短波天線工程設(shè)計(jì)實(shí)踐*

周 波，熊宗炬，蔣耀樓，陳 震

（西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，四川 西昌 615000）

0 引 言

1 短波天線工程設(shè)計(jì)

近年來(lái)，隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的高速發(fā)展，短波通信作為國(guó)家電信應(yīng)急通信和軍隊(duì)?wèi)?yīng)急通信的重要通信手段發(fā)展迅速。短波天線工程是短波收發(fā)信臺(tái)固定臺(tái)站開(kāi)設(shè)的重要組成部分，對(duì)短波通信效能有很重要的影響。本文通過(guò)論述短波天線工程設(shè)計(jì)的一般規(guī)律，結(jié)合工程建設(shè)實(shí)例，探討短波天線工程建設(shè)的要點(diǎn)、原則及理論依據(jù)。[1]

短波天線工程，是短波收發(fā)信臺(tái)總體工程設(shè)計(jì)的重要項(xiàng)目之一，在機(jī)房改造與設(shè)備更新中廣泛運(yùn)用。短波天線工程的實(shí)施主要有天線工程設(shè)計(jì)可行性研究、天線選型、工程設(shè)計(jì)、安裝調(diào)試以及開(kāi)通驗(yàn)收等階段。在短波天線工程設(shè)計(jì)過(guò)程中，最重要的是要明確短波天線工程設(shè)計(jì)的幾大要素。短波天線工程設(shè)計(jì)要素包括通信臺(tái)站臺(tái)址選擇、天線選型原則、設(shè)計(jì)依據(jù)、天線場(chǎng)地選擇、天線布局及天線設(shè)計(jì)步驟等。[2]

1.1 短波通信臺(tái)站臺(tái)址選擇

短波天線收、發(fā)信臺(tái)臺(tái)址選擇應(yīng)根據(jù)建臺(tái)目的、上級(jí)意圖、技術(shù)要求等兼顧考慮以下原則。

1.1.1 臺(tái)址與人為干擾源的距離要求

發(fā)信臺(tái)為防止對(duì)友鄰電信等設(shè)施產(chǎn)生干擾，應(yīng)距飛機(jī)場(chǎng)制空區(qū)邊緣3 km 以上；距城鎮(zhèn)居民區(qū)2 km以上；收信臺(tái)應(yīng)距大型工廠、高頻電爐和振蕩式熔焊機(jī)、有電容器式X 光透視機(jī)的醫(yī)院3 km 以上，距電氣化鐵路2 km 以上，距35 kV 以下電力線500 m以上，35 ～110 kV 電力線1 km 以上，110 kV 以上電力線2 km 以上；距高速公路250 km 以上。

1.1.2 氣象條件

應(yīng)參考當(dāng)?shù)貧庀?，?0 年內(nèi)極高極低氣溫、極大風(fēng)速、積雪、冰凌厚度、最大年降水量等；應(yīng)避開(kāi)多雪區(qū)以及洪水、泥石流流經(jīng)區(qū)域。

1.1.3 地形和地質(zhì)條件

平坦開(kāi)闊、遠(yuǎn)山近水的地形和潮濕地面或耕地是最理想的建臺(tái)位置，但不利于隱蔽。為滿足戰(zhàn)術(shù)要求，需在山地建臺(tái)時(shí)：選擇面向通信方向視野較開(kāi)闊，天線輻射方向遮擋角≤3°～5°；有面向通信方向的山坡，可利用地形架設(shè)斜掛天線；也可利用跨溝谷的自然地形架設(shè)天線。

1.2 短波天線選型

短波天線的種類繁多，通信工程設(shè)計(jì)中需要選擇合適的天線。

1.2.1 天線選型需要考慮的因素

天線選型要根據(jù)發(fā)射機(jī)功率和通信距離選擇性能最佳的天線，使系統(tǒng)的傳輸性能達(dá)到最佳。選擇天線需要考慮以下因素。

天線的方向性：近距離通信宜采用高仰角、弱方向性天線，用低仰角天線會(huì)產(chǎn)生“盲區(qū)”。遠(yuǎn)距離通信應(yīng)采用低仰角強(qiáng)方向性天線。

天線增益：根據(jù)發(fā)射機(jī)功率和通信距離選擇天線增益，為使接收點(diǎn)的信噪比滿足要求，如發(fā)射機(jī)功率小，通信距離遠(yuǎn)，應(yīng)選擇高增益天線。

天線極化方式：地波（干擾）通信天線應(yīng)選用垂直極化天線，因?yàn)榇怪睒O化波沿地面?zhèn)鞑サ膿p耗比水平極化小。天波天線則一般選水平極化天線。

