民航空管甚高频收发天线间距浅析

杨奕堂

摘要：通过推导VHF收发天线的距离计算，浅析了在建设VHF站点时收发天线距离需要考虑的相关因素，得出正常情况下天线的距离要求，并结合工程实践探讨了双腔滤波器串接时天线间的距离，得出发射功率、灵敏度与距离之间的关系。

关键词：甚高频;空管;天线距离

中图分类号：V355.1

文献标识码：A

文章编号：1672 - 9129（ 2018） 12 - 0124 - 02

1 引言

在民航空管甚高频（ VHF）共用天线设计中，如若发射和接收天线距离过近并且频率间隔太小，连续相位噪声以及杂散干扰将会成为新的噪声输入，这将使得系统输出信噪比不断恶化，接收机的灵敏度大大降低，业界将其称为发射机边带噪声干扰。此类干扰将直接影响到VHF甚高频天线前期的部署（间距的确定），因此是空管VHF技术保障必须研究的关键问题之一。

2 相关理论

是否损失3dB信噪比可以衡量VHF系统是否存在固有噪声以外的干扰，而在实际工作中，对于接收机而言损失3dB信噪比没法真正辨别，只有损失超过3dB且输出信号质量降低系统才能够察觉到，相关文献将3dB作为考量收发天线间距的重要参数。在实际工作中，收发天线应当满足接收机信噪比损失小于3dB。当发射机边带噪声功率等于输入端的内部噪声功率时，系统输出的信噪比损失为3dB。定义发射机天线增益为Gi，接收机天线增益为Cr，根据自由空间传输理论有：Lf=/GiGr（1）

Ni为发射机到接收天线的边带噪声功率，由式（1）、（2），当边带噪声功率等于输入端的内部噪声功率时，系统输出的信噪比损失为3dB，可以得出：Lf（ dB）= Ni（dB） - Nin（dB） （2）

其中Nin为输入端的内部噪声功率。因此，问题的讨论可以转换为发射机边带功率噪声Ni和输入端的内部噪声功率Nin。相关文献指出可以通过（3）计算：

2010gR= Lf（dB） - 32.44 - 2010gf+Gi（dB）+ Gr（dB） （3）

2.1 发射机边带噪声。发射机的边带噪声表现为载波频谱中心频率两边的连续噪声，以PAE为例50W的发射机测试载波f>f0（f0为中心频率）部分可以看出，在该范围内存在连续的相位噪声和离散频谱。并且△f=f-f0≤500kHz内的频谱幅度都在- 60dBm以上，这在一定的距离条件下对于相邻接收机可以造成干扰。假设载波功率为P则其边带功率为：

Pw= Pm2/4 （4）

（其中m为调制度）。考虑△f= 200 kHz.根据实际一个测试案例，边带功率大约为- 45 dBm，载波功率为3.16 x10 -8m2/4，m取经验值0.3，则根据式（4）得出Pw为7.11 xl0 -10（W）。

民航空管的VHF信号需要通过腔体滤波器、馈线再发送到天线。实际测量中相位噪声及离散干扰信号边带对于发射机载波功率的功率谱密度为S（△f），取其为S（ 200 kHz）。根据相关文件参数可以查出参考值为lOlogS（200kHz）=- 142dBc/Hz，腔体滤波器损耗以德国KATHAEIN公司生产K6421351型滤波器为例，通常f0+200kHz处损耗为14dB。馈线损耗则与实际馈线的长度和直径有关（此处还需考虑隔离器、合路器等其他器件在内的损耗）。

根据（4）和实际情况，有：

Ni= 101（lgP +lOlogS（ △f）+ 10logBn - 10logLFT（5）

其中Bn为边带带宽，对于音频信号Bn通常取3100Hz（ 3400 - 300=3100Hz）.LFT为馈线损耗和滤波损耗之和，经验值取5dB。

2.2接收机内部噪声。同理接收机的内部噪声Nin为：

Nin= 10log（ LFRNF2 Ni）=LFR（ dB）+ NF2（dB）+Ni（dB） （6）

其中LFR为接收机的馈线损耗和滤波损耗，取5dB。NF2为噪声系数，将接收机当为线性无源四端网络，根据无源四端网络噪声系数等于网络的传输损耗可以得出NFl= LFFR。NF1为馈线/腔体滤波器部分噪声系数，通过NF1可以进一步求出NF2，相关推导篇幅所限不赘述。

3 收發天线的距离探讨

根据上述理论推导，结合实际案例可以得出发射功率为50W的甚高频收发天线组的接收机内部噪声为Nin= - 154dB，发射机边带噪声为Ni= - llOdB，将其代入（2）得到Lf（dB）= Ni（ dB） - Nin（dB） =44dB。根据式（3）可以得出logR=0.578 - logf+Gi（dB）/20+ Gr（dB ）/20。对于确定的Gi（dB）和Gr（dB）发射频率f越大距离R越小，因此在规定的工作频率范围内取下限频率时天线的距离最大。而在民航空管VHF中，频率范围为118MHz - 137MHz，因此，此处只需要考虑118MHz的发射频率下的天线距离R即可得出其应保持的最小距离。根据相关资料，在用的甚高频收发天线为半波天线，增益系数为1.6，将其代人式（4）可以计算得出R =51m。

实际工作中，一个站点部署多个频点是工作需要，要保持50m左右的距离显然有点难度。从上述的推导中可以看出，缩短R的唯一办法是缩短传输损耗Lf，而在限制馈线长度的条件下，增加腔体滤波器成为了解决问题的最终选择，最为常见的办法就是通过腔体滤波器串接。

将接收机和发射机分别串接两个腔体滤波器，天线距离R可以缩小到8m。这种串接一方面可以缩短天线距离为工程建设提供便利另一方面也可以抑制类似交调、互调等干扰。

然而，腔体滤波器的串接并不是越多越好，实验表明，两个串接的腔体滤波器实现的噪声系数是单腔体滤波器的1.56倍，根据噪声系数的定义，在输入信噪比一定的情况下，噪声系数的增大将是信噪比的降低，进而导致接收机灵敏度的降低。三个以上的腔体滤波器串接将会导致这种情况的继续恶化。这也说明，缩短收发天线间距是以牺牲发射功率和接收灵敏度为代价的，在VHF站点建设中，并不能一味追求天线距离的紧凑，应当综合考虑发射功率、接收灵敏度的相关设置。

4 结束语

本文从实际工作出发，浅析了与VHF天线收发距离有关的相关原理并推导相关的计算公式，最终通过工程实践计算出相关数值，并提出了双腔体滤波器串接的方法对天线建设的作用以及天线建设距离的设置需要考虑的相关因素，为相关研究抛砖引玉。