基于頻率和天線選擇的水上短波通信應用

陳凌

摘 要：無線通信中，無線信道天然屬性具有時變性，頻率的偏移以及天線的特性好壞是影響信號在空中發送與接收質量的主要因素，因此，不同環境的無線通信，選擇和調制合適的頻率對于短波通信信息高質量傳輸起著關鍵作用，本文通過廣州海岸電臺日常水上通信中的短波維護經驗，闡述了頻率及天線選擇對于通信質量提升的關鍵性和重要性，同時淺談智能天線和頻率自適應技術的前景。

關鍵詞：頻率 天線 水上通信

1.引言

無線通信是通過發射天線輻射電磁波，在空氣中將通信信息從發送端傳送至接收端，過程中，因受天氣環境、障礙物遮擋、地理特性等方面的客觀因素，無線信號傳輸質量必然受到不同程度的影響，由于不同的天線和所發射的頻率信號的衰減程度不一樣，因此，選擇合適的頻率和天線對于不同環境中的無線信號傳輸質量起著決定性作用。

特別在水上等長距離通信和安全要求較高的場景下，短波通信具有無可比擬的優勢。短波是一種頻率為3～30MHz，波長為100m～10m的無線通信技術，具有很強的抗干擾能力，受地形環境影響小，遠距離傳輸能力強、靈活性好、成本低等特點。所以，短波通信能有效應用于如衛星通信、光纖通信等其它通信手段無法高效的應用場景，隨著現代短波通信技術的發展，短波通信質量大大提高，越來越受到較多領域的應用。

2.短波通信的基本原理

短波通信需要通過無線電波傳播實現，根據電磁波的不同頻率特性，在各種媒介質中傳播，將信息從一端傳遞到另一端。在傳播方法方面，主要有兩種應用方法：地波和天波。

地波由于依賴地面的特性，信號能量容易被地面吸收，衰減嚴重，適合于近距離傳輸；

天波是通過天線高空發射電磁波經大氣電離層反射產生，適合于遠距離傳輸，但電離層受季節、大氣、時間等客觀方面的變化而變化，傳播穩定性和可靠性需要針對短波頻率在電離層的反射規律的掌握進行因時制宜選擇頻率。

因此，在水上短波通信中，主要選擇天波傳播作為主要的傳輸方式。

3.天波高質量傳播的關鍵因素及實際應用

廣州海岸電臺根據調節天線和頻率選擇來開展日常的維護工作。

3.1頻率選擇

隨著大氣氣候或環境、電離層高度等方面的變化， 頻率選擇成為了關鍵因素，頻率越高，電波無法高效的從電離層反饋地面；頻率越低，電離層對信號能量吸收增大，干擾大。因此，對于如何平衡和選擇好頻率的高低，對于短波通信質量非常關鍵。

最佳頻率應該介入最低可用頻率和最高可用頻率之間，否則，電波要么無法發射回來，要么被吸收。由于電離層的特征是隨時間變化的，有必要根據季節、地區、距離等因素制定特定的最佳頻率。頻率具有一定的規律性，白天高夜晚低，夏季高冬季低，南方高北方低，遠處高近處低。當使用的工作頻率不能平滑通信時，頻率變化原理如下：增加日出時的頻率，降低日落時的頻率，增加信號逐漸減弱時的頻率，并降低磁暴期間的頻率。“時間-頻譜”區間如圖1所示。

在廣州海岸電臺的沿海通信中，主要的通信應用部分頻率如下：

3.2天線選擇

天線是無線通信技術中的發射和接收器，也是一種變換器，將有線傳輸線上的電波變換為可通過無線傳播媒介傳播的電磁波，或者相反變換。不同分類的天線依通信距離長短而不同，需要結合傳輸特性進行選擇。天線的選擇主要參考以下幾個指標衡量：

（1）天線增益：相等的功率條件下，實際天線與理想的輻射模塊在同一地點所產生的信號的功率密度之比，模塊發送出的總能量越大則模塊傳輸的距離越遠。如果通信距離長，發送功率小，高增益天線被選擇。

（2）無線極化：是線輻射電磁波矢量空間指向的參數，一般采取垂直極化避免能量的大幅衰減，保證了信號的有效傳播與傳輸距離。

（3）駐波比：表示在天線和無線電波發送站之間的匹配程度，天線的駐波比反映了輸出功率和通信距離。

廣州通信中心主要天線類型見表1。

4.智能天線和自適應頻率技術在未來短波通信中應用前景

當前，廣州海岸電臺主要采用上述的固定頻譜和相應系列天線傳統的調節方式，按照季節規律變化經驗以及通信距離預測的“時間-頻譜”對應表，由人工常態化值班開展對通信質量的維護和管理，當天線發生故障或天氣氣候變化時，需要人工及時干預，采取對天線和頻率進行切換等措施。雖然此方式便于維護人員粗放簡單管理，但卻過于依賴維護人員經驗判斷，同時頻率與環境的最佳適配變化能力不靈活，當環境惡劣時，無法較好的調節最佳頻率保證通信質量。如何解決這一問題，目前已在陸地無線通信技術中成熟的智能天線和頻率自適應技術將是未來水上短波通信技術引進的重要方向。

智能天線是一種由天線陣列組成的多天線技術，通過智能的核心算法，結合信號傳播的環境，建立當前時間當前地點的最佳定向波束，選擇最佳的傳播方向并實時跟蹤最佳傳播方向的變化，頻率信號能量更集中，降低了惡劣天氣或氣候下的電磁干擾風險，從而更容易讓遠端接收臺接收到高質量的信號。

自適應頻率的核心體現在自適應，通過某些最優準則自適應算法調節頻率參數，從而達到根據環境的變化智能調節所輸出的最佳均衡匹配的目的。

相信，智能天線和自適應技術的普遍應用，在大幅增加天線系統更強的抗擊服務能力的同時，大大簡化甚至不需要分工干預的復雜操作，使得頻率的選擇更加自動化，傳統的維護人員將從機械監控、復雜操作以及日夜顛倒值班的低效工作中解放出來，提升人員短波通信智能化運維和管理能力。

5.總結

頻率和天線的選擇對于通過天波傳播方式的高質量短波通信應用起著至關重要的作用，隨著短波通信技術的不斷發展，以及社會對水上大氣、環境、氣候的不斷深入認識，頻率的選擇將更加自適應選擇和精細化，天線技術將更加智能化和精度化，短波通信在水上高質量傳輸將會有更廣闊的前景和優勢。

參考文獻：

[1]龐玉保.天線在短波通信中的應用.科技傳播，2019，11（01），103-104.

[2]皮立新.淺談短波通信方式及改善通信質量的方法.中國新通信，2018，20（11），21.

[3]廣州海岸電臺機務手冊.