1.2.2 天線選擇原則

根據(jù)天線性能分析可得出天線選型的一般原則。

（1）中遠(yuǎn)距離點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向通信盡量選用定向天線。收、發(fā)信天線均可用菱形天線、對(duì)數(shù)周期天線、分支籠型天線；接收天線還可選用魚(yú)骨型天線。

（2）中遠(yuǎn)距離的全向通信可選用傘錐寬帶天線或多饋多模天線。近距離全向通信可選用角雙極、角籠型天線或?qū)拵П尢炀€。[3]

（3）如果同時(shí)需要近距離與中遠(yuǎn)距離通信，小功率電臺(tái)要用高仰角的水平極化全向天線，如扇形寬帶雙極天線、倒V 形寬帶天線或低架籠型、分支籠型天線。大功率電臺(tái)可采用高效率的垂直天線。

（4）10 kW 以上的大功率固態(tài)發(fā)信機(jī)，沒(méi)有天調(diào)，只能采用寬帶天線。

1.3 工程設(shè)計(jì)依據(jù)

短波天線工程設(shè)計(jì)，應(yīng)依據(jù)上級(jí)主管部門(mén)下達(dá)的設(shè)計(jì)任務(wù)書(shū)進(jìn)行。任務(wù)書(shū)一般會(huì)對(duì)建設(shè)目的、建設(shè)地點(diǎn)、建設(shè)規(guī)模、通信對(duì)象、通信種類、組網(wǎng)方式、通信聯(lián)絡(luò)時(shí)間、工作頻段、工程完成時(shí)限及工程投資控制等提出明確要求。根據(jù)要求進(jìn)行必要的可行性研究，內(nèi)容包括：

（1）依據(jù)業(yè)務(wù)要求和通信對(duì)象的方位、距離，選擇適當(dāng)?shù)奶炀€型號(hào)和天線數(shù)量；

（2）勘察選擇天線場(chǎng)地，作出合理的天線布局，充分發(fā)揮天線效能；

（3）采用合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，便于架設(shè)和維護(hù)，并保證天線安全運(yùn)行；

（4）經(jīng)濟(jì)合理，節(jié)約占地面積；

（5）采用合理的防雷擊設(shè)計(jì)。

表1 給出了短波機(jī)房及天線的接地電阻指標(biāo)要求。

表1 短波機(jī)房及天線的接地電阻指標(biāo)要求

1.4 天線場(chǎng)地選擇和天線布局

天線應(yīng)盡量靠近機(jī)房，縮短饋線距離，減小饋線損耗。菱形、魚(yú)骨型等高增益定向天線，明饋線最長(zhǎng)不大于500 m；籠型、分支籠型天線等弱定向天線明饋線最長(zhǎng)不大于300 m；各種程式天線應(yīng)用同軸電纜直接引入機(jī)房時(shí)，長(zhǎng)度不大于100 m。

天線前方應(yīng)有足夠的平坦地面，如天線輻射方向有地物阻擋，不能達(dá)到遮擋角3°～5°的要求，則從天線幕對(duì)地的垂直投影處至障礙物的仰角，不應(yīng)大于該天線所需要的發(fā)射或接收最小仰角的1/4。

天線布局應(yīng)以機(jī)房為中心在四周成折線形排列。如天線數(shù)目多，可以分內(nèi)外兩層布放，但內(nèi)外層天線的距離應(yīng)大于外層天線最大工作波長(zhǎng)的2倍。角形天線可以近些，應(yīng)大于外層天線波長(zhǎng)的1.5倍。[4]

1.5 通信雙方距離及方位角計(jì)算方程

一般常用天線通信距離在500 km 以內(nèi)時(shí)，大圓距離和通信方向角可不計(jì)算，直接在地圖上量得即可。通信距離較遠(yuǎn)時(shí)，可用以下方法計(jì)算。

1.5.1 方位角計(jì)算公式

設(shè)甲地A 與乙地B 為預(yù)定建立通信的北半球內(nèi)兩點(diǎn)。乙地B 為高緯度點(diǎn)。WB為乙地的緯度，WA為甲地的緯度，C為兩地的經(jīng)度差，X為甲地指向乙地的方位角，Y為乙地指向甲地的方位角。如圖1 所示。

圖1 北半球內(nèi)計(jì)算甲乙兩地距離和方位角

計(jì)算公式如下：

1.5.2 大圓距離計(jì)算公式

甲乙兩地兩地的大圓距離S，設(shè)Z代表當(dāng)球體半徑為1 時(shí)大圓距離所含的圓心角，且用度數(shù)表示。

所以，甲乙兩地的距離為：

2 某地區(qū)天線工程設(shè)計(jì)實(shí)例

根據(jù)相關(guān)部門(mén)短波通信建設(shè)的要求，某單位擬增加對(duì)成都方向的無(wú)線電專網(wǎng)，同時(shí)作為北京方向的備份。[5]

