天线布局对火炮通信距离的影响研究

潘强，王琨，刘畅，张鹏，孟祥欣

(西北机电工程研究所，陕西 咸阳 712099)

无线通信的传输距离是武器系统信息传输能力的基础性能指标之一。在火炮通信系统中，超短波电台使用全向的鞭状天线向外界环境发射电磁波[1]，因此无线通信距离必定受外界地理环境和电磁环境的影响。同时，炮塔空间有限、设备众多，超短波电台安装在炮塔内部，也会受装备内部电磁环境、天线安装结构与高度、发射机功率、天馈线系统增益等多种因素影响[2]。有关武器装备通信距离的问题国内外已有许多研究，主要都建立在天线已完成布局的基础上，缺少对火炮天线布局与通信距离关系的讨论分析。

笔者针对某炮塔上天线布局情况[3]，建立了通信天线模型，进行电磁仿真分析，着重分析了不同天线布局的情况，探究了天线安装倾角、遮挡与高度对接收功率的影响，提出天线最佳布局，为火炮通信天线的实际设计安装提供依据[4]。

1 概述

天线的工作过程是发射机产生的高频振荡能量，经过发射天线变为电磁波能量，并向预定方向辐射，通过媒质传播到达接收天线。接收天线将接收到的电磁波能量变为高频振荡能量送入接收机，完成无线电波传输的全过程。全向天线是在水平面内基本上具有无方向的辐射特性，而在垂直面内则具有定向辐射特性的天线。在水平方向图中，最大电平与最小电平的差应不超过3 dB[5]，如图1所示。

火炮使用的超短波电台天线是全向天线[6]，由2～3个辐射器组成，通过2～3个辐射器形成合路，对外辐射电磁波。为了满足通信距离的技术要求，超短波天线不能布局在底盘上，必须布局在炮塔上。为了满足行军工作状态的要求，天线必须采取拉绳固定，拉绳固定必然会导致天线的倾斜。某火炮按照功能的需要，炮塔配备了雷达、发射装置、光电等设备，那么其天线布局易受到炮塔上雷达和炮管的旋转、发射装置的升降、光电等其他设备遮挡的影响。为尽量减小遮挡物对天线的影响，以保证天线在装备上能够满足电性能指标的要求，因此，在空间有限的炮塔上要尽可能地增大天线与其他设备间的距离。据此，初步设计了多种天线倾斜布局和遮挡布局的方案，并在CST中建立天线模型。通过对多种布局方案下的天线接收功率进行仿真，预测倾斜和遮挡对天线接收的影响程度，实现炮塔通信天线布局的优化。

2 不同天线高度仿真对比

无线通信[7]距离主要取决于超短波电台天线的接收效率，通常可使用接收信号的功率进行评价，天线的架设高度对超短波电台天线的接收功率具有很大的影响。由于超短波沿地面传输时衰减较快，绕射障碍物的能力较弱，因此超短波通信通常是视距通信。而在电磁波传播传播模型中，Egli模型适用外场试验环境中地势起伏较小的视距通信场景，且工作频率属于VHF和UHF低段。Egli模型只涉及电台工作频率、收发天线安装高度，符合武器系统进行无线数据传输成功率试验的情况[8]。

2.1 Egli电磁波传播模型

Egli电磁波传播模型是一种简化的无线电磁波传播模型，适合于地势起伏较小的外场环境，是基于实测数据得出的，其电磁波传播损耗为

EEgli=88+20lgf+40lgd-20lght-20lghr-Kh，

(1)

式中：EEgli为电磁波传播损耗(dB)；f为电磁波频率(MHz)；d为传播距离(km)；hr和ht分别为收、发天线的高度(m)；Kh为地形校正因子(dB)[9]。

根据Egli电磁波传播模型的电磁波传输损耗，综合考虑发射与接收天线的损耗，超短波电台馈线的损耗，得出接收天线的信号功率：

Pr=Pt+Gt-Lt-Lm+Gr-Lr,

(2)

式中：Pr为接收天线接收到有用信号功率(dBm)；Pt为发射天线的发射功率(dBm)；Gt为发射天线增益(dB)；Lt为发射天线的馈线损耗(dB)；Lm为电磁波传播损耗(dB)；Gr为接收天线增益(dB)；Lr为接收天线的馈线损耗(dB)[10]。

2.2 仿真分析

超短波工作频率在30～90 MHz，天线采用AT-8036型3 m中馈鞭天线，是一种全向天线。为了实现远距离通信，超短波电台的功率采用大功率发射为50 W，则Pt=47 dBm。当测试点周围地形起伏的高度不大于15 m时，地形校正因子Kh可以忽略不计，理论计算中取Kh=0。AT-8036型3 m中馈鞭天线增益为-6～1 dB，取均值，则Gt=Gr=-3 dB。馈线、接插件、避雷器件损耗为1 dB，取Lt=Lr=1 dB。任意取4个频率：f1=30.025 MHz，f2=50.975 MHz，f3=70.025 MHz，f4=87.925 MHz。电台背景噪声为-100 dBm，接收天线接收到的信号功率高于背景噪声3 dB以上可正常检测解码，因此，将分析在接收功率高于-97 dBm时的传播距离。

发射端与接收端天线高度采用某炮车天线底座加3 m中馈鞭天线一半进行计算，天线底座距离地面1.5 m，则ht=hr=1.5+1.5=3 m。对传播距离0～16 km进行仿真，仿真软件使用MATLAB软件，接收端收到有用信号功率的结果如图2所示。

