談談近距離盲區和無盲區天線

ID:76299 · 發表于 2015-4-7 02:37

一、短波近距離盲區的概念
　　短波近距離盲區已經不是新鮮話題了，很多愛好者和使用單位常遇到盲區問題，但是不清楚怎樣解決。撰寫本文的目的，一是澄清對盲區的認識，二是介紹解決盲區的方法。
　　短波近距離盲區是指地波傳播終點與天波最近落地點之間的一段難于通信的區域，根據不同地況，大約在10公里至100公里之間。這段距離是軍事或民用通信非常重要的區域，例如人民防空、抗震抗洪、森林防火等，都是圍繞城市或者是圍繞野外指揮中心開展通信保障。因此，短波臺站在近距離盲區內能通得上，是很多用戶的迫切要求。
　　盲區是怎樣產生的
　　下面以短波車載通信使用最多的鞭天線為例說明盲區原理。

　　從鞭天線的方向圖可以看出它在高仰角方向幾乎沒有輻射，對電離層的入射角基本是在70°以下。這種輻射角度適合中遠距離通信。由于高仰角方向幾乎無輻射，天波第一跳落地就到了一百公里之外，一百公里以內無天波信號。
　　另一方面，短波地波傳播由于陸地地面的吸收而逐漸減弱，到十多公里就沒有了。顯然在十多公里至一百公里之間出現了盲區。
　　地波傳播距離與地面電導率有直接關系，上面講的十多公里主要指我國北方地區，南方地區水網密集，地面潮濕，地波傳播遠一些，大約可達20~40公里，因此盲區范圍比北方小。最好的是海面，由于電導率很高，地波沿海面可傳播上百海里，因此船對船通信不存在盲區。但是如果岸臺距離海邊較遠，船對岸通信還會有盲區。
　　由上可見，盲區與天線類型和地理條件二者密切相關，其中天線是核心問題。考慮到延長地波距離很困難，從這個意義上可以認為主要是某些天線的“輻射仰角盲區”造成了通信盲區。
　　此外，特定天線的輻射仰角在不同頻率和不同架設情況下有很大差異，這兩項也是影響盲區的重要因素。
　　根據短波盲區的形成原理，實現無盲區通信的最佳途徑是國外所說的NVIS（Near Vertical Incidence Skywave）傳播，意即：天波高仰角入射。目的是縮短天波第一跳反射的落地距離。

　　順便說一句，短波車載鞭天線，無論是誰家制造，無論怎樣變形改造，都無法實現有效的NVIS傳播，因此不可能消除盲區。鞭天線向車頂拉彎可以微量增加天波垂直入射，但對盲區通信的改善并不明顯。宣傳鞭天線能消除盲區是誤導用戶。
　　不僅僅是鞭天線，多數短波車載天線沒有高仰角輻射，都有盲區。某些基站天線也存在盲區問題。

二、解決盲區用什么天線
1．基站無盲區天線
　　粗略而言，地波類短波天線主要產生中低仰角輻射，天波類短波天線架設高度合適能夠產生高仰角輻射，因此無盲區基站天線首先要選擇天波類天線。典型的天波類基站天線包括三線式天線、帳篷形天線、三角組合全向全角天線等，無盲區基站天線的選擇余地較大。
　　以下重點介紹性能和價格綜合優勢很好的三線式天線。這種天線在上世紀九十年代中期由我公司引進國內，最初是德國和澳大利亞幾個廠家生產，此后包括我公司在內的一些企業也開始生產三線天線。這種天線近年來在軍隊和地方呈現普及之勢，被視為普通雙極寬帶天線和籠形天線的升級換代產品。
　　三線天線的優勢是：通信仰角全面，兼顧全向和定向，輻射效率高，可以選擇平拉或倒V架設，架設狀態平穩，價格比較便宜等。本文重點介紹它在消除盲區方面的特性。

　　三線天線占地不算大，其中倒Ｖ架設占地更小。以我公司生產的AB230系列三線天線為例，30米振子架高12米時落地長度約18米，25米振子架高10米時落地長度約16米，適合較小場地。

　　頻率選擇方面，平拉架設時用9MHz以下，在高仰角方向呈現全向特征，隨著頻率提高，高仰角方向圖逐漸減弱，方向性漸強；倒V架設時用12MHz以下，在中仰角至高仰角方向都呈現全向特征。由此可見，三線天線無論平拉或倒V架設，都可以理想地實現近距離無盲區。一般來說，平拉主要用于1000公里以上遠距離定向通信，兼顧近距離通信；倒V主要用于0~1000公里全向通信。

2．無盲區野外快速寬帶天線
　　愛好者和野外工作人員，用一副簡單的AP20型寬帶快速天線就能夠實現0~1000公里無盲區通信。詳閱《現代通信》雜志第二期的文章。AP20天線分為個人攜帶型和車載備用型兩種，可以根據需要選配。

3．無盲區車載天線
　　車載無盲區動中通的難度最大。這是因為車上無法安裝大型天波天線，而且天線常常不能按照技術要求架設。
　　對于多數車輛來說，動中通只能采用高能半環天線，下面將重點介紹。還有幾種大型車載無盲區天線（例如柵格天線）也能實現NVIS傳播，但只能用于大型專用車輛，這里就不介紹了。

