海上短波通信链路计算与分析*

叶桂林

(北京圣非凡电子系统技术开发有限公司 北京 102209)

海上短波通信链路计算与分析*

叶桂林

(北京圣非凡电子系统技术开发有限公司 北京 102209)

针对海上实际通信环境,分析了海上短波传播方式及影响短波传输信道特性的参数,结合鞭天线方向图,对近场和远场的地波和天波场强进行了计算和对比分析,并得出结论,为海上短波有效通信提供了理论依据。

海上通信; 鞭天线; 地波; 天波场强

Class Number TN91

1 引言

短波通信通常是指用波长为10m～200m的电磁波进行的无线电通信,也把短波通信称为高频无线电通信。短波通信自问世以来,以其设备简单、成本低廉、架设方便、机动灵活以及面对战争和大型自然灾害时,设备具有较强的抗毁性,无须中继即可进行中远距离通信,特别是中远距离军事通信中、抗震防灾等通信中都发挥了重要的作用[1～2]。

短波传播的基本方式有两种:地波传播和天波传播。地波传播是指电波沿地球表面传播。这种传播方式信号稳定,基本上不受天气条件、昼夜和季节变化影响。但随着电波频率的增高,传播损耗迅速增大。天波传播是指电波由发射天线向高空辐射,经高空电离层反射后到达地面接收点的传播。天波传播优点是传播损耗小,可用较小功率进行远距离通信,但受电离层影响较大, 有较严重的衰落现象[3]。

海上短波通信在特定距离上究竟以哪种方式传播,有待研究。本文就海上实际通信环境, 结合鞭状天线方向图、天线效率、天线增益等,分别计算特定距离上地波和天波场强,进行比较,并将结果进行了分析和讨论,得出有用的结论,其研究结果为海上有效通信提供了理论依据。

2 地波场强计算

地波传播是指电波沿海平面传播,由于地波传播时信号比较稳定,基本上不受气象条件的影响,对其衰减进行预测相对容易。其信道的损耗主要来自两个方面:一是在自由空间传播因扩散而引起的自然衰减,衰减大小与距离和工作频率有关；二是地面对电波的吸收,地面的电气参数包括:电导率、介电常数、地面曲率等对于地波的传播产生比较大的影响,一般来说,导电性能良好的海平面相对于陆地衰减要小,传播距离较远[4]。

在接收点可达到的场强值可按舒-范公式表示[5],如式(1)所示:

(1)

式中,Pr为辐射功率,单位KW；D为传播方向的增益系数,r为收发距离,单位km,A为大地损耗衰减因子。

衰减因子A与工作频率、地表电导率、介电常数等有关,A的计算与传播距离有关,小于临界距离,可忽略地球弯曲对传输的影响,如果收发距离超过了该距离,计算时必须考虑地球弯曲的影响。

临界距离如式(2)所示:

dcr=80f-1/3

(2)

1) 当d

衰减因子常用下列经验公式计算:

(3)

式中,d为有效数值距离,单位km,β为相位常数。

有效数值距离d和相位系数可由式(4)和式(5)计算得到:

(4)

(5)

式中,f为频率,单位MHz,σ为地表电导率,单位S/m,εr为相对介电常数,λ为波长。

2) 当d>dcr时

此时达到接收点的地波是沿着地球弧形表面绕射传播的,必须考虑地球曲率的影响,这种远距离的地波电场强度必须使用绕射公式进行计算:

(6)

参量δ随电波的极化而变,对于垂直极化而言:

(7)

式中,τ0是与参量δ相关的复数,可以通过查两者的关系曲线获得[6]。

根据舒-范公式,对舰艇在海上500km内的地波通信链路进行计算,典型地设置发射机输出功率为1kW,方向系数D取3,海面相对介电常数εr=80,电导率σ=4Ω/m。计算工作频率分别为3MHz、6MHz、9MHz、15MHz时接收点场强与距离的关系,结果如图1所示。

通过图1的计算结果可以看出,地波场强与国际无线电咨询委员会(CCIR)报告海面上地波传播曲线CCIR368-2对比,两者基本符合。地波场强随着距离的增大逐渐减小,频率越高地波场强越小,这是因为趋肤效应的影响,频率大的电磁波在地面感应电流也大,衰减也大。

