短波電臺通信原理

1、短波電臺通信原理盡管當(dāng)前新型無線電通信系統(tǒng)不斷涌現(xiàn)，短波這一古老和傳統(tǒng)的通信方式仍然受到全世界普遍重視，不僅沒有被淘太，還在快速發(fā)展。其原因主要有三：一、短波是唯一不受網(wǎng)絡(luò)樞鈕和有源中繼體制約的遠(yuǎn)程通信手段，一但發(fā)生戰(zhàn)爭或?yàn)?zāi)害，各種通信網(wǎng)絡(luò)都可能受到破壞，衛(wèi)星也可能受到攻擊。無論哪種通信方式，其抗毀能力和自主通信能力與短波無可相比；二、在山區(qū)、戈壁、海洋等地區(qū)，超短波覆蓋不到，主要依靠短波；三、與衛(wèi)星通信相比，短波通信不用支付話費(fèi)，運(yùn)行成本低。近年來，短波通信技術(shù)在世界范圍內(nèi)獲得了長足進(jìn)步。這些技術(shù)成果理應(yīng)被中國這樣的短波通信大國所用。用現(xiàn)代化的短波設(shè)備改造和充實(shí)我國各個重要領(lǐng)域的無線通信網(wǎng)，

2、使之更加先進(jìn)和有效，滿足新時(shí)代各項(xiàng)工作的需要，無疑是非常有意義的。這里簡要介紹短波通信的一般概念，優(yōu)化短波通信的經(jīng)驗(yàn)，以及一些熱門的新技術(shù)。1、短波通信的一般原理1.1.無線電波傳播無線電廣播、無線電通信、衛(wèi)星、雷達(dá)等都依靠無線電波的傳播來實(shí)現(xiàn)。無線電波一般指波長由100,000米到0.75毫米的電磁波。根據(jù)電磁波傳播的特性，又分為超長波、長波、中波、短波、超短波等若干波段，其中：超長波的波長為100,000米10,000米，頻率330千赫；長波的波長為10,000米1,000米，頻率30300千赫；中波的波長為1,000米100米，頻率300千赫1.6兆赫；短波的波長為100米10米，頻率為

3、1.630兆赫；超短波的波長為10米1毫米，頻率為30300,000兆赫（注：波長在1米以下的超短波又稱為微波）。頻率與波長的關(guān)系為：頻率=光速波長。電波在各種媒介質(zhì)及其分界面上傳播的過程中，由于反射、折射、散射及繞射，其傳播方向經(jīng)歷各種變化，由于擴(kuò)散和媒介質(zhì)的吸收，其場強(qiáng)不斷減弱。為使接收點(diǎn)有足夠的場強(qiáng)，必須掌握電波傳播的途徑、特點(diǎn)和規(guī)律，才能達(dá)到良好的通信效果。常見的傳播方式有：地波（地表面波）傳播沿大地與空氣的分界面?zhèn)鞑サ碾姴ń械乇砻娌?，簡稱地波。地波的傳播途徑如圖1.1所示。其傳播途徑主要取決于地面的電特性。地波在傳播過程中，由于能量逐漸被大地吸收，很快減弱（波長越短，減弱越快），因而

4、傳播距離不遠(yuǎn)。但地波不受氣候影響，可靠性高。超長波、長波、中波無線電信號，都是利用地波傳播的。短波近距離通信也利用地波傳播。直射波傳播直射波又稱為空間波，是由發(fā)射點(diǎn)從空間直線傳播到接收點(diǎn)的無線電波。直射波傳播距離一般限于視距范圍。在傳播過程中，它的強(qiáng)度衰減較慢，超短波和微波通信就是利用直射波傳播的。在地面進(jìn)行直射波通信，其接收點(diǎn)的場強(qiáng)由兩路組成：一路由發(fā)射天線直達(dá)接收天線，另一路由地面反射后到達(dá)接收天線，如果天線高度和方向架設(shè)不當(dāng)，容易造成相互干擾（例如電視的重影）。限制直射波通信距離的因素主要是地球表面弧度和山地、樓房等障礙物，因此超短波和微波天線要求盡量高架。天波傳播天波是由天線向高空輻射

