短波通信頻率互易性分析與探討*

閆魯生,陳勁堯,白天明

(1.海軍裝備研究院,北京100036;2.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

短波通信頻率互易性分析與探討*

閆魯生1,陳勁堯2,白天明1

(1.海軍裝備研究院,北京100036;2.中國電子科技集團公司第三十研究所,四川成都610041)

文中針對短波通信聯絡中存在通信頻率單向通的問題,首先分析了影響電離層互易性的因素;然后采用ITS仿真軟件進行了不同距離和不同方向的雙向鏈路仿真。仿真結果表明同一通信頻率在雙向鏈路的傳播模式、仰角、電離層反射高度完全一致,并分析了原因;最后在介紹了短波天波鏈路場強預測方法的基礎上分析了系統發射功率、天線、本地噪聲等各種影響因素,得出不同條件下短波通信頻率互易性的結論。

短波 通信頻率 互易性 電離層

0 引 言

在短波通信實驗及通信聯絡中,特別是短波遠距離通信時,可能遇到某些頻率只能單向通信的情況,甚至難以找到雙向可通的頻率,導致通信雙方必須異頻聯絡,增加了短波通信的難度以及短波通信系統設計的復雜度。

本文試圖從電離層電波傳播互易性及其他影響短波通信頻率互易性的因素進行分析,探討短波通信頻率單向通的主要原因及影響因素。

1 影響短波通信頻率互易性的因素

互易性是指將系統的輸入和特定輸出互換位置后,輸出不因這種換位而有所改變。互易性在一些網絡、聲學系統、力學系統中都存在。短波通信頻率互易性表現在通信雙方使用相同的頻率時,如果一個方向可通,則反方向也應可通。

短波通信頻率互易性主要受地磁場對電離層的作用、傳播模式和天線參數等因素影響。

(1)地磁場對電離層的作用

電磁場具備互易性規律,其激勵和響應存在互易關系。

但是,電離層作為一種特殊的電磁場,由于地球磁場的作用而成為各向異性介質,不能完全滿足互易性所需的條件。因此,對于采用電離層天波傳播的短波通信系統來說,其互易性會受到地磁場對電離層作用的影響。

地磁場對電離層的影響主要是使電波產生射線偏移,文獻[1]的研究表明,地磁場將使電離層電波射線產生0～2.5°的側向方位角偏移,仰角越高受地磁場影響越大,仰角越低影響越小[1]。

在短波通信中,以方向性較強的對數周期天線為例,其半功率波瓣寬度約為40°左右,與0～2.5°的偏移相比要大得多。因此,可以認為地磁場導致的射線偏移會對短波通信頻率互易性造成一定影響,但影響較小。

(2)傳播模式和天線參數的影響

短波天波主要靠電離層反射,電離層是分層、不均勻、時變的媒介[2],電離層由于電子濃度變化等原因會產生傾斜,而電離層傾斜和電波發射的仰角不同則會導致短波的天波傳播具有多種傳播模式。

電離層傾斜按照其形態和起因可分為隨機傾斜和系統傾斜,前者主要由行擾和外來輻射源的突變造成,規模和時間很不規則,其影響通常比系統傾斜大,但區域小、時間短;系統傾斜最顯著的表現是日出、日落時電子濃度變化和磁赤道兩側電子濃度隨緯度的起伏[3]。

電離層傾斜導致電離層等電子濃度面不再是平面或球面,使得經過它反射后的電波超越地球凸面,不著地第二次進入電離層,在地球上方多跳傳播,當碰到足夠大的反向傾斜電離層后又回到地面[3]。圖1顯示了沒有電離層傾斜時的理想傳播模式,圖2顯示了有電離層傾斜時的幾種典型傳播模式。

圖1 理想傳播模式Fig.1 Ideal propagation mode

圖2 幾種典型的傳播模式Fig.2 Some typical propagation modes

可以看出,當傳播模式不同時,A、B兩點之間的距離可能會相差很遠。

設想一下,A點和B點的天線不同(這在實際的短波通信中經常發生),其發射仰角也不同,導致從A到B和從B到A的電波傳播模式不同,則雙向通信將有很大的可能性不具備頻率互易性。