3 天波场强计算

天波传播是中远短波通信主要的传播方式。影响天波传播的因素很多,主要有发射功率、工作频率、天线增益、传播损耗、时间、地理位置等[7～8]。

根据ITU-RP.533推荐的天波传播场强计算模型,结合实用性的要求,短波天波接收点场强Et可用下式计算[6]:

Et=137.2+20lgf+10lgP+Gt-Lb

(8)

式中,Et为天波传播时接收点信号强度,单位dB(μV/m)；F为工作频率,单位为MHz；P为发射机发射功率,单位kW；Gt为天线增益,单位为dB；Lb为天波传输损耗,单位为dB。

根据传输损耗形成原因,短波天波基本传输损耗Lb表示为

Lb=Lbf+Li+Lg+Yp

(9)

式中,Lbf为自由空间传输的传输损耗,Li为电离层吸收损耗,Lg为地面反射损耗,对于电离层一次反射,没有地面反射损耗；Yp为额外系统损耗[9～10]。

1) 自由空间基本传输损耗

自由空间基本传输损耗是无线电波离开发射天线后因几何扩散而引起的能量损失。天波一跳的传播如图2所示。

若设天线的辐射功率为P,则在有效传播路径r处的功率通量密度为P/4πr2,已知在自由空间各向同性天线接收总面积为λ2/4π(λ为波长),因此接收到的总功率为Pλ2/(4πr)2,则自由空间传播损耗可表示为

(10)

Lbf的计算公式也可以表示为

Lbf(dB)=32.44+20lgf(MHz)+20lg(r)

(11)

式中,f为工作频率,单位为MHz,r为电波传播有效路径,单位为km。

有效路径可根据图2可计算:

(12)

其中,Δ为射线仰角,D为大圆距离,R为地球半径,h′为电离层高度。

2) 电离层吸收损耗

电离层的吸收损耗是无线电传播中的第二大项损耗。电离层的吸收损耗和太阳黑子数、太阳天顶角以及工作频率、辐射仰角有关,计算电离层吸收损耗利用以下半经验公式:

(13)

式中

I=(1+0.0037R12)·(cos0.881χ)1.3

(14)

i100=arcsin(0.985·cosΔ)

(15)

式中,I为吸收系数,R12为太阳黑子数,i100为100km高度处电波入射角,Δ为射线仰角,fH为100km高处磁旋频率。

通常,工程计算采用图表法来计算电离层的吸收损耗,fH与太阳顶角χ可根据反射点纬度和时间等,通过图表计算出,进而可计算出吸收系数I和电离层吸收损耗。

3) 地面反射损耗

地面损耗是电波经由地面反射发生的,电离层一次反射的情况下地面反射损耗为零,海面反射每次反射取1dB。

4) 额外系统损耗

额外系统损耗是指除了上述损耗以外的其他原因造成的损耗总和,包括电离层偏倚吸收、多径效应、偏离大圆电路的传播等引起的损耗,精确计算比较困难。对于包括我国在内的中纬度地区而言,额外系统损耗基本上是本地时间函数,取值在16dB～20dB之间,额外系统损耗取18dB。

4 天线效率与天线增益

4.1 天线效率计算

实际使用过程中,由于天线存在热损耗,而且机壳、地网射频电流的损耗要比理想状态大得多,实际地网上损耗电阻的经验公式为

(16)

式中,B为与地有关的常数,约等于2～7；h为天线高度。

如果仅考虑地损耗,天线的效率如式(17)所示:

(17)

4.2 天线增益计算

在具体的计算中,仰角方向的天线增益Gt为

Gt=ηD

(18)

式中,η为天线效率,D为仰角方向的方向性系数。对于鞭天线来说,其方向性系数D可表示为

(19)

式中,F(θ)为天线垂直方向的方向图函数,Rr为鞭天线的辐射电阻。

(20)

