金紅軍

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第五十研究所,上海 200063）

0 引言

超短波也稱(chēng)“米波”，指波長(zhǎng)從1～10 m，相應(yīng)的頻率從30～300 MHz的無(wú)線(xiàn)電波段[1-2]。整個(gè)超短波的頻帶寬度有270 MHz，是短波頻帶寬度的10倍，由于頻帶較寬，廣泛應(yīng)用于電視、廣播、雷達(dá)、導(dǎo)航、移動(dòng)通信和戰(zhàn)術(shù)通信。超短波山區(qū)通信，碰到最多的問(wèn)題就是山體阻擋，使收發(fā)不可視，這時(shí)通信要靠電波的繞射能力，當(dāng)然繞射損耗是很大的，只有在超短波的低頻段才可利用繞射通信，一般球面地上的繞射損耗要比山峰的繞射損耗大得多，隨障礙屏高度增加繞射損耗迅速增大。戰(zhàn)術(shù)超短波電臺(tái)一般工作在30～88 MHz，以視線(xiàn)傳播為主，當(dāng)發(fā)射功率50 W、傳輸速率16 kb/s時(shí)，平原通信距離單跳可達(dá) 30 km；當(dāng)遇到崇山峻嶺（在山區(qū)）、建筑物等阻擋時(shí)，通信距離則明顯下降，嚴(yán)重時(shí)可能導(dǎo)致通信中斷，這就要求超短波電臺(tái)要具有山區(qū)通信的能力。

如何進(jìn)一步提升超短波電臺(tái)的山區(qū)通信能力呢？在接收靈敏度性能不變的情況下，從系統(tǒng)的角度可以從三個(gè)方面考慮，第一，提高發(fā)射增益；第二，降低傳輸損耗；第三，采用網(wǎng)絡(luò)技術(shù)。發(fā)射增益與發(fā)射功率、天線(xiàn)有直接關(guān)系，直接增大發(fā)射功率，發(fā)射增益就會(huì)直接提高，目前戰(zhàn)術(shù)超短波電臺(tái)的發(fā)射功率一般在幾瓦到幾十瓦之間，比如增大發(fā)射功率，則發(fā)射增益也增大；天線(xiàn)增益越高，發(fā)射增益也越高，因此，通過(guò)提高發(fā)射功率和天線(xiàn)增益，可以提高發(fā)射增益。傳輸損耗一般與頻率和天線(xiàn)架設(shè)高度有關(guān)，頻率越低，傳輸損耗越小，頻率越高，傳輸損耗越大；天線(xiàn)架設(shè)越高，傳輸損耗越小，天線(xiàn)架設(shè)越低，傳輸損耗越大，因此，通過(guò)選擇低頻段和架設(shè)高天線(xiàn)，可以降低傳輸損耗。網(wǎng)絡(luò)技術(shù)也是一種重要手段，通過(guò)多跳、迂回路由等技術(shù)，可以有效間接避免山體阻擋，延伸通信距離，這種方式容易被人忽視或很少采用，但實(shí)際上是一種簡(jiǎn)單、行之有效的方法。

1 山區(qū)通信存在的主要問(wèn)題

山區(qū)通信的技術(shù)特點(diǎn)是：山區(qū)部署、鏈狀分布、移動(dòng)后可快速部署，要求“山中通”的能力；梯隊(duì)行進(jìn)間，要保持通信聯(lián)絡(luò)，要求“動(dòng)中通”的能力；作戰(zhàn)區(qū)域受到敵方干擾，包括山區(qū)可能的空投干擾，要求“抗中通”能力。這些特點(diǎn)就給山區(qū)通信帶來(lái)了很大困難，主要問(wèn)題是：

1）山中通能力差，遇到高山阻擋，通信性能大幅下降。

2）動(dòng)中通能力差，在移動(dòng)過(guò)程中，網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)發(fā)生變化，系統(tǒng)適應(yīng)能力差。

3）抗中通能力差，干擾源主要是敵方空投，工業(yè)環(huán)境或自身干擾，系統(tǒng)適應(yīng)能力差。

4）傳輸速率低，反應(yīng)時(shí)間長(zhǎng)，連續(xù)工作能力差。

這些問(wèn)題正在逐步得到解決或改善，但在山中通問(wèn)題上仍然比較突出，需要進(jìn)行體系適應(yīng)性構(gòu)建，通過(guò)采用一些新技術(shù)、新方法來(lái)化解這些問(wèn)題，從而全面提升山區(qū)通信性能。

