基于雙天線數傳超短波電臺的設計與實現*

張丙飛，趙海波，成建波

（中國人民解放軍92728部隊，上海 200436）

0 引 言

某型機的超短波電臺在數傳通信時，飛機平飛時工作正常，數據傳輸連續，但飛機轉彎機動時，數據通信質量下降，誤碼率較高，影響通信的使用。究其原因，主要在于飛機的超短波電臺只有一個天線，安裝在飛機的腹部，飛機轉彎時受轉彎坡度的影響，造成機身和機翼遮擋，致使數傳通信質量下降。

考慮到飛機轉彎時機身和機翼的遮擋部位或者在機背或者在機腹，總有一個位置不被遮擋，本文在傳統超短波電臺中設置兩個接收解調單元，通過比較接收信道信號質量，選擇發射天線發射的方法，設計并實現了雙天線超短波電臺。天線安裝采用機背和機腹的布局方式，解決了飛機轉彎數據通信質量降低的問題。

1 理論分析

對飛機機腹安裝天線的方向圖進行仿真[1-2]，結果如圖1所示。

可以看出，天線位于飛機機腹正下方，機身上方屬于天線輻射盲區，天線在機身正上方輻射的強度比下方弱10 dB以上，即飛機如果與地面通信距離能達到200 km，那么與其正上方的飛機通信距離只能達到50 km左右。可見，機身遮擋對天線輻射方向造成了很大影響。

圖1 飛機機腹安裝天線的方向圖仿真結果

2 設計與實現

2.1 工作原理

由于雙天線同時發射會存在多徑干擾問題[3-5],電臺在同一時刻只能選擇一個天線進行發射。因此，雙天線超短波電臺具有一個發射信道和兩個獨立的接收信道。兩個接收信道同時接收，比較信道質量，采信質量較好的信道，并選擇相應信道的天線發射。電臺的原理框圖如圖2所示。

圖2 電臺原理

上天線和下天線同時接收到射頻信號后，通過兩個接收信道下變頻后輸出兩路中頻信號。中頻數字化單元對兩路中頻同時進行解調，通過信噪比判別兩天線接收信號的強弱，將信噪比高的一路解調數據通過接口單元送至外部設備，并將判決結果上報控制單元。控制單元通過判決結果自動選擇接收信號強度較好的一個天線進行發射。

2.2 發射天線選擇機制

工程實際應用中，信息傳輸使用模擬和數字兩種方式，因此信道接收信號質量的判決也比較復雜，主要通過信道接收信號能量、信道同步和數據同步頭對比來判斷。

2.2.1 模擬方式

模擬方式時，電臺解調出的是音頻信號，并通過音頻接口送至外部設備。電臺需要將音頻信號實時傳送至外部設備。外部設備發射信號由音頻調制載波信號、同步幀頭和應用數據組成。音頻調制載波信號為初同步信息，部分利用不影響外部設備正常解調，故電臺可使用部分時間完成信道能量檢測、音頻信號相關解調及判斷和音頻通路切換。判斷流程如圖3所示。

圖3 模擬方式下信道判斷流程

邏輯判斷機制：當兩通路相關解調結果不同時，選擇解調音頻質量好的一路；當兩通路相關解調結果相同時，如果兩個信道的能量相差α dB以內（α為常數，依實際而定），則默認為下天線信道接收和發射；如果兩個信道的能量相差α dB以上，則選擇信號能量好的信道進行接收和發射。

2.2.2 數字方式

數字方式下，采用能量檢測和同步頭對比檢測相結合的方法。接收機變頻產生中頻信號后，同時檢測出中頻信號能量，將中頻能量檢測信息和中頻送至中頻數字化。中頻數字化首先進行信道同步，同步正常后對中頻進行解調，解調出數據報頭，將該數據報頭與已知報頭數據進行比較，計算出誤碼率后進行邏輯處理，并進行判斷將較好的一路信號送至外部設備。數字方式下信道接收信號質量判斷流程如圖4所示。

