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業余無線電-短波通信原理

2021-06-22 10:00:06

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  盡管當前新型無線電通信系統不斷涌現,短波這一古老和傳統的通信方式仍然受到全世界普遍重視,不僅沒有被淘太,還在快速發展。其原因主要有三:

  一、短波是唯一不受網絡樞鈕和有源中繼體制約的遠程通信手段一但發生戰爭或災害,各種通信網絡都可能受到破壞,衛星也可能受到攻擊。無論哪種通信方式,其抗毀能力和自主通信能力與短波無可相比;

  二、在山區、戈壁、海洋等地區,超短波覆蓋不到,主要依靠短波;

  三、與衛星通信相比,短波通信不用支付話費,運行成本低。近年來,短波通信技術在世界范圍內獲得了長足進步。這些技術成果理應被中國這樣的短波通信大國所用。用現代化的短波設備改造和充實我國各個重要領域的無線通信網,使之更加先進和有效,滿足新時代各項工作的需要,無疑是非常有意義的。

  這里簡要介紹短波通信的一般概念,優化短波通信的經驗,以及一些熱門的新技術。短波通信的一般原理。

  1無線電波傳播

  無線電廣播、無線電通信、衛星、雷達等都依靠無線電波的傳播來實現。無線電波一般指波長由100,000米到0.75毫米的電磁波。根據電磁波傳播的特性,又分為超長波、長波、中波、短波、超短波等若干波段,其中:超長波的波長為100,000米~10,000米,頻率3~30千赫;長波的波長為10,000米~1,000米,頻率30~300千赫;中波的波長為1,000米~100米,頻率300千赫~1.6兆赫;短波的波長為100米~10米,頻率為1.6~30兆赫;超短波的波長為10米~1毫米,頻率為30~300,000兆赫(注:波長在1米以下的超短波又稱為微波)。頻率與波長的關系為:頻率=光速/波長。電波在各種媒介質及其分界面上傳播的過程中,由于反射、折射、散射及繞射,其傳播方向經歷各種變化,由于擴散和媒介質的吸收,其場強不斷減弱。為使接收點有足夠的場強,必須掌握電波傳播的途徑、特點和規律,才能達到良好的通信效果。

  常見的傳播方式有:

  地波(地表面波)傳播

  沿大地與空氣的分界面傳播的電波叫地表面波,簡稱地波。其傳播途徑主要取決于地面的電特性。地波在傳播過程中,由于能量逐漸被大地吸收,很快減弱(波長越短,減弱越快),因而傳播距離不遠。但地波不受氣候影響,可靠性高。超長波、長波、中波無線電信號,都是利用地波傳播的。短波近距離通信也利用地波傳播。

  直射波傳播

  直射波又稱為空間波,是由發射點從空間直線傳播到接收點的無線電波。直射波傳播距離一般限于視距范圍。在傳播過程中,它的強度衰減較慢,超短波和微波通信就是利用直射波傳播的。在地面進行直射波通信,其接收點的場強由兩路組成:一路由發射天線直達接收天線,另一路由地面反射后到達接收天線,如果天線高度和方向架設不當,容易造成相互干擾(例如電視的重影)。限制直射波通信距離的因素主要是地球表面弧度和山地、樓房等障礙物,因此超短波和微波天線要求盡量高架。

  天波傳播

  天波是由天線向高空輻射的電磁波遇到大氣電離層折射后返回地面的無線電波。電離層只對短波波段的電磁波產生反射作用,因此天波傳播主要用于短波遠距離通信。

  散射傳播

  散射傳播是由天線輻射出去的電磁波投射到低空大氣層或電離層中不均勻介質時產生散射,其中一部份到達接收點。散射傳播距離遠,但是效率低,不易操作,使用并不廣泛。

  2電離層的作用

  電離層對短波通信起著主要作用,因此是我們研究的重點。

  電離層是指從距地面大約60公里到2000公里處于電離狀態的高空大氣層。上疏下密的高空大氣層,在太陽紫外線、太陽日冕的軟X射線和太陽表面噴出的微粒流作用下,大氣氣體分子或原子中的電子分裂出來,形成離子和自由電子,這個過程叫電離。產生電離的大氣層稱為電離層。電離層分為D、E、F1、F2四層。D層高度60~90公里,白天可反射2~9MHz的頻率。E層高度85~150公里,這一層對短波的反射作用較小。F層對短波的反射作用最大,分為F1和F2兩層。F1層高度150~200公里,只在日間起作用,F2層高度大于200公里,是F層的主體,日間夜間都支持短波傳播。

