超短波通信距离浅析

超短波通信距离浅析

摘要:本文分析了超短波的传播特点,以及影响机载超短波电台通信距离的相关因素;并从理论和工程应用两方面对超短通信距离加以分析。希望能为工程应用人员,在超短波通信设备的实际应用过程中提供帮助。

关键词:超短波传播特性影响因素传播距离

超短波通信:利用超短波频段的无线电波传送信息的无线电通信。超短波波段的波长范围为10～1 m,对应的频率范围为30～300 MHz,为甚高频(VHF)频段,故又叫甚高频通信。由于微波低端的特高频(UHF)中300～1000 MHz这部分频段的传播特点及应用范围与VHF大致相同,因此广义的超短波通信的频段范围包括VHF全部频段和UHF低端部分频段。超短波传播主要靠空间波直线传播,也有一定的绕射能力,但随着波长的缩短,绕射能力越来越微弱,因此在这一波段中的通信主要是视距范围内空/空、空/地话音和数据的传输。

1 超短波的传播特性

超短波与短波传播不同,无电离层反射,通常也称为视距传播。所谓视距传播就是对那些地波传播能力很弱,天波又基本不存在的电波的传播方式。视距是接收和发射两点之间处在可视范围之间,能互相“看见”的距离。如图1所示。

这种传播方式的特点是:地面衰减大、无天波,信号基本上按直线传播;其频率传输特性上与短波有很大差别,由于频率较高,发射的天波一般将穿透电离层射向太空,而不能被电离层反射回地面,所以主要依靠空间直射波传播(只有有限的绕射能力)。像光线一样,传播距离不仅受视距的限制,还要受高山和高大建筑物的影响。用于地面通信时:如架设几百米高的电视塔,服务半径最大也只能达150 km左右。要想传播的更远,就必须依靠中继站转发或者将其发射天线和接受天线都架设的足够高;而用于空地通信时:由于电台和天线随飞机的高度升高而升高,受地物影响较小,可以传播的更远。

2 影响超短波通信距离的因素

影响超短波通信距离和效果的因素有以下几个方面。

2.1 系统参数

(1)受发射机输出功率越强,发射信号的覆盖范围越大,通信距离也就越远;但发射功率也不能过大,发射功率过大不仅耗电,而且影响功放元器件的寿命,同时干扰性强,影响他人的通话效果,还会产生辐射污染。

(2)在发射功率一定的情况下:接收机的接收灵敏度越高,通信距离就越远。

(3)天线的增益在天线与机器匹配时:通常情况下,天线高度增高接收或发射能力增强。

2.2 环境因素

环境因素主要有路径、树木的密度、周围环境的电磁干扰、建筑物、天气情况和地形差别以及地球曲率半径等,这些因素和其它一些参数直接影响信号的场强和覆盖范围,进而影响超短波通信距离。

2.3 其它影响因素

(1)电池容量不足:当电池容量不足时,电源电流不能正常提供,功率变小;严重时发射信噪比变小,误码率变高,影响正常通信。

(2)天线不匹配:天线的频段和机器频段不一致或天线阻抗不匹配时,均会严重影响超短波的通信距离。

3 超短波通信距离的工程估算

超短波的通信距离决定于天线的增益、高度,发射机输出功率、接收机灵敏度、电磁环境及有无障碍物等因素影响。下面我们通过一些公式可以大致算出预定通信系统的通信距离。

本质上超短波频段的无线传输属于视距传输,在理想情况下(即:发射机功率足够大,接收机灵敏度足够高,视野开阔无障碍物、山地丘

陵等地理因素的影响)其传输极限距离可以用下面的公式表示:

式中:d为距离,单位为米;hr、ht分别为收、发信机的天线高度,单位为米。在实际情况下,电波在直射传播的路径上可能存在山丘、建筑物等障碍物,由这些障碍物引起的附加衰耗(除了自由空间传播衰耗外),称为绕射衰耗。由于存在绕射衰耗及多径反射衰落,实际上的通信距离只是极限距离d的几分之一。

同时还存在超过极限距离的地方也能收到较强信号,这种现象称为超视距传播。存在这种现象的原因是大气对电磁波折射造成的,统称为超视距的传播距离可以用以下的公式表示:

式中:d为距离,单位为米;hr、ht分别为收、发信机天线的高度,单位为m。

4 超短波通信距离理论计算

在电台的各种指标均足够满足要求(发射机的发射功率足够大,接收机灵敏度足够高)的情况下:仅考虑地球的曲率半径,发射天线和接收天线的影响时:如下图2所示,电台的通信距离:

其中:R为地球的曲率半径≈6.371×106 m,hr、ht分别为收发天线离地面的实际高度)。假设:ht=hr=1 m,则d≈226 km。

对于在公式(1)得出的通信距离以内,通信系统能否有效工作,主要取决于系统接收设备的接收功率能否满足系统正常工作的最低要求。接收系统的接收功率可用以下式表示:

式中:Pt为发射功率(w);gr为接收天线增益;gt为发射天线增益;h1=(ht2+h02)1/2,h2=(hr2+h02)1/2天线高度(m);hr、ht为分别为收发天线的实际高度;h0为最小有效天线高度,在300 MHz以上通常可以忽略。根据发射功率的大小计算出来的接收功率的数值即可计算出传播衰耗。此种衰耗可以理解为是由于辐射能量的扩散引起的衰耗,而不是由于受到阻抗、反射、折射、绕射、吸收等原因而产生的衰耗,工程上此类衰耗可用下式计算后得到。

由公式(3)和(5)即可推算出超短波理论上通信距离d值的大小。

5 举例说明

假如两部相同的电台其参数如下:工作于108～400 MHz频段,天线的长度大概为0.5 m,天线的有效高度为 1.5 m;天线的增益大约为0dBi(-2.15 dBd)左右;发射功率为15 W;接收灵敏度约为3 μV。

解:首先进行单位换算,假设接收机负载为50 Ω,3 μV换算成dB uv 表示为9.5 dBuv,然后转换成,分贝毫瓦dB m表示,结果为-97.45 dBm,把15 W换成分贝毫瓦dBm表示结果就是41.76 dBm;接收机要接收到信号所允许的最大损耗为41.76-(-97.45)为133.51。

利用公式(4)推导出最大传输距离和最小传输距离,取最大工作频率400 MHz计算,dmin=10(133.51-32.45-20lg400) /20=281 km,取最小工作频率108MHz计算,dmin=10(133.51-32.45-20lg108)/20=1000 km。

一般理论计算按传播用公式(2),若是天线高度为0.5m,假设都树立在地面上,其传播距离为5.8 km;方式为空地通信,地面天线为15 m,飞行高度为10000 m,理论最大通信距离为:

在同等条件下取公式(4)、(5)推导出的值和公式(2)的值,两者的最小值;若通信频率为400 MHz,其最大通信距离就为281 km。

实际上通信不仅包含固有损耗也包括收发机各种馈线之间的损耗,通信距离肯定小于理论通信距离。