(3)其它影響因素

此外,電離層還受到太陽活動(太陽黑子數、太陽耀斑等)、地磁擾動、行波擾動、電離層不均勻體、電離層電子濃度不均勻性等各種因素的影響,這些因素均可能影響到電離層電波傳播的互易性。

2 短波頻率互易性仿真及實驗研究

(1)短波通信頻率互易性仿真分析

美國Institute for Telecommunication Sciences開發的、用于預測2～30 MHz短波頻段通信性能的ITS軟件,是當今用于短波覆蓋計算和短波鏈路性能計算最為廣泛的仿真軟件和計算方法,其可靠性已經得到了全球大量實際計算和運用的證明。

采用ITS軟件中的VOACAP模塊的方法25對跨時區與跨赤道兩種遠距離鏈路進行仿真。

跨時區遠距離鏈路仿真的條件如下。

時間:2014年6月。

地點:北緯40°,東經86°與北緯40°,東經167°之間。

頻率:15.4 MHz。

ITS軟件將計算出一天中每一個整點的主要傳播模式和相應的仰角、反射高度、信噪比等結果。由于仿真結果十分龐大,這里僅列出世界時(UT)為5點時的幾種主要傳播模式和相應仿真結果,如表1所示。

表1 跨時區鏈路仿真結果Table 1 Simulation result of cross-time zone link

跨赤道遠距離鏈路仿真的條件如下。

時間:2014年6月。

地點:北緯30°,東經86°與南緯30°,東經86°之間。

頻率:11.9 MHz。

這里同樣只列出世界時(UT)為2點時的幾種主要傳播模式及相應仿真結果,如表2所示。

表2 跨赤道鏈路仿真結果Table 2 Simulation result of cross-equator link

可以看出,不管是跨時區還是跨赤道的雙向短波鏈路,在相同的時間和傳播模式下,其發射仰角、反射高度和信噪比等基本相同。更多針對不同通信距離、不同鏈路方向、不同頻率、不同時間的仿真結果相同。仿真結果表明,在忽略了地磁場等次要影響因素,采用電離層短波射線追蹤及鏡面反射模型的條件下,電離層的電波傳播具有互易性。

(2)關于電離層互易性的實驗研究

盡管電離層受到很多因素影響,使得互易性定理不能完全適用于電離層電波傳播。但有關研究及實驗數據表明,從統計意義上看,電離層的互易性在一定條件下仍然成立。文獻4分析了在(30°32′N, 114°21′E)和(18°8′N,110°31′)兩點之間進行的雙向電離層斜向探測實驗,該次實驗在兩點使用了完全相同的電離層斜向探測雷達(天線同為水平極化對數周期天線、兩點的輸出功率同為100 W),進行了定頻和掃頻兩種模式的互發互收探測。試驗結果表明兩點間短波鏈路的電波傳播群時延以及反映電離層運動的多普勒具有較好的互易性[4]。此外,文獻[5]通過對寬帶雙向斜探測實驗的數據分析,發現電離層存在互易性的數據占總數據的60%以上,在一定程度上說明電離層短波信道在統計意義上具有互易性,是大概率事件[5]。

盡管仿真和實驗表明短波通信的頻率互易性是大概率事件,但在實際應用中仍然時常出現頻率單向通的情況,分析其主要原因如下:

1)如前所述,由于通信雙方的天線等參數不同,導致雙向的傳播模式不同而產生單向通的情況。

2)通信雙方的發射功率、本地噪聲等不同,使得兩地的接收場強不同,導致單向通。

下面將對短波天波傳播時,影響接收場強的主要因素進行分析。

3 短波天波鏈路場強預測

無線通信必須滿足接收場強達到接收機靈敏度要求,對鏈路接收場強的預測與計算也是分析短波通信頻率互易性的基礎。

(1)天波傳播損耗預測

電波在整個天波傳播過程中所引起的傳播損耗Lb包括自由空間傳輸損耗Lf,電離層吸收損耗La,地面反射損耗Lg和附加損耗Y等。

可以看出,傳播損耗是工作頻率、傳播模式、通信距離、通信地點和時間的函數。自由空間傳輸損耗:

其中,f為電波頻率(MHz);d為有效傳播距離(km)。

電離層吸收損耗La主要發生在D層,與電波傳播路徑中的電子濃度N、碰撞率v、地磁場強度以及電波頻率等因素有關,而上述參數難以準確估計,工程計算中常采用半經驗公式進行計算和預測。

