短波通信天饋系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)研究

魏文勇 王太峰

中通服咨詢?cè)O(shè)計(jì)研究院有限公司

0 引言

短波通信是遠(yuǎn)距離通信的主要方式，在許多行業(yè)中都有廣泛使用。但是短波通信受天氣影響大，信道不穩(wěn)定，頻段窄、容量小、易受噪聲干擾，天線設(shè)備復(fù)雜，場(chǎng)地要求高。做好短波通信系統(tǒng)的天饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)工作對(duì)短波通信的工程建設(shè)以及通信質(zhì)量保障起著關(guān)鍵作用，本文重點(diǎn)對(duì)短波通信工程天饋線系統(tǒng)設(shè)計(jì)涉及到的鏈路預(yù)算、天線選型、饋線設(shè)計(jì)、天線場(chǎng)布置等方面進(jìn)行分析和研究。

1 短波通信傳播模式

短波分為地表波（簡(jiǎn)稱“地波”）傳播和電離層波（簡(jiǎn)稱“天波”）傳播，電離層對(duì)短波的最高反射頻率為40MHz，最低反射頻率為1.5MHz，其工作頻段為3MHz-30MHz，對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)為100米-10米。地波傳播的衰減隨著頻率的升高而增加，傳播距離通常只有幾十公里，因此短波主要使用天波傳播方式，天波傳播方式可傳播數(shù)千公里。

電離層在垂直高度上呈分層結(jié)構(gòu)，一般劃分為D層（距離地面約50～90公里）、E層（距離地面90～130公里）、F1層（距離地面130～210公里）、F2層（距離地面210公里以上）。

通常以mXnY的結(jié)構(gòu)來表述傳播模式（X、Y為反射層名稱，m、n為反射次數(shù)）。如表1所示。

表1 常用通信距離使用的傳播模式

2 鏈路預(yù)算

鏈路預(yù)算由短波通信系統(tǒng)傳播鏈路中各個(gè)節(jié)點(diǎn)的功率等級(jí)變化來表示。移動(dòng)和固定短波電臺(tái)的發(fā)射功率通常在幾十瓦到一千瓦之間，天線增益則從-20dBi到20dBi不等。

短波無線的鏈路預(yù)算需計(jì)算天線方位角、仰角和架高等參數(shù)，使用的指標(biāo)有工作頻率、發(fā)射機(jī)功率、發(fā)射天線增益、電離層衰減、地表衰耗、空間損耗、系統(tǒng)噪聲、接收天線增益、接收機(jī)靈敏度等。

2.1 接收點(diǎn)預(yù)期信噪比

（1）接收點(diǎn)預(yù)期信號(hào)功率Pe

接收點(diǎn)的預(yù)期信號(hào)功率Pe（dBm）為：

其中，Pt為發(fā)射功率（dBm），Gt為發(fā)射天線增益（dB），Gr為接收天線增益（dB），Lbf為自由空間中傳播損耗：

其中，f為載波頻率，單位為MHz，d為傳輸距離，單位為km。

（2）接收點(diǎn)有效噪聲功率Pn

接收點(diǎn)的有效噪聲功率Pn（dBm/Hz）為：

其中，F(xiàn)a為接收點(diǎn)的有效噪聲系數(shù)。（3）接收點(diǎn)預(yù)期高頻信噪比S/N

其中，Lb（dB）為線路傳輸損耗。對(duì)于電離層傳播，除自由空間損耗外，還包括日間D層吸收損耗LD和極化損耗Lpol，其中極化損耗一般設(shè)為2-3dB，日間D層損耗根據(jù)傳輸距離不同，從15dB到30dB不等，夜間D層消失，LD變?yōu)?。

2.2 通信大圓距離

發(fā)射點(diǎn)A和收信點(diǎn)B兩點(diǎn)進(jìn)行短波通信，之間的球面距離稱為大圓距離。大圓距離D的計(jì)算公式為：

其中，x1為A點(diǎn)的緯度（°），x2為B點(diǎn)的緯度（°），y1為A點(diǎn)的經(jīng)度（°），y2為B點(diǎn)的經(jīng)度（°），D為收發(fā)點(diǎn)之間的大圓距離（km），d為收發(fā)點(diǎn)之間大圓弧所對(duì)應(yīng)的地球中心夾角（°）。

