通信对抗中超短波通信传播特点

1引言

环境是影响电波传播的主要因素,随着人们研究电波传播特性的深入,许多通信专家和学者们纷纷开始研究山峰、建筑物、树林等障碍物对无线电波传播的影响[1~2,6~7]。目前,针对城市建筑物对无线电波传播的影响的研究已经基本成熟,但是由于树林本身的随机性,到目前为止还没有一种比较简单有效且能准确计算树林中电波传播路径损耗的模型可供使用[6,8,11]。在通信对抗试验中,建立通信链路的试验外场基本为郊区、开阔区和林区,其环境特点是公路发达,两侧树木林立。大家都知道,电波的波长比树木要小,信道特征极大地受到树木的影响,所以研究树林对电波传播的影响有着十分重要的意义[2,5,8]。本文主要以公路两侧护林带这种环境条件为基础,根据大量的实际测试数据,分析通信对抗试验中常用的超短波频段(30~400MHz)树林引起的电波传播附加损耗。

2针对树林的专项测试

从上世纪60年代开始,美国国防部开始对树林中无线电波损耗进行了研究,理论上和试验中都获得了一定的成果,之后各国电波传播研究人员进行了长期的持续性的继承和发展,目前主要有四种方法,即采用实际测量的方法、采用等效处理的方法、采用散射场的分析方法求解和运用分形理论求解,其中采用实际测量的方法比较准确。本文即是采用此种方法分析郊区树林对超短波电波传播损耗的影响[3,7,9~10]。在进行通信对抗试验任务时,通信链路上都会有公路贯穿其中,而公路两边均分布着30m以上宽度不等的林带,由于树林的吸收或绕射作用能造成一定程度的电波传播损耗,为分析超短波经过树林时的衰减情况,我们对树林引起的传播损耗进行了专项测试。

2.1测试方法

超短波传播距离一般为三、四十公里,通信链路中1~2片树林贯穿通信链路的情况普遍存在,根据这种实际情况,选取图1所示的树林进行专项测试。图1中,AB、AC、AD链路分别为经过空旷地、经过一片树林、两片树林的不同情况,发端位于A点,收端分别处于B、C、D点位,AB链路距离0.88km,AC链路距离1.1km,AD链路距离1.24km,除树林外,链路中间主要为麦田,两片树林之间是一条公路,其中树林中的树木均高约15~18m,树林一为沿公路平行的13排树木,宽度为36.4m,树林二为沿公路平行的12排树木,宽度为35m。两边树木主要为杨树,两排树间距为2.6m。测试时为春末夏初,树叶已经长出但未达到最茂盛时的状态,根据一些文献研究内容,雨天会增加树林对超短波电波传播的衰减,所以测试时选择了晴天以减少可能出现的附加误差。针对超短波30~400MHz常用频段进行测试,由于87~110MHz为无线广播信号所用频段,故测试分为两个频段,即30~88MHz和120~400MHz,每个频段中都各选择了6个频点,30~88MHz频段内,收发天线均为鞭天线,120~400MHz频段内,收发端天线分别为对数周期天线和马刀天线。

2.2测试现象

将测试的数据进行处理,可得到无线电波经过郊区林带时的变化,下面以天线高度为8m时测得的数据为例来说明传播损耗随频率的变化趋势。图2所示为测试得到的三条链路总传播损耗随频率变化曲线。图3所示为树林引起的电波传播附加损耗曲线图。由于测试时120MHz以上频率使用不同的收发系统,导致测得的结果在该频点有个拐点。从图2和图3可以看出,AB、AC、AD三条链路总的传播损耗与频率的变化关系比较一致,且随着频率的增加,树林引起的电波传播附加损耗逐渐减小。

3建立树林的电波传播损耗模型

通过树林模型的路径损耗的通用公式为[4,12]:L树林=AfBdC(1)式中f为工作频率,单位MHz,d为树林的厚度,将损耗用分贝表示L树林(dB)=20lgA+20Blgf+20Clgd(2)下面通过实测数据分别确定A、B、C的值。测试在一条东西走向的公路的两侧进行,路的北侧是一片宽为8棵树约20m的杨树林,路的南侧是一片宽为12棵树约30m的杨树林,测试时将发射设备放置在离公路大概1km的位置,接收设备分别位于路的北边(不经过树林),路的中间(经过一片树林)和路的南边(经过两片树林)进行三次测试,每次测试都进行天线高度的变化和天线位置的微小变化。使用最小二乘法计算的树林附加损耗随着频率变化的指数值为-0.844,与只过一片林地的数据比较接近,二者取均值后得到B=-0.815。此时L树林=Af-0.815dC经过带入计算后得到A=36,C=0.678。所以L树林=36f-0.815d0.678(3)式中f单位为MHz,d单位为m。

将过一片树林和过两片树林的两条曲线进行对比如图4所示,从图中看出随着频率的变化树林带来的附加损耗有着相同的变化趋势,呈现逐渐减少的趋势。经过数据处理后得到该片树林的电波传播损耗随着树林厚度d的变化。可以看出随着频率的上升附加损耗逐渐减少,在30~80MHz频段测得的损耗比自由空间损耗大的多,而在120~400MHz频段内,电波的传播损耗与自由空间损耗较为接近。分别将经过树林1和2的实际测试值与式(3)预测的无线电波传播损耗残差进行比较,如图5所示。从图5可以看出,总体上残差均在10dB以下,计算得到其残差均方差为4.78dB,能够满足预测超短波电波传播损耗时所需的精度。

4结语

树林对电波传播损耗有一定的影响,本文采用实际测试法,对郊区公路两侧的护林带引起的超短波电波传播附加损耗进行了测试和分析,建立了吻合度较高的树林中超短波电波传播模型。但是由于通信对抗试验外场中树林分布不规则,疏密程度各不相同,如何进行分类,以便获得能广泛应用的树林电波损耗的模型是我们下一步研究的重点。