基于無人機輔助下短波通信設(shè)備天線研究

【摘要】隨著5G等新一代通信技術(shù)的普及，5G與無人機結(jié)合的應(yīng)用場景日益廣闊。本文首先采用無人機與短波電臺的傳統(tǒng)組合方式來提升通信的覆蓋范圍和穩(wěn)定性，相較于5G的依賴性，短波電臺在特定環(huán)境中的優(yōu)勢更加顯著，尤其在野外和遠(yuǎn)距離通信中表現(xiàn)出色，然后重點探討這一傳統(tǒng)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(yīng)用前景，最后對本文內(nèi)容進(jìn)行總結(jié)，為未來無人機應(yīng)用于短波通信發(fā)展指明研究方向。

【關(guān)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(tǒng)通信方式，其歷史可追溯至19世紀(jì)末。盡管現(xiàn)代通信技術(shù)迅速發(fā)展，短波通信仍在軍事和應(yīng)急通信等特定領(lǐng)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(xiàn)更遠(yuǎn)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(yōu)勢。其電波能夠通過電離層反射覆蓋遠(yuǎn)距離，適用于山區(qū)、沙漠、海洋等不適合超短波的環(huán)境。此外，短波通信設(shè)備結(jié)構(gòu)堅固、抗毀性強，非常適合軍事和應(yīng)急場景。無需中繼的點對點通信方式，使其在無網(wǎng)絡(luò)支持的條件下保持可靠通信。短波技術(shù)經(jīng)過多年發(fā)展，已引入自適應(yīng)、擴頻等現(xiàn)代技術(shù)，進(jìn)一步增強了通信穩(wěn)定性和抗干擾能力。

短波通信廣泛應(yīng)用于軍事、氣象、航海、航空和應(yīng)急領(lǐng)域，支持戰(zhàn)場指揮、數(shù)據(jù)傳輸和災(zāi)難救援等。盡管其穩(wěn)定性受電離層特性影響，但其遠(yuǎn)程覆蓋和低成本高效性使其在特定應(yīng)用中仍不可替代。未來，隨著技術(shù)進(jìn)步，短波通信在更多領(lǐng)域中的潛力將進(jìn)一步發(fā)揮。

一、短波通信設(shè)備天線介紹

在無線通信中，天線是信號傳輸?shù)年P(guān)鍵組成部分，作為無線電系統(tǒng)中不可或缺的元件。其主要功能是將無線電設(shè)備產(chǎn)生的高頻信號轉(zhuǎn)換為電磁波以進(jìn)行發(fā)射，并接收來自其他設(shè)備或空間的電磁波，再將其轉(zhuǎn)換為高頻電流傳輸至接收設(shè)備。因此，天線在發(fā)射和接收過程中都充當(dāng)了電路與空間的連接接口，確保無線電波能夠在發(fā)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(zhì)、架設(shè)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(jìn)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(shù)周期天線和菱形天線等，根據(jù)其方向特性調(diào)整發(fā)射方向，還通過控制天線的架設(shè)高度來調(diào)整發(fā)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(xiàn)全方向發(fā)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(huán)境，選擇合適的天線類型和架設(shè)方式是提升無線通信系統(tǒng)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(shè)方式對實現(xiàn)良好的通信效果至關(guān)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(shè)高度和振子長度密切相關(guān)。通常，當(dāng)水平振子的長度達(dá)到1/2波長時，天線的水平波瓣主方向效率達(dá)到最佳；而天線高度越高，發(fā)射仰角越低，適用于更遠(yuǎn)距離的通信；反之，當(dāng)天線高度較低時，發(fā)射仰角增大，適用于較近距離通信。因此，在選擇天線時，應(yīng)根據(jù)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(fā)展，天線種類越來越多。根據(jù)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(xiàn)穩(wěn)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(yuǎn)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(fā)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(zhì)量。

組網(wǎng)通信或全向通信。在需要全向通信或組網(wǎng)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(fā)射信號，適合實現(xiàn)組網(wǎng)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(jié)構(gòu)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(yīng)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(yīng)結(jié)合實際用途，關(guān)注新技術(shù)在增強天線性能和擴展應(yīng)用上的優(yōu)勢。

