周文兵，陳志君

(1.中國(guó)直升機(jī)設(shè)計(jì)研究所，江西景德鎮(zhèn) 333001;2.總參陸航研究所，北京 101121)

0 引言

通信鏈路分析的目的是根據(jù)通信距離等指標(biāo)要求進(jìn)行通信系統(tǒng)的指標(biāo)分配，分析多部機(jī)載通信系統(tǒng)間的相應(yīng)影響。超短波通信由于通信頻率較高，主要依靠直射波進(jìn)行視距通信，且繞射能力差;超短波電臺(tái)的通信距離除受視距的限制之外，還受到電臺(tái)的接收靈敏度、發(fā)射功率、天線增益和分配器的插入損耗等一系列因素的制約，因此，要在有限的技術(shù)條件下經(jīng)濟(jì)簡(jiǎn)約地實(shí)現(xiàn)通信距離的戰(zhàn)術(shù)要求，超短波通信鏈路指標(biāo)的分配和相互干擾分析是較為關(guān)鍵的一環(huán)。本文主要通過(guò)對(duì)超短波通信鏈路的分析，得出直升機(jī)超短波通信鏈路模型;以實(shí)現(xiàn)超短波電臺(tái)通信距離要求為目標(biāo)，分析通信鏈路中影響通信距離的各因素及影響程度，并根據(jù)直升機(jī)的實(shí)際情況，對(duì)機(jī)上多部超短波電臺(tái)的配置及與其他機(jī)載設(shè)備的電磁兼容性提出改善建議。

1 通信視距的計(jì)算

由于地球?yàn)榍蛐危蛊鸬牡乇頃?huì)遮擋兩個(gè)天線的視線。其視線所能達(dá)到的最大距離稱(chēng)為視線距離(簡(jiǎn)稱(chēng)視距［1］)。見(jiàn)圖 1。

圖1 通信視距

式中:d0單位為千米(km);h1和 h2單位均為米(m)。

根據(jù)電磁波在不均勻介質(zhì)中的傳播理論:電波傳播時(shí)會(huì)受到大氣折射，使得電波在地球表面上空的傳播路徑沿地球表面而發(fā)生彎曲。實(shí)踐證明，電磁波頻率高于30MHz時(shí)，這種彎曲現(xiàn)象比較顯著。因此，當(dāng)接收天線雖然在幾何視線距離之外，但仍然能有效地接收到信號(hào)，即實(shí)際通信距離大于幾何視線距離。

綜合考慮大氣折射的平均效應(yīng)后，超短波傳播的有效視距［1］de可修正為:

根據(jù)幾何學(xué)原理可以得出視距d0為:

式中:de單位為千米(km);h1和 h2單位均為米(m)。

例，船上接收天線高40m，根據(jù)公式(2)可以計(jì)算出直升機(jī)在不同飛行高度下對(duì)應(yīng)的理論有效視距及工程取值，見(jiàn)表1。

2 超短波通信距離影響因素分析

2.1 天線增益及其隔離度

天線增益及相互間的隔離度對(duì)超短波電臺(tái)的通信距離影響巨大。直升機(jī)上由于任務(wù)需要，經(jīng)常需安裝多部超短波電臺(tái)，每部電臺(tái)配裝1副機(jī)載天線或?yàn)楸阌谔炀€布局采用復(fù)合天線(例，U/V段與L波段復(fù)合，兩頻段之間的隔離度要求至少35dB)。機(jī)載天線裝機(jī)后，由于機(jī)身對(duì)于電磁波的影響，造成天線方向性圖(或增益)產(chǎn)生相應(yīng)的畸變，在計(jì)算通信距離時(shí)需根據(jù)機(jī)載天線裝機(jī)后實(shí)際輻射方向圖的畸變程度考慮進(jìn)行相應(yīng)補(bǔ)償。如天線隔離度過(guò)小，強(qiáng)發(fā)射信號(hào)可以使接收機(jī)處于非線性區(qū)工作，產(chǎn)生交調(diào)、互調(diào)、減敏等效應(yīng)［2］;GJB6035-2001《甚高頻機(jī)載通信設(shè)備天線分系統(tǒng)通用規(guī)范》第3.9.8節(jié)要求，兩套甚高頻通信系統(tǒng)間天線之間的隔離度應(yīng)不小于45dB［3］。結(jié)果合理的天線布局，直升機(jī)上配備的多套超短波通信系統(tǒng)天線間隔離度一般能滿足最小45dB的要求。圖2為某直升機(jī)上超短波天線間隔離度的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。因此通信距離計(jì)算時(shí)可使用超短波電臺(tái)原始靈敏度指標(biāo)，不需考慮減敏等效應(yīng)。