  電離層的濃度對工作頻率的影響很大,濃度高時反射的頻率高,濃度低時反射的頻率低。電離的濃度以單位體積的自由電子數(即電密度)來表示。

  電離層的高度和濃度隨地區、季節、時間、太陽黑子活動等因素的變化而變化,這決定了短波通信的頻率也必須隨之改變。

  3短波頻率范圍

  電離層最高可反射40MHz的頻率,最低可反射1.5MHz的頻率。根據這一特性,短波工作頻段被確定為1.6MHz - 30MHz。

  4短波傳播途徑

  短波的基本傳播途徑有兩個:一個是地波,一個是天波。

  如前所述,地波沿地球表面傳播,其傳播距離取決于地表介質特性。海面介質的電導特性對于電波傳播最為有利,短波地波信號可以沿海面傳播1000公里左右;陸地表面介質電導特性差,對電波衰耗大,而且不同的陸地表面介質對電波的衰耗程度不一樣(潮濕土壤地面衰耗小,干燥沙石地面衰耗大)。短波信號沿地面最多只能傳播幾十公里。地波傳播不需要經常改變工作頻率,但要考慮障礙物的阻擋,這與天波傳播是不同的。

  短波的主要傳播途徑是天波。短波信號由天線發出后,經電離層反射回地面,又由地面反射回電離層,可以反射多次,因而傳播距離很遠(幾百至上萬公里),而且不受地面障礙物阻擋。但天波是很不穩定的。在天波傳播過程中,路徑衰耗、時間延遲、大氣噪聲、多徑效應、電離層衰落等因素,都會造成信號的弱化和畸變,影響短波通信的效果。

       單邊帶的概念

  在無線電通信中,傳送信息的載體是特定頻率的載波(也稱為主頻)。那么信息又是如何放到載波上的呢?這就引出了“調制”的概念。調制就是將信息的動態波形通過一定形式加到載波上發送出去,接收臺收到被調制的載頻信后,再還原信息。調制分為幅度調制(簡稱“調幅”)、頻率調制(簡稱“調頻”)、相位調制(簡稱“調相”)三種。中波、短波一般采用調幅方式,超短波一般采用調頻方式。

  根據國際協議,短波通信必須使用單邊帶調幅方式(SSB),只有短波廣播節目可以使用雙邊帶調幅方式(AM)。因此,國內外使用的短波電臺都是單邊帶電臺。

  1單邊帶的定義

  調幅信號的頻譜是由中央載頻和上下兩個邊帶組成的。將載頻和其中一個邊帶加以抑制,剩下的一個邊帶就成為單邊帶信號。如果用一個邊帶再加上部份載頻或全部載頻,就成為兼容式調幅信號。下面用圖示的方法說明單邊帶信號是怎樣產生的。

  2單邊帶的優點

  單邊帶的優點是:① 提高了頻譜利用率,減少信道擁擠;② 節省發射功率約四分之三;③ 減少信道互擾;④ 抗選擇性衰落能力強。一部100W單邊帶電臺的實際通話效果,相當于過去1000W以上雙邊帶電臺。優化短波通信的方法

  改善短波信號質量的三大要素

  由于短波傳輸存在固有弱點,短波信號的質量不如超短波。不過我們可以通過一些途徑改善短波信號質量,使其盡可能接近超短波。改善短波信號質量的三大要素是:正確選用工作頻率;正確選擇和架設天地線;選用先進優質的電臺和電源等設備。

  正確選用工作頻率

  短波頻率和超短波頻率的使用性質完全不同。超短波屬于視距通信,距離短,可以固定使用頻段內的任何頻點;而短波頻率則受到電離層變化、通信距離和方向、海拔高度、天線類型等多種因素的影響和限制。用同一套電臺和天線,選用不同頻率,通信效果可能差異很大。

  對于有經驗的短波工作者來說,選頻并不困難,其中有明顯的規律性可循。一般來說:日頻高于夜頻(相差約一半);遠距離頻率高于近距離;夏季頻率高于冬季;南方地區使用頻率高于北方;等等。另外,在東西方向進行遠距離通信時,因為受地球自轉影響,最好采用異頻收發才能取得良好通信效果。如果所用的工作頻率不能順暢通信時,可按照以下經驗變換頻率:

  (1)接近日出時,若夜頻通信效果不好,可改用較高的頻率;(2)接近日落時,若日頻通信效果不好,可改用較低的頻率;(3)在日落時,信號先逐漸增強,而后突然中斷,可改用較低頻率;(4)工作中如信號逐漸衰弱,以致消失,可提高工作頻率;(5)遇到磁暴時,可選用比平常低一些的頻率。

  計算機測頻

  利用計算機測頻軟件預測可用頻率對短波通信很有幫助,是國外經常采用的先進技術手段。計算機測頻系統能夠根據太陽黑子活動規律等因素,結合不同地區的歷史數據,預測兩點之間在未來一段時期每天各時節的可用頻段,具有較高參考價值。