3 試飛與驗證

采用上述原理試制雙天線超短波電臺，并安裝于飛機后開展試飛驗證工作。飛機的試飛航路設計為“8”字形，較利于測試飛機在轉彎情況下的數據傳輸情況。配試平臺同為飛機，安裝了常規的單天線電臺。試驗分兩次開展：第一次雙天線超短波電臺工作于單天線模式，僅使用下天線收發，復現轉彎通信質量下降的狀態；第二次雙天線超短波電臺工作于雙天線模式，使用上下天線收發，檢驗效果。兩次試驗，被測飛機基本位于同一空域采用“8”字形航路飛行，配試飛機位于其一定距離處小范圍巡航。試驗中兩機所處的位置如圖5所示，其中，圖5（a）為第一次試驗，圖5（b）為第二次試驗，圖5（c）和圖5（d）分別為圖5（a）圖和圖5（b）圖線框標注部分的放大顯示。

第一次試驗時，被測飛機的起點為B1133點，結束點位E1152點。在被測飛機從位于1138點、1146點、1152點時開始，大約有1分30秒左右的通信中斷，此時配試飛機分別位于F1138點、F1146點、F1152點。

第二次試驗時，被測飛機的起點為B1121點，結束點位E1132點。被測飛機從位于1124點、1127點、1129點時，配試飛機分別位于F1124點、F1127點、F1129點。被測飛機開始時使用下天線，至1124點時飛機右側轉彎，使下天線遮擋嚴重，首次出現數據丟失，切換至上天線后通信正常；至1127點時，為背離配試飛機飛行，上天線遮擋嚴重，第二次出現數據丟失，切換至下天線后通信正常；至1129點通信正常，但在該點前后各有30 s左右的通信中斷，分析可能是通信距離較遠所致。

通過比較兩次試驗可以得出，雙天線超短波電臺可明顯改善飛機轉彎機動時的通信質量。

圖4 數字方式下信道接收信號質量判斷流程

圖5 兩次試飛情況

4 結 語

本文仿真分析了傳統的天線機腹安裝方式在大機動轉彎時被遮擋并造成通信質量下降的原因，提出了雙天線接收、優選單天線發射的雙天線電臺設計思路，并給出了發射天線的選擇機制。通過試制和裝機試飛表明：雙天線超短波電臺可有效解決飛機轉彎角度較大時造成數據通信斷續的問題，效果良好。需指出，在進行多通信單元廣播通信時，本文提出的方法不能解決背離發射天線一側通信單元的接收問題，但可以通過增加發送控制邏輯，采用分時發送方法解決，且提出的設計實現方法具有成本低、兼容原有通信體制等特點，應用價值較高。

[1] 張安旭,張智軍.機載天線的方向圖分析[J].空軍工程大學學報(自然科學版),2006,7(06):19-21.ZHANG An-xu,ZHANG Zhi-ZHANG An-xu,ZHANG Zhi-jun.Analysis of Directional Patterns of Airborne Antennas[J].Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition),2006,7(06):19-21.

[2] 魏亮,王濤濤,李峰.飛機超短波天線合理布局仿真計算[J].現代電子技術,2012,35(13):95-97.WEI Liang,WANG Tao-tao,LI Feng.Simulation and Calculation of the Rational Layout of an Aircraft Ultra Short Wave Antenna[J].Modern Electronic Technology,2012,35(13):95-97.

[3] 趙勛旺,梁昌洪,張玉.機載多天線系統電磁兼容性研究[C].計算物理,2008,25(05):596-601.ZHAO Xun-wang,LI Chang-hong,ZHANG Yu.Study on EMC of Airborne Multi Antenna Aystem[C].Computational Physics,2008,25(05):596-601.

[4] 王元坤,李玉權.線天線的寬頻帶技術[M].西安:西安電子科技大學出版社,1995.WANG Yuan-kun,LI Yu-quan.Wide Band Technique for Wire Antenna[M].Xi'an:Publication of Xi'an Electronic and Science University,1995.

[5] 黃迎春,張濤,張福順.高增益寬帶圓極化微帶天線陣研究[J].現代電子技術,2009,32(07):22-24.HUANG Ying-chun,ZHANG Tao,ZHANG Fu-shun.Study on High Gain Wide-band Circular Polarized Microstrip Antenna Array[J].Modern Electronic Technology,2009,32(07):22-24.