式中,θ为辐射仰角(辐射方向与水平面的夹角),k=2π/λ,l为对称振子臂长,即鞭天线的几何长度。

5 场强计算与分析

5.1 鞭天线方向图

下面结合鞭天线的方向图,对距离发射点一定范围内的地波场强和天波场强进行计算和仿真。

根据式(20)画出鞭天线的方向图如图3所示,其中天线垂直于海平面90°方向放置。

由鞭天线的方向图可以看出,当h/λ<1/2时,随着h/λ的增加,水平面方向的方向系数逐渐变大,h/λ=1/2时,达到最大；当h/λ>1/2时,开始出现旁瓣,当h/λ=3/4时,水平方向处成为旁瓣,而主瓣出现在45°左右；当h/λ=1时,水平方向处辐射为零。而近距离范围内的地波场强取决于水平方向的辐射强度,近距离范围内的天波场强则取决于高仰角方向天线的辐射强度,低仰角方向的辐射强度决定了天波中远距离通信的通信距离。

5.2 场强计算结果分析

按照第2～4节场强的计算过程,分别计算工作频率为3.75MHz、7.5MHz、15MHz下距离发信地点100km、200km、300km、400km、500km、1000km、2000km、3000km、4000km的地波和天波场强并进行对比,其中,发射机输出功率Pr为1kW,海面相对介电常数εr=80,电导率σ=4Ω/m,发射天线选用10m鞭天线,这三种频率下的h/λ分别为1/8、1/4、1/2,计算结果如下:

1) 工作频率3.75MHz下计算出的场强如表1所示。

表1 工作频率3.75MHz下的场强计算结果

对比分析,从计算结果可以看出,由于天线方向增益的影响,场强与距离并不完全呈线性关系；在工作频率为3.75MHz时,在400km以内,电波以地波传播为主,400km以外电波以天波传播为主；同时也可以看出在1000km处的天波场强要比400km以外的地波场强大。

2) 工作频率7.5MHz下计算出的场强如表2所示。

表2 工作频率7.5MHz下的场强计算结果

对比分析:从计算结果可以看出,由于天线方向增益的影响,场强与距离并不完全呈线性关系,在工作频率为9MHz时,350km以内,电波以地波传播为主,350km以外电波以天波传播为主；同时也可以看出在2000km处的天波场强要比400km以外的地波场强大。

3) 工作频率15MHz下计算出的场强如表3所示。

表3 工作频率15MHz下的场强计算结果

对比分析,从计算结果可以看出,由于天线方向增益的影响,场强与距离并不完全呈线性关系,在工作频率为15MHz时,300km以内电波以地波传播为主,300km以外电波以天波传播为主,同时也可以看出在4000km处的天波场强要比300km以外的地波场强大。

6 结语

本文结合鞭天线的方向图,通过对4000km范围内地波和天波场强的计算、比较和分析,可以得出以下结论:

1) 从场强的计算可以看出,近距离范围内,电波传播以地波传播为主,远距离传播,则主要以天波传播为主。

2) 地波场强工作频率越大,地波衰减越快,相应的传播距离越短,因此近距离短波通信应尽量选用低频率进行通信,以保证通信的有效性。

3) 地波和天波场强的大小和天线方向图紧密相关,当沿着地平面方向的波瓣辐射较大时,地波场强较大,低仰角方向天线辐射较强时,天波场强较大,便于进行中远距离通信。可以利用该特性,可以实现特定目的通信,例如,想要通过短波方式实现远程通信,而不被近距离监听时,可控制天线在地平面方向的波瓣辐射最小,同时在低仰角方向,使天线辐射尽可能的大。

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Calculation and Analysis of HF Communication Circuit at Sea

YE Guilin

(Beijing Shengfeifan Electronic System Technology Development Company, Beijing 102209)

Based on the communication environment at sea, the transit methods and parameters which influence transmit characteristic of HF transmission Channel. Combined with the whip antenna power rating, the ground-wave field-strength and the sky-wave field-strength are alculated and compared. The conclusion provides theory evidence to establish available communication at sea effectively.

communication at sea, whip antenna, ground-wave, sky-wave field-strength

2016年10月9日,

2016年11月15日

叶桂林,男,硕士,工程师,研究方向:短波通信技术。

TN91

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.04.014