CN113673084B - 一种短波接收天线选型方法 - Google Patents

一种短波接收天线选型方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种短波接收天线选型方法，包括如下步骤：步骤A，计算天线信噪比增益矩阵：步骤B，计算短波链路参数：步骤C，选择合适的天线类型。本发明所公开的一种短波接收天线选型方法，将接收天线对信噪比的贡献用一个增益矩阵表示，再根据短波链路的工作频率和仰角，在可选的天线类型中进行优选，为短波应用系统的接收天线选型问题提供了一种新的解决方案。

Description

一种短波接收天线选型方法
技术领域
本发明属于短波天线选型领域，包括短波固定链路的天线选型、短波网系的天线选型、短波多天线实时优选等，特别涉及该领域中的一种短波接收天线选型方法。
背景技术
通常的天线选型方法，是直接用天线增益考察备选天线的性能，选取天线增益较大的天线类型。但是短波应用系统特殊的传播特性，使得在不同的时间、空间链路参数不同，天线对通信性能的影响也不同，尤其是对接收效果的影响，除了要考虑接收信号较大，还要求接收噪声较小，因此并不是天线增益越高越好。
发明内容
本发明所要解决的技术问题就是提供一种结合天线性能和短波系统的具体应用场景下的通信性能进行接收天线选型的方法。
本发明采用如下技术方案：
一种短波接收天线选型方法，其改进之处在于，包括如下步骤：
步骤A，计算天线信噪比增益矩阵：
假设有M个备选天线类型，对第m个天线计算其信噪比增益矩阵，m＝1,2,...,M，计算方法如下：
设第m个天线的三维增益矩阵为Gm,m＝1,2,...,M，其每个元素
Figure BDA0003167929890000011
表明频率为f、仰角为
Figure BDA0003167929890000012
方位角为θ的天线增益，单位dB，其中f表示频率，f＝2,3,...,30，单位MHz；
Figure BDA0003167929890000013
表示仰角，
Figure BDA0003167929890000014
单位度；θ表示方位角，θ＝0,1,...,359，单位度；
注：天线增益矩阵Gm可用天线仿真软件(比如电磁仿真软件Feko)得到，此处不是本发明重点，不作具体描述。
步骤A1，计算天线对信号的增益矩阵G_signalm：
从Gm中提取天线主方向θ0上的增益，得二维增益矩阵
Figure BDA0003167929890000015
令
Figure BDA0003167929890000016
Figure BDA0003167929890000017
即是该天线在频率f、仰角
Figure BDA0003167929890000018
上对信号的最大增益；
步骤A2，计算天线对噪声的增益矩阵G_noisem：
将dB形式的天线增益矩阵Gm转化为倍数形式的天线增益矩阵gm，即
Figure BDA0003167929890000021
再利用下式计算接收天线对噪声的增益G_noisem(f)：
Figure BDA0003167929890000022
步骤A3，计算接收天线的信噪比增益矩阵G_snrm：
利用下式计算信噪比增益矩阵G_snrm：
Figure BDA0003167929890000023
步骤B，计算短波链路参数：
针对具体应用场景，确定短波链路收发端位置S，确定系统应用时间T。在应用系统所处的时空条件(S,T)下，利用短波链路预测模型计算短波链路最优工作频率fot，以及fot对应的射线仰角
Figure BDA0003167929890000024
注：短波链路预测模型是短波仿真计算中很重要的内容，在ITU-R P.533建议书中有详细描述，此模型不是本发明重点，在此不作具体描述。
步骤C，选择合适的天线类型：
根据步骤A确定的信噪比增益矩阵，在步骤B确定的频率和仰角上，提取每种备选天线的增益，选择增益最大的天线作为最优天线；
步骤C1，如果只有一对fot和
Figure BDA0003167929890000025
搜索天线编号：
Figure BDA0003167929890000026
步骤C2，如果有N对fotn和
Figure BDA0003167929890000027
搜索天线编号：
Figure BDA0003167929890000028
步骤C3，最终选择序号为m*的天线类型作为接收天线。
本发明的有益效果是：
本发明所公开的一种短波接收天线选型方法，将接收天线对信噪比的贡献用一个增益矩阵表示，再根据短波链路的工作频率和仰角，在可选的天线类型中进行优选，为短波应用系统的接收天线选型问题提供了一种新的解决方案。
附图说明
图1是本发明方法的流程示意图；
图2是本发明方法中步骤A的流程示意图；
