基于短波车载三环天线的通信性能分析

李长勇，胡中豫，吴　迪

(重庆通信学院，重庆 400035)



基于短波车载三环天线的通信性能分析

李长勇，胡中豫，吴迪

(重庆通信学院，重庆 400035)

摘要：电离层特性对短波天波通信性能有较大影响，但研究短波天线运用对通信性能影响的文献很少。采用MMANA-GAL软件仿真分析了车载三环天线的性能参数，并结合短波通信链路性能分析软件(简称ITS软件)分析了车载三环天线与鞭天线不同运用时的通信性能比较，结果显示车载三环天线在低频端工作时，高仰角辐射差，大于10 MHz后天波高仰角辐射增强，增益随着频率增大明显增大。通信性能分析可知，10 MHz工作时，车载三环天线的近距离(300 km内)通信时接收机可以有更高的信噪比,所以车载三环天线在近距离通信有更好的应用效果。

关键词：车载三环天线；MMANA-GAL；天线方向性；ITS软件；信噪比

0引言

车载三环天线是鞭天线接一个由3个水平环组成的顶负载。天线调谐器安装于车体内，天线从车体内的天调伸出，三环到天调间的连线相当于鞭天线的垂直部分。采用这种三环结构与传统垂直鞭天线相比带来以下好处[1]：① 降低了天线的高度，提高车辆的通过能力；② 通过加项负载，天线的电长度比鞭天线长得多，并改善了天线低频端的阻抗特性，有利于天调的调谐匹配；③ 天线的三环水平放置在车顶，提高了近垂直方向的辐射性能，有利于克服短波通信中的“盲区”。但众多的资料如文献[2-4]没有给出三环天线的辐射方向图的情况，没有对天线的克服通信盲区进行解释的理论依据。本文利用了MMANA-GAL天线仿真软件对该天线的相关性能参数进行了仿真分析，得到了天线的方向性、增益和输入阻抗等参数值。从方向图和输入阻抗看，仿真结果与文献[1]中说到的三环天线的特性相吻合，有利于克服通信盲区和改善低频端阻抗特性。在分析三环天线特性的基础上，本研究还建立了基于ITS软件的天线模型，利用ITS软件进行通信链路性能分析，比较了与传统鞭天线的性能。

1车载三环天线的结构及仿真模型建立

三环天线的三环所在平面长3.2 m,宽1.8 m，由直径2.5 cm线管构成，馈线接于离一端30 cm的边管线上，馈线由车顶延伸上来，长90 cm，根据实际的天线结构和尺寸建立了水平三环天线天线的MMANA-GAL模型如图1所示，模型下边的栅格网等效于车体的车顶，上部的三环结构为天线的加载顶，天线的主要辐射部分为直立的90 cm长的鞭状线。坐标原点在金属反射面上，设置反射面离地高度为车顶离地高度3 m。结合实际，设置地面电导率为5 ms/m，电介常数为13。

图1　车载三环天线的结构模型图

用于天线模型的建立和仿真的软件为MMANA-GAL。该软件与其它电磁仿真软件如(HFSS，XFDTD)相比的主要特点是针对线性结构的天线进行建模，可以设计大尺寸(几十米长)的天线，计算方便快捷，平面结构可以用网格等效，只要网格的尺寸相对波长足够小。除了可以计算辐射方向增益数据外，还可以计算天线输入阻抗和对应馈电线阻抗的LC匹配电路参数值。

2车载三环天线的仿真与分析

同一天线尺寸确定后，不同的工作频率天线的特性有所不同，性能参数也随频率有所变化，由于该天线主要用于短波频段2～30 MHz，考虑文章篇幅有限，只分别仿真计算了天线工作在2 MHz、5 MHz、10 MHz、15 MHz、20 MHz、24 MHz和28 MHz等几个频率的辐射特性以及相关参数，以便于考查变化趋势。

2.1辐射方向增益

图2给出了几个频点的E面方面图，通过比较分析可知：随着频率增大，E面(XOZ垂直面)最大辐射方向有一定的仰角，在高仰角方向上增益随频率逐渐增大。由于鞭天线在整个频段内与2 MHz的方向图类似，不具备高仰角辐射能力，所以在低频端5 MHz以下，高仰角辐射性不强，与鞭天线辐射特性有些相似，随着频率增大，高仰角辐射更强，10 MHz以上更加明显。H面(XOY水平面)在各个频率点基本呈现全向性，只是在28 MHz这个频率上有些向X轴方向偏移，从仿真结构分析可能与反射面的位置有关。

在应用中考虑辐射仰角与通信距离关系时，远距离通信要求辐射仰角低，近距离通信要求辐射仰角高。这个关系可以参考文献[5]，从三环天线的在5 MHz以下的方向图可知，低仰角(30°～60°)度辐射更强，高仰角辐射(60°～90°)辐射弱，因此不适合近距离通信，不利于克服短波通信中的盲区。随着频率的增大，高仰角辐射增强，大于10 MHz后，高仰角辐射强于低仰角辐射，但在近距离克服通信盲区时，不能工作在太高的频率，因为太高的频率信号不利于电磁波的电离层反射，一般情况下不大于15 MHz。

