Иванов В.И., Гордиенко В.Н. Цифровые и аналоговые системы передачи, 2003
.pdf
многоствольных РРСП. На ПРС антенны расположены рядом, и во избежание влияний между ними (влияния передатчика на вход приемника) прием и передача СВЧ сигналов производятся на разных частотах. Даль - ность действия каждой станции РРЛС ограничивается расстоя нием прямой видимости, поэтому для передачи сигналов по симплексному стволу (в одном направлении) достаточно использовать две частоты. Для передачи сигналов в обратном направлении (организации дуплексного ствола) могут быть использованы те же две частоты (двухчастотная система), либо две
другие частоты (четырехчастотная система).
Двухчастотная система экономичнее по использованию диапазона частот, но требует применения антенн с высокими защитны ми свойствами. Рабочие частоты приемников и передатчиков повторяются через одну станцию. Из-за этого при повышенной рефракции (искривлении направления распространения электромагнитной энергии) на ПРС3 (рис. 9.3) может быть принят сигнал и от станции, стоящей. Через три пролета от нее. Интерференция (сложение) этого сигнала с сигналом от соседней ПРС (на одинаковых частотах!) вызовет искажения и ухудшение качества связи. Для устранения этого явления трассу РРЛС выбирают так, чтобы мешающий сигнал был ослаблен за счет направленного действия антенн (рис. 9.4). Направления главных лепестков антенн у станций, расположенных через три пролета, не совпадают. Разнести надо так, чтобы угол между направлением на соседнюю станцию и направлением на станцию через три пролета был больше ширины главного лепестка диаграммы направленности антенн.
Распределение частот по стволам многоствольных РРСП осуществляется методом группирования (разнесения) частот (рис. 9.5), когда частоты приема всех стволов размещаются (группируются) в одной половине отведенной полосы частот, а частоты передачи всех стволов — в другой половине.
На рис. 9.5 показан план распределения частот для нечетной подгруппы стволов. В каждом из стволов принят двухчастотный план распределения частот приема и передачи.
210
дачи. В каждом стволе частоты приема и передачи отличаются на частоту сдвига fсдв. Для дополнительной селекции поля сигналов приема и передачи различаются по направлению поляризации (вектору напряженности электри-
ческого поля Е1 и ↑Е2).
Структурная схема ПРС с разнесением частот приема, и передачи приведена на рис. 9.6.
На станциях РРЛС применяются приемопередающие антенны. Помехи приемникам со стороны передатчиков устраняются полосовыми фильтрами (ПФ) и использованием волн разной полярности, а объединение (разделение) стволов обеспечивается разделительными фильтрами (РФ).
9.2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ САНТИМЕТРОВЫХ РАДИОВОЛН НА РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ ЛИНИЯХ СВЯЗИ
Радиорелейные и спутниковые системы передачи относятся к радиосистеме передачи, в которой сигналы электросвязи передаются посредством радиоволн в открытом пространстве. Открытое пространство — безграничная однородная среда, где отсутствуют потери излучаемой мощности. Распространением радиоволн в открытом пространстве называют идеальный случай распространения, когда отсутствует влияние земли и тропосферы. Такое распространение сантиметровых радиоволн наблюдается на спутниковых линиях связи и в отдельные периоды на пролетах радиорелейных линий.
Если в открытом пространстве поместить изотропный излучатель (точечный излучатель, равномерно излучающий радиоволны во всех направлениях) с излучаемой мощностью Рпер (рис. 9.7), то плотность потока мощности на
расстоянии r от изотропного излучателя равномерно распределится по поверхности сферы: П = Рпер /(4πr2), Вт/м2.
В РРСП надо знать поле направленного излучения с учетом коэффициента усиления антенн
211
G 4S / 2 |
(9.1) |
где S — площадь раскрыва антенны (апертура); λ— длина рабочей волны..
В диапазоне сантиметровых радиоволн принято, характеризовать условия распространения мощностью, создаваемой на входе приемника Рпр. Для определения Рпр рассмотрим структурную схему пролета РРЛС (рис. 9.8).
С учетом направленных свойств передающей антенны Gпер, приемной антенны Gпр и коэффициентов полезного действия антенно-фидерных трактов — передающего η пер и приемного η пр
Pпр ПSпр пр ;
(9.3)
П PпрGпр пер /(4 r 2 ).
Площадь раскрыва приемной антенны из (9.1)
S |
пр |
G |
пр |
2 |
/(4 ) |
(9.4) |
|
|
|
|
|
Тогда мощность сигнала на входе приемника определим,подставляя (9.3) и (9.4) в.(9.2):
Р |
P |
2G |
G |
|
пер |
/(16 2 |
r 2 ) |
(9.5) |
пр |
пер |
|
пер |
пр |
|
|
|
Величину V02 2 /16 2 r 2 называют о с л а б л е н и е м радиоволн в открытом
пространстве, а обратную величину L0 1/V02 —основными потерями при передаче в открытом пространстве. С учетом (9.5)
L0 Рпер / Рпр 16 2 r 2 /( 2GперGпр пер пр ) Потери при передаче в реаль-
ных условиях с учетом дополнительных потерь Li 1/Vi2
L L0 Li L0 /Vi2 16 2 r 2 /( 2GперGпр пер прVi2 )
где Vi Ei / Ei0 множитель ослабления на t-м пролете (отношение напря-
женности поля в точке приема к напряженности поля в этой же точке в условиях открытого пространства). Тогда ослабление радиоволн в реальных условиях
212
V 2 V02Vi2 1/ L 2GперGпр пер прVi2 /(16 2 r 2 ) .
