天線布局對火炮通信距離的影響研究

潘強，王琨，劉暢，張鵬，孟祥欣

(西北機電工程研究所，陜西 咸陽 712099)

無線通信的傳輸距離是武器系統信息傳輸能力的基礎性能指標之一。在火炮通信系統中，超短波電臺使用全向的鞭狀天線向外界環境發射電磁波[1]，因此無線通信距離必定受外界地理環境和電磁環境的影響。同時，炮塔空間有限、設備眾多，超短波電臺安裝在炮塔內部，也會受裝備內部電磁環境、天線安裝結構與高度、發射機功率、天饋線系統增益等多種因素影響[2]。有關武器裝備通信距離的問題國內外已有許多研究，主要都建立在天線已完成布局的基礎上，缺少對火炮天線布局與通信距離關系的討論分析。

筆者針對某炮塔上天線布局情況[3]，建立了通信天線模型，進行電磁仿真分析，著重分析了不同天線布局的情況，探究了天線安裝傾角、遮擋與高度對接收功率的影響，提出天線最佳布局，為火炮通信天線的實際設計安裝提供依據[4]。

1 概述

天線的工作過程是發射機產生的高頻振蕩能量，經過發射天線變為電磁波能量，并向預定方向輻射，通過媒質傳播到達接收天線。接收天線將接收到的電磁波能量變為高頻振蕩能量送入接收機，完成無線電波傳輸的全過程。全向天線是在水平面內基本上具有無方向的輻射特性，而在垂直面內則具有定向輻射特性的天線。在水平方向圖中，最大電平與最小電平的差應不超過3 dB[5]，如圖1所示。

火炮使用的超短波電臺天線是全向天線[6]，由2～3個輻射器組成，通過2～3個輻射器形成合路，對外輻射電磁波。為了滿足通信距離的技術要求，超短波天線不能布局在底盤上，必須布局在炮塔上。為了滿足行軍工作狀態的要求，天線必須采取拉繩固定，拉繩固定必然會導致天線的傾斜。某火炮按照功能的需要，炮塔配備了雷達、發射裝置、光電等設備，那么其天線布局易受到炮塔上雷達和炮管的旋轉、發射裝置的升降、光電等其他設備遮擋的影響。為盡量減小遮擋物對天線的影響，以保證天線在裝備上能夠滿足電性能指標的要求，因此，在空間有限的炮塔上要盡可能地增大天線與其他設備間的距離。據此，初步設計了多種天線傾斜布局和遮擋布局的方案，并在CST中建立天線模型。通過對多種布局方案下的天線接收功率進行仿真，預測傾斜和遮擋對天線接收的影響程度，實現炮塔通信天線布局的優化。

2 不同天線高度仿真對比

無線通信[7]距離主要取決于超短波電臺天線的接收效率，通常可使用接收信號的功率進行評價，天線的架設高度對超短波電臺天線的接收功率具有很大的影響。由于超短波沿地面傳輸時衰減較快，繞射障礙物的能力較弱，因此超短波通信通常是視距通信。而在電磁波傳播傳播模型中，Egli模型適用外場試驗環境中地勢起伏較小的視距通信場景，且工作頻率屬于VHF和UHF低段。Egli模型只涉及電臺工作頻率、收發天線安裝高度，符合武器系統進行無線數據傳輸成功率試驗的情況[8]。

2.1 Egli電磁波傳播模型

Egli電磁波傳播模型是一種簡化的無線電磁波傳播模型，適合于地勢起伏較小的外場環境，是基于實測數據得出的，其電磁波傳播損耗為

EEgli=88+20lgf+40lgd-20lght-20lghr-Kh，

(1)

式中：EEgli為電磁波傳播損耗(dB)；f為電磁波頻率(MHz)；d為傳播距離(km)；hr和ht分別為收、發天線的高度(m)；Kh為地形校正因子(dB)[9]。

根據Egli電磁波傳播模型的電磁波傳輸損耗，綜合考慮發射與接收天線的損耗，超短波電臺饋線的損耗，得出接收天線的信號功率：

Pr=Pt+Gt-Lt-Lm+Gr-Lr,

(2)

式中：Pr為接收天線接收到有用信號功率(dBm)；Pt為發射天線的發射功率(dBm)；Gt為發射天線增益(dB)；Lt為發射天線的饋線損耗(dB)；Lm為電磁波傳播損耗(dB)；Gr為接收天線增益(dB)；Lr為接收天線的饋線損耗(dB)[10]。

2.2 仿真分析

超短波工作頻率在30～90 MHz，天線采用AT-8036型3 m中饋鞭天線，是一種全向天線。為了實現遠距離通信，超短波電臺的功率采用大功率發射為50 W，則Pt=47 dBm。當測試點周圍地形起伏的高度不大于15 m時，地形校正因子Kh可以忽略不計，理論計算中取Kh=0。AT-8036型3 m中饋鞭天線增益為-6～1 dB，取均值，則Gt=Gr=-3 dB。饋線、接插件、避雷器件損耗為1 dB，取Lt=Lr=1 dB。任意取4個頻率：f1=30.025 MHz，f2=50.975 MHz，f3=70.025 MHz，f4=87.925 MHz。電臺背景噪聲為-100 dBm，接收天線接收到的信號功率高于背景噪聲3 dB以上可正常檢測解碼，因此，將分析在接收功率高于-97 dBm時的傳播距離。

發射端與接收端天線高度采用某炮車天線底座加3 m中饋鞭天線一半進行計算，天線底座距離地面1.5 m，則ht=hr=1.5+1.5=3 m。對傳播距離0～16 km進行仿真，仿真軟件使用MATLAB軟件，接收端收到有用信號功率的結果如圖2所示。

