VHF定向天线参数设计及其在桥梁主动防船撞领域的应用

任全礼, 宋小东, 段 敏, 胡佳男, 杨乃恒, 欧祖国, 张 以

(1.重庆物康科技有限公司, 重庆 400067; 2.港珠澳大桥管理局,广东 珠海 519015)

随着我国经济的快速发展,水上交通日益频繁,特别是在经济发达的沿海地区和内河交通干线上尤为突出。桥梁是交通运输体系中的重要组成部分,但同时也是容易受到船只撞击的高风险区域。船只撞击桥梁不仅可能造成人员伤亡和财产损失,还可能为交通运输带来严重影响,甚至威胁桥梁的完整性和稳定性[1]。为了解决这一问题,桥梁主动防船撞技术应运而生。该技术利用先进的传感器、监测系统和计算机控制技术,能够实时监测船只的轨迹和状态,当船舶存在撞桥风险时,通过多种通信手段通知船舶谨慎驾驶。在众多通信方式中,VHF(Very High Frequency)在桥梁主动防船撞领域应用最为广泛[2]。

VHF无线通信是水上安全通信体系的重要组成部分,是IMO规定的专用于沿海近岸水域的船与岸、船与船之间的通信方式。甚高频VHF是指30 MHz～300 MHz的频段。在无线电通信中,定向天线技术不仅可提升传输质量和距离,使得接收端可准确地从发射端获取信号[3],还可把无线电波沿着特定方向发射或接收。在实际应用中,定向天线广泛应用于卫星通信、雷达系统和移动通信等领域[4-5]。VHF定向天线技术需要特殊的定向天线来实现远距离通信和信号优化,其在信道容量、抗干扰能力以及数据安全性等方面,都较非定向天线更具优势。

目前,在桥梁主动防船撞领域中,鲜有针对水上VHF定向天线的设计和研究,在桥梁与水域交汇的复杂应用场景下,定向天线能否具有理想的信号增益和方向特性,尚无实测验证。本文通过对定向VHF技术的深入研究,选取八木天线作为桥梁主动防船撞领域定向VHF天线,通过仿真分析和实测对比验证的方法,研究VHF定向天线在桥梁主动防船撞领域的应用效果。

1 定向VHF技术

主动防船撞系统所在的区域,往往是VHF通信繁忙的水域,长期占用公共频道,会造成干扰正常通信、妨害应急救援等危害。针对此问题,开展定向VHF技术研究,设计定向VHF天线,可限制信号收发范围,减少信号收发干扰[6]。

VHF技术在桥梁主动防船撞中的应用,主要是通过安装在桥梁附近的VHF系统,与过往船只进行通讯,并监测航行情况[7-21],其具体应用包括以下几方面。

1) 航行信息传输:用于将桥梁航行信息传输给过往的船只,包括桥梁名称、位置、建筑高度、通航期限等。这样可帮助船只了解桥梁的基本情况,从而避免发生碰撞事故。

2) 船舶交通管理:用于协调船只的通行顺序、控制船速、指示航向等方面。通过这些措施,可降低船只碰撞。

3) 船舶危险行为警告:配合桥梁上安装的超高、偏航、超速检测装备,当主动防船撞系统检测到船舶存在危险驾驶行为时,通过VHF系统向船舶播报危险行为警告。

常见的定向天线包括八木天线、偶极子天线、阵列天线等。综合考虑VHF频道中距离通信适用性、天线抗风性能以及制作简易性,选择八木天线作为桥梁主动防船撞系统的定向VHF天线。

2 八木天线工作原理

八木天线是一种被动式定向天线,由2个或多个平行的金属元件构成。八木天线利用一系列特别设计的元件来聚焦和增强无线电波的能量,从而使其在某个特定方向上具有较高的辐射能力。它由一个或多个主反射器和几个次级反射器组成,其中每个反射器都具有一定的形状和长度,以使它们相互合作来产生所需的波束。当无线电信号进入八木天线的主反射器时,它们被反射到次级反射器上,并再次反射,最终聚焦在天线前沿。这种反射和聚焦的过程可通过调整反射器的形状和位置来实现,以使得天线能够在不同的方向上具有不同的辐射图案。

八木天线的优点是具有较高的增益和较窄的波束宽度,辐射方向性非常强,可显著提高信号传输距离和减少干扰[22]。

八木天线结构如图1所示,它由一个有源振子,一个反射器和5根引向器组成。其中稍长于有源振子的反射器起反射能量作用,较有源振子稍短的引向器起引导能量的作用。有源振子两侧的反射器和引向器使原来的双向辐射变成单向辐射,以提高天线的增益[23]。

