超短波通信距離淺析

摘 要：本文分析了超短波的傳播特點，以及影響機載超短波電臺通信距離的相關因素；并從理論和工程應用兩方面對超短通信距離加以分析。希望能為工程應用人員，在超短波通信設備的實際應用過程中提供幫助。

關鍵詞：超短波傳播特性 影響因素 傳播距離

中圖分類號：TN91 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2013）06（c）-0102-02

超短波通信：利用超短波頻段的無線電波傳送信息的無線電通信。超短波波段的波長范圍為10～1 m，對應的頻率范圍為30～300 MHz，為甚高頻（VHF）頻段，故又叫甚高頻通信。由于微波低端的特高頻（UHF）中300～1000 MHz這部分頻段的傳播特點及應用范圍與VHF大致相同，因此廣義的超短波通信的頻段范圍包括VHF全部頻段和UHF低端部分頻段。超短波傳播主要靠空間波直線傳播，也有一定的繞射能力，但隨著波長的縮短，繞射能力越來越微弱，因此在這一波段中的通信主要是視距范圍內空/空、空/地話音和數據的傳輸。

1 超短波的傳播特性

超短波與短波傳播不同，無電離層反射，通常也稱為視距傳播。所謂視距傳播就是對那些地波傳播能力很弱，天波又基本不存在的電波的傳播方式。視距是接收和發射兩點之間處在可視范圍之間，能互相“看見”的距離。如圖1所示。

這種傳播方式的特點是：地面衰減大、無天波，信號基本上按直線傳播；其頻率傳輸特性上與短波有很大差別，由于頻率較高，發射的天波一般將穿透電離層射向太空，而不能被電離層反射回地面，所以主要依靠空間直射波傳播（只有有限的繞射能力）。像光線一樣，傳播距離不僅受視距的限制，還要受高山和高大建筑物的影響。用于地面通信時：如架設幾百米高的電視塔，服務半徑最大也只能達150 km左右。要想傳播的更遠，就必須依靠中繼站轉發或者將其發射天線和接受天線都架設的足夠高；而用于空地通信時：由于電臺和天線隨飛機的高度升高而升高，受地物影響較小，可以傳播的更遠。

2 影響超短波通信距離的因素

影響超短波通信距離和效果的因素有以下幾個方面。

2.1 系統參數

（1）受發射機輸出功率越強，發射信號的覆蓋范圍越大，通信距離也就越遠；但發射功率也不能過大，發射功率過大不僅耗電，而且影響功放元器件的壽命，同時干擾性強，影響他人的通話效果，還會產生輻射污染。

（2）在發射功率一定的情況下：接收機的接收靈敏度越高，通信距離就越遠。

（3）天線的增益在天線與機器匹配時：通常情況下，天線高度增高接收或發射能力增強。

2.2 環境因素

環境因素主要有路徑、樹木的密度、周圍環境的電磁干擾、建筑物、天氣情況和地形差別以及地球曲率半徑等，這些因素和其它一些參數直接影響信號的場強和覆蓋范圍，進而影響超短波通信距離。

2.3 其它影響因素

（1）電池容量不足：當電池容量不足時，電源電流不能正常提供，功率變小；嚴重時發射信噪比變小，誤碼率變高，影響正常通信。

（2）天線不匹配：天線的頻段和機器頻段不一致或天線阻抗不匹配時，均會嚴重影響超短波的通信距離。

3 超短波通信距離的工程估算

超短波的通信距離決定于天線的增益、高度，發射機輸出功率、接收機靈敏度、電磁環境及有無障礙物等因素影響。下面我們通過一些公式可以大致算出預定通信系統的通信距離。

本質上超短波頻段的無線傳輸屬于視距傳輸，在理想情況下（即：發射機功率足夠大，接收機靈敏度足夠高，視野開闊無障礙物、山地丘陵等地理因素的影響）其傳輸極限距離可以用下面的公式表示：

式中：d為距離，單位為米；hr、ht分別為收、發信機的天線高度，單位為米。在實際情況下，電波在直射傳播的路徑上可能存在山丘、建筑物等障礙物，由這些障礙物引起的附加衰耗（除了自由空間傳播衰耗外），稱為繞射衰耗。由于存在繞射衰耗及多徑反射衰落，實際上的通信距離只是極限距離d的幾分之一。

