Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов в тропосфере. Оценка потерь энергии сигнала при распространении в реальных средах. Методические указани
.pdf
Министерство цифрового развития, связи и массовых коммуникаций
Российской Федерации
Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение
высшего образования
«Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики»
(СибГУТИ)
М. Г. Кокорич
Распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов в тропосфере.
Оценка потерь энергии сигнала при распространении в реальных средах
Методические указания
по выполнению лабораторных работ
Новосибирск
2022
УДК 621.371.3(076)
Утверждено редакционно-издательским советом СибГУТИ
Рецензент канд. техн. наук, доц. Е.С. Абрамова
Кокорич, М. Г. Распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов в
тропосфере. Оценка потерь энергии сигнала при распространении в реальных
средах / методические указания по выполнению лабораторных работ / М. Г. Кокорич ; Сибирский государственный университет телекоммуникаций и информатики, кафедра цифрового телерадиовещания и систем радиосвязи. –
Новосибирск, 2022. – 34 с.
Приведены пошаговые методические указания, позволяющие изучить
влияние свободного пространства, атмосферы и атмосферных явлений на распространение радиоволн СВЧ и КВЧ диапазонов. Методические указания поз-
воляют изучить вопросы распространения радиоволн, оценить потери энергии
сигнала при планировании цифровых систем радиосвязи СВЧ и КВЧ диапазонов.
Рекомендованы для внедрения в учебный процесс по дисциплинам кафедры ЦТРВ и СРС 11.03.02. Инфокоммуникационные технологии и системы
связи (бакалавриат), 11.04.02 Инфокоммуникационные технологии и системы
связи (магистратура) при изучении дисциплин Распространение сигналов и по-
мех в системах радиосвязи, Основы построения сетей радиосвязи, Сети радио-
доступа, Космические и наземные системы радиосвязи.
© Кокорич М.Г., 2022
© Сибирский государственный университет
телекоммуникаций и информатики, 2022
2
3
Содержание
Введение………………………………………………………………………...4
Описание ПО Atmosphere Absortion Attenuation Ver.1.25……………….…...6
Лабораторная работа №1
Изучение факторов, влияющих на распространение радиоволн. Спокойная
атмосфера………………………………………………………………………13
Лабораторная работа №2
Изучение факторов, влияющих на распространение радиоволн. Изучение за-
висимости потерь энергии сигнала в осадках………………………………..20
Тестовые задания для самоконтроля….………………………………...……27
Заключение……………………………………………………………………..32
Список рекомендованной литературы…….…………………………………33
4
Введение
В беспроводной электросвязи непосредственное соединение между источниками и получателями сигналов в виде электрических или оптических кабелей отсутствует. Средства радиосвязи, радиовещания и телевидения в качестве среды распространения электромагнитных волн обычно используют атмосферу Земли. Основные параметры системы связи в значительной степени
определяются характеристиками распространения электромагнитных волн.
Электромагнитные волны, расположенные в диапазоне частот от 3 кГц до 3000
ГГц, используются в радиотехнике и называются радиоволнами.
Открытие радиоволн дало человечеству массу возможностей. Среди них:
радио, телевидение, радары, радиотелескопы и беспроводные средства связи.
Научные исследования и практика показали, что на распространение радиоволн
влияет в основном часть атмосферы, простирающаяся до 1000 км. Потери энергии сигнала на спутниковой радиолинии определяются для наиболее неблагоприятных условий работы.
Чтобы понять, как распространяется энергия сигнала в атмосфере, вспомним, что из себя представляет сама атмосфера. Атмосфера – это газовая оболочка, которая окружает нашу планету и вращается вместе с Землей. Толщина
атмосферы – примерно 120 км от поверхности Земли. Суммарная масса воздуха
в атмосфере – (5,1–5,3)·1018 кг. Из них масса сухого воздуха составляет (5,1352
±0,0003)·10
18
кг, общая масса водяных паров в среднем равна 1,27·1016 кг. Фи-
зическое состояние определяется климатом и погодой. Основные атмосферные
параметры: давление, плотность воздуха, состав и температура. Когда увеличивается высота, то атмосферное давление и плотность воздуха уменьшаются.
