天線對短波選頻的影響分析

彭愛華

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

天線對短波選頻的影響分析

彭愛華

（中國電子科技集團公司第七研究所，廣東 廣州 510310）

頻率選擇問題是制約短波通信質量的重要因素。理論分析了天線對短波通信質量的影響，提出了短波選頻時考慮天線因素的方法，并通過仿真分析驗證了天線對短波通信質量的影響，這對提升短波選頻的有效性具有一定的指導作用。

短波頻率選擇 短波通信質量 天線 自適應通信選頻

1 引言

短波通信以其通信距離遠、抗毀能力強等特點，在我國應急搶險、遠洋護航、島嶼偵查等軍事行動中發(fā)揮著重要作用。短波通信主要是依靠電離層反射進行的，而電離層的變化與太陽活動有關，且隨緯度、經度、頻率、晝夜、季節(jié)、年而變化。在短波通信中，發(fā)射端發(fā)射電波，經電離層反射后被接收端接收[1]。當頻率高到一定程度時，短波電波會穿透電離層，不再返回地面，這個臨界頻率稱為最高可用頻率。電波在被電離層反射的同時也會被電離層吸收，當頻率低到一定程度時，電波的能量全部被吸收，接收端不能收到信號，這個頻率稱為最低可用頻率。只有最低可用頻率和最高可用頻率之間的頻率才能進行通信，因此頻率選擇問題一直是制約短波通信質量的重要因素。目前大部分短波頻率管理系統(tǒng)的選頻策略主要考慮了電離層和環(huán)境噪聲的影響，而忽略了短波天線的影響[2-5]。本文從理論上分析了天線對短波通信質量的影響，并通過建模仿真，驗證了短波天線對短波頻率選擇的影響。

2 短波頻率選擇方法現狀

2.1 長期頻率預測

短波通信是依靠電離層反射進行的。電離層的變化與太陽活動相關，可以通過太陽活動變化的規(guī)律來預測短波通信頻率。國際電聯ITU-R P533建議書中給出了預測最高可用頻率和短波傳播損耗的計算模型，通過給定的太陽黑子數、季度和時間，就可以得到通信鏈路的最高可用頻率。

但這個計算得到的最高可用頻率是基于太陽黑子數月中值條件下的頻率[6]，與實際通信鏈路的最高可用頻率有較大誤差。因此長期頻率預測只能粗略估計可通信頻段窗口。

2.2 實時頻率預測

實時選頻預測是指利用獨立的信道探測系統(tǒng)對電離層進行探測，測量和分析電離層各種參數，再結合本地監(jiān)測數據進行分析和計算，可得到通信鏈路的最佳頻率。美國研制的CURTS系統(tǒng)，加拿大研制的CHEC系統(tǒng)和美國Barry公司開發(fā)出的寬帶Chirp系統(tǒng)等均使用了實時頻率預測技術[7]。

實時探測系統(tǒng)通過探測可以實時地掌握整個短波頻段的信道情況，可以直接為指定的通信鏈路選擇最優(yōu)的通信頻率。但是由于實時探測系統(tǒng)與通信系統(tǒng)采用的收發(fā)天饋線系統(tǒng)和技術體制存在差異，會導致實時探測的最佳頻率不一定是通信的最佳頻率。

2.3 自適應通信選頻

隨著技術的不斷發(fā)展，上世紀80年代，出現了自適應通信選頻技術[8]。自適應通信選頻系統(tǒng)將選頻和通信融為一體，通信系統(tǒng)在通信前或通信間隙中，在通信雙方預先指定的約定頻率上進行雙向探測，并對探測結果進行評估，進而優(yōu)選當前最佳通信頻率，這種技術稱為鏈路質量分析（LQA）。美國研制的ALQA系統(tǒng)、RF-100系列，德國研制的CHX200、ARCOTEL系統(tǒng)、HF-850系統(tǒng)等均屬于自適應通信選頻系統(tǒng)[9]。

由于自適應選頻系統(tǒng)需預先指定約定頻率且個數有限，因此當約定頻率失效時，通信雙方將無法進行溝通。將自適應通信系統(tǒng)與專用實時選頻系統(tǒng)結合起來是未來的發(fā)展方向。

3 短波通信質量的影響因素

短波通信模型如圖1所示：

圖1 短波通信模型

其中Pt表示發(fā)射功率。Gt、Gr分別表示發(fā)射、接收天線的增益。Loss表示電波傳播損耗，是指電波進入電離層信道后，在傳輸中的能量損耗。N表示侵入短波信道的各種外部噪聲，包括大氣噪聲、人為噪聲和電臺干擾。

根據短波通信模型，接收端信噪比計算公式如式（1）所示：

由短波通信接收端信噪比計算公式可知，短波通信質量除了與發(fā)射功率、電波傳播損耗和噪聲有關外，還與收發(fā)天線增益相關，收發(fā)天線增益越大，通信信噪比越高。

