3.1.1 Метод 2. Разделение сигналов вч стволов ферритовыми цир­куляторами.

Ферритовый циркулятор (ФЦ) представляет собой волноводный тройник, в центре которого помещен ферритовый стержень, намагниченный .вдоль своей оси внешним постоянным магнитным полем. Если ферритовый стержень убрать, то волна, поступающая в любое плечо ФЦ (например, в плечо I) делится поровну между остальными двумя плечами II и III с одинаковы­ми амплитудами и синфазными полями. При наличии намагни­ченного ферритового стержня, являющегося своего рода переизлучателем СВЧ поля, можно так подобрать его параметры, при которых прямая и переизлученная стержнем волны в плече II будут синфазны и иметь одинаковые амплитуды, тогда как в плече III указанные прямая и переизлученная волны будут противофазны. При таких условиях энергия волны из плеча I полностью перейдет в плечо II и не пройдет в плечо III, То же самое можно сказать и о энергии волны, поступающей извне, например, в плечо II — она пройдет в плечо III и не пройдет в плечо I. Такая невзаимная связь между плечами ФЦ дает возможность применять их для разделе­ния и сложения сигналов ВЧ стволов.

Одна ,из таких схем разделения сигналов четырех ВЧ стволов представлена на рис. 4.9.

Сигналы стволов с частотами f₁, f₂, f₃, f₄ подаются на вход первого циркулятора ФЦ1, которые поступают затем в плечо II (в плечо III они не попадают) и далее на выход к плечу I ФЦ2. ФЦ1 выполняет роль ферритового вентиля и предназначен для согласования антенно-фидерного тракта с устройством разделения сигналов ВЧ стволов. Если из-за неидеального согласования имеют место отражения от плеча I ФЦ2, то отраженные сигналы снова поступают в плечо II ФЦ1. Учитывая направление циркуля­ции энергии в циркуляторе, из плеча II ФЦ1 отраженные сигналы поступают в плечо III и поглощаются в балластной нагрузке БН.

Из рис. 4.9 видно, что плечи II всех циркуляторов, кроме первого, связаны с многозвенными полосовыми фильтрами ПФ1— ПФ4. Каждый полосовой фильтр пропускает к своему приемнику (Пр) сигнал лишь с той частотой, на которую этот фильтр на­строен (например, f₁). Сигналы с частотами других стволов (f₂, f₃ и f₄) отражаются от ПФ1 и поступают снова в плечо II цирку­лятора ФЦ2. В результате благодаря свойству циркулятора поля основной и переизлученной волн в плече III ФЦ2 будут в фа­зе и поступят к следующему блоку с ферритовым циркулятором ФЦЗ. В следующих блоках выделение сигналов остальных стволов (f₂, f₃ и f₄) происходит аналогичным образом.

3.2 Уровень сигнала на входе приемника. Множитель ослабления.

Основные соотношения. В точке, где установлена приемная антен­на, напряженность электромагнитного поля сигнала

Е = Е₀V(t). (4.7)

Здесь Eо — напряженность электромагнитного поля при распро­странении в свободном пространстве; V(t) - множитель ослабле­ния, величина которого в разные моменты времени может прини­мать значения от 1—2 до 10^-2 и меньше. Из (4.7) следует, что мно­житель ослабления

V(t)=E/E₀ (4.8)

т. е. определяется отношением напряженности поля Е при рас­пространении в реальных условиях к напряженности поля в той же точке при распространении в свободном пространстве.

Из курса распространения электромагнитных волy известно, что

E₀ = ; (4.9)

где Рп — мощность колебаний, подаваемых с выхода передатчи­ка на вход фидера антенны; Gп — коэффициент усиления пере­дающей антенны; R — расстояние между точками передачи и приема (длина интервала); η— КПД фидера, включенного меж­ду передатчиком и антенной.

