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短波通信中“盲区”问题的研究doc

发布时间:2019-11-04 23:22 来源:未知 编辑:admin

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  短波通信中“盲区”问题的研究 摘要: 分析短波通信中“盲区”问题的形成原因,阐述NVIS通信技术及其特点,论述运用NVIS技术研制的车载短波天线,解决长期困扰我军通信中的“盲区通”、“山地通”、“动中通”等难题。 关键词: 短波通信;“盲区”;NVIS技术;车载短波天线文献标识码:A文章编号:1671-7597(2011)0110169-02 1 短波通信“盲区”问题分析 短波频段电磁波的常见传播方式,基本上可以分为地波、天波两种。其传统的电磁波传播方式如图1所示: 图1短波电磁波传播方式示意图 从图1可以看出来,天线辐射出来的电磁波,在地波和天波传输距离之间,存在着一个通信盲区(skipzone)。在这个区域内由于地波传播到达尽头,而天波第一跳却已跳过而几乎没有信号。因此,在该区域内很难进行短波通信。这也就是平常所说短波通信盲区(寂静区)的形成机理。 对于短波通信而言,不同的天线和辐射特性(包括天线辐射仰角、增益、设备功率等)所形成的盲区是不相同的。有的在20~60公里之间,有的在30~80公里之间。总之,在传统的短波电磁波传播方式下,基本上都存在着通信的盲区。其范围大多在20~30公里与几百公里之间,只是出现的距离和范围不同而已。 从上面的情况来看,要尽量缩小短波通信的“盲区”范围,实现无盲区通信有两种方法:一种是尽量延长短波地波的传播距离;另一种是尽量缩短短波天波第一跳折回地面的距离。 由于地波传播损耗是很大的,因此想要延长短波地波通信的距离,就只有是增大电台发射功率,或者是采用定向高增益的短波天线。这两种方式在实际使用中都有其局限性。那么,如果有一种手段,能够使短波天波第一跳的距离接近为0,这种传播方式就可以实现短波的无盲区通信。这个终极的解决方案正是“NVIS”,一种能缩短短波天波第一跳距离的天波传播方式和通信技术,它可以很好地解决短波通信中的“盲区”通信问题。 2 NVIS通信技术 2.1 什么是NVIS技术 NVIS(Near Vertical Incidence Sky Wave)的意思是:接近垂直(辐射仰角)入射(到电离层)的天波(电磁波)。NVIS指的是一种短波电磁波天波传播模式,也是一种短波天波通信方式及应用技术。也就是将电磁波以与地面接近垂直的角度辐射到天空中,经电离层反射回地面进行通信的一种传播模式,见图2。 图2短波NVIS传播示意图 根据短波NVIS通信特点和实际通信需求,一般认为:利用与地面呈75°~90°夹角范围内辐射的短波电磁波进行传播的方式可以称之为NVIS。具有NVIS传播辐射特征的天线,称之为NVIS天线°角方向上。 NVIS天线以高仰角辐射出来电磁波,经过电离层,折射回地面后,可在地面的一定区域内形成相对均匀的电磁波辐射场。短波天波第一跳距离与其辐射仰角是存在着关系的,辐射仰角和通信距离的关系示意图见图3。 图3短波天波传播距离与辐射仰角关系示意图 从图3中可以看出来,以90°辐射仰角辐射的电磁波,能够以几乎同样的角度垂直反射回来,而不同辐射仰角的短波电磁波,被电离层反射回来后,其距离是不同的。相对较高的辐射仰角反射回来的电磁波距离较近,而相对较低的辐射仰角反射回来的距离较远。 NVIS天线公里的连续无盲区短波通信,应该具有至少从90°~60°的连续辐射仰角,且其最大辐射反向应该是在90°方向上。否则在近距离时,电磁波会因为垂直传播路径上的信号幅度较弱而形成近区信号较弱影响近距离通信。同时,如果一个NVIS天线其最大辐射波瓣方向不是在垂直方向上,当两辆使用这种天线的车辆进行通信时,必须调整车辆的方向以使天线波瓣相对,但在行进中是无法调整天线方向的,因此也就难以保证良好的“动中通”效果。 2.2 NVIS技术的特点 从上面的内容可以看出短波NVIS传播模式的两个特点:较高的电磁波辐射仰角和比较均匀的地面覆盖,因而NVIS技术具有如下三个特点: 1)NVIS的无盲区特性。NVIS可以在地面的一定区域内,形成一个相对均匀的电磁波场。