浅谈海岸电台发射信号能量的合理布局与天线程式的理想化选择

杨晓勤

摘 要：本文结合船岸短波通信的特点，对岸台的通信覆盖区域和发射天线的方向图特性做了分析，提出了岸台发射天线程式的理想化选择方案，最后描述了对未来岸船短波通信模式的展望。

关键词：短波通信 天线 布局 理想化

1.引言

海岸电台与船舶电台之间的通信，是一种中心点与游离点之间的“一点”对“多点”的通信。其特点类似太阳光散射，这种“中心散射分布式”通信的功能结构，最大特点是中心点周围随着离开中心的径向距离不同，其能量的径向分布具有不均等性。随着离开距离的增大，信号能量分布密度呈平方倍变小，岸台发射信号能量的分布密度呈平方倍变小，随着船台与岸台之间径向距离的增大，岸船间的通信效果也不同。这就要求海岸电台对其发射信号的覆盖区间的能量分布作出合理的安排，并以此为基础选用理想化的发射天线。

2.海岸电台短波发射能量分布区间的合理安排

由于海岸电台发射能量对远近距离存在不均匀性，要求海岸电台必须能够在发射能量时针对远近区间作出不同的能量分布。如果把海岸电台通信分布区间比作刚刚盛开的“向日葵之花盘”的话，“向日葵花盘中心园形区间”代表“近洋通信”区间，“向日葵各个花瓣区间”各代表一个“远洋通信”区间。这里可以假设按每一个“远洋区间”与位于中心的“近洋区间”作相同面积大小规划。再考虑到短波天线在设置“远洋”与“近洋”通信区间覆盖时会有一定的交叠性，即近洋天线通信覆盖往往会溢界到远洋范围，而远洋天线的通信覆盖也会在区远洋之前过境近洋覆盖区间局部位置。因此，与其说近洋与远洋天线的通信覆盖象“向日葵花盘”分布状，还不如说它们两者好像是一朵喇叭花和一朵大玫瑰花上下双层交叠在一起，只不过论喇叭花面积与一个个花瓣面积，两者大体相当而已。

在天线的方向图中，这分别指的是近洋通信天线水平方向图的“圆形”全向图，与远洋通信定向天线水平方向图的“单个花瓣形”偏向图。需要指出的是短波传播是通过天波反射传播的，其覆盖区有“一跳区”、“二跳区”，在功率大、天线好、电离层适宜时还会有“三跳区”。因此“花瓣”前沿能扩展到多大，还要依天线的垂直面方向图性能确定。

考虑到船舶在海洋中实际航行密度的分布特性，远洋通信区间的安排最多只要六个区间即可。即：直布罗陀海峡方向、西非方向、澳洲方向、北美、加勒比海或南美方向、北极方向等。这些方向由于距离远近的层次不同，又可以根据远近将它们排队，针对其中最远的方向给以安排使用最高的工作频率，其余类推可以得出最低的远洋通信工作频率所对方向指向何方。

从短波通信长期实践来看，短波4—13MHz中低频段适宜近洋通信（该段频率的天线水平面方向图可以做到近似于圆形的全向型），而14—22MHz的高频段更适宜远洋通信。因为在高频段情况下，原来低增益的全向天线的水平方向图的“圆形”图会演变为增益并不高的“烧饼缺边形”图。这将即丧失了近洋天线的全向特性（本身增益较低），也未能达到定向天线的高增益特性要求。鉴于此，不如放弃天线的全向性，将增益全部集中到远距离方向，采用使某个方向高增益其余方向无增益的定向天线技术。

3.海岸电台短波发射天线的理想程式

要确定海岸电台短波发射天线的理想程式，应首先将通信覆盖区划分为近洋与远洋两种区间，然后再考虑如何使通信在各区间达到理想状况。

由上所知，近洋通信要求短波天线的水平方向图最好是一个“圆形”，而未涉及的垂直方向图则最好是一个“半圆形”。远洋通信则从根本上改变了近洋天线方向图的那种全方向特性，使得天线除了固定方向有增益外，其余方向的增益大大缩小甚至为零。这也就是定向天线的特性。