2.3 天線方位角

計(jì)算發(fā)射點(diǎn)A和收信點(diǎn)B之間的方位角b1和b2，公式如下：

b1為發(fā)射至接收的方位角（°），b2為接收至發(fā)射的方位角（°）。

2.4 天線仰角

天線仰角的計(jì)算公式如下：

其中，Δ為天線仰角（°），β=h/R=電離層高度/地球半徑；θ=d/2=D×360°/4πR，地球半徑R取6370km。

2.5 天線架高

天線架設(shè)高度決定了水平極化天線的輻射仰角，根據(jù)不同頻段對(duì)輻射仰角的要求，選取適當(dāng)?shù)母叨葍A斜架設(shè)，保證不同頻率的諧振振子都在合適的架設(shè)高度上，從而在各個(gè)頻段上得到需要的信號(hào)輻射仰角。

天線架設(shè)高度與輻射仰角的關(guān)系如下：

其中，fmax和fmin為天線垂直方向圖主瓣對(duì)準(zhǔn)通信仰角時(shí)的最大工作頻率和最小工作頻率，并且fmax和fmin應(yīng)小于電離層反射的最高臨界頻率，fmin應(yīng)滿足線路信噪比或信號(hào)增益要求，也可用天線垂直方向圖主瓣的3dB帶寬頻率代替。如表2所示。

表2 常用天線架設(shè)高度表

3 天線選型

天線選型需結(jié)合設(shè)計(jì)要求、通信距離、天線特性、場(chǎng)地情況等選擇合適的天線程式，同時(shí)選擇合適的架設(shè)高度、架設(shè)位置，以實(shí)現(xiàn)天線輻射波束對(duì)通信區(qū)域的最佳覆蓋，提高可通率。

考慮到通信系統(tǒng)的擴(kuò)展性，天線應(yīng)優(yōu)先選用3MHz～30MHz的寬帶天線。

天線的功率增益需要在最大輻射分量方向、仰角、方位角、工作頻段等方面都滿足鏈路預(yù)算的要求。遠(yuǎn)距離通信，一般要求天線輻射主瓣強(qiáng)、副瓣弱而少。近距離通信，主要使用不定向天線或弱定向天線。

天線選型需考慮如下要素：

（1）天線場(chǎng)內(nèi)最好各種天線混合搭配，實(shí)現(xiàn)最佳通信效果；

（2）天線架設(shè)高、低結(jié)合，獲得不同仰角，適應(yīng)電離層的動(dòng)態(tài)變化；

（3）遠(yuǎn)距離通信優(yōu)選小型定向天線；

（4）近距離通信優(yōu)選高仰角天線；

（5）選用籠型、L型籠型天線需兼顧通信方向，選擇合適的架設(shè)方位；

（6）在預(yù)算緊張的場(chǎng)站，可選擇三線天線；

（7）在樓頂?shù)泉M小場(chǎng)地，優(yōu)選三線倒V天線，一般框形天線性能相對(duì)較差；

（8）選擇合適的架設(shè)高度，使天線輻射仰角滿足通訊距離的要求；

（9）接收天線可通過天線共用器帶動(dòng)多部接收機(jī)，主要考慮寬頻帶要求。

常用的短波天線有小型定向天線、高仰角天線、水平短波三線天線/倒V短波三線天線、籠型天線、L型籠型天線。

3.1 小型定向天線

中、遠(yuǎn)距離通信可優(yōu)先考慮單塔支撐的小型化對(duì)數(shù)周期天線，具備高增益定向輻射，抗干擾性能強(qiáng)，同時(shí)占地小，天線間相互影響小，適合在場(chǎng)地受限的環(huán)境內(nèi)架設(shè)，在工程實(shí)踐中被廣泛采用，具有良好的通信效果。

小型化定向天線相比其他常規(guī)天線（籠形天線、三線天線等），在遠(yuǎn)距離通信方面具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）定向增益高，提高信號(hào)強(qiáng)度；

