基于無人機輔助下短波通信設備天線研究

【摘要】隨著5G等新一代通信技術的普及，5G與無人機結合的應用場景日益廣闊。本文首先采用無人機與短波電臺的傳統組合方式來提升通信的覆蓋范圍和穩定性，相較于5G的依賴性，短波電臺在特定環境中的優勢更加顯著，尤其在野外和遠距離通信中表現出色，然后重點探討這一傳統通信方式如何為無人機通信帶來更高效、可靠的解決方案，并分析其在特定場景中的應用前景，最后對本文內容進行總結，為未來無人機應用于短波通信發展指明研究方向。

【關鍵詞】無人機|短波通信|天線|方向圖

短波通信（HF通信）是一種基于3～30MHz頻率的傳統通信方式，其歷史可追溯至19世紀末。盡管現代通信技術迅速發展，短波通信仍在軍事和應急通信等特定領域具有重要地位。短波信號的傳輸方式主要分為地波傳播和天波傳播：地波傳播依靠地面，受氣候影響較小但覆蓋范圍有限；天波傳播則通過電離層反射，實現更遠距離的通信，盡管易受電離層變化影響。

短波通信具有顯著優勢。其電波能夠通過電離層反射覆蓋遠距離，適用于山區、沙漠、海洋等不適合超短波的環境。此外，短波通信設備結構堅固、抗毀性強，非常適合軍事和應急場景。無需中繼的點對點通信方式，使其在無網絡支持的條件下保持可靠通信。短波技術經過多年發展，已引入自適應、擴頻等現代技術，進一步增強了通信穩定性和抗干擾能力。

短波通信廣泛應用于軍事、氣象、航海、航空和應急領域，支持戰場指揮、數據傳輸和災難救援等。盡管其穩定性受電離層特性影響，但其遠程覆蓋和低成本高效性使其在特定應用中仍不可替代。未來，隨著技術進步，短波通信在更多領域中的潛力將進一步發揮。

一、短波通信設備天線介紹

在無線通信中，天線是信號傳輸的關鍵組成部分，作為無線電系統中不可或缺的元件。其主要功能是將無線電設備產生的高頻信號轉換為電磁波以進行發射，并接收來自其他設備或空間的電磁波，再將其轉換為高頻電流傳輸至接收設備。因此，天線在發射和接收過程中都充當了電路與空間的連接接口，確保無線電波能夠在發射機與接收機之間有效傳遞。

短波天線按傳輸方式可以分為地波天線和天波天線。地波天線（如鞭狀天線）主要用于近距離通信，一般地波天線都是無方向性的。這類天線的傳輸效果依賴于天線的尺寸、材質、架設高度和地表對電磁波的吸收作用。

天波天線則是以天波傳播的形式進行信號傳輸，主要包括定向和全向天線兩種類型。雙極天線就是典型的定向天波天線，此外還有雙極籠形天線、對數周期天線和菱形天線等，根據其方向特性調整發射方向，還通過控制天線的架設高度來調整發射仰角。全向天波天線如角籠形天線、倒V形天線等，通過控制天線高度和斜度實現全方向發射，適合較大范圍的信號覆蓋。

總而言之，不同類型的短波天線適用于不同的通信需求和環境，選擇合適的天線類型和架設方式是提升無線通信系統性能的重要因素。

二、短波通信中天線選用原則

短波天線種類繁多，具有多種用途，選擇合適的天線以及正確的安裝架設方式對實現良好的通信效果至關重要。以下簡要介紹了一些基本選購和安裝要點：

1.天波天線安裝原則。天波天線的工作效率和通信距離與天線的架設高度和振子長度密切相關。通常，當水平振子的長度達到1/2波長時，天線的水平波瓣主方向效率達到最佳；而天線高度越高，發射仰角越低，適用于更遠距離的通信；反之，當天線高度較低時，發射仰角增大，適用于較近距離通信。因此，在選擇天線時，應根據通信需求決定安裝高度和振子長度。

2.按用途選擇天線。隨著短波通信的不斷發展，天線種類越來越多。根據特定的通信需求，可以選擇以下幾種常見的短波天線類型：

如果通信距離較近，建議選擇地波天線或高仰角的天波天線，以實現穩定、清晰的近距離通信。

點對點這種方向性通信且通信距離較遠時，則選擇天波方向性天線（如雙極天線或菱形天線）較為適宜。這類天線通過發射較窄的波束，可以有效增強信號的方向性，從而在特定方向上提高通信質量。