2 超短波傳播特性

2.1 視距傳播

超短波在傳輸特性上與短波有很大差別，由于頻率較高，發(fā)射的天波一般將穿透電離層射向太空，而不能被電離層反射回地面，主要靠空間直射波、地面波和地面反射波3種方式傳播[3-4]，如圖1所示。地面波沿地面衰減極快，在距發(fā)射天線(xiàn)數(shù)公里以外，地面波就很弱了，數(shù)十公里以上，地面波已經(jīng)可以忽略不計(jì)了；地面反射波，地面略有凹凸不平或傳播途中遇到任何障礙，都會(huì)對(duì)傳播產(chǎn)生影響，因而不能夠加以適當(dāng)?shù)睦?。所以，超短波通信主要靠空間直射波，在低空大氣層作視距傳播。象光線(xiàn)一樣，傳播距離不僅受視距的限制，還要受高山和高大建筑物的影響。因此，要求天線(xiàn)架高一些，以便增加視線(xiàn)距離。

圖1 超短波傳播方式

2.2 只有有限的繞射能力

無(wú)線(xiàn)電波有繞過(guò)它所碰到的障礙繼續(xù)傳播的能力，這種繞過(guò)障礙的現(xiàn)象就叫做繞射，如圖2所示。電波的繞射能力與其波長(zhǎng)有關(guān)，波長(zhǎng)越長(zhǎng)，繞過(guò)能力越強(qiáng)。對(duì)長(zhǎng)波來(lái)說(shuō)，繞過(guò)能力很強(qiáng)，很高的山峰也能繞過(guò)去；但對(duì)超短波來(lái)說(shuō)，地面上不大的凸起部分也會(huì)成為嚴(yán)重的障礙，當(dāng)遇到障礙物時(shí)，電波的能量一部分為障礙物所吸收，造成損失；一部分即行反射；只有剩下的一小部分能夠以較小的曲率繞過(guò)障礙物。因此，超短波的繞射能力遠(yuǎn)較長(zhǎng)波為差，只有有限的繞射能力。同時(shí)，在障礙物的后面造成很大的陰影區(qū)（就是電波不能到達(dá)的地方），所遭受的損失稱(chēng)為陰影損失。頻率越高，繞射能力越差，所能繞過(guò)的障礙物也越小，陰影損失也越大。經(jīng)驗(yàn)表明：當(dāng)電波在150 MHz以上時(shí)，繞射能力就非常弱了，幾乎只能沿著直線(xiàn)傳播。

圖2 超短波的繞射傳播方式

2.3 有效視線(xiàn)距離

一般都認(rèn)為超短波很近與光的特性，只能夠直線(xiàn)前進(jìn)，給定發(fā)射天線(xiàn)和接收天線(xiàn)高度H1、H2，當(dāng)H1、H2遠(yuǎn)小于地球半徑R(6370 km)時(shí)，則超短波的視線(xiàn)距離d也就為極限距離D，由此可以計(jì)算出視線(xiàn)距離d為：

當(dāng)標(biāo)準(zhǔn)大氣折射時(shí)，R近似為8500 km，視線(xiàn)距離將增加到：

2.4 傳播損耗

超短波傳播是不受電離層影響的。但當(dāng)氣候變化時(shí)，信號(hào)的大小也產(chǎn)生變化，這就是衰落現(xiàn)象。近距離的衰落現(xiàn)象較少；在遠(yuǎn)距離，衰落現(xiàn)象就不可避免。衰落現(xiàn)象與頻率有關(guān)，一般說(shuō)來(lái)，頻率越高，衰落現(xiàn)象越嚴(yán)重。自由空間電波基本傳輸損耗Lbf為：

由式（3）可以看出，傳輸損耗與頻率和距離的平方成正比，頻率越高，損耗越嚴(yán)重，距離越遠(yuǎn)，損耗越大。EgLi根據(jù)在不規(guī)則地形上所得到的大量數(shù)據(jù)，總結(jié)出如下計(jì)算電波傳輸損耗經(jīng)驗(yàn)公式：

