基于双天线数传超短波电台的设计与实现*

张丙飞，赵海波，成建波

（中国人民解放军92728部队，上海 200436）

0 引 言

某型机的超短波电台在数传通信时，飞机平飞时工作正常，数据传输连续，但飞机转弯机动时，数据通信质量下降，误码率较高，影响通信的使用。究其原因，主要在于飞机的超短波电台只有一个天线，安装在飞机的腹部，飞机转弯时受转弯坡度的影响，造成机身和机翼遮挡，致使数传通信质量下降。

考虑到飞机转弯时机身和机翼的遮挡部位或者在机背或者在机腹，总有一个位置不被遮挡，本文在传统超短波电台中设置两个接收解调单元，通过比较接收信道信号质量，选择发射天线发射的方法，设计并实现了双天线超短波电台。天线安装采用机背和机腹的布局方式，解决了飞机转弯数据通信质量降低的问题。

1 理论分析

对飞机机腹安装天线的方向图进行仿真[1-2]，结果如图1所示。

可以看出，天线位于飞机机腹正下方，机身上方属于天线辐射盲区，天线在机身正上方辐射的强度比下方弱10 dB以上，即飞机如果与地面通信距离能达到200 km，那么与其正上方的飞机通信距离只能达到50 km左右。可见，机身遮挡对天线辐射方向造成了很大影响。

图1 飞机机腹安装天线的方向图仿真结果

2 设计与实现

2.1 工作原理

由于双天线同时发射会存在多径干扰问题[3-5],电台在同一时刻只能选择一个天线进行发射。因此，双天线超短波电台具有一个发射信道和两个独立的接收信道。两个接收信道同时接收，比较信道质量，采信质量较好的信道，并选择相应信道的天线发射。电台的原理框图如图2所示。

图2 电台原理

上天线和下天线同时接收到射频信号后，通过两个接收信道下变频后输出两路中频信号。中频数字化单元对两路中频同时进行解调，通过信噪比判别两天线接收信号的强弱，将信噪比高的一路解调数据通过接口单元送至外部设备，并将判决结果上报控制单元。控制单元通过判决结果自动选择接收信号强度较好的一个天线进行发射。

2.2 发射天线选择机制

工程实际应用中，信息传输使用模拟和数字两种方式，因此信道接收信号质量的判决也比较复杂，主要通过信道接收信号能量、信道同步和数据同步头对比来判断。

2.2.1 模拟方式

模拟方式时，电台解调出的是音频信号，并通过音频接口送至外部设备。电台需要将音频信号实时传送至外部设备。外部设备发射信号由音频调制载波信号、同步帧头和应用数据组成。音频调制载波信号为初同步信息，部分利用不影响外部设备正常解调，故电台可使用部分时间完成信道能量检测、音频信号相关解调及判断和音频通路切换。判断流程如图3所示。

图3 模拟方式下信道判断流程

逻辑判断机制：当两通路相关解调结果不同时，选择解调音频质量好的一路；当两通路相关解调结果相同时，如果两个信道的能量相差α dB以内（α为常数，依实际而定），则默认为下天线信道接收和发射；如果两个信道的能量相差α dB以上，则选择信号能量好的信道进行接收和发射。

2.2.2 数字方式

数字方式下，采用能量检测和同步头对比检测相结合的方法。接收机变频产生中频信号后，同时检测出中频信号能量，将中频能量检测信息和中频送至中频数字化。中频数字化首先进行信道同步，同步正常后对中频进行解调，解调出数据报头，将该数据报头与已知报头数据进行比较，计算出误码率后进行逻辑处理，并进行判断将较好的一路信号送至外部设备。数字方式下信道接收信号质量判断流程如图4所示。

