艦載短波鞭天線天波地波干涉計(jì)算*

沈 建，張志剛，饒廣然

(1. 海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033；2.海軍92619部隊(duì)，廣西 防城港 538036)

艦載短波鞭天線天波地波干涉計(jì)算*

沈 建1，張志剛1，饒廣然2

(1. 海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院,湖北 武漢 430033；2.海軍92619部隊(duì)，廣西 防城港 538036)

為了計(jì)算艦載鞭天線近距離通信時地波和天波的干涉，在3～15 MHz頻率范圍內(nèi)利用Rotheram地波傳播理論計(jì)算了鞭天線的地波場強(qiáng)分布，利用國際電信聯(lián)盟ITU-R P.533建議計(jì)算了鞭天線的天波場強(qiáng)分布。通過分析信噪比大于0 dB和場強(qiáng)相差±10 dB的區(qū)域后發(fā)現(xiàn)，艦載鞭天線的地波和天波場強(qiáng)在一定距離和時段內(nèi)會互相干涉。結(jié)果表明：在通信雙方位置一定的情況下，通信時機(jī)、通信頻率和發(fā)射功率等對艦載鞭天線的地波和天波場強(qiáng)干涉區(qū)域的影響較大。

短波通信；鞭天線；干涉區(qū)域；天波；地波

0 引 言

水面艦艇主要采用鞭天線進(jìn)行短波通信，由于海水的導(dǎo)電率比較高，地波在低頻段衰減較慢，因此在實(shí)際近距離通信中，地波和天波兩種傳播方式同時存在，其中，地波傳播信道較穩(wěn)定，頻率越高，衰減越快[1]；天波依靠電離層的反射進(jìn)行傳播，信道不穩(wěn)定，當(dāng)兩種傳播方式到達(dá)接收點(diǎn)時信號強(qiáng)度大小相近時，存在干涉現(xiàn)象從而影響實(shí)際通信效果。

本文采用艦載10m鞭天線作為發(fā)信天線，考慮鞭天線的實(shí)際增益，通過Rotheram總結(jié)的地波傳播理論以及國際電信聯(lián)盟ITU-R P.533建議分別計(jì)算地波和天波的場強(qiáng)分布，分析天地波場強(qiáng)的干涉區(qū)域及其影響因素，并為艦載鞭天線的使用提供了科學(xué)合理的策略。

1 天線模型

目前常用加載技術(shù)來展寬天線的工作頻帶，通常在天線體上設(shè)置兩個集中加載點(diǎn)，上加載點(diǎn)為RL并聯(lián)加載，下加載點(diǎn)為RLC并聯(lián)加載，如圖1所示。由文獻(xiàn)[2]知，天線體上實(shí)施加載可以降低天線的駐波比，但是加載阻抗會吸收部分能量，導(dǎo)致天線輻射效率低，尤其是低頻段，天線的駐波比仍較高。基于以上分析，在計(jì)算鞭天線地波和天波場強(qiáng)過程中必須要考慮實(shí)際增益對場強(qiáng)分布的影響。

圖1 短波單鞭加載天線

2 地波場強(qiáng)計(jì)算

Rotheram在1981年總結(jié)出均勻光滑球形地面上中、遠(yuǎn)、近三種距離的地波場強(qiáng)公式[3][4]，用于計(jì)算地波沿光滑平面?zhèn)鞑r的場強(qiáng)、衰減，并采用了指數(shù)大氣模型。因近距離地波場強(qiáng)公式的臨界距離很近，且該臨界距離內(nèi)天波和地波場強(qiáng)相差較大，基本不存在干涉，故本文只采用中、遠(yuǎn)距離公式計(jì)算地波場強(qiáng)。

(1)

(2)

3 天波場強(qiáng)計(jì)算

因地波傳播距離相對較近，故計(jì)算天波場強(qiáng)時，故只考慮7 000km以內(nèi)的傳播情況。文獻(xiàn)[5]所預(yù)測的7 000km以內(nèi)的天波場強(qiáng)是每一月內(nèi)所有天數(shù)的月中值，其計(jì)算式如下：

Etw=136.6+Pt+Gt+20logf-LbdB(1μV/m)

(3)

Lb=32.45+20logf+20logp′+Ls

(4)

Ls=Li+Lm+Lg+Lh+Lz

(5)

上式中p′為有效斜距(km)；Li為n跳模式下的電離層吸收損耗(dB)；Lm是高于MUF的損耗(dB)；Lg是n跳模式下的地面反射損耗(dB)的總和；Lh是極光和其他信號造成損耗的因子(dB)；Lz是不包括在該方法中的其他天波傳播的影響，通常取10.3 dB。

4 計(jì)算結(jié)果及分析

地波和天波的計(jì)算都是在海面上進(jìn)行的，還考慮了3 kHz帶寬的人為噪聲、鞭天線常用頻率范圍為3 MHz～15 MHz、天線實(shí)際增益等條件。艦艇上電磁設(shè)備眾多，電磁環(huán)境惡劣，多頻段多設(shè)備分布在狹小的空間里，因此，以最大級別的城市區(qū)人為噪聲代表艦艇人為噪聲[6]。取海面相對介電常數(shù)εr=80，電導(dǎo)率σ=4 S/m。通過對滿足信噪比大于0 dB，場強(qiáng)相差±10 dB的區(qū)域進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)：(1)發(fā)射功率分別設(shè)置為1 kW和5 kW，當(dāng)功率變大時，各個頻率點(diǎn)的干涉區(qū)域(干涉距離遠(yuǎn)端與近端之間的區(qū)域)變小；低頻率干涉距離增大且比較明顯，高頻率干涉距離相近，如圖2、圖3，其中天波數(shù)據(jù)都是在1月份、太陽黑子數(shù)為110的條件下計(jì)算的。

