非标准配置条件下超短波多天线共址布局设计

王鼎，谢洪森，田华明，黄子革

（海军航空大学青岛校区，山东青岛，266041）

0 引言

超短波对空通信以其抗干扰性强，承载能力大，可靠性高的特性，成为目前最主要的对空通信方式。超短波对空通信越来越繁忙，需要越来越多的频率来满足机场塔台和空中管制部门的需求，同时为保障地空通信无间断运行还需要有主频和备频。电台数量的增加，通信频率的增加，无形中增加了同频干扰与邻频互扰的风险，因此在工程实践中经常涉及在有限阵地空间下实现超短波多天线共址配置问题。本文运用天线最小隔离度算法，提出了非标准配置条件下超短波电台多天线共址布局设计方法，实现了超短波通信系统的互联互通和电磁兼容，有效解决了机场塔台、对空台天线场地受限引发的同频互扰问题。

1 天线共址配置方式

无线电系统间电磁干扰主要传输途径是天线间的耦合，常用隔离度来定量表征这种耦合的强弱程度。天线的载体和天线间的距离以及障碍物不同，分析它们耦合的方法也不同，分析过程的难易程度也有很大的区别。对于自由空间分隔相距比较远的天线，天线间耦合的相互影响主要是通过天线的远区场进行的，与天线近场情况的关系较小。但当天线间的距离比较近时，分析它们的耦合就需要考虑天线的具体形式、馈电结构、安装位置和安装壳体等各种因素的影响。

在超短波对空通信系统中，无论是发射还是接收都需要经过天线系统，由此可见天线在超短波信号的传输中起到重要的作用。当搭建新的超短波对空通信系统时，必须充分考虑天线问题，如果天线的地理位置、天线高度、天线间距等选取不恰当，就会对以后的使用造成极大的影响，干扰问题就会源源不断。

超短波天线都采用收发一体模式，这样就使天线安装受到限制，收、发天线基本上相当于同址安装，这就需要让收、发天线有一定的间距，才能有足够的信号隔离度，才能保证超短波信号质量不受干扰。目前，对于机场而言，天线场地有限，随着实际工作频率的增多，需要在有限的场地中不断地加装不同的天线。由于天线之间的架设距离是造成信号受干扰的原因之一，所以，合理的布局天线场地能有效地避免不必要的干扰现象。超短波天线共址配置的排列方式分为三种，分别是天线水平隔离、垂直隔离和组合隔离。

（1）天线的水平隔离

天线水平排列方式，如图1所示。假设发射天线的功率为PT，天线的效率是η，天线的方向系数为Dt，则其辐射功率PT为：

图1 天线水平隔离示意图

在天线最大辐射方向上距离发射天线d处产生的功率密度Pr则为：

式中，GT为发射天线增益。

假设r处有接收天线，天线有效面积为S，天线增益为GR，则天线接收功率PR为：

其中，

则可得：

设自由空间传播损耗为L0，则：

（2）天线的垂直隔离

当天线水平排列受限时，可采用垂直排列方式，如图2所示。根据电磁场理论，短偶极子天线的电场强度为：

图2 天线垂直隔离示意图

式中，L为天线长度，I为天线电流，d为天线间距，k为波矢。

假设，天线发射功率为Pt，天线电阻为R，则有：

由于发射天线和接收天线垂直排列，所以没有极化失配。则可得接收天线坡印廷矢量S为：

则可得天线垂直隔离度为：

式中，f为发射信号频率。

（3）天线的组合隔离

除此之外，当天线水平空间和垂直空间均受限时，可采用组合隔离，如图3所示。

图3 天线组合隔离示意图

天线隔离度为：

2 天线隔离度与系统隔离度的关系

在一个系统中，为保证每个天线正常工作，天线的隔离度必须满足一定的要求，否则天线间的干扰会压制住有用信号，从而使系统无法正常工作。一般将发射天线的发射功率与另一天线所接受功率的比值定义为天线的隔离度。

天线隔离度与空间隔离度是两个不同的概念。其中，空间隔离度与天线的具体形式无关，它只描述电磁波通过两天线间的空间传播时，由于电磁波的自身发散以及空间媒质的作用而产生的自然衰减。天线隔离度不但计及这种自然衰减，而且包含了接收天线与发射天线对发射方向上的功率密度以及接受方向上的功率密度的影响，因此天线隔离度不但与天线间的空间具体形式及构成有关，还与天线的形式有关。具体地讲，天线隔离度是空间隔离度与收发天线在特定方向上功率增益的和，天线隔离度最好地描述了天线间的隔离程度。