5、的電磁波遇到大氣電離層折射后返回地面的無線電波。電離層只對短波波段的電磁波產(chǎn)生反射作用，因此天波傳播主要用于短波遠(yuǎn)距離通信。散射傳播散射傳播是由天線輻射出去的電磁波投射到低空大氣層或電離層中不均勻介質(zhì)時(shí)產(chǎn)生散射，其中一部份到達(dá)接收點(diǎn)。散射傳播距離遠(yuǎn)，但是效率低，不易操作，使用并不廣泛。1.2電離層的作用電離層對短波通信起著主要作用，因此是我們研究的重點(diǎn)。電離層是指從距地面大約60公里到2000公里處于電離狀態(tài)的高空大氣層。上疏下密的高空大氣層，在太陽紫外線、太陽日冕的軟X射線和太陽表面噴出的微粒流作用下，大氣氣體分子或原子中的電子分裂出來，形成離子和自由電子，這個過程叫電離。產(chǎn)生電離的大氣層稱

6、為電離層。電離層分為D、E、F1、F2四層。D層高度6090公里，白天可反射29MHz的頻率。E層高度85150公里，這一層對短波的反射作用較小。F層對短波的反射作用最大，分為F1和F2兩層。F1層高度150200公里，只在日間起作用，F(xiàn)2層高度大于200公里，是F層的主體，日間夜間都支持短波傳播。電離層的濃度對工作頻率的影響很大，濃度高時(shí)反射的頻率高，濃度低時(shí)反射的頻率低。電離的濃度以單位體積的自由電子數(shù)（即電密度）來表示。電離層的高度和濃度隨地區(qū)、季節(jié)、時(shí)間、太陽黑子活動等因素的變化而變化，這決定了短波通信的頻率也必須隨之改變。1.3短波頻率范圍電離層最高可反射40MHz的頻率，最低可反射

7、1.5MHz的頻率。根據(jù)這一特性，短波工作頻段被確定為1.6MHz-30MHz。1.4短波傳播途徑口短波的基本傳播途徑有兩個：一個是地波，一個是天波。如前所述，地波沿地球表面?zhèn)鞑?，其傳播距離取決于地表介質(zhì)特性。海面介質(zhì)的電導(dǎo)特性對于電波傳播最為有利，短波地波信號可以沿海面?zhèn)鞑?000公里左右；陸地表面介質(zhì)電導(dǎo)特性差，對電波衰耗大，而且不同的陸地表面介質(zhì)對電波的衰耗程度不一樣（潮濕土壤地面衰耗小，干燥沙石地面衰耗大）。短波信號沿地面最多只能傳播幾十公里。地波傳播不需要經(jīng)常改變工作頻率，但要考慮障礙物的阻擋，這與天波傳播是不同的。短波的主要傳播途徑是天波。短波信號由天線發(fā)出后，經(jīng)電離層反射回地面，

8、又由地面反射回電離層，可以反射多次，因而傳播距離很遠(yuǎn)（幾百至上萬公里），而且不受地面障礙物阻擋。但天波是很不穩(wěn)定的。在天波傳播過程中，路徑衰耗、時(shí)間延遲、大氣噪聲、多徑效應(yīng)、電離層衰落等因素，都會造成信號的弱化和畸變，影響短波通信的效果。2、單邊帶的概念在無線電通信中，傳送信息的載體是特定頻率的載波（也稱為主頻）。那么信息又是如何放到載波上的呢？這就引出了“調(diào)制”的概念。調(diào)制就是將信息的動態(tài)波形通過一定形式加到載波上發(fā)送出去，接收臺收到被調(diào)制的載頻信后，再還原信息。調(diào)制分為幅度調(diào)制（簡稱“調(diào)幅”）、頻率調(diào)制（簡稱“調(diào)頻”）、相位調(diào)制（簡稱“調(diào)相”）三種。中波、短波一般采用調(diào)幅方式，超短波一般采

