短波天线原理与应用

1、 短波天线的原理和应用摘要：本文从电波传播和电离层分布特性的角度解释了短波电波辐射的特点，并介绍了常用短波天线的种类和特性。对各类短波天线的架设要求和注意事项给出了建议和参考。最后对短波天线的接地系统的设计给出了一些参考方案。关键词：天线、电离层、极化、接地1. 序无线电通信就是依赖于无线电电波在空间的传播而建立通信链路的,因此电波传播是无线电的一个重要环节。对于不同的工作频段，电波的传播特性将有所不同。同时所采用的辐射天线也将有很大的不同。本文将就电波的传播特性和短波常用天线以及电台架设的注意问题作一些介绍。 11 电离层特性 电波在空间传播将会受到电离层的影响，尤其是中短波的传播就是依赖于

2、电离层的反射进行传输的，因此对电离层应有一些了解。a） 电离层的产生地球表面有1000公里高的大气层，由于太阳光辐射（x射线，紫外线）空气不断电离同时不断复合，这样空气中将存在着游离的带电粒子；b） 带电粒子随高度增加而增加，在离地面较近的地方每立方米只有几个或几十个粒子，到接近1000公里时，每立方米将有上千或上万个带电粒子。因电离层一般按如下分层：C层 D层 E层 F1层 F2层 050kM 6090kM 100120kM 170220kM 225450kMc） 电离层在白天、黑夜，一年四季将会有不同的变化。白天由于有阳光，低层(D层)电离层浓度升高，反之黑夜时将降低。一年四季变化也是由于

3、因受阳光照射时间长或短而变化。d） 电离层在不断上下或水平运动，从而造成电波反射传播过程中的瑞利衰落和多普勒效应。e） 电离层具有非均匀分布性，类似云彩的特点，因而造成电波反射时的散射,多径时延。f） 电离层对电波的吸收随工作频率升高而减少。对中长波吸收很大，如1020kW的中波广播机覆盖面在100km左右，而1kW的短波可传送3000km。即频率愈高的中短波信号愈容易穿越低层(D层)的电离层。12 大地对电波的影响 大地对电波的影响主要是地波传播的影响，大地不能视为良导体也不能视为绝缘体，由于地质不同应区分对待。a） 对于如海水、淡水、湿地，对电波的吸收较小，但由于地面反射波与入射波有180

4、o相位差，将会吸收紧靠地面的电波，使波瓣抬高；b） 对于干燥地质对电波吸收会较大（主要对短波吸收）；c） 对于金属矿藏地质如铁矿地带，对电波吸收是非常大的，千万不要在这里设立电台（收发信台）；d） 总体看地面对电波都有一定的吸收，而且随频率愈高，吸收愈大，但地面对0.15MHz5MHz吸收较小。2 各波段电波传播21 中长波的电波传播 由于地面对中长波吸收较小，而电离层对中长波吸收很大，因此中、长波的电波传播主要以地波为主，在工作频率接近2MHz时，才有一部分以天波传播。 长波的波长达110km，其天线的体积非常庞大。 中波常用桅杆天线，容抗很高，而天线电阻很小只有210，电波以垂直极化传播。

5、 接收场强P 发射功率（瓦）h1 发射天线有效高度（m）h2 接收天线有效高度（m）r 与发射台站距离（m）K 视地面影响的系数22 短波电波传播 短波的电波传播有地波和天波传播，主要是天波传播，因此和电离层有紧密的联系。221 地波传播 地面对短波吸收较为严重，因此短波的地波传输距离都很短，而且工作频率在短波的低频段（ 5MHz）。 如在平原地带，20瓦电台（4米鞭天线）地波通信距离只在25km左右，100瓦电台地波通信距离约为4050km，200瓦电台约在5060km。 在海平面短波的地波传输可以远一些，如100瓦电台通信距离可达150km300km。222 短波的天波传播 短波之所以可以

6、远距离通信，得益于天波的传播。天波是靠电离层的反射而传播的。a) 盲区 在短波传播中,在工作频率固定,发送波瓣固定时,会出现地波达不到,天波也达不到的地段,接收机在这段地区将无法接收,这个地段称为盲区。盲区发信台收信台地波天波可接收地段高电离层低电离层发信台仰角抬高D层盲区的克服,改变工作频率或改变天线发送波瓣。注意:辐射仰角过高电波会不反射,频率愈高高仰角的电波会愈容易穿透电离层而不产生反射。b）随工作频率升高，电离层吸收减少，穿透电离层的高度也越高，传播距离也愈远。EDF1F2仰角f0f1f2f3f4f5f5 f4 f3 f2 f1 f0电离层 要进行远距离通信一般选用高一些的频率,同时压