3 试飞与验证

采用上述原理试制双天线超短波电台，并安装于飞机后开展试飞验证工作。飞机的试飞航路设计为“8”字形，较利于测试飞机在转弯情况下的数据传输情况。配试平台同为飞机，安装了常规的单天线电台。试验分两次开展：第一次双天线超短波电台工作于单天线模式，仅使用下天线收发，复现转弯通信质量下降的状态；第二次双天线超短波电台工作于双天线模式，使用上下天线收发，检验效果。两次试验，被测飞机基本位于同一空域采用“8”字形航路飞行，配试飞机位于其一定距离处小范围巡航。试验中两机所处的位置如图5所示，其中，图5（a）为第一次试验，图5（b）为第二次试验，图5（c）和图5（d）分别为图5（a）图和图5（b）图线框标注部分的放大显示。

第一次试验时，被测飞机的起点为B1133点，结束点位E1152点。在被测飞机从位于1138点、1146点、1152点时开始，大约有1分30秒左右的通信中断，此时配试飞机分别位于F1138点、F1146点、F1152点。

第二次试验时，被测飞机的起点为B1121点，结束点位E1132点。被测飞机从位于1124点、1127点、1129点时，配试飞机分别位于F1124点、F1127点、F1129点。被测飞机开始时使用下天线，至1124点时飞机右侧转弯，使下天线遮挡严重，首次出现数据丢失，切换至上天线后通信正常；至1127点时，为背离配试飞机飞行，上天线遮挡严重，第二次出现数据丢失，切换至下天线后通信正常；至1129点通信正常，但在该点前后各有30 s左右的通信中断，分析可能是通信距离较远所致。

通过比较两次试验可以得出，双天线超短波电台可明显改善飞机转弯机动时的通信质量。

图4 数字方式下信道接收信号质量判断流程

图5 两次试飞情况

4 结 语

本文仿真分析了传统的天线机腹安装方式在大机动转弯时被遮挡并造成通信质量下降的原因，提出了双天线接收、优选单天线发射的双天线电台设计思路，并给出了发射天线的选择机制。通过试制和装机试飞表明：双天线超短波电台可有效解决飞机转弯角度较大时造成数据通信断续的问题，效果良好。需指出，在进行多通信单元广播通信时，本文提出的方法不能解决背离发射天线一侧通信单元的接收问题，但可以通过增加发送控制逻辑，采用分时发送方法解决，且提出的设计实现方法具有成本低、兼容原有通信体制等特点，应用价值较高。

[1] 张安旭,张智军.机载天线的方向图分析[J].空军工程大学学报(自然科学版),2006,7(06):19-21.ZHANG An-xu,ZHANG Zhi-ZHANG An-xu,ZHANG Zhi-jun.Analysis of Directional Patterns of Airborne Antennas[J].Journal of Air Force Engineering University(Natural Science Edition),2006,7(06):19-21.

[2] 魏亮,王涛涛,李峰.飞机超短波天线合理布局仿真计算[J].现代电子技术,2012,35(13):95-97.WEI Liang,WANG Tao-tao,LI Feng.Simulation and Calculation of the Rational Layout of an Aircraft Ultra Short Wave Antenna[J].Modern Electronic Technology,2012,35(13):95-97.

[3] 赵勋旺,梁昌洪,张玉.机载多天线系统电磁兼容性研究[C].计算物理,2008,25(05):596-601.ZHAO Xun-wang,LI Chang-hong,ZHANG Yu.Study on EMC of Airborne Multi Antenna Aystem[C].Computational Physics,2008,25(05):596-601.

[4] 王元坤,李玉权.线天线的宽频带技术[M].西安:西安电子科技大学出版社,1995.WANG Yuan-kun,LI Yu-quan.Wide Band Technique for Wire Antenna[M].Xi'an:Publication of Xi'an Electronic and Science University,1995.

[5] 黄迎春,张涛,张福顺.高增益宽带圆极化微带天线阵研究[J].现代电子技术,2009,32(07):22-24.HUANG Ying-chun,ZHANG Tao,ZHANG Fu-shun.Study on High Gain Wide-band Circular Polarized Microstrip Antenna Array[J].Modern Electronic Technology,2009,32(07):22-24.