Также с высотой изменяется и температура. Вертикальное строение газовой
оболочки характеризуется разными электрическими и температурными свойствами, разнообразным состоянием воздуха. В атмосфере выделяют основные
слои, которые обуславливаются температурой:
Тропосфера. Это основной, нижний, самый изученный слой атмосферы.
Находится на высоте 8–10 км в полярных областях, до 10–12 км в умеренных
широтах, до 16–18 км на экваторе. В ней сосредоточено 80–90 % водяных паров.
Развиты конвекция и турбулентность. Здесь развиваются антициклоны и циклоны, возникают облака.
Стратосфера. Располагается на высоте 11–50 км. Характеризуется стабильной температурой. Здесь расположился слой озоносферы на высоте от 15–
20 до 55–60 км, который в биосфере определяет предел жизни. Стратосфера задерживает коротковолновые части излучения ультрафиолета. В ней трансформируется энергия коротких волн.
Мезосфера. Находится на высоте 50 – 90 км.
Термосфера. Начинается на высоте 90 км и охватывает 800 км.
5
Экзосфера. Это внешняя часть термосферы, зона рассеяния. Расположена
на высоте выше 800 км. Поскольку газ очень разрежен, то некоторая его часть
утекает в межпланетное пространство. На высоте 2000–3000 км переходит в
ближнекосмический вакуум, наполненный частицами разреженного межпланетного газа – атомами водорода, пылевидных частиц метеорного и кометного
происхождения.
Научные исследования и практика показали, что на распространение радиоволн влияет в основном часть атмосферы, простирающаяся до 1000 км. Потери энергии сигнала на спутниковой радиолинии определяются для наиболее
неблагоприятных условий работы. Установлено, что в диапазонах частот выше
500 МГц основной вклад поглощения определяется газами тропосферы – кислородом и неконденсированными водяными парами, а также дождём и прочими
гидрометеорами.
Наличие в тропосфере Земли молекул воздуха, паров воды, гидрометеоров (туман, дождь, град, снег), а также частиц пыли, поднятой с поверхности,
вызывает ослабление уровня сигнала в процессе распространения радиоволн.
Принято рассматривать два механизма ослабления – поглощение и рассеяние.
При поглощении энергия электромагнитной волны преобразуется в тепловую
энергию, а при рассеянии перераспределяется в пространстве в направлениях,
отличных от заданного. Ослабление в тропосфере имеет заметную величину
лишь в диапазонах сантиметровых, миллиметровых и оптических волн.
Наибольшее затухание радиоволны испытывают в дождях и туманах. Это связано с тем, что поле радиоволны вызывает в каждой капле появление тока поляризации, который, во-первых, приводит к тепловым потерям энергии и, вовторых, является источником вторичного рассеянного излучения. Затухание зависит от длины волны электромагнитного излучения и интенсивности осадков.
Так, укорочение длины волны и увеличение интенсивности дождя приводит к
увеличению затухания. В диапазонах миллиметровых и оптических радиоволн
по-
является дополнительное поглощение, связанное с механизмом резонансного
взаимодействия радиоволн с молекулами воды и кислорода на частотах, близких к частотам их собственных колебаний. При данном механизме поглощения
энергии волны вызывает изменение энергетического состояния молекул и атомов.
Исходя из вышесказанного, можно заметить, что на распространение радиоволн и помех влияет множество факторов. Чтобы изучить их влияние
наглядно, предлагается воспользоваться программой: Atmosphere Absortion At-
tenuation Ver.1.25, которая создана на основе рекомендаций МСЭ-R серии Р.
6
Описание ПО Atmosphere Absortion Attenuation Ver.1.25
Программа Atmosphere Absortion Attenuation Ver.1.25. предназначена для
автоматизации расчётов потерь энергии радиосигнала СВЧ и КВЧ диапазонов
в свободном пространстве и в атмосфере с различными параметрами.
Создателем программы является Doug McArthur. Программа написана на
платформе Delphi в 2007 на языке программирования Pascal. Первая бэтаверсия была запущена в сентябре 2011 г. На данный момент ПО находится в
свободном доступе для всех заинтересованных лиц.
Разрабатывая программу, автор руководствовался тем, что электромагнитные волны поглощаются в атмосфере в зависимости от длины волны.
