水陸兩棲飛機超短波通信鏈路設計探討

梁紅云

（中航通飛研究院，廣東珠海 519040）

隨著國民經濟建設的迅猛發展和人民生活水平的不斷提高，各類通用航空器的需求日益增大，水陸兩棲飛機可水、陸起降的獨特優勢決定了它具有十分廣闊的應用前景，旅游觀光、體育娛樂、海岸和高原地區巡邏、搜索救護、森林巡防、環境監測等都是水陸兩棲飛機的應用領域。超短波由于其優越的傳輸性能，在民用航空通信領域和在軍事航空通信領域都發揮著重要作用，地面超短波臺站的配套設施比較齊全且分布廣泛，因此水陸兩棲飛機最主要通信手段是超短波通信。

然而水陸兩棲飛機底部是船型特殊結構，由于強水浪沖擊力和腐蝕的影響，超短波天線不能像以往的陸上起降的飛機那樣安裝，需要考慮其他合適的安裝位置，保證構建最佳的通信效果，并需要對通信鏈路進行分析研究，給出系統合理的設計思路，以助于控制技術風險，進一步提高信道估值的可信度。

1 水陸兩棲飛機超短波通信鏈路

水陸兩棲飛機超短波通信系統的組成，包括有編碼和調制過程的超短波發射機、有信號處理功能的超短波接收機，以及與其相連的超短波天線、饋線。超短波通信鏈路不僅包括超短波通信系統的組成，還包括了超短波在空間的能量傳播。超短波通信鏈路的分析，就是要明確通信的有效區域，即電波以給定能量所能傳播的最大距離。

超短波通信范圍取決于幾個因素：視距通信、發射機的發射功率以及與天線連接的饋線損耗、接收機的接收靈敏度以及與天線連接的饋線損耗、發射天線的性能、接收天線的性能空間傳播損耗。

2 視距通信

根據電波傳播機理：電波傳播時會受到大氣折射，使得電波在地球表面上空的傳播路徑沿地球表面而發生彎曲。綜合考慮大氣折射的平均效應后，超短波傳播的有效視距以可按照下式計算[1]：

式中：HT為發射天線高度，HR為接收天線高度。

根據AC25-7A 《運輸類飛機合格審定飛行試驗指南》指南，飛機應能在飛行高度18000ft、批準的地面臺160nm范圍內可靠通信，相當于飛機實際可靠的通信距離至少要達到300 km。

飛機飛行高度5500m、地面臺站（塔臺）天線高度一般不小于 10m，相當于公式（1）的 HT、HR。根據公式（1），則有效視距Dmax≈318.6 km，實際可靠通信距離D可取300 km。

3 天線的性能

超短波通信發射機輸出的射頻能量是通過天線發射出去。接收機也是通過天線接收射頻能量。天線的性能：方向圖、增益和駐波比等，對射頻能量的傳播有著很大的影響。

3.1 天線方向圖

天線方向圖是表征天線輻射特性空間角度關系的圖形。水陸兩棲飛機允許超短波天線布置的位置在飛機的機背上。由于尾翼和機身下部的遮擋，天線的方向圖會畸變，反映在方向圖上增益的衰減，如圖1所示意。由圖1可見天線垂直面方向圖波動最大為15 dB，水平面方向圖波動基本為0 dB。

