淺談海岸電臺發(fā)射信號能量的合理布局與天線程式的理想化選擇

楊曉勤

摘 要：本文結(jié)合船岸短波通信的特點(diǎn)，對岸臺的通信覆蓋區(qū)域和發(fā)射天線的方向圖特性做了分析，提出了岸臺發(fā)射天線程式的理想化選擇方案，最后描述了對未來岸船短波通信模式的展望。

關(guān)鍵詞：短波通信 天線 布局 理想化

1.引言

海岸電臺與船舶電臺之間的通信，是一種中心點(diǎn)與游離點(diǎn)之間的“一點(diǎn)”對“多點(diǎn)”的通信。其特點(diǎn)類似太陽光散射，這種“中心散射分布式”通信的功能結(jié)構(gòu)，最大特點(diǎn)是中心點(diǎn)周圍隨著離開中心的徑向距離不同，其能量的徑向分布具有不均等性。隨著離開距離的增大，信號能量分布密度呈平方倍變小，岸臺發(fā)射信號能量的分布密度呈平方倍變小，隨著船臺與岸臺之間徑向距離的增大，岸船間的通信效果也不同。這就要求海岸電臺對其發(fā)射信號的覆蓋區(qū)間的能量分布作出合理的安排，并以此為基礎(chǔ)選用理想化的發(fā)射天線。

2.海岸電臺短波發(fā)射能量分布區(qū)間的合理安排

由于海岸電臺發(fā)射能量對遠(yuǎn)近距離存在不均勻性，要求海岸電臺必須能夠在發(fā)射能量時針對遠(yuǎn)近區(qū)間作出不同的能量分布。如果把海岸電臺通信分布區(qū)間比作剛剛盛開的“向日葵之花盤”的話，“向日葵花盤中心園形區(qū)間”代表“近洋通信”區(qū)間，“向日葵各個花瓣區(qū)間”各代表一個“遠(yuǎn)洋通信”區(qū)間。這里可以假設(shè)按每一個“遠(yuǎn)洋區(qū)間”與位于中心的“近洋區(qū)間”作相同面積大小規(guī)劃。再考慮到短波天線在設(shè)置“遠(yuǎn)洋”與“近洋”通信區(qū)間覆蓋時會有一定的交疊性，即近洋天線通信覆蓋往往會溢界到遠(yuǎn)洋范圍，而遠(yuǎn)洋天線的通信覆蓋也會在區(qū)遠(yuǎn)洋之前過境近洋覆蓋區(qū)間局部位置。因此，與其說近洋與遠(yuǎn)洋天線的通信覆蓋象“向日葵花盤”分布狀，還不如說它們兩者好像是一朵喇叭花和一朵大玫瑰花上下雙層交疊在一起，只不過論喇叭花面積與一個個花瓣面積，兩者大體相當(dāng)而已。

在天線的方向圖中，這分別指的是近洋通信天線水平方向圖的“圓形”全向圖，與遠(yuǎn)洋通信定向天線水平方向圖的“單個花瓣形”偏向圖。需要指出的是短波傳播是通過天波反射傳播的，其覆蓋區(qū)有“一跳區(qū)”、“二跳區(qū)”，在功率大、天線好、電離層適宜時還會有“三跳區(qū)”。因此“花瓣”前沿能擴(kuò)展到多大，還要依天線的垂直面方向圖性能確定。

考慮到船舶在海洋中實際航行密度的分布特性，遠(yuǎn)洋通信區(qū)間的安排最多只要六個區(qū)間即可。即：直布羅陀海峽方向、西非方向、澳洲方向、北美、加勒比海或南美方向、北極方向等。這些方向由于距離遠(yuǎn)近的層次不同，又可以根據(jù)遠(yuǎn)近將它們排隊，針對其中最遠(yuǎn)的方向給以安排使用最高的工作頻率，其余類推可以得出最低的遠(yuǎn)洋通信工作頻率所對方向指向何方。

從短波通信長期實踐來看，短波4—13MHz中低頻段適宜近洋通信（該段頻率的天線水平面方向圖可以做到近似于圓形的全向型），而14—22MHz的高頻段更適宜遠(yuǎn)洋通信。因為在高頻段情況下，原來低增益的全向天線的水平方向圖的“圓形”圖會演變?yōu)樵鲆娌⒉桓叩摹盁炄边呅巍眻D。這將即喪失了近洋天線的全向特性（本身增益較低），也未能達(dá)到定向天線的高增益特性要求。鑒于此，不如放棄天線的全向性，將增益全部集中到遠(yuǎn)距離方向，采用使某個方向高增益其余方向無增益的定向天線技術(shù)。

3.海岸電臺短波發(fā)射天線的理想程式

要確定海岸電臺短波發(fā)射天線的理想程式，應(yīng)首先將通信覆蓋區(qū)劃分為近洋與遠(yuǎn)洋兩種區(qū)間，然后再考慮如何使通信在各區(qū)間達(dá)到理想狀況。

由上所知，近洋通信要求短波天線的水平方向圖最好是一個“圓形”，而未涉及的垂直方向圖則最好是一個“半圓形”。遠(yuǎn)洋通信則從根本上改變了近洋天線方向圖的那種全方向特性，使得天線除了固定方向有增益外，其余方向的增益大大縮小甚至為零。這也就是定向天線的特性。