根据图2中曲线的规律可知，随着传播距离的增大，接收功率逐渐下降。接收功率下降至-97 dBm时，4个频率点的传播距离d分别是8.677，6.660，5.682，5.069 km。在传播距离为d=8 km时，4个频率点的接收功率分别是-95.588，-100.186，-102.944，-104.926 dBm。也就是说，当发射天线与接收天线高3 m时，只有低频段通信能力可以达到8 km。

将发射端与接收端天线底座架高至1 m，则ht=hr=1.5+1+1.5=4 m，仿真结果如图3所示。

将发射端与接收端天线底座架高至1.5 m，则ht=hr=1.5+1.5+1.5=4.5 m，仿真结果如图4所示。

根据仿真结果可知，将发射端与接收端天线底座架高，架高至1.5 m，即天线底座距离地面3 m，超短波电台通信能力理论上可以达到8 km。

通过上述仿真可见，天线高度对通信距离影响较大，天线越高，通信距离越远。火炮平台布置天线时，应尽量布置在最高点。若通信距离要求为8 km时，火炮两端天线架设不应低于3 m。

3 不同天线倾角与遮挡仿真对比

在通信距离为8 km的条件下，研究发射天线与接收天线倾斜不同角度，以及接收天线被炮塔顶部设备遮挡时接收信号的功率，分析超短波天线安装倾角与遮挡对武器系统性能技术指标造成的影响。当超短波电台发射功率为50 W时，选取工作频率为30～90 MHz进行仿真，分析超短波天线端口接收有用信号的功率强度。

3.1 天线无遮挡情况

当超短波电台天线安装在装备顶部无遮挡时，若发射天线正常竖直安装，接收天线以不同角度倾斜远离或靠近发射端安装，如图5所示。

接收天线远离倾角分别为0°、5°、10°、15°、20°、30°时，接收信号强度如图6所示。随着远离倾斜角度增大，低频区接收效率逐渐升高，但在中频区和高频区的接收效率逐渐降低。

接收天线靠近倾角为0°、5°、10°、15°、20°、30°时，接收信号强度如图7所示。对比图6、7可知，靠近时接收功率略大于远离时接收功率，无论远离还是靠近，随着倾斜角度增大，接收功率变化的趋势一致。

当发射天线与接收天线同时以相同角度倾斜，同向或相向放置，如图8所示。

发射天线和接收天线向同方向一起倾斜0°、5°、10°、15°、20°时，接收信号强度如图9所示。随着倾斜角度增大，在低频区接收效率逐渐升高，但工作频段中频区和高频区接收效率逐渐降低。

发射天线和接收天线相向一起倾斜0°、5°、10°、15°、20°时，接收信号强度如图10所示。对比图9与图10可知，发射天线和接收天线同向和相向时，随着倾斜角度增大，接收功率变化的趋势一致。在倾斜15°以下，同向接收功率大于相向接收功率。

通过上述仿真可见，收发天线倾斜时，接收信号功率曲线比较复杂，且倾斜程度越大，接收效果越差。为了满足远距离传输的性能，接收功率不低于-97 dBM，收发天线倾斜角度不应超过10°。

3.2 天线被遮挡情况

当超短波电台天线没有安装在武器系统顶部时，天线存在有可能被遮挡情况。当发射天线正常竖直安装，接收天线被遮挡且以不同角度倾斜远离发射端安装进行仿真，如图11所示。

当遮挡物遮挡接收端天线0.3 m时，接收天线远离倾角为0°、5°、10°、15°、20°时，接收信号强度如图12所示。与无遮挡相比，遮挡物遮挡天线0.3 m使工作频段高端的接收功率降低。接收功率随着倾斜角度的变化与无遮挡时趋势一致。

当遮挡物遮挡接收端天线0.5 m和1 m时，接收天线远离倾角为0°、5°、10°、15°、20°时，接收信号强度如图13、14所示。可以看出，随着遮挡的增高，超短波天线的接收功率在整个频段内呈现降低趋势。

对超短波天线无遮挡和有遮挡情况进行了实验仿真，通过分析不同倾斜角度时接收功率的结果可知：对于8 km通信，发射端超短波天线正常竖直放置时，全频段接收效果最好；遮挡物对超短波天线70 MHz以上接收影响较大，并且天线被遮挡时，接收功率在整个频段内呈现降低趋势，设计时应尽量减少遮挡；随着倾斜角度增大，接收频谱呈现两端高中间低，为确保全工作频段的信号接收，超短波天线倾斜不应超过10°。

4 结束语

天线布局对超短波电台的传输性能具有重要的影响。天线的布局应避免被其他设备遮挡，天线被遮挡的越多，超短波电台的传输性能越差。收发天线正常竖直安装，全频段传输性能最好，通信能力越强，随着倾斜角度增大，传输性能将会降低。在不同天线高度下，计算了8 km处超短波天线接收功率。为满足全超短波电台的传输性能，通过对比分析多种布局方案，得出超短波天线最佳布局方案为：尽可能在车体的顶端，且不被其他设备遮挡；天线倾斜角度不应超过10°；天线底座距离地面不小于3 m。本文的理论分析与仿真计算，可为其他实际火炮平台的天线布局优化以及电磁兼容性分析提供参考。