3.2 天線增益

增益是表征輻射功率集中程度的參數。水陸兩棲飛機超短波天線的增益除了考慮機載天線產品的增益，在某些狀態下還要考慮飛機對機載天線產品的增益的影響。

圖1 超短波天線方向圖及增益變化

3.3 天線駐波比

由于天線的輸入阻抗與饋線的特性阻抗不可能完全一致，會產生部分的信號反射，反射波和入射波在饋線上疊加形成駐波，通常用下面的公式表示天線駐波比：

超波天線的駐波比一般為是2.0：1，根據公式（2）得到：P如不考慮饋線損耗，到天線輻射能量為電臺發射功率的。

4 饋線損耗

發射機與天線之間、接收機天線之間是要通過饋線-同軸電纜連接。由于饋線存在阻抗，對射頻能量的傳輸會產生損耗，饋線越長阻抗越大，因此損耗越大。

5 傳播路徑損耗

超短波傳播的有效視距并不代表實際使用中能達到這個指標，因為傳播介質會對無線電波產生衰減。通常用下面的公式表示水陸兩棲飛機超短波傳播路徑損耗[2]：

式中：F ——設備工作頻率。

通信距離D不會大于有效視距Dmax。根據第2節分析，若通信距離D取300 km，在頻率F最大取136.975MHz時，根據公式（3），傳播路徑損耗PL≈136dB。

6 傳播裕量

傳播裕量指除去傳播路徑損耗之前的有效射頻功率，如果傳播裕量大于傳播損耗（差值稱為衰減容量），收發雙方才能建立良好的通信。常用下面的公式表示水陸兩棲飛機超短波通信傳播裕量：

P裕量=輸出功率-接收靈敏度-饋線損耗+天線增益+衰減容量（4）

根據工程實踐經驗，若要實現通信的可靠性，傳播裕量應大于傳播損耗6 dB ～18 dB。根據公式（4），超短波傳播裕量PR至少應不小于142dB。

7 通信距離分析及系統設計思路

7.1 距臺站遠距通信及系統設計思路

水陸兩棲飛機距臺站遠距通信時，相對地面臺相當于點到點通信，天線的增益為機載天線產品的增益。

水陸兩棲飛機距臺站遠距通信要求達到300km的要求，則根據第5節可知傳播路徑損耗PL=136dB。

根據民航《甚高頻地空通信地面設備通用規范》地面臺站接收機的接收靈敏度是1.5μV，在標準50Ω阻抗下相當于-103.5 dBm。根據第6節傳播裕量分析，水陸兩棲飛機超短波通信系統設計時，要求機載電臺發射時，機載電臺輸出功率×-饋線損耗+天線增益應大于38.5dBm，才可通信。

根據民航《甚高頻地空通信地面設備通用規范》地面臺站發射功率（10～100）W時，機載電臺接收時，根據第6節，水陸兩棲飛機超短波通信系統設計時，要求機載電臺接收靈敏度應小于接收能量Pr，（-102+天線增益-饋線損耗）≤Pr≤（-92+天線增益-饋線損耗），才可通信。

7.2 飛機進出場通信

按照第7.1節設計的系統，選擇參考文獻[3]的設備，進行如下水陸兩棲飛機進出場通信分析。

飛機在進出機場約在400m高度時，從圖2（b）可見，天線在航向方向上輻射增益衰減約5 dB，地面天線高度取10m，頻率136.975MHz時，根據公式（3）變換，計算通信距離約為90km。

飛機在30m決斷高度時，從圖2（b）可見，天線在航向方向上輻射增益衰減約5 dB，地面天線高度取10m，頻率136.975MHz時，根據公式（3）變換，計算通信距離約為24.6km。

飛機在離場地面滑跑時，從圖2（b）可見，天線在航向方向上輻射增益衰減約6 dB，機載天線高度6m，地面天線高度取10m，頻率136.975MHz時，根據公式（3）變換，計算通信距離約為11km。

根據上述分析，并結合國內機場的現狀，水陸兩棲飛機進出機場時，上述的超短波通信系統可以滿足通信需求。

8 結語

本文主要從通信鏈路初步設計的角度出發，針對水陸兩棲飛機超短波天線布置的特殊性，介紹了超短波通信鏈路分析的一些方法，結合計算機仿真技術，給出了系統設計思路，將更有助于系統工程師預知水陸兩棲飛機通信系統設計性能、控制技術風險、進一步提高信道估值的可信度。

[1]楊劍，UHF數據鏈重要性能參數確定方法[J].電子科技，2010，23（8）：103-104.

[2]UHF/VHF Range Calculation-Pacific Crest Corporation Application Note.

[3]Rockwell Collins，Inc.VHF-4000 VHF COMMUNICATION TRANSCEIVER.1 January 2010.