Мощность сигналя на выходе приемной антенны можно опре­делить через ее эффективную площадь S_аэ:

P_пр = ; (4.10)

На основании (4.2)

=SK_и = ; (4.11)

Для определения мощности сигнала на входе приемника P_0вх подставим в (4.10) значения Е и S_ае из (4.7), (4.9) и (4.11) и уч­тем потери в фидерном тракте, включенном между антенной и приемной аппаратурой. После соответствующих преобразований имеем

P_{с вх} = P_п G_п G_пр η_п η_пр ² _V²(t) = _V²(t) (4.12)

Здесь η_пр — КПД фидерного тракта на стороне приема; G_пр, — коэффициент усиления приемной антенны, а

А_св = ² (4.13)

- ослабление сигнала в свободном пространстве.

Выражение (4.12) можно записать иначе:

P_{с вх} = P_{0 вх V}²(t) (4.14)

Здесь

(4.15)

— мощность сигнала н­­а входе приемника при распространении в свободном пространстве, где V(t) = 1

Множитель ослабления сигнала V(t) зависит от ряда причин:

1. Интерференции прямой волны и волн, отраженных от по­верхности Земли и верхних слоев атмосферы. Вследствие слу­чайного изменения температуры, давления и влажности воздуха вертикальный градиент диэлектрической проницаемости ат­мосферы изменяется, в результате чего изменяется траектория этих сигналов на пути от передающей антенны к приемной. В соответствии с этим происходит случайное изменение фазовых со­отношений между сигналами в точке приема. В случае равенства амплитуд складываемых сигналов при фазовом сдвиге между ни­ми, близком к 180°, возникают глубокие замирания, и прием прак­тически становится невозможным.

2. Экранирующего действия поверхности Земли. Из-за случай­ных изменений траектории радиоволн электромагнитная энергия в большей или меньшей степени экранируется препятствиями на поверхности Земли, что приводит к изменению величины V(t).

Рис. 4.10. Профиль интервала в полярной сис­теме координат

Рассеяния и поглощения радиоволн осадками, парами воды и кислородом атмосферы.

На условия распространения радиоволн существенное значение оказывает характер местности, над которой они проходят, и состояние атмосферы. Рассмотрим рис. 4.10, где изображен профиль некоторого интервала РРЛ, т. е. вертикальный разрез ме­стности между двумя радиорелейными станциями с учетом леса, строений и особенностей рельефа. Прямая АБ, соединяющая центры антенн, показывает траекторию радиоволн при распро­странении в свободном пространстве, т. е. без учета искривления (рефракции) в атмосфере. При выбранных высотах подвеса ан­тенн h₁ и h₂ между линией АБ и наивысшей точкой препятствия получается просвет H.

Для практических целей удобней пользоваться профилем, по­строенным в прямоугольной системе координат, а не в полярной, как это было сделано на рис. 4.10. Естественно, такой переход повлечет за собой изменение вида кривой, определяющей уровень моря (или любой другой условный нулевой уровень); При перехо­де к прямоугольной системе координат поверхность Земли с ра­диусом r_З с достаточной степенью точности можно заменить па­раболой, описываемой уравнением

; (4.16)

Здесь R — длина интервала; R_x—расстояние от точки начала отсчета 0 (см. рис. 4.11).

После подстановки в (4.16) значения r_З — 6370 км имеем у_х, м:

; (4.17)

Построенная по формуле (4.17) кривая принимается за уровень моря или другой произвольно выбираемый условный нулевой уро­вень.

Начертив линию, изображающую условный нулевой уровень, откладывают от него высотные отметки профиля, определенные по топографическим картам. По­лученные точки соединяются плавной линией. На профиле также помещаются в масштабе лес, строения и антенные опо­ры с высотами h₁ и h₂. На рис. 4.11 показан тот же про­филь трассы, что и на рис. 4 10, но построенный в новой систе­ме координат. Величина про­света Н на этих рисунках опре­делена без учета влияния атмосферы на распространение радиоволн.

