книги из ГПНТБ / Красюк Н.П. Электродинамика и распространение радиоволн учеб. пособие

нородностями тропосферы; специфическое явление потерь усиления антенны; влияние рельефа местности и особенно участков, при­ легающих к передающей и приемной антеннам, на величину прини­ маемых сигналов; суточные и сезонные колебания сигналов и др.

Принимаемые сигналы на линиях ДТР подвержены одновремен­ ному действию быстрых и медленных замираний.

Быстрые замирания или изменения мгновенных значений сигна­ ла, наблюдаемые за небольшие промежутки времени (секунды, ми­ нуты), происходят при интерференции множества волн с произволь­ ными, но неизменными во времени амплитудами и случайными фаза­ ми. Результирующая амплитуда напряженности поля подчиняется закону распределения Релея. В интегральной форме этот закон ото­ бражает вероятность р того, что уровень принимаемого сигнала будет превышать некоторое минимальное значение /дпь, и выража­ ется формулой

где Е \— среднее значение квадрата действующего значения ампли­ туд интерферирующих волн.

Выразим величину Ец через медианное значение. Медиан­ ным принято называть такой уровень сигнала £мед, который пре­ вышается в течение 50% времени приема. Положив в формуле

(15.57) р(Етіп) =0,5, находим

Тогда выражение (15.57) можно записать в виде

-0,69 5sp

На рис. 15.24 приведена построенная по формуле (15.59) интег­ ральная кривая распределения Релея 1 [7]. По оси абсцисс отложена вероятность в процентах, а по оси ординат — значения £ т щ в деци­ белах по отношению к медианному значению.

Определим скорость быстрых замираний (величину, обратную их длительно­ сти) [47].

Предположим, что замирания возникают за счет интерференции двух волн, переизлученных двумя неоднородностями, расположенными над серединой трассы

(рис. 15.25).

Разность фаз Дф между интерферирующими волнами равна

2я

Д < Р = ~ Д г ,

где Дr = A D B — А СВ — разность хода лучей.

457

458

Из рисунка видно, что длительность быстрых замираний изменя­ ется в широких пределах, а медианное значение длительности сос­ тавляет 8 сек.

Быстрые замирания существенно ухудшают качество и умень­ шают надежность работы линии ДТР. Для борьбы с ними использу­ ют свойства пространственной, частотной и другой избирательности замираний при разнесенном приеме.

Свойство пространственной избирательности заключается в том, что характер замираний сигнала при одновременном приеме его в пунктах, удаленных на рас­

стояние I, становится все бо­ лее независимым по мере уве­ личения I. Это объясняется тем, что радиоволны, воздей­ ствующие на разнесенные ан­ тенны, имеют разные траек­ тории и различные фазы. В ре­ зультате сигналы на выходе антенн являются не зависимы­ ми друг от друга.

Как показали эксперимен­ ты, для обеспечения статисти­ ческой независимости замира­ ний достаточно разнести при­ емные антенны на расстояние /-100Я, в направлении, пер­ пендикулярном к трассе.

Свойство частотной изби­ рательности заключается в

том, что характер быстрых замираний при одновременном приеме сигнала на двух частотах, излучаемых одним и тем же передатчи­ ком и отличающихся на величину А/, делается все более независи­ мым по мере увеличения расстройки А/. Опыт показывает, что до­ статочно разности частоты на 0,2э-0,4% от основной частоты, что­ бы добиться статистической независимости замираний.

На рис. 15.24 приведены кривые статистического распреде­ ления глубины быстрых замираний в случае приема на одну (кривая 1), две (кривая 2), и четыре (кривая 3) разнесенные

антенны.

Медленные замирания или изменения средних (среднеминутных и среднечасовых) значений сигналов на линиях ДТР, вызываются изменениями метеорологических условий на трассе линии ДТР, ко­ торые проявляются в изменении числа и интенсивности неоднород­ ностей в рассеивающем объеме, а также в изменении условий реф­ ракции в тропосфере вдоль трассы. Статистическое распределение глубины медленных замираний в отличие от быстрых замираний подчиняется логарифмически нормальному закону распределения, который в интегральной форме выражается формулой

459

ных замираний зависит также от времени года, состояния погоды и мало зависит от длины волны. Вечером и ночью глубина замираний больше, чем днем и несколько возрастает при переходе от зимы к лету.