  美國、歐盟、澳大利亞政府的計算機測頻系統數據比較準確,它們通過分布在全球的監測點采集和跟蹤各種環境參數的變化提供頻率依據。其中澳大利亞的ASPAS系統面向全世界提供測頻服務,安裝和服務費用不高,很有使用價值。

  正確選擇和架設天線地線

  天線和地線是很多短波用戶容易忽視的問題。當通信質量不好時,很多人習慣于從電臺上找原因,而實際上信號不良常常源自天線或地線。

  短波和超短波使用的天線是完全不同的。超短波通信因為使用頻率高,波長短,天線可以做得很小,通常為直立鞭狀天線。而短波通信因使用的頻率較低,天線必須做得足夠大才能有效工作。簡單的規律是:天線的長度達到所使用頻率的1/2波長時,天線的效率最高。

  短波天線的理論原理比較高深。短波天線的種類繁多,用途各異,究竟應該選購何種天線,怎樣安裝架設才能獲得良好的通信效果?根據我們了解和掌握的情況作如下簡要介紹:

       1了解天線的基本工作原理短波天線分地波天線和天波天線兩大類。

  地波天線包括鞭狀天線、倒L形天線、T形天線等。這類天線發射出的電磁波是全方向的,并且主要以地波的形式向四周傳播,故稱全向地波天線,常用于近距離通信。地波天線的效率主要看天線的高度和地網的質量。天線越高、地網質量越好,發射效率越高,當天線高度達到1/2 波長時,發射效率最高。

  天波天線主要以天波形式發射電磁波,分為定向天線和全向天線兩類。典型的定向天波天線有:雙極天線、雙極籠形天線、對數周期天線、菱形天線等,它們以一個方向或兩個相反方向發射電磁波,用天線的架設高度來控制發射仰角。典型的全向天波天線有:角籠形天線、倒V形天線等。它們是以全方向發射電磁波,用天線的高度或斜度來控制發射仰角。

  天波天線簡單的規律為:天線水平振子(一臂的)長度達到1/2波長時,水平波瓣主方向的效率最高;天線高度越高,發射仰角越低,通信距離越遠;反之,天線高度越低,發射仰角越高,通信距離越近;天線高度與波長之比(H/λ)達到二分之一時,垂直波瓣主方向的效率最高。

       2按用途選購天線隨著短波通信技術的發展,短波天線出現了很多不同用途的新品種,例如用于短波跳頻的高效能寬帶天線;用于為了解決天線架設場地小和多部電臺共用一副天線的多饋多模天線等。選擇天線基本的著眼點應該是用途。

  近距離固定通信:選擇地波天線或天波高仰角天線。

  點對點通信或方向性通信:選擇天波方向性天線等。

  組網通信或全向通信:選擇天波全向天線。

  車載通信或個人通信:選擇小型鞭狀天線。

       3正確處理天線價格與質量的關系俗話講一分錢一分貨。首先同種用途的天線有不同種類,其增益有高低之分。此外同一種外形的天線,使用不同材料;不同制造工藝,其通信效果的差異是很大的。例如以特種不銹銅鋼復合絞線為振子的天線,比用塑包線為振子的天線高頻電磁轉換效率高得多。又例如匹配器所用的磁性材料優劣,對電臺與天線的匹配狀態影響極大。高性能磁料能夠保證全頻段每個頻點都能良好匹配;劣質磁料可能造成很多頻點甚至整段頻率匹配不好,駐波比過大。使用劣質天線,電臺輸出的功率可能只送出去不到三分之一甚至更少,通信效果可想而知。

  在投資增加不多的前提下,盡量選用高質量高增益的天線,能夠保證長期穩定和優良的通信效果和延長使用壽命,是很劃算的。

       4介紹二種性能和價格兼優的基站天線根據多年的對比實驗和實際使用經驗,我們認為有兩種進口天線在性能上能夠廣泛滿足我國大多數用戶的通信要求,而且價格不高,性能價格比好,以下分別介紹:

  用于全方位通信的三角組合型全向全角天線

  我國省級行政區,從省會到邊緣地區的距離多數在1200公里以內。在這個區域內組建全省或地區的通信網,中心基站選用這種天線是比較理想的。

  這種天線既能照顧360°全方位,又能照顧近中遠各種距離,接收效果好,對改善通信盲區特別有效,此外它能兼顧垂直極化波和水平極化波,對區域內各種臺站的不同種類天線的兼容性好。

  兼顧全向和定向兩種用途的高增益三線式天線

  三線式天線是國際上近年流行的新型多用途天線,它雖然屬于偶極天線類,但其性能是普通雙極天線無法相比的。與普通雙極天線相比它有以下優點:

  1.增益高,全頻段內駐波比小,而且均勻輻射效率高;

