業余無線電短波通聯頻率預選

摘要：文章主要介紹了如何使用Proppy HF軟件對業余無線電信標臺接收強度進行預測和使用VOACAP軟件對短波傳播覆蓋進行預測分析，在二者分析基礎上使用Kiwi SDR設備進行業余無線電信標臺的實際接收測試。通過上述方法，分析了不同位置、不同頻率、不同時段的信號對業余無線電短波通聯的影響，為業余愛好者進行遠距離無線電通聯提供技術參考。

關鍵詞：業務無線電；信標；短波傳播

doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.06.002

中圖分類號：TN 98" " " " " " " "文獻標志碼：A" " " " " " " "文章編碼：1672-7274（2023）06-000-04

Abstract： This paper mainly introduces the prediction of reception intensity of amateur radio beacon stations by Proppy HF software， and the prediction analysis of shortwave propagation coverage by VOACAP software. Then actual reception tests of amateur radio beacon stations based on these two analyses are conducted using Kiwi SDR equipment. Through the above method， the amateur radio shortwave communication effect of signals of different positions， frequencies and different periods is analyzed， which provides a technical reference for amateurs to carry out long-distance radio communication.

Key words： amateur radio; beacon; shortwave propagation

0" 引言

電離層是地球表面大氣中的一個電離區域，大氣的中性成分受到太陽和宇宙射線的輻射，部分或者全部電離，形成電離層。電離層的結構如圖1所示，電離層的電子密度隨高度而發生變化，導致出現幾個極值區，稱為“層”，這些導電層有D層、E層和F層，其中F層還細分為F1、F2層。電離層的電子密度隨晝夜、季節、緯度和太陽的活動變化而變化。一般情況下，遠距離短波通信都選用F層作為反射層，與其他導電層相比，F層具有最高的高度，能允許傳播最遠的距離[1，2]。

短波通信的原理是利用電離層對短波的一次或多次反射進行遠距離通信，具有成本低、靈活性高的優點，而且短波信道不易被摧毀，在應急通信中，短波通信發揮著重要的作用。由于電離層參數在空間和時間上都具有較大的隨機性，導致短波通信的可靠性和有效性在很大程度上依賴于電離層的狀態。在實際應用中，根據電離層模型預測短波通信的可用頻率范圍，以增強短波通信的效率和可靠性。

1" 短波傳輸原理

短波（頻率3～30 MHz）靠地波和天波傳播，由于短波頻率較高，容易被地面吸收，當用地波傳播時，衰減較快，通常情況下，短波的地波傳播的距離只有幾十千米，不適合作遠距離通信和廣播使用。與地波相反，短波信號通過天波傳播時，在電離層中的損耗較小，因此可利用電離層對天波的一次或多次反射進行遠距離無線電通信。

電磁波到達電離層后，可能被電離層完全吸收、反射回地球或者穿透電離層進入外層空間（如圖2所示），這些情況的發生與電離層的電子密度和電磁波的頻率密切相關。電子密度高時反射的電磁波頻率高，電子密度低時反射的電磁波頻率低；電磁波的電離層對其低頻吸收作用越大，并且隨著電離層的電子密度增大而增大。

電磁波進入電離層的角度稱為入射角θ，入射角由電子密度N和電磁波頻率f決定，它們之間滿足以下關系：

當電磁波垂直入射到電離層時，其反射頻率只與電離層各層最大電子密度有關系[3]，當反射點電子密度等于電離層的最大電子密度時，能從電離層反射回來的頻率稱為臨界頻率fv。假定通信距離長度為D，電離層反射點的高度h，由Snell定律可知，在短波電離層反射的模型中，當斜入射和垂直入射電磁波的反射高度相同時，電磁波斜入射到電離層，電離層能反射的頻率fr為[4]：

結合式（1）、式（2）可知，當反射點電子密度一定時，即垂直入射電磁波頻率一定，通信距離增大，則入射角也相應增大；通信距離減小，入射角減小。

在不同距離的短波通信過程中，存在地波和天波都不能到達的區域，通常稱這個區域為靜區，可以通過選用高仰角天線減小電磁波的入射角，選擇較低的工作頻率的方法縮小靜區，使得在入射角較小時電磁波不至于穿透電離層[1]。

