海工项目超高频中继系统设计分析

2018-09-12陈萍

船舶标准化工程师 2018年3期

陈萍

（上海中远船务工程有限公司，上海 200231）

0 引言

在日常生活中，伴随着一声声手机铃声，人们可以轻松实现双方的远距离无线通话。但是在船舶和海洋工程平台上，由于各个房间都是被钢质舱壁分隔开，对信号产生屏蔽，在多数地方，日常使用的手机往往接收不到信号。为了让船上工作人员可以在船上的大部分位置接收到无线电信号以实现双方语音通信，可以使用超高频（Ultra High Frequency，UHF）中继系统。

由于 UHF中继系统并不在各船级社的要求范围内，因此该系统需要达到的性能指标完全取决于船东的要求。所以在规划 UHF中继系统的配置方案时，需要充分与船东沟通，以确定基本的参数要求。

1 系统构成

现以某钻井船为研究对象，基本的参数配置要求为：全系统采用数字信号，系统频率为403 MHz～470 MHz，同时使用频道为5个，系统信号强度设计余量为20 dBm。系统的基本框图如图1所示。

图1 系统的基本框图

在图1中，UHF中继器是核心部件，用于处理UHF信号的发射和接收。系统的发射信号强度、接收信号灵敏度、可使用的频率范围等重要参数均取决于该设备的选择。本项目选用的中继器为MOTORALA的某款产品，其输出功率为25 W，接收信号灵敏度为 0.3 μV，频率范围为 403 MHz～470 MHz。为方便后期计算，此处换算成dB表示，换算后该设备的发射功率为43.97 dBm，接收灵敏度为-117.45 dBm。由于该项目要求同时使用的频道数为5个，因此需要配置5个相同的UHF中继器。

在 UHF中继器的发射输出端，使用同轴电缆连接到发射合成器，用于在信号相互隔离的情况下，把所有发射信号合成一个信号。发射合成器的插入损耗为10.7 dB。

在 UHF中继器的接收输入端，使用同轴电缆连接到接收放大器，用于把合成的输入信号分解成不同的独立信号，并分别送入 UHF中继器。接收放大器的增益为20 dB。

使用收发双工器，完成信号收发功能的合成，以便使用全向天线或同轴泄露电缆完成电磁波的空间扩散。收发双工器的插入损耗为2.5 dB。

该项目使用的移动收发装置为手持式无线电收发设备：接收灵敏度为0.25 μV（-119.04 dBm），发射功率为1 W（30 dBm），手持损耗为6 dB。

2 全向天线方案信号强度分析

在该钻井船项目中，内部结构复杂，每层甲板之间全部采用钢质材料分隔，隔离信号作用强。在这种情况下，如果采用单一的全向天线，由于舱室内的信号衰减大，大部分区域的信号强度将无法满足设计要求。因此需要根据不同的舱室结构及使用区域划分成不同的主覆盖区，例如在生活楼每一层布置一个全向天线，每个全向天线最大的覆盖范围为50 m，最终实现整船的信号全覆盖。由于全向天线增多，单一的分支器不能满足信号分支的要求，因此需要根据实际情况，增加若干个分支器，以满足多全向天线的布置要求。该项目选用了4路分支器，每个分支器的插入损耗为6.4 dB。

在船东的基本要求中，系统信号强度设计余量为20 dB。为满足该要求，需要对系统的信号强度进行整体分析。考虑到信号频率越大，路径中衰减越大，因此在分析中采用最大频率470 MHz进行估算。该项目所使用的同轴电缆在频率为470 MHz时的线路损耗为4.85 dB/100 m。

2.1 下行路径信号强度分析

分析UHF中继器的输出信号方向（下行路径）。此时信号源为 UHF中继器，接收源为手持设备。该下行路径中，信号由 UHF中继器发出，经过发射合成器、收发双工器、分支器和同轴电缆到达全向天线，完成电磁波的空间扩散。选取其中某一路径，该路径中分支器数量共为5个，总损耗为32 dB。同轴电缆长度共为200 m，信号损耗为9.7 dB。到达该全向天线的信号强度为 UHF中继器输出功率减去所有路径中的衰减，包括发射合成器、收发双工器和分支器的插入损耗及信号在同轴电缆中的损耗。因此总的信号衰减量为54.9 dB。由此可知该全向天线的输入信号强度为-10.93 dBm。

考虑到此处为全向天线向空间辐射能量，因此在分析接收设备的信号强度时需要考虑电磁波的多径损耗、自由空间损耗和接收机的手持损耗。

在船舶环境中，电磁波通常会有多种反射，因此接收机必须能够承受多径环境，此时接收机的多径损耗主要有瑞利衰减和莱斯衰减。根据经验，总衰减值通常取10 dB。

根据电磁波在自由空间的损耗计算方法[1]为

式中：FSL为自由空间的电磁波损耗，dB；D为接收点距离发射点路径长度，km；F为电磁波频率，MHz。

该全向天线需要覆盖范围为50 m，因此自由空间的损耗为59.82 dB。

根据以上分析，手持接收设备可接收到的信号强度为-86.75 dBm。考虑到手持接收设备的灵敏度为-119.04 dBm，由此该全向天线信号强度的设计余量为32.29 dB，大于要求的20 dB，对于下行路径，该设计满足要求。

