短波车载半环天线仿真分析

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1、第３２卷第９期重庆工商大学学报（自然科学版）２０１５年１０月Ｖｏｌ?３２ＮＯ．１０ＪＣｈｏｎｇｑｉｎｇＴｅｃｈｎｏｌＢｕｓｉｎｅｓｓＵｎｉｖ?（ＮａｔＳｃｉＥｄ）Ｏｃｔ．２０１５ｄｏｉ：１０．１６０５５／ｊ．ｉｓｓｎ．１６７２－０５８Ｘ．２０１５．００１０．０１３短波车载半环天线仿真分析李引凡（重庆通信学院信息工程系，重庆４０００３５））摘要：介绍了短波通信盲区产生的原因和解决途径；对短波车载半环天线及其变形鞭状天线的输入阻抗、最大辐射仰角、方向图、最大增益等参数进行了仿真分析，得出了半环天线用于ＮＶＩＳ通信的最佳工作频段；最后通过对通信

2、频率、通信距离和通信效果的实测，有力地验证了车载半环天线的ＮＶＩＳ通信能力。关键词：鞭状天线；半环天线；近垂直入射天波中图分类号：ＴＮ８２文献标志码：Ａ文章编号：１６７２－０５８Ｘ（２０１５）１０－００６３－０５随着短波通信在应急和反恐领域中的应用日益受到重视，这要求短波车载站的“动中通”、“山地通”功［１］能具有更高的可靠性。目前装备鞭状天线和环形天线的短波电台车普遍存在近距离通信盲区现象，由于应急和反恐都是围绕城市或某一特定区域展开，半径１００ｋｍ（可扩展至２００ｋｍ）范围以内是主要的通信区［２］域，因此“动中通”、“山地通”的通信盲

3、区是必须解决的关键问题。近年来，一种新型短波车载半环天线陆续装备部队，以解决短波通信盲区问题，这对传统的基于车载鞭状天线和车载环形天线的短波机动通信形成了有效的补充。１短波通信盲区盲区的存在是短波传播的重要现象之一。盲区的形成是由于在短波传播中，地波衰减很快，在离开发射机一定距离的地点，就无法接收到地波；而电离层对一定频率的电波反射只能在另外的一定距离以外才能收到，这样就形成了既收不到地波又收不到天波的地区，称为盲区（图１）。为解决短波通信的盲区问题，通常可采用ＮＶＩＳ（ＮｅａｒＶｅｒｔｉｃａｌＩｎｃｉｄｅｎｃｅＳｋｙｗａｖｅ，近垂直入射

4、天波）方法，主要从两个方面入手：选用高仰角辐射的天线，使电波能量最大程度的垂直向上辐射，经电离层反射后到达地面，使盲区的外半径减小。单跳通信距离与发射仰角的关系如图２所示（假设电波均能被电离层反射）。选用较低的工作频率，以使天线垂直向上辐射电波时电波不至穿透电离层，同时地波传播损耗更小，使盲区的内半径增大。然而，发射天线很难同时兼顾到天波传播和地波传播，而且地波的出现将与反射的天波相干扰，导致信号的衰落。因此，在使用ＮＶＩＳ技术时最好降低地波的辐射距离，以最大程度的减少其对天波的干扰。收稿日期：２０１５－０１－２８；修回日期：２０１５－０

5、３－３１．作者简介：李引凡（１９７９⁃），男，重庆市人，讲师，硕士，从事军事无线通信技术与装备研究．６４重庆工商大学学报（自然科学版）第３２卷图１短波通信盲区图２通信距离（单跳）与发射仰角的关系１．１半环天线结构半环天线由４根１ｍ天线体连接形成４ｍ×１ｍ鞭状天线，然后弯曲成半径２．５ｍ的半环状，如图３所示。半环下方的铝合金基架（１．５ｍ×３ｍ）也是天线的一部分，天线的两个端点都与基架进行连接，形成一个完整的闭合环天线，即单体电磁环天线，馈电点则为其中一个端点。电台发射时，电磁波围绕天线环径向辐射，同时借助基架强化图３半环天线结构垂直辐射能

6、量，从而在５０°～９０°仰角区域形成“对空喷涌”状的方向图，经电离层反射后可覆盖半径２００～５００ｋｍ内的区域。当电台车驻扎建站时，可将半环天线恢复成４×１ｍ鞭状天线，用于远距离通信，此时可再接入一节１ｍ天线体，形成５ｍ×１ｍ鞭状天线（后续对鞭状天线的讨论均基于此尺寸），可获得更好的效果。１．２输入阻抗与工作频段在基于矩量法的天线分析工具ＭＭＡＮＡ⁃ＧＡＬ软件中对半环天线进行建模，天线材质为铝管，离地高度２ｍ，可画出半环天线和鞭状天线在１．５～３０ＭＨｚ内的输入阻抗变化，如图４所示。图４天线输入阻抗相比与鞭状天线，半环天线的输入电阻分量和

7、电抗分量均具有极大的动态范围，当ｆ＜１０ＭＨｚ时，输入４电阻分量不足１Ω，当ｆ在１７ＭＨｚ附近时（即谐振点附近），输入阻抗达到１０Ω数量级，这给天线与发射机的匹配带来一定困难，使得天线的工作频段受到一定限制。当然，配接不同的天线调谐器可以使工作频段有不同的表现，但在低频段，由于输入电阻分量太低，即便调谐，天线也未必能发挥良好的性能。［３］图５给出了ＳＧ⁃２３０型天线调谐器对半环天线和鞭状天线的匹配结果（令Ｒ＝５０Ω）从图５中可以看ｇ到：鞭状天线在３～３０ＭＨｚ范围内的ＶＳＷＲ值基本小于２，只在频段低端ＶＳＷＲ性能有些许恶化；半环天线在１２

8、＜ｆ＜１３ＭＨｚ、１７＜ｆ＜２０ＭＨｚ频段内的ＶＳＷＲ性能较为恶劣，在其他频段范围内的匹配结果基本能满足第１０期李引凡：短波车载半环天线仿真分析６５ＶＳＷＲ＜２这一门限要求，其中ｆ＜１２ＭＨｚ