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基于短波車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)的通信性能分析論文
車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)是鞭天線(xiàn)接一個(gè)由3個(gè)水平環(huán)組成的頂負載。天線(xiàn)調諧器安裝于車(chē)體內，天線(xiàn)從車(chē)體內的天調伸出，三環(huán)到天調間的連線(xiàn)相當于鞭天線(xiàn)的垂直部分。采用這種三環(huán)結構與傳統垂直鞭天線(xiàn)相比帶來(lái)以下好處降低了天線(xiàn)的高度，提高車(chē)輛的通過(guò)能力;②通過(guò)加項負載，天線(xiàn)的電長(cháng)度比鞭天線(xiàn)長(cháng)得多，并改善了天線(xiàn)低頻端的阻抗特性，有利于天調的調諧匹配;③天線(xiàn)的三環(huán)水平放置在車(chē)頂，提高了近垂直方向的輻射性能，有利于克服短波通信中的“盲區”。但眾多的資料如文獻沒(méi)有給出三環(huán)天線(xiàn)的輻射方向圖的情況，沒(méi)有對天線(xiàn)的克服通信盲區進(jìn)行解釋的理論依據。本文利用了MMANA-GAL天線(xiàn)仿真軟件對該天線(xiàn)的相關(guān)性能參數進(jìn)行了仿真分析,得到了天線(xiàn)的方向性、增益和輸入阻抗等參數值。從方向圖和輸入阻抗看，仿真結果與文獻[1]中說(shuō)到的三環(huán)天線(xiàn)的特性相吻合，有利于克服通信盲區和改善低頻端阻抗特性。在分析三環(huán)天線(xiàn)特性的基礎上，本研究還建立了基于ITS軟件的天線(xiàn)模型，利用ITS軟件進(jìn)行通信鏈路性能分析，比較了與傳統鞭天線(xiàn)的性能。
1車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)的結構及仿真模型建立
三環(huán)天線(xiàn)的三環(huán)所在平面長(cháng)3.2m，寬1.8m，由直徑2.5cm線(xiàn)管構成，饋線(xiàn)接于離一端30cm的邊管線(xiàn)上，饋線(xiàn)由車(chē)頂延伸上來(lái)，長(cháng)90cm，根據實(shí)際的天線(xiàn)結構和尺寸建立了水平三環(huán)天線(xiàn)天線(xiàn)的MMANA-GAL模型，模型下邊的柵格網(wǎng)等效于車(chē)體的車(chē)頂，上部的三環(huán)結構為天線(xiàn)的加載天線(xiàn)與伺服技術(shù)頂，天線(xiàn)的主要輻射部分為直立的90cm長(cháng)的鞭狀線(xiàn)。坐標原點(diǎn)在金屬反射面上，設置反射面離地高度為車(chē)頂離地高度3m。結合實(shí)際,設置地面電導率為5ms/m,電介常數為13。
用于天線(xiàn)模型的建立和仿真的軟件為MMANA-GAL。該軟件與其它電磁仿真軟件如(HF-SS,XFDTD)相比的主要特點(diǎn)是針對線(xiàn)性結構的天線(xiàn)進(jìn)行建模，可以設計大尺寸(幾十米長(cháng))的天線(xiàn),計算方便快捷，平面結構可以用網(wǎng)格等效，只要網(wǎng)格的尺寸相對波長(cháng)足夠小。除了可以計算輻射方向增益數據外，還可以計算天線(xiàn)輸入阻抗和對應饋電線(xiàn)阻抗的LC匹配電路參數值。
2車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)的仿真與分析
同一天線(xiàn)尺寸確定后，不同的工作頻率天線(xiàn)的特性有所不同，性能參數也隨頻率有所變化，由于該天線(xiàn)主要用于短波頻段2?30MHz,考慮文章篇幅有限，只分別仿真計算了天線(xiàn)工作在2MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、24MHz和28MHz等幾個(gè)頻率的輻射特性以及相關(guān)參數，以便于考查變化趨勢。
2.1輻射方向增益
圖2給出了幾個(gè)頻點(diǎn)的E面方面圖，通過(guò)比較分析可知：隨著(zhù)頻率增大,E面(XOZ垂直面)最大輻射方向有一定的仰角，在高仰角方向上增益隨頻率逐漸增大。由于鞭天線(xiàn)在整個(gè)頻段內與2MHz的方向圖類(lèi)似，不具備高仰角輻射能力，所以在低頻端5MHz以下，高仰角輻射性不強，與鞭天線(xiàn)輻射特性有些相似，隨著(zhù)頻率增大，高仰角輻射更強,10MHz以上更加明顯。H面(XOY水平面)在各個(gè)頻率點(diǎn)基本呈現全向性，只是在28MHz這個(gè)頻率上有些向X軸方向偏移，從仿真結構分析可能與反射面的位置有關(guān)。
在應用中考慮輻射仰角與通信距離關(guān)系時(shí)，遠距離通信要求輻射仰角低，近距離通信要求輻射仰角高。這個(gè)關(guān)系可以參考文獻[5],從三環(huán)天線(xiàn)的在5MHz以下的方向圖可知，低仰角(3060。)度輻射更強，高仰角輻射(6090°)輻射弱，因此不適合近距離通信，不利于克服短波通信中的盲區。隨著(zhù)頻率的增大，高仰角輻射增強，大于10MHz后,高仰角輻射強于低仰角輻射,但在近距離克服通信盲區時(shí)，不能工作在太高的頻率，因為太高的頻率信號不利于電磁波的電離層反射，一般情況下不大于15MHz。