定向天線的理想方向圖，其水平方向圖呈“圓潤水滴形”，它代表天線在方位角作連續(xù)變時天線增益幅度變化的保持狀況。垂直方向圖呈“飽滿鯨魚頭形”。它代表天線在仰角作連續(xù)變化時天線增益幅度的保持狀況。這兩種形狀圖的遠(yuǎn)端沒有凹陷缺口出現(xiàn)，說明天線增益特性在水平面或垂直面各自隨角度變化的過渡性相當(dāng)平穩(wěn)。一般說來，大多數(shù)定向天線容易滿足水平方向圖要求的這種飽滿平滑特性，不易滿足垂直方向圖要求的這一特性。而天線垂直方向圖的不同仰角代表著不同的通信距離，通信仰角越小，無線電波經(jīng)電離層反射距離就越遠(yuǎn)。通信仰角連續(xù)變化時，若天線增益處處能保持一致強(qiáng)度作對應(yīng)連續(xù)變化，這意味著通信信號在遠(yuǎn)距離以近的方向覆蓋無盲點(diǎn)。在此通信區(qū)間，船岸通信效果將大大改善。因此，垂直方向圖的特性好壞主要地決定了遠(yuǎn)洋通信的特性好壞。

船舶在海洋中所作的任何方向的運(yùn)動，都可以等效分解為以岸臺為中心的圓周運(yùn)動和離開原點(diǎn)在半徑方向上所做的徑向運(yùn)動。可以確定，圓周運(yùn)動可以由天線的水平方向圖與之對應(yīng)，徑向運(yùn)動可以由垂直方向圖與之對應(yīng)。對于近洋通信來講，滿足兩者都應(yīng)不成問題。而對于遠(yuǎn)洋通信來說，天線的水平方向圖欲呈“水滴形”雖不會成為大問題，但要其天線垂直方向呈較理想的“鯨魚頭形”，同時還要天線達(dá)到定向高增益就有點(diǎn)問題了。例如一般的垂直型天線，其垂直方向圖雖非“鯨魚頭形”，但也是不錯的“半球蓋地形”，然而其低增益特性又是無法滿足定向天線的高增益要求的。由此也可以看出，垂直方向圖的這一特性也成為制約遠(yuǎn)洋通信效果好壞的“主要矛盾”。

也許有人會說，對于在徑向距離上作遠(yuǎn)近移動的船舶要與岸臺通信來講，通過改變頻率也可以改變仰角從而可以達(dá)到滿足徑向距離上遠(yuǎn)近距離通信區(qū)間覆蓋的目的。而事實上，海岸電臺的固定頻率通信模式中，靠改變頻率來改變仰角以達(dá)到對遠(yuǎn)近距離的連續(xù)覆蓋，只是長期以來人們的一種錯覺性愿望而已。這就是說，船臺、岸臺所處的位置，決定了遠(yuǎn)洋通信需要重點(diǎn)關(guān)注定向天線自身垂直方向圖中“仰角-增益”成對連續(xù)變化的增益“保持性過渡”問題。

目前，我們常用的大多數(shù)高增益定向天線并非很理想。比如：同相水平、水平八木、水平對數(shù)周期等高增益定向天線，其垂直方向圖不是“多瓣形半朵花形”，就是“多手指張開形”。這些天線在垂直方向圖上仰角從小到大連續(xù)變化時，天線增益不能連續(xù)保持一定強(qiáng)度過渡的增益分布特性，對海岸電臺實現(xiàn)由遠(yuǎn)到近連續(xù)距離上連續(xù)覆蓋造成了眾多缺陷，即只能做到稀疏的“點(diǎn)式”覆蓋。這是一種有比較嚴(yán)重缺陷的通信模式。

在通信工作實踐中，近洋通信全向天線中，扇錐天線是一種基本滿足從水平方向圖的“準(zhǔn)圓形”，與從垂直方向圖的“準(zhǔn)半圓形”看來都較接近理想的天線。而對于遠(yuǎn)洋通信來講，垂直對數(shù)周期天線（單極式）則具有以上所述的重要特性，是比較理想的遠(yuǎn)洋通信天線。例如，它在具備較理想垂直方向圖特性的同時，還具有定向的高增益性（增益至少7DB，甚或11DB）。而且，天線這種高增益性呈現(xiàn)遠(yuǎn)近距離非線性補(bǔ)償。從天線垂直方向圖上也可以看出，仰角越低，則增益越高，這意味著“仰角低”所對應(yīng)“遠(yuǎn)距離”得到天線“高增益”反向補(bǔ)償。這種對岸臺發(fā)射能量隨遠(yuǎn)距離散射衰減特性的相反性補(bǔ)償是非常難得的。對于追求增大高頻段輻射能量來說，盡管可以通過人為安排增加高頻段發(fā)信機(jī)的功率來部分解決，但是發(fā)信機(jī)功率一旦確定后，能對徑向從遠(yuǎn)到近連續(xù)距離全覆蓋實現(xiàn)反向補(bǔ)償?shù)模椭挥刑炀€方向圖自己的增益特性了。

4.對未來岸船短波通信模式的展望

隨著互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、自適應(yīng)通信技術(shù)的滲透應(yīng)用，海岸電臺的建設(shè)將從傳統(tǒng)的三址式（即中控臺、發(fā)信臺、收信臺分開）改為多地址式（一個中控臺，多個發(fā)信臺，多個收信臺），設(shè)備的遠(yuǎn)程控制模式將從傳統(tǒng)的四線音頻方式改為IP組網(wǎng)控制方式，形成局域網(wǎng)。各大海岸電臺也將采用IP聯(lián)網(wǎng)形式，形成互聯(lián)互通、互相調(diào)用的廣域通信網(wǎng)路。岸船一對一的固定通信模式也將通過海岸電臺的改造而改變。可以預(yù)見，未來的岸船短波通信中，岸臺的收發(fā)地點(diǎn)、天線等設(shè)備的使用等，將由控制系統(tǒng)根據(jù)現(xiàn)場通信情況自動調(diào)用。短波發(fā)信天線方向圖特性引起的通信覆蓋不足問題，必將得到完美解決。endprint