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谈谈近距离盲区和无盲区天线

2016-12-1301:12:09 来源:

何滨  《现代通信》 二零零九年第七期

一、短波近距离盲区的概念

  短波近距离盲区已经不是新鲜话题了,很多爱好者和使用单位常遇到盲区问题,但是不清楚怎样解决。撰写本文的目的,一是澄清对盲区的认识,二是介绍解决盲区的方法。

  短波近距离盲区是指地波传播终点与天波最近落地点之间的一段难于通信的区域,根据不同地况,大约在10公里至100公里之间。这段距离是军事或民用通信非常重要的区域,例如人民防空、抗震抗洪、森林防火等,都是围绕城市或者是围绕野外指挥中心开展通信保障。因此,短波台站在近距离盲区内能通得上,是很多用户的迫切要求。

  盲区是怎样产生的

  下面以短波车载通信使用最多的鞭天线为例说明盲区原理。

鞭天线车辐射图

  从鞭天线的方向图可以看出它在高仰角方向几乎没有辐射,对电离层的入射角基本是在70°以下。这种辐射角度适合中远距离通信。由于高仰角方向几乎无辐射,天波第一跳落地就到了一百公里之外,一百公里以内无天波信号。

  另一方面,短波地波传播由于陆地地面的吸收而逐渐减弱,到十多公里就没有了。显然在十多公里至 一百公里之间出现了盲区。

  地波传播距离与地面电导率有直接关系,上面讲的十多公里主要指我国北方地区,南方地区水网密集,地面潮湿,地波传播远一些,大约可达20~40公里,因此盲区范围比北方小。最好的是海面,由于电导率很高,地波沿海面可传播上百海里,因此船对船通信不存在盲区。但是如果岸台距离海边较远,船对岸通信还会有盲区。

  由上可见,盲区与天线类型和地理条件二者密切相关,其中天线是核心问题。考虑到延长地波距离很困难,从这个意义上可以认为主要是某些天线的“辐射仰角盲区”造成了通信盲区。

  此外,特定天线的辐射仰角在不同频率和不同架设情况下有很大差异,这两项也是影响盲区的重要因素。

  根据短波盲区的形成原理,实现无盲区通信的最佳途径是国外所说的NVIS(Near Vertical Incidence Skywave)传播,意即:天波高仰角入射。目的是缩短天波第一跳反射的落地距离。

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  顺便说一句,短波车载鞭天线,无论是谁家制造,无论怎样变形改造,都无法实现有效的NVIS传播,因此不可能消除盲区。鞭天线向车顶拉弯可以微量增加天波垂直入射,但对盲区通信的改善并不明显。宣传鞭天线能消除盲区是误导用户。

  不仅仅是鞭天线,多数短波车载天线没有高仰角辐射,都有盲区。某些基站天线也存在盲区问题。

 

二、解决盲区用什么天线

1.基站无盲区天线

  粗略而言,地波类短波天线主要产生中低仰角辐射,天波类短波天线架设高度合适能够产生高仰角辐射,因此无盲区基站天线首先要选择天波类天线。典型的天波类基站天线包括三线式天线、帐篷形天线、三角组合全向全角天线等,无盲区基站天线的选择余地较大。

  以下重点介绍性能和价格综合优势很好的三线式天线。这种天线在上世纪九十年代中期由我公司引进国内,最初是德国和澳大利亚几个厂家生产,此后包括我公司在内的一些企业也开始生产三线天线。这种天线近年来在军队和地方呈现普及之势,被视为普通双极宽带天线和笼形天线的升级换代产品。

  三线天线的优势是:通信仰角全面,兼顾全向和定向,辐射效率高,可以选择平拉或倒V架设,架设状态平稳,价格比较便宜等。本文重点介绍它在消除盲区方面的特性。

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  三线天线占地不算大,其中倒V架设占地更小。以我公司生产的AB230系列三线天线为例,30米振子架高12米时落地长度约18米,25米振子架高10米时落地长度约16米,适合较小场地。

  

  频率选择方面,平拉架设时用9MHz以下,在高仰角方向呈现全向特征,随着频率提高,高仰角方向图逐渐减弱,方向性渐强;倒V架设时用12MHz以下,在中仰角至高仰角方向都呈现全向特征。由此可见,三线天线无论平拉或倒V架设,都可以理想地实现近距离无盲区。一般来说,平拉主要用于1000公里以上远距离定向通信,兼顾近距离通信;倒V主要用于0~1000公里全向通信。

 

2.无盲区野外快速宽带天线

  爱好者和野外工作人员,用一副简单的AP20型宽带快速天线就能够实现0~1000公里无盲区通信。详阅《现代通信》杂志第二期的文章。AP20天线分为个人携带型和车载备用型两种,可以根据需要选配。

 

3.无盲区车载天线

  车载无盲区动中通的难度最大。这是因为车上无法安装大型天波天线,而且天线常常不能按照技术要求架设。

  对于多数车辆来说,动中通只能采用高能半环天线,下面将重点介绍。还有几种大型车载无盲区天线(例如栅格天线)也能实现NVIS传播,但只能用于大型专用车辆,这里就不介绍了。

