直升机超短波通信链路分析

周文兵，陈志君

(1.中国直升机设计研究所，江西景德镇 333001;2.总参陆航研究所，北京 101121)

0 引言

通信链路分析的目的是根据通信距离等指标要求进行通信系统的指标分配，分析多部机载通信系统间的相应影响。超短波通信由于通信频率较高，主要依靠直射波进行视距通信，且绕射能力差;超短波电台的通信距离除受视距的限制之外，还受到电台的接收灵敏度、发射功率、天线增益和分配器的插入损耗等一系列因素的制约，因此，要在有限的技术条件下经济简约地实现通信距离的战术要求，超短波通信链路指标的分配和相互干扰分析是较为关键的一环。本文主要通过对超短波通信链路的分析，得出直升机超短波通信链路模型;以实现超短波电台通信距离要求为目标，分析通信链路中影响通信距离的各因素及影响程度，并根据直升机的实际情况，对机上多部超短波电台的配置及与其他机载设备的电磁兼容性提出改善建议。

1 通信视距的计算

由于地球为球形，凸起的地表会遮挡两个天线的视线。其视线所能达到的最大距离称为视线距离(简称视距［1］)。见图 1。

图1 通信视距

式中:d0单位为千米(km);h1和 h2单位均为米(m)。

根据电磁波在不均匀介质中的传播理论:电波传播时会受到大气折射，使得电波在地球表面上空的传播路径沿地球表面而发生弯曲。实践证明，电磁波频率高于30MHz时，这种弯曲现象比较显著。因此，当接收天线虽然在几何视线距离之外，但仍然能有效地接收到信号，即实际通信距离大于几何视线距离。

综合考虑大气折射的平均效应后，超短波传播的有效视距［1］de可修正为:

根据几何学原理可以得出视距d0为:

式中:de单位为千米(km);h1和 h2单位均为米(m)。

例，船上接收天线高40m，根据公式(2)可以计算出直升机在不同飞行高度下对应的理论有效视距及工程取值，见表1。

2 超短波通信距离影响因素分析

2.1 天线增益及其隔离度

天线增益及相互间的隔离度对超短波电台的通信距离影响巨大。直升机上由于任务需要，经常需安装多部超短波电台，每部电台配装1副机载天线或为便于天线布局采用复合天线(例，U/V段与L波段复合，两频段之间的隔离度要求至少35dB)。机载天线装机后，由于机身对于电磁波的影响，造成天线方向性图(或增益)产生相应的畸变，在计算通信距离时需根据机载天线装机后实际辐射方向图的畸变程度考虑进行相应补偿。如天线隔离度过小，强发射信号可以使接收机处于非线性区工作，产生交调、互调、减敏等效应［2］;GJB6035-2001《甚高频机载通信设备天线分系统通用规范》第3.9.8节要求，两套甚高频通信系统间天线之间的隔离度应不小于45dB［3］。结果合理的天线布局，直升机上配备的多套超短波通信系统天线间隔离度一般能满足最小45dB的要求。图2为某直升机上超短波天线间隔离度的实测数据。因此通信距离计算时可使用超短波电台原始灵敏度指标，不需考虑减敏等效应。

图2 某直升机超短波天线间隔离度

2.2 发射机载波对其他超短波接收系统的影响

一般接收机在干扰频率偏离工作频率±10%以外的隔离指标应达到80dBc以上［4］。例，某直升机超短波电台最高灵敏度为-113dB，在电台接收前端同时输入一个灵敏度值的工作频率信号和一个偏离工作频率±10%的干扰信号时，在不影响灵敏度的情况下，允许进入电台接收机前端的干扰信号幅度最大不能超过-33dBm。

如超短波天线间最小隔离度为45dB，收/发滤波器插损同为3dB且收/发馈线损耗分别为1.5dB/2dB，当使用75W(48.7dBm)大功率电台发射时，同机其他超短波电台接收到的信号强度为 -5.8 dBm，大于电台降灵指标所允许的最大输入电平-33dBm。为保证系统正常工作，须在接收机与天线之间增加共址滤波器，对接收机带外信号进行加强抑制，并要求在中心频率±10%时抑制度要大于27.2dB。

如使用机载复合天线(U/V段与L波段复用天线)，在L波段发射时会对超短波接收机产生影响。如L波段以最大功率200W(53dB)发射时，考虑到滤波器最少27.2dB的带外抑制，天线U/V段与L波段之间的隔离度35dB，超短波接收机能接收到的信号为-9.2dBm，大于电台降灵指标所允许输入的最大电平-33dBm，故还需增加对L波段抑制至少23.8dB的滤波器。

2.3 宽带噪声对接收机灵敏度的影响

发射机宽带噪声达到一定水平时，会对共址工作的接收机灵敏度造成影响，降低接收机灵敏度。当进入接收机的宽带噪声电平比灵敏度电平低最少10dB时，基本上不会对接收机造成影响［4］。发射机宽带噪声对接收机的影响按照下面的方法计算:

其中:PRn为接收机收到的宽带噪声信号电平(dBm);PTn为发射机宽带噪声谱密度(dBm/Hz);BW为接收机中频带宽(Hz);L为天线隔离度。

两部电台工作频率间隔大于10MHz，并且在非扩频模式工作时，30W/75W型电台发射机宽带噪声谱密度PTn=-100dBm/Hz;BW按工作模式不同分别取38kHz(窄带);天线隔离度不小于45dB;可计算出此时落入话音电台接收机带内的宽带噪声信号电平为:

电台在FM状态下输出信噪比10dB时，灵敏度低于-113dBm，而当两部电台同时工作时，落入到话台带内的最小宽带噪声电平比灵敏度电平高出13.8dB，影响了电台的接收。电台在其他工作模式下对滤波器的要求同理计算。

数据显示，在发射机到天线口之间加装的共址滤波器须对宽带噪声有至少20dB的抑制才能保证通信系统的基本正常工作。

2.4 通信链路模型

根据对直升机机载超短波链路从信源到信宿的完整通信过程及与其他机载设备的干扰分析，可得通用直升机通信链路简化模型，如图3所示。

图3 超短波通信链路简化模型

根据电波传播理论［1］，处于无遮挡视距范围内的接收天线所能接收到的最大场强Er为:

考虑信源到信宿的超短波全链路通信模型，在收/发电台间的计算公式可修改为:

式中:PR为接收机灵敏度，单位为dBmW;PT为发射机功率，单位为dBmW;d为通信距离，单位为km;f为工作频率，单位为MHz;LT为发射机上馈线损耗，单位为dB;LR为接收机上馈线损耗，单位为dB;GT为发射天线增益，单位为dB;GR为接收天线增益，单位为dB;LRXfilter为发滤波器插入损耗，单位为dB;LTXfilter为收滤波器插入损耗，单位为dB;C为衰减因子和环境噪声，分别为3dB，共6dB，为估计值。

3 超短波电台通信距离的计算

在暂不考虑直升机内部电磁环境及其周围复杂的电磁环境对超短波链路灵敏度的影响，UHF天线装机后由反射面的大小、机身遮挡而引起的天线增益和方向性图的变化，直升机飞行姿态对通信的影响等的情况下，影响通信距离的关键因素有:发射机功率、收/发多路耦合器插损、收/发防干扰滤波器插损、发射天线增益、自由空间损耗、接收天线增益、接收灵敏度等。

根据直升机超短波电台具体工作模式(如AM、FM、DS、FH、MSK、TCM 等)，下电台的发射功率和灵敏度指标，天线在V/UHF频段实测增益，天线馈线损耗和收/发滤波器插损等可以计算出各工作模式下超短波电台的通信距离。也可根据通信距离指标要求，对电台功率、天线增益和滤波器插损等进行指标分配。某直升机TCM/FH调制模式下电台通信距离计算结果(不考虑视距限制的情况下，通信系统电信号传输的理论距离)见图4。

图4 TCM/FH调制模式下电台的通信距离

4 提高超短波通信距离的途径分析

根据图3通信链路模型，有以下几种方法可提高超短波电台通信距离:

1)提高天线增益。由于天线对通信距离的影响非常关键，因此提高天线的增益是最有效的方式，包括:整体改善天线增益指标;根据传播距离公式与频率的关系，只针对不符合要求的部分频段或频点进行增益提高;同时，通过提高天线增益来提高通信距离的方式对直升机整体设计改动极小，包括电磁兼容设计方面。

2)提高接收机灵敏度。接收机敏感度提高后能到达提高通信距离的目的，但是另一方面也更容易受周围电磁环境的干扰，易造成电磁兼容问题(易受敏感)，同时对链路中滤波器的要求提高。

3)加大发射机功率。增加发射极功率是改善通信距离非常有效的方式，不过随着发射机功率的增大，可能引起对机上其他设备的电磁兼容问题(增加电磁辐射强度);另外，功率加大还可能引起散热问题或耗能的增加等;并在安装空间及重量上有所增加。

4)减少整个传播链路上连接部位的插入损耗。此方式为有效的改进方式，对于通信距离的改善有一定的作用，主要是减少馈线损耗，各部件间连接头插入损耗，滤波器损耗等。

直升机如配置多部电台应根据各电台执行任务的差别，在满足通信距离指标的前提下，充分考虑到设备重量、耗能、散热、安装空间、电磁兼容和备份能力等各方面的问题。

5 结论

根据本文超短波通信链路模型和分析方法:

1)在指定通信距离指标的前提下，可对链路中各环节指标进行详细分配和相关作用关系计算;

2)应用于现有直升机通信链路系统的通信距离的预估;

3)从地面试验和试飞结论中得到验证，该通信模型可行，计算结论基本可靠，可用于工程设计。

［1］王元坤.电波传播理论［M］.北京:国防工业出版社，1984.

［2］陈穷.电磁兼容性工程设计手册［M］.北京:国防工业出版社，1993.

［3］GJB6035-2001，甚高频机载通信设备天线分系统通用规范［S］.2001.

［4］李同泉.超短波通信常见无线电干扰特点及排查方法［J］.山西电子技术，2001(3).

［5］耿京朝，李艳斌.超短波电波传播的分析与计算［J］.天线技术，2002(3).