Рассмотрим влияние Земли на Vi, считая тропосферу однородной и непоглощающей средой (рис. 9.9). В точке приема наблюдается интерференция двух волн — прямой и отраженной от поверхности Земли. Тогда по отношению к
полю открытого пространства Vi 
1 Ф 2 2 Ф 2 cos(2 r / ) , где | Ф | —
модуль коэффициента отражения от Земли; r — разность хода между прямым и отраженным лучами; —фаза коэффициента отражения.
Можно показать, что при |Ф| = 1 и (последнее выполняется при условии h1<< r и h2<< r) множитель ослабления Vi = 2sin (π∆r/λ) и меняется в пределах 0≤ Vi ≤:2.
Напряженность поля равна напряженности поля открытого пространства Ei = Ei0, a Vi = l при ∆r= λ/6. Просвет, при котором выполняется это условие, обозначают через Hо (рис. 9.10). Реально поверхность Земли неровная, что существенно влияет на условия распространения УКВ. Плоская вершина препятствия (самая высокая точка профиля пролета) тоже может сформировать отраженный луч. На формирование поля в точке приема влияет область пространства, ограниченная эллипсоидами вращения с фокусами в точках расположения передающей и приемной антенн (зоны Френеля). Поэтому для получения Ei = Ei0, (Vi = 1) необходима не просто геометрическая видимость, а свободная от препятствий минимальная зона Френеля, которая определяется радиусом минимальной зоны Френеля: H0 = 
(1/ 3)r K(1 K) , где r — длина пролета; λ — длина рабочей волны; K = r1 / r — относительная координата препятствия; r1 — расстояние до препятствия.
Для классификации пролетов РРЛС сравнивают реальный просвет Я (между прямой, соединяющей точки размещения передающей и приемной антенн, и наивысшей точкой профиля пролета) с просветом H0.
Пролет открытый, если Н= H0, тогда Ei = Ei0,,Vi = l, или H >H0, тогда Ei = Emax, и Vi = 2 или Ei = Emax и Vi = 0.
213
Пролет полуоткрытый (полузакрытый), если 0< H <H0, тогда Ei < Ei0,, 0<Vi<l.
Пролет закрытый, если H <0, тогда Ei << Ei0 , 0<<Vi<<l..
Классификация пролетов дана без учета атмосферной рефракции. С учетом изменения атмосферной рефракции реальный просвет Н меняется в широких пределах и один и тот же пролет РРЛС может оказаться любым.
Одной из причин изменения множителя ослабления является изменение просвета, который определяется высотой подвеса антенн. Другая причина изменения Vi (при постоянной высоте подвеса антенн) — изменение метеорологических условий (влажности, давления, температуры) и связанное с ними изменение диэлектрической проницаемости воздуха е с высотой, что приводит
крефракции радиоволн в тропосфере (искривлению траектории волн).
Взависимости от значения вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха g = dε,/dh различают два вида тропосферной рефракции; отрицательная (субрефракция), при которой g>0 и траектория волны обращена к Земле выпуклостью вниз (рис. 9.11), и положительная, при которой ε<0 и траектория волны обращена к Земле выпуклостью вверх.
Для учета влияния рефракции радиоволн на РРЛС вводят понятие экви-
валентного радиуса Земли. Введение Rэ (вмеето реального радиуса Земли R — 6370 км) меняет реальный просвет на пролете Я до значения H(g) = H +∆H(g) с
учетом рефракции (рис. 9.12). При g<0 Rэ>R, H(g)>H.
Для большинства климатических районов России средние значения эффективного вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха g
известны, и нетрудно определить изменение просвета из-за рефракции ∆H(g) =—r2g(1—К)/К/4.
Причинами дальнего тропосферного распространения УКВ являются переизлучение электромагнитной энергии (рассеиванием или отражением) объемными и слоистыми неоднородностями в тропосфере и отражение (рассеяние) от всей толщи тропосферы. В переизлучении радиоволн участвует объем тропосферы, заключенный между лепестками диаграмм направленности антенн станций (рис. 9.13).
Длина пролета ТРРСП при нормальной (стандартной) ре фракции может превышать 1000 км. Особенностями распространения сантиметровых радиоволн
214
на пролетах ТРРСП являются весьма существенные потери при передаче (до 250 дБ) и замирания сигналов. Различают быстрые замирания сигнала, обусловленные интерференцией множества волн в точке приема, и медленные замирания, вызванные медленным изменением параметров неоднородностей в объеме переизлучения (интенсивности, размеров и количества). Сезонные замирания сигнала особенно сказываются при переходе от зимы к лету.
