短波接收天线性能及应用探究

■国家广播电视总局二〇一台：沈利强

近代以来，短波通信作为一种长距离、跨区域的通讯方式，在军事、导航、广播、应急救援等很多领域得到广泛应用。随着信息化技术的不断发展，短波通信逐渐以其独特的传播特点，成为各个领域必备的应急通讯方式。本文重点探讨和分析在短波通信中，不同接收天线的应用，并针对多模多馈天线和旋转对数周期天线性能及对短波接收质量的影响进行分析。

1.短波的传播特点

短波的传播方式分为地波和天波两种。由于短波频率高，其地波传播在过程中沿着地表传输，信号能量受到大地的吸收，衰减很快，传播距离较近，无法形成较大覆盖区域，因而短波通信主要是通过天波传播完成。天波传播是指从地面发出，经过电离层反射后返回地面的波，由于电离层距离地面几十公里至几百公里远，因而天波传播基本不会受到地面建筑物、障碍物、高山的阻碍影响，电磁波射到电离层会被反射到接收区域，通常可达几千公里，个别强信号甚至可以全球传播。虽然反射短波传播的电离层受到太阳辐射影响较大，在不同季节及不同时段会造成电离层衰落情况，但可以通过短波频率的调整，选择不同高度电离层反射传播信号，保障短波天波信号的传播。

2.短波接收天线特点

天线本质是一种能量转化器，将空中的电磁波能量和高频振荡能量互为转换。其短波接收天线是接收经电离层反射后的短波天波信号，在短波信号频率的发射和接收的过程中，天线设备在发射和接收这两个过程中起着重要的作用。常用短波接收天线包括：多模多馈天线、对数周期天线（旋转）、短波扇椎天线、鱼骨天线、菱形天线、水平对称振子天线、角笼型天线等，其中短波扇椎天线、鱼骨天线占地大、结构复杂、成本较高，菱形天线、水平对称振子天线、角笼型天线噪声较大等原因，除大型固定接收站外，目前使用较少。多模多馈天线是全向宽带接收天线，可同时实现远、中、近距离接收，对数周期天线具有方向性、高增益、宽频带等特点，可实现远距离定向接收。同时这两种天线具备占地较少，使用方便等优点，已成为短波接收主流天线。本文重点就这两种天线性能及应用进行分析。

图1

2.1 短波接收天线的基本功能

信号接收系统使用的多模多馈天线和旋转对数周期天线，都具有接收天线最基本的功能，即：具有良好的接收环境、具有适当的极化方式、具有相应的工作频率以及具有方向性。

短波接收天线是将空中的电磁波信号能量，高效的转化成高频振荡电信号能量。这就要求天线处在一个良好的电磁波接收环境中，同时还要求天线与接收机匹配。信号接收系统的周边环境相对较好，周围无高大障碍物遮挡，没有广播电视发射设施、高压电及工业设施等电磁干扰，这为电磁波接收提供了一个开放的、良好的接收环境。同时信号接收系统的各种类型的短波接收天线，一般都必须由专业的设计单位生产制造，符合短波接收天线标准，通过了相关部门检测，完全可以与专业信号接收系统匹配。

短波天线一般接收水平极化和垂直极化的电磁波。在短波传输过程中，接收远距离短波频率时，一般都使用水平极化方式。在日常收测中，无线电波在传输的过程中，经过多径传播后，往往不能保证到达接收位置时还保持严格的极化方式，总会发生一些改变。例如，短波无线电信号传播时在电离层和大地之间的多次弹跳，城市里高大建筑物对无线电波的反射，无线电波经过高山大川时的绕射等。

天线还应有足够的工作频带，信号接收系统转动对数周期天线工作频率是5.9MHz—26.1MHz，多模多馈全向天线的工作频率是3.2MHz—26.1MHz。

图2：对数周期天线原理图

图3：旋转对数周期天线

2.2 天线的方向性

天线设备在完成能量转换的过程中，带有方向性。对空间不同方向的接收效果不一样。多模多馈天线是一副全向接收天线，其水平波束宽度360°，即在水平面为全向接收。因此，多模多馈全向天线对特定信号接收、短波广播效果收测等方面起着重要作用。旋转对数周期天线其实是一副强定向的接收天线，天线根据应接收电磁波集中的方向设定，对数周期天线水平波束宽度60°-80°，例如信号接收系统跟踪这种波束宽带的设计，可在定向的基础上扩大收测左右50°方向内的短波频率信号，这样对信号接收系统的信号接收质量起到了重要作用。

旋转对数周期天线虽然是一副定向接收天线，但它可以使用转动装置，接收不同来波方向的电磁波，这样大大的提高了某一方向短波频率的收听效果。

信号接收系统使用的这两种类型的接收天线从接收角度讲，要保证通信正常接收，对接收信号的信噪比或载噪比须达到一定比值，为提高天线接收信号功率，对接收天线的方向性有以下要求：主瓣宽度尽可能窄，以抑制干扰；旁瓣电平尽可能低；天线方向图中最好能有一个或多个可控制的零点，以便将零点对准干扰方向。

