5. Распространение радиоволн на трассах ррл прямой видимости.
Радиорелейные системы прямой видимости представляют последовательность приемно-передающих станций, отстоящих друг относительно друга на расстоянии прямой видимости . Радиорелейные системы прямой видимости используют принцип ретрансляции сигналов, когда каждая станция, входящая в систему связи, принимает сигналы от предыдущей станции, усиливает их, преобразует частоту, чтобы исключить помехи от собственного передатчика и излучает в направлении последующей. Современные РРЛ, образуют последовательную цепочку, которая позволяет осуществить высококачественную передачу различных сообщений на расстояния в несколько тысяч километров (Рис.1.1.1)., т.е. на расстояние существенно большее прямой видимости между станциями .
Рис.1.1.1 Радиорелейная система прямой видимости.
ОРС – оконечная радиостанция; ПРС – промежуточная радиостанция; УРС – узловая радиостанция.
Оконечные радиостанции (ОРС) радиорелейной связи располагаются на концах магистральной линии связи. Иногда ОРС, где производят введение и выделение передаваемых по радиорелейной линии сообщений, размещают на концах линий, ответвляемых от магистральной. Узловые радиостанции (УРС) устанавливают на тех пунктах трассы, где требуется проводить введение и выделение информации. Промежуточные ретрансляционные станции (ПРС) размещаются на расстоянии прямой видимости друг от друга.
Расстояние прямой видимости для гладкой поверхности Земли – это расстояние между точками А и В, при котором соединяющая их линия АВ касается земной поверхности с эквивалентным радиусом (Рис.1.1.2).
Рис.1.1.2 Определение расстояния прямой видимости .
Из рис.1.1.2 следует, что высоты подвеса антенн и << , поэтому расстояние прямой видимости по длине большого круга можно приближенно считать равным АВ, где АВ=АС+СВ.
Тогда для расстояний АС и СВ можно записать
;
.
Учитывая, что высота подвеса антенн и << , можно приближенно извлечь корни, тогда получим
.
Подставляя и выражая и в метрах, получим формулу, удобную для расчета
.
При высотах подвеса антенн величина прямой видимости составляет соответственно .
При реальном проектировании выбор расстояния прямой видимости и высот подвеса антенн должны быть уточнены в зависимости от рельефа местности, параметров земной поверхности и особенностей распространения радиоволн, т.е. с учетом рефракции радиоволн в тропосфере, влияющей на величину эквивалентного радиуса земли .
Структурная схема радиорелейных станций, образующих один радиоствол приведена на рис. 1.1.3.
Рис. 1.1.3. Структурная схема радиоствола РРЛ.
Т – передающее устройство; R – приемное устройство,
R/T – разделительное устройство прием/передача
Для обеспечения дуплексной связи на каждой ОРС устанавливается приёмник и передатчик, а на ПРС и УРС два приемника и два передатчика. В радиостанциях, где необходимо выделение и ввод информации необходимо дополнительно установить модемы и устройства уплотнения/разделения каналов.
В горизонтальной плоскости, для снижения уровня взаимных помех, целесообразно станции РРЛ располагать зигзагообразно (Рис.1.1.4), что позволяет исключить взаимное влияние на расстоянии 3÷5 пролётов, за счёт использования направленных свойств антенн.
Рис.1.1.4. Зигзагообразное расположение станций РРЛ.
Работа РРЛ прямой видимости происходит в полосе частот диапазонов дециметровых, сантиметровых и миллиметровых радиоволн, выделенных для обеспечения возможности передачи большого объёма информации, что обеспечивает высокую пропускную способность радиорелейных систем при достаточно высокой помехоустойчивости и надежности. Для передачи сигналов от одной РРЛ станции к другой используют остронаправленные антенны, с коэффициентом усиления . Вследствие высокой направленности антенн, имеющих большие КУ, мощности передающих устройств РРЛ прямой видимости составляют от десятых долей до нескольких Вт. Узкие диаграммы направленности (ДН) радиорелейных станций способствуют уменьшению уровня взаимных помех между станциями.
Для увеличения пропускной способности РРЛ на каждой станции обычно устанавливают несколько комплектов приемопередающей аппаратуры, подключаемой через разделительные фильтры к общей антенне для создания нескольких радиостволов.