图2　三环天线在7个频率点下的E面方向图

2.2增益与输入阻抗

仿真计算出了天线在每间隔2 MHz的频点的增益值和输入阻抗。图3给出了增益值，从增益的数值分析可知，在低频端(10 MHz以下)，天线增益不高，结合方向图可以知道，虽低频端低仰角辐射更强适合远距离通信，但增益不高也会影响通信性能。随着频率增大，增益增大，辐射性能更好，但作为近距离通信时克服通信盲区也不应选择太高频率。

图3　天线增益与频率关系

图4给出了不同频率下的天线输入阻抗值。从输入阻抗数值可知，在低频端，电阻与电抗的变化不是那么剧烈，更有利于自动天线调谐器的匹配。这也解释了文献[1]提到的三环天线与鞭天线相比改善了低频端的阻抗特性这一结论。实际应用中，馈线与天线输入端接有自动天线调谐器以实现阻抗匹配，通过仿真可以得到不同频率下所采用的匹配电路以及电路中的阻抗数值。

图4　天线输入阻抗与频率关系

3车载三环天线用于短波通信的性能分析

美国国家电信和信息局的电信科学协会(NTIA/ITS)开发的仿真器ITS HF Propagation(ITS软件)可进行短波通信链路性能的仿真分析[6,7]。该软件利用电离层变化特性通过选择不同天线类型，分析不同日期时间下的频率与接收端信噪比的关系来进行短波链路规划。在实际运用中证明是目前最可靠实用的短波通信链路分析软件[8-11]。软件主要由基于ICEPAC(电离层剖面增强电路性能分析程序)、VOACAP(美国之音电路分析程序)、REC533(国际电联建议报告Rec533模型分析程序)的3种模型开发的点对点和区域覆盖分析模块组成。可以对短波通信链路进行点对点性能分析和区域覆盖性能分析，以对短波链路建设进行规划(选频 、选天线和选址等)。

3.1ITS软件天线模型建立

现有短波天线中，部分天线结构与ITS软件的天线结构模型相同，只是尺寸大小需要指定，如：水平双极天线(笼形天线)对应ITS软件中的天线类型 23、终端加载水平菱形天线对应ITS中的天线类型21、水平对数周期天线对应ITS中的天线类型05、垂直单极(鞭)天线对应ITS中的天线类型10等，要进行短波链路分析时，可以在ITS中的天线分析模块HFANT中指定参数值，就可创建这些天线的模型。

较新的几种常用天线如：固定台站的水平三线宽带天线、倒V型三线宽带天线、倒V型双极宽带天线以及机动台的车载弓形天线(半环天线)、车载三环天线在ITS软件中没有可用模型，需要对这几种天线进行建模。在MMANA-GAL中，按天线的实际结构画出天线，在每个频点上进行天线仿真，分别得到每个频点不同俯仰角不同方位角的增益数据。再把这些数据组合成 sample.90文件结构相同的文件，形成天线数据文件。在研究工作中生成了“水平三线宽带天线”和“车载三环天线”等天线模型文件并可用于ITS仿真。

3.2车载三环天线通信性能分析

3.2.1仿真条件

仿真环境是基于ITS软件的“ICEAREA”短波通信区域覆盖模型分析模块进行仿真，以成都为发射机中心，发射机功率1 000 W，用到的天线有水平三线宽带天线、10 m鞭天线、车载三环天线。分析比较收发都为10 m鞭天线和车载三环天线的性能；发天线为水平三线宽带天线，收端分别为10 m鞭天线和车载三环天线的性能。

主要条件：太阳黑子数SSN=80，地磁活动指数Q=2，系统参数设置：噪声电平-145 dB，主瓣最小仰角0.1°，电路可靠度(可通率)90%，接收机系统要求1 Hz带宽下的信噪比为42 dB，多径信号功率容许3 dB，最大容许时延0.1 ms。UT=4( 北京时间中午12点)，考虑馈线损耗，天线实际输入功率700 W，主瓣方向正北；收天线分别为10 m鞭天线、车载三环天线，主瓣向北方。分析参数为接收机接收端的信噪比(SNR)，由于考虑电路可靠度90%，所以又以SNR90表示。

3.2.2仿真结果

仿真输出参数主要考查电路可靠度为90%时的接收机可获得的信噪比(SNR90)，图中信噪比等值线区域含义表示：如接收机处在这个区域内，则接收机可以获得这个数值的信噪比。由于接收机要求达到某一个数值(如42 dB(1 Hz带宽下))的信噪比才能可靠通信，则比较2种天线作接收天线时接收端信号比可达到42 dB的区域。

(1) 不同工作频率时的区域覆盖性能

位于成都中心的发天线为车载三环天线，收天线也为车载三环天线时，频率分别为5 MHz和10 MHz时的区域覆盖性能进行分析，5 MHz时的整个中国区域内的信噪比都很低，小于42 dB；10 MHz时，以成都为中心的一个500 km左右的椭圆内的信噪比<42 dB,在大于这个椭圆以外到1 500 km以内的大于椭圆内可以达到42 dB的信噪比。说明15 MHz的频率比5 MHz的工作频率有更好的性能覆盖。