其中,φ為在100 km高處的入射角;f為工作頻率(MHz);fH為在100 km高處的磁旋頻率(MHz);I為吸收指數;n為路徑的跳數。

地面反射損耗Lg指電離層反射回到地面的電波,再由地面反射時發生的損耗,這種損耗只發生在兩跳以上的傳播模式中。其與電波的極化、頻率、射線仰角以及地質情況等因素有關。由于電波經電離層反射后極化面旋轉且隨機變化,入射地面時的電波是雜亂極化的,因此嚴格計算Lg比較困難,工程上采用圓極化波進行計算。

假設輻射的電波是隨機極化,則無線電能量等量分布于水平極化場和垂直極化場。

其中,Rv為垂直極化波的反射系數;Rh為水平極化波的反射系數。

附加損耗指上述以外的其它各項損耗,如電離層的散焦效應、Es層附加損耗、電波極化損耗、極圈損耗以及傳播方向偏離大圓弧方向等的損耗。附加損耗一般定量計算比較困難,通常采用綜合估計值,即利用大量電路實測天波傳播損耗數據,減去自由空間傳播損耗、電離層吸收損耗、地面反射損耗后得到,參考相關資料和工程實驗數據,一般附加損耗取值5 dB左右[6]。

(2)接收場強預測

短波天波傳播的接收場強的計算公式如下:

其中,f為電波頻率(MHz);Pt為發射機天線輸入端的功率(dBW);Gt為發射天線增益;Lb為傳播損耗。

綜合(1)、(2)可以看出,短波天波傳輸的接收場強主要受通信頻率、發射功率、發射天線、通信距離、傳播模式等因素影響。短波雙向通信鏈路在通信頻率、發射功率、天線完全對稱的情況下,其雙向接收場強均取決于傳播損耗,即傳播模式。可以看出,如果傳播模式相同,短波通信頻率具有互易性。

4 結 語

本文分析了影響短波通信頻率互易性的各種因素,指出具體短波鏈路通信頻率的互易性主要受到電離層互易性、傳播模式、發射功率及本地噪聲等因素的影響。從有關實驗數據和仿真結果分析,統計上看短波通信頻率互易性具有較大概率,同時指出傳播模式(主要由天線類型、仰角等決定)對短波通信頻率互易性的影響較大,對短波通信系統的設計有一定的參考意義。

由于影響電離層的因素很多,本文引用的文獻及實驗數據有限,有待更多的實驗數據來支撐電離層在統計意義上具有互易性這一結論,特別是電離層互易性的概率分布需要進一步的研究和實驗數據統計分析。

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YAN Lu-sheng(1959-),male,M.Sci., research fellow,majoring in communication and information system.

陳勁堯(1978—),男,碩士,工程師,主要研究方向為無線網絡;

CHEN Jin-yao(1978-),male,M.Sci.,engineer,majoring in wireless network.

白天明(1980—),男,碩士,工程師,主要研究方向為電子信息工程。

Bai Tian-ming(1980-),male,M.Sci.,engineer,majoring in electronic engineering.

Analysis and Discussion on Reciprocity of HF Communication Frequency

YAN Lu-sheng1,CHEN Jin-yao2,BAI Tian-ming1
(1.Naval Academy for Armament,Beijing,100036,China;2.No.30 Institute of CETC,Sichuan Chengdu 610041,China)

Aiming at the frequency unidirectional problem in HF communication,some factors affecting the reciprocity of ionosphere are firstly analyzed,then the bidirectional HF link in different distances and directions is simulated via the ITS software.Simulation results indicate that the propagation mode,elevation and ionosphere reflecting height of the same communication frequency in bidirectional HF link are completely consistent,and the reasons are also analyzed.Finally,based on the introduction of prediction method for HF sky-wave field strength,this paper discusses some influence factors such as system transmitting power,antenna and local noise,thus proposes a conclusion on HF frequency reciprocity in different conditions.

HF;communication frequency;reciprocity;ionosphere

TN918

A

1002-0802(2014)11-1309-04

10.3969/j.issn.1002-0802.2014.11.014

閆魯生(1959—),男,碩士,研究員,主要研究方向為通信與信息系統;

2014-09-10;

2014-10-10 Received date：2014-09-10;Revised date：2014-10-10