  2.水平架設時不僅在天線寬邊方向輻射強,而且在窄邊方向也有較強輻射;

  3.架設狀態平穩,抗風抗毀能力強;

  4.提供平行和倒V兩種架設方式,分別支持2500公里內定向通信和2000公里半徑內全向通信。

  以上兩種天線的振子材質都是不銹銅鋼復合絞線,電磁轉換效率高而且經久耐用;其高性能磁性材料保證了全頻段匹配良好。

       5正確架設天線和連接饋線選購好合適的天線后,還必須正確地安裝架設,才能發揮出最佳效果。

  天線的長度和架設規范是不能改變的,但對于某些天線而言,架設的方向和高度是靠用戶自己掌握的,應嚴格按通信的方向和距離來確定方向和高度。天線的架設位置以開擴的地面為好,沒有條件的單位也可以架在兩個樓房之間或樓頂。天線高度指天線發射體與地面或樓頂的相對高度。架在樓頂時,高度應以樓頂與天線發射體之間的距離計算,不是按樓頂與地面的高度計算。我們提醒用戶,切忌因為架設場地不理想或怕麻煩,就隨便把天線架起來完事,這樣做通信效果很可能是不好的。

  另一個要點是饋線的選用和布設。饋線是將電臺的輸出功率送到天線進行發射的唯一通道,如果饋線不暢通,再好的電臺和天線,通信效果也是很差的。饋線分為明饋線和射頻電纜兩類。目前100W~150W電臺一般都使用射頻電纜饋電方式。選用射頻電纜時要注意兩項指標:一是阻抗為50歐姆;二是對最高使用頻率的衰耗值要小。一般來講,射頻電纜直徑越粗,衰耗越小,傳輸功率越大。在實際使用中,100W級短波單邊帶電臺,常選用SYV-50-5或SYV-50-7的射頻電纜,必要時也可以選SYV-50-9的射頻電纜。

  天線在進行安裝選位和布設時,應盡可能縮短饋線的長度,普通SYV-50-5饋線每1米造成信號衰減0.082dB,這意味著100W電臺功率通過50米饋線送達天線時,功率剩下不到40W。因此通常要求饋線長度控制在30米以內。如果因為場地條件限制必須延長饋線,則應采用大直徑低損耗電纜。另外在布設電纜,應盡量減少彎曲,以降低對射頻功率的損耗,如果必需彎曲,則彎曲角度不得小于120度。

        6電臺和天線的匹配天線、饋線、電臺三者之間的匹配必須引起高度重視,否則,雖然電臺、天線、饋線都選得很好,通信效果還是不好。

  所謂“匹配”就是要求達到無損耗連接,只有電臺、饋線、天線三者保證高頻輸入輸出阻抗一致,才能實現無損耗連接。多數短波電臺的輸出/輸入阻抗為50歐姆,必須選用阻抗為50歐姆的射頻電纜與電臺匹配。天線的特性阻抗比較高,一般為600歐姆左右,只有寬帶天線的特性阻抗稍低一點,大約200~300歐姆,因此,天線不能直接與射頻電纜連接,中間必須加阻抗匹配器(也叫單/雙變換器)。阻抗匹配器的輸入端阻抗必須與射頻電纜的阻抗一致(50歐姆),輸出端阻抗必須與天線的輸入阻抗一致(600歐姆或200/300歐姆)。阻抗匹配器的最佳安裝位置是與天線連為一體。

  自動天線調諧器也是匹配天線和電臺阻抗用的。自動天調的輸入端與電臺連接,輸出端與單極天線連接。自動天調與偶極天線連接時要根據不同產品而定。有些天調要求加單/雙變換器,天調與單/雙變換器之間用50歐姆射頻電纜相連(芯線接天調輸出端,外皮接天調的地端),單/雙變換器的雙輸出端與天線連接;多數新型天調不用加單/雙變換器,用天調的輸出端和接地端分別連接偶極天線的兩臂,匹配效果更好,而且效率更高。

        7正確埋設接地體和連接地線地線是很多用戶容易草率處理的問題。短波通信臺站的地線是至關重要的,地線實際上是整個天饋線系統的重要組成部分。我們所說的地線,不是交流供電系統中的電源地或保安地。這里所說的地線是信號地,也稱高頻地。信號地一般不能接到電源地或保安地上,必須單獨埋設。埋設接地體時,必須按有關標準進行,接地電阻不應大于4歐姆。電臺的接地柱和接地體之間,必須用多股線銅、編織銅線或大截面優良導體連接,才能起到良好的高頻接地作用。而良好的高頻接地是減小發射駐波和減小接收噪聲的必要前提。選用現金優質的電臺和電源