同時還存在超過極限距離的地方也能收到較強信號，這種現象稱為超視距傳播。存在這種現象的原因是大氣對電磁波折射造成的，統稱為超視距的傳播距離可以用以下的公式表示：

式中：d為距離，單位為米；hr、ht分別為收、發信機天線的高度，單位為m。

4 超短波通信距離理論計算

在電臺的各種指標均足夠滿足要求（發射機的發射功率足夠大，接收機靈敏度足夠高）的情況下：僅考慮地球的曲率半徑，發射天線和接收天線的影響時：如下圖2所示，電臺的通信距離：

其中：R為地球的曲率半徑≈6.371×106 m，hr、ht分別為收發天線離地面的實際高度）。假設：ht=hr=1 m，則d≈226 km。

對于在公式（1）得出的通信距離以內，通信系統能否有效工作，主要取決于系統接收設備的接收功率能否滿足系統正常工作的最低要求。接收系統的接收功率可用以下式表示：

式中：Pt為發射功率（w）；gr為接收天線增益；gt為發射天線增益；h1=（ht2+h02）1/2，h2=（hr2+h02）1/2天線高度（m）；hr、ht為分別為收發天線的實際高度；h0為最小有效天線高度，在300 MHz以上通常可以忽略。根據發射功率的大小計算出來的接收功率的數值即可計算出傳播衰耗。此種衰耗可以理解為是由于輻射能量的擴散引起的衰耗，而不是由于受到阻抗、反射、折射、繞射、吸收等原因而產生的衰耗，工程上此類衰耗可用下式計算后得到。

由公式（3）和（5）即可推算出超短波理論上通信距離d值的大小。

5 舉例說明

假如兩部相同的電臺其參數如下：工作于108～400 MHz頻段，天線的長度大概為0.5 m，天線的有效高度為1.5 m；天線的增益大約為0dBi（-2.15 dBd）左右；發射功率為15 W；接收靈敏度約為3 μV。

解：首先進行單位換算，假設接收機負載為50 Ω，3 μV換算成dB uv表示為 9.5 dBuv，然后轉換成，分貝毫瓦 dB m表示，結果為-97.45 dBm，把15 W換成分貝毫瓦dBm表示結果就是41.76 dBm；接收機要接收到信號所允許的最大損耗為41.76-（-97.45）為133.51。

利用公式（4）推導出最大傳輸距離和最小傳輸距離，取最大工作頻率400 MHz計算，dmin=10（133.51-32.45-20lg400） /20=281 km，取最小工作頻率108MHz計算，dmin=10（133.51-32.45-20lg108）/20=1000 km。

一般理論計算按傳播用公式（2），若是天線高度為0.5m，假設都樹立在地面上，其傳播距離為5.8 km；方式為空地通信，地面天線為15 m，飛行高度為10000 m，理論最大通信距離為：

km。

在同等條件下取公式（4）、（5）推導出的值和公式（2）的值，兩者的最小值；若通信頻率為400 MHz，其最大通信距離就為281 km。

實際上通信不僅包含固有損耗也包括收發機各種饋線之間的損耗，通信距離肯定小于理論通信距離。

6 結語

超短波以其優越的傳輸性能，在民用領域發揮著重要作用，更是軍事通信的主要模式手段之一。信息技術的蓬勃發展，推動著通信領域產生翻天覆地的變化，致使超短波通信的發展日新月異；無論是交通、公安、消防、防汛等領域，均用超短通信設備的大量應用，超短波通信早已遍及我們的生活。

由于超短波通信設備的廣泛應用，伴隨著設備出現的故障也層出不窮，其中大多數故障涉及通信距離問題。本文從超短波信號的傳播特點入手，分析了影響機載超短波電臺通信距離的相關因素；并從理論和工程估算兩方面對超短通信距離加以推理、分析。希望能為工程人員，在應用過程中遇到超短波通信距離問題時為其提供參考和幫助。

參考文獻

[1]現代通信原理[M].北京：國防工業出版社，1998.

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