短波通信天饋系統(tǒng)工程設計研究

魏文勇 王太峰

中通服咨詢設計研究院有限公司

0 引言

短波通信是遠距離通信的主要方式，在許多行業(yè)中都有廣泛使用。但是短波通信受天氣影響大，信道不穩(wěn)定，頻段窄、容量小、易受噪聲干擾，天線設備復雜，場地要求高。做好短波通信系統(tǒng)的天饋線系統(tǒng)設計工作對短波通信的工程建設以及通信質(zhì)量保障起著關(guān)鍵作用，本文重點對短波通信工程天饋線系統(tǒng)設計涉及到的鏈路預算、天線選型、饋線設計、天線場布置等方面進行分析和研究。

1 短波通信傳播模式

短波分為地表波（簡稱“地波”）傳播和電離層波（簡稱“天波”）傳播，電離層對短波的最高反射頻率為40MHz，最低反射頻率為1.5MHz，其工作頻段為3MHz-30MHz，對應的波長為100米-10米。地波傳播的衰減隨著頻率的升高而增加，傳播距離通常只有幾十公里，因此短波主要使用天波傳播方式，天波傳播方式可傳播數(shù)千公里。

電離層在垂直高度上呈分層結(jié)構(gòu)，一般劃分為D層（距離地面約50～90公里）、E層（距離地面90～130公里）、F1層（距離地面130～210公里）、F2層（距離地面210公里以上）。

通常以mXnY的結(jié)構(gòu)來表述傳播模式（X、Y為反射層名稱，m、n為反射次數(shù)）。如表1所示。

表1 常用通信距離使用的傳播模式

2 鏈路預算

鏈路預算由短波通信系統(tǒng)傳播鏈路中各個節(jié)點的功率等級變化來表示。移動和固定短波電臺的發(fā)射功率通常在幾十瓦到一千瓦之間，天線增益則從-20dBi到20dBi不等。

短波無線的鏈路預算需計算天線方位角、仰角和架高等參數(shù)，使用的指標有工作頻率、發(fā)射機功率、發(fā)射天線增益、電離層衰減、地表衰耗、空間損耗、系統(tǒng)噪聲、接收天線增益、接收機靈敏度等。

2.1 接收點預期信噪比

（1）接收點預期信號功率Pe

接收點的預期信號功率Pe（dBm）為：

其中，Pt為發(fā)射功率（dBm），Gt為發(fā)射天線增益（dB），Gr為接收天線增益（dB），Lbf為自由空間中傳播損耗：

其中，f為載波頻率，單位為MHz，d為傳輸距離，單位為km。

（2）接收點有效噪聲功率Pn

接收點的有效噪聲功率Pn（dBm/Hz）為：

其中，F(xiàn)a為接收點的有效噪聲系數(shù)。（3）接收點預期高頻信噪比S/N

其中，Lb（dB）為線路傳輸損耗。對于電離層傳播，除自由空間損耗外，還包括日間D層吸收損耗LD和極化損耗Lpol，其中極化損耗一般設為2-3dB，日間D層損耗根據(jù)傳輸距離不同，從15dB到30dB不等，夜間D層消失，LD變?yōu)?。

2.2 通信大圓距離

發(fā)射點A和收信點B兩點進行短波通信，之間的球面距離稱為大圓距離。大圓距離D的計算公式為：

其中，x1為A點的緯度（°），x2為B點的緯度（°），y1為A點的經(jīng)度（°），y2為B點的經(jīng)度（°），D為收發(fā)點之間的大圓距離（km），d為收發(fā)點之間大圓弧所對應的地球中心夾角（°）。

2.3 天線方位角

計算發(fā)射點A和收信點B之間的方位角b1和b2，公式如下：

b1為發(fā)射至接收的方位角（°），b2為接收至發(fā)射的方位角（°）。

2.4 天線仰角

天線仰角的計算公式如下：

其中，Δ為天線仰角（°），β=h/R=電離層高度/地球半徑；θ=d/2=D×360°/4πR，地球半徑R取6370km。

2.5 天線架高

天線架設高度決定了水平極化天線的輻射仰角，根據(jù)不同頻段對輻射仰角的要求，選取適當?shù)母叨葍A斜架設，保證不同頻率的諧振振子都在合適的架設高度上，從而在各個頻段上得到需要的信號輻射仰角。

天線架設高度與輻射仰角的關(guān)系如下：

其中，fmax和fmin為天線垂直方向圖主瓣對準通信仰角時的最大工作頻率和最小工作頻率，并且fmax和fmin應小于電離層反射的最高臨界頻率，fmin應滿足線路信噪比或信號增益要求，也可用天線垂直方向圖主瓣的3dB帶寬頻率代替。如表2所示。

