基于频率和天线选择的水上短波通信应用

陈凌

摘 要：无线通信中，无线信道天然属性具有时变性，频率的偏移以及天线的特性好坏是影响信号在空中发送与接收质量的主要因素，因此，不同环境的无线通信，选择和调制合适的频率对于短波通信信息高质量传输起着关键作用，本文通过广州海岸电台日常水上通信中的短波维护经验，阐述了频率及天线选择对于通信质量提升的关键性和重要性，同时浅谈智能天线和频率自适应技术的前景。

关键词：频率 天线 水上通信

1.引言

无线通信是通过发射天线辐射电磁波，在空气中将通信信息从发送端传送至接收端，过程中，因受天气环境、障碍物遮挡、地理特性等方面的客观因素，无线信号传输质量必然受到不同程度的影响，由于不同的天线和所发射的频率信号的衰减程度不一样，因此，选择合适的频率和天线对于不同环境中的无线信号传输质量起着决定性作用。

特別在水上等长距离通信和安全要求较高的场景下，短波通信具有无可比拟的优势。短波是一种频率为3～30MHz，波长为100m～10m的无线通信技术，具有很强的抗干扰能力，受地形环境影响小，远距离传输能力强、灵活性好、成本低等特点。所以，短波通信能有效应用于如卫星通信、光纤通信等其它通信手段无法高效的应用场景，随着现代短波通信技术的发展，短波通信质量大大提高，越来越受到较多领域的应用。

2.短波通信的基本原理

短波通信需要通过无线电波传播实现，根据电磁波的不同频率特性，在各种媒介质中传播，将信息从一端传递到另一端。在传播方法方面，主要有两种应用方法：地波和天波。

地波由于依赖地面的特性，信号能量容易被地面吸收，衰减严重，适合于近距离传输；

天波是通过天线高空发射电磁波经大气电离层反射产生，适合于远距离传输，但电离层受季节、大气、时间等客观方面的变化而变化，传播稳定性和可靠性需要针对短波频率在电离层的反射规律的掌握进行因时制宜选择频率。

因此，在水上短波通信中，主要选择天波传播作为主要的传输方式。

3.天波高质量传播的关键因素及实际应用

广州海岸电台根据调节天线和频率选择来开展日常的维护工作。

3.1频率选择

随着大气气候或环境、电离层高度等方面的变化， 频率选择成为了关键因素，频率越高，电波无法高效的从电离层反馈地面；频率越低，电离层对信号能量吸收增大，干扰大。因此，对于如何平衡和选择好频率的高低，对于短波通信质量非常关键。

最佳频率应该介入最低可用频率和最高可用频率之间，否则，电波要么无法发射回来，要么被吸收。由于电离层的特征是随时间变化的，有必要根据季节、地区、距离等因素制定特定的最佳频率。频率具有一定的规律性，白天高夜晚低，夏季高冬季低，南方高北方低，远处高近处低。当使用的工作频率不能平滑通信时，频率变化原理如下：增加日出时的频率，降低日落时的频率，增加信号逐渐减弱时的频率，并降低磁暴期间的频率。“时间-频谱”区间如图1所示。

在广州海岸电台的沿海通信中，主要的通信应用部分频率如下：

3.2天线选择

天线是无线通信技术中的发射和接收器，也是一种变换器，将有线传输线上的电波变换为可通过无线传播媒介传播的电磁波，或者相反变换。不同分类的天线依通信距离长短而不同，需要结合传输特性进行选择。天线的选择主要参考以下几个指标衡量：

（1）天线增益：相等的功率条件下，实际天线与理想的辐射模块在同一地点所产生的信号的功率密度之比，模块发送出的总能量越大则模块传输的距离越远。如果通信距离长，发送功率小，高增益天线被选择。

（2）无线极化：是线辐射电磁波矢量空间指向的参数，一般采取垂直极化避免能量的大幅衰减，保证了信号的有效传播与传输距离。

（3）驻波比：表示在天线和无线电波发送站之间的匹配程度，天线的驻波比反映了输出功率和通信距离。

广州通信中心主要天线类型见表1。

4.智能天线和自适应频率技术在未来短波通信中应用前景

当前，广州海岸电台主要采用上述的固定频谱和相应系列天线传统的调节方式，按照季节规律变化经验以及通信距离预测的“时间-频谱”对应表，由人工常态化值班开展对通信质量的维护和管理，当天线发生故障或天气气候变化时，需要人工及时干预，采取对天线和频率进行切换等措施。虽然此方式便于维护人员粗放简单管理，但却过于依赖维护人员经验判断，同时频率与环境的最佳适配变化能力不灵活，当环境恶劣时，无法较好的调节最佳频率保证通信质量。如何解决这一问题，目前已在陆地无线通信技术中成熟的智能天线和频率自适应技术将是未来水上短波通信技术引进的重要方向。

智能天线是一种由天线阵列组成的多天线技术，通过智能的核心算法，结合信号传播的环境，建立当前时间当前地点的最佳定向波束，选择最佳的传播方向并实时跟踪最佳传播方向的变化，频率信号能量更集中，降低了恶劣天气或气候下的电磁干扰风险，从而更容易让远端接收台接收到高质量的信号。

自适应频率的核心体现在自适应，通过某些最优准则自适应算法调节频率参数，从而达到根据环境的变化智能调节所输出的最佳均衡匹配的目的。

相信，智能天线和自适应技术的普遍应用，在大幅增加天线系统更强的抗击服务能力的同时，大大简化甚至不需要分工干预的复杂操作，使得频率的选择更加自动化，传统的维护人员将从机械监控、复杂操作以及日夜颠倒值班的低效工作中解放出来，提升人员短波通信智能化运维和管理能力。

5.总结

频率和天线的选择对于通过天波传播方式的高质量短波通信应用起着至关重要的作用，随着短波通信技术的不断发展，以及社会对水上大气、环境、气候的不断深入认识，频率的选择将更加自适应选择和精细化，天线技术将更加智能化和精度化，短波通信在水上高质量传输将会有更广阔的前景和优势。

参考文献：

[1]庞玉保.天线在短波通信中的应用.科技传播，2019，11（01），103-104.

[2]皮立新.浅谈短波通信方式及改善通信质量的方法.中国新通信，2018，20（11），21.

[3]广州海岸电台机务手册.