短波通信是指波長100-10米(頻率為3-30MHz)的電磁波進行的無線電通信。短波通信傳輸信道具有變參特性,電離層易受環境影響,處于不斷變化當中,因此,其通信質量,不如其它通信方式如衛星、微波、光纖好。短波通信系統的效果好壞,主要取決于所使用電臺性能的好壞和天線的帶寬、增益、駐波比、方向性等因素。近年來短波電臺隨著新技術提高發展很快,實現了數字化、固態化、小型化,但天線技術的發展卻較為滯后。由于短波比超短波、衛星、微波的波長長,所以,短波天線體積較大。在短波通信中,選用一個性能良好的天線對于改善通信效果極為重要。下面簡單介紹短波天線如何選型和幾種常用的天線性能。
一、衡量天線性能因素
天線是無線通信系統最基本部件,決定了通信系統的特性。不同的天線有不同的輻射類型、極性、增益以及阻抗。
1.輻射類型:決定了輻射能量的分配,是天線所有特性中最重要的因素,它包括全向型和方向型。
2.極性:極性定義了天線最大輻射方向電氣矢量的方向。垂直或單極性天線(鞭天線)具有垂直極性,水平天線具有水平極性。
3.增益:天線的增益是天線的基本屬性,可以衡量天線的優劣。增益是指定方向上的最大輻射強度與天線最大輻射強度的比值,通常使用半波雙極天線作為參考天線,其它類型天線最大方向上的輻射強度可以與參考天線進行比較,得出天線增益。一般高增益天線的帶寬較窄。
4.阻抗和駐波比(VSWR):天線系統的輸入阻抗直接影響天線發射效率。當駐波比(VSWR)1:1時沒有反射波,電壓反射比為1。當VSWR大于1時,反射功率也隨之增加。發射天線給出的駐波比值是最大允許值。例如:VSWR為2:1時意味著,反射功率消耗總發射功率的11%,信號損失0.5dB。VSWR為1.5:1時,損失4%功率,信號降低0.18dB。
二、幾種常用的短波天線
1.八木天線(Yagi Antenna) 八木天線在短波通信中通常用于大于6MHz以上頻段,八木天線在理想情況下增益可達到19dB,八木天線應用于窄帶和高增益短波通信,可架設安裝在鐵塔上具有很強的方向性。在一個鐵塔上可同時架設幾個八木天線,八木天線的主要優點是價格便宜。
2.對數周期天線(Log Periodic Antenna) 對數周期天線價格昂貴,但可以使用在多種頻率和仰角上。對數周期天線適合于中、短波通信,利用天波信號,效率高,接近于發射期望值。與其它高增益天線相比,對數周期天線方向性更強,對無用方向信號的衰減更大。
3.長線天線(Long-Wire Antennas) 長線天線優點是結構簡單,價格低,增益適中。與八木天線和對極周期天線比,長線天線長度方向性和增益低。但其優勢在于,由于其增益與線長度有關,用戶可以找到最佳接收線的長度和角度。通過比較信號波長,計算出線的長度,非常適合于遠距離通信。當線長4倍波長在仰角為25度時與雙極天線比增益高3dB,當線長8倍于波長時,增益高6dB,仰角下降到18度,圖1為長線天線增益示圖。
4.車載移動天線(Mobile Antennas) 移動天線一般工作在2.0~25MHz頻段上,為垂直極性天線,性能與機械特性有關,天線長度較短,在低仰角工作時,發射效率適中。在通常情況下,車載天線仰角應大于45度,因為天線長度較短,是低效天線。在汽車上,機械特性限制了天線的選擇,但天線可以放置為倒"L"型,這樣增加了天線的垂直輻射面,可以提高發射效率,倒"L"天線適宜用于中短波通信。
三、常用短波天線性能
方向性天線、簡單的雙極天線適用于短距離通信,但短波遠距離通信信號微弱,甚至被各種噪音淹沒時,天線就需要選擇比雙極天線增益更高的天線。理想方向性天線在工作方向上具有很高增益而無用方向上增益為0。
四、不同環境下天線選型
1.固定站間遠/近距離通訊 由于固定站間通訊方向是固定不變的,所以一般采用高增益,方向性強的短波天線。通信距離在1000-3000公里,可使用高增益,低仰角對數周期天線(LP),但天線價格昂貴。在實踐中100W短波自適應電臺配這種天線,可基本實現北京至昆明,烏魯木齊甚至拉薩全天候通信。如果通信質量要求不是太高也可使用價格相對便宜的天線如八木天線,長線天線,但長線天線需用天調。距離在600Km以內時采用水平雙極天線可取得較好效果,但水平雙極天線占地較大,中心站電臺較多不適合布天線陣。
2.固定站與移動站間通訊 由于移動站在運動中,通訊方向不固定,所以中心站的天線應選用全向天線,例如,多膜短波寬帶天線或配有天線調諧器的鞭狀天線。多膜天線雖然價格較貴,但是一個天線竿上可以繞三副天線(倆副高仰角天線,一副低仰角天線)遠、近距離通信均可兼顧。中心站也可用鞭狀天線,鞭狀天線的仰角低,近距(20--100公里)通信困難,遠距離(500--3000公里)只要頻率合適,通信效果較好。 移動站天線由于安裝面的限制,多采用鞭狀天線,國內有時用柵網、雙環、三環天線。遠距離通信時,鞭狀天線豎直,近距離通信則可以放置為倒"L"型,這樣使用增加了天線的垂直輻射面,可以提高發射效率。只要天線的發射角、電臺的工作頻率合適,可以克服短波盲區(30--80公里)的通信困難。
3.干擾環境下的天線選型 電臺干擾是指工作在當前工作頻率附近的無線電臺的干擾,其中包括敵方有意識的電子干擾。由于短波通信的頻帶非常窄,而且現在短波用戶越來越多,因此電臺干擾就成為影響短波通信順暢的主要干擾源。特別對于軍用通信系統,這種情況尤其嚴重。電臺的干擾與其他自然條件引起的干擾有很大的不同,它帶有很大的隨機性和不可預測性。在敵方有意識的電子干擾情況下,采用高增益、方向性強的對數周期天線可取得一定的效果。當然,克服干擾主要提高短波電臺性能(發射功率、接收靈敏度等等)或者采用頻率自適應、短波寬帶跳頻技術。如果需要數傳,調制解調器性能也非常關鍵,帶有交織功能的串行體制短波高速調制解調器具有良好的抗干擾性能。
4.顯示的是根據用戶不同增益、仰角的要求選用天線表。