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(tǒng)信息傳輸能力的基礎性能指標之一。在火炮通信系統(tǒng)中，超短波電臺使用全向的鞭狀天線向外界環(huán)境發(fā)射電磁波[1]，因此無線通信距離必定受外界地理環(huán)境和電磁環(huán)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(nèi)部，也會受裝備內(nèi)部電磁環(huán)境、天線安裝結(jié)構(gòu)與高度、發(fā)射機功率、天饋線系統(tǒng)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(nèi)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(jù)[4]。

1 概述

天線的工作過程是發(fā)射機產(chǎn)生的高頻振蕩能量，經(jīng)過發(fā)射天線變?yōu)殡姶挪芰?，并向預定方向輻射，通過媒質(zhì)傳播到達接收天線。接收天線將接收到的電磁波能量變?yōu)楦哳l振蕩能量送入接收機，完成無線電波傳輸?shù)娜^程。全向天線是在水平面內(nèi)基本上具有無方向的輻射特性，而在垂直面內(nèi)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(tài)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(fā)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(zhuǎn)、發(fā)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(jù)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(xiàn)炮塔通信天線布局的優(yōu)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?？墒褂媒邮招盘柕墓β蔬M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?zhèn)鬏敃r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(huán)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(fā)天線安裝高度，符合武器系統(tǒng)進行無線數(shù)據(jù)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(huán)境，是基于實測數(shù)據(jù)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(fā)天線的高度(m)；Kh為地形校正因子(dB)[9]。

根據(jù)Egli電磁波傳播模型的電磁波傳輸損耗，綜合考慮發(fā)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(fā)射天線的發(fā)射功率(dBm)；Gt為發(fā)射天線增益(dB)；Lt為發(fā)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(xiàn)遠距離通信，超短波電臺的功率采用大功率發(fā)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(fā)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(jié)果如圖2所示。

根據(jù)圖2中曲線的規(guī)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(fā)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(fā)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(jié)果如圖3所示。

將發(fā)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(jié)果如圖4所示。

根據(jù)仿真結(jié)果可知，將發(fā)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?；鹋谄脚_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(fā)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(tǒng)性能技術指標造成的影響。當超短波電臺發(fā)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(fā)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(fā)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(qū)接收效率逐漸升高，但在中頻區(qū)和高頻區(qū)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(fā)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(fā)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(qū)接收效率逐漸升高，但工作頻段中頻區(qū)和高頻區(qū)接收效率逐漸降低。

發(fā)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(fā)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(fā)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?shù)男阅?，接收功率不低?97 dBM，收發(fā)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(tǒng)頂部時，天線存在有可能被遮擋情況。當發(fā)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(fā)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?？梢钥闯?，隨著遮擋的增高，超短波天線的接收功率在整個頻段內(nèi)呈現(xiàn)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(jié)果可知：對于8 km通信，發(fā)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(nèi)呈現(xiàn)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(xiàn)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(jié)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(fā)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(yōu)化以及電磁兼容性分析提供參考。