圖2 1 kW時的干涉距離

圖3 5 kW時的干涉距離

(2)頻率增大，干涉區(qū)域減?。活l率減小，干涉區(qū)域增大，如圖4所示，天波計(jì)算條件為發(fā)射功率1 kW，7月。

圖4 各頻點(diǎn)的場強(qiáng)干涉區(qū)域

(3)7 MHz左右，干涉時段最長；3～7 MHz，干涉時段逐漸增長；7 MHz以上，干涉時段逐漸變短，如圖5所示，天波計(jì)算條件為發(fā)射功率1 kW，7月。

圖5 各頻點(diǎn)場強(qiáng)干涉時段

5 結(jié) 語

本文根據(jù)鞭天線的實(shí)際增益，計(jì)算其地波天波傳播時的場強(qiáng)分布，分別考慮了海面的相對介電常數(shù)和電導(dǎo)率、發(fā)射功率、季節(jié)、太陽黑子數(shù)、時刻、頻率等因素。通過計(jì)算及分析可以得出，使用鞭天線進(jìn)行短波近距離通信時，地波和天波場強(qiáng)會在一定時段、一定距離范圍內(nèi)產(chǎn)生干涉，條件不同，干涉時段、干涉區(qū)域、干涉距離不同。其中，通信時機(jī)、發(fā)射功率和通信頻率對干涉區(qū)域的影響較大。因此，在使用艦載鞭天線進(jìn)行短波通信時，不應(yīng)忽略地波和天波場強(qiáng)之間存在的干涉，應(yīng)制定合理的通信策略，靈活使用發(fā)射功率、通信頻率和通信時機(jī)：當(dāng)通信時機(jī)一定，通信對象距離較近，使用高頻率無法呼通時，可轉(zhuǎn)到低頻率并增加發(fā)射功率；當(dāng)通信對象距離較遠(yuǎn)時，為避免對近距離通信對象的干擾，應(yīng)使用高頻率進(jìn)行通信。當(dāng)發(fā)射功率、通信頻率一定，可通過變更通信時機(jī)來避免天波和地波相互之間的干擾。

[1] 高火濤，柯亨玉，吳世才等.高頻地波雷達(dá)探測距離的預(yù)估及分析[J].現(xiàn)代雷達(dá),1999，21(5)：31-38. GAO Huo-tao,KE Heng-yu,WU Shi-cai,et al.Estimation and Anlysis of HF Ground Wave Radar Detecting Range[J].Modern Radar, 1999，21(5)：31-38.

[2] 張志剛，謝慧，丁磊等.艦艇短波地波通信鏈路計(jì)算與分析[J].電訊技術(shù)，2010，50(10)：53-55. ZHANG Zhi-gang,XIE hui,DING lei, et al.Analysis and Calaulation of HF Ground-wave Marine Communication Link between Warships[J].Telecommunication Engineering, 2010，50(10)：53-55.

[3] Rotheram S. Ground Wave Propagation, I:Theory for Short Distances[J]. IEE Proc. Part F,1981,128(5):275-284.

[4] Rotheram S. Ground Wave Propagation, II:Theory for Medium and Long Distances and Reference Propagation Curves[J]. IEE Proc. Part F,1981,128 (5):285-295.

[5] Method for Prediction of the Performance of HF Circuits[S]. ITU-R Recommendations. 2013.

[6] 董航，徐池，易濤等.基于信噪比的短波通信輔助決策模型研究[J].通信技術(shù)，2014,47(11)：1313-1317. DONG Hang,XU Chi,YI Tao,et al.HF Communication Aid Decision-Making Model based on SNR Evaluation[J].Communications Technology,2014,47(11)：1313-1317.

Calculation of Sky-Wave and Ground-Wave Interference of Shipboard Shortwave Whip Antenna

SHEN Jian1，ZHANG Zhi-gang1,RAO Guang-ran2

(1.Electronic Engineering College, Naval University of Engineering, Wuhan Hubei 430033,China; 2.Unit 92619 of PLA Navy,Fangchenggang Guangxi 538036,China)

In order to calculate the ground-wave and sky-wave interference of shipboard whip antenna in short distance communication, Rotheram’s theory of ground-wave is used to calculate the ground-wave field strength distribution of whip antenna, and the ITU-R P.533 recommendation of the International Telecommunications Union to calculate the sky-wave field strength distribution of whip antenna in the frequency of 3-15MHz. Analysis on the region of SNR greater than 0 dB and the difference of field strength within ±10 dB indicates that the strength of ground-wave and sky-wave would interfere with each other within a certain distance and time, and that when both communication sides are in certain locations, the communication timing, frequency and transmission power would have fairly large influence on the interference areas of ground-wave and sky-wave field strength of shipboard whip antenna.

short-wave communication; whip antenna; interference aera; sky-wave; ground-wave

2015-04-13；

2015-07-17 Received date:2015-04-13；Revised date：2015-07-17

TN926

A

1002-0802(2015)09-1020-03

沈 建(1987—)，男，碩士研究生，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與技術(shù)；

張志剛(1977—)，男，副教授，主要研究方向?yàn)樘炀€理論與設(shè)計(jì)；

饒廣然(1985—)，男，工程師，主要研究方向?yàn)樘炀€理論。

10.3969/j.issn.1002-0802.2015.09.008