民航空管甚高頻收發天線間距淺析

楊奕堂

摘要：通過推導VHF收發天線的距離計算，淺析了在建設VHF站點時收發天線距離需要考慮的相關因素，得出正常情況下天線的距離要求，并結合工程實踐探討了雙腔濾波器串接時天線間的距離，得出發射功率、靈敏度與距離之間的關系。

關鍵詞：甚高頻;空管;天線距離

中圖分類號：V355.1

文獻標識碼：A

文章編號：1672 - 9129（ 2018） 12 - 0124 - 02

1 引言

在民航空管甚高頻（ VHF）共用天線設計中，如若發射和接收天線距離過近并且頻率間隔太小，連續相位噪聲以及雜散干擾將會成為新的噪聲輸入，這將使得系統輸出信噪比不斷惡化，接收機的靈敏度大大降低，業界將其稱為發射機邊帶噪聲干擾。此類干擾將直接影響到VHF甚高頻天線前期的部署（間距的確定），因此是空管VHF技術保障必須研究的關鍵問題之一。

2 相關理論

是否損失3dB信噪比可以衡量VHF系統是否存在固有噪聲以外的干擾，而在實際工作中，對于接收機而言損失3dB信噪比沒法真正辨別，只有損失超過3dB且輸出信號質量降低系統才能夠察覺到，相關文獻將3dB作為考量收發天線間距的重要參數。在實際工作中，收發天線應當滿足接收機信噪比損失小于3dB。當發射機邊帶噪聲功率等于輸入端的內部噪聲功率時，系統輸出的信噪比損失為3dB。定義發射機天線增益為Gi，接收機天線增益為Cr，根據自由空間傳輸理論有：Lf=/GiGr（1）

Ni為發射機到接收天線的邊帶噪聲功率，由式（1）、（2），當邊帶噪聲功率等于輸入端的內部噪聲功率時，系統輸出的信噪比損失為3dB，可以得出：Lf（ dB）= Ni（dB） - Nin（dB） （2）

其中Nin為輸入端的內部噪聲功率。因此，問題的討論可以轉換為發射機邊帶功率噪聲Ni和輸入端的內部噪聲功率Nin。相關文獻指出可以通過（3）計算：

2010gR= Lf（dB） - 32.44 - 2010gf+Gi（dB）+ Gr（dB） （3）

2.1 發射機邊帶噪聲。發射機的邊帶噪聲表現為載波頻譜中心頻率兩邊的連續噪聲，以PAE為例50W的發射機測試載波f>f0（f0為中心頻率）部分可以看出，在該范圍內存在連續的相位噪聲和離散頻譜。并且△f=f-f0≤500kHz內的頻譜幅度都在- 60dBm以上，這在一定的距離條件下對于相鄰接收機可以造成干擾。假設載波功率為P則其邊帶功率為：

Pw= Pm2/4 （4）

（其中m為調制度）。考慮△f= 200 kHz.根據實際一個測試案例，邊帶功率大約為- 45 dBm，載波功率為3.16 x10 -8m2/4，m取經驗值0.3，則根據式（4）得出Pw為7.11 xl0 -10（W）。

民航空管的VHF信號需要通過腔體濾波器、饋線再發送到天線。實際測量中相位噪聲及離散干擾信號邊帶對于發射機載波功率的功率譜密度為S（△f），取其為S（ 200 kHz）。根據相關文件參數可以查出參考值為lOlogS（200kHz）=- 142dBc/Hz，腔體濾波器損耗以德國KATHAEIN公司生產K6421351型濾波器為例，通常f0+200kHz處損耗為14dB。饋線損耗則與實際饋線的長度和直徑有關（此處還需考慮隔離器、合路器等其他器件在內的損耗）。

根據（4）和實際情況，有：

Ni= 101（lgP +lOlogS（ △f）+ 10logBn - 10logLFT（5）

其中Bn為邊帶帶寬，對于音頻信號Bn通常取3100Hz（ 3400 - 300=3100Hz）.LFT為饋線損耗和濾波損耗之和，經驗值取5dB。

2.2接收機內部噪聲。同理接收機的內部噪聲Nin為：

Nin= 10log（ LFRNF2 Ni）=LFR（ dB）+ NF2（dB）+Ni（dB） （6）

其中LFR為接收機的饋線損耗和濾波損耗，取5dB。NF2為噪聲系數，將接收機當為線性無源四端網絡，根據無源四端網絡噪聲系數等于網絡的傳輸損耗可以得出NFl= LFFR。NF1為饋線/腔體濾波器部分噪聲系數，通過NF1可以進一步求出NF2，相關推導篇幅所限不贅述。

3 收發天線的距離探討

根據上述理論推導，結合實際案例可以得出發射功率為50W的甚高頻收發天線組的接收機內部噪聲為Nin= - 154dB，發射機邊帶噪聲為Ni= - llOdB，將其代入（2）得到Lf（dB）= Ni（ dB） - Nin（dB） =44dB。根據式（3）可以得出logR=0.578 - logf+Gi（dB）/20+ Gr（dB ）/20。對于確定的Gi（dB）和Gr（dB）發射頻率f越大距離R越小，因此在規定的工作頻率范圍內取下限頻率時天線的距離最大。而在民航空管VHF中，頻率范圍為118MHz - 137MHz，因此，此處只需要考慮118MHz的發射頻率下的天線距離R即可得出其應保持的最小距離。根據相關資料，在用的甚高頻收發天線為半波天線，增益系數為1.6，將其代人式（4）可以計算得出R =51m。

實際工作中，一個站點部署多個頻點是工作需要，要保持50m左右的距離顯然有點難度。從上述的推導中可以看出，縮短R的唯一辦法是縮短傳輸損耗Lf，而在限制饋線長度的條件下，增加腔體濾波器成為了解決問題的最終選擇，最為常見的辦法就是通過腔體濾波器串接。

將接收機和發射機分別串接兩個腔體濾波器，天線距離R可以縮小到8m。這種串接一方面可以縮短天線距離為工程建設提供便利另一方面也可以抑制類似交調、互調等干擾。

然而，腔體濾波器的串接并不是越多越好，實驗表明，兩個串接的腔體濾波器實現的噪聲系數是單腔體濾波器的1.56倍，根據噪聲系數的定義，在輸入信噪比一定的情況下，噪聲系數的增大將是信噪比的降低，進而導致接收機靈敏度的降低。三個以上的腔體濾波器串接將會導致這種情況的繼續惡化。這也說明，縮短收發天線間距是以犧牲發射功率和接收靈敏度為代價的，在VHF站點建設中，并不能一味追求天線距離的緊湊，應當綜合考慮發射功率、接收靈敏度的相關設置。

4 結束語

本文從實際工作出發，淺析了與VHF天線收發距離有關的相關原理并推導相關的計算公式，最終通過工程實踐計算出相關數值，并提出了雙腔體濾波器串接的方法對天線建設的作用以及天線建設距離的設置需要考慮的相關因素，為相關研究拋磚引玉。