三、ML-91半環無盲區車載天線

　　ML-91是目前國際上高能半環天線的代表產品，屬于單體電磁環天線，因為天線環的外觀像半個環形，故稱為半環天線。
　　高能半環天線包含“半環”和“高能”兩個概念，半環形態提供天波垂直入射條件，高能則是通過特殊調諧裝置在天線環上產生特定頻點的高頻電流峰值，二者缺少任何一個，都不能實現NVIS傳播。

　　半環天線體
　　半環天線本體由一副行李架狀的鋁合金基架和與之垂直的鋁合金半環構成一個完整的閉合環，電磁波圍繞天線環輻射，并借助基架強化垂直輻射，在高仰角和中仰角區域（90°~40°）形成對空“噴涌”狀的方向圖，天波反射回到地面后，完全覆蓋半徑500公里的全部區域，當然也覆蓋了100公里內的區域。

　　
　　特殊調諧裝置
　　ML-91天線的調諧方式是在天線環路上串接一個特殊的大功率調諧器，以微處理器檢測特定頻點的高頻電流值，控制調諧器進行精確調諧，使半環振子產生高頻電流峰值，獲得最大的天波入射能量。
　　近兩年出現了仿制的半環天線，外觀與ML-91近似。這些仿制半環天線的天調都是通過檢測電壓駐波比（VSWR）實現阻抗匹配，然而駐波比最小不等于電流達到峰值，就是說沒有實現“高能”，因此這些天線的盲區通信效果比鞭天線沒有明顯改善。
　　我們曾經在30~60公里內試用數字化天調（檢測駐波比）替代ML-91的原配天調，當駐波比達到1.1:1以下極理想狀態時，幾乎不能通信。然后換回ML-91原配天調，信號立刻達到4級以上。多次類似試驗非常清楚地說明了“高能”對于半環天線的意義。
　　區分半環天線是否高能其實很簡單，看一下天線標稱的頻率范圍，如果標稱2~30MHz，肯定用的是電壓檢測式天調。ML-91天線的調諧頻率最高到12.6MHz，這是電路原理限制使然。但這個頻率范圍已經完全滿足0~1000公里的通信要求。實際上超過13MHz的垂直入射天波大部分會穿透電離層，很少返回地面。

　　除了克服盲區，ML-91天線還有以下特點：
　　a. 即時可用頻段很寬
　　一般短波車載天線受電離層高度變化的影響很大，故在特定時間、天候、距離等條件下，即時可用頻段一般只有0.5~1MHz。ML-91天線因為是高仰角輻射，受電離層高度變化的影響很小，即時可用頻段達4~5MHz，頻段內每個頻點都可以正常通信，而且日頻夜頻差別不大（使用其它天線，日夜頻約相差一半），因此不必為選頻傷腦筋。
　　b. 隔絕了車體噪聲
　　常見短波車載天線的天調，其接地線都必須導通連接車體，導致車體的各種噪聲源饋入電臺，例如汽車發電機、點火和電控裝置、風扇、空調、電子和通信設備的噪聲，以及機械振動和摩擦噪聲等。這些噪聲源惡化了通信背景。
　　ML-91天線與車體絕緣，屬于“懸浮安裝”，因此完全隔絕了車體噪聲源，信號背景非常干凈。
　　c. 接收信號上佳
　　ML-91天線的接收質量明顯優于其它車載天線。這是因為，多數車載天線的調諧裝置串接天線與電臺之間，而且射頻引線靠近車體，對接收信號造成衰減。ML-91天線的調諧裝置位于天線環路中間，對信號無衰減，此外半環振子和基架作為接收載體，接收表面積比鞭天線大得多。實際收聽信號清晰悅耳。
　　d. 廣泛的極化適應性
　　ML-91天線可以同任何種類任何極化方式的天線良好對通，包括常用的三線、籠形、雙極等基站天線，鞭狀、環狀車載天線等。
　　e. 電臺不需要大功率
　　短波車載通信為了彌補天線的不足，都要求電臺發射功率不低于100W。而ML-91天線只需電臺提供30W~50W功率，信號就可以達到3級以上。

　　ML-91半環天線的實際通信效果
　　最近五六年時間，我們組織或參與了很多次ML-91天線在不同地點各種地況下的實通，并參照很多使用單位反饋的情況，對ML-91天線的實通效果總括如下：
　　0~500公里為ML-91天線的高仰角通信區域，此區域內無方向性，信號在100公里內通常3級以上，100~500公里通常4級以上。
　　500~1000公里之間，ML-91天線有弱方向性，順環方向輻射強，但實通中方向感并不明顯。
　　車輛時速120公里，ML-91天線通信正常。
　　基站對ML-91車臺之間，以及安裝ML-91天線的車輛之間，保持不間斷運動中通信。
　　以我公司在2007年進行的一次地域最廣的實通測試為例，從北京出發經石家莊、太原、西安、寶雞，經秦嶺進成都，返程經重慶及湖北、河南、河北省返回北京，全程無論晝夜，信號從未低于3級，多數時間保持4級以上。

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