基于短波車載三環(huán)天線的通信性能分析論文
車載三環(huán)天線是鞭天線接一個由3個水平環(huán)組成的頂負(fù)載。天線調(diào)諧器安裝于車體內(nèi)，天線從車體內(nèi)的天調(diào)伸出，三環(huán)到天調(diào)間的連線相當(dāng)于鞭天線的垂直部分。采用這種三環(huán)結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)垂直鞭天線相比帶來以下好處降低了天線的高度，提高車輛的通過能力;②通過加項負(fù)載，天線的電長度比鞭天線長得多，并改善了天線低頻端的阻抗特性，有利于天調(diào)的調(diào)諧匹配;③天線的三環(huán)水平放置在車頂，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(qū)”。但眾多的資料如文獻沒有給出三環(huán)天線的輻射方向圖的情況，沒有對天線的克服通信盲區(qū)進行解釋的理論依據(jù)。本文利用了MMANA-GAL天線仿真軟件對該天線的相關(guān)性能參數(shù)進行了仿真分析,得到了天線的方向性、增益和輸入阻抗等參數(shù)值。從方向圖和輸入阻抗看，仿真結(jié)果與文獻[1]中說到的三環(huán)天線的特性相吻合，有利于克服通信盲區(qū)和改善低頻端阻抗特性。在分析三環(huán)天線特性的基礎(chǔ)上，本研究還建立了基于ITS軟件的天線模型，利用ITS軟件進行通信鏈路性能分析，比較了與傳統(tǒng)鞭天線的性能。
1車載三環(huán)天線的結(jié)構(gòu)及仿真模型建立
三環(huán)天線的三環(huán)所在平面長3.2m，寬1.8m，由直徑2.5cm線管構(gòu)成，饋線接于離一端30cm的邊管線上，饋線由車頂延伸上來，長90cm，根據(jù)實際的天線結(jié)構(gòu)和尺寸建立了水平三環(huán)天線天線的MMANA-GAL模型，模型下邊的柵格網(wǎng)等效于車體的車頂，上部的三環(huán)結(jié)構(gòu)為天線的加載天線與伺服技術(shù)頂，天線的主要輻射部分為直立的90cm長的鞭狀線。坐標(biāo)原點在金屬反射面上，設(shè)置反射面離地高度為車頂離地高度3m。結(jié)合實際,設(shè)置地面電導(dǎo)率為5ms/m,電介常數(shù)為13。
用于天線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)相比的主要特點是針對線性結(jié)構(gòu)的天線進行建模，可以設(shè)計大尺寸(幾十米長)的天線,計算方便快捷，平面結(jié)構(gòu)可以用網(wǎng)格等效，只要網(wǎng)格的尺寸相對波長足夠小。除了可以計算輻射方向增益數(shù)據(jù)外，還可以計算天線輸入阻抗和對應(yīng)饋電線阻抗的LC匹配電路參數(shù)值。
2車載三環(huán)天線的仿真與分析
同一天線尺寸確定后，不同的工作頻率天線的特性有所不同，性能參數(shù)也隨頻率有所變化，由于該天線主要用于短波頻段2?30MHz,考慮文章篇幅有限，只分別仿真計算了天線工作在2MHz、5MHz、10MHz、15MHz、20MHz、24MHz和28MHz等幾個頻率的輻射特性以及相關(guān)參數(shù)，以便于考查變化趨勢。
2.1輻射方向增益
圖2給出了幾個頻點的E面方面圖，通過比較分析可知：隨著頻率增大,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。由于鞭天線在整個頻段內(nèi)與2MHz的方向圖類似，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，與鞭天線輻射特性有些相似，隨著頻率增大，高仰角輻射更強,10MHz以上更加明顯。H面(XOY水平面)在各個頻率點基本呈現(xiàn)全向性，只是在28MHz這個頻率上有些向X軸方向偏移，從仿真結(jié)構(gòu)分析可能與反射面的位置有關(guān)。