7、低波瓣仰角。功作频率太高，尽管仰角不是过分高，但它将穿透电离层不产生反射。（地球电离层有一个低损耗的短波窗口，那就是22MHz左右的工作频率） 短波远距离通信传播路径设计： 1）短波一跳传输距离一般可考虑在3000km以内，电离层反射层一般考虑在E、F层，路径损耗要靠实验获得，同时接收地点的无线电噪声电平，如城市通常有2035V/m,农村515V/m。如北京到广州2450公里，白天路径损耗约280W，夜间损耗约180200W。这样才能保证接收方有10dBSINAD。2）短波的多跳传输在二十世纪七十年代以前,远程通信都是以短波为主.在洲际短波通信上就要考虑多跳传输。为减少损耗，地面反射点应选择在

8、海面或湖泊。北京上海太湖电离层发射接收如：C）电离层反射中的最佳频率传输 在过去短波通信中，只规定了23个白天或夜间的工作频率，由于电离层经常在变化（浓度、高低），短波通信的可靠性非常低。近年来自适应通信技术的发展，可以自动寻找最佳频率工作，使短波可通率有很大的提高。 由于电离层不断的“运动”电荷变化，使得某一频率传播路径中的吸收、散射情况也在不断变化。因此在某些时候，就会存在某段频率集所对应的传输路径上损耗最小，散射最小的情况，这一频率集就是这一传输路径的最佳信道。如天津到上海最佳频率上通信，只需10瓦功率，天津到乌鲁木齐最佳频率上通信只需60瓦功率。d）电离层变化对电波传输的影响和对策 电

9、离层变化对电波传输的影响主要有： 衰落-几次上百次/秒，变化100dB以上； 散射-造成衰落； 多径延时-造成码元模糊2ms4ms； 多普勒效应-频率偏移4Hz8Hz； 大气噪声干扰-降低信噪比。对策：1）针对衰落、散射加强接收机AGC设计（控制特性大于120dB以上，不同通信方式具有不同的放电常数）；不用或少用调幅方式；采用交织、分集等资料纠错。2）针对多径时延、多普勒效应降低传输波特率；调制器增加多普勒频偏纠正。3）降低大气噪声干扰影响采用功率自适应技术；提高天线方向性；提高接收机选择性和倒易混频等与抗干扰有关指针。23 超短波的电波传输 超短波段的波长已经在10m以下，电离层已不在进行反

10、射。而大地、建筑物对它有很大的吸收，所以超短波的电波只能直线或称视线传播。由于地球表面是一球面，因此当发射台站以50m高天线发射时，他传播距离应在半径50km左右圆周内。城市里的建筑物对它产生吸收和反射。 对于30MHz100MHz频段，除视线传播外，在地球表面C层电离层比较浓密时，地面和电离层之间视为“波导”，这时电波将会绕射传播，电波将会传输100多公里远。超短波亦常用于散射通信，即利用流星在大气中燃烧时产生的反射进行通信。3常用短波天线31 天线是接收和发送设备的重要组成部分，优良的天线可以节省数十倍的发射功率，又很好的净化电磁环境。 对于天线要了解以下几个基本概念： 偶极子元天线 点源

11、天线 天线增益 天线方向性 电波极化垂直极化、水平极化、椭圆极化 天线有效高度 天线阻抗 天线效率a） 元天线 元天线即偶极子天线，是一种基本辐射单元。dldlyxzxyz 向x-y面为圆天线辐射功率P 辐射电阻 b) 点源天线xyz 理想天线元,它的方向性为半径均匀的球形,辐射效率为100%。这种天线是不存在的，仅作为标准。C） 天线增益G 产生相等场强时，点源天线输入功率PoIN和某实际天线的输入功率PIN之比。或 方向性系数发射效率d) 方向性系数 D 以同等功率输入点源天线或某天线时产生的场强平方比元天线的方向系数D=1.5，单独方向性系数意义不大，主要是方向图。e）电波极化方向 电波

12、从天线辐射，有不同的极化方向（与天线有关），利用不同的极化方向可增加通信容量或躲避干扰。 以电场垂直于地面的为垂直极化，电场和地面平行的为水平极化。 短波电波经电离层反射后，由于电离层的不均匀性，通常要造成椭圆极化即垂直极化和水平极化都存在。ExEy椭圆极化E场水平极化极化E场垂直极化大地大地注：发射波为垂直极化，则接收也应垂直极化来接收，这才能得到最大的耦合电平。超短波电台应非常注意极化。f）天线有效高度 h 在估算场强时，经常采用天线有效高度作为天线高度。由于地面对高频电波有很大的吸收，尽管天线很长，但在地面上，接收和发射的效率仍然很低，当天线离开地面越高，接收场强将会随之线性增加。因此可