2.1 可行性分析

2.1.1 業(yè)務(wù)需求

調(diào)整后通信業(yè)務(wù)為兩個(gè)方向：一是北京方向，每天兩次定點(diǎn)聯(lián)絡(luò)，建立應(yīng)急專向通信，工作種類為等幅報(bào)，時(shí)間為中午2 點(diǎn)，晚上11 點(diǎn)；二是成都方向，分兩個(gè)網(wǎng)向，兩個(gè)網(wǎng)都是規(guī)定期間開(kāi)通，在開(kāi)通期間專網(wǎng)一聯(lián)絡(luò)時(shí)間為每天凌晨1～3 點(diǎn)和15～17 點(diǎn)，工作種類為等幅報(bào)，專網(wǎng)二要求24 小時(shí)守聽(tīng)，工作種類為等幅報(bào)。

2.1.2 天線解決方案

現(xiàn)通信業(yè)務(wù)為兩方向三專網(wǎng)，需要設(shè)備3 臺(tái)套。目前，需要增加1 臺(tái)400 W 發(fā)信機(jī)的發(fā)信天線和1套100 W 電臺(tái)的收發(fā)天線，分別與成都的兩個(gè)專網(wǎng)實(shí)現(xiàn)互通。

2.1.3 計(jì)算通信距離和通信方位角

經(jīng)測(cè)量和查實(shí)，建設(shè)地西昌的經(jīng)度為東經(jīng)102°11，緯度為北緯28°9；成都方向的經(jīng)度為東經(jīng)103°37，緯度為北緯30°59；北京方向的經(jīng)度為東經(jīng)116°46，緯度為北緯39°92。

計(jì)算西昌與成都的方位角及距離：

計(jì)算西昌與北京的方位角及距離為：

2.1.4 天線選型

根據(jù)天線選型原則，結(jié)合實(shí)際，與成都和北京屬點(diǎn)對(duì)點(diǎn)定向通信，因此選擇定向天線。這類天線有菱形天線、對(duì)數(shù)周期天線、籠型天線、分支籠型天線、水平寬帶天線以及扇形寬帶雙極天線等。筆者單位機(jī)房設(shè)備已固定上架，因此最好選擇寬帶天線，可以免調(diào)諧。再根據(jù)經(jīng)費(fèi)合理的原則，選擇了短波水平寬帶天線。該天線具有工作頻率寬、天線免調(diào)諧等特點(diǎn)，與籠型等天線比較具有明顯的技術(shù)優(yōu)勢(shì)和良好的性能。

2.1.5 天線場(chǎng)地選擇和天線布局

根據(jù)機(jī)房周邊建筑物及地勢(shì)情況，天線場(chǎng)地選擇地勢(shì)較為平坦的地方，天線輻射方向無(wú)明顯地物阻擋。但是，受周邊地勢(shì)和建筑物的影響，天線不能成圓周分布，因此考慮使用內(nèi)外兩層布放。圖2為天線布局圖。

2.2 天線工程實(shí)施

根據(jù)以上設(shè)計(jì)，在廠家技術(shù)員的指導(dǎo)下，具體實(shí)施了天線安裝。首先，進(jìn)行天線桅桿架設(shè)；其次，安裝天線體，并將同軸電纜饋線引入機(jī)房；最后，制作地線做防雷處理。天線施工完成后進(jìn)行駐波比測(cè)試和天線地阻測(cè)量，測(cè)量結(jié)果見(jiàn)表2、表3。

圖2 天線布局

表2 駐波比測(cè)試值表

表3 地線地阻值測(cè)試表

3 結(jié) 語(yǔ)

以上某地區(qū)天線工程設(shè)計(jì)及實(shí)施的實(shí)例，基本把握了短波天線工程設(shè)計(jì)施工的一般規(guī)律，具有一定的代表性。通過(guò)實(shí)踐可知，進(jìn)行短波天線工程設(shè)計(jì)必須本著嚴(yán)謹(jǐn)?shù)目茖W(xué)態(tài)度和刻苦的鉆研精神，認(rèn)真分析每一個(gè)環(huán)節(jié)，嚴(yán)格按照程序辦事，必要的時(shí)候要到現(xiàn)場(chǎng)實(shí)地勘察進(jìn)行指標(biāo)測(cè)試，使其符合技術(shù)要求，經(jīng)得起時(shí)間的考驗(yàn)。