VHF定向天線參數設計及其在橋梁主動防船撞領域的應用

任全禮, 宋小東, 段 敏, 胡佳男, 楊乃恒, 歐祖國, 張 以

(1.重慶物康科技有限公司, 重慶 400067; 2.港珠澳大橋管理局,廣東 珠海 519015)

隨著我國經濟的快速發展,水上交通日益頻繁,特別是在經濟發達的沿海地區和內河交通干線上尤為突出。橋梁是交通運輸體系中的重要組成部分,但同時也是容易受到船只撞擊的高風險區域。船只撞擊橋梁不僅可能造成人員傷亡和財產損失,還可能為交通運輸帶來嚴重影響,甚至威脅橋梁的完整性和穩定性[1]。為了解決這一問題,橋梁主動防船撞技術應運而生。該技術利用先進的傳感器、監測系統和計算機控制技術,能夠實時監測船只的軌跡和狀態,當船舶存在撞橋風險時,通過多種通信手段通知船舶謹慎駕駛。在眾多通信方式中,VHF(Very High Frequency)在橋梁主動防船撞領域應用最為廣泛[2]。

VHF無線通信是水上安全通信體系的重要組成部分,是IMO規定的專用于沿海近岸水域的船與岸、船與船之間的通信方式。甚高頻VHF是指30 MHz～300 MHz的頻段。在無線電通信中,定向天線技術不僅可提升傳輸質量和距離,使得接收端可準確地從發射端獲取信號[3],還可把無線電波沿著特定方向發射或接收。在實際應用中,定向天線廣泛應用于衛星通信、雷達系統和移動通信等領域[4-5]。VHF定向天線技術需要特殊的定向天線來實現遠距離通信和信號優化,其在信道容量、抗干擾能力以及數據安全性等方面,都較非定向天線更具優勢。

目前,在橋梁主動防船撞領域中,鮮有針對水上VHF定向天線的設計和研究,在橋梁與水域交匯的復雜應用場景下,定向天線能否具有理想的信號增益和方向特性,尚無實測驗證。本文通過對定向VHF技術的深入研究,選取八木天線作為橋梁主動防船撞領域定向VHF天線,通過仿真分析和實測對比驗證的方法,研究VHF定向天線在橋梁主動防船撞領域的應用效果。

1 定向VHF技術

主動防船撞系統所在的區域,往往是VHF通信繁忙的水域,長期占用公共頻道,會造成干擾正常通信、妨害應急救援等危害。針對此問題,開展定向VHF技術研究,設計定向VHF天線,可限制信號收發范圍,減少信號收發干擾[6]。

VHF技術在橋梁主動防船撞中的應用,主要是通過安裝在橋梁附近的VHF系統,與過往船只進行通訊,并監測航行情況[7-21],其具體應用包括以下幾方面。

1) 航行信息傳輸:用于將橋梁航行信息傳輸給過往的船只,包括橋梁名稱、位置、建筑高度、通航期限等。這樣可幫助船只了解橋梁的基本情況,從而避免發生碰撞事故。

2) 船舶交通管理:用于協調船只的通行順序、控制船速、指示航向等方面。通過這些措施,可降低船只碰撞。

3) 船舶危險行為警告:配合橋梁上安裝的超高、偏航、超速檢測裝備,當主動防船撞系統檢測到船舶存在危險駕駛行為時,通過VHF系統向船舶播報危險行為警告。

常見的定向天線包括八木天線、偶極子天線、陣列天線等。綜合考慮VHF頻道中距離通信適用性、天線抗風性能以及制作簡易性,選擇八木天線作為橋梁主動防船撞系統的定向VHF天線。

2 八木天線工作原理

八木天線是一種被動式定向天線,由2個或多個平行的金屬元件構成。八木天線利用一系列特別設計的元件來聚焦和增強無線電波的能量,從而使其在某個特定方向上具有較高的輻射能力。它由一個或多個主反射器和幾個次級反射器組成,其中每個反射器都具有一定的形狀和長度,以使它們相互合作來產生所需的波束。當無線電信號進入八木天線的主反射器時,它們被反射到次級反射器上,并再次反射,最終聚焦在天線前沿。這種反射和聚焦的過程可通過調整反射器的形狀和位置來實現,以使得天線能夠在不同的方向上具有不同的輻射圖案。

八木天線的優點是具有較高的增益和較窄的波束寬度,輻射方向性非常強,可顯著提高信號傳輸距離和減少干擾[22]。

八木天線結構如圖1所示,它由一個有源振子,一個反射器和5根引向器組成。其中稍長于有源振子的反射器起反射能量作用,較有源振子稍短的引向器起引導能量的作用。有源振子兩側的反射器和引向器使原來的雙向輻射變成單向輻射,以提高天線的增益[23]。

