傾斜地面對短波天線通信的影響＊

羅光勝 張志剛 孫劍平

（1.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）（2.海軍司令部信息化部 北京 100066）

1 引言

在現實生活中，一般天線所處的環境并非理想的開闊平地，相反，周圍被高山、樹林、峽谷等遮蔽，天線的輻射性能較之平坦地面會有所變化。因而實際中天線通信效果與理想情況并不一致，有時甚至相差很大［1］。本文將研究傾斜的下坡地形對通信方向上短波天線的輻射性能的影響。這些研究，將有利于在現實條件下短波通信臺站的設計以及提高短波通信的效益。

2 天線的架設高度隨傾斜地面傾斜角和通信仰角的影響

當遠距離通信時，應該根據通信距離選擇通信仰角，再根據通信仰角來確定天線的架設高度，以保證天線的最大輻射方向與通信方向一致［2］。對于遠距離通信，由于要求較小的通信仰角，這樣的天線必然架設得較高。如果在通信方向上有一傾斜地面，此時天線的架設高度較之平坦地面在同一最大通信仰角情況下會發生一定的變化。由圖所示的幾何關系，很容易得出當傾斜角為β時，架于地面上的天線的實際高度與通信仰角Δ之間的關系是：

當β＝0即為平坦地形下天線的架設高度和通信仰角關系：

由此可以得出傾斜地面天線架設高度和平坦地面上天線架設高度的關系為：

由傾斜地面下天線高度計算式求得圖1，2（設波長λ為30m）。

圖1 天線高度隨傾斜角變化關系圖

圖2 天線高度隨通信仰角變化關系圖

由圖中數據可以看出：

1）在通信仰角Δ為一定時，隨地面傾斜角度β的增加，天線的高度h會減小。但有一最小值。當2β＋Δ＝90°時，此坡度下對應的天線高度h達到最低。當傾斜角β繼續增大時，會使得天線高度h增加。當βmax＝90°－Δ時，此坡度下對應的同一通信仰角下的天線架設高度和平坦地面相等。當傾斜角超過βmax時，天線高度高于相同條件下平坦地面的天線高度。此時下坡地形會增加天線的高度，這是不可取的。

2）當地面傾斜角度β一定時，隨著通信仰角Δ的增大，天線高度h也隨之降低。但是也有一最小值。當β＋Δ＝90°時，天線高度h達到最低。并且此最小值即為平坦地面下該通信仰角對應下的天線高度。當通信仰角Δ繼續增大時，天線高度會增加，并且大于平坦地形下相同通信仰角所需的天線高度。因此，當實際天線周圍的傾斜坡度一定時，為了最大限度的降低天線高度，通信仰角有一最大值Δmax＝90°－β。當通信仰角超過這個最大值時，天線周圍的地形會使得天線的架設高度高于平坦地面下所需的天線高度。此時，不適合在通信方向上傾斜的下坡地面頂端架設天線。

3 傾斜地面對地面反射的最小菲尼爾橢圓區的影響

實際地面對天線輻射的影響可以用鏡像法［3］來考慮。

在入射電波的激勵下，反射面上將產生感應電流。盡管所有的電流元的輻射都對反射波做出貢獻，但是根據電波傳播的有效區概念，反射面上只有在有效區內的電流元對反射波起主要的貢獻。

設地面為理想導體，離地面高度為h的水平天線在接收點B處的輻射場應該是直射波輻射場和經由地面的反射波的輻射場在B處的合成場。根據電波傳播的菲涅爾區［4］概念可知，反射波的最小空間通道是以天線的鏡像AT和B為焦點的最小菲涅爾橢球體，而這個最小橢球體和地面相交的區域為一個橢圓，由這個橢圓所限定的區域內的電流元對反射波具有重要意義，稱之為最小橢圓區［5］。也就是說，地面對垂直面方向圖的形成，不是天線下面的全部地面都具有同等的作用，而是由最小橢圓區決定。