13、折算接收场强上增加的天线离地面的高度,即天线有效高度。原则上是的天线离地面高出一米可计入1米。g）天线阻抗（微波天线除外） 驻波天线如鞭天线、长线天线、44米双极天线，可以把它看成是开路线段，但由于它有电波辐射，有天线电流和功率输入，因而它是一个复杂的复合阻抗。感抗容抗天线的电阻并非辐射电阻，而是与辐射电阻和天线自身电阻，天线环境损耗，地面损耗有关的数值，所以测量天线阻抗都规定或标明环境条件。天线的电抗部分基本接近规律变化，但由于地形、地物和天线自身的结构，将会使天线电抗变化规律有所偏离。如谐振点会随轴左右移动，并联谐振时电抗并非无穷大等。宽带行波天线,具有固定输入阻抗的宽波段可使用天线。这些

14、天线如菱形天线、折合振子天线等。它们的阻抗在相当宽的频段内是固定的600或50，驻波比2.5。h）天线效率 对天波一般为。一般在设计天线时，自身热损都很小。主要考虑天线架设强度。因此使用的铜线、钢丝都比较粗，如软天线电缆线径4mm，拉拔力在60kg左右。32 短波常用天线321 常用短波天线的分类 一般可分为两大类：1） 窄带驻波天线天线阻抗随工作频率变化很大。2） 行波宽带天线天线阻抗在较宽的频带内变化很小，SWR12。什么是驻波比SWR（或称电压驻波比VSWR）？ VmaxVminZlVZ0ZlZlZ0V入+ V反V入- V反 若Zl=Z0时，线上电压为V Vmax=V（1+），Vmin=

15、V（1-）反射系数a)常用窄带驻波天线l 鞭天线1.8米、2.7米、4米、6米、10米l 桅杆天线（船用）6米、15米l T型，倒L型天线20米、40米、80米l 斜天线15米、20米l 双极天线44米、64米型天线l 螺旋天线鞭天线长度压缩型（D）提高天线阻抗,输入端配以可调电容来调谐天线。l 装车用环天线单环、双环等b)常用行波天线l 笼形天线l 菱形天线l 对数周期天线l 折合振子宽带天线l 加载偶极子宽带天线l 加载扇形宽带天线c)超高频常用天线l 对称振子天线l 八木天线l 对数天线l 天线（车载）l 螺旋天线（手持）322 鞭天线a)结构特点鞭天线相对于短波的波长都远小于,因此容抗

16、都比较大,为了减少容抗经常采用加顶方式,基本结构如下:加顶绝缘体固定座Eh大地镜像 对于1.8米、2.7米、4米鞭，常用于背负台，610米鞭用于固定台或车载。b)阻抗如4米鞭电阻为6（1.5MHz）200(24MHz),容抗约-j3000(低频)-j50(高频),对于更短的鞭天线如1.8米鞭,在1.5MHz时,容抗约-j6000-j7000,天线体越粗,电阻越均匀。c)极化垂直极化，适用于地波通信。d)方向性图 天线体3.2.3 斜天线a)结构特点 15米斜天线或20米斜天线,结构如下绝缘子L馈线带钢丝软天线1米固定杆 架设方便,一般半固定台站使用。这种天线相当于把鞭天线斜放。b)阻抗1.5M

17、Hz时,电阻约33,容抗约-j300;6.5MHz时,电阻约1000,感抗容抗约j3000其它频点的阻抗都在上述两点之间。c)极化水平极化和垂直极化都有。d）方向性图e) T形天线或倒L形天线可看成斜天线的一个变种或鞭天线加顶。阻抗比鞭天线均匀，容抗变小，同时增加了水平极化，对低频端增益可增加12dB,方向性比斜天线好。324 44米、64米型双极天线a) 结构特点 适合固定台站或半固定台站使用（战术用天线），这种天线价格低，架设容易。臂L=12米或22米绝缘子330mm600馈线，标准为10米长，可加长固定杆 天线体用带钢丝的软天线线缆43mm。天线拉紧后，中间的下垂一般小于1.5米。a)

18、极化：水平极化b) 阻抗变化剧烈I2I1等效电路通过但双变换器后，可以使阻抗变得均匀一些，有利于天调匹配。单双变换器一般采用4：1传输线变换器，电感控制在1020h即可。天调单双变换器双极天线I1I2325 装车天线单环、双环、三环天线 装车天线主要有利于运动通信使用，因此结构要牢固，有一定强度。力求有一定天线高度和全方向性。 天线体常用1520mm的铝管，离车体有0.5米1米高，构成单环、双环或三环天线。单环天线 谐振点在8MHz左右,RA=16k,XA=300;其它点RA非常低约810。jxf（MHz）400-300101223895001kRA（）f（MHz）8辐射/近场略低于4米鞭，水

