不受干擾。目前，對于機場而言，天線場地有限，隨著實際工作頻率的增多，需要在有限的場地中不斷地加裝不同的天線。由于天線之間的架設(shè)距離是造成信號受干擾的原因之一，所以，合理的布局天線場地能有效地避免不必要的干擾現(xiàn)象。超短波天線共址配置的排列方式分為三種，分別是天線水平隔離、垂直隔離和組合隔離。

（1）天線的水平隔離

天線水平排列方式，如圖1所示。假設(shè)發(fā)射天線的功率為PT，天線的效率是η，天線的方向系數(shù)為Dt，則其輻射功率PT為：

圖1 天線水平隔離示意圖

在天線最大輻射方向上距離發(fā)射天線d處產(chǎn)生的功率密度Pr則為：

式中，GT為發(fā)射天線增益。

假設(shè)r處有接收天線，天線有效面積為S，天線增益為GR，則天線接收功率PR為：

其中，

則可得：

設(shè)自由空間傳播損耗為L0，則：

（2）天線的垂直隔離

當天線水平排列受限時，可采用垂直排列方式，如圖2所示。根據(jù)電磁場理論，短偶極子天線的電場強度為：

圖2 天線垂直隔離示意圖

式中，L為天線長度，I為天線電流，d為天線間距，k為波矢。

假設(shè)，天線發(fā)射功率為Pt，天線電阻為R，則有：

由于發(fā)射天線和接收天線垂直排列，所以沒有極化失配。則可得接收天線坡印廷矢量S為：

則可得天線垂直隔離度為：

式中，f為發(fā)射信號頻率。

（3）天線的組合隔離

除此之外，當天線水平空間和垂直空間均受限時，可采用組合隔離，如圖3所示。

圖3 天線組合隔離示意圖

天線隔離度為：

2 天線隔離度與系統(tǒng)隔離度的關(guān)系

在一個系統(tǒng)中，為保證每個天線正常工作，天線的隔離度必須滿足一定的要求，否則天線間的干擾會壓制住有用信號，從而使系統(tǒng)無法正常工作。一般將發(fā)射天線的發(fā)射功率與另一天線所接受功率的比值定義為天線的隔離度。

天線隔離度與空間隔離度是兩個不同的概念。其中，空間隔離度與天線的具體形式無關(guān)，它只描述電磁波通過兩天線間的空間傳播時，由于電磁波的自身發(fā)散以及空間媒質(zhì)的作用而產(chǎn)生的自然衰減。天線隔離度不但計及這種自然衰減，而且包含了接收天線與發(fā)射天線對發(fā)射方向上的功率密度以及接受方向上的功率密度的影響，因此天線隔離度不但與天線間的空間具體形式及構(gòu)成有關(guān)，還與天線的形式有關(guān)。具體地講，天線隔離度是空間隔離度與收發(fā)天線在特定方向上功率增益的和，天線隔離度最好地描述了天線間的隔離程度。

利用天線之間的空間隔離度以滿足接收天線端干擾抑制要求，從干擾發(fā)射機到被干擾接收機總損耗稱為系統(tǒng)隔離度，天線隔離度與系統(tǒng)隔離度關(guān)系為：

式中，L0為天線隔離度，LI為系統(tǒng)隔離度，LF為濾波器隔離度，LT為發(fā)射天饋線損耗，LR為接收天饋線損耗，GT為發(fā)射天線增益，GR為接收天線的增益。

根據(jù)超短波對空通信系統(tǒng)技術(shù)要求，當頻率間隔大于1MHz時，LI≥70dB，LT≤3.5dB，LR≤6.0dB，Gr=Gt=0dB=2.15dBi。超短波對空通信系統(tǒng)一般采用帶通濾波器。濾波器主要參數(shù)典型值如表1所示。

表1 濾波器主要參數(shù)

濾波器特性曲線如圖4所示，圖中紅線（上方）表示測量值只包含濾波器，藍線（下方）表示包含連接濾波器饋線的值。濾波器的衰減值如表2所示。

圖4 濾波器特性曲線圖

表2 濾波器的衰減數(shù)值

由此可得，當頻率間隔為1MHz時，計算可得天線間隔距如表3所示。

表3 天線間距數(shù)值

由上述計算可知，垂直排列的天線間距遠遠小于水平排列，所以當天線場地有限時，優(yōu)先考慮垂直排列。但是，垂直排列高度通常受限于場地環(huán)境，如果超出范圍應(yīng)考慮組合排列。

需要注意的是，性能良好的天線還需要與之性能相匹配的饋線，所以饋線選擇也非常重要。超短波通信一般采用1/2″、7/8″或13/8″的射頻同軸電纜。

其中，13/8英寸同軸電纜衰減最小，但13/8英寸線纜較粗，不方便直接接到設(shè)備上，需與1/2英寸線纜配合使用。目前，天線距發(fā)射機較近時一般使用的是1/2英寸和7/8英寸饋線，天線距發(fā)射機較遠時一般使用的是1/2英寸和13/8英寸饋線。與此同時，頻率的不同也會影響到電纜選擇，頻率越大，饋線損耗越大。電臺與天線距離應(yīng)當越短越好，盡量控制在100m之內(nèi)，以減小饋線的損耗。

3 天線共址工程實現(xiàn)

某機場超短波對空臺天線陣地面積220m2左右，計劃架設(shè)超短波天線6副。相同類別天線的頻段相同，需進行隔離度分析。

(1)水平隔離度

根據(jù)水平架設(shè)隔離度計算公式，假設(shè)超短波電臺工作頻率126MHz，當頻率間隔為1.5MHz時，估算出同頻段天線之間的水平架設(shè)距離需滿足d≥7.0m；當頻率間隔為2MHz時，估算出同頻段天線之間的水平架設(shè)距離需滿足d≥4.9m，如圖5所示。

圖5 天線場布局圖

(2)垂直隔離度

由于天線水平排列時受區(qū)域大小的限制，可以將天線垂直排列。根據(jù)垂直架設(shè)隔離度計算公式，設(shè)超短波電臺工作頻率126MHz，當頻率間隔為1MHz時，估算出同頻段天線之間的垂直距離需滿足d≥4.3m；當頻率間隔為2MHz時，估算出同頻段天線之間的垂直距離需滿足d≥2.4m。

由于本臺站陣地有限，在天線高度達標的基礎(chǔ)上，主要采用垂直隔離的方式或者是組合隔離的方式來架設(shè)天線，工程建成之后通過實驗驗證，多天線共址布局設(shè)計取得了良好的通信效果，未發(fā)生鄰頻互擾問題。另外，可以將接收、發(fā)射天線分別架設(shè)在不同機房、不同位置，這樣也可以增加發(fā)射、接收天線的隔離度。

此外，除增加天線之間的隔離度外，還需要實現(xiàn)信號的多重覆蓋，每一套系統(tǒng)均可以完全覆蓋到本場的空域，這樣可以確保超短波通信的可靠性，當臺站的超短波電臺出現(xiàn)信號干擾導致通信中斷時，可以使用其他臺站的電臺進行通信。

4 結(jié)束語

本文針對機場塔臺、對空臺天線場地架設(shè)受限問題，分析研究對空通信裝備特點及超短波傳輸特性，計算水平排列、垂直排列、組合排列方式下天線最小隔離度，基于超短波系統(tǒng)隔離度、發(fā)射接收饋線損耗、天線增益及濾波器特性曲線等研究天線架設(shè)間隔距離，制定超短波多天線共址優(yōu)化布局方案，有效降低鄰頻互擾影響，解決了狹小空間條件下超短波多天線共址布局建設(shè)的問題。