短波天线原理和应用

短波天线的原理和应用摘要：本文从电波传播和电离层分布特性的角度解释了短波电波辐射的特点，并介绍了常用短波天线的种类和特性。

对各类短波天线的架设要求和注意事项给出了建议和参考。

最后对短波天线的接地系统的设计给出了一些参考方案。

关键词：天线、电离层、极化、接地1.序无线电通信就是依赖于无线电电波在空间的传播而建立通信链路的,因此电波传播是无线电的一个重要环节。

对于不同的工作频段，电波的传播特性将有所不同。

同时所采用的辐射天线也将有很大的不同。

本文将就电波的传播特性和短波常用天线以及电台架设的注意问题作一些介绍。

1．1 电离层特性电波在空间传播将会受到电离层的影响，尤其是中短波的传播就是依赖于电离层的反射进行传输的，因此对电离层应有一些了解。

a）电离层的产生地球表面有1000公里高的大气层，由于太阳光辐射（x射线，紫外线）空气不断电离同时不断复合，这样空气中将存在着游离的带电粒子；b）带电粒子随高度增加而增加，在离地面较近的地方每立方米只有几个或几十个粒子，到接近1000公里时，每立方米将有上千或上万个带电粒子。

因电离层一般按如下分层：C层D层E层F1层F2层0～50kM 60～90kM 100～120kM 170～220kM 225～450kMc）电离层在白天、黑夜，一年四季将会有不同的变化。

白天由于有阳光，低层(D层)电离层浓度升高，反之黑夜时将降低。

一年四季变化也是由于因受阳光照射时间长或短而变化。

d）电离层在不断上下或水平运动，从而造成电波反射传播过程中的瑞利衰落和多普勒效应。

e）电离层具有非均匀分布性，类似云彩的特点，因而造成电波反射时的散射,多径时延。

f）电离层对电波的吸收随工作频率升高而减少。

对中长波吸收很大，如10～20kW的中波广播机覆盖面在100km左右，而1kW的短波可传送3000km。

即频率愈高的中短波信号愈容易穿越低层(D层)的电离层。

1．2 大地对电波的影响大地对电波的影响主要是地波传播的影响，大地不能视为良导体也不能视为绝缘体，由于地质不同应区分对待。

a）对于如海水、淡水、湿地，对电波的吸收较小，但由于地面反射波与入射波有180o 相位差，将会吸收紧靠地面的电波，使波瓣抬高；b）对于干燥地质对电波吸收会较大（主要对短波吸收）；c）对于金属矿藏地质如铁矿地带，对电波吸收是非常大的，千万不要在这里设立电台（收发信台）；d ） 总体看地面对电波都有一定的吸收，而且随频率愈高，吸收愈大，但地面对0.15MHz~5MHz 吸收较小。

2 各波段电波传播2．1 中长波的电波传播由于地面对中长波吸收较小，而电离层对中长波吸收很大，因此中、长波的电波传播主要以地波为主，在工作频率接近2MHz 时，才有一部分以天波传播。

长波的波长达1～10km ，其天线的体积非常庞大。

中波常用桅杆天线，容抗很高，而天线电阻很小只有2～10Ω，电波以垂直极化传播。

接收场强P —— 发射功率（瓦）h 1 —— 发射天线有效高度（m ） h 2 ——接收天线有效高度（m ） r —— 与发射台站距离（m ） K —— 视地面影响的系数2．2 短波电波传播短波的电波传播有地波和天波传播，主要是天波传播，因此和电离层有紧密的联系。

2．2．1 地波传播地面对短波吸收较为严重，因此短波的地波传输距离都很短，而且工作频率在短波的低频段（< 5MHz ）。

如在平原地带，20瓦电台（4米鞭天线）地波通信距离只在25km 左右，100瓦电台地波通信距离约为40～50km ，200瓦电台约在50～60km 。

在海平面短波的地波传输可以远一些，如100瓦电台通信距离可达150km ～300km 。

2．2．2 短波的天波传播短波之所以可以远距离通信，得益于天波的传播。

天波是靠电离层的反射而传播的。

122Ph h E K ra) 盲区在短波传播中,在工作频率固定,发送波瓣固定时,会出现地波达不到,天波也达不到的地段,接收机在这段地区将无法接收,这个地段称为盲区。

盲区的克服,改变工作频率或改变天线发送波瓣。

注意:辐射仰角过高电波会不反射,频率愈高高仰角的电波会愈容易穿透电离层而不产生反射。

b ）随工作频率升高，电离层吸收减少，穿透电离层的高度也越高，传播距离也愈远。

ED F 1F 2 仰角 f 0 f 1 f 2f 3 f 4 f 5 f 5 <f 4 <f 3 <f 2 <f 1 <f 0电离层 高电离层 低电离层 发信台 仰角抬高D 层 盲区 发信台 收信台 地波 天波要进行远距离通信一般选用高一些的频率,同时压低波瓣仰角。

功作频率太高，尽管仰角不是过分高，但它将穿透电离层不产生反射。

（地球电离层有一个低损耗的短波窗口，那就是22MHz 左右的工作频率） 短波远距离通信传播路径设计：1）短波一跳传输距离一般可考虑在3000km 以内，电离层反射层一般考虑在E 、F 层，路径损耗要靠实验获得，同时接收地点的无线电噪声电平，如城市通常有20~35μV/m,农村5~15μV/m 。