19、平方向图近似于圆。8字形双环天线用16铝管，长17米弯成8字形，在离地2.7米高场强略高于4米鞭,高仰角辐射场强高于4米鞭约4.3dB。 INPUT 阻抗：fMHzRAXA ()22.3-396348.2-1835217+2708615+217k1078-35115181+65718333-850窄带的天线还有很多，如伸缩鞭天线、盘锥天线、单环天线。可调电容或电感变换器馈电2米138m123m10m馈电326 笼形天线 a) 结构特点812米高固定杆600馈线绝缘子渐变线（300600）2米12米1.52米300b) 在设计频段内以600馈送，工作拼频段一般在2倍频程。c) 方向性图：和形双极

20、天线一样，天线增益一般可达8。对数周期天线馈线渐变线）结构特点 与相差较好，相差较大时则波段内SWR波动大。根据工作频段设计振子数，如10MHz20MHz，则最少需6副振子，在有些地方，为减少天线体积，在振子上加电感进行压缩，但天线的增益相应也减少。压缩振子b) 一般对数周期天线的方向性是非常好的，最高增益可达到1521dB。可以根据地形架设天线，使波瓣压得较低以适合远距离通信。c) 方向性图xzxxyy3.2.7 折合振子宽带天线a) 结构特点单双变换 器1.5米12.5米绝缘子固定杆高频电缆馈线50匹配电阻b) 阻抗：50，在230MHz，可直接与50发射机相连用。c) 方向性与形双极天线

21、相同。d) 功率损失：3dB。3.2.8 加载偶极子宽带天线加载电阻高频电缆馈线5012米单双变换（宽带）a) 结构特点b) 类似折合振子天线性能，。329 加载扇形宽带天线加载电阻50 这种宽带天线一般用于船上，效率较低，调整较困难。3210 超高频常用天线a) 超高频常用天线一般有对称偶极子天线和鞭天线两类单一对称偶极子天线对数式天线三木天线对称偶极子天线天线螺旋天线鞭天线类a) 单一对称偶极子天线73平衡 300平衡折合振子c)三木天线源天线引向天线反射天线300平衡馈线优点：提高增益810dB,增加了工作带宽。极化方向反射振子或反射面有源天线80150mmd) 对数式天线相当于在三木天

22、线的基础上增加引向器，从而也提高了增益和工作带宽。e) 超高频、天线倒相器使各段同相位增益增加68dB1/40.8550馈线天线车载天线G=3dB天线f) 螺旋天线 为压缩长度,一般采用钢丝外套绝缘。4.短波发射机接地的处理41 对于中短波发射机，接地是非常重要的，接地在日常生活中也经常接触。一般认为相对为零电平的线即为“地线”，相对为零电平的面即为“地面”，如地球的地面，飞机的金属机架和金属船体等。 地，在不同地方和不同用途会有不同称呼，但大体可分为三类：a)动力地 动力电源的零线，电子线路的零电位线，有数字地和模拟地之分。b)安全地对人或设备起安全保障的地，人在地球表面上生活，经常把地面当

23、成安全地，常见的有避雷针地线，带电（市电）的地线等等。c)高频地这个地不是日常生活中的地，而是与正极性高频构成负极性的线或面，它不一定需要与动力地或安全地相连接。4.2 发射台站的动力地线 小功率发射台站电源一般使用市电单相220V,而大功率台站常采用三相380V。在采用三相的同时还会有使用单相的设备，这样动力地线将是很重要的，否则负载变化将会引起相电压变动，使三相失去平衡。零线ABBBC线电压380V相电压220V220V220V120oABC线电压= 相电压43 发射台站安全地阻流圈放电器大地天线放电装置接地柱 为了设备和人身安全，发射台站都要设置安全地线和避雷地线。电子设备为了电磁兼容需要，动力引线往往采用接地电容或滤波器消除外界干扰，以及减少设备干扰反馈倒动力线上。同时连接有较长的空间传输线或天线的设备，会感应到空间静电电荷或雷电电荷。这些电荷会产生很高的高压，很容易伤害人身或设备内器件。因此这些设备都需要设置放电装置以及接地柱，通过地柱连接到大地，保持设备外壳和大地同为零电位。如图所示天线放电装置。 安全接地地线和避雷地线要分开,接入大地的避雷地线电阻应小于510,并能承受2000A短瞬电流（200ms）。而安全地线承受功率可较小一些，但都应经久耐用，牢固。因此这些地线的结构尺寸都不能