根據圖2中曲線的規律可知，隨著傳播距離的增大，接收功率逐漸下降。接收功率下降至-97 dBm時，4個頻率點的傳播距離d分別是8.677，6.660，5.682，5.069 km。在傳播距離為d=8 km時，4個頻率點的接收功率分別是-95.588，-100.186，-102.944，-104.926 dBm。也就是說，當發射天線與接收天線高3 m時，只有低頻段通信能力可以達到8 km。

將發射端與接收端天線底座架高至1 m，則ht=hr=1.5+1+1.5=4 m，仿真結果如圖3所示。

將發射端與接收端天線底座架高至1.5 m，則ht=hr=1.5+1.5+1.5=4.5 m，仿真結果如圖4所示。

根據仿真結果可知，將發射端與接收端天線底座架高，架高至1.5 m，即天線底座距離地面3 m，超短波電臺通信能力理論上可以達到8 km。

通過上述仿真可見，天線高度對通信距離影響較大，天線越高，通信距離越遠。火炮平臺布置天線時，應盡量布置在最高點。若通信距離要求為8 km時，火炮兩端天線架設不應低于3 m。

3 不同天線傾角與遮擋仿真對比

在通信距離為8 km的條件下，研究發射天線與接收天線傾斜不同角度，以及接收天線被炮塔頂部設備遮擋時接收信號的功率，分析超短波天線安裝傾角與遮擋對武器系統性能技術指標造成的影響。當超短波電臺發射功率為50 W時，選取工作頻率為30～90 MHz進行仿真，分析超短波天線端口接收有用信號的功率強度。

3.1 天線無遮擋情況

當超短波電臺天線安裝在裝備頂部無遮擋時，若發射天線正常豎直安裝，接收天線以不同角度傾斜遠離或靠近發射端安裝，如圖5所示。

接收天線遠離傾角分別為0°、5°、10°、15°、20°、30°時，接收信號強度如圖6所示。隨著遠離傾斜角度增大，低頻區接收效率逐漸升高，但在中頻區和高頻區的接收效率逐漸降低。

接收天線靠近傾角為0°、5°、10°、15°、20°、30°時，接收信號強度如圖7所示。對比圖6、7可知，靠近時接收功率略大于遠離時接收功率，無論遠離還是靠近，隨著傾斜角度增大，接收功率變化的趨勢一致。

當發射天線與接收天線同時以相同角度傾斜，同向或相向放置，如圖8所示。

發射天線和接收天線向同方向一起傾斜0°、5°、10°、15°、20°時，接收信號強度如圖9所示。隨著傾斜角度增大，在低頻區接收效率逐漸升高，但工作頻段中頻區和高頻區接收效率逐漸降低。

發射天線和接收天線相向一起傾斜0°、5°、10°、15°、20°時，接收信號強度如圖10所示。對比圖9與圖10可知，發射天線和接收天線同向和相向時，隨著傾斜角度增大，接收功率變化的趨勢一致。在傾斜15°以下，同向接收功率大于相向接收功率。

通過上述仿真可見，收發天線傾斜時，接收信號功率曲線比較復雜，且傾斜程度越大，接收效果越差。為了滿足遠距離傳輸的性能，接收功率不低于-97 dBM，收發天線傾斜角度不應超過10°。

3.2 天線被遮擋情況

當超短波電臺天線沒有安裝在武器系統頂部時，天線存在有可能被遮擋情況。當發射天線正常豎直安裝，接收天線被遮擋且以不同角度傾斜遠離發射端安裝進行仿真，如圖11所示。

當遮擋物遮擋接收端天線0.3 m時，接收天線遠離傾角為0°、5°、10°、15°、20°時，接收信號強度如圖12所示。與無遮擋相比，遮擋物遮擋天線0.3 m使工作頻段高端的接收功率降低。接收功率隨著傾斜角度的變化與無遮擋時趨勢一致。

當遮擋物遮擋接收端天線0.5 m和1 m時，接收天線遠離傾角為0°、5°、10°、15°、20°時，接收信號強度如圖13、14所示。可以看出，隨著遮擋的增高，超短波天線的接收功率在整個頻段內呈現降低趨勢。

對超短波天線無遮擋和有遮擋情況進行了實驗仿真，通過分析不同傾斜角度時接收功率的結果可知：對于8 km通信，發射端超短波天線正常豎直放置時，全頻段接收效果最好；遮擋物對超短波天線70 MHz以上接收影響較大，并且天線被遮擋時，接收功率在整個頻段內呈現降低趨勢，設計時應盡量減少遮擋；隨著傾斜角度增大，接收頻譜呈現兩端高中間低，為確保全工作頻段的信號接收，超短波天線傾斜不應超過10°。

4 結束語

天線布局對超短波電臺的傳輸性能具有重要的影響。天線的布局應避免被其他設備遮擋，天線被遮擋的越多，超短波電臺的傳輸性能越差。收發天線正常豎直安裝，全頻段傳輸性能最好，通信能力越強，隨著傾斜角度增大，傳輸性能將會降低。在不同天線高度下，計算了8 km處超短波天線接收功率。為滿足全超短波電臺的傳輸性能，通過對比分析多種布局方案，得出超短波天線最佳布局方案為：盡可能在車體的頂端，且不被其他設備遮擋；天線傾斜角度不應超過10°；天線底座距離地面不小于3 m。本文的理論分析與仿真計算，可為其他實際火炮平臺的天線布局優化以及電磁兼容性分析提供參考。