天线对短波选频的影响分析

彭爱华

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

天线对短波选频的影响分析

彭爱华

（中国电子科技集团公司第七研究所，广东 广州 510310）

频率选择问题是制约短波通信质量的重要因素。理论分析了天线对短波通信质量的影响，提出了短波选频时考虑天线因素的方法，并通过仿真分析验证了天线对短波通信质量的影响，这对提升短波选频的有效性具有一定的指导作用。

短波频率选择 短波通信质量 天线 自适应通信选频

1 引言

短波通信以其通信距离远、抗毁能力强等特点，在我国应急抢险、远洋护航、岛屿侦查等军事行动中发挥着重要作用。短波通信主要是依靠电离层反射进行的，而电离层的变化与太阳活动有关，且随纬度、经度、频率、昼夜、季节、年而变化。在短波通信中，发射端发射电波，经电离层反射后被接收端接收[1]。当频率高到一定程度时，短波电波会穿透电离层，不再返回地面，这个临界频率称为最高可用频率。电波在被电离层反射的同时也会被电离层吸收，当频率低到一定程度时，电波的能量全部被吸收，接收端不能收到信号，这个频率称为最低可用频率。只有最低可用频率和最高可用频率之间的频率才能进行通信，因此频率选择问题一直是制约短波通信质量的重要因素。目前大部分短波频率管理系统的选频策略主要考虑了电离层和环境噪声的影响，而忽略了短波天线的影响[2-5]。本文从理论上分析了天线对短波通信质量的影响，并通过建模仿真，验证了短波天线对短波频率选择的影响。

2 短波频率选择方法现状

2.1 长期频率预测

短波通信是依靠电离层反射进行的。电离层的变化与太阳活动相关，可以通过太阳活动变化的规律来预测短波通信频率。国际电联ITU-R P533建议书中给出了预测最高可用频率和短波传播损耗的计算模型，通过给定的太阳黑子数、季度和时间，就可以得到通信链路的最高可用频率。

但这个计算得到的最高可用频率是基于太阳黑子数月中值条件下的频率[6]，与实际通信链路的最高可用频率有较大误差。因此长期频率预测只能粗略估计可通信频段窗口。

2.2 实时频率预测

实时选频预测是指利用独立的信道探测系统对电离层进行探测，测量和分析电离层各种参数，再结合本地监测数据进行分析和计算，可得到通信链路的最佳频率。美国研制的CURTS系统，加拿大研制的CHEC系统和美国Barry公司开发出的宽带Chirp系统等均使用了实时频率预测技术[7]。

实时探测系统通过探测可以实时地掌握整个短波频段的信道情况，可以直接为指定的通信链路选择最优的通信频率。但是由于实时探测系统与通信系统采用的收发天馈线系统和技术体制存在差异，会导致实时探测的最佳频率不一定是通信的最佳频率。

2.3 自适应通信选频

随着技术的不断发展，上世纪80年代，出现了自适应通信选频技术[8]。自适应通信选频系统将选频和通信融为一体，通信系统在通信前或通信间隙中，在通信双方预先指定的约定频率上进行双向探测，并对探测结果进行评估，进而优选当前最佳通信频率，这种技术称为链路质量分析（LQA）。美国研制的ALQA系统、RF-100系列，德国研制的CHX200、ARCOTEL系统、HF-850系统等均属于自适应通信选频系统[9]。

由于自适应选频系统需预先指定约定频率且个数有限，因此当约定频率失效时，通信双方将无法进行沟通。将自适应通信系统与专用实时选频系统结合起来是未来的发展方向。

3 短波通信质量的影响因素

短波通信模型如图1所示：

图1 短波通信模型

其中Pt表示发射功率。Gt、Gr分别表示发射、接收天线的增益。Loss表示电波传播损耗，是指电波进入电离层信道后，在传输中的能量损耗。N表示侵入短波信道的各种外部噪声，包括大气噪声、人为噪声和电台干扰。

根据短波通信模型，接收端信噪比计算公式如式（1）所示：

由短波通信接收端信噪比计算公式可知，短波通信质量除了与发射功率、电波传播损耗和噪声有关外，还与收发天线增益相关，收发天线增益越大，通信信噪比越高。

4 天线对短波频率选择的影响

天线的增益是指在同一距离及相同输入功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax和理想无方向性天线的辐射功率密度S0之比[10]，具体如式（2）所示：

其中Pin、Pin0分别为实际天线和理想无方向性天线的输入功率。

天线效率定义为天线辐射功率Pr与输入功率Pin之比[10]，具体如式（3）所示：

天线辐射功率Pr为电偶极子向自由空间辐射的总功率[10]，具体如式（4）所示：

其中l为电基本振子的长度，λ为波长，I为振子沿线的电流。

在考虑天线效率的情况下，式（2）可变换为：

天线的方向系数是指在同一距离及相同辐射功率的条件下，某天线在最大辐射方向上的辐射功率密度Smax和无方向性天线的辐射功率密度S0之比[10]，用公式（6）表示如下：

