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短波天线场的研究与设计
来源：网络资源 作者：冯景海,符红,陈文汉,李泽 时间：2009-12-16 17:22:26
关键字： 短波通信 天线场 设计 Fortran语言
一、引言

短波通信是历史最为久远的无线电通信。它是战略通信网的重要组成部分。短波通信设备简单、机动灵活、成本低廉，可用较小的发射功率直接进行远距离通信。所以，在很长一段时期中，一直是重要的通信手段，特别是实现远距离通信的主要手段。由于卫星通信的出现和发展，使短波通信受到了较长时间的冷落。和卫星通信比较，短波信道是随机参量信道，稳定性和可靠性差，通信速率低。人们以为短波通信会被卫星通信取代。由此造成对短波通信投资的急剧减少和科研的削弱。连美军1976年制定的综合战术通信计划中，仅把短波通信列为补充和备用手段。由于短波通信技术的进步，其可靠性、稳定性、通信质量与通信速率提高到新的水平。与卫星通信及有线通信相比，短波通信介质的电离层不易遭受人为破坏。短波通信被重新确定了其重要的位置。美国重新把短波信道作为战略的和战术主干线和二级线路。在我国短波通信网是战略通信网之一。是战时作战指挥通信中的“杀手锏”之一，是和平时期防暴乱、抢险救灾的应急通信手段。短波通信有时甚至是唯一的通信手段。短波通信愈来愈受到重视。当前短波通信建设中，应当重视的几个问是题是：1、加快短波通信设备的研制更新。2、防侦破、抗干扰。3、优化短波通信网络结构，协同通信及与其它骨干网的接口。4、准确的频率预报。5、抗干拢加密技术体制。6、技术骨干培养保留。7、天线场的规范设计。下面着重叙述短波天线场的设计问题。

二、短波天线场

众所周知，短波通信天线是短波通信系统的重要组成部分。固定台站的短波天线场不合符技术规范，就不能进行正常通信，甚至不能通信。在新建和改建短波天线及天线场时，应特别重视短波发射天线的设计和发射天线场的勘测设计。固定台站短波通信天线分双极天线、笼形天线、分支笼形天线、角形及角笼形天线、菱形天线、鱼骨形天线、对数周期天线等等。选择那种形式的天线要根据通信距离、通信频率及要求的频带宽度，地理条件等等多方面因素考虑。近年，有的单位研制出了一种短波通信天线，即全频段多馈多模全向天线。电离层反射高度为300公里时，通信仰角10度，电波单跳通信距离为2200公里。可同时供3部发射机工作在不同的频段和不同的通信距离。这种天线需要一块平地，且10度仰角方向没有庶挡。不需要高度、方向等方面的数学计算。该天线价格昂贵，要求与通信机房距离在50米范围。一个大的天线场一般架设2副左右。现在点对点通信大量应用的仍是双极天线和分支笼形天线。价格便宜，安装简单。在0-300公里范围，可用低架双极天线，成为全方位通信的高射天线。在500公里范围，双极天线仍是一种广泛应用的天线。

分支笼形天线由于频带宽，波段性能好，可用一副天线基本满足日夜工作的要求。是一种广泛应用的短波天线。本文中不准备叙述某种短波天线的具体设计过程。而是叙述与短波天线密切相关的短波天线场的几个重要参数的设计计算问题。计算短波天线场的数学式子如下：

cos(m)=sin(na)×sin(nb)+cos(na)×cos(nb)×cos(ea-eb) (1)
d=m×111.18 (2)
tg(el)=(cos(m/2)-6370/(6370+300))/sin(m/2) (3)
h=l/(4×sin(el)) (4)
式中：
na:a点的纬度
nb:b点的纬度，b点作高纬度点,以方便后面判断方位角。
ea:a点的经度
eb:b点的经度
m:a、b间的大园弧角距离
el:通信仰角
d: a、b两点间的距离(公里)
h:天线高度
l:通信波长
c=│ea-eb│ (5)
tg((y+x)/2)=ctg(c/2)×cos((nb-na)/2)/sin((nb+na)/2) (6)
tg((y-x)/2)=ctg(c/2)×sin((nb-na)/2)/cos((nb+na)/2) (7)
y=(y+x)/2+(y-X)/2 (8)
x=(y+x)/2-(y-x)/2 (9)
式中：
c:为a、b 两点经度差，必须取正值。

方位角的判断方法：a、b两点都在北半球，a点在b点西面，a点对b点的方位角为x，b点对a点的方位角为(360°-y)。a点在b点的东面，a点对b点的方位角为(360°-x)，b点对a点的方位角为y。

如果是20多副天线的大型天线场，按照上面公式用计算器一个一个数据的算，并且为了防止计算错误，再对每个数据复核计算，大约要半个月左右时间。为了提高天线场的设计计算速度和防止出错，可采用计算机F0rtran语言对其编程计算。

三、用计算机Fortran语言设计计算短波天线场

将上面的(1)至(9)式，用Fortran编制的程序如下：
program DBTXCDBJ
! NA、NB：A、B 点纬度，EA、EB：A、B点经度。高纬度点为B,nb>na。
! M、D：A、B两点大园弧角距离和通信距离。EL：通信仰角。
! L：波长，H：天线高度
! 方位角：eb>ea时, AB=X,BA=360-y; eb
DOUBLE PRECISION m, D, EL, H, aM, ael
DOUBLE PRECISION na, nb, ea, eb, l, c
nb=39.9
eb=116.467
na=30.65
ea=104.083
l=32.0
c=abs(ea-eb)
m=acosd(sind(na)*sind(nb)+cosd(na)*cosd(nb)*cosd(c))
d=m*111.18
el=atand((cosd(m/2.0)-6370.0/(6370.0+300.0))/sind(m/2.0))
h=l/(4.0* sind(el))
y1=atand(cosd((nb-na)/2.0)/(tand(c/2.0)*sind((nb+na)/2.0)))
y2=atand(sind((nb-na)/2.0)/(tand(c/2.0)*cosd((nb+na)/2.0)))
y=y1+y2
x=y1-y2
print *,'距离, 仰角, 高度,方位角y，方位角x'
print '( F12.6,f12.6,f12.6,f12.6,f12.6)' d, el, h, y, x
end

四、设计计算实例

以na=30.65,ea=104.083,nb=39.9,eb=116.467,l=32输入计算机，只2秒钟就算出了A，B两点天线场的距离是1520.724公里，通信仰角是17.638度，天线在平地架设高度是26.402米，A点对B点的方位角是44.089度，B点对A点的方位角是231.283度。与用计算器一个一个数据计算的结果一样，但计算的速度快得多，而且程序采用双精度计算，精确度高，并且不象计算器那样容易出现操作错误。只要输入A，B两点的经、纬度和波长，两秒钟就能算出天线场天线的参数。应用该程序设计了多个天线场。(在进行短波天线场勘测设计时，如果能选用到面对通信方向的斜坡地面架设天线，可降低天线设高度，节省人力，物力。由于篇幅所限，数学计算的理论推导和计算程序的微小改动将另文叙述)。

参考文献
[1] 谢处方、邱文杰。天线原理与设计。西北电讯工程学院出版社，1985
[2] 总参部通信部。电波传播与通信天线天线。解放军出版社，1985.1
[3] 全国无线电管理委员会办公室。短波场强计算。1981.11
[4] 刘德贵，等。FORTYAN算法汇编第二分册。国防工业出版社，1983