天線在短波通信臺站中的應(yīng)用分析

吳亞潔

（貴陽職業(yè)技術(shù)學(xué)院，貴州 貴陽 550081）

0 引 言

短波通信中電離層的高度不同，且傳輸易受季節(jié)、天氣和溫度因素影響。隨著科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，特別是互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)的快速發(fā)展，短波通信也得到了極大的改進，可以在各種情況下進行傳輸。短波無線電通信主要采用2 種新形式，分別是地波和天波。然而，由于天波可以從地面發(fā)射，并在電離層折射后返回地面，可以用于地形復(fù)雜、建筑密集的地方的無線電通信。相比之下，地波只能沿地表傳輸，傳輸有限。基于該背景，天波是短波通信的主要形式。

1 短波通信技術(shù)概述

1.1 無線電波

無線電波是在自由空間（包括空氣和真空）傳播的頻射頻段的電磁波。無線電波的波長越短、頻率越高，相同時間內(nèi)傳輸?shù)男畔⒕驮蕉?。無線電波在空間中的傳輸方式有以下情況：直射、反射、折射、穿透、繞射(衍射)和散射，無線電波由電子振蕩器產(chǎn)生，并由天線無線傳輸以進行通信和廣播。無線電波的頻率范圍從幾赫茲到數(shù)千兆赫茲不等[1]。

1.2 電離層

電離層在宇宙射線和太陽輻射的激勵下電離形成，是等離子體，包含電子、離子、中性粒子，其中正負電荷數(shù)量基本一致，因此宏觀上表現(xiàn)為電中性。電離層對無線電信、導(dǎo)航、衛(wèi)星通信等具有重要意義。在短波通信中，當電離層的離子和電子濃度較高時，反射頻率也會相應(yīng)增加[2]。由于季節(jié)和時間的變化，電離層的濃度因地區(qū)而異，對短波通信的影響也有所不同。

1.3 傳播途徑

短波傳輸可分為地波傳輸和天波傳輸2 種方式。地波傳輸指無線電波沿地面?zhèn)鬏?，其傳輸距離與地面介質(zhì)密切相關(guān)。水具有良好的導(dǎo)電性，因此在海上具有良好的傳輸效果。然而，地球本身的導(dǎo)電性較差，無線電波的衰減也較大，因此在傳輸過程中需要考慮障礙物的影響。天波傳輸指信號發(fā)射后，需要通過電離層在地面和電離層之間來回傳輸[3]。由于不需要直接接觸地面，天波傳輸距離一般較遠，基本上不受表面障礙物的阻礙。然而，由于需要多次傳輸電離層，電離層的弱作用可能會影響通信質(zhì)量。此外，在鋪設(shè)短波通信網(wǎng)絡(luò)時，需要考慮季節(jié)、氣候和地區(qū)的影響。

2 天線和短波通信的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 基站天線關(guān)鍵技術(shù)

2.1.1 電調(diào)技術(shù)

隨著移動互聯(lián)網(wǎng)的快速發(fā)展和智能手機的普及，人們對移動通信網(wǎng)絡(luò)容量的需求呈幾何級增長，對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的需求也在增加，對網(wǎng)絡(luò)質(zhì)量的要求也越來越高。運營商和設(shè)備制造商正在關(guān)注如何優(yōu)化網(wǎng)絡(luò)覆蓋，以滿足這些需求。為了實現(xiàn)良好的信號覆蓋，基站天線的主波束通常需要從一定的角度傾斜。實現(xiàn)主波束下傾的方法有2 種，分別是機械下傾和電調(diào)下傾[4]。但是，機械天線在性能和工程實施方面不如電調(diào)天線，因此電調(diào)技術(shù)已成為基站天線的關(guān)鍵技術(shù)。

在移動通信領(lǐng)域，電調(diào)技術(shù)被廣泛應(yīng)用以實現(xiàn)基站天線垂直面的主波束向下傾斜。移相器是電調(diào)技術(shù)的核心，能夠?qū)崿F(xiàn)這一目標。根據(jù)電路類型的不同，移相器可分為模擬移相器和數(shù)字移相器。波導(dǎo)移相器是早期的移相器之一，其通過旋轉(zhuǎn)圓波導(dǎo)中的介質(zhì)片改變信號傳輸相位。之后的U 型滑動結(jié)構(gòu)移相器通過改變傳輸線的物理長度改變信號傳輸相位，并巧妙地利用波長段實現(xiàn)物理隔離和電氣連接。20 世紀60年代，半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展催生了數(shù)字移相器的出現(xiàn)，但其成本高、設(shè)計復(fù)雜、互調(diào)性能差等問題限制了其應(yīng)用[5]。因此，機械模擬移相器開始應(yīng)用于基站天線，并逐漸成為行業(yè)研究的重點和熱點。