式（4）中，LM為中值路徑損耗(dB)，f為載頻頻率(MHz)，hb為基地臺(tái)發(fā)信天線(xiàn)高度(m)，hm為移動(dòng)臺(tái)接收天線(xiàn)高度(m)，d為收、發(fā)天線(xiàn)之間的距離(km)，Kh為地形校正因子(dB)。

3 山區(qū)通信關(guān)鍵技術(shù)分析

3.1 定向天線(xiàn)技術(shù)

目前戰(zhàn)術(shù)超短波電臺(tái)主要使用全向天線(xiàn)，定向天線(xiàn)由于體積比較大，架設(shè)相對(duì)困難，移動(dòng)性較差，所以，很少使用。定向天線(xiàn)相對(duì)于全向天線(xiàn)，結(jié)構(gòu)要復(fù)雜的多，但具有相當(dāng)高的增益[3]，這對(duì)于山區(qū)遠(yuǎn)距離通信是一突出的優(yōu)勢(shì)，作為山區(qū)重要中繼節(jié)點(diǎn)使用是非常好的選擇。定向天線(xiàn)有面結(jié)構(gòu)和振子陣結(jié)構(gòu)，其中，對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)是一個(gè)很好的選擇，這里是指對(duì)數(shù)周期偶極子天線(xiàn)，它在一些離散的頻率間隔點(diǎn)上其結(jié)構(gòu)成比例，天線(xiàn)的特性隨頻率的對(duì)數(shù)做周期變化，對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)電壓駐波比小于 3，天線(xiàn)增益平均可達(dá)8 dBi以上。針對(duì)30～88 MHz的超短波對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，假設(shè)天線(xiàn)增益選擇為8.5 dBi，查設(shè)計(jì)手冊(cè)最佳設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的比例因子 τ和相鄰振子間的距離用間距因子σ值為，τ=0.822和σ=0.149，然后計(jì)算各參數(shù)得：頂角2α=33.3°；振子長(zhǎng)度l1=5 m、l2=4.11 m、l3=3.38 m、l4=2.77 m、l5=2.28 m、l6=1.87 m、l7=1.54 m；振子間隔d1=1.49 m、d2=1.22 m、d3=1 m、d4=0.82 m、d5=0.68 m、d6=0.56 m；d總=5.77 m?？梢?jiàn)30～88 MHz頻段的對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)展開(kāi)面積較大，長(zhǎng)度為5.77 m，高度為5 m，但增益很高，達(dá)到 8.5 dBi以上，比常規(guī)使用的中饋天線(xiàn)（-2 dBi）平均提高10 dB以上。

3.2 大功率技術(shù)

目前軍用大功率技術(shù)主要應(yīng)用于短波和微波頻段，功率可以達(dá)到kW、10 kW級(jí)以上，在戰(zhàn)術(shù)超短波頻段采用的發(fā)射功率都比較低，一般為50 W，而民用的大功率設(shè)備通常以固定基站模式，設(shè)備體積龐大，維護(hù)要求較高，無(wú)法滿(mǎn)足軍用車(chē)載式、機(jī)動(dòng)性要求。超短波大功率技術(shù)由于頻率相對(duì)較高，輸出功率大，對(duì)器件要求較高，隨著大功率MOS器件的發(fā)展，采用晶體管技術(shù)的全固態(tài)kW級(jí)超短波頻段發(fā)射機(jī)技術(shù)已經(jīng)成熟[5]，主要應(yīng)用于廣播電視、電子對(duì)抗和流星余跡通信等，在戰(zhàn)術(shù)超短波通信方面還沒(méi)有實(shí)際應(yīng)用，因此，從技術(shù)、成本、體積和干擾等幾方面綜合考慮，選擇設(shè)計(jì)500 W功率放大器。主要采用寬帶匹配、功率合成、功率回退、負(fù)反饋、自動(dòng)功率控制等技術(shù)輸出一種功率大、工作頻帶寬、帶內(nèi)增益波動(dòng)小、線(xiàn)性度高的超短波射頻功率放大器，最大輸出功率不小于 500 W。由此，通過(guò)把超短波功率放大器由50 W（47 dBm）提升到500 W（57 dBm）后，發(fā)射功率增益提高了10 dB。

3.3 網(wǎng)絡(luò)技術(shù)

