微波定向天線對準實現方法

李海濤,李 燕,張建忠

(1.大連海軍91550部隊,遼寧大連610023;

2.中國電子科技集團公司第五十四研究所,河北石家莊050081)

0 引言

在微波通信中往往采用定向天線,保證微波通信的可靠性,由于定向天線波束角較窄,天線對準是比較困難的一個問題。目前國際上對定向天線的對準除了采用傳統的計算方位角和俯仰角然后根據羅盤指向對準天線外,還利用全向天線輔助方法進行天線對準,但都沒有給出工程上具體如何實現天線對準。在此主要提出在已知通信雙方經緯度情況下和不知道對方經緯度僅知道雙方大致方位下具體如何實現天線對準的工程方法,對微波通信天線對準的工程實現具有指導意義。

1 通信雙方距離和方位角的計算

1.1 借助于計算公式編程計算

根據經緯度,可以計算通信雙方之間的通信距離和方位角的指向。

設兩站分別為甲站和乙站,A為甲站的維度,B為甲站的經度,C為乙站的維度,D為乙站的經度。計算公式如下:

式中,d為通信距離;φa為方位角。以下程序適用于全球,不僅僅局限于東經和北緯地區。

MATLAB參考程序如下:

A1=input(′INPUT A STATION LATITUDE deg PLEASE,if south add″-″sign′)

A2=input(′INPUT A STATION LATITUDE min PLEASE if south add″-″sign′)

A=(A1+A2/60)*(pi/180);

B1=input(′INPUT A STATION LONGTITUDE deg PLEASEif west add″-″sign′)

B2=input(′INPUT A STATION LONGTITUDE min PLEASE if west add″-″sign′)

B=(B1+B2/60)*(pi/180);

C1=input(′INPUT B STATION LATITUDE deg PLEASE if south add″-″sign′)

C2=input(′INPUT B STATION LATITUDE min PLEASE if south add″-″sign′)

C=(C1+C2/60)*(pi/180);

D1=input(′INPUT B STATION LONGTITUDE deg PLEASEif west add″-″sign′)

D2=input(′INPUT B STATION LONGTITUDE min PLEASE if west add″-″sign′)

D=(D1+D2/60)*(pi/180);

d=111.12*(acos(sin(A)*sin(C)+cos(A)*cos(C)*cos(D-B)))*(180/pi)

d1=d*(pi/180);

if D＞B

Ia=(acos(((sin(C)-sin(A)*cos(d1/111.12))./sin(d1/111.12))*cos(A))*(180/pi)) %甲站方位角

Ib=360-acos((sin(A)-sin(C)*cos(d1/111.12))/sin(d1/111.12)*cos(C))*(180/pi) %乙站方位角

else

Ia=360-(acos(((sin(C)-sin(A)*cos(d1/111.12))./sin(d1/111.12))*cos(A))*(180/pi)) %甲站方位角

Ib=acos((sin(A)-sin(C)*cos(d1/111.12))/sin(d1/111.12)*cos(C))*(180/pi) %乙站方位角end

1.2 借助于FransonCoordTrans軟件計算

該軟件可在互聯網上下載,但有效期一個月后需要注冊付費使用。

該軟件采用可視界面,操作簡單直觀。除了具有多個經緯度坐標系之間轉換功能外,可方便計算全球任意兩點的通信距離和方位角。計算時通常采用WGS84坐標系,這與目前使用的GPS坐標系相符,容易操作。通過輸入兩端經緯度數值、并界面選擇東西經和南北緯即可方便得到2個站點的通信距離和通信方位角。2個站點在世界地圖中的位置也可以在界面下方的簡易google地圖上顯示出來。

1.3 磁偏角的修正

在開通過程中,通常通過磁羅盤或電子羅盤依據計算出的天線方位角調整定向天線,羅盤指定的方位角由于磁偏角的存在會存在偏差,因此需要根據磁偏角正負對天線對準角度進行修正,以保證天線角度的準確調整,其具體做法是向西減磁偏角向東加磁偏角。世界各地的磁偏角是不一樣,還需要查閱當地的磁偏角數值,下面給出國內幾個典型地區城市的磁偏角值。