9、用調(diào)頻方式。根據(jù)國際協(xié)議，短波通信必須使用單邊帶調(diào)幅方式（SSB）,只有短波廣播節(jié)目可以使用雙邊帶調(diào)幅方式（AM）。因此，國內(nèi)外使用的短波電臺都是單邊帶電臺。口單邊帶的定義調(diào)幅信號的頻譜是由中央載頻和上下兩個邊帶組成的。將載頻和其中一個邊帶加以抑制，剩下的一個邊帶就成為單邊帶信號。如果用一個邊帶再加上部份載頻或全部載頻，就成為兼容式調(diào)幅信號。下面用圖示的方法說明單邊帶信號是怎樣產(chǎn)生的。單邊帶的優(yōu)點(diǎn)單邊帶的優(yōu)點(diǎn)是：提高了頻譜利用率，減少信道擁擠；節(jié)省發(fā)射功率約四分之三；減少信道互擾；抗選擇性衰落能力強(qiáng)。一部100W單邊帶電臺的實(shí)際通話效果，相當(dāng)于過去1000W以上雙邊帶電臺。優(yōu)化短波通信的方法1

10、、改善短波信號質(zhì)量的三大要素由于短波傳輸存在固有弱點(diǎn)，短波信號的質(zhì)量不如超短波。不過我們可以通過一些途徑改善短波信號質(zhì)量，使其盡可能接近超短波。改善短波信號質(zhì)量的三大要素是：正確選用工作頻率；正確選擇和架設(shè)天地線；選用先進(jìn)優(yōu)質(zhì)的電臺和電源等設(shè)備。1.1正確選用工作頻率短波頻率和超短波頻率的使用性質(zhì)完全不同。超短波屬于視距通信，距離短，可以固定使用頻段內(nèi)的任何頻點(diǎn)；而短波頻率則受到電離層變化、通信距離和方向、海拔高度、天線類型等多種因素的影響和限制。用同一套電臺和天線，選用不同頻率，通信效果可能差異很大。對于有經(jīng)驗(yàn)的短波工作者來說，選頻并不困難，其中有明顯的規(guī)律性可循。一般來說：日頻高于夜頻（相

11、差約一半）；遠(yuǎn)距離頻率高于近距離；夏季頻率高于冬季；南方地區(qū)使用頻率高于北方；等等。另外，在東西方向進(jìn)行遠(yuǎn)距離通信時(shí)，因?yàn)槭艿厍蜃赞D(zhuǎn)影響，最好采用異頻收發(fā)才能取得良好通信效果。如果所用的工作頻率不能順暢通信時(shí)，可按照以下經(jīng)驗(yàn)變換頻率：（1）接近日出時(shí)，若夜頻通信效果不好，可改用較高的頻率；（2）接近日落時(shí)，若日頻通信效果不好，可改用較低的頻率；（3）在日落時(shí)，信號先逐漸增強(qiáng)，而后突然中斷，可改用較低頻率；（4）工作中如信號逐漸衰弱，以致消失，可提高工作頻率；（5）遇到磁暴時(shí)，可選用比平常低一些的頻率。計(jì)算機(jī)測頻利用計(jì)算機(jī)測頻軟件預(yù)測可用頻率對短波通信很有幫助，是國外經(jīng)常采用的先進(jìn)技術(shù)手段。計(jì)算