在應(yīng)用中考慮輻射仰角與通信距離關(guān)系時，遠(yuǎn)距離通信要求輻射仰角低，近距離通信要求輻射仰角高。這個關(guān)系可以參考文獻[5],從三環(huán)天線的在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(qū)。隨著頻率的增大，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(qū)時，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在每間隔2MHz的頻點的增益值和輸入阻抗。圖3給出了增益值，從增益的數(shù)值分析可知，在低頻端(10MHz以下)，天線增益不高,結(jié)合方向圖可以知道，雖低頻端低仰角輻射更強適合遠(yuǎn)距離通信，但增益不高也會影響通信性能。隨著頻率增大，增益增大,輻射性能更好，但作為近距離通信時克服通信盲區(qū)也不應(yīng)選擇太高頻率。
不同頻率下的天線輸入阻抗值。從輸入阻抗數(shù)值可知，在低頻端,電阻與電抗的變化不是那么劇烈，更有利于自動天線調(diào)諧器的匹配。這也解釋了文獻[1]提到的三環(huán)天線與鞭天線相比改善了低頻端的阻抗特性這一結(jié)論。實際應(yīng)用中，饋線與天線輸入端接有自動天線調(diào)諧器以實現(xiàn)阻抗匹3車載三環(huán)天線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(NTIA/ITS)開發(fā)的仿真器ITSHFPropagationITS軟件)可進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選擇不同天線類型，分析不同日期時間下的頻率與接收端信噪比的關(guān)系來進行短波鏈路規(guī)劃。在實際運用中證明是目前最可靠實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種模型開發(fā)的點對點和區(qū)域覆蓋分析模塊組成�？梢詫Χ滩ㄍㄐ沛溌愤M行點對點性能分析和區(qū)域覆蓋性能分析，以對短波鏈路建設(shè)進行規(guī)劃(選頻、選天線和選址等)。
3.1ITS軟件天線模型建立
現(xiàn)有短波天線中，部分天線結(jié)構(gòu)與ITS軟件的天線結(jié)構(gòu)模型相同，只是尺寸大小需要指定,如:水平雙極天線(籠形天線)對應(yīng)ITS軟件中的天線類型23、終端加載水平菱形天線對應(yīng)ITS中的天線類型21、水平對數(shù)周期天線對應(yīng)ITS中的天線類型05、垂直單極(鞭)天線對應(yīng)ITS中的天線類型10等，要進行短波鏈路分析時,可以在ITS中的天線分析模塊HFANT中指定參數(shù)值，就可創(chuàng)建這些天線的模型。
較新的幾種常用天線如：固定臺站的水平三線寬帶天線、倒V型三線寬帶天線、倒V型雙極寬帶天線以及機動臺的車載弓形天線(半環(huán)天線)、車載三環(huán)天線在ITS軟件中沒有可用模型，需要對這幾種天線進行建模。在MMANA-GAL中，按天線的實際結(jié)構(gòu)畫出天線,在每個頻點上進行天線仿真，分別得到每個頻點不同俯仰角不同方位角的增益數(shù)據(jù)。再把這些數(shù)據(jù)組合成sample.90文件結(jié)構(gòu)相同的文件，形成天線數(shù)據(jù)文件。在研究工作中生成了“水平三線寬帶天線”和“車載三環(huán)天線”等天線模型文件并可用于ITS仿真。
3.2車載三環(huán)天線通信性能分析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(qū)域覆蓋模型分析模塊進行仿真，以成都為發(fā)射機中心，發(fā)射機功率1000W，用到的天線有水平三線寬帶天線、10m鞭天線、車載三環(huán)天線。分析比較收發(fā)都為10m鞭天線和車載三環(huán)天線的性能;發(fā)天線為水平三線寬帶天線，收端分別為10m鞭天線和車載三環(huán)天線的性能。