При рассмотрении основных характеристик быстрых и медленных замирании на линии ДТР предполагалось, что рассеивающий объем заполнен только мелко­ масштабными неоднородностями. В реальной тропосфере, помимо мелкомасштаб­ ных неоднородностей со средними размерами порядка ЗОн-50 м, всегда существу­ ют слоистые образования со средними размерами 0,54-10 км, а также имеется монотонное убывание диэлектрических свойств тропосферы, которое описывается профилем индекса преломления.

В соответствии с этим сигнал дальнего тропосферного распространения может быть представлен в виде суммы трех компонент, образующихся в результате рас­ сеяния соответствующих групп неоднородностей [48]:

Е — Ер + Е с + Е к,

где Ер — вектор напряженности поля некогерентного рассеяния на мелкомасштаб­ ных неоднородностях;

Ес — вектор напряженности поля, образующийся в результате отражения от слоев;

Ек — вектор напряженности поля когерентного рассеяния на среднем профиле индекса преломления.

460

Существенным является то обстоятельство, что каждая группа неоднородно­ стей изменяет свою структуру во времени, причем периоды изменения различны для каждой группы. Исследования показали, что период изменений компоненты сигнала от мелкомасштабных неоднородностей составляет доли и единицы секунд (от 0,06 до 8 сек в зависимости от длины волны). Для слоистых образований он составляет единицы минут (2-f-12 мин), а изменение сигнала когерентного рас­ сеяния происходит в течение нескольких часов (1,5-4-2 ч). Таким образом, скоро­ сти изменения отдельных компонент сигнала отличаются друг от друга более чем на порядок.

Статистический анализ замираний отдельных компонент сигнала показал, что замирания сигналов, отраженных от слоев, так же, как и быстрые замирания не­ когерентных сигналов от мелкомасштабных неоднородностей, подчиняются зако­ ну распределения Релея. Плотность распределения выражается формулой

В отличие от этого, распределение когерентного рассеяния подчиняется нор­ мальному закону, для которого плотность распределения равна

где /0(г) — функция Бесселя нулевого порядка.

Определим статистическое распределение быстрых замираний суммарного сиг­ нала. Как отмечалось, быстрые замирания определяются по наблюдениям за пе­ риод от 1 до 5 мин. В течение такого короткого промежутка времени можно счи­ тать постоянными как компоненту когерентного рассеяния, так и компоненту сигнала, отраженного от слоев. В выражение (15.62) вместо плотностей распреде­ ления вероятности компоненты когерентного рассеяния р{Ек) и компоненты отра­ жения от слоев р(Ес) следует подставить дельта-функцию. Это приводит к обоб­ щенному закону Релея для суммарного сигнала, плотность распределения вероят­ ности которого равна

где £ „ с — суммарная амплитуда компонент когерентного рассеяния и отражения от слоев; /о(г) — функция Бесселя нулевого порядка от мнимого аргумента.

Медленные замирания определяются по наблюдениям за более_длительные

промежутки времени, например, при определении среднеминутных Е м значений сигнала за час наблюдений. В течение часовых интервалов можно считать неиз­ менной компоненту когерентного рассеяния. Подставляя в формулу (15.62) дель­ та-функцию вместо р(Еи), можно показать [48], что плотность распределения ве­

461

роятности имеет вид, близкий к логарифмически нормальному закону:

между направлением падающей волны и направлением на прием­ ную антенну и уменьшается доля вторичного излучения, приходя­ щего к приемной антенне.

Для компенсации потерь и увеличения напряженности поля в месте приема необходимо стремиться к уменьшению угла Ѳ. Для этого направление максимального излучения передающей и прием­ ной ангенн должны составлять небольшие углы с горизонтом.

462

Па рис. 15.28 приведены графики, характеризующие изменение средних значений сигнала на линии ДТР в зависимости от расстоя­ ния и длины волны при нормальной тропосферной рефракции [48]. По оси ординат отложено отношение в децибелах среднего значе­ ния напряженности поля на линии ДТР к напряженности поля сво­ бодного пространства. Графики построены по результатам экспери­ ментальных данных, полученных на сухопутных трассах длиной до

ДТР, является многолучевость, так как к приемной антенне прихо­ дят лучи от разных точек объема рассеивания. Предположим, что

и на боковой частоте /б = [+ Т (где F — модулирующая частота) он составляет

2я(/ + /?)- Дг = 2я (/ + Д) Д/,

с

т. е. в один и тот же момент времени для разных частот передавае­ мого спектра будет своя разность фаз. В результате в принимаемом сигнале некоторые составляющие спектра могут ослабляться, а другие усиливаться и могут возникнуть искажения передаваемого сигнала. Условием отсутствия искажения является требование, чтобы

неискаженная полоса пропускания в соответствии с (15.63) равна нескольким мегагерцам.

