短波通信天馈系统工程设计研究

魏文勇 王太峰

中通服咨询设计研究院有限公司

0 引言

短波通信是远距离通信的主要方式，在许多行业中都有广泛使用。但是短波通信受天气影响大，信道不稳定，频段窄、容量小、易受噪声干扰，天线设备复杂，场地要求高。做好短波通信系统的天馈线系统设计工作对短波通信的工程建设以及通信质量保障起着关键作用，本文重点对短波通信工程天馈线系统设计涉及到的链路预算、天线选型、馈线设计、天线场布置等方面进行分析和研究。

1 短波通信传播模式

短波分为地表波（简称“地波”）传播和电离层波（简称“天波”）传播，电离层对短波的最高反射频率为40MHz，最低反射频率为1.5MHz，其工作频段为3MHz-30MHz，对应的波长为100米-10米。地波传播的衰减随着频率的升高而增加，传播距离通常只有几十公里，因此短波主要使用天波传播方式，天波传播方式可传播数千公里。

电离层在垂直高度上呈分层结构，一般划分为D层（距离地面约50～90公里）、E层（距离地面90～130公里）、F1层（距离地面130～210公里）、F2层（距离地面210公里以上）。

通常以mXnY的结构来表述传播模式（X、Y为反射层名称，m、n为反射次数）。如表1所示。

表1 常用通信距离使用的传播模式

2 链路预算

链路预算由短波通信系统传播链路中各个节点的功率等级变化来表示。移动和固定短波电台的发射功率通常在几十瓦到一千瓦之间，天线增益则从-20dBi到20dBi不等。

短波无线的链路预算需计算天线方位角、仰角和架高等参数，使用的指标有工作频率、发射机功率、发射天线增益、电离层衰减、地表衰耗、空间损耗、系统噪声、接收天线增益、接收机灵敏度等。

2.1 接收点预期信噪比

（1）接收点预期信号功率Pe

接收点的预期信号功率Pe（dBm）为：

其中，Pt为发射功率（dBm），Gt为发射天线增益（dB），Gr为接收天线增益（dB），Lbf为自由空间中传播损耗：

其中，f为载波频率，单位为MHz，d为传输距离，单位为km。

（2）接收点有效噪声功率Pn

接收点的有效噪声功率Pn（dBm/Hz）为：

其中，Fa为接收点的有效噪声系数。（3）接收点预期高频信噪比S/N

其中，Lb（dB）为线路传输损耗。对于电离层传播，除自由空间损耗外，还包括日间D层吸收损耗LD和极化损耗Lpol，其中极化损耗一般设为2-3dB，日间D层损耗根据传输距离不同，从15dB到30dB不等，夜间D层消失，LD变为0。

2.2 通信大圆距离

发射点A和收信点B两点进行短波通信，之间的球面距离称为大圆距离。大圆距离D的计算公式为：

其中，x1为A点的纬度（°），x2为B点的纬度（°），y1为A点的经度（°），y2为B点的经度（°），D为收发点之间的大圆距离（km），d为收发点之间大圆弧所对应的地球中心夹角（°）。

2.3 天线方位角

计算发射点A和收信点B之间的方位角b1和b2，公式如下：

b1为发射至接收的方位角（°），b2为接收至发射的方位角（°）。

2.4 天线仰角

天线仰角的计算公式如下：

其中，Δ为天线仰角（°），β=h/R=电离层高度/地球半径；θ=d/2=D×360°/4πR，地球半径R取6370km。

2.5 天线架高

天线架设高度决定了水平极化天线的辐射仰角，根据不同频段对辐射仰角的要求，选取适当的高度倾斜架设，保证不同频率的谐振振子都在合适的架设高度上，从而在各个频段上得到需要的信号辐射仰角。

天线架设高度与辐射仰角的关系如下：

其中，fmax和fmin为天线垂直方向图主瓣对准通信仰角时的最大工作频率和最小工作频率，并且fmax和fmin应小于电离层反射的最高临界频率，fmin应满足线路信噪比或信号增益要求，也可用天线垂直方向图主瓣的3dB带宽频率代替。如表2所示。