12、機(jī)測頻系統(tǒng)能夠根據(jù)太陽黑子活動規(guī)律等因素，結(jié)合不同地區(qū)的歷史數(shù)據(jù)，預(yù)測兩點(diǎn)之間在未來一段時(shí)期每天各時(shí)節(jié)的可用頻段，具有較高參考價(jià)值。美國、歐盟、澳大利亞政府的計(jì)算機(jī)測頻系統(tǒng)數(shù)據(jù)比較準(zhǔn)確，它們通過分布在全球的監(jiān)測點(diǎn)采集和跟蹤各種環(huán)境參數(shù)的變化提供頻率依據(jù)。其中澳大利亞的ASPAS系統(tǒng)面向全世界提供測頻服務(wù)，安裝和服務(wù)費(fèi)用不高，很有使用價(jià)值。1.2正確選擇和架設(shè)天線地線天線和地線是很多短波用戶容易忽視的問題。當(dāng)通信質(zhì)量不好時(shí)，很多人習(xí)慣于從電臺上找原因，而實(shí)際上信號不良常常源自天線或地線。短波和超短波使用的天線是完全不同的。超短波通信因?yàn)槭褂妙l率高，波長短，天線可以做得很小，通常為直立鞭狀天線。而

13、短波通信因使用的頻率較低，天線必須做得足夠大才能有效工作。簡單的規(guī)律是：天線的長度達(dá)到所使用頻率的1/2波長時(shí)，天線的效率最高。短波天線的理論原理比較高深。短波天線的種類繁多，用途各異，究竟應(yīng)該選購何種天線,怎樣安裝架設(shè)才能獲得良好的通信效果？根據(jù)我們了解和掌握的情況作如下簡要介紹：（1）了解天線的基本工作原理短波天線分地波天線和天波天線兩大類。地波天線包括鞭狀天線、倒L形天線、T形天線等。這類天線發(fā)射出的電磁波是全方向的，并且主要以地波的形式向四周傳播，故稱全向地波天線，常用于近距離通信。地波天線的效率主要看天線的高度和地網(wǎng)的質(zhì)量。天線越高、地網(wǎng)質(zhì)量越好，發(fā)射效率越高，當(dāng)天線高度達(dá)到1/2波

14、長時(shí)，發(fā)射效率最高。天波天線主要以天波形式發(fā)射電磁波，分為定向天線和全向天線兩類。典型的定向天波天線有：雙極天線、雙極籠形天線、對數(shù)周期天線、菱形天線等，它們以一個方向或兩個相反方向發(fā)射電磁波，用天線的架設(shè)高度來控制發(fā)射仰角。典型的全向天波天線有：角籠形天線、倒V形天線等。它們是以全方向發(fā)射電磁波，用天線的高度或斜度來控制發(fā)射仰角。天波天線簡單的規(guī)律為：天線水平振子（一臂的）長度達(dá)到1/2波長時(shí)，水平波瓣主方向的效率最高；天線高度越高，發(fā)射仰角越低，通信距離越遠(yuǎn)；反之，天線高度越低，發(fā)射仰角越高，通信距離越近；天線高度與波長之比（H/入）達(dá)到二分之一時(shí)，垂直波瓣主方向的效率最高。（2）按用途選

15、購天線隨著短波通信技術(shù)的發(fā)展，短波天線出現(xiàn)了很多不同用途的新品種，例如用于短波跳頻的高效能寬帶天線；用于為了解決天線架設(shè)場地小和多部電臺共用一副天線的多饋多模天線等。選擇天線基本的著眼點(diǎn)應(yīng)該是用途。近距離固定通信：選擇地波天線或天波高仰角天線。點(diǎn)對點(diǎn)通信或方向性通信：選擇天波方向性天線等。組網(wǎng)通信或全向通信：選擇天波全向天線。車載通信或個人通信：選擇小型鞭狀天線。（3）正確處理天線價(jià)格與質(zhì)量的關(guān)系俗話講一分錢一分貨。首先同種用途的天線有不同種類，其增益有高低之分。此外同一種外形的天線，使用不同材料；不同制造工藝，其通信效果的差異是很大的。例如以特種不銹銅鋼復(fù)合絞線為振子的天線，比用塑包線為振子