图3是本发明方法中步骤C的流程示意图；
图4是10米鞭天线对信号的增益矩阵示意图；
图5是10米鞭天线和三线天线的噪声增益比较示意图；
图6是10米鞭天线的信噪比增益矩阵示意图；
图7是三线天线对信号的增益矩阵示意图；
图8是三线天线的信噪比增益矩阵示意图；
图9是10米鞭天线和6米鞭天线的噪声增益比较示意图；
图10是6米鞭天线对信号的增益矩阵示意图；
图11是6米鞭天线的信噪比增益矩阵示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1，特定链路短波接收天线选型：
假设某次短波通信试验，短波链路青岛—新乡，通信时间为太阳黑子低年冬季白天12点，试验备选天线类型为1号10米鞭天线，2号三线天线，为试验选择合适的接收天线，如图1所示，具体包括如下步骤：
步骤A，如图2所示，计算天线信噪比增益矩阵：
分别计算1号天线和2号天线的信噪比增益矩阵。
对1号天线计算其信噪比增益矩阵，计算方法如下：
设10米鞭天线的三维增益矩阵为G1，其每个元素
Figure BDA0003167929890000031
表明频率为f、仰角
Figure BDA0003167929890000032
方位角θ的天线增益，单位dB。
步骤A1，计算天线对信号的增益矩阵G_signal1：
鞭天线是全向天线，因此所有方向上增益相同。从G1中提取θ0＝0°上的增益，得二维增益矩阵
Figure BDA0003167929890000033
令
Figure BDA0003167929890000034
Figure BDA0003167929890000035
即是该天线在频率f、仰角
Figure BDA0003167929890000036
上对信号的最大增益，10米鞭天线的G_signal1如图4所示；
步骤A2，计算天线对噪声的增益矩阵G_noise1：
将dB形式的天线增益矩阵G1转化为倍数形式的天线增益矩阵g1，即
Figure BDA0003167929890000041
再利用下式计算接收天线对噪声的增益G_noise1(f)：
Figure BDA0003167929890000042
10米鞭天线的G_noise1如图5中实线所示。
步骤A3，计算接收天线的信噪比增益矩阵G_snr1：
利用下式计算信噪比增益矩阵G_snr1：
Figure BDA0003167929890000043
10米鞭天线的信噪比增益矩阵G_snr1如图6所示。
对2号天线计算其信噪比增益矩阵，计算方法如下：
设三线天线的三维增益矩阵为G2，其每个元素
Figure BDA0003167929890000044
表明频率为f、仰角
Figure BDA0003167929890000045
方位角θ的天线增益，单位dB。
步骤A1，计算天线对信号的增益矩阵G_signal2：
三线天线是方向性天线，从G2中提取天线主方向θ0＝60°上的增益，得二维增益矩阵
Figure BDA0003167929890000046
令
Figure BDA0003167929890000047
Figure BDA0003167929890000048
即是该天线在频率f、仰角
Figure BDA0003167929890000049
上对信号的最大增益，三线天线的G_signal2如图7所示；
步骤A2，计算天线对噪声的增益矩阵G_noise2：
将dB形式的天线增益矩阵G2转化为倍数形式的天线增益矩阵g2，即
Figure BDA00031679298900000410
再利用下式计算接收天线对噪声的增益G_noise2(f)：
Figure BDA00031679298900000411
三线天线的G_noise2如图5中虚线所示。
步骤A3，计算接收天线的信噪比增益矩阵G_snr2：
利用下式计算信噪比增益矩阵G_snr2：
Figure BDA0003167929890000051
三线天线的信噪比增益矩阵G_snr2如图8所示。
步骤B，计算短波链路参数：
根据短波系统应用场景，计算系统内短波链路在各种时空条件下的工作频率和对应仰角。
针对具体应用场景，确定短波链路收发端位置S＝＜青岛,新乡＞，确定系统应用时间T:{ssn＝10,month＝1月,time＝12点}。在应用系统所处的时空条件(S,T)下，利用短波链路预测模型计算短波链路最优工作频率fot＝10MHz，以及fot对应的射线仰角
Figure BDA0003167929890000052
步骤C，选择合适的天线类型：
根据步骤A确定的信噪比增益矩阵，在步骤B确定的频率和仰角上，提取每种备选天线的增益，选择增益最大的天线作为最优天线。
只有一对fot和
Figure BDA0003167929890000053