2.1.2 極化技術(shù)

極化指電場強度矢量的取向隨時間變化的特性，通常用電場強度矢量的端點隨時間變化的軌跡來描述。天線極化分為線極化、圓極化和橢圓極化。基站天線通常采用線極化，包括水平極化、垂直極化、-45°極化以及+45°極化。單極化基站天線一般采用垂直極化，而雙極化多采用+45°極化[6]。雙極化天線將2 個互相正交的天線封裝在同一個天線罩內(nèi)，能夠抵抗多徑衰落，提高漫游切換能力和通話質(zhì)量，增加系統(tǒng)容量。同時，它能實現(xiàn)小型化，節(jié)省天線數(shù)量，降低機械承載，便于安裝，并使基站布局更加合理。由于具有眾多優(yōu)點，雙極化天線被廣泛應(yīng)用于移動通信系統(tǒng)中。

雙極化技術(shù)是一種用于分集接收的技術(shù)，最初應(yīng)用于移動無線通信領(lǐng)域[7]。在工程實踐中，實現(xiàn)基站天線的雙極化相對容易，只需要確保天線輻射單元的電流方向與地面成45°即可。然而，實現(xiàn)高隔離度和交叉極化比是雙極化技術(shù)的難點之一。為了解決這個問題，研究人員采用了一些方法，如采用高隔離度的輻射單元、反向饋電技術(shù)、增大饋線間隙以及去耦合裝置等。

2.2 短波通信系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.2.1 等效基帶信號系統(tǒng)

在通信系統(tǒng)中，低頻信號包括圖像和語音信號，具有直流分量低通頻譜的特點。這些信號的最高頻率最低值大于1，且在頻譜地段分布的能量較大，因此被稱為基帶信號?；鶐盘柨梢酝ㄟ^電纜、架空明線等有線信道直接傳輸，但不能在無線信道傳輸。即使能夠在有線信道傳輸，一對也只能傳輸一路，利用率很低。為使基帶信號能夠像無線信道一樣傳輸，并且使有線信道能夠傳輸多個基帶信號，需要使用解調(diào)和調(diào)制技術(shù)。解調(diào)是接收端將搬移的頻譜還原成基帶信號的過程；調(diào)制是將基帶信號從發(fā)送端搬移到指定信道的過程。

2.2.2 虛擬短波天波信道模型參數(shù)的確定

電離層的物理特性會隨著季節(jié)和晝夜的變化而變化，這種影響在接收到的語音信號中表現(xiàn)得非常真實。為了達到這種真實度，需要改變模型參數(shù)以適應(yīng)不同的環(huán)境條件。然而，短波模型的參數(shù)與環(huán)境參數(shù)之間沒有確定的關(guān)系，因此直接計算環(huán)境參數(shù)的模型參數(shù)并不容易。

3 短波通信站天線的應(yīng)用分析

3.1 短波通信站在固定電臺天線的應(yīng)用

短波通信網(wǎng)絡(luò)由固定電臺、車載電臺以及便攜式電臺等設(shè)備構(gòu)成，這些設(shè)備的選擇直接影響通信質(zhì)量。為了建立應(yīng)急通信樞紐并充分發(fā)揮小型便攜式天線和設(shè)備移動性強的優(yōu)勢，需要選擇合適的設(shè)備來傳遞數(shù)據(jù)信息。

在選擇天線時，需要考慮傳輸距離、通信方向、使用目的以及承載功率等因素，以選擇合適的架設(shè)方法，提高天線短波的傳輸距離和功率，從而優(yōu)化通信效果。

固定平臺天線需要滿足移動通信中心站的綜合要求，實現(xiàn)各種距離的傳輸，適應(yīng)各種車輛和船舶元素，具有良好的兼容性。三角形組合全方位全角天線是一種有效的選擇，其可以在水平方向?qū)崿F(xiàn)全方位覆蓋，同時均勻輻射在天仰角，適用于各種傳輸距離。此外，該天線可以兼顧垂直極化波和水平極化波，與該地區(qū)不同電臺站點的不同類型天線兼容性好。