  工作頻率和天線地線搞好了,相當于鋪了一條“好路”。好路上還要跑“好車”。好車就是先進優質的電臺和電源等設備。

  1選擇電臺的原則和標準

  怎樣評價電臺的先進性和優質呢?先進性體現在兩個方面:一是電氣特性和工藝結構,這方面先進與否決定了性能指標的優劣和設備的可靠性;二是使用功能,具有多種先進功能的電臺不僅用途更廣泛,而且也說明制造者的科技實力。

  電氣特性涉及的內容很多,這里只簡述三個方面:

  頻率特性:好的電臺頻率穩定性比差的電臺高幾倍、幾十倍甚至幾百倍。頻率穩定性高的電臺,不但話音清晰,信號等級高,而且是支持高速數傳的必要條件。在評價頻率穩定性時要注意兩點:一是全頻段各頻點的穩定性要一致;二是要在很寬的溫度范圍內穩定,不能機器一發熱就產生頻漂;

  通道特性:這一特性描述信號在通過高頻、中頻、低頻幾個通道后的畸變程度。當進行短波數傳時,這一問題非常突出。使用通道特性差的電臺,無論怎樣改造,數傳速率都上不去,原因之一就是高速數據脈沖通過不佳的通道后發生明顯畸變,使其難以被識別。

  干擾和抗干擾特性:這方面的性能在技術說明書上都是以dB(分貝)值表示的,我們統稱為dB指標。電臺發射方面的dB指標不好,說明你傳給對方臺的信號不好,而且干擾其它臺;電臺接收方面的dB指標不好,說明自身容易被別人干擾;二者都是不能容許的。

  工藝結構方面,主要看電路集成度和模塊化程度。集成度高,可靠性必然高。模塊化除了提高設備可靠性外,還使擴展功能和維修十分便利,是當今電臺工藝的主流趨勢。

  再來看使用功能。社會需求的發展和科技的進步,使短波通信日益向多功能化方向發展。像用于半自動優選頻率的自適應功能和全自動優選頻率的自優化功能,用于計算機和傳真機的數據傳輸功能,用于保密和抗干擾的跳頻功能,用于組網通信的數字選呼功能,用于衛星定位的GPS監控功能,用于連接有線網的有線無線轉接功能,等等。在具有這些現代化功能的電臺面前,那些只能進行簡單通話的電臺就顯得太原始了。目前在國內有一種現象,就是很多單位致力于在一些單功能電臺上添加數傳、自適應等功能。這固然是由于有大量舊式電臺要改造,可能還有造價方面的考慮。但可以肯定這種現象是過渡階段。正像現在大家都用GSM手機,再也沒有人使用土造的手持電話一樣,未來的短波領域也勢必普及先進的多功能電臺。此外,先進優質電臺的售價呈下降趨勢,也越來越接近我國用戶的經濟承受能力。

  2電源質量與通信效果的關系

  很多人認為只要穩壓電源的輸出電壓和電流的數值符合要求就可以用,這種認識不夠全面。其實有些干擾可能來自電源,有些話音失真也可能是電源動態范圍不足所致。數據傳輸對電源的要求更嚴格,如果電源的電磁屏蔽特性不好,輸出紋波大,將直接導致數傳工作不正常。功率容量和設計余量也是考核穩壓電源優劣的重要依據,有些電源為了降低生產成本,加強價格競爭能力,把功率容量設計在臨界狀態,并盡量簡化電路,選用低指標元器件等等。這類電源的技術性能和可靠性肯定是做不高的。

  好汽車要用好發動機,好電臺要用好電源,道理是相同的。在選購電源時,一定要挑選功率容量大、輸出電壓紋波小、電磁屏蔽特性好、電路設計余量大的靜化電源產品。短波通信的常見難點及解決方法

  1近距離盲區及解決方法

  前節已介紹了天波和地波二種傳輸途徑。一般來說,地波最遠可達30公里。而天波從電離層第一次反射落地(第一跳)的最短距離約為100公里??梢?0至100公里之間這一段,地波和天波都夠不到,形成了短波通信的“寂靜區”,也稱為盲區。盲區內的通信大多是比較困難的。解決盲區通信主要有兩個方法:一是加大電臺功率以延長地波傳播距離;二是常用的有效方法就是選用高仰角天線,也稱“高射天線”或“噴泉天線”。仰角是指天線輻射波辨與地面之間的夾角。仰角越高,電波第一跳落地的距離越短,盲區越少,當仰角接近90°時,盲區基本上就不存在了。前文提到的三角組合型全向全角天線就屬于這一類。

  2車載臺的通信困難及解決方法

  車載通信一直都是短波通信中的一個難題。車的體積就那么大,沒辦法架長天線,其輻射能力怎么也比不上固定臺。因此必須從合理設計天線形態和合理選擇架設位置等方面來彌補,盡可能利用車體的反射效應,盡可能增加天線的“電長度”。