表2 常用天線架設高度表

3 天線選型

天線選型需結(jié)合設計要求、通信距離、天線特性、場地情況等選擇合適的天線程式，同時選擇合適的架設高度、架設位置，以實現(xiàn)天線輻射波束對通信區(qū)域的最佳覆蓋，提高可通率。

考慮到通信系統(tǒng)的擴展性，天線應優(yōu)先選用3MHz～30MHz的寬帶天線。

天線的功率增益需要在最大輻射分量方向、仰角、方位角、工作頻段等方面都滿足鏈路預算的要求。遠距離通信，一般要求天線輻射主瓣強、副瓣弱而少。近距離通信，主要使用不定向天線或弱定向天線。

天線選型需考慮如下要素：

（1）天線場內(nèi)最好各種天線混合搭配，實現(xiàn)最佳通信效果；

（2）天線架設高、低結(jié)合，獲得不同仰角，適應電離層的動態(tài)變化；

（3）遠距離通信優(yōu)選小型定向天線；

（4）近距離通信優(yōu)選高仰角天線；

（5）選用籠型、L型籠型天線需兼顧通信方向，選擇合適的架設方位；

（6）在預算緊張的場站，可選擇三線天線；

（7）在樓頂?shù)泉M小場地，優(yōu)選三線倒V天線，一般框形天線性能相對較差；

（8）選擇合適的架設高度，使天線輻射仰角滿足通訊距離的要求；

（9）接收天線可通過天線共用器帶動多部接收機，主要考慮寬頻帶要求。

常用的短波天線有小型定向天線、高仰角天線、水平短波三線天線/倒V短波三線天線、籠型天線、L型籠型天線。

3.1 小型定向天線

中、遠距離通信可優(yōu)先考慮單塔支撐的小型化對數(shù)周期天線，具備高增益定向輻射，抗干擾性能強，同時占地小，天線間相互影響小，適合在場地受限的環(huán)境內(nèi)架設，在工程實踐中被廣泛采用，具有良好的通信效果。

小型化定向天線相比其他常規(guī)天線（籠形天線、三線天線等），在遠距離通信方面具有明顯優(yōu)勢：

（1）定向增益高，提高信號強度；

（2）定向輻射，抗干擾能力強；

（3）單塔支撐，占地小；

（4）前后比高，天線間互耦小，易于解決電磁兼容問題。

3.2 高仰角天線

高仰角天線高仰角輻射，實現(xiàn)近距離信號覆蓋，主要針對周邊站點的通信需求。在國內(nèi)外通信工程中，近距離（500km）通信主要選用高仰角天線，對近距離通信覆蓋具有明顯優(yōu)勢：

（1）定向高仰角輻射，能量集中在近距離區(qū)域，提高信號強度；

（2）全向性能好，不圓度＜±1dB，能保證全方位無盲區(qū)覆蓋；

（3）定向輻射，抗干擾能力強；

（4）單塔支撐，占地小；

（5）高仰角輻射，天線間互耦小，易于解決電磁兼容問題。

3.3 水平短波三線天線/倒V短波三線天線

三線寬帶天線是全頻段寬帶天線，性能優(yōu)良，在遠、中、近距離都能有很好的通信效果，具有寬頻帶、結(jié)構(gòu)簡單、架設方便等特點。

（1）三線天線輻射波束寬度寬，輻射方向圖在低頻段為高仰角全向，在高頻段為法線雙向；

（2）三線天線架設成本低，便于工程造價控制；

（3）三線天線倒V架設，主要是為了在場地受限的條件下使用，尤其是在樓頂。

3.4 籠型天線

籠型天線結(jié)構(gòu)可靠，通信效率高，為雙向通信天線。

籠型天線分為低頻籠型天線和高頻籠型天線。籠型天線要保持法線方向8字方向圖，天線長度與發(fā)射頻率的波長比必須在固定的范圍內(nèi)。

3.5 L型籠型天線

L型籠型天線是2副籠形天線成90°架設，可以實現(xiàn)4個方向的通信，覆蓋角度240°左右，并不是真正的全向天線，要實現(xiàn)全方位覆蓋，場地內(nèi)L型籠形天線應錯角度架設。

L型籠型天線和角籠天線輻射特性基本一致。普通角籠天線覆蓋角度320°左右，接近全向，增益比L型天線低。

4 饋線設計

饋線通常有同軸電纜和明饋線兩種，天線離機房較近（通常饋線長度小于200米）的情況下，一般使用同軸電纜，距離較遠時宜采用損耗低的架空明線。同軸電纜型號的選用應考慮鏈路預算中對饋線損耗的允許范圍。