利用天线之间的空间隔离度以满足接收天线端干扰抑制要求，从干扰发射机到被干扰接收机总损耗称为系统隔离度，天线隔离度与系统隔离度关系为：

式中，L0为天线隔离度，LI为系统隔离度，LF为滤波器隔离度，LT为发射天馈线损耗，LR为接收天馈线损耗，GT为发射天线增益，GR为接收天线的增益。

根据超短波对空通信系统技术要求，当频率间隔大于1MHz时，LI≥70dB，LT≤3.5dB，LR≤6.0dB，Gr=Gt=0dB=2.15dBi。超短波对空通信系统一般采用带通滤波器。滤波器主要参数典型值如表1所示。

表1 滤波器主要参数

滤波器特性曲线如图4所示，图中红线（上方）表示测量值只包含滤波器，蓝线（下方）表示包含连接滤波器馈线的值。滤波器的衰减值如表2所示。

图4 滤波器特性曲线图

表2 滤波器的衰减数值

由此可得，当频率间隔为1MHz时，计算可得天线间隔距如表3所示。

表3 天线间距数值

由上述计算可知，垂直排列的天线间距远远小于水平排列，所以当天线场地有限时，优先考虑垂直排列。但是，垂直排列高度通常受限于场地环境，如果超出范围应考虑组合排列。

需要注意的是，性能良好的天线还需要与之性能相匹配的馈线，所以馈线选择也非常重要。超短波通信一般采用1/2″、7/8″或13/8″的射频同轴电缆。

其中，13/8英寸同轴电缆衰减最小，但13/8英寸线缆较粗，不方便直接接到设备上，需与1/2英寸线缆配合使用。目前，天线距发射机较近时一般使用的是1/2英寸和7/8英寸馈线，天线距发射机较远时一般使用的是1/2英寸和13/8英寸馈线。与此同时，频率的不同也会影响到电缆选择，频率越大，馈线损耗越大。电台与天线距离应当越短越好，尽量控制在100m之内，以减小馈线的损耗。

3 天线共址工程实现

某机场超短波对空台天线阵地面积220m2左右，计划架设超短波天线6副。相同类别天线的频段相同，需进行隔离度分析。

(1)水平隔离度

根据水平架设隔离度计算公式，假设超短波电台工作频率126MHz，当频率间隔为1.5MHz时，估算出同频段天线之间的水平架设距离需满足d≥7.0m；当频率间隔为2MHz时，估算出同频段天线之间的水平架设距离需满足d≥4.9m，如图5所示。

图5 天线场布局图

(2)垂直隔离度

由于天线水平排列时受区域大小的限制，可以将天线垂直排列。根据垂直架设隔离度计算公式，设超短波电台工作频率126MHz，当频率间隔为1MHz时，估算出同频段天线之间的垂直距离需满足d≥4.3m；当频率间隔为2MHz时，估算出同频段天线之间的垂直距离需满足d≥2.4m。

由于本台站阵地有限，在天线高度达标的基础上，主要采用垂直隔离的方式或者是组合隔离的方式来架设天线，工程建成之后通过实验验证，多天线共址布局设计取得了良好的通信效果，未发生邻频互扰问题。另外，可以将接收、发射天线分别架设在不同机房、不同位置，这样也可以增加发射、接收天线的隔离度。

此外，除增加天线之间的隔离度外，还需要实现信号的多重覆盖，每一套系统均可以完全覆盖到本场的空域，这样可以确保超短波通信的可靠性，当台站的超短波电台出现信号干扰导致通信中断时，可以使用其他台站的电台进行通信。

4 结束语

本文针对机场塔台、对空台天线场地架设受限问题，分析研究对空通信装备特点及超短波传输特性，计算水平排列、垂直排列、组合排列方式下天线最小隔离度，基于超短波系统隔离度、发射接收馈线损耗、天线增益及滤波器特性曲线等研究天线架设间隔距离，制定超短波多天线共址优化布局方案，有效降低邻频互扰影响，解决了狭小空间条件下超短波多天线共址布局建设的问题。