  車載天線有多種,現在國際上多認為鞭狀天線更適合車輛運動中通信,而自動天調應該安裝在車外,最好是與天線鞭結合為一體,也就是常說的自調諧鞭狀天線,這種天線因天調輸出端與天線連接的饋線很短,故效率比較高。美軍現在就大量使用這種天線。

  3鞭狀天線可選擇兩種架設形態:

 ?、龠h距離通信時多用直立形態,這時可以利用地面以下部分的“鏡象天線”效應,使天線鞭的電長度比實際架高增加將近一倍。

 ?、诮嚯x通信時通常將天線鞭拉彎俯臥,利用車頂的反射作用增加高仰角輻射分量,改善盲區通信效果。

  不管采取何種措施,車載臺因天線長度的限制,發射效率肯定不如固定臺高,因此實際通信中常常發現車載臺收固定臺的信號好,而固定臺收車載臺的信號不好的現象,為了彌補這種差異,建議車載臺備份野外應急軟天線供停車時使用。

  國外目前還建議采用加大車載臺功率的方法延長地波通信距離,改善盲區。提高車載臺功率需要在原有100W電臺基礎上接續500W功率放大器,并相應改用大功率車載天線和大功率車載電源,這種大功率車載系統是行之有效的。

  比較而言,船載通信比車載通信困難少得多。一是因為船體長,有圍桿,便于架設天、地波兼顧的斜天線;二是海面地波傳得遠而且船離基地臺距離也較遠,不容易形成通信盲區。但是船載天線要求抗風強度高,抗腐蝕能力強。

  短波通信是指波長100-10米(頻率為3-30MHz)的電磁波進行的無線電通信。短波通信傳輸信道具有變參特性,電離層易受環境影響,處于不斷變化當中,因此,其通信質量,不如其它通信方式如衛星、微波、光纖好。短波通信系統的效果好壞,主要取決于所使用電臺

  性能的好壞和天線的帶寬、增益、駐波比、方向性等因素。近年來短波電臺隨著新技術提高發展很快,實現了數字化、固態化、小型化,但天線技術的發展卻較為滯后。由于短波比超短波、衛星、微波的波長長,所以,短波天線體積較大。在短波通信中,選用一個性能良好的天線對于改善通信效果極為重要。下面簡單介紹短波天線如何選型和幾種常用的天線性能。衡量天線性能因素

  天線是無線通信系統最基本部件,決定了通信系統的特性。不同的天線有不同的輻射類型、極性、增益以及阻抗。

  1輻射類型

  決定了輻射能量的分配,是天線所有特性中最重要的因素,它包括全向型和方向型。

  2極性

  極性定義了天線最大輻射方向電氣矢量的方向。垂直或單極性天線(鞭天線)具有垂直極性,水平天線具有水平極性。

  3增益

  天線的增益是天線的基本屬性,可以衡量天線的優劣。增益是指定方向上的最大輻射強度與天線最大輻射強度的比值,通常使用半波雙極天線作為參考天線,其它類型天線最大方向上的輻射強度可以與參考天線進行比較,得出天線增益。一般高增益天線的帶寬較窄。

  4阻抗和駐波比(VSWR)

  天線系統的輸入阻抗直接影響天線發射效率。當駐波比(VSWR)1:1時沒有反射波,電壓反射比為1。當VSWR大于1時,反射功率也隨之增加。發射天線給出的駐波比值是最大允許值。例如:VSWR為2:1時意味著,反射功率消耗總發射功率的11%,信號損失0.5dB。VSWR為1.5:1時,損失4%功率,信號降低0.18dB。幾種常用的短波天線

  1八木天線(Yagi Antenna)

  八木天線在短波通信中通常用于大于6MHz以上頻段,八木天線在理想情況下增益可達到19dB,八木天線應用于窄帶和高增益短波通信,可架設安裝在鐵塔上具有很強的方向性。在一個鐵塔上可同時架設幾個八木天線,八木天線的主要優點是價格便宜。

  2對數周期天線(Log Periodic Antenna)

  對數周期天線價格昂貴,但可以使用在多種頻率和仰角上。對數周期天線適合于中、短波通信,利用天波信號,效率高,接近于發射期望值。與其它高增益天線相比,對數周期天線方向性更強,對無用方向信號的衰減更大。

  3長線天線(Long-Wire Antennas)

  長線天線優點是結構簡單,價格低,增益適中。與八木天線和對極周期天線比,長線天線長度方向性和增益低。但其優勢在于,由于其增益與線長度有關,用戶可以找到最佳接收線的長度和角度。通過比較信號波長,計算出線的長度,非常適合于遠距離通信。當線長4倍波長在仰角為25度時與雙極天線比增益高3dB,當線長8倍于波長時,增益高6dB,仰角下降到18度,