2.2 上行路径信号强度分析

需要分析 UHF中继器的输入信号方向（上行路径），此时信号源为手持设备，接收源为UHF中继器。该上行路径中，信号由手持设备发出，经过手持损耗，自由空间衰减，多径衰减到达全向天线，经同轴电缆及分支器、收发双工器、接收放大器到达接收设备UHF中继器[2]。

上行方向的自由空间损耗与下行方向相同，同为59.82 dB，多径损耗为10 dB，发射设备的手持损耗为6 dB。因此，全向天线接收到的信号强度为-45.82 dBm。

上行路径中的同轴电缆、分支器及收发双工器的损耗与上述下行路径也相同。上行路径中需要经过接收放大器，其增益为20 dB。因此信号在该段线路上的损耗为32.4 dB。接收器接收到的信号功率为-78.22 dBm，由此该全向天线的上行信号强度余量为39.23 dB，大于要求的20 dB，对于上行路径，该设计也满足要求。

2.3 小结

经过以上的双向分析，可以得出该全向天线的整体路径设计，包括设备选择和电缆走向等都是可以接受的。

3 同轴泄露电缆方案信号强度分析

该钻井船船长为200 m，由船首到船尾有2个宽超过1 m、长超过150 m的通道，在如此狭长的通道内，全向天线无法很好地实现电磁波的无死角覆盖，所以此处采用了泄露同轴电缆来实现电磁波的空间扩散[3]。

泄露同轴电缆的结构与普通的同轴电缆基本一致，由内导体、绝缘介质和开有周期性槽子的外导体3部分组成。电磁波在泄露电缆中纵向传输的同时通过槽孔向外界辐射电磁波，外界的电磁场也可以通过槽孔感应到泄露电缆内部并传送到接收端。可以说，泄露同轴电缆兼具有传送线和收、发全向天线的功能。图2和图3体现了这一特质。

图2 泄露电缆的典型结构图

图3 泄露电缆中信号传输方式示意图

本项目选用的泄露同轴电缆的在频率为470 MHz时AC 95%的耦合损耗为84 dB，线路损耗为4.55 dB/100 m。下文以某一泄露同轴电缆路径为例，分析这种情况下的信号强度情况。该路径中分支器数量共为4个，总损耗为25.6 dB。同轴电缆长度共为100 m，信号损耗为4.85 dB。泄露同轴电缆长度为150 m，信号衰减为6.83 dB。

3.1 下行路径信号强度分析

参照上文第2节全向天线的分析计算过程。首先分析UHF中继器的输出信号方向（下行路径）。在下行路径中，信号由 UHF中继器发出，经过发射合成器、收发双工器、分支器和同轴电缆达到泄露同轴电缆，完成电磁波的空间扩散。经过泄露同轴电缆的耦合损耗及接收设备的手持损耗到达接收端手持电设备。先计算线路和设备的衰减，包括发射合成器、收发双工器和分支器的插入损耗及信号在同轴电缆中和同轴泄露电缆中损耗，总损耗为50.48 dB。因此该同轴泄露电缆最远端的输入信号强度为-6.51 dBm。手持设备接收端接收到的信号强度用以上的输入信号减去泄露同轴电缆的耦合损耗及手持损耗后得到-96.51 dBm。由此该泄露同轴电缆在下行路径的信号强度设计余量为22.53 dB，大于要求的20 dB，对于下行路径，该设计满足要求。

3.2 上行路径信号强度分析

同理，需要分析 UHF中继器的输入信号方向（上行路径），此时信号源为手持设备，接收源为UHF中继器。在上行路径中，信号由手持设备发出，经过手持损耗、泄露同轴电缆的耦合损耗、经泄露同轴电缆、同轴电缆及设备分支器、收发双工器、接收放大器到达接收设备UHF中继器。

上行方向的泄露同轴电缆的耦合损耗与下行方向相同，同为84 dB。因此，泄露同轴电缆收到的信号强度为-60 dBm。泄露同轴电缆、同轴电缆、分支器及收发双工器的损耗与上述下行路径也相同。上行路径中需要经过接收放大器，其增益为20 dB。因此该信号在该段线路上的损耗为27.98 dB。接收器接收到的信号强度为-87.98 dBm。由此该泄露同轴电缆在上行路径的信号强度设计余量为29.47 dB，大于要求的20 dB，对于上行路径，该设计也满足要求。

3.3 小结

经过以上的双向分析，可以得出该泄露同轴电缆的整体路径设计，包括设备选择和电缆走向等也可以被接受。

4 特殊情况方案

如果在实际设计的过程中，使用了较多的分支器，或电缆走向过长，或设备选择不合理，都将导致信号强度不能满足相关要求，可以在路径的适当位置增加信号功率放大器，以提升整体路径的信号强度。在选择功率放大器时需要注意放大器适用的频率范围，上下行增益情况及可耐受的最大输入功率。若信号达到放大器时信号强度大于该放大器可接受的范围，则需要在放大器前段增加适当的衰减单元。