 

 

三、ML-91半环无盲区车载天线

ML-90车

  ML-91是目前国际上高能半环天线的代表产品,属于单体电磁环天线,因为天线环的外观像半个环形,故称为半环天线。

  高能半环天线包含“半环”和“高能”两个概念,半环形态提供天波垂直入射条件,高能则是通过特殊调谐装置在天线环上产生特定频点的高频电流峰值,二者缺少任何一个,都不能实现NVIS传播。

半环天线辐射方向图

 


 半环天线体

  半环天线本体由一副行李架状的铝合金基架和与之垂直的铝合金半环构成一个完整的闭合环,电磁波围绕天线环辐射,并借助基架强化垂直辐射,在高仰角和中仰角区域(90°~40°)形成对空“喷涌”状的方向图,天波反射回到地面后,完全覆盖半径500公里的全部区域,当然也覆盖了100公里内的区域。

辐射图

  
  特殊调谐装置

  ML-91天线的调谐方式是在天线环路上串接一个特殊的大功率调谐器,以微处理器检测特定频点的高频电流值,控制调谐器进行精确调谐,使半环振子产生高频电流峰值,获得最大的天波入射能量。

  近两年出现了仿制的半环天线,外观与ML-91近似。这些仿制半环天线的天调都是通过检测电压驻波比(VSWR)实现阻抗匹配,然而驻波比最小不等于电流达到峰值,就是说没有实现“高能”,因此这些天线的盲区通信效果比鞭天线没有明显改善。

  我们曾经在30~60公里内试用数字化天调(检测驻波比)替代ML-91的原配天调,当驻波比达到1.1:1以下极理想状态时,几乎不能通信。然后换回ML-91原配天调,信号立刻达到4级以上。多次类似试验非常清楚地说明了“高能”对于半环天线的意义。

  区分半环天线是否高能其实很简单,看一下天线标称的频率范围,如果标称2~30MHz,肯定用的是电压检测式天调。ML-91天线的调谐频率最高到12.6MHz,这是电路原理限制使然。但这个频率范围已经完全满足0~1000公里的通信要求。实际上超过13MHz的垂直入射天波大部分会穿透电离层,很少返回地面。

 

  除了克服盲区,ML-91天线还有以下特点:

  a.   即时可用频段很宽

  一般短波车载天线受电离层高度变化的影响很大,故在特定时间、天候、距离等条件下,即时可用频段一般只有0.5~1MHz。ML-91天线因为是高仰角辐射,受电离层高度变化的影响很小,即时可用频段达4~5MHz,频段内每个频点都可以正常通信,而且日频夜频差别不大(使用其它天线,日夜频约相差一半),因此不必为选频伤脑筋。

  b.   隔绝了车体噪声

  常见短波车载天线的天调,其接地线都必须导通连接车体,导致车体的各种噪声源馈入电台,例如汽车发电机、点火和电控装置、风扇、空调、电子和通信设备的噪声,以及机械振动和摩擦噪声等。这些噪声源恶化了通信背景。

  ML-91天线与车体绝缘,属于“悬浮安装”,因此完全隔绝了车体噪声源,信号背景非常干净。

  c.   接收信号上佳

  ML-91天线的接收质量明显优于其它车载天线。这是因为,多数车载天线的调谐装置串接天线与电台之间,而且射频引线靠近车体,对接收信号造成衰减。ML-91天线的调谐装置位于天线环路中间,对信号无衰减,此外半环振子和基架作为接收载体,接收表面积比鞭天线大得多。实际收听信号清晰悦耳。

  d.   广泛的极化适应性

  ML-91天线可以同任何种类任何极化方式的天线良好对通,包括常用的三线、笼形、双极等基站天线,鞭状、环状车载天线等。

  e.   电台不需要大功率

  短波车载通信为了弥补天线的不足,都要求电台发射功率不低于100W。而ML-91天线只需电台提供30W~50W功率,信号就可以达到3级以上。

 

  ML-91半环天线的实际通信效果

  最近五六年时间,我们组织或参与了很多次ML-91天线在不同地点各种地况下的实通,并参照很多使用单位反馈的情况,对ML-91天线的实通效果总括如下:

  0~500公里为ML-91天线的高仰角通信区域,此区域内无方向性,信号在100公里内通常3级以上,100~500公里通常4级以上。

  500~1000公里之间,ML-91天线有弱方向性,顺环方向辐射强,但实通中方向感并不明显。

  车辆时速120公里,ML-91天线通信正常。

  基站对ML-91车台之间,以及安装ML-91天线的车辆之间,保持不间断运动中通信。

  以我公司在2007年进行的一次地域最广的实通测试为例,从北京出发经石家庄、太原、西安、宝鸡,经秦岭进成都,返程经重庆及湖北、河南、河北省返回北京,全程无论昼夜,信号从未低于3级,多数时间保持4级以上。




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