定向天线的理想方向图，其水平方向图呈“圆润水滴形”，它代表天线在方位角作连续变时天线增益幅度变化的保持状况。垂直方向图呈“饱满鲸鱼头形”。它代表天线在仰角作连续变化时天线增益幅度的保持状况。这两种形状图的远端没有凹陷缺口出现，说明天线增益特性在水平面或垂直面各自随角度变化的过渡性相当平稳。一般说来，大多数定向天线容易满足水平方向图要求的这种饱满平滑特性，不易满足垂直方向图要求的这一特性。而天线垂直方向图的不同仰角代表着不同的通信距离，通信仰角越小，无线电波经电离层反射距离就越远。通信仰角连续变化时，若天线增益处处能保持一致强度作对应连续变化，这意味着通信信号在远距离以近的方向覆盖无盲点。在此通信区间，船岸通信效果将大大改善。因此，垂直方向图的特性好坏主要地决定了远洋通信的特性好坏。

船舶在海洋中所作的任何方向的运动，都可以等效分解为以岸台为中心的圆周运动和离开原点在半径方向上所做的径向运动。可以确定，圆周运动可以由天线的水平方向图与之对应，径向运动可以由垂直方向图与之对应。对于近洋通信来讲，满足两者都应不成问题。而对于远洋通信来说，天线的水平方向图欲呈“水滴形”虽不会成为大问题，但要其天线垂直方向呈较理想的“鲸鱼头形”，同时还要天线达到定向高增益就有点问题了。例如一般的垂直型天线，其垂直方向图虽非“鲸鱼头形”，但也是不错的“半球盖地形”，然而其低增益特性又是无法满足定向天线的高增益要求的。由此也可以看出，垂直方向图的这一特性也成为制约远洋通信效果好坏的“主要矛盾”。

也许有人会说，对于在径向距离上作远近移动的船舶要与岸台通信来讲，通过改变频率也可以改变仰角从而可以达到满足径向距离上远近距离通信区间覆盖的目的。而事实上，海岸电台的固定频率通信模式中，靠改变频率来改变仰角以达到对远近距离的连续覆盖，只是长期以来人们的一种错觉性愿望而已。这就是说，船台、岸台所处的位置，决定了远洋通信需要重点关注定向天线自身垂直方向图中“仰角-增益”成对连续变化的增益“保持性过渡”问题。

目前，我们常用的大多数高增益定向天线并非很理想。比如：同相水平、水平八木、水平对数周期等高增益定向天线，其垂直方向图不是“多瓣形半朵花形”，就是“多手指张开形”。这些天线在垂直方向图上仰角从小到大连续变化时，天线增益不能连续保持一定强度过渡的增益分布特性，对海岸电台实现由远到近连续距离上连续覆盖造成了众多缺陷，即只能做到稀疏的“点式”覆盖。这是一种有比较严重缺陷的通信模式。

在通信工作实践中，近洋通信全向天线中，扇锥天线是一种基本满足从水平方向图的“准圆形”，与从垂直方向图的“准半圆形”看来都较接近理想的天线。而对于远洋通信来讲，垂直对数周期天线（单极式）则具有以上所述的重要特性，是比较理想的远洋通信天线。例如，它在具备较理想垂直方向图特性的同时，还具有定向的高增益性（增益至少7DB，甚或11DB）。而且，天线这种高增益性呈现远近距离非线性补偿。从天线垂直方向图上也可以看出，仰角越低，则增益越高，这意味着“仰角低”所对应“远距离”得到天线“高增益”反向补偿。这种对岸台发射能量随远距离散射衰减特性的相反性补偿是非常难得的。对于追求增大高频段辐射能量来说，尽管可以通过人为安排增加高频段发信机的功率来部分解决，但是发信机功率一旦确定后，能对径向从远到近连续距离全覆盖实现反向补偿的，就只有天线方向图自己的增益特性了。

4.对未来岸船短波通信模式的展望

随着互联网技术、自适应通信技术的渗透应用，海岸电台的建设将从传统的三址式（即中控台、发信台、收信台分开）改为多地址式（一个中控台，多个发信台，多个收信台），设备的远程控制模式将从传统的四线音频方式改为IP组网控制方式，形成局域网。各大海岸电台也将采用IP联网形式，形成互联互通、互相调用的广域通信网路。岸船一对一的固定通信模式也将通过海岸电台的改造而改变。可以预见，未来的岸船短波通信中，岸台的收发地点、天线等设备的使用等，将由控制系统根据现场通信情况自动调用。短波发信天线方向图特性引起的通信覆盖不足问题，必将得到完美解决。endprint