圖1 八木天線結構

圖1中,R為反射器;A為有源振子;D1、D2…Dn為引向器;SR為反射器與有源振子的距離;S1為有源振子與引向器D1的距離;SD為相鄰2個引向器的距離。

3 八木天線應用

3.1 參數設計

常規的甚高頻八木天線為了滿足30 MHz～300 MHz全頻段覆蓋,在特定波段的使用效果并不理想。主動防船撞系統中,通信對象使用的都是船用VHF終端,船舶VHF設備需同時支持美標通道和國際標準通道,以美標通道為例,其共有88個信道,頻率范圍為156.050 MHz～163.275 MHz,信道寬度為25 kHz。設計一種船用VHF終端專用八木定向天線,可進一步提高傳輸的定向性和抗干擾能力。

八木天線的結構參數需滿足式(1)要求:

(1)

式中:λ表示甚高頻VHF(156 MHz～164 MHz)電磁波波長,取VHF計算頻率為156 MHz,則VHF計算波長為:

(2)

式中:v表示光速,即v=3×108m/s,計算得到λ=1.923 m。

將λ的取值帶入式(1),得到定向八木天線的主要結構參數,如式(3)所示。

(3)

滿足式(3)的八木天線即可在甚高頻VHF(156 MHz～164 MHz)頻段具有良好的傳輸增益和定向特性,實際制作時,考慮優化設備安裝及強化抗風能力,式(3)中的結構參數盡可能采用最小化的設計思路,實際取值如式(4)所示。

(4)

3.2 仿真分析

按照式(4)的參數取值,在CST仿真軟件中建立八木定向天線仿真模型,開展天線基礎參數的仿真和可行性驗證,部分仿真結果如圖2所示。

由圖2仿真結果可以看出,設計的八木定向天線在156 MHz頻率附近的主瓣增益約為9.25 dBm,水平面波束寬度約為69°,俯仰面波束寬度約為61°,具有良好的定向特性。

3.3 測試驗證

綜合考慮VHF定向天線系統在實際環境的使用需求,測試環境選址須盡可能與使用場景的環境特征相近,包括安裝高度、水域電磁反射特性、船只實裝通信場景以及天線不同俯仰角狀態下的方向圖特性等,并考慮經濟性與可行性,選取重慶某長江大橋進行實裝測試。

(a) 增益曲線

(b) 水平面波束寬度

(c) 俯仰面波束寬度

測試當天,測址附近長江水域流量16 900 m3/s,水位171.05 m,風速6 km/h,濕度80%,船舶通航密度約10艘/h,為該航道典型水文氣象條件和船舶密度,測試條件具有良好的參考性。

測試采用垂直極化方式,通過對比天線仰角為0°時的增益測試數據與仿真數據,驗證天線設計的定向效果。

定向測試設備布置如圖3所示。圖3中,頻譜儀和待測天線為接收信號端,VHF信號源和發射天線為發射信號端。測試時要保證被測天線與輔助發射天線高度一致,極化一致,收發天線之間的距離D大于10·λ,考慮到實際使用的內河航道條件,選擇D為500 m。

圖3 定向測試示意

天線頻率范圍為156 MHz～164 MHz,選取典型值156.667 MHz作為測試頻率。測試時,每次調整天線角度10°記錄一組測試數據,驗證天線的定向效果。

定向天線接收增益測試頻譜如圖4所示。定向天線旋轉角度為0°時,其接收增益頻譜如圖4(a)所示;定向天線旋轉角度為180°時,其接收增益頻譜如圖4(b)所示。由圖4可知,定向天線旋轉角度為0°(發射天線正對接收天線)時,接收天線增益為-53.875 dBm;定向天線旋轉角度為180°(發射天線背對接收天線)時,接收天線增益為-61.375 dBm。從2個方向的增益幅值可定性判斷設計的八木天線具有一定的定向能力,下面通過繪制天線方向圖,定量分析八木天線的定向特性。

本文設計的定向天線的仿真和實測方向如圖5所示。天線仿真方向如圖5(a)所示,所有角度測試數據匯總得到的實測方向如圖5(b)所示。由圖5可知,實測結果與仿真結果較為相符。本文設計的八木定向天線定向角寬度約為60°,具有良好的定向特性。主瓣增益幅值約為-53 dBm,旁瓣增益幅值約為-63 dBm,主、旁瓣增益幅值相差10 dBm,證明設計的八木定向天線在橋梁主動防船撞領域的VHF通信設備常用頻段具有良好的定向效果。

(a) 定向天線旋轉0°(發射天線正對接收天線)

(b) 天線旋轉180°(發射天線背對接收天線)

(a) 仿真方向

(b) 實測方向

4 結論

1) VHF定向技術具有信號收發范圍可控、通信干擾低、公共頻道占用時間短等優點,可作為橋梁主動防船撞系統重要的通信手段。

2) 天線設計參數有源振子長度為0.45 m、引向器長度為0.4 m、反射器長度為0.5 m、有源振子與引向器的距離為0.2 m、相鄰2個引向器的距離為0.3 m、反射器與有源振子的距離為0.3 m,仿真分析表明天線在156 MHz頻率附近的水平面和俯仰面波束寬度分別為69°和61°,具有良好的定向特性。

3) 實測表明天線信號增益為-53.875 dBm～-61.375 dBm,俯仰面波束寬度約為60°,主、旁瓣增益幅值相差10 dBm,證明八木定向天線在橋梁主動防船撞VHF通信設備常用頻段具有良好的信號增益和方向特性。