车载短波近距离通信分析与研究

南京莱斯信息技术股份有限公司 黄 龙 王 芳

车载短波近距离通信分析与研究

南京莱斯信息技术股份有限公司 黄 龙 王 芳

短波近距离通信困难的原因是多方面的，其中电离层的有效反射是最重要原因之一。本文采用短波的电离层反射临界角和双层平谷电离层电子密度模式，以此电子密度模式和电离层波传播特性分析近距离通信中的频率选择和仰角要求。

电离层；临界角；双层平谷电离层电子密度模式；应急通信

引言

短波分为地波和天波两种,通常在0～30公里用地波传播,而100公里以上用天波传输。对于30～100公里的距离通常称为短波通信盲区。短波的通信距离通常由电离层的高度、浓度,反射临界角和短波发射仰角决定。本文选用双层平谷电离层电子密度模式,研究近距离通信中频率的选择和仰角的选择。

1 理论分析

1.1 电离层分析

电离层(Ionosphere)是地球大气的一个电离区域。电离层可从低到高依次分为D层、E层和F层等,其中F层还可分为F1层和F2层。中午时E层的最大电子密度约为,F层的最大电子密度约为。

在短波通信中起作用的通常是E层和F层。因此本文主要研究E层和F层对短波通信的影响。

1.2 反射与透射理论

在电磁场理论中,当电磁波入射到均匀介质时,在入射的边界上,在该区域中产生反射波和透射波。考虑一个平面式两边均匀介质的边界。

任意极化的入射波都可以分解为TE波(水平极化)和TM波(垂直极化)分量。对于TM波,当以布儒斯特角入射时,反射矢量kr与透射介质中偶极子振荡方向一致,所以没有TM波被反射。布儒斯特角公式为：

当入射角大于临界角时功率全反射,入射角小于反射角时反射的功率迅速减小。因此,为了提高短波的辐射功率在电离层的反射效率,要求辐射仰角要大于电离层的临界角。临界角由电离层的介电常数和短波发射频率决定。

因此电离层的临界角如下：

1.3 双层平谷电子模式

根据短波信道传输的特点,本文采用的电子密度模式分为上下两部分,下层从E层最大高度以上直到F层电子,密度等于E层最大电子密度NmE的高度范围内,电子密度保持等于NmE;从F层最大电子密度对应高度之上为电离层,上电离层采用查普曼分布。该模式简称为双平谷模式,其电阻,密度分布如下：

N(h)是高度h处的电子密度,N(h)的单位是个/m3, h的单位是km;NmE,HmE与NmF,HmF分别是E层和F层最大电子密度及相应的高度;YmE,YmF分别是E层和F层的半厚度;HoE是E层的底高,HoE=HmE—YmE;H是查普曼层标高,取经验值H=0.542YmF;Hq是相应于F层电子密度等于NmE的高度：

其中：foE,foF分别为E层和F层体频率。

YmE=25km

HmE=125km

foE=2.84MHz

foF=7.6MHz

YmF=100km

HmF=300KM

设收发点之间的地面距离为D,一个以频率工fob斜向离开地面发射点T的电波射线(进入电离层的入射角为),经路径达地面接收点R;而与该斜入射波在相同高度反射(反射点为A)的等效垂直入射波的频率为fv。两个入射波的等效反射点,h’为反射虚高。

根据上述电子密度模式以及电离层特性,可得到垂直入射频率fv与反射虚高h’的关系：

当fv＜foE时：

2 近距离通信分析与计算

根据通信距离估算计算最大可用通信频率MUF。最大可用通信频率MUF*0.85得FOT最佳通信频率。然后设利用FOT估算发射虚高h’。根据反射虚高估算链路损耗是否满足要。然后根据车载短波天线的方向特性,把增益最大的方向对着与其通信的短波站台,获取最佳通信效果。

2.1 估算最大可用频率

利用公式(2),根据传输距离和反射层高度,估算发射仰角,然后估算最大可用频率。利用公式(2)对2～11MH频率的日间的临界角计算。根据估算的仰角可以查找到最大可用频率。

频率越高则通信临界角越高。根据临界角和E层与F层的高度,可以粗略估计通信距离。根据经验值,可以先选取E层高100Km,F层高240km。利用简单三角关系估算通信距离。

通信距离越短则要求通信频率越低,只有底频率才能获取小的临界角。由于车载鞭状天线方向图的仰角较低,因此优先选取临界角大的频率3.5MHz,最佳工作频率=0.85*3.5=2.975MHz。

2.2 计算发射虚高和可用通信频率

以给定通信距离为D=150 km,以斜射频率OWF=2.975为参数,可由公式(6)作出一组工fv～h’的传输曲线;而由公式(7)又可以确定fv～h’的E,F层频高图曲线。对于给定的斜射频率,传输曲线与频高图曲线的交点就是从发射点到接收点的可能传播路径和反射虚高。

3 短波盲区通信分析与计算

由于短波盲区通常指30km至100km之间的距离,由临界关系和反射角可知,只要30km能通信时,30km至100km之间就能通信。

可选用的通信频率有两组,分别为2.85～2.87MHz,对应的临界角为5～8.3度;7.6～7.61MHz,对应的临界角为0.04～3.71度。

4 结束语

近距离通信时的反射临界角很小,而反射临界角的随频率增大而增大,因此要实现近距离通信首先要选用低频段频率。对与100km至500km作左右的通信,建议频率选择在3MHz左右。

对于30km～40km的通信,只有F层中有一条传输路径,实际可用频率7.6MHZ。反射角2.94度,反射虚高300km;发射仰角90-2.94=87.06度。

应急通信中,近距离短波通信效果并不理想,驻车时建议更换斜拉天线或双极天线。

[1]李彦丽,短波信道相干带宽的计算．北京:北京大学学报(自然科学版)．

[2]Dennis J．Lusis,短波传播基础．WILJ/DL:2-5

[3]赵九章,高空大气物理学(上册)[M]．北京:科学出版社,1965:150-158．

[4]孔金欧,电磁波理论[M]．北京:电子工业出版社．

黄龙（1973—），男，江苏省南京人，南京莱斯信息技术股份有限公司工程师，主要从事技术总体工作。

王芳（1981—），女，江苏省新沂人，南京莱斯信息技术股份有限公司工程师，主要从事技术总体工作。