舰艇短波地波通信链路计算与分析

张志刚1，谢 慧1，丁 雷2,聂 峰

(1.海军工程大学 电子工程学院，武汉 430033；2.南海舰队通信处，广东 湛江 524000；3.山东武警总队通信处，济南250000)

1 引 言

短波通信是海上舰艇通信的重要手段，由于舰艇上层建筑结构复杂，空间狭小，为减小占地面积，舰艇短波天线多采用体积小、架设方便的鞭天线。直立鞭天线的方向特性导致该天线采用天波通信时，在近距离存在通信盲区；另一方面，海水导电率大，对电波衰减小，海上舰艇间的近距离短波通信可采用地波传播。文献[1,2]在计算舰艇间的短波地波通信链路时，均将天线视为性能不随频率变化的理想天线，实际舰载鞭天线为保证阻抗带宽足够宽，通常在天线体上实施加载，以降低天线的驻波比[3]，而加载阻抗要吸收一部分能量，导致天线的辐射效率降低，尤其是低频段，天线的驻波比也较高，因此鞭天线实际辐射出去的功率要远小于输入功率，导致天线的实际通信能力与理想条件下计算的结果有较大差距。本文结合舰载鞭天线仿真和测量的实际数据，考虑天线辐射效率和馈线传输效率的影响，对海上舰艇近距离地波通信能力进行计算和分析，可比较真实地反映舰艇近距离短波地波通信情况。

2 天线性能仿真计算

10 m鞭天线是舰艇上使用较多的一种短波宽带天线，为了实现鞭天线驻波比的宽带化，在天线鞭体上设置两个集中加载点，上加载点为RL并联加载，下加载点为RLC并联加载，天线结构见图1，采用矩量法计算该天线的电气性能[3]。

图1 短波单鞭加载天线示意图Fig.1 Schematic drawing of single loaded HF whip antenna

在矩量法中，激励区采用δ电压源时，外加电场可表示为[4]

Eiz=Vδ(z)

(1)

式中，V为激励电压。

对于集中加载，在加载区长度比天线长度小很多的情况下，可用狄拉克函数来代替加载区及其邻域中加载阻抗的分布规律。天线的集中加载阻抗分布可表示为

Z(z)=Ziδ(z-zi)

(2)

式中,Zi为加载处的集总元件阻抗，zi为加载区中心点位置。

采用海伦积分方程，表达式为

(3)

选用正弦插值基时，第i段上电流可用下式表示[4]：

Ii(z)=Ai+Bisink(z-zi)+Cicosk(z-zi)，
z-zi<Δi/2

(4)

式中，Δi为第i段的长度，zi为该段中点的坐标，Ai、Bi、Ci为3个未知系数。

将电流展开函数代入积分方程，用沿天线轴线的线积分代替沿天线表面的面积分，权函数采用δ函数，就可得到一个矩阵方程，求解这个矩阵方程即可获得天线上的电流分布，进而计算出天线的输入阻抗、增益和方向图等参数。图2为天线沿海面方向的增益仿真曲线和发射机输出端的驻波比测试曲线。

图2 10 m短波宽带鞭天线的驻波比及水平方向的增益Fig.2 The VSWR and power gain of 10 m HF whip antenna

由图2可见，由于鞭天线在低频段的辐射效率非常低，导致天线在低频段的实际增益比较低，3 MHz时低于-8 dBi，而且由于低频段驻波比比较高，实际传送到天线上的功率比理想情况低得多。

3 地波场强计算

考虑地波传播过程中的扩散损耗和地面吸收损耗，在接收点可达到的场强值(mV/m)可表示为

(5)

式中，A为由大地损耗所引起的衰减因子，Pr为辐射功率(单位：km)，D为传播方向的增益系数，r为收发距离(单位：km)。衰减因子的计算与传播距离有关，小于临界距离，可忽略地球弯曲对传输的影响；如果收发距离超过了该距离，计算时必须考虑地球弯曲的影响。临界距离由下式给出：

dcr=80f-1/3

(6)

衰减因子计算方法如下：

(1)当d

通常，相位常数β≤90°，衰减因子常用以下经验公式计算：

(7)

式中，f为工作频率，单位为MHz;σ为地表电导率，单位为s·m-1；εr为相对介电常数；λ为波长，单位为m;d为距离，单位为km。

(2)当d>dcr时

此时到达接收点的地波是沿着地球弧形表面绕射传播的，必须考虑地球曲率的影响，这种远距离的地波电场强度必须使用绕射公式进行计算，此时的衰减因子A为

(8)

式中，参量δ值随电波的极化而变，鞭天线沿海面主要为垂直极化。对垂直极化而言：

(9)

参量τ0为一复数，其实部Re(τ0)和虚部Im(τ0)与模量δ=k的关系可在文献[7]中查取；参变量φ为相位常数，其计算公式为

(10)

4 计算结果分析

根据式(5)，结合10 m鞭天线的增益仿真结果和驻波比测试结果，对舰载鞭天线在海上不同条件下的地波通信链路进行计算，典型地设置发射机输出功率为1 kW，考虑馈线损耗，实际天线的输入功率为800 W，海面相对介电常数εr=80，电导率σ=4 Ω/m。

计算距离分别为300 km、200 km、100 km时接收点场强与频率的关系，结果如图3所示。

图3 不同距离时接收点场强与频率的关系Fig.3 Field strength vs. frequency at different distance

由图3可见，由于受辐射效率及馈线系统传输效率的影响，10 m鞭天线在接收点获得的实际场强要比理想情况下低，尤其是3 MHz，相差15 dB左右。与理想天线场强随工作频率升高而下降的单一变化趋势不同，实际鞭天线用地波进行通信时存在一个最佳工作频段，由图3可见，通信距离为100 km时，4～8 MHz时信号较强，200 km时最佳工作频段为4～6 MHz，300 km的最佳工作频段为4～5 MHz，通信距离越远，最佳工作频段宽度越窄，频率也越低，表明虽然天线的辐射效率和馈线系统的传输效率在低频段比较低，但是由于地波衰减随频率升高也迅速增加，因此综合而言，较低的工作频率仍然具有优势，不过由于3 MHz时天线的辐射效率和传输效率过低，因此场强明显偏低。若取天线接收的最低场强要求为20 dBμV·m-1，计算天线在海上能够有效覆盖的最远距离与工作频率的关系，如图4所示。

图4 在海面不同频率信号能被有效接收的最远距离Fig.4 The longest distance that signal can be effectively received

由图4可见，在海面上，为使舰艇短波地波传播距离最远，工作频率应选取为3～5 MHz，此时传播距离在500～550 km左右；超过5 MHz后，传播距离将显著缩短。

5 结 论

舰载鞭天线的实际辐射性能对舰艇短波近距离地波通信能力有较大的影响，文中结合天线仿真和测量数据，考虑了天线辐射效率和馈线传输效率的影响，对海上舰艇短波地波通信能力进行计算，得出了一些有用的结论：

(1)通信距离为100 km时，舰载10 m鞭天线工作频率为4～8 MHz可使接收点获得最强的场强；200 km时，最佳工作频率为4～6 MHz；300 km时，最佳工作频率为4～5 MHz；

(2)在海面上最低场强要求为20 dBμV·m-1时，为使传播距离最远，工作频率应选取为3～5 MHz，此时传播距离可达500～550 km；超过5 MHz后，传播距离将显著缩短。

参考文献：

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