圖3 地面上的有效反射區

可以 證 明［6］，地 面 上第一菲涅爾橢圓尺寸為

式中：x0為第一菲涅爾橢圓中心的坐標；a為菲涅爾橢圓的長半軸；b為菲涅爾橢圓的短半軸；d為反射點到天線塔底部的幾何反射距離。

橢圓面積為πab，因此可以認為最小橢圓的長半軸為

短半軸為

這樣便得到了對垂直面方向起主要作用的最小橢圓區尺寸的計算式。最小橢圓區相關尺寸（見圖4）如下：

式中：xF為最小橢圓遠邊界到天線底部的距離；xN為最小橢圓近邊界到天線底部的距離；W 為最小橢圓區的寬度。

圖4 地面上的最小橢圓區尺寸

如果在通信方向上有一傾斜地面，由于不同的傾斜角度β的影響，在給定頻率f和通信仰角Δ的情況下，也會導致天線的幾何反射點水平距離d、最小橢圓區的尺寸等等都會發生相應的變化［7］。

表1列出了根據上述討論所設計的三副天線的有關數據。其中1＃天線為架設在平坦地面上作為參考。（設波長λ為30m，所要求的通信仰角Δ為30°。）

表1 不同坡度的前傾地面對短波通信天線的影響

由上表可以看出：

1）對于同一通信仰角，前傾的傾斜地面可以有效的降低天線的架設高度。傾斜的坡度越大，天線架設高度越低。

2）由于天線的架設高度降低，因此，對于同一通信仰角下所求的最小菲涅爾區尺寸也減小。

3）由于傾斜地面的影響，反射點的幾何水平距離朝著天下塔底部的方向偏移，最小橢圓區的中心也向塔底方向偏移。

由于最小橢圓區對形成垂直面的方向圖的第一波瓣是至關重要的，所以工程上在選擇收發天線場地時，必須要特別注意這塊場地的選取和測量，使天線周圍地形的遮蔽對最小菲涅爾區的影響最小。并充分利用通信方向上傾斜的下坡地面，可有效降低天線的架設高度和減小最小菲涅爾橢圓區的面積，以達到最佳的通信效果［8］。

另外，對“平面型”水平極化短波通信天線而言，比如菱形、對數周期偶極子陣天線等，為了利用前傾地面，應把天線平面與傾斜地面平行架設，而不應水平架設［11～12］。

4 結語

通過理論推導和研究，得出了天線的實際架設高度受傾斜地形和通信仰角的關系，分析了實際復雜地形下對最小有效反射橢球區的影響并和平坦地面的天線做了比較，給天線的架設以及天線場地的測量和選取做了些理論參考。

［1］J.K.Breakall，R.J.Lunnen，D.H.Werner，J.S.Young.High Frequency（HF）Antenna Siting Effects in Irregular Terrain，Penn State University Applied Research Laboratory，15，1991.

［2］宋錚，張建華，黃冶.天線與電波傳播［M］.西安：電子科技大學出版社，2003.

［3］王增和，盧春蘭，錢祖平，等.天線理論和設計［M］.機械工業出版社，2003.

［4］李緒益.微波技術與微波電路［M］.廣州：華南理工大學出版社，2007（3）

［5］王一平，郭宏福.電磁波－傳輸·輻射·傳播［M］.西安：電子科技大學出版社，2006（1）.

［6］Φ.Б.契爾內衣.無線電波傳播［M］.國防出版社，1966，4（1）：62－78.

［7］謝處方.天線原理與設計［M］.西安：西北電子工程學院出版社，1985.

［8］謝處方.電波與天線［M］.北京：人民郵電出版社，1963（2）.

［9］常傳文，楊悅.一種提高短波數據通信性能的方法［J］.計算機與數字工程，2011（8）.

［10］李浩祥，柳超，劉紅光.短波魚骨天線及其陣列的研究［J］.計算機與數字工程，2012（7）.

［11］M.I.多路哈諾夫.無線電波傳播［M］.北京：人民出版社，1960（3）.

［12］H.Jasik，Editor.Antenna Engineering Handbook［M］.New York：McGraw Hill，1961.