短波电台通信原理.docx

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短波电台通信原理

短波电台通信原理

短波电台通信原理

尽管当前新型无线电通信系统不断涌现，短波这一古老和传统的通信方式仍然受到全世界普遍重视，不仅没有被淘太，还在快速发展。

其原因主要有三：

一、短波是唯一不受网络枢钮和有源中继体制约的远程通信手段，一但发生战争或灾害，各种通信网络都可能受到破坏，卫星也可能受到攻击。

无论哪种通信方式，其抗毁能力和自主通信能力与短波无可相比； 

二、在山区、戈壁、海洋等地区，超短波覆盖不到，主要依靠短波； 

三、与卫星通信相比，短波通信不用支付话费，运行成本低。

　　近年来，短波通信技术在世界范围内获得了长足进步。

这些技术成果理应被中国这样的短波通信大国所用。

用现代化的短波设备改造和充实我国各个重要领域的无线通信网，使之更加先进和有效，满足新时代各项工作的需要，无疑是非常有意义的。

　　这里简要介绍短波通信的一般概念，优化短波通信的经验，以及一些热门的新技术。

1、短波通信的一般原理 

1.1.无线电波传播 

　　无线电广播、无线电通信、卫星、雷达等都依靠无线电波的传播来实现。

　　无线电波一般指波长由100,000米到0.75毫米的电磁波。

根据电磁波传播的特性，又分为超长波、长波、中波、短波、超短波等若干波段，其中：

超长波的波长为100,000米~10,000米，频率3~30千赫；长波的波长为10,000米~1,000米，频率30~300千赫；中波的波长为1,000米~100米，频率300千赫~1.6兆赫；短波的波长为100米~10米，频率为1.6~30兆赫；超短波的波长为10米~1毫米，频率为30~300,000兆赫（注：