對(duì)于戰(zhàn)術(shù)通信應(yīng)用場(chǎng)合，需要一種能夠隨機(jī)、快速自動(dòng)組網(wǎng)的移動(dòng)通信技術(shù)，Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)就是可以滿(mǎn)足這種特殊場(chǎng)合需求的新網(wǎng)絡(luò)技術(shù)[6-8]。Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)采用分布式、多跳、動(dòng)態(tài)拓?fù)浼夹g(shù)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)的自動(dòng)組織和運(yùn)行，稱(chēng)為自組織網(wǎng)絡(luò)（SON）。由于節(jié)點(diǎn)的移動(dòng)、隨時(shí)開(kāi)機(jī)和關(guān)機(jī)、發(fā)射功率的變化、無(wú)線(xiàn)干擾和地形等綜合因素的影響，節(jié)點(diǎn)間的網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是變化的，因此，通過(guò)采用動(dòng)態(tài)路由技術(shù)，交換路由信息，監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變化，定位目的節(jié)點(diǎn)位置，產(chǎn)生、維護(hù)和選擇路由，并根據(jù)選擇的路由轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)，提供網(wǎng)絡(luò)的連通性。因此，通過(guò)采用 Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)超短波電臺(tái)自動(dòng)中繼轉(zhuǎn)發(fā)和自動(dòng)組網(wǎng)能力，將遍布區(qū)域的移動(dòng)戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)成一個(gè)整體，從而擴(kuò)展和延伸通信距離，實(shí)現(xiàn)山區(qū)遠(yuǎn)距離通信的目標(biāo)。

3.4 空中平臺(tái)技術(shù)

空中平臺(tái)主要包括無(wú)人機(jī)、飛艇（或系留氣球）等[9-10]，提供超視距連接能力，通過(guò)不同類(lèi)型的升空平臺(tái)實(shí)現(xiàn)空中轉(zhuǎn)發(fā)，與地面網(wǎng)絡(luò)組成完整的天空地一體化的立體通信網(wǎng)絡(luò)，覆蓋整個(gè)戰(zhàn)場(chǎng)空間，其覆蓋范圍主要取決于平臺(tái)高度，隨平臺(tái)高度增加而擴(kuò)大。無(wú)人機(jī)的軍用價(jià)值已被各國(guó)公認(rèn)，具有機(jī)動(dòng)靈活、易于部署和控制的特點(diǎn)，用于戰(zhàn)場(chǎng)通信覆蓋和中繼具有高效低成本（相對(duì)衛(wèi)星）的優(yōu)勢(shì)。利用無(wú)人機(jī)可以進(jìn)行低空、中空和高空中繼通信。飛艇作為空中平臺(tái)，比無(wú)人機(jī)成本更加低廉，使用也更加方便，隨著技術(shù)的發(fā)展，在抗風(fēng)性能、安全性、姿態(tài)穩(wěn)定性、適應(yīng)性都大大提高，基本上能達(dá)到全天候飛行，具有方便快捷、經(jīng)濟(jì)實(shí)用、穩(wěn)定可靠、運(yùn)行成本低等突出優(yōu)勢(shì)，適合用于空中區(qū)域中繼。根據(jù)實(shí)際情況需求，以及成本、復(fù)雜性、隱蔽性等綜合考慮，可以靈活選擇無(wú)人機(jī)或飛艇，一般盡量選擇低空中繼平臺(tái)為宜，仍然可以提供100 km以上的通信覆蓋范圍。

超短波通信最大的問(wèn)題就是阻擋，而空中平臺(tái)徹底克服了這一障礙，實(shí)現(xiàn)了超短波直射波傳播的要求，是超短波電臺(tái)實(shí)現(xiàn)超視距、山區(qū)通信最有效的方法。但空中平臺(tái)技術(shù)也存在很多不確定性、欠缺性，受天氣影響較大，容易暴露目標(biāo)，相對(duì)地面設(shè)備來(lái)說(shuō)，復(fù)雜性高，成本高，穩(wěn)定性差，隱身性差，這些新問(wèn)題也都需要不斷完善，綜合考慮，機(jī)智應(yīng)用。