圖2 某直升機(jī)超短波天線間隔離度

2.2 發(fā)射機(jī)載波對(duì)其他超短波接收系統(tǒng)的影響

一般接收機(jī)在干擾頻率偏離工作頻率±10%以外的隔離指標(biāo)應(yīng)達(dá)到80dBc以上［4］。例，某直升機(jī)超短波電臺(tái)最高靈敏度為-113dB，在電臺(tái)接收前端同時(shí)輸入一個(gè)靈敏度值的工作頻率信號(hào)和一個(gè)偏離工作頻率±10%的干擾信號(hào)時(shí)，在不影響靈敏度的情況下，允許進(jìn)入電臺(tái)接收機(jī)前端的干擾信號(hào)幅度最大不能超過(guò)-33dBm。

如超短波天線間最小隔離度為45dB，收/發(fā)濾波器插損同為3dB且收/發(fā)饋線損耗分別為1.5dB/2dB，當(dāng)使用75W(48.7dBm)大功率電臺(tái)發(fā)射時(shí)，同機(jī)其他超短波電臺(tái)接收到的信號(hào)強(qiáng)度為 -5.8 dBm，大于電臺(tái)降靈指標(biāo)所允許的最大輸入電平-33dBm。為保證系統(tǒng)正常工作，須在接收機(jī)與天線之間增加共址濾波器，對(duì)接收機(jī)帶外信號(hào)進(jìn)行加強(qiáng)抑制，并要求在中心頻率±10%時(shí)抑制度要大于27.2dB。

如使用機(jī)載復(fù)合天線(U/V段與L波段復(fù)用天線)，在L波段發(fā)射時(shí)會(huì)對(duì)超短波接收機(jī)產(chǎn)生影響。如L波段以最大功率200W(53dB)發(fā)射時(shí)，考慮到濾波器最少27.2dB的帶外抑制，天線U/V段與L波段之間的隔離度35dB，超短波接收機(jī)能接收到的信號(hào)為-9.2dBm，大于電臺(tái)降靈指標(biāo)所允許輸入的最大電平-33dBm，故還需增加對(duì)L波段抑制至少23.8dB的濾波器。

2.3 寬帶噪聲對(duì)接收機(jī)靈敏度的影響

發(fā)射機(jī)寬帶噪聲達(dá)到一定水平時(shí)，會(huì)對(duì)共址工作的接收機(jī)靈敏度造成影響，降低接收機(jī)靈敏度。當(dāng)進(jìn)入接收機(jī)的寬帶噪聲電平比靈敏度電平低最少10dB時(shí)，基本上不會(huì)對(duì)接收機(jī)造成影響［4］。發(fā)射機(jī)寬帶噪聲對(duì)接收機(jī)的影響按照下面的方法計(jì)算:

其中:PRn為接收機(jī)收到的寬帶噪聲信號(hào)電平(dBm);PTn為發(fā)射機(jī)寬帶噪聲譜密度(dBm/Hz);BW為接收機(jī)中頻帶寬(Hz);L為天線隔離度。

兩部電臺(tái)工作頻率間隔大于10MHz，并且在非擴(kuò)頻模式工作時(shí)，30W/75W型電臺(tái)發(fā)射機(jī)寬帶噪聲譜密度PTn=-100dBm/Hz;BW按工作模式不同分別取38kHz(窄帶);天線隔離度不小于45dB;可計(jì)算出此時(shí)落入話音電臺(tái)接收機(jī)帶內(nèi)的寬帶噪聲信號(hào)電平為:

電臺(tái)在FM狀態(tài)下輸出信噪比10dB時(shí)，靈敏度低于-113dBm，而當(dāng)兩部電臺(tái)同時(shí)工作時(shí)，落入到話臺(tái)帶內(nèi)的最小寬帶噪聲電平比靈敏度電平高出13.8dB，影響了電臺(tái)的接收。電臺(tái)在其他工作模式下對(duì)濾波器的要求同理計(jì)算。

數(shù)據(jù)顯示，在發(fā)射機(jī)到天線口之間加裝的共址濾波器須對(duì)寬帶噪聲有至少20dB的抑制才能保證通信系統(tǒng)的基本正常工作。

2.4 通信鏈路模型

根據(jù)對(duì)直升機(jī)機(jī)載超短波鏈路從信源到信宿的完整通信過(guò)程及與其他機(jī)載設(shè)備的干擾分析，可得通用直升機(jī)通信鏈路簡(jiǎn)化模型，如圖3所示。

圖3 超短波通信鏈路簡(jiǎn)化模型

根據(jù)電波傳播理論［1］，處于無(wú)遮擋視距范圍內(nèi)的接收天線所能接收到的最大場(chǎng)強(qiáng)Er為:

考慮信源到信宿的超短波全鏈路通信模型，在收/發(fā)電臺(tái)間的計(jì)算公式可修改為:

式中:PR為接收機(jī)靈敏度，單位為dBmW;PT為發(fā)射機(jī)功率，單位為dBmW;d為通信距離，單位為km;f為工作頻率，單位為MHz;LT為發(fā)射機(jī)上饋線損耗，單位為dB;LR為接收機(jī)上饋線損耗，單位為dB;GT為發(fā)射天線增益，單位為dB;GR為接收天線增益，單位為dB;LRXfilter為發(fā)濾波器插入損耗，單位為dB;LTXfilter為收濾波器插入損耗，單位為dB;C為衰減因子和環(huán)境噪聲，分別為3dB，共6dB，為估計(jì)值。