波长在1米以下的超短波又称为微波）。

频率与波长的关系为：

频率=光速／波长。

　　电波在各种媒介质及其分界面上传播的过程中，由于反射、折射、散射及绕射，其传播方向经历各种变化，由于扩散和媒介质的吸收，其场强不断减弱。

为使接收点有足够的场强，必须掌握电波传播的途径、特点和规律，才能达到良好的通信效果。

常见的传播方式有：

地波（地表面波）传播 

　　沿大地与空气的分界面传播的电波叫地表面波，简称地波。

地波的传播途径如图1.1所示。

其传播途径主要取决于地面的电特性。

地波在传播过程中，由于能量逐渐被大地吸收，很快减弱（波长越短，减弱越快），因而传播距离不远。

但地波不受气候影响，可靠性高。

超长波、长波、中波无线电信号，都是利用地波传播的。

短波近距离通信也利用地波传播。

直射波传播 

　　直射波又称为空间波，是由发射点从空间直线传播到接收点的无线电波。

直射波传播距离一般限于视距范围。

在传播过程中，它的强度衰减较慢，超短波和微波通信就是利用直射波传播的。

　　在地面进行直射波通信，其接收点的场强由两路组成：

一路由发射天线直达接收天线，另一路由地面反射后到达接收天线，如果天线高度和方向架设不当，容易造成相互干扰（例如电视的重影）。

　　限制直射波通信距离的因素主要是地球表面弧度和山地、楼房等障碍物，因此超短波和微波天线要求尽量高架。

天波传播 

　　天波是由天线向高空辐射的电磁波遇到大气电离层折射后返回地面的无线电波。

电离层只对短波波段的电磁波产生反射作用，因此天波传播主要用于短波远距离通信。

散射传播 

　　散射传播是由天线辐射出去的电磁波投射到低空大气层或电离层中不均匀介质时产生散射，其中一部份到达接收点。

散射传播距离远，但是效率低，不易操作，使用并不广泛。

1.2电离层的作用 

　　电离层对短波通信起着主要作用，因此是我们研究的重点。

　　电离层是指从距地面大约60公里到2000公里处于电离状态的高空大气层。

上疏下密的高空大气层，在太阳紫外线、太阳日冕的软X射线和太阳表面喷出的微粒流作用下，大气气体分子或原子中的电子分裂出来，形成离子和自由电子，这个过程叫电离。

产生电离的大气层称为电离层。

电离层分为D、E、F1、F2四层。

D层高度60~90公里，白天可反射2~9MHz的频率。

E层高度85~150公里，这一层对短波的反射作用较小。

F层对短波的反射作用最大，分为F1和F2两层。

F1层高度150~200公里，只在日间起作用，F2层高度大于200公里，是F层的主体，日间夜间都支持短波传播。

　　电离层的浓度对工作频率的影响很大，浓度高时反射的频率高，浓度低时反射的频率低。

电离的浓度以单位体积的自由电子数（即电密度）来表示。

　　电离层的高度和浓度随地区、季节、时间、太阳黑子活动等因素的变化而变化，这决定了短波通信的频率也必须随之改变。

1.3短波频率范围 

　　电离层最高可反射40MHz的频率，最低可反射1.5MHz的频率。

根据这一特性，短波工作频段被确定为1.6MHz-30MHz。

1.4短波传播途径 

　　短波的基本传播途径有两个：

一个是地波，一个是天波。

　　如前所述，地波沿地球表面传播，其传播距离取决于地表介质特性。

海面介质的电导特性对于电波传播最为有利，短波地波信号可以沿海面传播1000公里左右；陆地表面介质电导特性差，对电波衰耗大，

地网的质量。

天线越高、地网质量越好，发射效率越高，当天线高度达到1/2波长时，发射效率最高。

　　天波天线主要以天波形式发射电磁波，分为定向天线和全向天线两类。

典型的定向天波天线有：

双极天线、双极笼形天线、对数周期天线、菱形天线等，它们以一个方向或两个相反方向发射电磁波，用天线的架设高度来控制发射仰角。

典型的全向天波天线有：

角笼形天线、倒V形天线等。

它们是以全方向发射电磁波，用天线的高度或斜度来控制发射仰角。

　　天波天线简单的规律为：

天线水平振子（一臂的）长度达到1/2波长时，水平波瓣主方向的效率最高；天线高度越高，发射仰角越低，通信距离越远；反之，天线高度越低，发射仰角越高，通信距离越近；天线高度与波长之比（H/λ）达到二分之一时，垂直波瓣主方向的效率最高。

（2）按用途选购天线 

　　随着短波通信技术的发展，短波天线出现了很多不同用途的新品种，例如用于短波跳频的高效能宽带天线；用于为了解决天线架设场地小和多部电台共用一副天线的多馈多模天线等。

选择天线基本的着眼点应该是用途。

近距离固定通信：

选择地波天线或天波高仰角天线。

点对点通信或方向性通信：

选择天波方向性天线等。

组网通信或全向通信：

选择天波全向天线。

车载通信或个人通信：

选择小型鞭状天线。

（3）正确处理天线价格与质量的关系 

　　俗话讲一分钱一分货。

首先同种用途的天线有不同种类，其增益有高低之分。

此外同一种外形的天线，使用不同材料；不同制造工艺，其通信效果的差异是很大的。

例如以特种不锈铜钢复合绞线为振子的天线，比用塑包线为振子的天线高频电磁转换效率高得多。

又例如匹配器所用的磁性材料优劣，对电台与天线的匹配状态影响极大。

高性能磁料能够保证全频段每个频点都能良好匹配；劣质磁料可能造成很多频点甚至整段频率匹配不好，驻波比过大。

使用劣质天线，电台输出的功率可能只送出去不到三分之一甚至更少，通信效果可想而知。

　　在投资增加不多的前提下，尽量选用高质量高增益的天线，能够保证长期稳定和优良的通信效果和延长使用寿命，是很划算的。

（4）介绍二种性能和价格兼优的基站天线 

　　根据多年的对比实验和实际使用经验，我们认为有两种进口天线在性能上能够广泛满足我国大多数用户的通信要求，而且价格不高，性能价格比好，以下分别介绍：

●用于全方位通信的三角组合型全向全角天线 

　　我国省级行政区，从省会到边缘地区的距离多数在1200公里以内。

在这个区域内组建全省或地区的通信网，中心基站选用这种天线是比较理想的。

　　这种天线既能照顾360°全方位，又能照顾近中远各种距离，接收效果好，对改善通信盲区特别有效，此外它能兼顾垂直极化波和水平极化波，对区域内各种台站的不同种类天线的兼容性好。