架空明線饋線常用的有二線式600Ω阻抗和四線式300Ω阻抗兩種，使用直徑3mm或4mm的銅包鋼線，根據(jù)發(fā)射機輸出功率選定。

采用同軸電纜時，天線下引線在下方饋線桿上的阻抗匹配器以及浪涌保護器轉(zhuǎn)接7/8饋線；進入機房時通過浪涌保護器轉(zhuǎn)接1/2電纜連接收發(fā)信機。

采用明饋線時，天線下引線在下方饋線桿上的浪涌保護器連接平行饋線；進入機房時通過阻抗匹配器、浪涌保護器轉(zhuǎn)接1/2電纜，連接收發(fā)信機。

饋線路由距離、饋線型號、饋線損耗的衰減指標要求應符合有關(guān)技術(shù)規(guī)范要求。

發(fā)信饋線路由損耗不大于1.5dB（含浪涌保護器、阻抗匹配器、接頭），收信饋線路由損耗不大于1dB（含浪涌保護器、阻抗匹配器、接頭）。

饋線通過式浪涌保護器的接入衰耗小于0.3dB。所有接插件的接入衰耗每處不大于0.2dB。

天線饋線不平衡系數(shù)不大于10%，分配饋線不對稱系數(shù)應不大于10%，實測的饋線效率應不低于理論值的85%。

5 天線場平面布置

對于天線場的建設和天線的布置與選擇，需要充分考慮通信業(yè)務效能的提升和能力的保障，盡可能地從天線場地、遮擋高度、架設條件、天線性能、防止互擾等方面優(yōu)化選擇與設計。

短波通信站點的收、發(fā)信臺的天線場需分開布置，收信臺的天線場和機房間如果較遠可通過光遠傳系統(tǒng)連接。

天線布置應根據(jù)天線數(shù)量和通信對象分布統(tǒng)一考慮，一般采用就近原則，天線圍繞機房布置以減小饋線損耗。

通信對象分散，天線數(shù)量不多時，應以機房為中心，向外輻射狀布置；天線數(shù)量較多時，應分層或正交架設；采用全向系列天線，實現(xiàn)全時段無盲區(qū)全向覆蓋；采用高增益定向天線對準所需通信方向，提高天饋系統(tǒng)增益和抗干擾能力，實現(xiàn)遠距離定向區(qū)域覆蓋；采用分頻段天線設計，可減小天線方向圖畸變，優(yōu)化天線性能。

布置天線時，應將結(jié)構(gòu)比較簡單、占地較小的或通信距離較近的天線放置在距離機房較近的地方，把較復雜、占地大的或通信距離較遠的天線放置在距離機房較遠的地方。

波長越短饋線的損失越大，應將波長較短的天線放在離機房較近的地方。

為了節(jié)省投資，減少天線桿數(shù)量，布置天線時，多天線架設選擇共桿架設天線。天線間需保留一定的保護隔離距離和角度。

天線前方無建筑物遮擋，天線與架空線路的保護距離，饋線導線和各種建筑物之間的最小距離，饋線導線最低點和地面、道路、房頂之間的最小距離等，應參照相關(guān)標準執(zhí)行。

饋線桿20-30米左右布置一個，路由應盡量取直，必需拐彎時，拐彎桿路內(nèi)夾角不應小于120°，特殊情況如配線區(qū)等處，不應小于90°。同一根饋線桿（中間桿或角桿）上，饋線不應超過四對（平行線）。

6 天線支撐桿塔設計

天線體與天線支撐桿塔需滿足相關(guān)抗風指標，應對振子、天線桿、斜拉線及滑輪進行風載荷強度計算。

天線基礎及拉錨土建要求：

（1）基座定位滿足天線程式和通信方向要求；

（2）基座強度滿足承重、抗風要求；

（3）地錨采用水泥預制件，尺寸結(jié)構(gòu)和強度滿足天線架設要求；

（4）地錨布局滿足天線桿受力方向要求，等間隔、等距離分布。

7 結(jié)束語

本文針對短波通信工程天饋線系統(tǒng)涉及到的鏈路預算、天線選型、饋線設計、天線場布置、天線桿塔設計等關(guān)鍵點進行了較為全面深入的分析和研究，能有效克服短波通信的弱點，降低工程的建設難度，提高通信質(zhì)量，對短波通信系統(tǒng)的工程設計有很好的指導作用。