（2）定向輻射，抗干擾能力強(qiáng)；

（3）單塔支撐，占地小；

（4）前后比高，天線間互耦小，易于解決電磁兼容問題。

3.2 高仰角天線

高仰角天線高仰角輻射，實(shí)現(xiàn)近距離信號(hào)覆蓋，主要針對(duì)周邊站點(diǎn)的通信需求。在國(guó)內(nèi)外通信工程中，近距離（500km）通信主要選用高仰角天線，對(duì)近距離通信覆蓋具有明顯優(yōu)勢(shì)：

（1）定向高仰角輻射，能量集中在近距離區(qū)域，提高信號(hào)強(qiáng)度；

（2）全向性能好，不圓度＜±1dB，能保證全方位無盲區(qū)覆蓋；

（3）定向輻射，抗干擾能力強(qiáng)；

（4）單塔支撐，占地?。?/p>

（5）高仰角輻射，天線間互耦小，易于解決電磁兼容問題。

3.3 水平短波三線天線/倒V短波三線天線

三線寬帶天線是全頻段寬帶天線，性能優(yōu)良，在遠(yuǎn)、中、近距離都能有很好的通信效果，具有寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、架設(shè)方便等特點(diǎn)。

（1）三線天線輻射波束寬度寬，輻射方向圖在低頻段為高仰角全向，在高頻段為法線雙向；

（2）三線天線架設(shè)成本低，便于工程造價(jià)控制；

（3）三線天線倒V架設(shè)，主要是為了在場(chǎng)地受限的條件下使用，尤其是在樓頂。

3.4 籠型天線

籠型天線結(jié)構(gòu)可靠，通信效率高，為雙向通信天線。

籠型天線分為低頻籠型天線和高頻籠型天線。籠型天線要保持法線方向8字方向圖，天線長(zhǎng)度與發(fā)射頻率的波長(zhǎng)比必須在固定的范圍內(nèi)。

3.5 L型籠型天線

L型籠型天線是2副籠形天線成90°架設(shè)，可以實(shí)現(xiàn)4個(gè)方向的通信，覆蓋角度240°左右，并不是真正的全向天線，要實(shí)現(xiàn)全方位覆蓋，場(chǎng)地內(nèi)L型籠形天線應(yīng)錯(cuò)角度架設(shè)。

L型籠型天線和角籠天線輻射特性基本一致。普通角籠天線覆蓋角度320°左右，接近全向，增益比L型天線低。

4 饋線設(shè)計(jì)

饋線通常有同軸電纜和明饋線兩種，天線離機(jī)房較近（通常饋線長(zhǎng)度小于200米）的情況下，一般使用同軸電纜，距離較遠(yuǎn)時(shí)宜采用損耗低的架空明線。同軸電纜型號(hào)的選用應(yīng)考慮鏈路預(yù)算中對(duì)饋線損耗的允許范圍。

架空明線饋線常用的有二線式600Ω阻抗和四線式300Ω阻抗兩種，使用直徑3mm或4mm的銅包鋼線，根據(jù)發(fā)射機(jī)輸出功率選定。

采用同軸電纜時(shí)，天線下引線在下方饋線桿上的阻抗匹配器以及浪涌保護(hù)器轉(zhuǎn)接7/8饋線；進(jìn)入機(jī)房時(shí)通過浪涌保護(hù)器轉(zhuǎn)接1/2電纜連接收發(fā)信機(jī)。

采用明饋線時(shí)，天線下引線在下方饋線桿上的浪涌保護(hù)器連接平行饋線；進(jìn)入機(jī)房時(shí)通過阻抗匹配器、浪涌保護(hù)器轉(zhuǎn)接1/2電纜，連接收發(fā)信機(jī)。

饋線路由距離、饋線型號(hào)、饋線損耗的衰減指標(biāo)要求應(yīng)符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

發(fā)信饋線路由損耗不大于1.5dB（含浪涌保護(hù)器、阻抗匹配器、接頭），收信饋線路由損耗不大于1dB（含浪涌保護(hù)器、阻抗匹配器、接頭）。

饋線通過式浪涌保護(hù)器的接入衰耗小于0.3dB。所有接插件的接入衰耗每處不大于0.2dB。

天線饋線不平衡系數(shù)不大于10%，分配饋線不對(duì)稱系數(shù)應(yīng)不大于10%，實(shí)測(cè)的饋線效率應(yīng)不低于理論值的85%。