  4車載移動天線(Mobile Antennas)

  移動天線一般工作在2.0~25MHz頻段上,為垂直極性天線,性能與機械特性有關,天線長度較短,在低仰角工作時,發射效率適中。在通常情況下,車載天線仰角應大于45度,因為天線長度較短,是低效天線。在汽車上,機械特性限制了天線的選擇,但天線可以放置為倒"L"型,這樣增加了天線的垂直輻射面,可以提高發射效率,倒"L"天線適宜用于中短波通信。常用短波天線性能

  方向性天線、簡單的雙極天線適用于短距離通信,但短波遠距離通信信號微弱,甚至被各種噪音淹沒時,天線就需要選擇比雙極天線增益更高的天線。理想方向性天線在工作方向上具有很高增益而無用方向上增益為0。不同環境下天線選型

  1.固定站間遠/近距離通訊 由于固定站間通訊方向是固定不變的,所以一般采用高增益,方向性強的短波天線。通信距離在1000-3000公里,可使用高增益,低仰角對數周期天線(LP),但天線價格昂貴。在實踐中100W短波自適應電臺配這種天線,可基本實現北京至昆明,烏魯木齊甚至拉薩全天候通信。如果通信質量要求不是太高也可使用價格相對便宜的天線如八木天線,長線天線,但長線天線需用天調。距離在600Km以內時采用水平雙極天線可取得較好效果,但水平雙極天線占地較大,中心站電臺較多不適合布天線陣。

  2.固定站與移動站間通訊 由于移動站在運動中,通訊方向不固定,所以中心站的天線應選用全向天線,例如,多膜短波寬帶天線或配有天線調諧器的鞭狀天線。多膜天線雖然價格較貴,但是一個天線竿上可以繞三副天線(倆副高仰角天線,一副低仰角天線)遠、近距離通信均可兼顧。中心站也可用鞭狀天線,鞭狀天線的仰角低,近距(20--100公里)通信困難,遠距離(500--3000公里)只要頻率合適,通信效果較好。移動站天線由于安裝面的限制,多采用鞭狀天線,國內有時用柵網、雙環、三環天線。遠距離通信時,鞭狀天線豎直,近距離通信則可以放置為倒"L"型,這樣使用增加了天線的垂直輻射面,可以提高發射效率。只要天線的發射角、電臺的工作頻率合適,可以克服短波盲區(30--80公里)的通信困難。

  3.干擾環境下的天線選型 電臺干擾是指工作在當前工作頻率附近的無線電臺的干擾,其中包括敵方有意識的電子干擾。由于短波通信的頻帶非常窄,而且現在短波用戶越來越多,因此電臺干擾就成為影響短波通信順暢的主要干擾源。特別對于軍用通信系統,這種情況尤其嚴重。電臺的干擾與其他自然條件引起的干擾有很大的不同,它帶有很大的隨機性和不可預測性。在敵方有意識的電子干擾情況下,采用高增益、方向性強的對數周期天線可取得一定的效果。當然,克服干擾主要提高短波電臺性能(發射功率、接收靈敏度等等)或者采用頻率自適應、短波寬帶跳頻技術。如果需要數傳,調制解調器性能也非常關鍵,帶有交織功能的串行體制短波高速調制解調器具有良好的抗干擾性能。

  在影響短波通信效果的主要因素中,天線是首要的。選擇一副好天線可以使電臺的有效幅射功率成倍甚至成幾倍增加。

  根據通信距離、通信方向(定向或全向)、承受功率的不同,短波天線品種可以有多種選擇,但我國用戶更喜歡使用寬帶雙極天線,從國際上看使用寬帶天線也是流行趨勢,這是因為寬帶天線具有結構簡單,架設方便,不用天調,不接地線,頻率范圍寬等優點。但問題是,我國用戶目前廣泛使用的是效率很低的普通雙極寬帶天線,這種天線雖然價格便宜,但是幅射效率很低,通信質量差,此外還存在質量粗糙,架設狀態不穩等多種問題。

  本文介紹一種新型天線三線式高效寬帶天線。這種天線的兩極由三條平行振子組成,工作頻段2~30MHz,不用天調。與普通雙極寬帶天線相比,三線天線具有以下顯著優勢:

  1、三線天線有3~5dbi的相對增益,而且在全頻段基本上保持2:1以下的優異駐波比,而普通寬帶天線在很多頻率上的駐波比超過2.5:1,因此三線天線的幅射效率明顯高于普通寬帶雙極天線。

  2、普通雙極天線重心偏斜,隨風擺動,狀態不穩定,影響通信效果且容易損壞。而三線天線的形態和結構非常合理,架設后三條振子始終保持水平,性能穩定,且抗風能力強,不易損壞。