表2 常用天线架设高度表

3 天线选型

天线选型需结合设计要求、通信距离、天线特性、场地情况等选择合适的天线程式，同时选择合适的架设高度、架设位置，以实现天线辐射波束对通信区域的最佳覆盖，提高可通率。

考虑到通信系统的扩展性，天线应优先选用3MHz～30MHz的宽带天线。

天线的功率增益需要在最大辐射分量方向、仰角、方位角、工作频段等方面都满足链路预算的要求。远距离通信，一般要求天线辐射主瓣强、副瓣弱而少。近距离通信，主要使用不定向天线或弱定向天线。

天线选型需考虑如下要素：

（1）天线场内最好各种天线混合搭配，实现最佳通信效果；

（2）天线架设高、低结合，获得不同仰角，适应电离层的动态变化；

（3）远距离通信优选小型定向天线；

（4）近距离通信优选高仰角天线；

（5）选用笼型、L型笼型天线需兼顾通信方向，选择合适的架设方位；

（6）在预算紧张的场站，可选择三线天线；

（7）在楼顶等狭小场地，优选三线倒V天线，一般框形天线性能相对较差；

（8）选择合适的架设高度，使天线辐射仰角满足通讯距离的要求；

（9）接收天线可通过天线共用器带动多部接收机，主要考虑宽频带要求。

常用的短波天线有小型定向天线、高仰角天线、水平短波三线天线/倒V短波三线天线、笼型天线、L型笼型天线。

3.1 小型定向天线

中、远距离通信可优先考虑单塔支撑的小型化对数周期天线，具备高增益定向辐射，抗干扰性能强，同时占地小，天线间相互影响小，适合在场地受限的环境内架设，在工程实践中被广泛采用，具有良好的通信效果。

小型化定向天线相比其他常规天线（笼形天线、三线天线等），在远距离通信方面具有明显优势：

（1）定向增益高，提高信号强度；

（2）定向辐射，抗干扰能力强；

（3）单塔支撑，占地小；

（4）前后比高，天线间互耦小，易于解决电磁兼容问题。

3.2 高仰角天线

高仰角天线高仰角辐射，实现近距离信号覆盖，主要针对周边站点的通信需求。在国内外通信工程中，近距离（500km）通信主要选用高仰角天线，对近距离通信覆盖具有明显优势：

（1）定向高仰角辐射，能量集中在近距离区域，提高信号强度；

（2）全向性能好，不圆度＜±1dB，能保证全方位无盲区覆盖；

（3）定向辐射，抗干扰能力强；

（4）单塔支撑，占地小；

（5）高仰角辐射，天线间互耦小，易于解决电磁兼容问题。

3.3 水平短波三线天线/倒V短波三线天线

三线宽带天线是全频段宽带天线，性能优良，在远、中、近距离都能有很好的通信效果，具有宽频带、结构简单、架设方便等特点。

（1）三线天线辐射波束宽度宽，辐射方向图在低频段为高仰角全向，在高频段为法线双向；

（2）三线天线架设成本低，便于工程造价控制；

（3）三线天线倒V架设，主要是为了在场地受限的条件下使用，尤其是在楼顶。

3.4 笼型天线

笼型天线结构可靠，通信效率高，为双向通信天线。

笼型天线分为低频笼型天线和高频笼型天线。笼型天线要保持法线方向8字方向图，天线长度与发射频率的波长比必须在固定的范围内。

3.5 L型笼型天线

L型笼型天线是2副笼形天线成90°架设，可以实现4个方向的通信，覆盖角度240°左右，并不是真正的全向天线，要实现全方位覆盖，场地内L型笼形天线应错角度架设。

L型笼型天线和角笼天线辐射特性基本一致。普通角笼天线覆盖角度320°左右，接近全向，增益比L型天线低。

4 馈线设计

馈线通常有同轴电缆和明馈线两种，天线离机房较近（通常馈线长度小于200米）的情况下，一般使用同轴电缆，距离较远时宜采用损耗低的架空明线。同轴电缆型号的选用应考虑链路预算中对馈线损耗的允许范围。