采用步骤C1搜索天线编号。因为G_snr1(10,21)＝-41.6dB，G_snr2(10,21)＝-42.6dB，所以：
Figure BDA0003167929890000054
针对本次短波试验选择接收天线为1号10米鞭天线。
实施例2，舰船短波接收天线选型：
假设某短波组网系统，短波链路为岸基台站—舰船，有2个岸基台站：青岛和南京，舰船活动区域为A点(东经125度、北纬32度)附近，通信时间为太阳黑子高年夏季全天，舰船备选天线类型为1号10米鞭天线，2号6米鞭天线。(1)为舰船选择一付合适的接收天线；(2)如果舰船已经配备了这两种天线，按白天和夜间分别选取最优接收天线。
步骤A，计算天线信噪比增益矩阵：
分别计算1号天线和2号天线的信噪比增益矩阵。
对1号天线计算其信噪比增益矩阵，计算方法如下：
设10米鞭天线的三维增益矩阵为G1，其每个元素
Figure BDA0003167929890000055
表明频率为f、仰角
Figure BDA0003167929890000056
方位角θ的天线增益，单位dB。
步骤A1，计算天线对信号的增益矩阵G_signal1：
鞭天线是全向天线，因此所有方向上增益相同。从G1中提取θ0＝0°上的增益，得二维增益矩阵
Figure BDA0003167929890000061
令
Figure BDA0003167929890000062
Figure BDA0003167929890000063
即是该天线在频率f、仰角
Figure BDA0003167929890000064
上对信号的最大增益，10米鞭天线的G_signal1如图4所示；
步骤A2，计算天线对噪声的增益矩阵G_noise1：
将dB形式的天线增益矩阵G1转化为倍数形式的天线增益矩阵g1，即
Figure BDA0003167929890000065
再利用下式计算接收天线对噪声的增益G_noise1(f)：
Figure BDA0003167929890000066
10米鞭天线的G_noise1如图9中实线所示。
步骤A3，计算接收天线的信噪比增益矩阵G_snr1：
利用下式计算信噪比增益矩阵G_snr1：
Figure BDA0003167929890000067
10米鞭天线的信噪比增益矩阵G_snr1如图6所示。
对2号天线计算其信噪比增益矩阵，计算方法如下：
设6米鞭天线的三维增益矩阵为G2，其每个元素
Figure BDA0003167929890000068
表明频率为f、仰角
Figure BDA0003167929890000069
方位角θ的天线增益，单位dB。
步骤A1，计算天线对信号的增益矩阵G_signal2：
鞭天线是全向天线，因此所有方向上增益相同。从G2中提取θ0＝0°上的增益，得二维增益矩阵
Figure BDA00031679298900000610
令
Figure BDA00031679298900000611
Figure BDA00031679298900000612
即是该天线在频率f、仰角
Figure BDA00031679298900000613
上对信号的最大增益，6米鞭天线的G_signal2如图10所示；
步骤A2，计算天线对噪声的增益矩阵G_noise2：
将dB形式的天线增益矩阵G2转化为倍数形式的天线增益矩阵g2，即
Figure BDA0003167929890000071
再利用下式计算接收天线对噪声的增益G_noise2(f)：
Figure BDA0003167929890000072
6米鞭天线的G_noise2如图9中虚线所示。
步骤A3，计算接收天线的信噪比增益矩阵G_snr2：
利用下式计算信噪比增益矩阵G_snr2：
Figure BDA0003167929890000073
6米鞭天线的信噪比增益矩阵G_snr2如图11所示。
步骤B，计算短波链路参数：
根据短波系统应用场景，计算系统内短波链路在各种时空条件下的工作频率和对应仰角。
针对系统应用场景，确定短波链路收发端位置S＝{＜青岛,A点＞，＜南京,A点＞}，确定系统应用时间T:{ssn＝110,month＝7月,time＝0-23点}。在应用系统所处的时空条件(S,T)下，利用短波链路预测模型计算短波链路最优工作频率及对应的射线仰角如下表所示：
表1短波组网系统链路参数计算结果
Figure BDA0003167929890000074
Figure BDA0003167929890000081
步骤C，如图3所示，选择合适的天线类型：
根据步骤A确定的信噪比增益矩阵，在步骤B确定的频率和仰角上，插值得到每种备选天线的增益，选择增益最大的天线作为最优天线。
有48对fot和
Figure BDA0003167929890000082
每对参数对应的信噪比增益见下表：