Для получения более широкой полосы пропускания и уменьше­ ния искажений сигнала диаграммы направленности передающей и приемной, антенн необходимо делать более узкими.

Потери усиления антенны. При дальнем тропосферном распро­ странении наблюдается специфическое явление потерь усиления ан­ тенн. Оно проявляется в том, что увеличение коэффициента усиле­ ния антенн, например в два раза, не приводит к двукратному уве­ личению сигнала. Особенно сильно это явление наблюдается у

463

оотронаправленных антенн, которые имеют большие геометрические размеры.

Причиной потерь усиления антенн можно считать неравномер­ ность амплитуды и фазы волны в раскрыве приемной антенны. При больших геометрических размерах антенн оказываются неодинако­ выми разности хода лучей между неоднородностями и отдельными участками раскрыва приемной ан­ тенны. Это видно из рис. 15.29, где приведена схематическая картина распространения волн при двух не­

однородностях.

Путь волны, например, от пер­ вой неоднородности до точки В рас­ крыва приемной антенны отличает­ ся на величину Аг2 от пути между второй неоднородностью и той же точкой В. Амплитуда и фаза сум­ марного поля изменяются вдоль раскрыва приемной антенны, т. е. приходящая к антенне волна явля­

ется не плоской. Искажения поля в раскрыве приемной антенны снижают коэффициент направленного действия антенны в два-три раза [6].

При дальнем тропосферном распространении к приемной антен­ не приходят не две, а множество волн, рассеянных неоднородностя­ ми тропосферы, которые непрерывно движутся и изменяют свои размеры. Распределение амплитуд и фаз поля в раскрыве приемной антенны является неравномерным и изменяется во времени по слу­ чайным законам. Коэффициент направленности антенны будет из­ меняться также случайным образом.

Потери усиления возрастают при увеличении геометрических размеров антенн, т. е. при использовании антенн с более высоким коэффициентом направленности. В табл. 15.1 приведены ориентиро­ вочные значения величин потерь усиления А G антенн в зависимости

Из таблицы видно, что эффект потерь усиления антенн зависит от величины коэффициента направленности антенн.

Приведенное выше объяснение причин потерь усиления антенн не является единственно возможным. В некоторых работах явление потерь усиления антенн рассматривается как следствие уменьше-

464

ния объема рассеяния, так как для остронаправленных антенн величина объема рассеяния определяется направленностью антенн, и с увеличением направленности антенн объем уменьшается [7].

Влияние рельефа местности. При дальнем тропосферном рас­ пространении рельеф местности сильно влияет на величину прини­ маемого сигнала. Особенно существенное воздействие оказывают неровности местности (холмы, лесные массивы и т. д.), расположен­ ные вблизи передающей и приемной антенн. При наличии препят­

препятствия D. Так как

465

Подставляя (15.65) в (15.64), находим выражение для угла за­

тельным (одна или обе антенны расположены на возвышенности), то по рис. 15.31 можно вычислить усиление сигнала.

Влияние метеорологических условий на средний уровень сигна­ ла. Кроме быстрых и медленных замираний, при дальнем тропо­ сферном распространении наблюдаются изменения среднего уровня принимаемых сигналов. Эти изменения зависят от времени суток, времени года, географического положения и климатических усло­ вий на трассе тропосферных линий связи.

Основным параметром, характеризующим изменение среднего уровня напряженности поля в месте приема, является индекс пре­ ломления приземного слоя тропосферы, который определяется по результатам метеорологических измерений давления, температуры и влажности воздуха или путем непосредственных измерений при помощи рефрактомеров. Величину индекса преломления можно оп­ ределить по среднему уровню сигнала, если известна связь между среднечасовыми значениями напряженности поля Е г и индексом преломления воздуха у земной поверхности N3.

Экспериментальные исследования, выполненные на линиях Д ТР, показали, что между Е и N3 существует хорошо выраженная связь, которая особенно заметно проявляется на линиях небольшой про­ тяженности (до 2004-400 км) в утреннее и вечернее время летних месяцев. Это дает возможность прогнозировать изменение средних уровней сигнала по данным индекса преломления у поверхности Земли.

466