架空明线馈线常用的有二线式600Ω阻抗和四线式300Ω阻抗两种，使用直径3mm或4mm的铜包钢线，根据发射机输出功率选定。

采用同轴电缆时，天线下引线在下方馈线杆上的阻抗匹配器以及浪涌保护器转接7/8馈线；进入机房时通过浪涌保护器转接1/2电缆连接收发信机。

采用明馈线时，天线下引线在下方馈线杆上的浪涌保护器连接平行馈线；进入机房时通过阻抗匹配器、浪涌保护器转接1/2电缆，连接收发信机。

馈线路由距离、馈线型号、馈线损耗的衰减指标要求应符合有关技术规范要求。

发信馈线路由损耗不大于1.5dB（含浪涌保护器、阻抗匹配器、接头），收信馈线路由损耗不大于1dB（含浪涌保护器、阻抗匹配器、接头）。

馈线通过式浪涌保护器的接入衰耗小于0.3dB。所有接插件的接入衰耗每处不大于0.2dB。

天线馈线不平衡系数不大于10%，分配馈线不对称系数应不大于10%，实测的馈线效率应不低于理论值的85%。

5 天线场平面布置

对于天线场的建设和天线的布置与选择，需要充分考虑通信业务效能的提升和能力的保障，尽可能地从天线场地、遮挡高度、架设条件、天线性能、防止互扰等方面优化选择与设计。

短波通信站点的收、发信台的天线场需分开布置，收信台的天线场和机房间如果较远可通过光远传系统连接。

天线布置应根据天线数量和通信对象分布统一考虑，一般采用就近原则，天线围绕机房布置以减小馈线损耗。

通信对象分散，天线数量不多时，应以机房为中心，向外辐射状布置；天线数量较多时，应分层或正交架设；采用全向系列天线，实现全时段无盲区全向覆盖；采用高增益定向天线对准所需通信方向，提高天馈系统增益和抗干扰能力，实现远距离定向区域覆盖；采用分频段天线设计，可减小天线方向图畸变，优化天线性能。

布置天线时，应将结构比较简单、占地较小的或通信距离较近的天线放置在距离机房较近的地方，把较复杂、占地大的或通信距离较远的天线放置在距离机房较远的地方。

波长越短馈线的损失越大，应将波长较短的天线放在离机房较近的地方。

为了节省投资，减少天线杆数量，布置天线时，多天线架设选择共杆架设天线。天线间需保留一定的保护隔离距离和角度。

天线前方无建筑物遮挡，天线与架空线路的保护距离，馈线导线和各种建筑物之间的最小距离，馈线导线最低点和地面、道路、房顶之间的最小距离等，应参照相关标准执行。

馈线杆20-30米左右布置一个，路由应尽量取直，必需拐弯时，拐弯杆路内夹角不应小于120°，特殊情况如配线区等处，不应小于90°。同一根馈线杆（中间杆或角杆）上，馈线不应超过四对（平行线）。

6 天线支撑杆塔设计

天线体与天线支撑杆塔需满足相关抗风指标，应对振子、天线杆、斜拉线及滑轮进行风载荷强度计算。

天线基础及拉锚土建要求：

（1）基座定位满足天线程式和通信方向要求；

（2）基座强度满足承重、抗风要求；

（3）地锚采用水泥预制件，尺寸结构和强度满足天线架设要求；

（4）地锚布局满足天线杆受力方向要求，等间隔、等距离分布。

7 结束语

本文针对短波通信工程天馈线系统涉及到的链路预算、天线选型、馈线设计、天线场布置、天线杆塔设计等关键点进行了较为全面深入的分析和研究，能有效克服短波通信的弱点，降低工程的建设难度，提高通信质量，对短波通信系统的工程设计有很好的指导作用。