地方通信关键技术解析

1超短波传播特性

1.1视距传播

在距发射天线数公里以外，地面波就很弱了，数十公里以上，地面波已经可以忽略不计了；地面反射波，地面略有凹凸不平或传播途中遇到任何障碍，都会对传播产生影响，因而不能够加以适当的利用。所以，超短波通信主要靠空间直射波，在低空大气层作视距传播。象光线一样，传播距离不仅受视距的限制，还要受高山和高大建筑物的影响。因此，要求天线架高一些，以便增加视线距离。

1.2只有有限的绕射能力

无线电波有绕过它所碰到的障碍继续传播的能力，这种绕过障碍的现象就叫做绕射，如图2所示。电波的绕射能力与其波长有关，波长越长，绕过能力越强。对长波来说，绕过能力很强，很高的山峰也能绕过去；但对超短波来说，地面上不大的凸起部分也会成为严重的障碍，当遇到障碍物时，电波的能量一部分为障碍物所吸收，造成损失；一部分即行反射；只有剩下的一小部分能够以较小的曲率绕过障碍物。因此，超短波的绕射能力远较长波为差，只有有限的绕射能力。同时，在障碍物的后面造成很大的阴影区（就是电波不能到达的地方），所遭受的损失称为阴影损失。频率越高，绕射能力越差，所能绕过的障碍物也越小，阴影损失也越大。经验表明：当电波在150MHz以上时，绕射能力就非常弱了，几乎只能沿着直线传播。

2山区通信关键技术分析

2.1定向天线技术

目前战术超短波电台主要使用全向天线，定向天线由于体积比较大，架设相对困难，移动性较差，所以，很少使用。定向天线相对于全向天线，结构要复杂的多，但具有相当高的增益[3]，这对于山区远距离通信是一突出的优势，作为山区重要中继节点使用是非常好的选择。定向天线有面结构和振子阵结构，其中，对数周期天线是一个很好的选择，这里是指对数周期偶极子天线，它在一些离散的频率间隔点上其结构成比例，天线的特性随频率的对数做周期变化，对数周期天线电压驻波比小于3，天线增益平均可达8dBi以上。针对30～88MHz的超短波对数周期天线，假设天线增益选择为8.5dBi，查设计手册最佳设计对应的比例因子τ和相邻振子间的距离用间距因子σ值为，τ=0.822和σ=0.149，然后计算各参数得：顶角2α=33.3°；振子长度l1=5m、l2=4.11m、l3=3.38m、l4=2.77m、l5=2.28m、l6=1.87m、l7=1.54m；振子间隔d1=1.49m、d2=1.22m、d3=1m、d4=0.82m、d5=0.68m、d6=0.56m；d总=5.77m。可见30～88MHz频段的对数周期天线展开面积较大，长度为5.77m，高度为5m，但增益很高，达到8.5dBi以上，比常规使用的中馈天线（-2dBi）平均提高10dB以上。

2.2大功率技术

目前军用大功率技术主要应用于短波和微波频段，功率可以达到kW、10kW级以上，在战术超短波频段采用的发射功率都比较低，一般为50W，而民用的大功率设备通常以固定基站模式，设备体积庞大，维护要求较高，无法满足军用车载式、机动性要求。超短波大功率技术由于频率相对较高，输出功率大，对器件要求较高，随着大功率MOS器件的发展，采用晶体管技术的全固态kW级超短波频段发射机技术已经成熟[5]，主要应用于广播电视、电子对抗和流星余迹通信等，在战术超短波通信方面还没有实际应用，因此，从技术、成本、体积和干扰等几方面综合考虑，选择设计500W功率放大器。主要采用宽带匹配、功率合成、功率回退、负反馈、自动功率控制等技术输出一种功率大、工作频带宽、带内增益波动小、线性度高的超短波射频功率放大器，最大输出功率不小于500W。由此，通过把超短波功率放大器由50W（47dBm）提升到500W（57dBm）后，发射功率增益提高了10dB。

2.3网络技术

对于战术通信应用场合，需要一种能够随机、快速自动组网的移动通信技术，Ad-Hoc网络技术就是可以满足这种特殊场合需求的新网络技术[6-8]。Ad-Hoc网络采用分布式、多跳、动态拓扑技术，实现网络的自动组织和运行，称为自组织网络（SON）。由于节点的移动、随时开机和关机、发射功率的变化、无线干扰和地形等综合因素的影响，节点间的网络拓扑结构是变化的，因此，通过采用动态路由技术，交换路由信息，监控网络拓扑结构变化，定位目的节点位置，产生、维护和选择路由，并根据选择的路由转发数据，提供网络的连通性。因此，通过采用Ad-Hoc网络技术，可以实现超短波电台自动中继转发和自动组网能力，将遍布区域的移动战术电台互联成一个整体，从而扩展和延伸通信距离，实现山区远距离通信的目标。