益與輸入阻抗仿真計算出了天線(xiàn)在每間隔2MHz的頻點(diǎn)的增益值和輸入阻抗。圖3給出了增益值，從增益的數值分析可知，在低頻端(10MHz以下)，天線(xiàn)增益不高,結合方向圖可以知道，雖低頻端低仰角輻射更強適合遠距離通信，但增益不高也會(huì )影響通信性能。隨著(zhù)頻率增大，增益增大,輻射性能更好，但作為近距離通信時(shí)克服通信盲區也不應選擇太高頻率。
不同頻率下的天線(xiàn)輸入阻抗值。從輸入阻抗數值可知，在低頻端,電阻與電抗的變化不是那么劇烈，更有利于自動(dòng)天線(xiàn)調諧器的匹配。這也解釋了文獻[1]提到的三環(huán)天線(xiàn)與鞭天線(xiàn)相比改善了低頻端的阻抗特性這一結論。實(shí)際應用中，饋線(xiàn)與天線(xiàn)輸入端接有自動(dòng)天線(xiàn)調諧器以實(shí)現阻抗匹3車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)用于短波通信的性能分析美國國家電信和信息局的電信科學(xué)協(xié)會(huì )(NTIA/ITS)開(kāi)發(fā)的仿真器ITSHFPropagationITS軟件)可進(jìn)行短波通信鏈路性能的仿真分析[6,7]。該軟件利用電離層變化特性通過(guò)選擇不同天線(xiàn)類(lèi)型，分析不同日期時(shí)間下的頻率與接收端信噪比的關(guān)系來(lái)進(jìn)行短波鏈路規劃。在實(shí)際運用中證明是目前最可靠實(shí)用的短波通信鏈路分析軟件[8—11]。軟件主要由基于ICEPAC(電離層剖面增強電路性能分析程序)、VOACAP(美國之音電路分析程序)、REC533(國際電聯(lián)建議報告Rec533模型分析程序)的3種模型開(kāi)發(fā)的點(diǎn)對點(diǎn)和區域覆蓋分析模塊組成�？梢詫Χ滩ㄍㄐ沛溌愤M(jìn)行點(diǎn)對點(diǎn)性能分析和區域覆蓋性能分析，以對短波鏈路建設進(jìn)行規劃(選頻、選天線(xiàn)和選址等)。
3.1ITS軟件天線(xiàn)模型建立
現有短波天線(xiàn)中，部分天線(xiàn)結構與ITS軟件的天線(xiàn)結構模型相同，只是尺寸大小需要指定,如:水平雙極天線(xiàn)(籠形天線(xiàn))對應ITS軟件中的天線(xiàn)類(lèi)型23、終端加載水平菱形天線(xiàn)對應ITS中的天線(xiàn)類(lèi)型21、水平對數周期天線(xiàn)對應ITS中的天線(xiàn)類(lèi)型05、垂直單極(鞭)天線(xiàn)對應ITS中的天線(xiàn)類(lèi)型10等，要進(jìn)行短波鏈路分析時(shí),可以在ITS中的天線(xiàn)分析模塊HFANT中指定參數值，就可創(chuàng )建這些天線(xiàn)的模型。
較新的幾種常用天線(xiàn)如：固定臺站的水平三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)、倒V型三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)、倒V型雙極寬帶天線(xiàn)以及機動(dòng)臺的車(chē)載弓形天線(xiàn)(半環(huán)天線(xiàn))、車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)在ITS軟件中沒(méi)有可用模型，需要對這幾種天線(xiàn)進(jìn)行建模。在MMANA-GAL中，按天線(xiàn)的實(shí)際結構畫(huà)出天線(xiàn),在每個(gè)頻點(diǎn)上進(jìn)行天線(xiàn)仿真，分別得到每個(gè)頻點(diǎn)不同俯仰角不同方位角的增益數據。再把這些數據組合成sample.90文件結構相同的文件，形成天線(xiàn)數據文件。在研究工作中生成了“水平三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)”和“車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)”等天線(xiàn)模型文件并可用于ITS仿真。
3.2車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)通信性能分析3.2.1仿真條件
仿真環(huán)境是基于ITS軟件的“ICEAREA”短波通信區域覆蓋模型分析模塊進(jìn)行仿真，以成都為發(fā)射機中心，發(fā)射機功率1000W，用到的天線(xiàn)有水平三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)、10m鞭天線(xiàn)、車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)。分析比較收發(fā)都為10m鞭天線(xiàn)和車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)的性能;發(fā)天線(xiàn)為水平三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)，收端分別為10m鞭天線(xiàn)和車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)的性能。