2.3 天线的结构和基本工作原理

天线的理论基础是电磁场理论，通过麦克斯韦方程以及天线的具体参数，可以计算并确定出天线在各个方向上接收电磁波的结果。天线接收和发射的物理过程具有互易性，根据互易原理，天线作发射时的方向性函数和辐射阻抗，改作接收时仍然不变，也就是说可以把接收天线的接收过程看成是发射的逆过程。

为提高接收天线的工作效率，天线材料要尽量选择导电性能好、电阻率低的金属材料，如银、铜、铝等；同时根据接收信号频率范围对架设天线的天线长度、天线形状、天线高度进行详细设计。

工作于不同频率的天线，其效率也是不同的，天线的效率一般都随工作频率的提高而增加，高频天线的效率一般都高于低频天线。有资料表明：长波天线的效率为10%—40%，中、短波天线的效率为70%—80%，短波天线的效率为90%—95%，超短波（FM、V、U）和微波天线的效率为95%—99%。当天线的有效长度接近其工作频率半波（1/2波长）的正整数倍时，天线的效率较高，若这个倍数增加时，天线的效率还会进一步提高，但波长数（天线长度）的增加与效率的提高不是成正比关系。一般来说，天线架设得越高其效果越好，当然这个高度是相对的，实际架设时还要根据环境和架设的成本投资来取舍。但接收天线并不是架设得越高越好，这是因为场强在空间的垂直分布是不均匀的，有时天线位置架设得低一点的效果反而好于高处的效果。

3.多模多馈天线、旋转对数周期天线

根据上述天线的技术要求，对信号接收系统的多模多馈全向天线和转动对数周期天线的接收效率进行分析。

3.1 多模多馈全向天线的特性

多模多馈全向天线又叫四线圆锥螺旋天线，是近几年使用的新型短波接收天线。其工作频率3.2MHz—26.1MHz，天线增益≥6dB。它是一副全向接收天线，水平波束宽度360°。它通过控制四根螺旋线的馈电相位，产生两高一低的辐射模式，即有两个高角模和一个低角模，配以馈电网络，可以三路同时工作，同时供三部接收机使用。多模多馈全向天线主要接收中近距离（2000公里以内）的短波广播，也可兼顾远区。极化采用水平极化方式。

其特点是在水平面为全向接收，可在全方位近、中、远的不同距离上，完成不同方向信号的同时接收。多模多馈全向天线在全方位通信信号接收方面起着重要作用。

3.2 转动对数周期天线的结构原理及特性

对数周期偶极子天线由N根不等长的对称振子组成，相邻振子采用交叉馈电方式，馈电点位于最短的振子一侧。对数周期天线的工作频段很宽，天线中最长的一对振子的长度是该天线频段范围内最长波长的二分之一；最短的一对振子的长度比该天线频段范围内最短波长的二分之一要短一些，保证频段内所有信号的接收，同时天线振子长度决定于通信的工作波段。例如信号接收系统使用的旋转对数周期天线工作频率5.9MHz(λ＝50.8m）—26.1MHz(λ＝11.5m），则天线最长的一对振子长度应为25.4米，最短的一对振子长度小于5.75米。

对数周期天线本身可以分为两部分，一部分称为集合线，它负责向各个振子馈电，相当于传输线；另一部分为振子，它的作用是辐射或接收电磁波。集合线的终端可以处于开路状态（如图2蓝色交叉线，终端处于开路状态），也可以接上一个负载ZL或接上一段短截线，这样有利于低端的匹配，从而改善了低端的特性参数。

信号接收系统的转动对数周期天线如图3所示。信号接收系统的转动对数周期天线工作频率5.9MHz—26.1MHz，天线增益≥10dB，极化采用水平极化方式，水平波束宽度60°-80°，转动定位精度±1°，步进幅度≤3°，转动中达到任意点的时间≤5分钟，其天线特性基本与固定对数周期天线相同。与固定对数周期天线相比，转动对数周期天线采用了旋转接头，可以在360°范围内转动，对任何方向的电磁波均能以主向接收，避免了定向对数周期天线偏向接收的偏向损耗。其最大特点是能够跟踪、捕捉和判断通讯信号的大致方位。在接收弱信号和各种指标的测量时，一些信号不太强或同邻频干扰较严重的频率不能进行准确和稳定的测量，但转动天线克服了偏向损耗，可在最大方向上接收无线电信号，明显提高电台的信号强度，体现了较强的抗干扰能力，能完成其它天线所不能完成的任务。

转动对数周期天线的特点是：极化采用水平极化方式，与同类型的鱼骨天线相比，天线的效率高，增益高。由于水平架设其抗干扰性能突出，接收场型的空间方向图较好，水平方向图主瓣宽度较宽。天线的接收场型与工作频率无关，即工作频率不影响输出阻抗。

4.结束语

本文以对数周期天线、多模多馈天线为重点介绍了短波接收天线的性能以及在短波接收过程中的作用。但日常工作中，短波接收既要多方位收集信号，同时因短波通信因传播距离远，导致接收端经常会出现信号微弱情况。因此接收天线的选择更加重要，理想状态信号接收方向上天线应具有较高增益，其他方向尽量减少增益甚至为零。多模多馈天线和对数周期天线的接收组合较好的实现了两者兼顾，为做好短波通信提供有力保障。