倾斜地面对短波天线通信的影响＊

罗光胜 张志刚 孙剑平

（1.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）（2.海军司令部信息化部 北京 100066）

1 引言

在现实生活中，一般天线所处的环境并非理想的开阔平地，相反，周围被高山、树林、峡谷等遮蔽，天线的辐射性能较之平坦地面会有所变化。因而实际中天线通信效果与理想情况并不一致，有时甚至相差很大［1］。本文将研究倾斜的下坡地形对通信方向上短波天线的辐射性能的影响。这些研究，将有利于在现实条件下短波通信台站的设计以及提高短波通信的效益。

2 天线的架设高度随倾斜地面倾斜角和通信仰角的影响

当远距离通信时，应该根据通信距离选择通信仰角，再根据通信仰角来确定天线的架设高度，以保证天线的最大辐射方向与通信方向一致［2］。对于远距离通信，由于要求较小的通信仰角，这样的天线必然架设得较高。如果在通信方向上有一倾斜地面，此时天线的架设高度较之平坦地面在同一最大通信仰角情况下会发生一定的变化。由图所示的几何关系，很容易得出当倾斜角为β时，架于地面上的天线的实际高度与通信仰角Δ之间的关系是：

当β＝0即为平坦地形下天线的架设高度和通信仰角关系：

由此可以得出倾斜地面天线架设高度和平坦地面上天线架设高度的关系为：

由倾斜地面下天线高度计算式求得图1，2（设波长λ为30m）。

图1 天线高度随倾斜角变化关系图

图2 天线高度随通信仰角变化关系图

由图中数据可以看出：

1）在通信仰角Δ为一定时，随地面倾斜角度β的增加，天线的高度h会减小。但有一最小值。当2β＋Δ＝90°时，此坡度下对应的天线高度h达到最低。当倾斜角β继续增大时，会使得天线高度h增加。当βmax＝90°－Δ时，此坡度下对应的同一通信仰角下的天线架设高度和平坦地面相等。当倾斜角超过βmax时，天线高度高于相同条件下平坦地面的天线高度。此时下坡地形会增加天线的高度，这是不可取的。

2）当地面倾斜角度β一定时，随着通信仰角Δ的增大，天线高度h也随之降低。但是也有一最小值。当β＋Δ＝90°时，天线高度h达到最低。并且此最小值即为平坦地面下该通信仰角对应下的天线高度。当通信仰角Δ继续增大时，天线高度会增加，并且大于平坦地形下相同通信仰角所需的天线高度。因此，当实际天线周围的倾斜坡度一定时，为了最大限度的降低天线高度，通信仰角有一最大值Δmax＝90°－β。当通信仰角超过这个最大值时，天线周围的地形会使得天线的架设高度高于平坦地面下所需的天线高度。此时，不适合在通信方向上倾斜的下坡地面顶端架设天线。

3 倾斜地面对地面反射的最小菲尼尔椭圆区的影响

实际地面对天线辐射的影响可以用镜像法［3］来考虑。

在入射电波的激励下，反射面上将产生感应电流。尽管所有的电流元的辐射都对反射波做出贡献，但是根据电波传播的有效区概念，反射面上只有在有效区内的电流元对反射波起主要的贡献。

设地面为理想导体，离地面高度为h的水平天线在接收点B处的辐射场应该是直射波辐射场和经由地面的反射波的辐射场在B处的合成场。根据电波传播的菲涅尔区［4］概念可知，反射波的最小空间通道是以天线的镜像AT和B为焦点的最小菲涅尔椭球体，而这个最小椭球体和地面相交的区域为一个椭圆，由这个椭圆所限定的区域内的电流元对反射波具有重要意义，称之为最小椭圆区［5］。也就是说，地面对垂直面方向图的形成，不是天线下面的全部地面都具有同等的作用，而是由最小椭圆区决定。

图3 地面上的有效反射区

可以 证 明［6］，地 面 上第一菲涅尔椭圆尺寸为

式中：x0为第一菲涅尔椭圆中心的坐标；a为菲涅尔椭圆的长半轴；b为菲涅尔椭圆的短半轴；d为反射点到天线塔底部的几何反射距离。

椭圆面积为πab，因此可以认为最小椭圆的长半轴为

短半轴为

这样便得到了对垂直面方向起主要作用的最小椭圆区尺寸的计算式。最小椭圆区相关尺寸（见图4）如下：

式中：xF为最小椭圆远边界到天线底部的距离；xN为最小椭圆近边界到天线底部的距离；W 为最小椭圆区的宽度。

图4 地面上的最小椭圆区尺寸

如果在通信方向上有一倾斜地面，由于不同的倾斜角度β的影响，在给定频率f和通信仰角Δ的情况下，也会导致天线的几何反射点水平距离d、最小椭圆区的尺寸等等都会发生相应的变化［7］。

表1列出了根据上述讨论所设计的三副天线的有关数据。其中1＃天线为架设在平坦地面上作为参考。（设波长λ为30m，所要求的通信仰角Δ为30°。）

表1 不同坡度的前倾地面对短波通信天线的影响

由上表可以看出：

1）对于同一通信仰角，前倾的倾斜地面可以有效的降低天线的架设高度。倾斜的坡度越大，天线架设高度越低。

2）由于天线的架设高度降低，因此，对于同一通信仰角下所求的最小菲涅尔区尺寸也减小。

3）由于倾斜地面的影响，反射点的几何水平距离朝着天下塔底部的方向偏移，最小椭圆区的中心也向塔底方向偏移。

由于最小椭圆区对形成垂直面的方向图的第一波瓣是至关重要的，所以工程上在选择收发天线场地时，必须要特别注意这块场地的选取和测量，使天线周围地形的遮蔽对最小菲涅尔区的影响最小。并充分利用通信方向上倾斜的下坡地面，可有效降低天线的架设高度和减小最小菲涅尔椭圆区的面积，以达到最佳的通信效果［8］。

另外，对“平面型”水平极化短波通信天线而言，比如菱形、对数周期偶极子阵天线等，为了利用前倾地面，应把天线平面与倾斜地面平行架设，而不应水平架设［11～12］。

4 结语

通过理论推导和研究，得出了天线的实际架设高度受倾斜地形和通信仰角的关系，分析了实际复杂地形下对最小有效反射椭球区的影响并和平坦地面的天线做了比较，给天线的架设以及天线场地的测量和选取做了些理论参考。

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