4 天線對短波頻率選擇的影響

天線的增益是指在同一距離及相同輸入功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax和理想無方向性天線的輻射功率密度S0之比[10]，具體如式（2）所示：

其中Pin、Pin0分別為實際天線和理想無方向性天線的輸入功率。

天線效率定義為天線輻射功率Pr與輸入功率Pin之比[10]，具體如式（3）所示：

天線輻射功率Pr為電偶極子向自由空間輻射的總功率[10]，具體如式（4）所示：

其中l(wèi)為電基本振子的長度，λ為波長，I為振子沿線的電流。

在考慮天線效率的情況下，式（2）可變換為：

天線的方向系數是指在同一距離及相同輻射功率的條件下，某天線在最大輻射方向上的輻射功率密度Smax和無方向性天線的輻射功率密度S0之比[10]，用公式（6）表示如下：

其中，θ為子午角，φ為方位角。

將式（3）、式（4）、 式（6）代入式（5），可得：

由式（7）可知，天線的增益系數與天線仰角、方位角和頻率相關。不同的通信鏈路，天線的仰角和方位角不同，天線的增益也會不同，這會影響通信質量。相同的通信鏈路，選擇的頻率不同，天線的增益也會不同，同樣會影響通信質量。因此， 短波選頻時需綜合考慮通信鏈路位置和天線架設的情況。

實際使用的天線比電基本振子復雜得多，天線的增益與天線尺寸、架設的地理環(huán)境等均相關。在短波選頻時考慮天線因素的影響可采用以下幾步：

第1步，獲取方向圖：根據天線實際架設條件，采用大型天線仿真工具，得到不同頻率的方向圖。

第2步，存儲天線方向圖：采用三維數組的方式，存儲頻率、E面、H面3種不同維度對應的增益。

第3步，天線方向圖的使用：計算信噪比時根據通信鏈路收發(fā)仰角、方位角、頻率參數，在三維數組中查找相應的增益。

第4步，選頻優(yōu)選：根據長期預測和實時探測手段得到通信鏈路的可通頻段，在可通頻段內根據信噪比大小進行排序，選擇信噪比高的頻率作為通信頻率。

5 仿真結果與分析

采用HFSS天線仿真工具對短波通信常用的寬帶三線天線和寬帶倒V天線進行仿真，并計算在不同仰角、方向角下通信鏈路的信噪比。

圖2給出了寬帶三線天線和寬帶倒V天線在20MHz、10MHz時的方向圖。從圖2可以看出，不同天線之間存在很大差異，同一天線不同頻率的差異也非常顯著。

圖2 寬帶三線天線和寬帶倒V天線仿真結果

圖3 以寬帶三線天線為例，展示了考慮天線和不考慮天線情況下鏈路接收點信號強度。從圖3可以看出，不考慮天線時，可通段內信號能量隨頻率變化比較穩(wěn)定；考慮天線時，信號能量與頻率、天線角度有很大關系，并不是可通段內所有的頻率都能進行通信。因此短波通信的頻率選擇，必須考慮天線的影響。

圖3 考慮天線和不考慮天線情況下接收點信號強度

6 結束語

本文通過理論分析和建模仿真，分析了短波天線對短波通信質量的影響，給出了短波選頻時考慮天線因素的方法。仿真結果表明，不同類型的天線，天線方向圖差異很大；通信鏈路信號強度不僅與頻率相關，而且與天線角度也有很大關系。因此在短波通信頻率選擇時，需考慮天線因素的影響。

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[10] 宋錚,張建華,黃治. 天線與電波傳播[M]. 西安: 西安電子科技大學出版社, 2011: 1-15.★

彭愛華：工程師，碩士畢業(yè)于武漢大學，現任職于中國電子科技集團公司第七研究所，主要研究方向為短波頻譜管理。

于力鵬：碩士研究生就讀于寧波大學計算機應用技術專業(yè)，研究方向為虛擬現實、圖形圖像。

陸濤：碩士研究生就讀于寧波大學計算機應用技術專業(yè)，研究方向為虛擬現實。

李木軍：碩士研究生就讀于寧波大學計算機應用技術專業(yè)，研究方向為計算機圖形學。

Analysis on Impact of Antenna on HF Frequency Selection

PENG Ai-hua

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

Frequency selection is an important factor to infl uence HF communication quality. The impact of antenna on HF communication quality was theoretically analyzed and HF frequency selection method with antenna factor was presented. Simulation results show that the impact of antenna on HF communication quality was verifi ed. It has an instructive signifi cance to enhance the effectiveness of HF frequency selection.

HF frequency selection HF communication quality antenna adaptive communication frequency selection

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.019

TN929

A

1006-1010(2015)14-0093-04

彭愛華. 天線對短波選頻的影響分析[J]. 移動通信, 2015,39(14): 93-96.

2015-03-31

責任編輯：劉妙 liumiao@mbcom.cn