Лекция 10. Особенности распространения ультракоротких радиоволн

10.1. Распространение земной волны в диапазоне укв

Радиоволны метрового, дециметрового и сантиметрового диапазо­нов (диапазонов частот ОВЧ, УВЧ и СВЧ) широко применяются в назем­ных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключения составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в тропосфере и ионосфере. В рассматриваемых час­тотных диапазонах устойчивая работа на земной волне ограничена рас­стоянием прямой видимости. В то же время широко распространены маги­стральные линии протяженностью до нескольких тысяч километров, ис­пользующие дециметровые и сантиметровые волны. Эти линии представ­ляют цепочку приемопередающих радиорелейных станций (РРС). Со­седние РРС располагаются друг от друга на расстоянии, не превышающем расстояния прямой видимости между передающей и приемной антеннами в условиях средней рефракции. На каждой промежуточной РРС прини­маемый сигнал усиливается и передается на следующую станцию. Участок линии между соседними станциями называется ретрансляционным интер­валом. Линии, построенные по такому принципу, называются радиорелей­ными линиями (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости. Циф­ровые РРЛ (ЦРРЛ) должны иметь настолько широкие полосы пропускания (до 100 МГц и более), что они могут работать, в основном, на частотах выше 10 ГГц (длина волны короче 3 см). Системы телевизионного и зву­кового вещания работают на волнах метрового диапазона. Для телевизи­онного вещания выделены также полосы в дециметровом диапазоне. Ус­тойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах ограничивается также расстоянием порядка прямой видимости. Для уве­личения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на пере­даче по возможности выше, как за счет естественного рельефа, так и за счет высоты башни, на которой устанавливается антенна. Примером может слу­жить антенный комплекс Ташкентского радиотелевизионного передающе­го центра, высота которого достигает 375 метров.

Шероховатая поверхность. Критерий Рэлея. Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. При интерференционной структуре поля земной волны на условия распространения оказывают влияние неровности местности, распределенные в пределах существенной зоны для отражения. При скользящем распространении не­обходимо учитывать неровности местности почти вдоль всей трассы. Если небольшие неровности земной поверхности в среднем распределены рав­номерно, то такую поверхность называют шероховатой. В зависимости от длины рабочей волны шероховатой поверхностью могут быть взволнован­ная поверхность моря, равнина, покрытая травой, кустарником и др. При распространении над шероховатой поверхностью происходит рассеяние поля земной волны, что является причиной ослабления плотно­сти потока энергии в заданном направлении. Существуют два метода учета этого ослабления.

В условиях открытых трасс при работе в диапазонах метровых, деци- метровых и сантиметровых волн наличие земли проявляется в виде отраженной волны. В этом случае ослабление поля в результате рассеяния ше­роховатой отражающей поверхностью учитывают с помощью эффективного коэффициента отражения R_эфф. Величина R_эфф всегда меньше зер­кального коэффициента отражения R , который справедлив для гладкой отражающей поверхности. Степень неровности шероховатой поверхности оценивают с помощью критерия Рэлея. Пусть плоская волна падает под углом скольжения ∆ на плоскую поверхность с горизонтальной впадиной

глубиной ∆h (рис.10.1). Луч А'С'В', попавший во впадину и отразив-­ шийся под углом скольжения ∆, на плоскости S отличается по фазе от луча АСВ, отразившегося от пло-­ ской поверхности на величину ∆φ = (2π / λ)2∆hsin∆. Обычно счита­ют, что возмущающим действием неровности

Рис.10.1. К определению критерия Рэлея

можно пренебречь, если∆φ < (π/4…π/2). Обозначая через ∆h_mах так называемую критическую высоту, которая соответствует критическим значениям ∆φ_mах, получим ∆h_max = λ / [(16…8)sin∆]. Для пологих траекторий, когда sin∆ ≈∆, и для обычно принимаемого критического значения ∆φ_mах = π/2 выражение упрощается ∆h_mах∆ ≈λ / (8∆). Если высота неровности ∆h ≤∆ h_mах ≈λ /(8∆), то отражение можно считать зеркальным. Это условие называется критерием Рэлея, ко­торый показывает, что чем более полога траектория падающей волны, тем слабее возмущающее действие неровности. Так, на волне 10 см при ∆ = 5° критическая высота равна всего лишь 14 см, а при снижении угла до 0,5° допустимый размер неровности возрастает до 1,4 м. Критерий Рэлея носит приближенный характер, поскольку не учитывает формы неровности, по­ляризации поля и др. Однако измерения показывают, что качественно этот критерий правильно оценивает влияние шероховатости поверхности. Если на открытых трассах в пределах минимальной зоны для отражения высота неровностей ∆h > ∆h_mах то в интерференционных формулах используют эффективный коэффициент отражения R_эфф. Величины R_эфф для разных видов шероховатых поверхностей определяют по результатам статистиче­ской обработки экспериментальных данных.

