超短波远距离山区通信关键技术研究

Key Technologies of Ultrashort Wave Long-distance Mountain Communications
JIN Hong-jun
（No.50 Research Institute of China Electronics Technology Group Corporation,Shanghai 200063,China）
3 山区通信关键技术分析
3.1 定向天线技术 目前战术超短波电台主要使用全向天线，定向 天线由于体积比较大，架设相对困难，移动性较差， 所以，很少使用。定向天线相对于全向天线，结构 [3] 要复杂的多，但具有相当高的增益 ，这对于山区 远距离通信是一突出的优势，作为山区重要中继节 点使用是非常好的选择。定向天线有面结构和振子 阵结构，其中，对数周期天线是一个很好的选择， 这里是指对数周期偶极子天线，它在一些离散的频 率间隔点上其结构成比例，天线的特性随频率的对 数做周期变化，对数周期天线电压驻波比小于 3， 针对 30～88 MHz 的 天线增益平均可达 8 dBi 以上。 超短波对数周期天线， 假设天线增益选择为 8.5 dBi， 查设计手册最佳设计对应的比例因子 τ 和相邻振子 间的距离用间距因子 σ 值为，τ=0.822 和 σ=0.149， 然后计算各参数得： 顶角 2α=33.3°； 振子长度 l1=5 m、 l2=4.11 m、l3=3.38 m、l4=2.77 m、l5=2.28 m、l6= l7=1.54 m； 振子间隔 d1=1.49 m、 d2=1.22 m、 1.87 m、 d3=1 m、d4=0.82 m、d5=0.68 m、d6=0.56 m；d 总= 可见 30～88 MHz 频段的对数周期天线展开 5.77 m。 面积较大，长度为 5.77 m，高度为 5 m，但增益很 高，达到 8.5 dBi 以上，比常规使用的中馈天线 （-2 dBi）平均提高 10 dB 以上。 3.2 大功率技术 目前军用大功率技术主要应用于短波和微波频 段，功率可以达到 kW、10 kW 级以上，在战术超短 波频段采用的发射功率都比较低，一般为 50 W，而 民用的大功率设备通常以固定基站模式，设备体积 庞大，维护要求较高，无法满足军用车载式、机动 性要求。超短波大功率技术由于频率相对较高，输 出功率大，对器件要求较高，随着大功率 MOS 器件 的发展，采用晶体管技术的全固态 kW 级超短波频 [5] 段发射机技术已经成熟 ，主要应用于广播电视、 电子对抗和流星余迹通信等，在战术超短波通信方 面还没有实际应用，因此，从技术、成本、体积和 干扰等几方面综合考虑，选择设计 500 W 功率放大 器。主要采用宽带匹配、功率合成、功率回退、负 反馈、自动功率控制等技术输出一种功率大、工作
收稿日期：2013-01-30。 作者简介：金红军（1963-），男，硕士，研究员，主要研 究方向为通信网络技术和无线宽带技术。 22
障碍屏高度增加绕射损耗迅速增大。战术超短波电 台一般工作在 30～88 MHz，以视线传播为主，当发 射功率 50 W、传输速率 16 kb/s 时，平原通信距离 单跳可达 30 km；当遇到崇山峻岭（在山区）、建 筑物等阻挡时，通信距离则明显下降，严重时可能 导致通信中断，这就要求超短波电台要具有山区通 信的能力。 如何进一步提升超短波电台的山区通信能力 呢？在接收灵敏度性能不变的情况下，从系统的角 度可以从三个方面考虑，第一，提高发射增益；第 二，降低传输损耗；第三，采用网络技术。发射增 益与发射功率、天线有直接关系，直接增大发射功 率，发射增益就会直接提高，目前战术超短波电台
（1）
当标准大气折射时，R 近似为 8 500 km，视线距离 将增加到：
d 4.15( H 1(m ) H 2(m))km 。
（2）
2.4 传播损耗 超短波传播是不受电离层影响的。 但当气候变化 时，信号的大小也产生变化，这就是衰落现象。近距 离的衰落现象较少； 在远距离， 衰落现象就不可避免。 衰落现象与频率有关，一般说来，频率越高，衰落现 象越严重。自由空间电波基本传输损耗 Lbf 为： Lbf (dB) 32.45 20 lg f (MHz) 20 lg d (km) ， （3） 由式（3）可以看出，传输损耗与频率和距离的平方
2013 年第 06 期，第 46 卷 总第 258 期
通 信 技 术 Communications Technology
Vol.46，No.06,2013 No.258,Totally
超短波远距离山区通信关键技术研究
金红军
（中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200063）
【摘 要】超短波一般通信距离 30 km，在山区通信时，通信距离明显下降，严重时导致通信中断。提 出利用高性能定向天线技术、大功率技术、网络技术和空中平台等关键技术，实现远距离山区通信的可行 性，分析了超短波传播特性和关键技术。对传输性能进行了评估，结果表明：通信距离可达 100 km，可以 实现单跳大跨度远距离通信；通过这些技术有机结合和综合应用，可以较好地解决超短波山区通信问题。 【关键词】超短波；山区通信；定向天线；大功率；网络技术；空中平台 【中图分类号】 TN924;TN919.72 【文献标识码】 A 【文章编号】 1002-0802(2013)06-0022-04
反射波 直射波 绕射波
图2 超短波的绕射传播方式
2 超短波传播特性
2.1 视距传播 超短波在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，主要靠空间直射波、 [3-4] 如图 1 所示。 地面波和地面反射波 3 种方式传播 ， 地面波沿地面衰减极快， 在距发射天线数公里以外， 地面波就很弱了，数十公里以上，地面波已经可以 忽略不计了；地面反射波，地面略有凹凸不平或传 播途中遇到任何障碍，都会对传播产生影响，因而 不能够加以适当的利用。所以，超短波通信主要靠 空间直射波，在低空大气层作视距传播。象光线一 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。因此，要求天线架高一些，以便 增加视线距离。
