金红军

（中国电子科技集团公司第五十研究所,上海 200063）

0 引言

超短波也称“米波”，指波长从1～10 m，相应的频率从30～300 MHz的无线电波段[1-2]。整个超短波的频带宽度有270 MHz，是短波频带宽度的10倍，由于频带较宽，广泛应用于电视、广播、雷达、导航、移动通信和战术通信。超短波山区通信，碰到最多的问题就是山体阻挡，使收发不可视，这时通信要靠电波的绕射能力，当然绕射损耗是很大的，只有在超短波的低频段才可利用绕射通信，一般球面地上的绕射损耗要比山峰的绕射损耗大得多，随障碍屏高度增加绕射损耗迅速增大。战术超短波电台一般工作在30～88 MHz，以视线传播为主，当发射功率50 W、传输速率16 kb/s时，平原通信距离单跳可达 30 km；当遇到崇山峻岭（在山区）、建筑物等阻挡时，通信距离则明显下降，严重时可能导致通信中断，这就要求超短波电台要具有山区通信的能力。

如何进一步提升超短波电台的山区通信能力呢？在接收灵敏度性能不变的情况下，从系统的角度可以从三个方面考虑，第一，提高发射增益；第二，降低传输损耗；第三，采用网络技术。发射增益与发射功率、天线有直接关系，直接增大发射功率，发射增益就会直接提高，目前战术超短波电台的发射功率一般在几瓦到几十瓦之间，比如增大发射功率，则发射增益也增大；天线增益越高，发射增益也越高，因此，通过提高发射功率和天线增益，可以提高发射增益。传输损耗一般与频率和天线架设高度有关，频率越低，传输损耗越小，频率越高，传输损耗越大；天线架设越高，传输损耗越小，天线架设越低，传输损耗越大，因此，通过选择低频段和架设高天线，可以降低传输损耗。网络技术也是一种重要手段，通过多跳、迂回路由等技术，可以有效间接避免山体阻挡，延伸通信距离，这种方式容易被人忽视或很少采用，但实际上是一种简单、行之有效的方法。

1 山区通信存在的主要问题

山区通信的技术特点是：山区部署、链状分布、移动后可快速部署，要求“山中通”的能力；梯队行进间，要保持通信联络，要求“动中通”的能力；作战区域受到敌方干扰，包括山区可能的空投干扰，要求“抗中通”能力。这些特点就给山区通信带来了很大困难，主要问题是：

1）山中通能力差，遇到高山阻挡，通信性能大幅下降。

2）动中通能力差，在移动过程中，网络拓扑结构发生变化，系统适应能力差。

3）抗中通能力差，干扰源主要是敌方空投，工业环境或自身干扰，系统适应能力差。

4）传输速率低，反应时间长，连续工作能力差。

这些问题正在逐步得到解决或改善，但在山中通问题上仍然比较突出，需要进行体系适应性构建，通过采用一些新技术、新方法来化解这些问题，从而全面提升山区通信性能。

2 超短波传播特性

2.1 视距传播

超短波在传输特性上与短波有很大差别，由于频率较高，发射的天波一般将穿透电离层射向太空，而不能被电离层反射回地面，主要靠空间直射波、地面波和地面反射波3种方式传播[3-4]，如图1所示。地面波沿地面衰减极快，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。

图1 超短波传播方式

2.2 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150 MHz以上时，绕射能力就非常弱了，几乎只能沿着直线传播。

图2 超短波的绕射传播方式

2.3 有效视线距离

一般都认为超短波很近与光的特性，只能够直线前进，给定发射天线和接收天线高度H1、H2，当H1、H2远小于地球半径R(6370 km)时，则超短波的视线距离d也就为极限距离D，由此可以计算出视线距离d为：

当标准大气折射时，R近似为8500 km，视线距离将增加到：

2.4 传播损耗

超短波传播是不受电离层影响的。但当气候变化时，信号的大小也产生变化，这就是衰落现象。近距离的衰落现象较少；在远距离，衰落现象就不可避免。衰落现象与频率有关，一般说来，频率越高，衰落现象越严重。自由空间电波基本传输损耗Lbf为：

由式（3）可以看出，传输损耗与频率和距离的平方成正比，频率越高，损耗越严重，距离越远，损耗越大。EgLi根据在不规则地形上所得到的大量数据，总结出如下计算电波传输损耗经验公式：

式（4）中，LM为中值路径损耗(dB)，f为载频频率(MHz)，hb为基地台发信天线高度(m)，hm为移动台接收天线高度(m)，d为收、发天线之间的距离(km)，Kh为地形校正因子(dB)。

3 山区通信关键技术分析

3.1 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8 dBi以上。针对30～88 MHz的超短波对数周期天线，假设天线增益选择为8.5 dBi，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=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；振子间隔d1=1.49 m、d2=1.22 m、d3=1 m、d4=0.82 m、d5=0.68 m、d6=0.56 m；d总=5.77 m。可见30～88 MHz频段的对数周期天线展开面积较大，长度为5.77 m，高度为5 m，但增益很高，达到 8.5 dBi以上，比常规使用的中馈天线（-2 dBi）平均提高10 dB以上。

3.2 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、10 kW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50 W，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500 W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 500 W。由此，通过把超短波功率放大器由50 W（47 dBm）提升到500 W（57 dBm）后，发射功率增益提高了10 dB。

3.3 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。

3.4 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100 km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。

4 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15 m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15 m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15 m。

4.1 发射功率50 W、中馈天线

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

4.2 发射功率500 W、定向天线

当发射功率为500 W（57 dBm），定向天线选用对数周期天线，增益为8.5 dBi时，天线收发两端合计增益为17 dB，发射总增益为74 dB，由电波传播损耗公式（4）计算可知，其100 km的中值路径损耗预测30～88 MHz频段分别在151 dB至160 dB之间，到达接收点的信号强度为-77 dBm至-86 dBm，均高于接收灵敏度（-109 dBm），即通信距离可达到100 km。

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12 dB；亦即在其它条件不变情况下，通过增加功率增益12 dB，通信距离可提高1倍。基于以上数据分析，采用超短波500 W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31 dB，通信距离由30 km提高到100 km，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。

5 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17 dB以上，通过500 W大功率放大器，发射增益也提高10 dB，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 74 dB，通信距离达到 100 km，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。

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