(2) 不同天线时的性能比较

比较2种天线在10 MHz时的区域覆盖性能，收发天线均为车载三环天线时，性能覆盖区域如图5(a)所示，信噪比>42以上的区域在半径从100～1 000 km范围内；收发天线均为鞭天线时如图5(b)，信噪比>42以上的区域在半径从5 00 km到1 000 km范围内；因此很显然，收发天线均为车载三环天线的近距离覆盖可以达更近的区域，这从2种天线的方向图比较可以解释。

图5　不同收发天线时的性能覆盖区域

(3) 车载三环天线和鞭天线时的比较

以水平三线宽带天线作发射天线，图6(a)为接收天线为10 m鞭天线时的性能区域覆盖图，图6(b)为接收天线为水平三环天线时的性能区域覆盖图。从图6可知，信噪比>42 dB的区域出现在以昆明为中心半径500 km的椭圆区域和处于西宁、兰州和银川覆盖区的椭圆区域。2种天线的接收性能比较一致。

图6　发射机天线水平三线宽带天线，2种天线收时的信噪比分布图

但比较以成都为中心的300 km以内的区域可以发现，图6(a)中的10 m鞭天线作接收时信噪比在35 dB以下，图6(b)中以三环天线作接收天线时，信噪比在35 dB以上，所以三环天线在近距离通信时，接收机可以获得更好的信噪比。

4结束语

由于车载三环天线在大于10 MHz的频率有很好的高仰角辐射能力，所以在收发天线均为车载三环天线时，10 MHz时车载三环天线比鞭天线的近距离覆盖性能好；以三线宽带天线作发射天线，车载三环天线作收天线时，在远距离区域通信的性能与鞭天线作收天线时比较一致，但在近距离区域比10 m鞭天线的作接收天线时有更好的通信性能。从方向图理论分析可知选择更高的频率，车载三环天线高仰角辐射更好，但由于频率增高电波穿透电离层会使反射能力变弱，所以在实际使用中不能选择太高的频率，一般低于15 MHz以下。通过分析比较之选择不同收发天线、不同时间和频率时的性能覆盖关系，可以为通信系统规划提供天线选择和频率选择的依据。

参考文献

[1]蔡英仪，王坦.短波天线工程建设与维护[M].北京：解放军出版社，2003.

[2]美国业余无线电转播联盟.天线手册(修订版)(第2版)[M].北京：人民邮电出版社，2011.

[3]程智辉.车载NVIS天线的研究[D].西安：西安电子科技大学，2008：17-22.

[4]刘效明,熊飞.近距短波无盲区通信电波传播特性分析[J].无线电通信技术，2009，35(5)：7-10.

[5]李成，益晓新，张继宗.短波NVIS传播方式及NVIS天线设计[J].军事通信技术，1998(1)：15-19.

[6]李长勇，李引凡，李卫东.短波通信的频率选择与天线架设[J].重庆通信学院学报，2012，31(2)：7-10.

[7]李长勇，王少华，章峰斌,等.短波车载三环天线性能仿真[J].军事通信技术，2013,34(3):69-72.

[8]Makhdoom.Communications System Design Using Computer Modeling[J].SIG Technology Review,1995(3):20-32.

[9]吴伯秋.NTIA/ITS短波传播分析软件的功能与应用[J].通信与广播电视，1998(1)：1-9.

[10]牟薪苇，鞠占生.基于ITS软件的短波地空通信链路计算[J].电子科技，2008，21(6)：34-37.

[11]牟薪苇,谢绍斌,鞠占生.短波地空通信链路电磁计算与仿真[J].山东大学学报：工学版，2007，37(6)：71-73.

Analysis on Performance of HF Communication Circuit Based on Vehicular Three-loop Antenna

LI Chang-yong,HU Zhong-yu,WU Di

(ChongqingCommunication Institute,Chongqing 400035,China)

Abstract：In this paper,ITS software is used to analyze the performance of HF communication circuit when vehicular three-loop antenna and 10-meter whip antenna are used respectively.The result shows that the performance varies when different antennas are used.The three-loop antenna achieves high-elevation angle radiation under proper frequency,and obtains better signal-to-noise ratio(SNR)in a distance between 50-300 km,so it has the advantage of overcoming the problem of HF communication blind areas.So,the result shows that the antenna can be selected for better communication performance.

Key words：vehicular three-loop antenna;MMANA-GAL;antenna pattern;ITS software;signal-to-noise ratio

中图分类号：TN924+.2

文献标识码：A

文章编号：1003-3114(2016)02-59-4

作者简介：李长勇(1970—)，男，副教授/博士，主要研究方向：超宽带无线通信技术与天线技术。胡中豫(1954—)，男，教授，硕士生导师，主要研究方向：短波通信技术。吴迪(1984—)，男，讲师，硕士，主要研究方向：微波通信与智能天线。

收稿日期：2015-11-03

doi:10.3969/j.issn.1003-3114.2016.02.15

引用格式：李长勇，胡中豫，吴迪.基于短波车载三环天线的通信性能分析[J].无线电通信技术,2016,42(2):59-62.