選擇和正確架設(shè)短波天線時，應(yīng)以用途和通信距離需求為基礎(chǔ)，根據(jù)具體場景進(jìn)行綜合考慮，這樣才能實現(xiàn)最佳的通信效果。

三、基于無人機輔助的短波通信設(shè)備雙極天線架設(shè)

雙極天線是一種水平架設(shè)的對稱振子天線，結(jié)構(gòu)簡潔且易于架設(shè)和維護，廣泛應(yīng)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(gòu)成，具體材質(zhì)和導(dǎo)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(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。天線的設(shè)計使其臂部平行于地面，并通過絕緣子隔開，這種設(shè)計能夠防止支撐振子拉線上感應(yīng)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(gòu)造，不僅適合各種環(huán)境下的快速部署，還能有效地實現(xiàn)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(shè)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(guān)，如圖2所示。

天線臂長一定的時候，其方向性隨著架設(shè)高度的不同而不同，如圖3所示。

通過合理設(shè)置雙極天線的方向、架設(shè)高度和臂長長度，我們可以優(yōu)化發(fā)射效果，從而顯著提升短波通信的聯(lián)絡(luò)質(zhì)量。傳統(tǒng)的天線架設(shè)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(shè)方式至少需要3根拉繩和地釘進(jìn)行支撐，同時還需要2～4人協(xié)調(diào)配合完成，因此耗時較長，且不便于快速拆卸和撤收。改進(jìn)架設(shè)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(dāng)位置，使架設(shè)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(diào)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(shè)位置也可靈活改變。這種創(chuàng)新的架設(shè)方式有效增強了通信設(shè)備的機動性，特別適用于在地形復(fù)雜或緊急作業(yè)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(yīng)急通信和野外操作提供了更具優(yōu)勢的解決方案。這種方法將短波通信的架設(shè)過程從傳統(tǒng)的多人員配合轉(zhuǎn)變?yōu)楦咝А㈧`活的單人操作，從而在復(fù)雜環(huán)境中確保通信的穩(wěn)定性和連續(xù)性。

四、結(jié)語

本文探討了短波通信設(shè)備和無人機輔助天線架設(shè)的應(yīng)用。短波通信憑借其遠(yuǎn)距離覆蓋和無需中繼的獨立性，在軍事和應(yīng)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(shè)計原理和使用場景下的優(yōu)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(shè)雙極天線的創(chuàng)新方法。無人機的靈活操控能夠?qū)崟r調(diào)整天線振子的高度和方向，優(yōu)化發(fā)射效果，顯著簡化了傳統(tǒng)多人員天線架設(shè)流程，這一方法特別適用于野外和緊急環(huán)境中的短波通信需求，提升了通信布設(shè)的效率和機動性。

綜上所述，將無人機與短波通信相結(jié)合，有助于增強通信覆蓋、提高靈活性，具有廣闊的應(yīng)用前景。中國軍轉(zhuǎn)民

參考文獻(xiàn)

[1]王昌鑫.消防應(yīng)急通信保障能力建設(shè)分析[J].消防界（電子版），2021，7（14）：42-43.

[2]賴劍強.無人機超短波通信系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)[J].通信技術(shù)，2019，52（5）：1142-1149.

[3]馬宇，孟凡計，王玉文.改進(jìn)Watterson模型的無人機短波信道仿真[J].通信技術(shù)，2012，45（1）：22-24，28.

[4]許志強.海洋應(yīng)急指揮機動通信組網(wǎng)系統(tǒng)中多模融合無線通信技術(shù)研究[J].全球定位系統(tǒng)，2020，45（04）：76-82.

[5]樊延平，姚孟堯，楊慨，等.城市作戰(zhàn)無人機超短波中繼通信位置優(yōu)化方法[C]//安徽省人民政府，中國仿真學(xué)會.第三十五屆中國仿真大會論文集.陸軍裝甲兵學(xué)院，Academy of Army Armored Force，2023：7.

（作者單位：武警士官學(xué)校）