天线在短波通信台站中的应用分析

吴亚洁

（贵阳职业技术学院，贵州 贵阳 550081）

0 引 言

短波通信中电离层的高度不同，且传输易受季节、天气和温度因素影响。随着科学技术的快速发展，特别是互联网信息技术的快速发展，短波通信也得到了极大的改进，可以在各种情况下进行传输。短波无线电通信主要采用2 种新形式，分别是地波和天波。然而，由于天波可以从地面发射，并在电离层折射后返回地面，可以用于地形复杂、建筑密集的地方的无线电通信。相比之下，地波只能沿地表传输，传输有限。基于该背景，天波是短波通信的主要形式。

1 短波通信技术概述

1.1 无线电波

无线电波是在自由空间（包括空气和真空）传播的频射频段的电磁波。无线电波的波长越短、频率越高，相同时间内传输的信息就越多。无线电波在空间中的传输方式有以下情况：直射、反射、折射、穿透、绕射(衍射)和散射，无线电波由电子振荡器产生，并由天线无线传输以进行通信和广播。无线电波的频率范围从几赫兹到数千兆赫兹不等[1]。

1.2 电离层

电离层在宇宙射线和太阳辐射的激励下电离形成，是等离子体，包含电子、离子、中性粒子，其中正负电荷数量基本一致，因此宏观上表现为电中性。电离层对无线电信、导航、卫星通信等具有重要意义。在短波通信中，当电离层的离子和电子浓度较高时，反射频率也会相应增加[2]。由于季节和时间的变化，电离层的浓度因地区而异，对短波通信的影响也有所不同。

1.3 传播途径

短波传输可分为地波传输和天波传输2 种方式。地波传输指无线电波沿地面传输，其传输距离与地面介质密切相关。水具有良好的导电性，因此在海上具有良好的传输效果。然而，地球本身的导电性较差，无线电波的衰减也较大，因此在传输过程中需要考虑障碍物的影响。天波传输指信号发射后，需要通过电离层在地面和电离层之间来回传输[3]。由于不需要直接接触地面，天波传输距离一般较远，基本上不受表面障碍物的阻碍。然而，由于需要多次传输电离层，电离层的弱作用可能会影响通信质量。此外，在铺设短波通信网络时，需要考虑季节、气候和地区的影响。

2 天线和短波通信的关键技术

2.1 基站天线关键技术

2.1.1 电调技术

随着移动互联网的快速发展和智能手机的普及，人们对移动通信网络容量的需求呈几何级增长，对网络质量的需求也在增加，对网络质量的要求也越来越高。运营商和设备制造商正在关注如何优化网络覆盖，以满足这些需求。为了实现良好的信号覆盖，基站天线的主波束通常需要从一定的角度倾斜。实现主波束下倾的方法有2 种，分别是机械下倾和电调下倾[4]。但是，机械天线在性能和工程实施方面不如电调天线，因此电调技术已成为基站天线的关键技术。

在移动通信领域，电调技术被广泛应用以实现基站天线垂直面的主波束向下倾斜。移相器是电调技术的核心，能够实现这一目标。根据电路类型的不同，移相器可分为模拟移相器和数字移相器。波导移相器是早期的移相器之一，其通过旋转圆波导中的介质片改变信号传输相位。之后的U 型滑动结构移相器通过改变传输线的物理长度改变信号传输相位，并巧妙地利用波长段实现物理隔离和电气连接。20 世纪60年代，半导体技术的发展催生了数字移相器的出现，但其成本高、设计复杂、互调性能差等问题限制了其应用[5]。因此，机械模拟移相器开始应用于基站天线，并逐渐成为行业研究的重点和热点。

2.1.2 极化技术

极化指电场强度矢量的取向随时间变化的特性，通常用电场强度矢量的端点随时间变化的轨迹来描述。天线极化分为线极化、圆极化和椭圆极化。基站天线通常采用线极化，包括水平极化、垂直极化、-45°极化以及+45°极化。单极化基站天线一般采用垂直极化，而双极化多采用+45°极化[6]。双极化天线将2 个互相正交的天线封装在同一个天线罩内，能够抵抗多径衰落，提高漫游切换能力和通话质量，增加系统容量。同时，它能实现小型化，节省天线数量，降低机械承载，便于安装，并使基站布局更加合理。由于具有众多优点，双极化天线被广泛应用于移动通信系统中。

双极化技术是一种用于分集接收的技术，最初应用于移动无线通信领域[7]。在工程实践中，实现基站天线的双极化相对容易，只需要确保天线辐射单元的电流方向与地面成45°即可。然而，实现高隔离度和交叉极化比是双极化技术的难点之一。为了解决这个问题，研究人员采用了一些方法，如采用高隔离度的辐射单元、反向馈电技术、增大馈线间隙以及去耦合装置等。