相对于75°~90°的辐射仰角,其比较典型的通信范围是0~200公里。在这个范围内,均匀存在着由电离层反射下来的电磁波。经过电离层反射回地面的NVIS电磁波,其在电离层中的吸收和反射损耗近似一个常数。表1中的数据是在某确定频率条件下不同距离某NVIS天波传输损耗的计算结果。 表1不同距离下NVIS天波路径损耗计算表 由于在300公里内这个地域内,NVIS传播损耗为近似为110dB,这就表明其信号是均匀存在于该地域范围内的。在这个范围内,具有NVIS特性的短波台站可以实现基本不受地形地物影响的无盲区和山区中的移动中通信。通过多次试验证明,即使在大起伏山区,使用NVIS技术同样能够保证移动中的良好通信效果。 2)高可靠性和覆盖范围。短波NVIS通信在其有效信号覆盖的区域内可以进行高可靠的短波通信。美国海军陆战队经过测试证明,使用20W的短波电台,配合适当的NVIS天线%可靠通信。可以认为,在只要有开阔天空的地方,就可以使用NVIS技术进行短波通信。 3)相对较低和一定区域内相对固定的使用频率。因为短波NVIS与短波其它传播方式在电离层中的传播路径和模式不同,能被电离层反射回来的NVIS频率相对较低,所以NVIS在使用中,需选用相较于其它远距离传统短波通信更低的频率。在长期试验中也发现,如果可以选择到一个合适的频率,那么,在上午11点到下午6点的几乎白天全天时间,在0~500公里的范围内,可以只用这一个频率进行可靠的NVIS通信。这点对于部队短波电台的区域内组网通信是很有意义的。 3 某型NVIS车载短波天线 某型NVIS车载短波天线的特点 笔者参与了某型NVIS车载短波天线的研制工作,采用电小单环天线,研制出的这种天线具有辐射效率高、辐射方向图好等优点,是一种较为适合短波车载使用的,能实现高度机动的全天候、全方位、各种距离、无盲区通信的短波天线,为短波电台广泛应用提供了可靠的优良的平台。 该NVIS天线进行移动中通信时,可以将其弯折成半圆形,此时的天线具有NVIS特性,能够提供0~1000公里范围内的无盲区移动中通信。当电台需要进行1000公里以上的远距离通信,或者0~30公里内的地波宽频率范围组网通信时,车辆停止,旋松天线固定螺母,天线直立作为鞭天线使用。其有两个明显的特点: 1)NVIS天线电性能好,机械强度能满足装车要求。采用独特的天线馈电线网状设计,具有良好的阻抗特性。天线体采用高强度玻璃钢制作而成,具有良好的机械性能,增强了天线的抗弯强度。天线座弹簧的合理设计,使得天线在环形安装时有一定的弹性,在鞭天线安装时又能保持直立状态。 2)NVIS天线具有良好的宽带特性和环境适应性。NVIS天线的顶端与车体相连时,将车体作为一个集中等效负载,使天线顶端电流不为零,电流沿天线各点的等幅同相,具有行波天线的特征,不仅可以增大天线的幅射,也减少了输入端容抗,降低了天线调谐器的损耗,同时具有较好的宽带特性,天线与车体间形成闭合的天线系统。整个天线系统与外部环境分布参数所形成的阻抗,与天线系统的自身阻抗相比非常小,可忽略不计,因此在行车过程中,环境对天线的影响非常小,天线与设备之间容易实现良好的匹配,也很好地解决了“动中通”问题。 3.2 某型NVIS天线模拟辐射效果和实测效率 1)采用仿真软件对半环NVIS天线的辐射方向图进行模拟仿线中可以看出,方向图完全符合NVIS通信要求。 图4半环NVIS天波3D远场辐射方向示意图 2)用某型NVIS天线与某型短波天线进行辐射效率实测对比,在1公里距离所测试的辐射场强对比见图5。其中实线表示的是NVIS天线辐射效率,虚线表示的是某型短波天线辐射效率。从图中可以看出,在NVIS常用的2~12MHz频率范围内,两者的辐射场强差值最大值到13dB。如果把这13dB换算成功率,那么其比值就接近20倍,形象的来说,这也就是20W电台和400W电台的区别。这在实际通信中,这种效果差异还会更大。 图5天线辐射场强对比示意图 参考文献: [1]熊皓等,《天线电波传播》,电子工业出版社,2000,2,1. [2]吕保维、王贞松,《天线电波传播理论及其应用》,科学出版社,2003,8,1. [3]冯锡生、田秀占、叶林云,《短波通信电路设计》,国防工业出版社,1990,3,1.

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