主要條件.太陽黑子數(shù)80,地磁活動指數(shù)0=2,系統(tǒng)參數(shù)設(shè)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(tǒng)要求1Hz帶寬下的信噪比為42dB，多徑信號功率容許3dB，最大容許時延0.1mS。ur=4(北京時間中午12點)，考慮饋線損耗，天線實際輸人功率700W，主瓣方向正北;收天線分別為10m鞭天線、車載三環(huán)天線，主瓣向北方。分析參數(shù)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(jié)果
仿真輸出參數(shù)主要考查電路可靠度為90%時的接收機可獲得的信噪比(SNR90)，圖中信噪比等值線區(qū)域含義表示:如接收機處在這個區(qū)域內(nèi)，則接收機可以獲得這個數(shù)值的信噪比。由于接收機要求達到某一個數(shù)值(如42dB(1Hz帶寬下))的信噪比才能可靠通信,則比較2種天線作接收天線時接收端信號比可達到42dB的區(qū)域。
(1)不同工作頻率時的區(qū)域覆蓋性能
位于成都中心的發(fā)天線為車載三環(huán)天線，收天線也為車載三環(huán)天線時，頻率分別為5MHz和10MHz時的區(qū)域覆蓋性能進行分析,5MHz時的整個中國區(qū)域內(nèi)的信噪比都很低，小于42dB;10MHz時，以成都為中心的一個500km左右的橢圓內(nèi)的噪比<42dB,在大于這個橢圓以外到1500km以內(nèi)的大于橢圓內(nèi)可以達到42dB的信噪比。說明15MHz的頻率比5MHz的工作頻率有更好的性能覆蓋。
(2)不同天線時的性能比較比較2種天線在10MHz時的區(qū)域覆蓋性能，收發(fā)天線均為車載三環(huán)天線時，性能覆蓋區(qū)域如圖5(a)所示，信噪比>42以上的區(qū)域在半徑從100?1000km范圍內(nèi);收發(fā)天線均為鞭天線時如圖5(b),信噪比>42以上的區(qū)域在半徑從500km到1000km范圍內(nèi);因此很顯然，收發(fā)天線均為車載三環(huán)天線的近距離覆蓋可以達更近的區(qū)域，這從2種天線的方向圖比較可以解釋。
(3)車載三環(huán)天線和鞭天線時的比較以水平三線寬帶天線作發(fā)射天線，圖6(a)為接收天線為10m鞭天線時的性能區(qū)域覆蓋圖,圖6(b)為接收天線為水平三環(huán)天線時的性能區(qū)域覆蓋圖。從圖6可知,信噪比>42dB的區(qū)域出現(xiàn)在以昆明為中心半徑500km的橢圓區(qū)域和處于西寧、蘭州和銀川覆蓋區(qū)的橢圓區(qū)域。2種天線的接收性能比較一致。
但比較以成都為中心的300km以內(nèi)的區(qū)域可以發(fā)現(xiàn)，圖6(a)中的10m鞭天線作接收時信噪比在35dB以下，圖6(b)中以三環(huán)天線作接收天線時，信噪比在35dB以上，所以三環(huán)天線在近距離通信時，接收機可以獲得更好的信噪比。
由于車載三環(huán)天線在大于10MHz的頻率有很好的高仰角輻射能力，所以在收發(fā)天線均為車載三環(huán)天線時，10MHz時車載三環(huán)天線比鞭天線的近距離覆蓋性能好;以三線寬帶天線作發(fā)射天線,車載三環(huán)天線作收天線時，在遠(yuǎn)距離區(qū)域通信的性能與鞭天線作收天線時比較一致，但在近距離區(qū)域比10m鞭天線的作接收天線時有更好的通信性能。從方向圖理論分析可知選擇更高的頻率，車載三環(huán)天線高仰角輻射更好,但由于頻率增高電波穿透電離層會使反射能力變?nèi)�，所以在實際使用中不能選擇太高的頻率，一般低于15MHz以下。通過分析比較之選擇不同收發(fā)天線、不同時間和頻率時的性能覆蓋關(guān)系，可以為通信系統(tǒng)規(guī)劃提供天線選擇和頻率選擇的依據(jù)。
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