Расчет поля на открытых и закрытых трассах при клиновидном препятствии.

Аппроксимацию клином применяют для препятствий типа горных вершин, крутых холмов, одиночных препятствий в виде зданий и др. Кли­новидная аппроксимация справедлива в тех случаях, когда размеры пре­пятствия вдоль трассы значительно меньше размера существенного эллип­соида для распространения в этом направлении, а поперек - значительно больше его поперечного размера. При выполнении этих условий расчет поля ведут в предположении, что поперек трассы расположен бесконеч­ный непрозрачный экран и условия дифракции соответствуют оптической дифракции Френеля.

Нормированный просвет u₀ от которого зависит множитель ослабления, удобно выра­зить через просвет Н(g_т) и относительную коор­динату экрана k = r₁ / r

Нормированный просвет можно также связать с относительным просветом р(g_T)

-3 -2 -1 0 1 2 3

Рис. 10.2. Зависимость V(u₀)

Зная величину u₀, по кривой рис.10.2 определяют множитель ослабления. При наличии клино­видного препятствия на трассах, где отсутствует оптическая видимость, но передатчик и прием­ник можно видеть с вершины препятствия, при некоторых условиях наблюдается явление, ко­торое называется эффектом «усиления клиновидным препятствием».

Рис.10.3. К определению эффекта усиления клино­видным препятствием

Наиболее просто этот эффект можно представить, если считать поле в точке приема как результат интерференции четы­рех волн. Пусть между пунктами А и В расположено клиновидное препятствие (рис.10.3). При этом участки трассы между передаю­щим пунктом и препятствием, а также между препятствием и приемным пунктом достаточно ровные и от них интенсивно от­ражаются волны. Тогда согласно отражательной трактовке поле в точке В можно представить как сумму полей возбужденных прямой 1 и отражен­ной 2 волнами. Волна 1 возбуждает за препятствием волны 3 и 4. Волна 2 возбуждает волны 3' и 4'. На пути распространения все волны дифрагируют на крае препятствия. Эффект усиления препятствием возможен, если потери при огибании препятствия не очень велики, что возможно при ма­лых просветах, т.е. при малых углах возвышения ∆ и ∆'. В случае пологих траекторий отраженных волн 2, 4 и 4' приближенно можно считать, что коэффициенты отражения от земли до препятствия и после препятствия одинаковы и равны -1. Для всех волн равны также дифракционные потери и приблизительно длины путей, проходимые волнами. Из последнего сле­дует, что в свободном пространстве поле каждой волны равно Е₀. Резуль­тирующее поле, как сумма четырех волн с учетом их фаз, равно

Е = Е₀V(u₀){ехр[ - j(2 π / λ) (ρ₁ + ρ₃)] – ехр[ - j(2 π / λ) (ρ₁ + ρ₄)] –

- ехр[ - j (2 π / λ) (ρ₂ + ρ₃)] + ехр [ - j(2 π / λ) (ρ ₂ + ρ ₄)]}

Проведя вычисления с учетом обозначений на рис. 10.3 получим величи­ну результирующего поля

Е_mах = 4Е_оmахV(u₀)sin[2 πh₁h_np / (λr₁)]sin[2 π h₂h_np / (λr₂)].

Из формулы видно, что при наличии клиновидного препятствия, когда V(u₀)→-1, поле в точке приема может превосходить поле в свободном пространстве почти в 4 раза при определенных соотношениях h₁, h₂, h_пр, λ, r₁,r₂. Если длина радиолинии такова, что в отсутствие препятствия точка приема находится в области глубокой тени и дифракционное ослабление поля велико, то по сравнению с этим полем эффект «усиления препятстви­ем» может быть весьма большим. За счет дифракции на горных хребтах клиновидной формы возможно создание линий связи большой протяжен­ности. На таких линиях оптимальное положение корреспондирующих пунктов обычно проверяется экспериментально, поскольку расчеты не мо­гут учесть всей сложности конкретного рельефа.