5 天線場(chǎng)平面布置

對(duì)于天線場(chǎng)的建設(shè)和天線的布置與選擇，需要充分考慮通信業(yè)務(wù)效能的提升和能力的保障，盡可能地從天線場(chǎng)地、遮擋高度、架設(shè)條件、天線性能、防止互擾等方面優(yōu)化選擇與設(shè)計(jì)。

短波通信站點(diǎn)的收、發(fā)信臺(tái)的天線場(chǎng)需分開布置，收信臺(tái)的天線場(chǎng)和機(jī)房間如果較遠(yuǎn)可通過光遠(yuǎn)傳系統(tǒng)連接。

天線布置應(yīng)根據(jù)天線數(shù)量和通信對(duì)象分布統(tǒng)一考慮，一般采用就近原則，天線圍繞機(jī)房布置以減小饋線損耗。

通信對(duì)象分散，天線數(shù)量不多時(shí)，應(yīng)以機(jī)房為中心，向外輻射狀布置；天線數(shù)量較多時(shí)，應(yīng)分層或正交架設(shè)；采用全向系列天線，實(shí)現(xiàn)全時(shí)段無盲區(qū)全向覆蓋；采用高增益定向天線對(duì)準(zhǔn)所需通信方向，提高天饋系統(tǒng)增益和抗干擾能力，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離定向區(qū)域覆蓋；采用分頻段天線設(shè)計(jì)，可減小天線方向圖畸變，優(yōu)化天線性能。

布置天線時(shí)，應(yīng)將結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、占地較小的或通信距離較近的天線放置在距離機(jī)房較近的地方，把較復(fù)雜、占地大的或通信距離較遠(yuǎn)的天線放置在距離機(jī)房較遠(yuǎn)的地方。

波長(zhǎng)越短饋線的損失越大，應(yīng)將波長(zhǎng)較短的天線放在離機(jī)房較近的地方。

為了節(jié)省投資，減少天線桿數(shù)量，布置天線時(shí)，多天線架設(shè)選擇共桿架設(shè)天線。天線間需保留一定的保護(hù)隔離距離和角度。

天線前方無建筑物遮擋，天線與架空線路的保護(hù)距離，饋線導(dǎo)線和各種建筑物之間的最小距離，饋線導(dǎo)線最低點(diǎn)和地面、道路、房頂之間的最小距離等，應(yīng)參照相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。

饋線桿20-30米左右布置一個(gè)，路由應(yīng)盡量取直，必需拐彎時(shí)，拐彎桿路內(nèi)夾角不應(yīng)小于120°，特殊情況如配線區(qū)等處，不應(yīng)小于90°。同一根饋線桿（中間桿或角桿）上，饋線不應(yīng)超過四對(duì)（平行線）。

6 天線支撐桿塔設(shè)計(jì)

天線體與天線支撐桿塔需滿足相關(guān)抗風(fēng)指標(biāo)，應(yīng)對(duì)振子、天線桿、斜拉線及滑輪進(jìn)行風(fēng)載荷強(qiáng)度計(jì)算。

天線基礎(chǔ)及拉錨土建要求：

（1）基座定位滿足天線程式和通信方向要求；

（2）基座強(qiáng)度滿足承重、抗風(fēng)要求；

（3）地錨采用水泥預(yù)制件，尺寸結(jié)構(gòu)和強(qiáng)度滿足天線架設(shè)要求；

（4）地錨布局滿足天線桿受力方向要求，等間隔、等距離分布。

7 結(jié)束語

本文針對(duì)短波通信工程天饋線系統(tǒng)涉及到的鏈路預(yù)算、天線選型、饋線設(shè)計(jì)、天線場(chǎng)布置、天線桿塔設(shè)計(jì)等關(guān)鍵點(diǎn)進(jìn)行了較為全面深入的分析和研究，能有效克服短波通信的弱點(diǎn)，降低工程的建設(shè)難度，提高通信質(zhì)量，對(duì)短波通信系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)有很好的指導(dǎo)作用。