摘要 針對工作實踐中遇到的短波通信盲區(qū)問題，分析了盲區(qū)產(chǎn)生的原因，提出了兩種解決盲區(qū)問題的途徑，并闡述了可行性，并給出了在工程應(yīng)用中通過選用較低頻率和高仰角天線來解決短波通信盲區(qū)問題的具體方法，從而有效解決了模擬系統(tǒng)短波通信的盲區(qū)問題。
關(guān)鍵詞 短波通信；通信盲區(qū)；頻率選擇；高仰角天線
在模擬系統(tǒng)的設(shè)備跟蹤研制過程中，短波通信因其具有機動性強、抗毀能力強和跨地平線超視距通信的能力，受到親睞。然而，短波通信有一個明顯的缺點，即在20～100 km范圍內(nèi)，通常存在通信盲區(qū)的問題，給網(wǎng)絡(luò)的連續(xù)通信帶來了嚴重影響。因此，解決通信盲區(qū)的問題，成為保證實現(xiàn)模擬系統(tǒng)短波連續(xù)通信的關(guān)鍵。文中結(jié)合短波通信的特點和工程應(yīng)用實際，從兩種途徑討論了有效克服通信盲區(qū)的方法，并分析了技術(shù)實現(xiàn)的可行性，最后提出了一種采用較低頻率和高仰角天線的通信技術(shù)，有效地解決了某型模擬系統(tǒng)短波通信的盲區(qū)問題。
1 盲區(qū)的形成原因
短波通信使用的無線電頻率為3～30 MHz。短波的傳播方式主要分為地波傳播和天波傳播兩種形式，如圖1所示。
1．1 地波傳播
沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑サ碾姴ǎ械孛娌ɑ虮砻娌?，簡稱地波。其傳播途徑主要取決于地面的電特性。地波在傳播過程中，由于部分能量被大地吸收，很快減弱，波長越短，減弱越快，因而傳播距離不遠。
1．2 天波傳播
天波是指由天線向高空輻射的電磁波受到天空電離層反射或折射后返回地面的無線電波。天波是短波的主要傳播途徑。短波信號由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，又由地面反射回電離層，可以多次反射，因而傳播距離很遠，而且不受地面障礙物阻擋。但電離層對一定頻率的電波反射只能在一定距離以外才能收到。
1．3 通信盲區(qū)
由于天波不能到達跳距以內(nèi)的區(qū)域，地波則隨距離的增加場強會急劇衰減，因此，在跳距以內(nèi)存在著地面波和天波均不能到達的區(qū)域，這個區(qū)域成為盲區(qū)。
一般來說，地波的傳播距離可達20～30 km，而天波經(jīng)電離層反射的第一跳落地跳距約為80～100 km，可見20～100 km之間通常是短波通信的盲區(qū)。假設(shè)發(fā)射天線是無方向性的，則盲區(qū)就是圍繞發(fā)射機的某一環(huán)形區(qū)域，如圖2中灰色區(qū)域所示。盲區(qū)內(nèi)的通信大多較困難。
2 改善盲區(qū)的途徑及其可行性分析
通過分析盲區(qū)產(chǎn)生的機理，文中從兩種途徑討論了有效克服盲區(qū)的方法，并從工程應(yīng)用方面分析了技術(shù)實現(xiàn)的可行性：一是加大電臺發(fā)射功率及選擇較低頻率以延長地波傳播距離r1；二是選用高仰角天線，縮短天波第一跳落地的距離r2。所謂仰角是指天線輻射波瓣與地面之間的夾角。仰角越高，電波第一跳落地的距離越短，盲區(qū)越少，當(dāng)仰角接近90°時，盲區(qū)則基本不存在。
2．1 發(fā)射功率對短波通信盲區(qū)的影響
為保證接收點處電臺的接收功率能達到信號識別所需的功率值，隨著地波傳播距離r1的不斷延長，電臺的發(fā)射功率逐步加大，可以通過以下步驟計算要有效克服盲區(qū)所需的發(fā)射功率，從而分析其可行性，具體如表1所示。
設(shè)接收功率為PR，則
式中，PT為發(fā)射功率；GT為發(fā)射天線增益系數(shù)；GR為接收天線增益系數(shù)；r為通信距離；W為地面衰減因子。
W主要反映電波在傳播過程中的能量損耗，其表達式為
其中，ρ是一個無量綱的參數(shù)；ε是地面的相對介電常數(shù)；σ為地面電導(dǎo)率。