В процессе изменения метеорологических условий и изменения реф­ракции фазовые соотношения между интерферирующими волнами изме­няются. Обычно прием в горной местности сопровождается сильными флуктуациями уровня сигнала.

Флуктуации напряженности поля земной волны на открытых и полуоткрытых трассах. На открытых и полуоткрытых трассах напряженность поля земной волны не остается постоянной во времени. В зави­симости от причин, вызывающих флуктуации поля, эти флуктуации имеют разную продолжительность и в одних случаях могут быть отнесены к классу замираний, в других - к классу длительных отклонений величины поля от его средних значений. Во всех случаях флуктуации имеют случай­ный характер. Различают следующие основные виды замираний в зависи­мости от причин их возникновения.

Субрефракционные (при отрицательной рефракции) замирания характерны для сухопутных равнинных трасс, особенно в летнее время и весной, когда часто метеоусловия таковы, что имеет место субрефракция, которая приводит к уменьшению просвета на линии. Если в условиях

средней рефракции просвет относительно невелик, то при субрефракции может произойти значительное затенение трассы и ослабление поля за счет дифракционных потерь. Такого вида ослабления имеют обычно большую продолжительность от нескольких десятков минут до несколь­ких часов, так как обусловлены инерционными метеорологическими процессами, например приземными туманами. Глубина субрефракционных замираний может достигать 20...30 дБ и более в широком диапазоне час­тот.

Второй вид флуктуации, наблюдаемый на открытых трассах, имеет интерференционное происхождение. При ряде значений градиента g_т происходит противофазное сложение полей прямой и отраженной от земли волн и результирующее поле оказывается значительно ослабленным. Глубина таких замираний зависит от соизмеримости амплитуд отраженной и прямой волн. Отраженная волна наиболее интенсивна на сухопутных плоских трассах, проходящих в слабопересеченной, лишенной лесного покро­ва местности, а также на трассах, проходящих над большими водными по­верхностями. Продолжительность замираний такого типа составляет секунды - десятки секунд при глубине 25...30 дБ. Эти замирания обладают пространственной и частотной избирательностью, поскольку небольшие изменения в частоте и длине пути приводят к заметному изменению сдви­га фаз между интерферирующими волнами (в сантиметровом и децимет­ровом диапазонах волн).

Третий вид флуктуации, также интерференционного происхождения, связан с появлением в точке приема волн, отраженных от слоистых неоднородностей типа облаков, метеорологических фронтов, инверсион­ных слоев и др. Волны, отраженные от таких неоднородностей, интерфе­рируют с прямой волной и друг с другом. Малейшие изменения высоты неоднородности приводит к резким изменениям фазовых соотношений между интерферирующими волнами. В результате эти флуктуации отно­сятся к классу быстрых замираний с частотной и пространственной изби­рательностью. При глубине замираний 25...30 дБ их средняя продолжи­тельность составляет доли секунды. Чем короче волна и длиннее трасса, тем более вероятны эти замирания. Они чаще наблюдаются на волнах ко­роче 10...15 см и в соответствии с метеоусловиями в приморских районах, а также в горной местности. На таких трассах эти замирания могут быть определяющими для устойчивости работы.

Четвертый вид нерегулярного ослабления поля связан с появлением осадков на линии. Этот вид ослабления существенен для частот выше 10ГГц. При расчете устойчивости работы линии обычно оценивают ослаб­ление в дожде как наибольшее по сравнению с ослаблением в других ви­дах осадков. При выпадении ливневых дождей этот вид замираний может привести к срыву связи в течение всего времени существования ливня.

Распространение земной волны и условия работы радиовеща­тельных систем. Статистический метод расчета поля.