表1 國內主要地區城市磁偏角

以北京地區為例,如果計算出的真北方位角是北偏西30°,那么天線需要指向羅盤方位的北偏西36°的位置。以4 GHz的 2.4 m拋物面天線為例,該天線的波束角只有1.9°,因此磁偏角的影響決不能忽略。

全球范圍磁偏角值可查閱相關資料、下載世界磁偏角地圖查閱和采用美國國家海洋和大氣管理局(NOAA)提供的軟件進行。

2 天線俯仰的計算

天線的俯仰角就是兩地天線之間傳播直線與天線處地球的切線夾角,如圖1所示。圖1中,α為h1天線的俯仰角;β為h2天線的俯仰角;h1為天線的掛高與此地海拔高度之和;h2為天線的掛高與此地海拔高度之和。

圖1 天線俯仰角示意圖

供參考的俯仰角的計算MATLAB基本程序如下:

H11=input(′輸入 A 站海拔高度:′)

H12=input(′輸入 A 站天線掛高:′)

r=8500; %單位千米,地球大氣折射等效半徑。

ha=H11+H12+r*1000;

H21=input(′輸入 B 站海拔高度:′)

H22=input(′輸入 B 站天線掛高:′)

hb=H21+H22+r*1000;

d=input(′輸入兩站通信距離:′)

d3=(ha)^2+(hb)^2-(2*(ha)*(hb)*cos(d/r))

d4=sqrt(d3)

z1=(ha-hb*cos(d/r))/d4

pp=acos(z1)*(180/pi)

if pp＞90

zz=pp-90

else

zz=-(90-pp)

end

3 天線對準的準則

3.1 已知雙方經緯度時天線對準

微波信號理論接收電平計算公式如下:

式中,Pr為天線端的接收電平;Pt為對端的發射功率(dBm);G1和G2分別為兩端天線增益(dBi);f為工作頻率(GHz);d為通信距離(km);L為兩端饋線損耗等其他損耗之和。

通過前面計算的通信雙方的通信距離、帶入此公式計算出通信兩端的理論接收電平。

在民用通信中天線通常掛在鐵塔上,這時天線具有俯仰桿和方位桿,把天線按照上述計算的方位角和俯仰角數值掛好天線,然后進行俯仰桿和方位桿的微調,測量實際接收電平,當實際接收電平與理論計算接收電平相當時,則認為天線已經對準。

在軍用通信中天線掛在車載的天線桿上,通常天線桿上掛有云臺,輸入雙方經緯度后云臺控制設備可借助于電子羅盤自動調整天線方位角和俯仰角,然后再手動微調。由于軍用通信中通常要求快速開通,天線的尺寸通常不大,方位角和俯仰角的角度較大,容易對準,很多情況下甚至不用調整俯仰角,但對準判斷原則不變。

3.2 未知雙方經緯度時天線對準

在未知雙方經緯度時,天線的方位角和俯仰角均不可得到,此時定向天線對準可借助于全向天線或低增益定向天線做輔助,由于全向天線或低增益定向天線的增益較低,其方位角和俯仰角比較寬,容易實現對準,此時發射端可采用發射單載波或低速數據來保證接收電平的處理。

借助于全向天線或低增益天線對準的實際方法如下:首先一端使用全向天線另一端使用定向天線,調整定向天線得到最佳接收電平,然后另一端使用全向天線,本端使用定向天線,調整本端定向天線,得到最佳電平,然后兩端同時使用定向天線,進行微調即可對準。

如果是天線控制單元控制的天線自動對準,可以將上述對準程序編程輸入電腦中,控制天線實現對準,但是由于實際工程中受地理環境的影響,會出現多徑效應,從而天線對準會出現偏差,也需要手動輸入數值進行方位角和俯仰角的校正。

借助全向天線實現定向天線也可以使用在已知雙方經緯度的情況下,此時所謂的最佳接收電平就是理論計算的接收電平,但是由于全向天線抗多徑能力較差有時會出現接收電平偏差,需要引起注意

4 結束語

在工程實踐中,天線的對準過程不僅僅是計算出真北方位角按照天線方位角對準就行,要考慮磁偏角的影響,要以計算的理論接收電平作為天線對準的判別準則,這樣才能準確地完成天線的工程對準。此外,借助于全向天線或低增益天線容易實現定向天線的快速對準。

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