的发射功率一般在几瓦到几十瓦之间，比如增大发 射功率，则发射增益也增大；天线增益越高，发射 增益也越高，因此，通过提高发射功率和天线增益， 可以提高发射增益。传输损耗一般与频率和天线架 设高度有关，频率越低，传输损耗越小，频率越高， 传输损耗越大；天线架设越高，传输损耗越小，天 线架设越低，传输损耗越大，因此，通过选择低频 段和架设高天线，可以降低传输损耗。网络技术也 是一种重要手段，通过多跳、迂回路由等技术，可 以有效间接避免山体阻挡，延伸通信距离，这种方 式容易被人忽视或很少采用， 但实际上是一种简单、 行之有效的方法。

【 Abstract 】 Ultrashort wave has a general communication distance of 30 km, and the communication distance would decrease in the mountainous areas, thus leading to serious communication interruption. This paper proposes the feasibility in realizing distant communication of mountanous areas with key technologies including high-performance directional antenna technology, high-power technology, network technology and air platform, and discusses ultrashort wave propagation characteristics and key technologies. And the evaluation on transmission performance indicates that the communication distance could be up to 100 km, and that the single-hop large-span long-distance communications thus be realized. Through the organic integration and application of these technologies the problem of Ultrashort wave communications in mountanous areas could be solved. 【Key words】ultrashort wave;mountain communication; directional antenna; high-power; network technology; air platform
0 引言
超短波也称“米波”， 指波长从 1～10 m， 相应的 整个超短波 频率从 30～300 MHz 的无线电波段[1-2]。 的频带宽度有 270 MHz，是短波频带宽度的 10 倍， 由于频带较宽，广泛应用于电视、广播、雷达、导 航、移动通信和战术通信。超短波山区通信，碰到 最多的问题就是山体阻挡，使收发不可视，这时通 信要靠电波的绕射能力，当然绕射损耗是很大的， 只有在超短波的低频段才可利用绕射通信，一般球 面地上的绕射损耗要比山峰的绕射损耗大得多，随
2.3 有效视线距离 一般都认为超短波很近与光的特性，只能够直 线前进，给定发射天线和接收天线高度 H1、H2，当 H1、H2 远小于地球半径 R(6 370 km)时，则超短波的 视线距离 d 也就为极限距离 D，由此可以计算出视 线距离 d 为：
d 3.57( H 1(m ) H 2(m))km ，
直射波
反射波 地面波
图1 超短波传播方式
1 山区通信存在的主要问题
山区通信的技术特点是：山区部署、链状分布、 移动后可快速部署，要求“山中通”的能力；梯队 行进间，要保持通信联络，要求“动中通”的能力； 作战区域受到敌方干扰， 包括山区可能的空投干扰， 要求“抗中通”能力。这些特点就给山区通信带来 了很大困难，主要问题是： 1）山中通能力差，遇到高山阻挡，通信性能大 幅下降。 2）动中通能力差，在移动过程中，网络拓扑结 构发生变化，系统适应能力差。 3）抗中通能力差，干扰源主要是敌方空投，工 业环境或自身干扰，系统适应能力差。 4） 传输速率低， 反应时间长， 连续工作能力差。 这些问题正在逐步得到解决或改善，但在山中 通问题上仍然比较突出， 需要进行体系适应性构建， 通过采用一些新技术、新方法来化解这些问题，从 而全面提升山区通信性能。
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成正比，频率越高，损耗越严重，距离越远，损耗 越大。 EgLi 根据在不规则地形上所得到的大量数据， 总结出如下计算电波传输损耗经验公式： LM (dB) 88 20lg f 40lg d 20lg hb hm K h ， （4） 式（4）中，LM 为中值路径损耗(dB)，f 为载频频率 (MHz)，hb 为基地台发信天线高度(m)，hm 为移动台 接收天线高度(m)， d 为收、 发天线之间的距离(km)， Kh 为地形校正因子(dB)。
2.2 只有有限的绕射能力 无线电波有绕过它所碰到的障碍继续传播的能 力，这种绕过障碍的现象就叫做绕射，如图 2 所示。 电波的绕射能力与其波长有关，波长越长，绕过能 力越强。对长波来说，绕过能力很强，很高的山峰 也能绕过去；但对超短波来说，地面上不大的凸起 部分也会成为严重的障碍，当遇到障碍物时，电波 的能量一部分为障碍物所吸收，造成损失；一部分 即行反射；只有剩下的一小部分能够以较小的曲率 绕过障碍物。因此，超短波的绕射能力远较长波为 差，只有有限的绕射能力。同时，在障碍物的后面 造成很大的阴影区（就是电波不能到达的地方）， 所遭受的损失称为阴影损失。频率越高，绕射能力 越差，所能绕过的障碍物也越小，阴影损失也越大。 经验表明：当电波在 150 MHz 以上时，绕射能力就 非常弱了，几乎只能沿着直线传播。