表2 48对链路参数对应的天线信噪比增益/dB
Figure BDA0003167929890000083
Figure BDA0003167929890000091
(1)为舰船选择一付合适的接收天线
采用步骤C2搜索天线编号。因为
Figure BDA0003167929890000092
Figure BDA0003167929890000093
所以：
Figure BDA0003167929890000094
建议为舰船选择一付接收天线为2号6米鞭天线。
(2)如果舰船已经配备了这两种天线，按白天和夜间分别选取最优接收天线。
设置夜间时段0-8点，白天时段9-24点，则夜间对应链路参数编号为n＝1-9,25-33，白天对应链路参数编号为n＝10-24,34-48，分别计算各时段信噪比增益之和如下表所示：
表3不同时段天线信噪比增益之和比较
1号天线(10米鞭) 2号天线(6米鞭)
夜间时段 -703.74dB -704.79dB
白天时段 -1415.75dB -1409.52dB
采用步骤C2搜索天线编号。
夜间时段：
Figure BDA0003167929890000095
白天时段：
Figure BDA0003167929890000101
建议舰船接收天线夜间(0-8点)使用1号天线10米鞭，白天(9-24点)使用2号天线6米鞭。
综上所述，本发明提供了一种短波接收天线选型方法，建立了接收天线对信噪比的增益矩阵，然后结合具体短波应用系统的链路参数计算每种天线对通信性能(信噪比)的贡献，通过比较不同天线类型对通信性能的贡献程度，确定最优接收天线方案。

Claims (1)

1.一种短波接收天线选型方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤A，计算天线信噪比增益矩阵：
假设有M个备选天线类型，对第m个天线计算其信噪比增益矩阵，m＝1,2,...,M，计算方法如下：
设第m个天线的三维增益矩阵为Gm,m＝1,2,...,M，其每个元素
Figure FDA0003167929880000011
表明频率为f、仰角
Figure FDA0003167929880000012
方位角θ的天线增益，单位dB，其中f表示频率，f＝2,3,...,30，单位MHz；
Figure FDA0003167929880000013
表示仰角，
Figure FDA0003167929880000014
单位度；θ表示方位角，θ＝0,1,…,359，单位度；
步骤A1：计算天线对信号的增益矩阵G_signalm：
从Gm中提取天线主方向θ0上的增益，得二维增益矩阵
Figure FDA0003167929880000015
令
Figure FDA0003167929880000016
f＝2,3,...,30,
Figure FDA0003167929880000017
即是该天线在频率f、仰角
Figure FDA0003167929880000018
上对信号的最大增益；
步骤A2：计算天线对噪声的增益矩阵G_noisem：
将dB形式的天线增益矩阵Gm转化为倍数形式的天线增益矩阵gm，即
Figure FDA0003167929880000019
再利用下式计算接收天线对噪声的增益G_noisem(f)：
Figure FDA00031679298800000110
f＝2,3,...,30.
步骤A3：计算接收天线的信噪比增益矩阵G_snrm：
利用下式计算信噪比增益矩阵G_snrm：
Figure FDA00031679298800000111
f＝2,3,...,30；
Figure FDA00031679298800000112
步骤B，计算短波链路参数：
针对具体应用场景，确定短波链路收发端位置S，确定系统应用时间T，在应用系统所处的时空条件(S,T)下，利用短波链路预测模型计算短波链路最优工作频率fot，以及fot对应的射线仰角
Figure FDA00031679298800000113
步骤C，选择合适的天线类型：
根据步骤A确定的信噪比增益矩阵，在步骤B确定的频率和仰角上，提取每种备选天线的增益，选择增益最大的天线作为最优天线；
步骤C1：如果只有一对fot和
Figure FDA0003167929880000021
搜索天线编号：
Figure FDA0003167929880000022
步骤C2：如果有N对fotn和
Figure FDA0003167929880000023
n＝1,2,...,N，搜索天线编号：
Figure FDA0003167929880000024
步骤C3：最终选择序号为m*的天线类型作为接收天线。
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