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短波通信天線方位角、仰角與架設高度的選擇

瀏覽:22355  來源:通信人在線  日期:2020-12-29

在設計短波無線通信鏈路時,應根據系統設備指標,如發射機功率、發信天線增益、工作頻率、電離層衰減(天波時)、地表衰耗(地波時)、空間衰耗、本地噪聲、收信天線增益、接收機靈敏度、接收端所需要的最低信噪比要求等,計算天線方位角、仰角與架設高度等架設參數。

一、接收點預期信噪比計算

1、接收點預期信號功率Pe的計算

當把發射功率PtdBm為單位,發射天線增益Gt和接收天線增益GrdBi為單位(即以全向輻射器為基準的增益)、線路傳輸損耗LbdB為單位時,則接收點可預期獲得的信號功率PedBm)為:

Pe = Pt + Gt + Gr - Lb

2、接收點有效噪聲功率Pn的計算

設接收點的有效噪聲功率PndBm/Hz為單位,則Pn = Fa + Gr -174。式中Fa為接收點的有效噪聲系數。

3、接收點預期高頻信噪比S/N的計算

S/N = Pe - Pn = Pt + Gt - Lb - Fa + 174   dBm/Hz

二、通信大圓距離的計算

發射臺和收信臺間的地理距離稱為大圓距離,地球AB兩點之間進行短波通信,如圖2-1所示。則大圓距離D的計算公式為下式,式中,x1為發射端地理緯度(度),x2為接收端地理緯度(度),y1為發射端地理經度(度),y2為接收端地理經度(度),D為收發兩端點之間的大圓距離(km)d為收發兩端點之間大圓弧對應的地球中心夾角(°)。

D = 111.17d

cos d = sin x1 sin x2 + cos x1 cos x2 cos (y1 - y2)

2-1:短波通信地球AB兩端點之間的大圓距離

三、天線方位角的計算

通信兩端點之間的方位角b1b2的計算公式為下式,式中,b1為發射端至接收端的方位角(°),b2為接收端至發射端的方位角(°)。其方位角的含義詳見下圖3-1

cos b1 =  (sin x2 - sin x1 cos d)/cos x1 sin d

cos b2 =  (sin x1 - sin x2 cos d)/cos x2 sin d

3-1:短波通信方位角

四、天線仰角的計算

天線仰角的計算公式如下式,式中,β =h/R = 電離層高度/地球半徑;θ = d/2 = D×360°/4πRD為收發兩端點之間的大圓距離(km),d為收發兩端點之間大圓弧對應的地球中心夾角(°)。

tan Δ =  {[β - (1 + β)(1 - cos θ)]/[(1 + β)sin θ]}

地球半徑R6370kmF2層取320km,由cos b2F2層一次反射時的最佳仰角,E層取110km,由式cos b2E層一次反射時的最佳仰角,計算結果如表4-1所示。

4-1:通信距離與最佳輻射仰角

五、天線架高的計算

天線架設高度Ha的確定依據是天線垂直方向圖主瓣一定要對準通信仰角Δ。天線垂直方向圖與天線的程式和工作波長有關,并且不同天線的關系不一樣,這里給出了水平對稱振子天線的架高和工作波長λa的關系式如下,其式中各符號的含義及要求詳見下表5

Ha = λa/4sin Δ

λa  =  c /[(fmax + fmin)/2] = (2λmaxλmin)/(λmax + λmin)  (m)

5:天線架高計算式中符號含義及要求

六、短波電路預測計算模型

傳統的計算大都是利用上述方法或手冊提供的圖表來完成,雖然計算復雜、操作煩瑣且精度比較低,但比較直觀,適合單個臺站的維護使用。如中國電波傳播研究所等單位在1981年曾受國家無線電管理委員會委托編寫了一本圖表手冊(短波場強計算),德國的蓋哈德·布勞(Gerhard Braun1982年編著了《短波通信線路工程設計》一書,提供了大量的最新圖表資料,一直以來是比較好的專著之一。具體的圖表操作步驟,請參考上述兩書,按圖索驥。

近年來,隨著科學計算軟件(如MATLAB)的廣泛應用,人們開始用計算機編程的方法來代替繁雜的圖表作業,相應提出了一些數學模型,其核心就是如何對電離層的電子密度分布進行數學描述,歸納起來大致可以分為三類:理論型、統計型和經驗型,其釋義詳見下表6-1

6-1:理論型、統計型與經驗型的釋義

國際上比較著名的幾種預測模型(軟件)有:AMBCOM模型、IONCAP模型、VOACAP模型、REC533模型、FTZ模型和ICEPAC模型,等等,下表6-2給以了簡單介紹。

6-2:國際上比較著名的短波電路預測計算模型(軟件)簡介

總之,國際上先后提出了眾多的計算模型,由于考慮問題的切入點不盡相同,因此其各有特色和優點。遺憾的是,這些計算通常也只能有工程意義上的吻合,需要在實際運行中需要不斷進行統計分析,逐步進行調整。

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