高增益三線天線具有增益高、全頻段駐波比小、無盲區(qū)全方位傳輸、抗風(fēng)能力強等優(yōu)點，可有效提高通信效果。三線天線可根據(jù)通信目的地的不同選擇平拉法安裝。天線寬邊輻射能力強于窄邊，適用于點對點定向通信過程。

無論是固定電臺、車載電臺還是便攜式電臺，都需要根據(jù)實際需要和環(huán)境條件選擇合適的設(shè)備，并通過優(yōu)化天線的選擇和安裝方法提高短波通信網(wǎng)絡(luò)的性能和效率。

3.2 車載電臺天線在短波通信站的應(yīng)用

車載電臺天線是短波通信傳輸中不可或缺的設(shè)備，其反應(yīng)迅速、靈敏度高、安裝方便等特點備受青睞。鞭狀天線是目前廣泛應(yīng)用于車載短波通信站的天線類型，由于體積小、重量輕、安裝簡單方便以及能夠?qū)崿F(xiàn)全方位傳輸?shù)忍匦裕m用于各種類型的車輛。通過鏡像天線效應(yīng)，鞭狀天線在遠距離通信中呈垂直狀態(tài)，從而有效提高通信距離和傳輸強度和效果。在近距離傳輸時，鞭狀天線可以放置為“L”形狀，并通過屋頂反射增加輻射表面和輻射距離。

然而，盡管鞭狀天線在車載短波通信系統(tǒng)中具有諸多優(yōu)點，但它也存在一些限制因素。例如，在10 ～100 km 內(nèi)存在通信盲區(qū)，可能會影響通信質(zhì)量。因此，為了優(yōu)化車載短波通信系統(tǒng)，需要采取一系列措施解決這個問題。首先，增加垂直輻射是一種有效的方法，可以通過調(diào)整天線的方向和角度擴大覆蓋范圍。其次，選擇較小的天線類型也可以改善信號質(zhì)量。最后，改進通信傳輸中的架設(shè)方法也非常重要，例如采用更合適的架設(shè)位置和角度，以確保信號能夠穩(wěn)定地傳輸?shù)浇邮斩恕?/p>

3.3 便攜式電臺天線在短波通信站的應(yīng)用

便攜式廣播電臺天線在短波通信站中的應(yīng)用需要使用短鞭天線，例如，3 m 長的可折疊鞭天線可以與25 ～50 W 的廣播電臺相匹配，但最大通信距離只有20 km。為了提高傳輸距離，便攜式快速天線需要及時更換，特別是在停止駕駛時。單線行波天線是一種新型的野外通信設(shè)計，專門用于便攜式短波天線的應(yīng)用。該天線具有低駐波比和高輻射效率的全頻段，并且可以選擇不同的架設(shè)方式實現(xiàn)全方位通信傳輸。該天線體積小、質(zhì)量輕、架設(shè)方便靈活，適用于不同距離的通信傳輸。線波天線長20 m，專門用于野外臨時架設(shè)，分為斜拉架設(shè)和平拉架設(shè)。斜拉架設(shè)可實現(xiàn)全方位通信輻射，通信傳輸距離可達1 000 km，同時盲區(qū)現(xiàn)象也得到了有效改善。在平拉架設(shè)中，可用于800 ～1 600 km 的遠距離傳輸，方向性強。

4 結(jié) 論

天線作為一種短波介質(zhì)，具有許多優(yōu)點，不同類型的天線直接影響短波通信的距離和效率，在實際應(yīng)用中具有重要意義。通過分析不同類型的天線對短波通信的影響，得出采用小增益、小體積、低高度以及盲區(qū)小的天線，可以有效提高短波通信的效率。在鋪設(shè)短波通信網(wǎng)絡(luò)時，考慮天線類型的運行模式特征，充分發(fā)揮其優(yōu)勢，提高通信效率。為了更有效地應(yīng)用短波通信，根據(jù)不同類型天線的特點，為天線在短波通信中的應(yīng)用提供了可靠的保護。根據(jù)實際情況科學(xué)合理地選擇不同類型的天線，從而解決短波通信的控制與維護問題。