將式(2)代入式(1)得
由式(3)可以看出，地波傳播時接收功率PR與傳播距離r的4次方成反比，即在接收功率pR一定的條件下，發(fā)射功率PT與傳播距離r的4次方成正比，隨著傳播距離r的增大，發(fā)射功率PT會大大增加。
設(shè)接收功率PR一定，即電臺在各距離的接收功率為10-10W，在實際工作中，地面主要以干土為主，因此取地面的電參數(shù)ε=4，σ=10-3S／ m，令增益系數(shù)GT=GR=1，取波長λ為100 m，則隨著通信距離r的不斷增大，電臺需要的發(fā)射功率值如表1所示。
由表1可看出，要保證接收點處電臺的接收功率PR能達到信號識別所需的功率值，電臺的發(fā)射功率PT需要達到較大值。
對于該型模擬系統(tǒng)而言，一方面由于短波設(shè)備為艦載或機載，使得電臺承受功率不會很高，一般為125 W；另一方面，加大發(fā)射功率，設(shè)備成本就會升高，性價比將下降。因此，工程應(yīng)用中通過加大電臺發(fā)射功率來克服盲區(qū)問題的方法是不可行的。
2．2 頻率對短波通信盲區(qū)的影響
從式(3)中可以看到，在發(fā)射功率PT和接收功率PR一定的條件下，通信距離r與電波波長λ成正比，即隨著電波波長λ的增大，傳播距離r也會增大。
電波頻率越低，波長越長，地波能傳播的距離r1更遠，盲區(qū)范圍會慢慢縮小，因此較低頻率有利于解決盲區(qū)問題。
2．3 天線仰角對短波通信盲區(qū)的影響
如圖3所示，以電離層E層110 km的高度計算，要保證電波經(jīng)電離層反射后第一跳的跳距可與地波傳播最遠距離30 km無縫接續(xù)，則通過三角計算可知天線的發(fā)射仰角θ至少應(yīng)為86°，也就是說，要解決短波通信盲區(qū)問題天線必須滿足高仰角的要求。目前，國內(nèi)市場現(xiàn)在有許多天線都可以達到高仰角的要求，例如三線式天線、電磁環(huán)天線、寬帶軟天線等。因此，可選用高仰角天線來解決通信盲區(qū)問題。
選用高仰角天線也受極限頻率的限制，即最高可用頻率和最低可用頻率的限制。若選擇的頻率太高，雖然電離層吸收小，多徑時延小，但電波容易穿出電離層；若選用的頻率太低，雖然電波容易被反射，但電波受到電離層的吸收損耗大且多徑時延大，影響通信質(zhì)量。
綜上所述，選用較低頻率和高仰角天線來解決通信盲區(qū)問題在理論和應(yīng)用方面是可行的。
3 工程應(yīng)用
實際工程應(yīng)用中，可以根據(jù)白天和夜晚的特點，選擇通信效果較好的低頻頻率進行通信，而高仰角天線的選型卻需要根據(jù)不同的使用環(huán)境條件按一定的原則來進行。
如前所述，三線式天線、電磁環(huán)天線和寬帶軟天線都可以解決通信盲區(qū)問題，但在該型模擬系統(tǒng)的工程應(yīng)用中，考慮其主要用于艦艦和艦空通信的特點，天線選型還應(yīng)遵循以下原則：
(1)可實現(xiàn)固定站與移動站之間通信。在該型模擬系統(tǒng)中艦艦和艦空通信相當(dāng)于是固定站與移動站之間的通信，這就要求所選天線可以作為固定站天線，實現(xiàn)固定站與移動站之間的通信；同時，由于移動站在運動中，通訊方向不固定，所以固定站的天線應(yīng)選用全向天線，例如三線式天線或配有天線調(diào)諧器的鞭狀天線等。
(2)承受功率。由于艦載或機載電臺的發(fā)射功率一般為125 W，所以天線的承受功率不可太低。
(3)兼顧近、中、遠各種距離，有效覆蓋范圍至少可達500 km。
(4)與各種類型各種極化方式的機載、艦載、固定臺的天線都能良好兼容。
根據(jù)以上原則，通過比較，如表2所示，認為三線式天線更適合在該型模擬系統(tǒng)短波通信中使用。
4 結(jié)束語
通過上述分析，找到了通過頻率選擇和高仰角天線解決某型模擬系統(tǒng)在工程應(yīng)用中通信盲區(qū)問題的有效方法，具有一定的實用價值。
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