2.4空中平台技术

空中平台主要包括无人机、飞艇（或系留气球）等[9-10]，提供超视距连接能力，通过不同类型的升空平台实现空中转发，与地面网络组成完整的天空地一体化的立体通信网络，覆盖整个战场空间，其覆盖范围主要取决于平台高度，随平台高度增加而扩大。无人机的军用价值已被各国公认，具有机动灵活、易于部署和控制的特点，用于战场通信覆盖和中继具有高效低成本（相对卫星）的优势。利用无人机可以进行低空、中空和高空中继通信。飞艇作为空中平台，比无人机成本更加低廉，使用也更加方便，随着技术的发展，在抗风性能、安全性、姿态稳定性、适应性都大大提高，基本上能达到全天候飞行，具有方便快捷、经济实用、稳定可靠、运行成本低等突出优势，适合用于空中区域中继。根据实际情况需求，以及成本、复杂性、隐蔽性等综合考虑，可以灵活选择无人机或飞艇，一般尽量选择低空中继平台为宜，仍然可以提供100km以上的通信覆盖范围。超短波通信最大的问题就是阻挡，而空中平台彻底克服了这一障碍，实现了超短波直射波传播的要求，是超短波电台实现超视距、山区通信最有效的方法。但空中平台技术也存在很多不确定性、欠缺性，受天气影响较大，容易暴露目标，相对地面设备来说，复杂性高，成本高，稳定性差，隐身性差，这些新问题也都需要不断完善，综合考虑，机智应用。

3性能评估和分析

超短波电台的传输能力与通信频段、发射功率、接收灵敏度、天线增益和地形等因素都有关系，在复杂地形条件下，超短波的传播损耗可以采用Egli模型计算，电波传输损耗由经验公式（4）确定。资料表明，地形校正因子，既与测试点周围地形平均起伏高度H(m)有关，又与使用频率有关，在公式中，当测试点周围地形平均起伏高度H(m)等于15m时，K取0，当测试点周围地形平均起伏高度H(m)大于或小于15m时，则应加地形校正因子。以下分析K值取0，收发天线两端高度为15m。

3.1发射功率

50W、中馈天线当发射功率为50W（47dBm），选择中馈天线增益为-2dBi时，天线收发两端合计增益为-4dB，发射总增益为43dB，由电波传播损耗公式（4）计算可知，其30km的中值路径损耗预测30～88MHz频段分别在130～139dB，到达接收点的信号强度为-87～-96dBm，均高于接收灵敏度（-109dBm），即通信距离可达到30km。

3.2发射功率

500W、定向天线当发射功率为500W（57dBm），定向天线选用对数周期天线，增益为8.5dBi时，天线收发两端合计增益为17dB，发射总增益为74dB，由电波传播损耗公式（4）计算可知，其100km的中值路径损耗预测30～88MHz频段分别在151dB至160dB之间，到达接收点的信号强度为-77dBm至-86dBm，均高于接收灵敏度（-109dBm），即通信距离可达到100km。从电波传播损耗公式（4）中可以看出：传播损耗与通信距离的关系是40•log(d)，即通信距离增加1倍，传输损耗增加12dB；亦即在其它条件不变情况下，通过增加功率增益12dB，通信距离可提高1倍。基于以上数据分析，采用超短波500W大功率技术和高性能定向天线技术可以大幅提高发射增益，发射增益提高可达31dB，通信距离由30km提高到100km，通信距离提高3倍多，从而大幅提高了传输性能，是一种解决超短波电台山区通信的有效方案。

4结语

提出实现超短波远距离山区通信的四项关键技术和方案，通过高性能定向天线，发射增益平均可以提高17dB以上，通过500W大功率放大器，发射增益也提高10dB，这样，通过采用定向天线和大功率两项技术，发射总增益可达74dB，通信距离达到100km，通信距离提高3倍多，实现了单跳大跨度远距离通信；通过运用Ad-Hoc网络技术，可以构建战术电台互联网，通过单跳、多跳、迂回路由技术，实现自组织、分布式动态组网，从而达到有效间接延伸通信距离的目的；通过空中平台技术，可以实现更大的通信覆盖，更好实现山区超视距通信。总之，通过这些技术有机结合和综合应用，通信距离可成倍提高，覆盖范围可加倍延伸，使网络生存性大大提高，可以很好地解决超短波电台远距离山区通信问题。

作者：金红军 单位：中国电子科技集团公司第五十研究所