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車載短波近距離通信分析與研究論文
短波分為地波和天波兩種，通常在〇?30公里用地波傳播，而100公里以上用天波傳輸。對(duì)于30?100公里的距離通常稱為短波通信盲區(qū)。短波的通信距離通常由電離層的高度、濃度，反射臨界角和短波發(fā)射仰角決定。本文選用雙層平谷電離層電子密度模式，研究近距離通信中頻率的選擇和仰角的選擇。
1理論分析
1.1電離層分析
電離層(Ionosphere)是地球大氣的一個(gè)電離區(qū)域。電離層可從低到高依次分為D層、E層和F層等，其中F層還可分為F1層和F2層。中午時(shí)E層的最大電子密度約為x=10"F層的最大電子密度約為N=7.15*10u在短波通信中起作用的通常是E層和F層。因此本文主要研究E層和F層對(duì)短波通信的影響。
1.2反射與透射理論
在電磁場(chǎng)理論中，當(dāng)電磁波入射到均勻介質(zhì)時(shí)，在入射的邊界上，在該區(qū)域中產(chǎn)生反射波和透射波。考慮一個(gè)平面式兩邊均勻介質(zhì)的邊界。
任意極化的入射波都可以分解為TE波(水平極化)和TM波(垂直極化)分量。對(duì)于TM波，當(dāng)以布儒斯特角入射時(shí)，反射矢量kr與透射介質(zhì)中偶極子振蕩方向一致，所以沒(méi)有TM波被反射。布儒斯特角公式為：
其中：&為布儒斯特角;ki為入射波矢量;A為介電常數(shù);&為透射面介電常數(shù)。
當(dāng)入射角大于臨界角時(shí)功率全反射，入射角小于反
射角時(shí)反射的功率迅速減小。因此，為了提高短波的輻射功率在電離層的反射效率，要求輻射仰角要大于電離層的臨界角。臨界角由電離層的介電常數(shù)和短波發(fā)射頻率決定。
因此電離層的臨界角如下：
其中：為反射角;￡〇為短波發(fā)射角頻率;為電離層的體頻率。
1.3雙層平谷電子模式
根據(jù)短波信道傳輸?shù)奶攸c(diǎn)，本文采用的電子密度模式分為上下兩部分，下層從E層最大高度以上直到F層電子，密度等于E層最大電子密度NmE的高度范圍內(nèi)，電子密度保持等于NmE;從F層最大電子密度對(duì)應(yīng)高度之上為電離層，上電離層采用查普曼分布。該模式簡(jiǎn)稱為雙平谷模式，其電阻，密度分布如下：廣-7^N(h)是高度h處的電子密度，N(h)的單位是個(gè)/m3，h的單位是km;NmE，HmE與NmF，HmF分別是E層和F層最大電子密度及相應(yīng)的高度;YmE，YmF分別是E層和F層的半厚度;HoE是E層的底高，HoE=HmE—YmE;H是查普曼層標(biāo)高，取經(jīng)驗(yàn)值H=0.542YmF;Hq是相應(yīng)于F層電子密度等于NmE的高度：
Hq=HmF-YmF[l-(foEfoF■;"
其中：foE，foF分別為E層和F層體頻率。
YmE=25kmHmE=125kmfoE=2.84MHzfoF=7.6MHzYmF=100kmHmF=300KM設(shè)收發(fā)點(diǎn)之間的地面距離為D,—個(gè)以頻率工fob斜向離開(kāi)地面發(fā)射點(diǎn)T的電波射線(進(jìn)入電離層的入射角為^),經(jīng)路徑達(dá)地面接收點(diǎn)R;而與該斜入射波在相同高度反射(反射點(diǎn)為A)的等效垂直入射波的頻率為fv。兩個(gè)入射波的等效反射點(diǎn)，HecA=B'!./v(2sV./;--,/v;
根據(jù)上述電子密度模式以及電離層特性，可得到垂直入射頻率fv與反射虛高h(yuǎn)’的關(guān)系：
當(dāng)fv=HoE+(YmE*Jv/2*foE)In近距離通信分析與計(jì)算根據(jù)通信距離估算計(jì)算最大可用通信頻率MUF。最大可用通信頻率MUF*0.85得FOT最佳通信頻率。然后設(shè)利用FOT估算發(fā)射虛高h(yuǎn)’。根據(jù)反射虛高估算鏈路損耗是否滿足要。然后根據(jù)車載短波天線的方向特性，把增益最大的方向?qū)χc其通信的短波站臺(tái).獲取最佳通信效果。
2.1估算最大可用頻率
利用公式(2)，根據(jù)傳輸距離和反射層高度，估算發(fā)射仰角，然后估算最大可用頻率。利用公式(2)對(duì)2?11MH頻率的日間的臨界角計(jì)算。根據(jù)估算的仰角可以查找到最大可用頻率。
頻率越高則通信臨界角越高。根據(jù)臨界角和E層與F層的高度，可以粗略估計(jì)通信距離。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)值，可以先選取E層高100Km，F(xiàn)層高240km。利用簡(jiǎn)單三角關(guān)系估算通信距離。
通信距離越短則要求通信頻率越低，只有底頻率才能獲取小的臨界角。由于車載鞭狀天線方向圖的仰角較低，因此優(yōu)先選取臨界角大的頻率3.5MHz，最佳工作頻率=0.85*3.5=2.975MHz。
2.2計(jì)算發(fā)射虛高和可用通信頻率
以給定通信距離為D=150km，以斜射頻率OWF=2.975為參數(shù)，可由公式(6)作出一組工fv?h’的傳輸曲線;而由公式(7)又可以確定fv?h’的E，F(xiàn)層頻高圖曲線。對(duì)于給定的斜射頻率，傳輸曲線與頻高圖曲線的交點(diǎn)就是從發(fā)射點(diǎn)到接收點(diǎn)的可能傳播路徑和反射虛高。
3短波盲區(qū)通信分析與計(jì)算
由于短波盲區(qū)通常指30km至100km之間的距離，由臨界關(guān)系和反射角可知，只要30km能通信時(shí)，30km至100km之間就能通信。
可選用的通信頻率有兩組，分別為2.85?2.87MHz，對(duì)應(yīng)的臨界角為5?8.3度;7.6?7.61MHz，對(duì)應(yīng)的臨界角為0.04?3.71度。
近距離通信時(shí)的反射臨界角很小，而反射臨界角的隨頻率增大而增大，因此要實(shí)現(xiàn)近距離通信首先要選用低頻段頻率。對(duì)與100km至500km作左右的通信，建議頻率選擇在3MHz左右。
對(duì)于30km?40km的通信，只有F層中有一條傳輸路徑，實(shí)際可用頻率7.6MHZ。反射角2.94度，反射虛高300km;發(fā)射仰角90-2.94=87.06度。應(yīng)急通信中，近距離短波通信效果并不理想，駐車時(shí)建議更換斜拉天線或雙極天線。
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