图1 八木天线结构

图1中,R为反射器;A为有源振子;D1、D2…Dn为引向器;SR为反射器与有源振子的距离;S1为有源振子与引向器D1的距离;SD为相邻2个引向器的距离。

3 八木天线应用

3.1 参数设计

常规的甚高频八木天线为了满足30 MHz～300 MHz全频段覆盖,在特定波段的使用效果并不理想。主动防船撞系统中,通信对象使用的都是船用VHF终端,船舶VHF设备需同时支持美标通道和国际标准通道,以美标通道为例,其共有88个信道,频率范围为156.050 MHz～163.275 MHz,信道宽度为25 kHz。设计一种船用VHF终端专用八木定向天线,可进一步提高传输的定向性和抗干扰能力。

八木天线的结构参数需满足式(1)要求:

(1)

式中:λ表示甚高频VHF(156 MHz～164 MHz)电磁波波长,取VHF计算频率为156 MHz,则VHF计算波长为:

(2)

式中:v表示光速,即v=3×108m/s,计算得到λ=1.923 m。

将λ的取值带入式(1),得到定向八木天线的主要结构参数,如式(3)所示。

(3)

满足式(3)的八木天线即可在甚高频VHF(156 MHz～164 MHz)频段具有良好的传输增益和定向特性,实际制作时,考虑优化设备安装及强化抗风能力,式(3)中的结构参数尽可能采用最小化的设计思路,实际取值如式(4)所示。

(4)

3.2 仿真分析

按照式(4)的参数取值,在CST仿真软件中建立八木定向天线仿真模型,开展天线基础参数的仿真和可行性验证,部分仿真结果如图2所示。

由图2仿真结果可以看出,设计的八木定向天线在156 MHz频率附近的主瓣增益约为9.25 dBm,水平面波束宽度约为69°,俯仰面波束宽度约为61°,具有良好的定向特性。

3.3 测试验证

综合考虑VHF定向天线系统在实际环境的使用需求,测试环境选址须尽可能与使用场景的环境特征相近,包括安装高度、水域电磁反射特性、船只实装通信场景以及天线不同俯仰角状态下的方向图特性等,并考虑经济性与可行性,选取重庆某长江大桥进行实装测试。

(a) 增益曲线

(b) 水平面波束宽度

(c) 俯仰面波束宽度

测试当天,测址附近长江水域流量16 900 m3/s,水位171.05 m,风速6 km/h,湿度80%,船舶通航密度约10艘/h,为该航道典型水文气象条件和船舶密度,测试条件具有良好的参考性。

测试采用垂直极化方式,通过对比天线仰角为0°时的增益测试数据与仿真数据,验证天线设计的定向效果。

定向测试设备布置如图3所示。图3中,频谱仪和待测天线为接收信号端,VHF信号源和发射天线为发射信号端。测试时要保证被测天线与辅助发射天线高度一致,极化一致,收发天线之间的距离D大于10·λ,考虑到实际使用的内河航道条件,选择D为500 m。

图3 定向测试示意

天线频率范围为156 MHz～164 MHz,选取典型值156.667 MHz作为测试频率。测试时,每次调整天线角度10°记录一组测试数据,验证天线的定向效果。

定向天线接收增益测试频谱如图4所示。定向天线旋转角度为0°时,其接收增益频谱如图4(a)所示;定向天线旋转角度为180°时,其接收增益频谱如图4(b)所示。由图4可知,定向天线旋转角度为0°(发射天线正对接收天线)时,接收天线增益为-53.875 dBm;定向天线旋转角度为180°(发射天线背对接收天线)时,接收天线增益为-61.375 dBm。从2个方向的增益幅值可定性判断设计的八木天线具有一定的定向能力,下面通过绘制天线方向图,定量分析八木天线的定向特性。

本文设计的定向天线的仿真和实测方向如图5所示。天线仿真方向如图5(a)所示,所有角度测试数据汇总得到的实测方向如图5(b)所示。由图5可知,实测结果与仿真结果较为相符。本文设计的八木定向天线定向角宽度约为60°,具有良好的定向特性。主瓣增益幅值约为-53 dBm,旁瓣增益幅值约为-63 dBm,主、旁瓣增益幅值相差10 dBm,证明设计的八木定向天线在桥梁主动防船撞领域的VHF通信设备常用频段具有良好的定向效果。

(a) 定向天线旋转0°(发射天线正对接收天线)

(b) 天线旋转180°(发射天线背对接收天线)

(a) 仿真方向

(b) 实测方向

4 结论

1) VHF定向技术具有信号收发范围可控、通信干扰低、公共频道占用时间短等优点,可作为桥梁主动防船撞系统重要的通信手段。

2) 天线设计参数有源振子长度为0.45 m、引向器长度为0.4 m、反射器长度为0.5 m、有源振子与引向器的距离为0.2 m、相邻2个引向器的距离为0.3 m、反射器与有源振子的距离为0.3 m,仿真分析表明天线在156 MHz频率附近的水平面和俯仰面波束宽度分别为69°和61°,具有良好的定向特性。

3) 实测表明天线信号增益为-53.875 dBm～-61.375 dBm,俯仰面波束宽度约为60°,主、旁瓣增益幅值相差10 dBm,证明八木定向天线在桥梁主动防船撞VHF通信设备常用频段具有良好的信号增益和方向特性。