Спецификой условий работы вещательной сети является прием излучения одного передатчика одновременно множеством приемных пунк­тов, случайно распределенных на некоторой территории. В зависимости от характера рельефа условия приема в пределах этой территории могут быть различными. Кроме того, принимаемое поле подвержено быстрым и мед­ленным флуктуациям, и его среднее значение изменяется в зависимости от климатических условий. В результате в сети вещания принято оценивать напряженность поля вероятностными характеристиками, основанными на измерениях. Необходимо отметить, что при оценке условий приема веща­ния учитывают только медленные флуктуации, принимая, что мгновенные значения поля подчиняются логаримически-нормальному распределению с дисперсией, зависящей от климатических условий. Быстрые замирания порядка долей секунд и секунд не оказывают влияния на качество приема телевизионного и звукового вещания из-за инерции слухового и зритель­ного аппаратов человека. Параметрами для статистических характеристик поля служат: диапазон частот, климатический район, средние условия рельефа, процент времени наблюдений, процент приемных пунктов, в ко­торых может наблюдаться данная напряженность поля. Напряженность поля определяют с помощью кривых, рекомендуемых МККР (графиков МККР). В качестве примера на рис.10.4 приведены три кривые, справедливые для ОВЧ (40...250 МГц) в условиях среднепересеченной местно­сти и умеренного климата. Величина напряженности поля, определяемая из этих кривых, превышается в 50% при­емных пунктов в течение 50%, 10 % и 1% времени. Кривые построены для эквивалентной излучаемой мощности 1 кВт, когда высота подвеса передаю­щей антенны h₁ = 300м, высота под­веса приемной антенны h₂ = 10м. На­пряженность поля выражена в децибе­ллах относительно 1 мкВ/м. Кривые справедливы для вертикально- и гори­зонтально поляризованных волн. В указанной рекомендации имеются се­рии аналогичных кривых для диапазона УВЧ (450...1000 МГц). Для каж­дого диапазона даются поправочные коэффициенты, учитывающие сте­пень неровности рельефа и высот подвеса передающей и приемной антенн.

Зона обслуживания вещательного передатчика. Полезной зоной вещательного передатчика или зоной обслуживания называется террито­рия, в пределах которой прием вещания на массовую приемную аппарату­ру на границе зоны осуществляется с заданным качеством в течение 90% времени в 50% приемных пунктов. По международным нормам в течение 10% времени допускается наличие заметных помех. Качество приема оце­нивается разными параметрами в зависимости от вида помех. Помехи раз­деляют на две группы: к первой группе относят природные и промышлен­ные помехи; ко второй - помехи станций. Для качественного приема ве­щания с учетом только природных и промышленных помех в пределах зо­ны обслуживания должно выполняться условие Е_пол >> Е_полmin, где Е_пол -напряженность поля полезного сигнала; Е_полmin - минимально допустимая напряженность поля полезного сигнала при наличии только природных и промышленных помех (шума) и при заданном значении необходимого превышения U_пол / U_ш в полосе ∆f, кГц. При расчете вещательных сетей нормируют не отношение U_пол / U_ш,а значение Е_полmin для наиболее небла­гоприятных условий - на границе зоны обслуживания, где поле полезного сигнала минимально.

Различают два случая. Если граница зоны проходит в сельской мест­ности, то в диапазонах метровых и дециметровых волн значение Е_полmin определяется внутренними шумами приемника и космическими шумами. В этих условиях принято для телевидения Е_полmin = 300...700 мкВ/м в диа­пазоне метровых волн. Норма увеличивается с повышением частоты кана­ла. Для звукового вещания принято Е_полmin = 200 мкВ/м. Второй случай от­носится к приему в городах, где из-за большого уровня промышленных помех аналогичные значения оцениваются 5000 мкВ/м для телевидения и 1000...3000 мкВ/м для звукового вещания. Для качественного приема ве­щания при наличии помех станций должно выполняться условие Е_пол ≥ АЕ_пом, где А - коэффициент необходимого защитного отношения на выходе приемника; Е_пом - суммарная напряженность поля мешающих станций. Обычно на границе полезной зоны произведение АЕ_пом больше значения Е_полmin и основной задачей проектирования вещательной сети яв­ляется такое распределение вещательных передатчиков по обслуживаемой территории, при котором на границах полезных зон отдельных передатчи­ков величина АЕ_пом была бы равна Е_полmin.

Влияние местных предметов на распределение поля вблизи пе­редающей антенны. Условие приема на метровых и более коротких вол­нах зависит от расположения приемной антенны относительно окружаю­щих ее предметов и местных неровностей рельефа. Близко расположенные здания, мачты, растительность, склоны оврагов, небольшие возвышенно­сти могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими пре­пятствиями или источниками местных отраженных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения сквозь препятствие. Дифракция в рассматриваемых диапазонах волн про­текает с

большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий, группы деревьев и других сопровождается также большими потерями за счет поглощения. «Непрозрачными» препятствиями считают возвышенности земной поверхности и железобетонные строения. За таки­ми препятствиями поле появляется только в результате дифракции. Внутрь квартир в железобетонных зданиях электромагнитные волны проникают через окна. К «полупрозрачным» препятствиям относят кирпичные и де­ревянные строения, растительность. При распространении в лесу с под­леском погонное ослабление оценивается единицами и десятками дБ/км, увеличиваясь с частотой и изменяясь в зависимости от густоты лиственно­го покрова и влажности. Действие окружающих предметов, как источни­ков отраженных волн, может проявляться в виде двух явлений: неравно­мерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерферен­ции отраженных волн или запаздывающих сигналов, если предмет доста­точно удален от приемной антенны.