Применение многоствольных РРЛ позволяет сократить экономические затраты, связанные со строительством зданий, антенных опор, антенн и другого оборудования, при увеличении пропускной способности и введении автоматического резервирования в системах РРЛ связи.
Радиоволны в системах РРЛ прямой видимости распространяются вблизи поверхности земли, поэтому при расчете множителя ослабления на пролетах РРЛ необходимо учитывать совместное влияние тропосферы и земной поверхности.
Влияние тропосферы заключается в рефракции радиоволн, их отражении от слоистых образовании и поглощении в дождях. Близость земной поверхности служит причиной отражений и интерференции радиоволн, а также их дифракции. При этом характер влияния земной поверхности зависит от ее электрических параметров, от расположения передающей и приемной антенны и рельефа местности.
Рефракция радиоволн. Регулярное экспоненциальное изменения диэлектрической проницаемости с высотой вблизи поверхности земли обычно аппроксимируют линейной зависимостью. Это означает, что в приземном слое вертикальный градиент g в среднем практический не меняется с высотой, т.е. g(h) = g.
Так как толщина тропосферы h<<R, где R – радиус земли и e(h) » 1, то можно записать следующие упрощенные выражения для радиуса кривизны траектории волны:
(1.9.1)
где hF – высота подвеса антенны (рис 1.9.1)
Рис.1.9.1
При распространении радиоволн вдоль поверхности Земли j(hF) » p/2 и (1.9.1) принимает вид
(1.9.2)
Из (1.9.2) следует, что траектория волны является дугой окружности, радиус которой зависит только от вертикального градиента диэлектрической проницаемости g.
Для приближенного учета влияния рефракции радиоволн на работу РРЛ вводят понятие эквивалентного радиуса Земли Rэ, полагая, что зависимость e(h) линейна, j(hF)»90°, а в качестве g используется эффективный градиент диэлектрической проницаемости воздуха, под которым понимают постоянный в пространстве градиент диэлектрической проницаемости. Это такой градиент, при котором напряженность поля в точке приема такая же, как при реальном изменении диэлектрической проницаемости с высотой вдоль трассы РРЛ.
Для большинства районов СНГ эффективный градиент подчиняется нормальному распределению вероятностей. Причем параметры этого распределения - среднее значение g и стандартное отклонение sд для различных районов сведены в таблицы.
Введение эквивалентного радиуса Земли RЭ позволяет перейти от реальной криволинейной траектории волны над поверхностью Земли с радиусом R= 6730 км к прямолинейной траектории над некоторой воображаемой земной поверхностью с эквивалентным радиусом Rэ.
Этот переход можно сделать при условии сохранения неизменной разности кривизны траектории волны и поверхности Земли, т. е. исходя из равенства
(1.9.3)
где (1.9.2), R – радиус Земли (6370 км)
Rэ – эквивалентный радиус Земли; g – вертикальный градиент.
Из (1.9.3) с учетом (1.9.2) находим выражение для эквивалентного радиуса Земли
. (1.9.4)
На практике используют понятие коэффициента рефракции
. (1.9.5)
В зависимости от значения вертикального градиента g различают два вида тропосферной рефракции.
Положительная рефракция, при которой g < 0, а r > 0 и траектория волны обращена выпуклостью вверх.
Рис 1.9.2
2. Отрицательная рефракция или субрефракция, при которой r < 0, g > 0, RЭ < R, а
траектория волны обращена выпуклостью вниз.
Рис 1.9.3
Частными случаями положительной рефракции являются:
а)
Нормальная (стандартная) рефракция, при
которой
;
r=25000
км; RЭ=8500
км;
.
Б)
Критическая рефракция, при которой
;
r
= R
= 6370 км;
RЭ
= ¥;
.
Рис 1.9.4
В)Сверхрефракция,
при которой
;
r<R;
RЭ<0;
Рис 1.9.5
В реальных условиях наиболее распространена нормальная рефракция (частный случай положительной рефракции). При сверхрефракции радиоволна испытывает в нижних слоях тропосферы полное внутреннее отражение, в результате чего имеет место многократное отражение волны от слоя тропосферы и поверхности земли, т.е. имеет место волноводное распространение в пределах тропосферного волновода.