南京萊斯信息技術股份有限公司 黃 龍 王 芳

車載短波近距離通信分析與研究

南京萊斯信息技術股份有限公司 黃 龍 王 芳

短波近距離通信困難的原因是多方面的，其中電離層的有效反射是最重要原因之一。本文采用短波的電離層反射臨界角和雙層平谷電離層電子密度模式，以此電子密度模式和電離層波傳播特性分析近距離通信中的頻率選擇和仰角要求。

電離層；臨界角；雙層平谷電離層電子密度模式；應急通信

引言

短波分為地波和天波兩種,通常在0～30公里用地波傳播,而100公里以上用天波傳輸。對于30～100公里的距離通常稱為短波通信盲區(qū)。短波的通信距離通常由電離層的高度、濃度,反射臨界角和短波發(fā)射仰角決定。本文選用雙層平谷電離層電子密度模式,研究近距離通信中頻率的選擇和仰角的選擇。

1 理論分析

1.1 電離層分析

電離層(Ionosphere)是地球大氣的一個電離區(qū)域。電離層可從低到高依次分為D層、E層和F層等,其中F層還可分為F1層和F2層。中午時E層的最大電子密度約為,F層的最大電子密度約為。

在短波通信中起作用的通常是E層和F層。因此本文主要研究E層和F層對短波通信的影響。

1.2 反射與透射理論

在電磁場理論中,當電磁波入射到均勻介質時,在入射的邊界上,在該區(qū)域中產生反射波和透射波?？紤]一個平面式兩邊均勻介質的邊界。

任意極化的入射波都可以分解為TE波(水平極化)和TM波(垂直極化)分量。對于TM波,當以布儒斯特角入射時,反射矢量kr與透射介質中偶極子振蕩方向一致,所以沒有TM波被反射。布儒斯特角公式為：

當入射角大于臨界角時功率全反射,入射角小于反射角時反射的功率迅速減小。因此,為了提高短波的輻射功率在電離層的反射效率,要求輻射仰角要大于電離層的臨界角。臨界角由電離層的介電常數和短波發(fā)射頻率決定。

因此電離層的臨界角如下：

1.3 雙層平谷電子模式

根據短波信道傳輸的特點,本文采用的電子密度模式分為上下兩部分,下層從E層最大高度以上直到F層電子,密度等于E層最大電子密度NmE的高度范圍內,電子密度保持等于NmE;從F層最大電子密度對應高度之上為電離層,上電離層采用查普曼分布。該模式簡稱為雙平谷模式,其電阻,密度分布如下：

N(h)是高度h處的電子密度,N(h)的單位是個/m3, h的單位是km;NmE,HmE與NmF,HmF分別是E層和F層最大電子密度及相應的高度;YmE,YmF分別是E層和F層的半厚度;HoE是E層的底高,HoE=HmE—YmE;H是查普曼層標高,取經驗值H=0.542YmF;Hq是相應于F層電子密度等于NmE的高度：

其中：foE,foF分別為E層和F層體頻率。

YmE=25km

HmE=125km

foE=2.84MHz

foF=7.6MHz

YmF=100km

HmF=300KM

設收發(fā)點之間的地面距離為D,一個以頻率工fob斜向離開地面發(fā)射點T的電波射線(進入電離層的入射角為),經路徑達地面接收點R;而與該斜入射波在相同高度反射(反射點為A)的等效垂直入射波的頻率為fv。兩個入射波的等效反射點,h’為反射虛高。

根據上述電子密度模式以及電離層特性,可得到垂直入射頻率fv與反射虛高h’的關系：

當fv＜foE時：

2 近距離通信分析與計算

根據通信距離估算計算最大可用通信頻率MUF。最大可用通信頻率MUF*0.85得FOT最佳通信頻率。然后設利用FOT估算發(fā)射虛高h’。根據反射虛高估算鏈路損耗是否滿足要。然后根據車載短波天線的方向特性,把增益最大的方向對著與其通信的短波站臺,獲取最佳通信效果。

2.1 估算最大可用頻率

利用公式(2),根據傳輸距離和反射層高度,估算發(fā)射仰角,然后估算最大可用頻率。利用公式(2)對2～11MH頻率的日間的臨界角計算。根據估算的仰角可以查找到最大可用頻率。

頻率越高則通信臨界角越高。根據臨界角和E層與F層的高度,可以粗略估計通信距離。根據經驗值,可以先選取E層高100Km,F層高240km。利用簡單三角關系估算通信距離。

通信距離越短則要求通信頻率越低,只有底頻率才能獲取小的臨界角。由于車載鞭狀天線方向圖的仰角較低,因此優(yōu)先選取臨界角大的頻率3.5MHz,最佳工作頻率=0.85*3.5=2.975MHz。

2.2 計算發(fā)射虛高和可用通信頻率

以給定通信距離為D=150 km,以斜射頻率OWF=2.975為參數,可由公式(6)作出一組工fv～h’的傳輸曲線;而由公式(7)又可以確定fv～h’的E,F層頻高圖曲線。對于給定的斜射頻率,傳輸曲線與頻高圖曲線的交點就是從發(fā)射點到接收點的可能傳播路徑和反射虛高。

3 短波盲區(qū)通信分析與計算

由于短波盲區(qū)通常指30km至100km之間的距離,由臨界關系和反射角可知,只要30km能通信時,30km至100km之間就能通信。

可選用的通信頻率有兩組,分別為2.85～2.87MHz,對應的臨界角為5～8.3度;7.6～7.61MHz,對應的臨界角為0.04～3.71度。

4 結束語

近距離通信時的反射臨界角很小,而反射臨界角的隨頻率增大而增大,因此要實現近距離通信首先要選用低頻段頻率。對與100km至500km作左右的通信,建議頻率選擇在3MHz左右。

對于30km～40km的通信,只有F層中有一條傳輸路徑,實際可用頻率7.6MHZ。反射角2.94度,反射虛高300km;發(fā)射仰角90-2.94=87.06度。

應急通信中,近距離短波通信效果并不理想,駐車時建議更換斜拉天線或雙極天線。

[1]李彥麗,短波信道相干帶寬的計算．北京:北京大學學報(自然科學版)．

[2]Dennis J．Lusis,短波傳播基礎．WILJ/DL:2-5

[3]趙九章,高空大氣物理學(上冊)[M]．北京:科學出版社,1965:150-158．

[4]孔金歐,電磁波理論[M]．北京:電子工業(yè)出版社．

黃龍（1973—），男，江蘇省南京人，南京萊斯信息技術股份有限公司工程師，主要從事技術總體工作。

王芳（1981—），女，江蘇省新沂人，南京萊斯信息技術股份有限公司工程師，主要從事技術總體工作。