主要條件.太陽(yáng)黑子數80,地磁活動(dòng)指數0=2,系統參數設置:噪聲電平-145dB，主瓣最小仰角0.1°，電路可靠度(可通率)90%，接收機系統要求1Hz帶寬下的信噪比為42dB，多徑信號功率容許3dB，最大容許時(shí)延0.1mS。ur=4(北京時(shí)間中午12點(diǎn))，考慮饋線(xiàn)損耗，天線(xiàn)實(shí)際輸人功率700W，主瓣方向正北;收天線(xiàn)分別為10m鞭天線(xiàn)、車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)，主瓣向北方。分析參數為接收機接收端的信噪比(SNR)，由于考慮電路可靠度90%，所以又以SNR90表示。
3.2.2仿真結果
仿真輸出參數主要考查電路可靠度為90%時(shí)的接收機可獲得的信噪比(SNR90)，圖中信噪比等值線(xiàn)區域含義表示:如接收機處在這個(gè)區域內，則接收機可以獲得這個(gè)數值的信噪比。由于接收機要求達到某一個(gè)數值(如42dB(1Hz帶寬下))的信噪比才能可靠通信,則比較2種天線(xiàn)作接收天線(xiàn)時(shí)接收端信號比可達到42dB的區域。
(1)不同工作頻率時(shí)的區域覆蓋性能
位于成都中心的發(fā)天線(xiàn)為車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)，收天線(xiàn)也為車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)時(shí)，頻率分別為5MHz和10MHz時(shí)的區域覆蓋性能進(jìn)行分析,5MHz時(shí)的整個(gè)中國區域內的信噪比都很低，小于42dB;10MHz時(shí)，以成都為中心的一個(gè)500km左右的橢圓內的噪比<42dB,在大于這個(gè)橢圓以外到1500km以?xún)鹊拇笥跈E圓內可以達到42dB的信噪比。說(shuō)明15MHz的頻率比5MHz的工作頻率有更好的性能覆蓋。
(2)不同天線(xiàn)時(shí)的性能比較比較2種天線(xiàn)在10MHz時(shí)的區域覆蓋性能，收發(fā)天線(xiàn)均為車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)時(shí)，性能覆蓋區域如圖5(a)所示，信噪比>42以上的區域在半徑從100?1000km范圍內;收發(fā)天線(xiàn)均為鞭天線(xiàn)時(shí)如圖5(b),信噪比>42以上的區域在半徑從500km到1000km范圍內;因此很顯然，收發(fā)天線(xiàn)均為車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)的近距離覆蓋可以達更近的區域，這從2種天線(xiàn)的方向圖比較可以解釋。
(3)車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)和鞭天線(xiàn)時(shí)的比較以水平三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)作發(fā)射天線(xiàn)，圖6(a)為接收天線(xiàn)為10m鞭天線(xiàn)時(shí)的性能區域覆蓋圖,圖6(b)為接收天線(xiàn)為水平三環(huán)天線(xiàn)時(shí)的性能區域覆蓋圖。從圖6可知,信噪比>42dB的區域出現在以昆明為中心半徑500km的橢圓區域和處于西寧、蘭州和銀川覆蓋區的橢圓區域。2種天線(xiàn)的接收性能比較一致。
但比較以成都為中心的300km以?xún)鹊膮^域可以發(fā)現，圖6(a)中的10m鞭天線(xiàn)作接收時(shí)信噪比在35dB以下，圖6(b)中以三環(huán)天線(xiàn)作接收天線(xiàn)時(shí)，信噪比在35dB以上，所以三環(huán)天線(xiàn)在近距離通信時(shí)，接收機可以獲得更好的信噪比。
由于車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)在大于10MHz的頻率有很好的高仰角輻射能力，所以在收發(fā)天線(xiàn)均為車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)時(shí)，10MHz時(shí)車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)比鞭天線(xiàn)的近距離覆蓋性能好;以三線(xiàn)寬帶天線(xiàn)作發(fā)射天線(xiàn),車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)作收天線(xiàn)時(shí)，在遠距離區域通信的性能與鞭天線(xiàn)作收天線(xiàn)時(shí)比較一致，但在近距離區域比10m鞭天線(xiàn)的作接收天線(xiàn)時(shí)有更好的通信性能。從方向圖理論分析可知選擇更高的頻率，車(chē)載三環(huán)天線(xiàn)高仰角輻射更好,但由于頻率增高電波穿透電離層會(huì )使反射能力變弱，所以在實(shí)際使用中不能選擇太高的頻率，一般低于15MHz以下。通過(guò)分析比較之選擇不同收發(fā)天線(xiàn)、不同時(shí)間和頻率時(shí)的性能覆蓋關(guān)系，可以為通信系統規劃提供天線(xiàn)選擇和頻率選擇的依據。
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