●兼顾全向和定向两种用途的高增益三线式天线 

　　三线式天线是国际上近年流行的新型多用途天线，它虽然属于偶极天线类，但其性能是普通双极天线无法相比的。

与普通双极天线相比它有以下优点：

1.增益高，全频段内驻波比小，而且均匀辐射效率高； 

2.水平架设时不仅在天线宽边方向辐射强，而且在窄边方向也有较强辐射； 

3.架设状态平稳，抗风抗毁能力强； 

4.提供平行和倒V两种架设方式，分别支持2500公里内定向通信和2000公里半径内全向通信。

　　以上两种天线的振子材质都是不锈铜钢复合绞线，电磁转换效率高而且经久耐用；其高性能磁性材料保证了全频段匹配良好。

（5）正确架设天线和连接馈线 

　　选购好合适的天线后，还必须正确地安装架设，才能发挥出最佳效果。

　　天线的长度和架设规范是不能改变的，但对于某些天线而言，架设的方向和高度是靠用户自己掌握的，应严格按通信的方向和距离来确定方向和高度。

天线的架设位置以开扩的地面为好，没有条件的单位也可以架在两个楼房之间或楼顶。

天线高度指天线发射体与地面或楼顶的相对高度。

架在楼顶时，高度应以楼顶与天线发射体之间的距离计算，不是按楼顶与地面的高度计算。

我们提醒用户，切忌因为架设场地不理想或怕麻烦，就随便把天线架起来完事，这样做通信效果很可能是不好的。

　　另一个要点是馈线的选用和布设。

馈线是将电台的输出功率送到天线进行发射的唯一通道，如果馈线不畅通，再好的电台和天线，通信效果也是很差的。

馈线分为明馈线和射频电缆两类。

目前100W~150W电台一般都使用射频电缆馈电方式。

选用射频电缆时要注意两项指标：

一是阻抗为50欧姆；二是对最高使用频率的衰耗值要小。

一般来讲，射频电缆直径越粗，衰耗越小，传输功率越大。

在实际使用中，100W级短波单边带电台，常选用SYV-50-5或SYV-50-7的射频电缆，必要时也可以选SYV-50-9的射频电缆。

　　天线在进行安装选位和布设时，应尽可能缩短馈线的长度，普通SYV-50-5馈线每1米造成信号衰减0.082dB，这意味着100W电台功率通过50米馈线送达天线时，功率剩下不到40W。

因此通常要求馈线长度控制在30米以内。

如果因为场地条件限制必须延长馈线，则应采用大直径低损耗电缆。

另外在布设电缆，应尽量减少弯曲，以降低对射频功率的损耗，如果必需弯曲，则弯曲角度不得小于120度。

（6）电台和天线的匹配 

　　天线、馈线、电台三者之间的匹配必须引起高度重视，否则，虽然电台、天线、馈线都选得很好，通信效果还是不好。

　　所谓“匹配”就是要求达到无损耗连接，只有电台、馈线、天线三者保证高频输入输出阻抗一致，才能实现无损耗连接。

多数短波电台的输出/输入阻抗为50欧姆，必须选用阻抗为50欧姆的射频电缆与电台匹配。

天线的特性阻抗比较高，一般为600欧姆左右，只有宽带天线的特性阻抗稍低一点，大约200~300欧姆，因此，天线不能直接与射频电缆连接，中间必须加阻抗匹配器（也叫单/双变换器）。

阻抗匹配器的输入端阻抗必须与射频电缆的阻抗一致（50欧姆），输出端阻抗必须与天线的输入阻抗一致（600欧姆或200/300欧姆）。

阻抗匹配器的最佳安装位置是与天线连为一体。

　　自动天线调谐器也是匹配天线和电台阻抗用的。

自动天调的输入端与电台连接，输出端与单极天线连接。

自动天调与偶极天线连接时要根据不同产品而定。

有些天调要求加单/双变换器，天调与单/双变换器之间用50欧姆射频电缆相连（芯线接天调输出端，外皮接天调的地端），单/双变换器的双输出端与天线连接；多数新型天调不用加单/双变换器，用天调的输出端和接地端分别连接偶极天线的两臂，匹配效果更好，而且效率更高。

（7）正确埋设接地体和连接地线 

　　地线是很多用户容易草率处理的问题。

短波通信台站的地线是至关重要的，地线实际上是整个天馈线系统的重要组成部分。

我们所说的地线，不是交流供电系统中的电源地或保安地。

这里所说的地线是信号地，也称高频地。

信号地一般不能接到电源地或保安地上，必须单独埋设