Из-за неоднородности атмо­сферы радиоволны распространяются по криволинейной траекто­рии, что получило название атмосферной рефракции. При нормаль­ном состоянии атмосферы температура с высотой уменьшается, давление падает, а относительная влажность сохраняет постоянное значение. Это приводит к уменьшению диэлектрической проницае­мости воздуха е при увеличении высоты h. Вследствие этого увели­чивается просвет (см. рис. 4.11).

Изменение ε с высотой принято оценивать вертикальным гра­диентом диэлектрической проницаемости воздуха

; (4.18)

Вдоль интервала РРЛ величина ε, а, следовательно, и g_ε изме­няется. Поэтому вводят понятие «эффективного» градиента диэлек­трической проницаемости воздуха g. Под величиной g понимают такое значение градиента, при котором напряженность поля в точ­ке приема будет такой же, как и в случае реального изменения g_ε на интервале.

В зонах с умеренным климатом статистическое распределение g близко к нормальному закону. Так, например, для центральных районов Европейской территории СССР среднее значение гради­ента , а стандартное отклонение

За счет рефракции происходит изменение просвета на трассе на величину ΔH(g) (см. рис. 4.11):

, (4.19)

где k_тр=R_1/R — относительная координата препятствия на трассе. Суммарная величина просвета

(4.20)

При g<0 (положительная рефракция) величина просвета Н(g) увеличивается. При g>0 (субрефракция) величина H(g) уменьшается.

Введем относительный (нормированный) просвет

, (4.21)

где

(4.22)

- просвет, при котором множитель ослабления на интервале примерно равен единице.

Если p(g≥1), т. е. H(g) ≥H₀, то трасса называется открытой. Когда 0≤p(g) <1, т. е. 0≤H(g)<H₀,трасса полуоткрытая. При p(g)<0 или H(g)<0 трасса закрытая.

Рассмотрим расчет множителя ослабления при заданных па­раметрах трассы и атмосферы.

Расчет множителя ослабления для открытых трасс. Как извест­но из курса распространения радиоволн, множитель ослабления для открытых трасс

(4.23)

Здесь Ф — модуль коэффициента отражения; ΔR — разность хо­да прямой и отраженной волн.

При отражении радиоволн от гладкой плоской поверхности и множитель ослабления будет изменяться от 2 до 0 или, переходя к децибелам, от +6 дБ до —∞. При отражении радио­волн от выпуклой поверхности Земли коэффициент отражения

Ф = DФ_пл, (4.24)

где D — коэффициент расходимости радиоволн; Ф_пл — коэффициент отражения от плоской поверхности.

Величина Ф_пл зависит от характера поверхности. Например, для водной поверхности или солончаков ; для рав­нины, лугов ; для среднепересеченной местности

и т. д.

Неровности рельефа, растительность, строения и т. д. могут заметно изменить картину распространения радиоволн. На усло­виях распространения сказывается состояние поверхности в зоне, расположенной вокруг геометрической точки отражения. Если высоты неровностей Δh в указанной зоне удовлетворяют критерию Рэлея, известному из курса распространения радиоволн,

: (4.25)

где п — номер интерференцион­ного минимума, то отражение можно считать близким к зер­кальному и . В тех случаях, когда Δh> Δh_макс, происходит диффузное отражение и . Значения коэффициента Ф_пл близки к нулю и при отражении волн короче 10 см от леса

Для последующих расчетов перейдем в формуле (4.23) от разно­сти хода радиоволн ΔR к норми­рованному просвету р(g). Со­гласно рис. 4.12, разность хода . Так как , то из геометрических соотношений можем записать

; (4.26)

Разделим числитель и знаменатель (4.26) на Н₀, тогда с уче­том (4.21) и (4.22) получим

(4.27)

В результате подстановки (4.27) в (4.23) окончательно полу­чаем

(4.28)

Из (4.28) следует, что при любых значениях Ф максимальные и минимальные величины V получаются при выполнении условий:

; (4.29)

(4.30)

Здесь т и п — целые числа, равные 1, 2... .