4 性能評(píng)估和分析

超短波電臺(tái)的傳輸能力與通信頻段、發(fā)射功率、接收靈敏度、天線(xiàn)增益和地形等因素都有關(guān)系，在復(fù)雜地形條件下，超短波的傳播損耗可以采用Egli模型計(jì)算，電波傳輸損耗由經(jīng)驗(yàn)公式（4）確定。資料表明，地形校正因子，既與測(cè)試點(diǎn)周?chē)匦纹骄鸱叨菻(m)有關(guān)，又與使用頻率有關(guān)，在公式中，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)周?chē)匦纹骄鸱叨菻(m)等于15 m時(shí)，K取0，當(dāng)測(cè)試點(diǎn)周?chē)匦纹骄鸱叨菻(m)大于或小于15 m時(shí)，則應(yīng)加地形校正因子。以下分析K值取0，收發(fā)天線(xiàn)兩端高度為15 m。

4.1 發(fā)射功率50 W、中饋天線(xiàn)

當(dāng)發(fā)射功率為50 W（47 dBm），選擇中饋天線(xiàn)增益為-2 dBi時(shí)，天線(xiàn)收發(fā)兩端合計(jì)增益為-4 dB，發(fā)射總增益為43 dB，由電波傳播損耗公式（4）計(jì)算可知，其30 km的中值路徑損耗預(yù)測(cè)30～88 MHz頻段分別在130～139 dB，到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為-87～-96 dBm，均高于接收靈敏度（-109 dBm），即通信距離可達(dá)到30 km。

4.2 發(fā)射功率500 W、定向天線(xiàn)

當(dāng)發(fā)射功率為500 W（57 dBm），定向天線(xiàn)選用對(duì)數(shù)周期天線(xiàn)，增益為8.5 dBi時(shí)，天線(xiàn)收發(fā)兩端合計(jì)增益為17 dB，發(fā)射總增益為74 dB，由電波傳播損耗公式（4）計(jì)算可知，其100 km的中值路徑損耗預(yù)測(cè)30～88 MHz頻段分別在151 dB至160 dB之間，到達(dá)接收點(diǎn)的信號(hào)強(qiáng)度為-77 dBm至-86 dBm，均高于接收靈敏度（-109 dBm），即通信距離可達(dá)到100 km。

從電波傳播損耗公式（4）中可以看出：傳播損耗與通信距離的關(guān)系是40·log(d)，即通信距離增加1倍，傳輸損耗增加12 dB；亦即在其它條件不變情況下，通過(guò)增加功率增益12 dB，通信距離可提高1倍?；谝陨蠑?shù)據(jù)分析，采用超短波500 W大功率技術(shù)和高性能定向天線(xiàn)技術(shù)可以大幅提高發(fā)射增益，發(fā)射增益提高可達(dá)31 dB，通信距離由30 km提高到100 km，通信距離提高3倍多，從而大幅提高了傳輸性能，是一種解決超短波電臺(tái)山區(qū)通信的有效方案。

5 結(jié)語(yǔ)

提出實(shí)現(xiàn)超短波遠(yuǎn)距離山區(qū)通信的四項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)和方案，通過(guò)高性能定向天線(xiàn)，發(fā)射增益平均可以提高17 dB以上，通過(guò)500 W大功率放大器，發(fā)射增益也提高10 dB，這樣，通過(guò)采用定向天線(xiàn)和大功率兩項(xiàng)技術(shù)，發(fā)射總增益可達(dá) 74 dB，通信距離達(dá)到 100 km，通信距離提高3倍多，實(shí)現(xiàn)了單跳大跨度遠(yuǎn)距離通信；通過(guò)運(yùn)用Ad-Hoc網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，可以構(gòu)建戰(zhàn)術(shù)電臺(tái)互聯(lián)網(wǎng)，通過(guò)單跳、多跳、迂回路由技術(shù)，實(shí)現(xiàn)自組織、分布式動(dòng)態(tài)組網(wǎng)，從而達(dá)到有效間接延伸通信距離的目的；通過(guò)空中平臺(tái)技術(shù)，可以實(shí)現(xiàn)更大的通信覆蓋，更好實(shí)現(xiàn)山區(qū)超視距通信?？傊?，通過(guò)這些技術(shù)有機(jī)結(jié)合和綜合應(yīng)用，通信距離可成倍提高，覆蓋范圍可加倍延伸，使網(wǎng)絡(luò)生存性大大提高，可以很好地解決超短波電臺(tái)遠(yuǎn)距離山區(qū)通信問(wèn)題。

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