2.2 短波通信系统的关键技术

2.2.1 等效基带信号系统

在通信系统中，低频信号包括图像和语音信号，具有直流分量低通频谱的特点。这些信号的最高频率最低值大于1，且在频谱地段分布的能量较大，因此被称为基带信号。基带信号可以通过电缆、架空明线等有线信道直接传输，但不能在无线信道传输。即使能够在有线信道传输，一对也只能传输一路，利用率很低。为使基带信号能够像无线信道一样传输，并且使有线信道能够传输多个基带信号，需要使用解调和调制技术。解调是接收端将搬移的频谱还原成基带信号的过程；调制是将基带信号从发送端搬移到指定信道的过程。

2.2.2 虚拟短波天波信道模型参数的确定

电离层的物理特性会随着季节和昼夜的变化而变化，这种影响在接收到的语音信号中表现得非常真实。为了达到这种真实度，需要改变模型参数以适应不同的环境条件。然而，短波模型的参数与环境参数之间没有确定的关系，因此直接计算环境参数的模型参数并不容易。

3 短波通信站天线的应用分析

3.1 短波通信站在固定电台天线的应用

短波通信网络由固定电台、车载电台以及便携式电台等设备构成，这些设备的选择直接影响通信质量。为了建立应急通信枢纽并充分发挥小型便携式天线和设备移动性强的优势，需要选择合适的设备来传递数据信息。

在选择天线时，需要考虑传输距离、通信方向、使用目的以及承载功率等因素，以选择合适的架设方法，提高天线短波的传输距离和功率，从而优化通信效果。

固定平台天线需要满足移动通信中心站的综合要求，实现各种距离的传输，适应各种车辆和船舶元素，具有良好的兼容性。三角形组合全方位全角天线是一种有效的选择，其可以在水平方向实现全方位覆盖，同时均匀辐射在天仰角，适用于各种传输距离。此外，该天线可以兼顾垂直极化波和水平极化波，与该地区不同电台站点的不同类型天线兼容性好。

高增益三线天线具有增益高、全频段驻波比小、无盲区全方位传输、抗风能力强等优点，可有效提高通信效果。三线天线可根据通信目的地的不同选择平拉法安装。天线宽边辐射能力强于窄边，适用于点对点定向通信过程。

无论是固定电台、车载电台还是便携式电台，都需要根据实际需要和环境条件选择合适的设备，并通过优化天线的选择和安装方法提高短波通信网络的性能和效率。

3.2 车载电台天线在短波通信站的应用

车载电台天线是短波通信传输中不可或缺的设备，其反应迅速、灵敏度高、安装方便等特点备受青睐。鞭状天线是目前广泛应用于车载短波通信站的天线类型，由于体积小、重量轻、安装简单方便以及能够实现全方位传输等特性，适用于各种类型的车辆。通过镜像天线效应，鞭状天线在远距离通信中呈垂直状态，从而有效提高通信距离和传输强度和效果。在近距离传输时，鞭状天线可以放置为“L”形状，并通过屋顶反射增加辐射表面和辐射距离。

然而，尽管鞭状天线在车载短波通信系统中具有诸多优点，但它也存在一些限制因素。例如，在10 ～100 km 内存在通信盲区，可能会影响通信质量。因此，为了优化车载短波通信系统，需要采取一系列措施解决这个问题。首先，增加垂直辐射是一种有效的方法，可以通过调整天线的方向和角度扩大覆盖范围。其次，选择较小的天线类型也可以改善信号质量。最后，改进通信传输中的架设方法也非常重要，例如采用更合适的架设位置和角度，以确保信号能够稳定地传输到接收端。

3.3 便携式电台天线在短波通信站的应用

便携式广播电台天线在短波通信站中的应用需要使用短鞭天线，例如，3 m 长的可折叠鞭天线可以与25 ～50 W 的广播电台相匹配，但最大通信距离只有20 km。为了提高传输距离，便携式快速天线需要及时更换，特别是在停止驾驶时。单线行波天线是一种新型的野外通信设计，专门用于便携式短波天线的应用。该天线具有低驻波比和高辐射效率的全频段，并且可以选择不同的架设方式实现全方位通信传输。该天线体积小、质量轻、架设方便灵活，适用于不同距离的通信传输。线波天线长20 m，专门用于野外临时架设，分为斜拉架设和平拉架设。斜拉架设可实现全方位通信辐射，通信传输距离可达1 000 km，同时盲区现象也得到了有效改善。在平拉架设中，可用于800 ～1 600 km 的远距离传输，方向性强。

4 结 论

天线作为一种短波介质，具有许多优点，不同类型的天线直接影响短波通信的距离和效率，在实际应用中具有重要意义。通过分析不同类型的天线对短波通信的影响，得出采用小增益、小体积、低高度以及盲区小的天线，可以有效提高短波通信的效率。在铺设短波通信网络时，考虑天线类型的运行模式特征，充分发挥其优势，提高通信效率。为了更有效地应用短波通信，根据不同类型天线的特点，为天线在短波通信中的应用提供了可靠的保护。根据实际情况科学合理地选择不同类型的天线，从而解决短波通信的控制与维护问题。