如北京到广州2450公里，白天路径损耗约280W ，夜间损耗约180~200W 。

这样才能保证接收方有10dBSINAD 。

2）短波的多跳传输在二十世纪七十年代以前,远程通信都是以短波为主.在洲际短波通信上就要考虑多跳传输。

为减少损耗，地面反射点应选择在海面或湖泊。

如：C ）电离层反射中的最佳频率传输在过去短波通信中，只规定了2~3个白天或夜间的工作频率，由于电离层经常在变化（浓度、高低），短波通信的可靠性非常低。

近年来自适应通信技术的发展，可以自动寻找最佳频率工作，使短波可通率有很大的提高。

由于电离层不断的“运动”——电荷变化，使得某一频率传播路径中的吸收、散射情况也在不断变化。

因此在某些时候，就会存在某段频率集所对应的传输路径上损耗最小，散射最小的情况，这一频率集就是这一传输路径的最佳信道。

如天津到上海最佳频率上通信，只需10瓦功率，天津到乌鲁木齐最佳频率上通信只需60瓦功率。

d ）电离层变化对电波传输的影响和对策 电离层变化对电波传输的影响主要有：——衰落---几次~上百次/秒，变化100dB 以上； ——散射---造成衰落；——多径延时---造成码元模糊±2ms~4ms ； ——多普勒效应---频率偏移±4Hz~8Hz ； ——大气噪声干扰---降低信噪比。

对策：1）针对衰落、散射——加强接收机AGC 设计（控制特性大于120dB 以上，不同通信方式具有不同的放电常数）；——不用或少用调幅方式；——采用交织、分集等资料纠错。

2）针对多径时延、多普勒效应F F S N DSINAD N D ++=+北京 上海太湖 电离层 发射 接收——降低传输波特率；——调制器增加多普勒频偏纠正。

3）降低大气噪声干扰影响——采用功率自适应技术；——提高天线方向性；——提高接收机选择性和倒易混频等与抗干扰有关指针。

2．3 超短波的电波传输超短波段的波长已经在10m以下，电离层已不在进行反射。

而大地、建筑物对它有很大的吸收，所以超短波的电波只能直线或称视线传播。

由于地球表面是一球面，因此当发射台站以50m高天线发射时，他传播距离应在半径50km左右圆周内。

城市里的建筑物对它产生吸收和反射。

对于30MHz~100MHz频段，除视线传播外，在地球表面C层电离层比较浓密时，地面和电离层之间视为“波导”，这时电波将会绕射传播，电波将会传输100多公里远。

超短波亦常用于散射通信，即利用流星在大气中燃烧时产生的反射进行通信。

3．常用短波天线3．1 天线是接收和发送设备的重要组成部分，优良的天线可以节省数十倍的发射功率，又很好的净化电磁环境。

对于天线要了解以下几个基本概念：偶极子——元天线点源天线天线增益天线方向性电波极化——垂直极化、水平极化、椭圆极化天线有效高度天线阻抗天线效率a）元天线元天线即偶极子天线，是一种基本辐射单元。

()sinfθθ=z 向x-y面为圆dl<<λy天线辐射功率P辐射电阻 2280()A dlR πλ=b) 点源天线理想天线元,它的方向性为半径均匀的球形,辐射效率为100%。

这种天线是不存在的，仅作为标准。

C ） 天线增益G产生相等场强时，点源天线输入功率P oIN 和某实际天线的输入功率P IN 之比。

d) 方向性系数 D以同等功率输入点源天线或某天线时产生的场强平方比元天线的方向系数D=1.5，单独方向性系数意义不大，主要是方向图。

e ）电波极化方向电波从天线辐射，有不同的极化方向（与天线有关），利用不同的极化方向可增加通信容量或躲避干扰。

以电场垂直于地面的为垂直极化，电场和地面平行的为水平极化。

短波电波经电离层反射后，由于电离层的不均匀性，通常要造成椭圆极化即垂直极化和水平极化都存在。

22280()sdlP SdA I πλ==⎰2A AP I R =oININP G P =E Const =或oE G E =IN P Const=Dη=方向性系数 发射效率22o E D E =IN P Const =大地大地E 场 垂直极化 E 场 水平极化椭圆极化注：发射波为垂直极化，则接收也应垂直极化来接收，这才能得到最大的耦合电平。

超短波电台应非常注意极化。

f ）天线有效高度 h 在估算场强时，经常采用天线有效高度作为天线高度。

由于地面对高频电波有很大的吸收，尽管天线很长，但在地面上，接收和发射的效率仍然很低，当天线离开地面越高，接收场强将会随之线性增加。

因此可折算接收场强上增加的天线离地面的高度,即天线有效高度。

原则上是13()44λλ的天线离地面高出一米可计入1米。

g ）天线阻抗（微波天线除外）驻波天线如鞭天线、长线天线、44米双极天线，可以把它看成是开路线段，但由于它有电波辐射，有天线电流和功率输入，因而它是一个复杂的复合阻抗。

天线的电阻并非辐射电阻，而是与辐射电阻和天线自身电阻，天线环境损耗，地面损耗有关的数值，所以测量天线阻抗都规定或标明环境条件。

天线的电抗部分基本接近2ctgπλ规律变化，但由于地形、地物和天线自身的结构，将会使天线电抗变化规律有所偏离。

如谐振点会随轴左右移动，并联谐振时电抗并非无穷大等。

宽带行波天线,具有固定输入阻抗的宽波段可使用天线。

这些天线如菱形天线、折合振子天线等。

它们的阻抗在相当宽的频段内是固定的600Ω或50Ω，驻波比≤2.5。

h ）天线效率对天波一般为95%η>。

一般在设计天线时，自身热损都很小。

主要考虑天线架设强度。

因此使用的铜线、钢丝都比较粗，如软天线电缆线径φ4mm ，拉拔力在60kg 左右。

3．2 短波常用天线3．2．1 常用短波天线的分类一般可分为两大类：1） 窄带驻波天线——天线阻抗随工作频率变化很大。