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短波无线电通信天线选型

发表日期:2007年6月24日   出处:网络收录 【编辑录入:飞奔

    短波通信是指波长100-10米(频率为3-30MHz)的电磁波进行的无线电通信。短波通信传输信道具有变参特性,电离层易受环境影响,处于不断变化当中,因此,其通信质量,不如其它通信方式如卫星、微波、光纤好。短波通信系统的效果好坏,主要取决于所使用电台性能的好坏和天线的带宽、增益、驻波比、方向性等因素。近年来短波电台随着新技术提高发展很快,实现了数字化、固态化、小型化,但天线技术的发展却较为滞后。由于短波比超短波、卫星、微波的波长长,所以,短波天线体积较大。在短波通信中,选用一个性能良好的天线对于改善通信效果极为重要。下面简单介绍短波天线如何选型和几种常用的天线性能。

一、衡量天线性能因素
    天线是无线通信系统最基本部件,决定了通信系统的特性。不同的天线有不同的辐射类型、极性、增益以及阻抗。
1.辐射类型:决定了辐射能量的分配,是天线所有特性中最重要的因素,它包括全向型和方向型。
2.极性:极性定义了天线最大辐射方向电气矢量的方向。垂直或单极性天线(鞭天线)具有垂直极性,水平天线具有水平极性。
3.增益:天线的增益是天线的基本属性,可以衡量天线的优劣。增益是指定方向上的最大辐射强度与天线最大辐射强度的比值,通常使用半波双极天线作为参考天线,其它类型天线最大方向上的辐射强度可以与参考天线进行比较,得出天线增益。一般高增益天线的带宽较窄。
4.阻抗和驻波比(VSWR):天线系统的输入阻抗直接影响天线发射效率。当驻波比(VSWR)1:1时没有反射波,电压反射比为1。当VSWR大于1时,反射功率也随之增加。发射天线给出的驻波比值是最大允许值。例如:VSWR为2:1时意味着,反射功率消耗总发射功率的11%,信号损失0.5dB。VSWR为1.5:1时,损失4%功率,信号降低0.18dB。

二、几种常用的短波天线
1.八木天线(Yagi Antenna) 八木天线在短波通信中通常用于大于6MHz以上频段,八木天线在理想情况下增益可达到19dB,八木天线应用于窄带和高增益短波通信,可架设安装在铁塔上具有很强的方向性。在一个铁塔上可同时架设几个八木天线,八木天线的主要优点是价格便宜。
2.对数周期天线(Log Periodic Antenna) 对数周期天线价格昂贵,但可以使用在多种频率和仰角上。对数周期天线适合于中、短波通信,利用天波信号,效率高,接近于发射期望值。与其它高增益天线相比,对数周期天线方向性更强,对无用方向信号的衰减更大。
3.长线天线(Long-Wire Antennas) 长线天线优点是结构简单,价格低,增益适中。与八木天线和对极周期天线比,长线天线长度方向性和增益低。但其优势在于,由于其增益与线长度有关,用户可以找到最佳接收线的长度和角度。通过比较信号波长,计算出线的长度,非常适合于远距离通信。当线长4倍波长在仰角为25度时与双极天线比增益高3dB,当线长8倍于波长时,增益高6dB,仰角下降到18度,图1为长线天线增益示图。
4.车载移动天线(Mobile Antennas) 移动天线一般工作在2.0~25MHz频段上,为垂直极性天线,性能与机械特性有关,天线长度较短,在低仰角工作时,发射效率适中。在通常情况下,车载天线仰角应大于45度,因为天线长度较短,是低效天线。在汽车上,机械特性限制了天线的选择,但天线可以放置为倒"L"型,这样增加了天线的垂直辐射面,可以提高发射效率,倒"L"天线适宜用于中短波通信。

三、常用短波天线性能
    方向性天线、简单的双极天线适用于短距离通信,但短波远距离通信信号微弱,甚至被各种噪音淹没时,天线就需要选择比双极天线增益更高的天线。理想方向性天线在工作方向上具有很高增益而无用方向上增益为0。

四、不同环境下天线选型
1.固定站间远/近距离通讯 由于固定站间通讯方向是固定不变的,所以一般采用高增益,方向性强的短波天线。通信距离在1000-3000公里,可使用高增益,低仰角对数周期天线(LP),但天线价格昂贵。在实践中100W短波自适应电台配这种天线,可基本实现北京至昆明,乌鲁木齐甚至拉萨全天候通信。如果通信质量要求不是太高也可使用价格相对便宜的天线如八木天线,长线天线,但长线天线需用天调。距离在600Km以内时采用水平双极天线可取得较好效果,但水平双极天线占地较大,中心站电台较多不适合布天线阵。

2.固定站与移动站间通讯 由于移动站在运动中,通讯方向不固定,所以中心站的天线应选用全向天线,例如,多膜短波宽带天线或配有天线调谐器的鞭状天线。多膜天线虽然价格较贵,但是一个天线竿上可以绕三副天线(俩副高仰角天线,一副低仰角天线)远、近距离通信均可兼顾。中心站也可用鞭状天线,鞭状天线的仰角低,近距(20--100公里)通信困难,远距离(500--3000公里)只要频率合适,通信效果较好。 移动站天线由于安装面的限制,多采用鞭状天线,国内有时用栅网、双环、三环天线。远距离通信时,鞭状天线竖直,近距离通信则可以放置为倒"L"型,这样使用增加了天线的垂直辐射面,可以提高发射效率。只要天线的发射角、电台的工作频率合适,可以克服短波盲区(30--80公里)的通信困难。

3.干扰环境下的天线选型 电台干扰是指工作在当前工作频率附近的无线电台的干扰,其中包括敌方有意识的电子干扰。由于短波通信的频带非常窄,而且现在短波用户越来越多,因此电台干扰就成为影响短波通信顺畅的主要干扰源。特别对于军用通信系统,这种情况尤其严重。电台的干扰与其他自然条件引起的干扰有很大的不同,它带有很大的随机性和不可预测性。在敌方有意识的电子干扰情况下,采用高增益、方向性强的对数周期天线可取得一定的效果。当然,克服干扰主要提高短波电台性能(发射功率、接收灵敏度等等)或者采用频率自适应、短波宽带跳频技术。如果需要数传,调制解调器性能也非常关键,带有交织功能的串行体制短波高速调制解调器具有良好的抗干扰性能。

4.显示的是根据用户不同增益、仰角的要求选用天线表。

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