Основными соединениями а атмосфере, отвечающими за поглощение, являются кислород (O2) и водяной пар (H2O). Первый пик приходится на 22 ГГц
из-за водяного пара, а второй – на 63 ГГц из-за кислорода. Фактическое количество водяного пара и кислорода в атмосфере обычно уменьшается с увеличением высоты из-за снижения давления.
Общее затухание в атмосфере с любой частотой, через свободную атмосферу, представляет собой сумму потерь в свободном пространстве, затухания,
вызванного поглощением кислорода, и затухания, вызванного поглощением водяного пара. Ослабление в дожде или тумане, когда оно присутствует, добавляет дополнительный элемент.
Программа рассчитывает затухание поглощения как для наземных, так и
для наклонных трасс для частот от 10 до 241 ГГц.
Расчеты, применяемые в этой программе, основаны на рекомендованных
методах Международного союза электросвязи (МСЭ), перечисленных в разделе
«Справочные материалы» ПО (рисунок 1).
Рисунок 1 – Рекомендации МСЭ-R P, на которых основана работа ПО
Atmosphere Absortion Attenuation
Меню программы Atmosphere Absortion Attenuation состоит из:
−
сохранения данных по умолчанию,
−
изменения точности отображаемых расчетов,
−
задержки экранной справки,
−
изменения размера экрана,
7
−
изменения нормированного общего объема жидкой воды,
−
а также из окон помощи, выхода и окна «О программе».
Основное меню ПО представлено на рисунках 2 и 3
Рисунок 2 – Основное меню ПО Atmosphere Absortion Attenuation
Рисунок 3 – Основное меню ПО Atmosphere Absortion Attenuation,
продолжение
1. Сохранение данных по умолчанию (Save default Data).
Сохраняет все параметры, отображенные на экране, и использует их при
повторном запуске.
Рисунок 4 – Окно, показывающее, что результаты изменены и сохранены
2. Изменение точности отображаемых расчетов (Change Display
Accuracy).
Меняет количество десятичных знаков после запятой у результатов расчета.
Рисунок 5 – Окно, показывающее, что результаты будут показаны с 3 знаками
после запятой
3. Окно задержки отображения сообщений (On Screen Help Display).
8
Этот параметр обеспечивает выбор времени, в течение которого на
экранной справке отображается сообщение под курсором (если имеется). Это
может быть отключено при нажатии «Do not display».
Рисунок 6 – Окно, показывающее, что сообщение будет отображено в течение 4
секунд
4. Изменение размера рабочего окна (Reset Screen Size). Сбрасывает раз-
мер экрана до размеров по умолчанию.
5. Изменение нормированного общего объема жидкой воды (Cloud yearly
% location maps).
Предоставляет выбор среднегодовой облачности в зависимости от желаемого местоположения, в котором производятся измерения, по рекомендации
ITU P.840-4. Для получения желаемого значения необходимо выбрать количество нормированного общего объема жидкой воды, убедиться, что выбор сделан
верно, визуально осмотрев предложенную карту, и с ее помощью отрегулировать ползунок значений общего столбчатого объема воды, содержащийся в облаках от 0,2 до 4,0 кг/м2.
Рисунок 7 – Выбор процента нормированного общего объема жидкой воды
9
Рисунок 8 – Выбор значения общего столбчатого объема воды, содержа-
щегося в облаках от 0,2 до 4,0 кг/м2
6. Окно помощи (Help).
Вызывает окно, с помощью которого помогает более детально разобраться с программой. В этом окне можно отправить документ на печать, вызвать окна: параметров, содержания, указания, искателя.
Рисунок 9 – Окно помощи
7. О программе (About). Показывает информацию о программе.
Рисунок 10 – Окно с информацией о программе
10
8. Выход (Exit). Окно выхода из программы.
Описание рабочего окна ПО Atmosphere Absortion Attenuation
Рабочее окно программы состоит из ввода требуемых нам параметров и
рассчитанных с их помощью значений.
Рисунок 11 – Рабочее окно ПО Atmosphere Absortion Attenuation. Разделы
рабочего окна «Домашняя станция» и «Удалённая станция»
Рисунок 12 – Фрагмент рабочего окна «Home station»
Рисунок 13 – Фрагмент рабочего окна «DX station»
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]