3 超短波電臺(tái)通信距離的計(jì)算

在暫不考慮直升機(jī)內(nèi)部電磁環(huán)境及其周?chē)鷱?fù)雜的電磁環(huán)境對(duì)超短波鏈路靈敏度的影響，UHF天線裝機(jī)后由反射面的大小、機(jī)身遮擋而引起的天線增益和方向性圖的變化，直升機(jī)飛行姿態(tài)對(duì)通信的影響等的情況下，影響通信距離的關(guān)鍵因素有:發(fā)射機(jī)功率、收/發(fā)多路耦合器插損、收/發(fā)防干擾濾波器插損、發(fā)射天線增益、自由空間損耗、接收天線增益、接收靈敏度等。

根據(jù)直升機(jī)超短波電臺(tái)具體工作模式(如AM、FM、DS、FH、MSK、TCM 等)，下電臺(tái)的發(fā)射功率和靈敏度指標(biāo)，天線在V/UHF頻段實(shí)測(cè)增益，天線饋線損耗和收/發(fā)濾波器插損等可以計(jì)算出各工作模式下超短波電臺(tái)的通信距離。也可根據(jù)通信距離指標(biāo)要求，對(duì)電臺(tái)功率、天線增益和濾波器插損等進(jìn)行指標(biāo)分配。某直升機(jī)TCM/FH調(diào)制模式下電臺(tái)通信距離計(jì)算結(jié)果(不考慮視距限制的情況下，通信系統(tǒng)電信號(hào)傳輸?shù)睦碚摼嚯x)見(jiàn)圖4。

圖4 TCM/FH調(diào)制模式下電臺(tái)的通信距離

4 提高超短波通信距離的途徑分析

根據(jù)圖3通信鏈路模型，有以下幾種方法可提高超短波電臺(tái)通信距離:

1)提高天線增益。由于天線對(duì)通信距離的影響非常關(guān)鍵，因此提高天線的增益是最有效的方式，包括:整體改善天線增益指標(biāo);根據(jù)傳播距離公式與頻率的關(guān)系，只針對(duì)不符合要求的部分頻段或頻點(diǎn)進(jìn)行增益提高;同時(shí)，通過(guò)提高天線增益來(lái)提高通信距離的方式對(duì)直升機(jī)整體設(shè)計(jì)改動(dòng)極小，包括電磁兼容設(shè)計(jì)方面。

2)提高接收機(jī)靈敏度。接收機(jī)敏感度提高后能到達(dá)提高通信距離的目的，但是另一方面也更容易受周?chē)姶怒h(huán)境的干擾，易造成電磁兼容問(wèn)題(易受敏感)，同時(shí)對(duì)鏈路中濾波器的要求提高。

3)加大發(fā)射機(jī)功率。增加發(fā)射極功率是改善通信距離非常有效的方式，不過(guò)隨著發(fā)射機(jī)功率的增大，可能引起對(duì)機(jī)上其他設(shè)備的電磁兼容問(wèn)題(增加電磁輻射強(qiáng)度);另外，功率加大還可能引起散熱問(wèn)題或耗能的增加等;并在安裝空間及重量上有所增加。

4)減少整個(gè)傳播鏈路上連接部位的插入損耗。此方式為有效的改進(jìn)方式，對(duì)于通信距離的改善有一定的作用，主要是減少饋線損耗，各部件間連接頭插入損耗，濾波器損耗等。

直升機(jī)如配置多部電臺(tái)應(yīng)根據(jù)各電臺(tái)執(zhí)行任務(wù)的差別，在滿足通信距離指標(biāo)的前提下，充分考慮到設(shè)備重量、耗能、散熱、安裝空間、電磁兼容和備份能力等各方面的問(wèn)題。

5 結(jié)論

根據(jù)本文超短波通信鏈路模型和分析方法:

1)在指定通信距離指標(biāo)的前提下，可對(duì)鏈路中各環(huán)節(jié)指標(biāo)進(jìn)行詳細(xì)分配和相關(guān)作用關(guān)系計(jì)算;

2)應(yīng)用于現(xiàn)有直升機(jī)通信鏈路系統(tǒng)的通信距離的預(yù)估;

3)從地面試驗(yàn)和試飛結(jié)論中得到驗(yàn)證，該通信模型可行，計(jì)算結(jié)論基本可靠，可用于工程設(shè)計(jì)。

［1］王元坤.電波傳播理論［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1984.

［2］陳窮.電磁兼容性工程設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:國(guó)防工業(yè)出版社，1993.

［3］GJB6035-2001，甚高頻機(jī)載通信設(shè)備天線分系統(tǒng)通用規(guī)范［S］.2001.

［4］李同泉.超短波通信常見(jiàn)無(wú)線電干擾特點(diǎn)及排查方法［J］.山西電子技術(shù)，2001(3).

［5］耿京朝，李艷斌.超短波電波傳播的分析與計(jì)算［J］.天線技術(shù)，2002(3).