艦艇短波地波通信鏈路計算與分析

張志剛1，謝 慧1，丁 雷2,聶 峰

(1.海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，武漢 430033；2.南海艦隊通信處，廣東 湛江 524000；3.山東武警總隊通信處，濟南250000)

1 引 言

短波通信是海上艦艇通信的重要手段，由于艦艇上層建筑結(jié)構(gòu)復(fù)雜，空間狹小，為減小占地面積，艦艇短波天線多采用體積小、架設(shè)方便的鞭天線。直立鞭天線的方向特性導(dǎo)致該天線采用天波通信時，在近距離存在通信盲區(qū)；另一方面，海水導(dǎo)電率大，對電波衰減小，海上艦艇間的近距離短波通信可采用地波傳播。文獻[1,2]在計算艦艇間的短波地波通信鏈路時，均將天線視為性能不隨頻率變化的理想天線，實際艦載鞭天線為保證阻抗帶寬足夠?qū)挘ǔＴ谔炀€體上實施加載，以降低天線的駐波比[3]，而加載阻抗要吸收一部分能量，導(dǎo)致天線的輻射效率降低，尤其是低頻段，天線的駐波比也較高，因此鞭天線實際輻射出去的功率要遠小于輸入功率，導(dǎo)致天線的實際通信能力與理想條件下計算的結(jié)果有較大差距。本文結(jié)合艦載鞭天線仿真和測量的實際數(shù)據(jù)，考慮天線輻射效率和饋線傳輸效率的影響，對海上艦艇近距離地波通信能力進行計算和分析，可比較真實地反映艦艇近距離短波地波通信情況。

2 天線性能仿真計算

10 m鞭天線是艦艇上使用較多的一種短波寬帶天線，為了實現(xiàn)鞭天線駐波比的寬帶化，在天線鞭體上設(shè)置兩個集中加載點，上加載點為RL并聯(lián)加載，下加載點為RLC并聯(lián)加載，天線結(jié)構(gòu)見圖1，采用矩量法計算該天線的電氣性能[3]。

圖1 短波單鞭加載天線示意圖Fig.1 Schematic drawing of single loaded HF whip antenna

在矩量法中，激勵區(qū)采用δ電壓源時，外加電場可表示為[4]

Eiz=Vδ(z)

(1)

式中，V為激勵電壓。

對于集中加載，在加載區(qū)長度比天線長度小很多的情況下，可用狄拉克函數(shù)來代替加載區(qū)及其鄰域中加載阻抗的分布規(guī)律。天線的集中加載阻抗分布可表示為

Z(z)=Ziδ(z-zi)

(2)

式中,Zi為加載處的集總元件阻抗，zi為加載區(qū)中心點位置。

采用海倫積分方程，表達式為

(3)

選用正弦插值基時，第i段上電流可用下式表示[4]：

Ii(z)=Ai+Bisink(z-zi)+Cicosk(z-zi)，
z-zi<Δi/2

(4)

式中，Δi為第i段的長度，zi為該段中點的坐標，Ai、Bi、Ci為3個未知系數(shù)。

將電流展開函數(shù)代入積分方程，用沿天線軸線的線積分代替沿天線表面的面積分，權(quán)函數(shù)采用δ函數(shù)，就可得到一個矩陣方程，求解這個矩陣方程即可獲得天線上的電流分布，進而計算出天線的輸入阻抗、增益和方向圖等參數(shù)。圖2為天線沿海面方向的增益仿真曲線和發(fā)射機輸出端的駐波比測試曲線。

圖2 10 m短波寬帶鞭天線的駐波比及水平方向的增益Fig.2 The VSWR and power gain of 10 m HF whip antenna

由圖2可見，由于鞭天線在低頻段的輻射效率非常低，導(dǎo)致天線在低頻段的實際增益比較低，3 MHz時低于-8 dBi，而且由于低頻段駐波比比較高，實際傳送到天線上的功率比理想情況低得多。

3 地波場強計算

考慮地波傳播過程中的擴散損耗和地面吸收損耗，在接收點可達到的場強值(mV/m)可表示為

(5)

式中，A為由大地損耗所引起的衰減因子，Pr為輻射功率(單位：km)，D為傳播方向的增益系數(shù)，r為收發(fā)距離(單位：km)。衰減因子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)挠绊懀蝗绻瞻l(fā)距離超過了該距離，計算時必須考慮地球彎曲的影響。臨界距離由下式給出：

dcr=80f-1/3

(6)

衰減因子計算方法如下：

(1)當(dāng)d

通常，相位常數(shù)β≤90°，衰減因子常用以下經(jīng)驗公式計算：

(7)

式中，f為工作頻率，單位為MHz;σ為地表電導(dǎo)率，單位為s·m-1；εr為相對介電常數(shù)；λ為波長，單位為m;d為距離，單位為km。

(2)當(dāng)d>dcr時

此時到達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，此時的衰減因子A為

(8)

式中，參量δ值隨電波的極化而變，鞭天線沿海面主要為垂直極化。對垂直極化而言：

(9)