Распространение радиоволн в городе. Условия приема сигналов в диапазоне УКВ существенно зависят от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты и т.д. Близ­ко расположенные здания могут, в зависимости от их расположения, ока­заться затеняющими препятствиями или источниками местных отражен­ных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: ди­фракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматривае­мом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими по­терями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30дБ ниже, чем пе­ред ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные тене­вые зоны, где сигнал значительно ослаблен. Действие окружающих зда­ний, как источников отраженных волн, проявляется, как в виде неравно­мерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерферен­ции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля от­ражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах те­левизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет ста­тистический характер, как теоретических, так и экспериментальных ис­следований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее

типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами. В первом случае, характерном для приема сигна­лов телевизионного вещания, расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского, умножая результат расчета на поправочный коэф­фициент (обычно 0,4...0,6). Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окре­стности подвижного пункта.

Рассмотрим закономер­ности изменения напряженно­сти поля в точке приема в го­родских условиях в зависимо­сти от расстояния, частоты вол­ны и высот установки антенн. На рис.10.5 приведены зависи­мости среднего (медианного) значения мощности сигнала Р_с от расстояния r при различных высотах подвеса антенны базо­вой станции h₁, измеренные на частоте 922 МГц. Высота под­веса антенны на подвижном объекте h₂ = 3 м. Штриховой линией показана зависимость Р_с от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соот­ветствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 км от базовой станции. Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличе­нии расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r^-3 . Последующее увеличение г приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигна­ла. Ослабление сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты. Эту зависимость можно представить в виде P_c = Af^-n, где А - коэффициент пропорциональности. С увеличением частоты от 100 до 2000 МГц значе­ние коэффициента п изменяется от 0,2 до 1. При r = 1...10 км зависимость уровня поля от частоты слабая, но при дальнейшем увеличении расстояния значение коэффициента п начинает зависеть от него и растет значительно быстрее. Изменение медианного значения множителя ослабления от частоты при h₁=200 м и h₂=3 м для рас­стояний 1, 5, 20 и 40 км, показано на рис. 10.6.

Частота f, МГц

Рис.10.6. Зависимость медианного значе­ния затухания в городе от частоты и рас­стояния

Зависи­мость среднего уровня поля от высоты расположения антенны базовой стан­ции можно проследить по рис.10.5. Высота подвеса антенны сильно не влияет на скорость уменьшения уровня сигнала с расстоянием. Однако подъем антенны базовой станции приводит к увеличению абсолютного значения по­ля примерно пропорционально квадра­ту высоты (6дБ/октаву). На поле в точ­ке приема влияют не только рассмот­ренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от распо­ложения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на распространяющиеся волны. Вдоль радиально расположенных улиц уро­вень сигнала на 10...20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.

За счет переотражения волн от стен зданий и подстилающей по­верхности в городе наблюдается явление деполяризации - появление ор­тогональной (перпендикулярной) составляющей напряженности поля в которую переходит часть энергии волны. Коэффициент деполяризации представляет собой разницу в дБ между составляющей напряженности поля основной поляризации и ортогональной составляющей.

Установлено, что в г. Ташкенте значение коэффициентов деполяри­зации на радиальных (по отношению к передающей антенне) улицах в среднем на 2...4 дБ больше, чем на поперечных. Значения коэффициентов деполяризации в районах с большой плотностью застройки ниже, чем в районах с малой плотностью застройки. Наблюдается увеличение значе­ний коэффициентов деполяризации при увеличении высоты подвеса при­емной антенны. Значения горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности поля в городе практически не коррелированны, что по­зволяет рекомендовать для приема и передачи кроссполяризованные ан­тенны (антенны с ортогональными поляризациями). Структура поля но­сит интерференционный характер. Архитектура города сильно влияет на величину квазипериода (усредненного расстояния между ближайшими минимумами) интерференционной картины напряженности поля. Так, в г. Ташкенте в районах с малой плотностью застройки величина квазипе-риода в среднем составляет 0,62λ, а для районов с большой плотностью застройки - 0,76λ. На поперечных улицах величина квазипериода в сред­нем составляет 0,81λ, а на радиальных улицах - 0,5λ.