  3、普通寬帶天線只能平拉架設,而三線天線有平拉和倒‘V’兩種架設方式,具有多種用途。

  4、三線天線在近距離(覆蓋盲區)的通信效果遠比普通雙極天線和籠型天線為佳,中遠距離通信效果也相當好。

  以下分別介紹三線天線的兩種架設方式及其不同用途:平拉架設

  平拉架設主要用于點對點定向通信,或點對扇面的通信。三線天線平拉架設方法與普通寬帶天線相同,都是在天線的兩端架設高桿,將天線在兩桿之間拉直。但是三線天線平拉架設的方向圖與普通寬帶天線不同。在較低頻率下,普通寬帶天線的方向圖是雙球形,方向性強,在天線的窄邊方向沒有幅射;而三線天線的方向圖是橢圓形,不僅在寬邊方向幅射很強,在窄邊方向也有一定幅射。因此三線天線在平拉狀態下能夠兼顧窄邊方向的通信,適應性比普通寬帶天線要強得多。倒V架設

  倒V架設方式是三線天線獨有的特點。這種架設方式產生360°全向幅射,在較低頻率下還能夠產生高仰角幅射,因此能夠勝任通信網的中心站天線。特別是對于移動通信,三線天線的優勢更為明顯。它符合移動通信中心站的各種要素:全向;兼顧近、中、遠各種距離;與各種類型各種極化方式的車載、船載、固定臺的天線都能良好兼容。

  我們發現不少用戶使用雙極寬帶天線或鞭狀天線作為短波移動網的中心站天線,這是造成通信不好的原因之一。從原理上看這兩種天線都不適合用做中心站天線。原因在于:它們的方向圖都不適合全方位全距離通信,不適合移動通信的要求;在高仰角方向輻射微弱,近距離效果不好,存在通信盲區。

  一些移動通信網的用戶往往只注意移動臺(車和船)的天線改造,這當然非常重要。但應當指出,僅僅改造移動臺天線是不夠的,中心基站的天線也必須同時改造,才能從根本上提高移動通信的質量。

  以下使用實例能夠充分說明三線天線的通信效果:

  在我國沿海城市架設,與北太平洋和南太平洋的船隊保持不間斷聯絡,通信距離超過5500海里;

  在我國北部的黑龍江和南部的海南島之間通信,距離超過3200公里,通信質量良好;

  在多數省會城市架設,與全省境內行駛的車輛和地區分臺保持不間斷聯絡,其中包括西藏、內蒙、新疆等高原或戈壁地區。

  三線天線造價略高于普通寬帶天線,但低于其它短波基站天線,符合我國用戶的經濟條件。對于正在使用的通信網,花費少量投資將舊天線更換為三線天線,顯著提升通信質量,顯然是事半功倍。三線式短波基站天線

  全頻段、高效率、狀態平穩、架設方便、抗風力強、不易損壞

  三線式天線是一種性能優秀的新型短波天線,在1.6~30MHz頻段工作,不用配接天調,不用連接地線,能夠在近中遠各種距離都保持很好的通信效果,近年來在全世界獲得廣泛應用。

  三線式天線的結構完全不同于寬帶雙極天線。它采用獨特的三線偶極結構,損耗小,輻射效率高,重量輕,全頻帶內保持低駐波比。三線式天線徹底克服了普通寬帶雙極天線重心偏斜,隨風搖擺,損壞的痼疾,架設狀態平穩,不但保證通信效果的穩定,而且抗風能力強,不易損壞。

  實踐證明,原來配用寬帶雙極天線的臺站,換用三線天線后信號等級顯著提升。此外三線天線造價較低,適合在我國推廣應用,大面積提高短波通信的質量。

  三線式天線可以選擇兩種架設方式,分別適應不同的用途:倒‘V’方式架設(用于全方向通信)

  倒V架設是將天線中央部位懸掛在支撐桿頂端,兩邊斜向拉直,振子對地夾角約55o這種架設方式產生全方位輻射,而且兼顧水平極化波和垂直極化波,對外圍各方向的水平天線、鞭狀天線、環狀天線的通信效果都很好,適合做中心站天線,配用其所長125W電臺通信半徑可達1500公里。

  天線長度為30米時,中央架高15米,兩側架高2米,間距18米。平拉方式架設(用于定向通信)

  這種架設方式在天線的寬邊方向的輻射強于窄邊方向(例如:東西向架設時,南北向為寬邊),因此適合點對點、點對扇面定向通信。配用125W電臺最大通信距離可達2000~3000公里。

  兩側支架高度以1/4波長為佳(例如:F=10MHz,支架最佳高度約7.5米),通常以常用頻率的均值設計支架高度。若受場地限制,也可以利用建筑物作為支架。


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