16、的天線高頻電磁轉(zhuǎn)換效率高得多。又例如匹配器所用的磁性材料優(yōu)劣，對電臺與天線的匹配狀態(tài)影響極大。高性能磁料能夠保證全頻段每個頻點(diǎn)都能良好匹配；劣質(zhì)磁料可能造成很多頻點(diǎn)甚至整段頻率匹配不好，駐波比過大。使用劣質(zhì)天線，電臺輸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。在投資增加不多的前提下，盡量選用高質(zhì)量高增益的天線，能夠保證長期穩(wěn)定和優(yōu)良的通信效果和延長使用壽命，是很劃算的。（4）介紹二種性能和價(jià)格兼優(yōu)的基站天線根據(jù)多年的對比實(shí)驗(yàn)和實(shí)際使用經(jīng)驗(yàn)，我們認(rèn)為有兩種進(jìn)口天線在性能上能夠廣泛滿足我國大多數(shù)用戶的通信要求，而且價(jià)格不高，性能價(jià)格比好，以下分別介紹：用于全方位通信的三角組合型全

17、向全角天線我國省級行政區(qū)，從省會到邊緣地區(qū)的距離多數(shù)在1200公里以內(nèi)。在這個區(qū)域內(nèi)組建全省或地區(qū)的通信網(wǎng)，中心基站選用這種天線是比較理想的。這種天線既能照顧360全方位，又能照顧近中遠(yuǎn)各種距離，接收效果好，對改善通信盲區(qū)特別有效，此外它能兼顧垂直極化波和水平極化波，對區(qū)域內(nèi)各種臺站的不同種類天線的兼容性好。兼顧全向和定向兩種用途的高增益三線式天線三線式天線是國際上近年流行的新型多用途天線，它雖然屬于偶極天線類，但其性能是普通雙極天線無法相比的。與普通雙極天線相比它有以下優(yōu)點(diǎn)：1.增益高，全頻段內(nèi)駐波比小，而且均勻輻射效率高；2.水平架設(shè)時(shí)不僅在天線寬邊方向輻射強(qiáng)，而且在窄邊方向也有較強(qiáng)輻射；

18、3.架設(shè)狀態(tài)平穩(wěn)，抗風(fēng)抗毀能力強(qiáng)；4.提供平行和倒V兩種架設(shè)方式，分別支持2500公里內(nèi)定向通信和2000公里半徑內(nèi)全向通信。以上兩種天線的振子材質(zhì)都是不銹銅鋼復(fù)合絞線，電磁轉(zhuǎn)換效率高而且經(jīng)久耐用；其高性能磁性材料保證了全頻段匹配良好。（5）正確架設(shè)天線和連接饋線選購好合適的天線后，還必須正確地安裝架設(shè)，才能發(fā)揮出最佳效果。天線的長度和架設(shè)規(guī)范是不能改變的，但對于某些天線而言，架設(shè)的方向和高度是靠用戶自己掌握的，應(yīng)嚴(yán)格按通信的方向和距離來確定方向和高度。天線的架設(shè)位置以開擴(kuò)的地面為好，沒有條件的單位也可以架在兩個樓房之間或樓頂。天線高度指天線發(fā)射體與地面或樓頂?shù)南鄬Ω叨?。架在樓頂時(shí)，高度應(yīng)以樓頂與天線發(fā)射體之間的距離計(jì)算，不是按樓頂與地面的高度計(jì)算。我們提醒用戶，切忌因?yàn)榧茉O(shè)場地不理想或怕麻煩，就隨便把天線架起來完事，這樣做通信效果很可能是不好的。另一個要點(diǎn)是饋線的選用和布設(shè)。饋線是將電臺的輸出功率送到天線進(jìn)行發(fā)射的唯一通道，如果饋線不暢通，再好的電臺和天線，通信效果也是很差的。饋線分為明饋線和射頻電纜兩類。目前100W150W電臺一般都使用射頻電纜饋電方式。選用射頻電纜時(shí)要注意兩項(xiàng)指標(biāo)：一是阻抗為50歐姆；二是對最高使用頻率的衰耗值要小。一般來講，射頻電纜直徑越粗，衰耗越小，傳輸功率越大。在實(shí)際使用中，100W級短波單