舰载短波鞭天线天波地波干涉计算*

2015-03-25张志刚饶广然

通信技术 2015年9期

关键词：天波发射功率场强

沈建，张志刚，饶广然

(1. 海军工程大学电子工程学院,湖北武汉 430033；2.海军92619部队，广西防城港 538036)

舰载短波鞭天线天波地波干涉计算*

沈建1，张志刚1，饶广然2

(1. 海军工程大学电子工程学院,湖北武汉 430033；2.海军92619部队，广西防城港 538036)

为了计算舰载鞭天线近距离通信时地波和天波的干涉，在3～15 MHz频率范围内利用Rotheram地波传播理论计算了鞭天线的地波场强分布，利用国际电信联盟ITU-R P.533建议计算了鞭天线的天波场强分布。通过分析信噪比大于0 dB和场强相差±10 dB的区域后发现，舰载鞭天线的地波和天波场强在一定距离和时段内会互相干涉。结果表明：在通信双方位置一定的情况下，通信时机、通信频率和发射功率等对舰载鞭天线的地波和天波场强干涉区域的影响较大。

短波通信；鞭天线；干涉区域；天波；地波

0 引言

水面舰艇主要采用鞭天线进行短波通信，由于海水的导电率比较高，地波在低频段衰减较慢，因此在实际近距离通信中，地波和天波两种传播方式同时存在，其中，地波传播信道较稳定，频率越高，衰减越快[1]；天波依靠电离层的反射进行传播，信道不稳定，当两种传播方式到达接收点时信号强度大小相近时，存在干涉现象从而影响实际通信效果。

本文采用舰载10m鞭天线作为发信天线，考虑鞭天线的实际增益，通过Rotheram总结的地波传播理论以及国际电信联盟ITU-R P.533建议分别计算地波和天波的场强分布，分析天地波场强的干涉区域及其影响因素，并为舰载鞭天线的使用提供了科学合理的策略。

1 天线模型

目前常用加载技术来展宽天线的工作频带，通常在天线体上设置两个集中加载点，上加载点为RL并联加载，下加载点为RLC并联加载，如图1所示。由文献[2]知，天线体上实施加载可以降低天线的驻波比，但是加载阻抗会吸收部分能量，导致天线辐射效率低，尤其是低频段，天线的驻波比仍较高。基于以上分析，在计算鞭天线地波和天波场强过程中必须要考虑实际增益对场强分布的影响。

图1 短波单鞭加载天线

2 地波场强计算

Rotheram在1981年总结出均匀光滑球形地面上中、远、近三种距离的地波场强公式[3][4]，用于计算地波沿光滑平面传播时的场强、衰减，并采用了指数大气模型。因近距离地波场强公式的临界距离很近，且该临界距离内天波和地波场强相差较大，基本不存在干涉，故本文只采用中、远距离公式计算地波场强。

(1)

(2)

3 天波场强计算

因地波传播距离相对较近，故计算天波场强时，故只考虑7 000km以内的传播情况。文献[5]所预测的7 000km以内的天波场强是每一月内所有天数的月中值，其计算式如下：

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′为有效斜距(km)；Li为n跳模式下的电离层吸收损耗(dB)；Lm是高于MUF的损耗(dB)；Lg是n跳模式下的地面反射损耗(dB)的总和；Lh是极光和其他信号造成损耗的因子(dB)；Lz是不包括在该方法中的其他天波传播的影响，通常取10.3 dB。

4 计算结果及分析

地波和天波的计算都是在海面上进行的，还考虑了3 kHz带宽的人为噪声、鞭天线常用频率范围为3 MHz～15 MHz、天线实际增益等条件。舰艇上电磁设备众多，电磁环境恶劣，多频段多设备分布在狭小的空间里，因此，以最大级别的城市区人为噪声代表舰艇人为噪声[6]。取海面相对介电常数εr=80，电导率σ=4 S/m。通过对满足信噪比大于0 dB，场强相差±10 dB的区域进行分析发现：(1)发射功率分别设置为1 kW和5 kW，当功率变大时，各个频率点的干涉区域(干涉距离远端与近端之间的区域)变小；低频率干涉距离增大且比较明显，高频率干涉距离相近，如图2、图3，其中天波数据都是在1月份、太阳黑子数为110的条件下计算的。

图2 1 kW时的干涉距离

图3 5 kW时的干涉距离

(2)频率增大，干涉区域减小；频率减小，干涉区域增大，如图4所示，天波计算条件为发射功率1 kW，7月。

图4 各频点的场强干涉区域

(3)7 MHz左右，干涉时段最长；3～7 MHz，干涉时段逐渐增长；7 MHz以上，干涉时段逐渐变短，如图5所示，天波计算条件为发射功率1 kW，7月。

图5 各频点场强干涉时段

5 结语

本文根据鞭天线的实际增益，计算其地波天波传播时的场强分布，分别考虑了海面的相对介电常数和电导率、发射功率、季节、太阳黑子数、时刻、频率等因素。通过计算及分析可以得出，使用鞭天线进行短波近距离通信时，地波和天波场强会在一定时段、一定距离范围内产生干涉，条件不同，干涉时段、干涉区域、干涉距离不同。其中，通信时机、发射功率和通信频率对干涉区域的影响较大。因此，在使用舰载鞭天线进行短波通信时，不应忽略地波和天波场强之间存在的干涉，应制定合理的通信策略，灵活使用发射功率、通信频率和通信时机：当通信时机一定，通信对象距离较近，使用高频率无法呼通时，可转到低频率并增加发射功率；当通信对象距离较远时，为避免对近距离通信对象的干扰，应使用高频率进行通信。当发射功率、通信频率一定，可通过变更通信时机来避免天波和地波相互之间的干扰。

[1] 高火涛，柯亨玉，吴世才等.高频地波雷达探测距离的预估及分析[J].现代雷达,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] 张志刚，谢慧，丁磊等.舰艇短波地波通信链路计算与分析[J].电讯技术，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，易涛等.基于信噪比的短波通信辅助决策模型研究[J].通信技术，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

1002-0802(2015)09-1020-03