參量τ0為一復(fù)數(shù)，其實部Re(τ0)和虛部Im(τ0)與模量δ=k的關(guān)系可在文獻[7]中查取；參變量φ為相位常數(shù)，其計算公式為

(10)

4 計算結(jié)果分析

根據(jù)式(5)，結(jié)合10 m鞭天線的增益仿真結(jié)果和駐波比測試結(jié)果，對艦載鞭天線在海上不同條件下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1 kW，考慮饋線損耗，實際天線的輸入功率為800 W，海面相對介電常數(shù)εr=80，電導(dǎo)率σ=4 Ω/m。

計算距離分別為300 km、200 km、100 km時接收點場強與頻率的關(guān)系，結(jié)果如圖3所示。

圖3 不同距離時接收點場強與頻率的關(guān)系Fig.3 Field strength vs. frequency at different distance

由圖3可見，由于受輻射效率及饋線系統(tǒng)傳輸效率的影響，10 m鞭天線在接收點獲得的實際場強要比理想情況下低，尤其是3 MHz，相差15 dB左右。與理想天線場強隨工作頻率升高而下降的單一變化趨勢不同，實際鞭天線用地波進行通信時存在一個最佳工作頻段，由圖3可見，通信距離為100 km時，4～8 MHz時信號較強，200 km時最佳工作頻段為4～6 MHz，300 km的最佳工作頻段為4～5 MHz，通信距離越遠，最佳工作頻段寬度越窄，頻率也越低，表明雖然天線的輻射效率和饋線系統(tǒng)的傳輸效率在低頻段比較低，但是由于地波衰減隨頻率升高也迅速增加，因此綜合而言，較低的工作頻率仍然具有優(yōu)勢，不過由于3 MHz時天線的輻射效率和傳輸效率過低，因此場強明顯偏低。若取天線接收的最低場強要求為20 dBμV·m-1，計算天線在海上能夠有效覆蓋的最遠距離與工作頻率的關(guān)系，如圖4所示。

圖4 在海面不同頻率信號能被有效接收的最遠距離Fig.4 The longest distance that signal can be effectively received

由圖4可見，在海面上，為使艦艇短波地波傳播距離最遠，工作頻率應(yīng)選取為3～5 MHz，此時傳播距離在500～550 km左右；超過5 MHz后，傳播距離將顯著縮短。

5 結(jié) 論

艦載鞭天線的實際輻射性能對艦艇短波近距離地波通信能力有較大的影響，文中結(jié)合天線仿真和測量數(shù)據(jù)，考慮了天線輻射效率和饋線傳輸效率的影響，對海上艦艇短波地波通信能力進行計算，得出了一些有用的結(jié)論：

(1)通信距離為100 km時，艦載10 m鞭天線工作頻率為4～8 MHz可使接收點獲得最強的場強；200 km時，最佳工作頻率為4～6 MHz；300 km時，最佳工作頻率為4～5 MHz；

(2)在海面上最低場強要求為20 dBμV·m-1時，為使傳播距離最遠，工作頻率應(yīng)選取為3～5 MHz，此時傳播距離可達500～550 km；超過5 MHz后，傳播距離將顯著縮短。

參考文獻：

[1] 夏惠誠. 短波地波通信的量化計算[J]. 海軍大連艦艇學(xué)院學(xué)報, 1997, 20(3): 41-43.

XIA Hui-cheng. Numerical calculation of HF groundwave communication.[J]. Journal of Dalian College of Naval Ships, 1997, 20(3): 41-43. (in Chinese)

[2] 王鵬飛.艦艇間短波通信鏈路的分析與計算[J].艦船電子工程,2008, 28(8):83-85.

WANG Peng-fei. Analysis and calculation of HF communication circuit between warships [J].Ship Electronic Engineering,2008, 28(8):83-85. (in Chinese)

[3] 柳超, 劉其中, 梁玉軍,等. 艦用短波寬帶鞭狀天線研究[J]. 電波科學(xué)學(xué)報, 2006, 21(6): 955-958.

LIU Chao, LIU Qi-zhong, LIANG Yu-jun, et al. Design of broadband shipboard whip-type antenna at high frequency band[J]. Chinese Journal of Radio Science,2006,21(6):955-958.(in Chinese)

[4] 王元坤, 李玉權(quán). 線天線的寬頻帶技術(shù)[M]. 西安:西安電子科技大學(xué)出版社, 1995.

WANG Yuan-kun,LI Yu-quan.Wideband technology of wire antenna[M]. Xi′an:Xidian University Press,1995.(in Chinese)

[5] BURKE G J, POGGIO A J. Numerical Electromagnetics Code (NEC)-Method of Moments[R]//Rep UCID 18834.CA：Lawrence Livermore Laboratory,1981.

[6] 延曉榮,金元松,羅翠梅.阻容加載偶極天線的寬帶性能及效率分析[J].電波科學(xué)學(xué)報,2000,15(2):169-173.

YAN Xiao-rong, JIN Yuan-song, LUO Cui-mei. Analysis of wide-band properties and efficiency for dipole antennas with resistive and capacitive loadings[J]. Chinese Journal of Radio Science,2000,15(2): 169-173. (in Chinese)