2" 使用Proppy HF預測分析

2.1 短波信標臺的發射方式

北加利福尼亞DX基金會（NCDXF）和國際業余無線電聯盟（IARU）在世界各地協調和運營一系列業余無線電信標（IBP，International Beacon Project），目前全球共有18個信標臺。每個信標臺以每分鐘22個摩斯碼字符的速率發送信標呼號并開始傳輸四個破折號序列，第一個破折號用100瓦發送，第二個用10瓦發送，第三個用1瓦發送，第四個用100毫瓦發送，整個過程需要10秒鐘。然后信標臺中的下一個站開始以該頻率發送信號，如此循環到全球18個站點。

2.2 接收信標臺信號強度預測

通過Proppy HF（Proppy HF是根據ITU-RP.533-14建議書使用ITUHFProp應用程序的預測高頻電路軟件）電路預測信標臺的信號接收強度，使用國內某電臺進行接收（以下簡稱“A接收臺”），對18個信標臺的信號進行逐一接收預測，分別選取了UTC時間0點、4點、8點、12點，結果如表1所示。在預測過程中，A接收臺使用的接收天線是λ/4垂直極化天線，太陽黑子（SSN）模型使用了McNish amp; Lincoln（Kalman）模型，2022年12月份SSN為98。

表1中的數字表示接收到的信標臺信號強度，數字1～9對應S1～S9，關系如表2所示。

通過分析上述表格數據，A接收臺在0點、4點、8點、12點時刻接收來自JA2IGY和VR2B的信號強度最大，使用14.1 MHz、18.11 MHz、21.15 MHz三個頻點通聯的概率較高；但是在24.93 MHz頻段上，A接收臺能夠較好地接收到JA2IGY發射的信標信號，而不能接收到VR2B信標臺信號。在28.2 MHz頻段上，A接收臺基本很難接收到來自18個信標臺的信號，因此在短波通聯頻率選擇時，應該盡可能避開使用28.2 MHz頻段。

在12點時刻，通過14.1 MHz頻段，A接收臺接收到ZL6B、VK6RBP、RR9O、4S7B信號強度相對較小，通聯上的概率較小，通聯效果相對較差；通過18.11 MHz頻段，A接收臺接收到VK6RBP、4S7B信標強度與14.1 MHz信標強度相接近。

上述預測結果僅作為短波通聯時的參考，考慮到電離層的狀態參數是實時變化的，實際通聯效果則應當以實際接收測試為準。

3" 使用VOACAP仿真分析

本文利用VOACAP（VOACAP是NTIA/ITS研發的高頻傳播預測軟件）對業余無線電短波電臺通聯進行仿真預測分析，討論了短波通聯的最高可用頻率（MUF）、接收信號強度及通聯可靠性，得出的結論可供短波電臺通聯設計使用以及通信方案擬定時參考。

本文使用VOACAP對JA2IGY、RR9O等業余無線電信標臺進行短波傳播覆蓋仿真分析，考慮到文章篇幅，這里選取JA2IGY-A接收臺、RR9O-A接收臺進行鏈路仿真分析。由于存在鏈路損耗，因此用于計算的實際功率是所選功率的80%。使用VOACAP仿真的主要參數如下：信號發射功率100 W，發射和接收天線均使用的是λ/4垂直極化天線，SSN為98，環境噪聲-153 dBW，接收機接收摩斯碼的信噪比為27 dB。

3.1 最高可用頻率預測分析

最高可用頻率（MUF，Maximum Usable Frequency）是短波天波通信鏈路設計的重要參數之一，MUF與電離層的電子密度以及電磁波的入射角有關。考慮到電離層的結構時刻在發生變化，為保證長期穩定的接收，在設計短波通信鏈路的工作頻率時，不是直接取預測的MUF值，而是取低于MUF的最佳工作頻率（OWF，Optimum Working Frequency），一般情況下：OWF=0.85MUF，選用OWF能保證通信鏈路有90%的成功率[5]。

利用VOACAP對JA2IGY-A接收臺進行MUF預測，分別選取了0點和12點兩個時段，通過仿真得知，白天上午（0點）JA2IGY-A接收臺的MUF比晚間（12點）要高，因此，在業余無線電短波電臺通聯中白天應該選擇較高頻段，晚上選擇低頻段進行通聯。從仿真結果中還可以發現，白天高頻段的電磁波傳播得更遠，到了晚間則剛好相反，其原因主要是白天電離層的電子密度受到太陽照射影響，電離層電子密度大，電磁波可以通過電離層反射到更遠的距離，傳播覆蓋的范圍廣闊；晚間電離層電子密度減小，電磁波只能反射到較近的區域，覆蓋的范圍也隨之減小。