其中，θ为子午角，φ为方位角。

将式（3）、式（4）、 式（6）代入式（5），可得：

由式（7）可知，天线的增益系数与天线仰角、方位角和频率相关。不同的通信链路，天线的仰角和方位角不同，天线的增益也会不同，这会影响通信质量。相同的通信链路，选择的频率不同，天线的增益也会不同，同样会影响通信质量。因此， 短波选频时需综合考虑通信链路位置和天线架设的情况。

实际使用的天线比电基本振子复杂得多，天线的增益与天线尺寸、架设的地理环境等均相关。在短波选频时考虑天线因素的影响可采用以下几步：

第1步，获取方向图：根据天线实际架设条件，采用大型天线仿真工具，得到不同频率的方向图。

第2步，存储天线方向图：采用三维数组的方式，存储频率、E面、H面3种不同维度对应的增益。

第3步，天线方向图的使用：计算信噪比时根据通信链路收发仰角、方位角、频率参数，在三维数组中查找相应的增益。

第4步，选频优选：根据长期预测和实时探测手段得到通信链路的可通频段，在可通频段内根据信噪比大小进行排序，选择信噪比高的频率作为通信频率。

5 仿真结果与分析

采用HFSS天线仿真工具对短波通信常用的宽带三线天线和宽带倒V天线进行仿真，并计算在不同仰角、方向角下通信链路的信噪比。

图2给出了宽带三线天线和宽带倒V天线在20MHz、10MHz时的方向图。从图2可以看出，不同天线之间存在很大差异，同一天线不同频率的差异也非常显著。

图2 宽带三线天线和宽带倒V天线仿真结果

图3 以宽带三线天线为例，展示了考虑天线和不考虑天线情况下链路接收点信号强度。从图3可以看出，不考虑天线时，可通段内信号能量随频率变化比较稳定；考虑天线时，信号能量与频率、天线角度有很大关系，并不是可通段内所有的频率都能进行通信。因此短波通信的频率选择，必须考虑天线的影响。

图3 考虑天线和不考虑天线情况下接收点信号强度

6 结束语

本文通过理论分析和建模仿真，分析了短波天线对短波通信质量的影响，给出了短波选频时考虑天线因素的方法。仿真结果表明，不同类型的天线，天线方向图差异很大；通信链路信号强度不仅与频率相关，而且与天线角度也有很大关系。因此在短波通信频率选择时，需考虑天线因素的影响。

[1] 沈琪琪,朱德生. 短波通信[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1997: 231-236.

[2] 杨青彬,余毅敏,郭马坤,等. 大区域网络化应急短波通信中的频率管理方法[J]. 电讯技术, 2013(4): 470-475.

[3] 丛蓉,孙建平,李凯. 频率管理系统在短波通信中的应用[J]. 系统工程与电子技术, 2003(10): 1236-1238.

[4] 杨青彬,余毅敏,余奇,等. 基于ITS软件的短波频率管理系统设计[J]. 电讯科技, 2013(3): 249-253.

[5] 王林志,谢绍斌. 基于ITS的短波链路频率指配与电磁计算[J]. 空军工程大学学报（自然科学版）, 2006(3): 77-81.

[6] 李晓陆. Chirp探测技术及其在短波通信中的应用[J]. 舰船电子工程, 2005(3): 96-100.

[7] 王岩松,姜虹. 浅析短波通信的发展现状与趋势[J]. 中国无线电, 2007(7): 23-24.

[8] 沈建峰. 短波频率自适应通信的发展及信号监测[J]. 中国无线电, 2006(11): 42-46.

[9] 王骐. 短波频率管理系统应用研究[J]. 中国新通信, 2013(10): 59-60.

[10] 宋铮,张建华,黄治. 天线与电波传播[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2011: 1-15.★

彭爱华：工程师，硕士毕业于武汉大学，现任职于中国电子科技集团公司第七研究所，主要研究方向为短波频谱管理。

于力鹏：硕士研究生就读于宁波大学计算机应用技术专业，研究方向为虚拟现实、图形图像。

陆涛：硕士研究生就读于宁波大学计算机应用技术专业，研究方向为虚拟现实。

李木军：硕士研究生就读于宁波大学计算机应用技术专业，研究方向为计算机图形学。

Analysis on Impact of Antenna on HF Frequency Selection

PENG Ai-hua

(China Electronics Technology Group Corporation No.7 Research Institute, Guangzhou 510310, China)

Frequency selection is an important factor to infl uence HF communication quality. The impact of antenna on HF communication quality was theoretically analyzed and HF frequency selection method with antenna factor was presented. Simulation results show that the impact of antenna on HF communication quality was verifi ed. It has an instructive signifi cance to enhance the effectiveness of HF frequency selection.

HF frequency selection HF communication quality antenna adaptive communication frequency selection

10.3969/j.issn.1006-1010.2015.14.019

TN929

A

1006-1010(2015)14-0093-04

彭爱华. 天线对短波选频的影响分析[J]. 移动通信, 2015,39(14): 93-96.

2015-03-31

责任编辑：刘妙 liumiao@mbcom.cn