組網通信或全向通信。在需要全向通信或組網覆蓋的情況下，推薦使用天波全向天線（如角籠形天線），它能夠在多個方向上均勻發射信號，適合實現組網和多點覆蓋。

車載或個人通信。對于車載通信或移動式通信，可選用小型鞭狀天線，這種天線結構緊湊、便于攜帶，適合移動場景中的個人或車輛通信需求。

3.新型天線應用。近年來，短波跳頻高效能寬帶天線、多饋多模天線等新型天線相繼問世。高效能寬帶天線適用于頻率跳變的通信需求，而多饋多模天線則解決了場地限制和多臺電臺共用天線的問題。因此，選擇天線時應結合實際用途，關注新技術在增強天線性能和擴展應用上的優勢。

選擇和正確架設短波天線時，應以用途和通信距離需求為基礎，根據具體場景進行綜合考慮，這樣才能實現最佳的通信效果。

三、基于無人機輔助的短波通信設備雙極天線架設

雙極天線是一種水平架設的對稱振子天線，結構簡潔且易于架設和維護，廣泛應用于短波和超短波電臺中，主要用于天波傳播，因此也被稱為π型天線。如圖1所示，雙極天線的兩臂通常由單根硬拉黃銅線、銅包鋼線、多股軟銅線或粗金屬管構成，具體材質和導線直徑則取決于天線的機械強度和功率需求，一般直徑為3～6毫米，以確保足夠的結構穩定性。天線的設計使其臂部平行于地面，并通過絕緣子隔開，這種設計能夠防止支撐振子拉線上感應大電流，從而減少電流損耗并提高傳輸效率。雙極天線因其對稱性和簡單的構造，不僅適合各種環境下的快速部署，還能有效地實現天波傳播，成為短波通信中常用的天線選擇。

天線的方向性是指天線向一定方向輻射電磁波的能力，我們可以將天線的方向性用方向圖來表示。架設高度H一定的時候，其方向性跟天線振子長度也就是臂長有關，如圖2所示。

天線臂長一定的時候，其方向性隨著架設高度的不同而不同，如圖3所示。

通過合理設置雙極天線的方向、架設高度和臂長長度，我們可以優化發射效果，從而顯著提升短波通信的聯絡質量。傳統的天線架設方式通常需要使用支撐桿固定天線拉繩，如圖4所示。這種架設方式至少需要3根拉繩和地釘進行支撐，同時還需要2～4人協調配合完成，因此耗時較長，且不便于快速拆卸和撤收。改進架設方法將有助于提高效率，減少人力需求，并提升天線在不同場景下的實用性。

如圖5所示，通過無人機牽引天線拉繩，能夠快速將天線振子拉起并固定在適當位置，使架設過程更為便捷高效。利用無人機的懸停和移動特性，不僅可以隨時調整振子的高度和方向，還能精確控制臂長。通過對兩架無人機的同步操作，天線的架設位置也可靈活改變。這種創新的架設方式有效增強了通信設備的機動性，特別適用于在地形復雜或緊急作業場景中使用。此外，無人機牽引方式減少人力需求，并加快部署和撤收的速度，為應急通信和野外操作提供了更具優勢的解決方案。這種方法將短波通信的架設過程從傳統的多人員配合轉變為高效、靈活的單人操作，從而在復雜環境中確保通信的穩定性和連續性。

四、結語

本文探討了短波通信設備和無人機輔助天線架設的應用。短波通信憑借其遠距離覆蓋和無需中繼的獨立性，在軍事和應急通信中仍具有顯著價值。文章介紹了短波通信的傳輸方式，包括地波和天波傳播，并分析了不同類型天線的設計原理和使用場景下的優缺點。為提高通信效率，文章提出了一種利用無人機快速架設雙極天線的創新方法。無人機的靈活操控能夠實時調整天線振子的高度和方向，優化發射效果，顯著簡化了傳統多人員天線架設流程，這一方法特別適用于野外和緊急環境中的短波通信需求，提升了通信布設的效率和機動性。

綜上所述，將無人機與短波通信相結合，有助于增強通信覆蓋、提高靈活性，具有廣闊的應用前景。中國軍轉民

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（作者單位：武警士官學校）