3.2 接收信號強度預測分析

以JA2IGY-A接收臺為例，選擇不同時段（0點和12點）、不同頻段（21.15 MHz和28.2 MHz），對比Proppy HF和VOACAP預測的信號強度結果。在UTC 0：00，A接收臺在21.15 MHz頻點接收到JA2IGY的信號強度為S7（-115 dBW），VOACAP仿真結果為-110～-120 dBW；在28.2 MHz頻點 UTC 0：00，接收到JA2IGY的信號強度為S4（-133 dBW），VOACAP仿真結果為-130～-140 dBW；在28.2 MHz 頻點UTC 12：00，接收到JA2IGY的信號強度為S1（-151 dBW），VOACAP仿真結果為-150～-160 dBW。二者間結果基本一致，相互驗證了軟件預測的可靠性。

3.3 可靠性仿真預測分析

以JA2IGY-A接收臺、RR9O-A接收臺為例，分析不同位置短波通聯的可靠性。通過仿真得知，JA2IGY-A接收臺（0點，21.15 MHz）鏈路可靠性大于90%，說明在滿足接收機信噪比要求下，此時刻該月有大約27天可以接收到信標臺信號；RR9O-A接收臺（0點，14.1 MHz）鏈路可靠性在70%以上，表明此時刻該月有21天可以接收到信標臺信號。在短波通信鏈路可靠性要求不高的情況下，信標臺發射的信號甚至可以覆蓋更遠的范圍，但是較遠范圍接收機收到信號的概率更小。由此可知，接收到信號的信噪比直接影響到對短波通信鏈路可靠性的評判，通過提高接收設備的靈敏度可增強短波通信鏈路可靠性。

4" 信標臺接收實測

利用Proppy HF和VOACAP軟件分別進行了信標臺信號接收強度預測、傳播覆蓋范圍仿真預測分析后，接下來使用KiWi SDR設備進行實際接收測試，使用A接收臺對IBP的5個頻段（14.1 MHz、18.11 MHz、21.15 MHz、24.93 MHz、28.2 MHz）的18個信標臺分頻率、分時段依次進行接收測試，得到的接收瀑布圖如圖3～圖6所示。

通過設備接收實測，觀察記錄的信號瀑布圖（從左往右看），結合圖3～圖6可以發現，A接收臺可以通過14.1 MHz、18.11 MHz、21.15 MHz三個頻段與VR2B、JA2IGY進行通聯。而A接收臺與RR9O、VK6RBP、ZL6B、4S7B、ZS6DN、5Z4B、4X6TU通過選擇合適的頻段和時間，也能通聯。對比預測和實測結果，二者基本一致，但仍有個別站點與預測不符，如在14.1 MHz頻段的0點和8點，A接收臺不能接收到來自4S7B、OA4B信標臺信號。導致這種現象的主要原因有：一是仿真分析時只考慮了太陽黑子對電離層電子密度的影響，而忽略了其他物理條件對電離層的影響；二是暫未能獲得部分實際發射（接收）天線的詳細參數，進而影響了仿真的準確性，這也導致實測和預測有誤差。后續可以結合其他手段方法對電離層分析建模，導入實際天線參數，充分了解短波在三維電離層中傳輸的物理機制，從而更加準確地預測電離層對短波通信的影響。

5" 結束語

短波通聯作為業余無線電愛好者常用的遠程通信手段，應盡量選用高靈敏度的接收設備，以便提高對遠距離、低功率微弱信號的收測能力。在頻率預選上遵循“白天選用高頻段，晚上選用低頻段”的通聯原則，通聯前根據收發雙方設備參數，使用Proppy HF、VOACAP軟件進行仿真預測分析，有助于快速找到可使用的通聯頻率。文中的分析方法對于短波通聯有重要的參考意義，業余無線電愛好者可在通聯前使用信標預測和通信覆蓋范圍預測來提高通聯成功的效率。

參考文獻

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[3] 熊皓．無線電波傳播[M]．北京：電子工業出版社，2000.

[4] 劉學宇．基于短波中長期頻率預報軟件VOACAP的自動選頻技術研究[D]．西安：西安電子科技大學，2013：8-9.

[5] 沈琪琪，朱德生．短波通信[M]．西安：西安電子科技大學出版社，1990.