Особенности распространения сантиметровых радиоволн на двух участках спутниковой линии связи Земля — спутник и спутник — Земля заключаются в больших потерях на каждом участке, поглощении в газах тропосферы и дождях (при f>6 ГГц), рефракции радиоволн в тропосфере и ионосфере.
9.3. АНТЕННО-ВОЛНОВОДНЫЕ ТРАКТЫ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ
Антенна — устройство, предназначенное для излучения и приема электромагнитных волн. Сигнал СВЧ от передатчика к ан тенне и от антенны к приемнику передается через волноводный тракт. В радиорелейных и спутниковых СП в диапазоне сантиметровых волн используются круглые, эллиптические и прямоугольные волноводы. Кроме того, волноводный тракт содержит волноводные элементы, позволяющие многократно использовать антенноволноводный тракт (АВТ) для организации приема и передачи сигналов нескольких СВЧ стволов. Требования, предъявляемые к АВТ, заключаются в минимальных потерях при передаче энергии и минимальных отражениях.
Все антенны радиорелейных и спутниковых систем передачи приемопередающие. Поэтому антенна вместе с волноводным трактом должна обладать высоким переходным затуханием между трактами приема и передачи. Переходное затухание An =10 lg Ри / Рпр (Ри — излучаемая мощность; Рпр — мощность, попадающая на вход приемника) должно составлять 80 дБ для рядом стоящих антенн и 120 дБ для антенн, стоящих «спиной». Для увеличения переходного затухания антенна передает и принимает волны с различными поляризациями (вектор напряженности электрического поля вертикальный или горизонтальный).
В заданном диапазоне частот антенна должна быть хорошо согласована с волноводным трактом. Степень согласования влияет на уровень переходных шумов в телефонных каналах. Для оценки степени согласования применяют коэффициент бегущей волны КБВ=(1— р)/(1+ р), р— коэффициент отражения от антенны.
Антенна обеспечивает двухчастотный план распределения частот на пролетах РРЛС, для чего должна обладать высоким коэффициентом защитного действия Кз = Gо°— G 18о° ≥ 60 дБ, который характеризует уровень приема антенны в противоположном на правлении относительно уровня приема в главном направлении.
Коэффициент усиления антенны показывает, во сколько раз можно уменьшить подводимую мощность к ненаправленной антенне при замене ее направленной, сохранив неизменной напряженность поля в точке приема;
215
G = ηD. Здесь η — коэффициент полезного действия (КПД) антенны, который равен отношению мощности излучаемой к мощности, подводимой к антенне (для большинства применяемых антенн КПД близок к единице); D — коэффициент направленного действия (КНД) антенны, характеризующий способность антенны концентрировать излучение в заданном направлении. Численно коэффициент усиления равен коэффициенту направленного действия антенны и одинаков при передаче и приеме.
На СВЧ в основном используются апертурные антенны, излучение которых определяется возбужденной поверхностью. Для таких антенн G = 4πSKи/λ2, где S —площадь раскрыва (апертура) антенны; λ — длина рабочей волны; Kи = 0,5... 0,65 — коэффициент использования апертуры, который учитывает распределение поля в раскрыве, затенение раскрыва, точность выполнения поверхности зеркала, утечку энергии за зеркало, потери в защитном колпаке антенны. Если известен диаметр зеркала антенны d, то G = π2d2Kи/λ2.
Коэффициент направленного действия антенны характеризуют диаграммой направленности, которая определяет угловое распределение поля излучения антенны, а численно оценивают шириной главного лепестка диаграммы направленности на уровне половинной мощности;
00,5 225
Ки / G 70 / d d.
В радиорелейных и спутниковых СП используются апертурные одно- и двухзеркальные антенны и перископические антенные системы.
Параболическая антенна (ПА) состоит из рупорного облучателя и отражателя (в форме параболоида вращения), который преобразует сферический фронт волны (у рупора) в плоский фронт волны в раскрыве антенны (рис. 9.14). К недостаткам антенны относится низкий Кз, так как облучатель и фидер затеняют отражающее зеркало.
Рупорно-параболическая антенна (РПА) состоит из рупорного облучателя, объединенного в единую конструкцию с отражающим зеркалом, которое является частью параболического зеркала (рис. 9.15). Здесь облучатель и фидер не затеняют отражающее зеркало.
Антенна двухзеркальная с гиперболическим вторым зеркалом (АДГ) состоит из основного параболического зеркала, второго гиперболического и рупорного облучателя, помещенного за основным зеркалом (рис. 9.16). В раскрыве антенны тоже образуется волна с плоским фронтом. Достоинством АДГ по сравнению
216
с ПА является большее значение К3 и лучшее согласование с фидером.
Антенна двухзеркальная с эллиптическим конусом (АДЭ) состоит из основного параболического зеркала и конуса в качестве второго зеркала (рис. 9.17). Наличие конического острия на Эллиптическом конусе устраняет реакцию второго зеркала, улучшает согласование антенны, позволяет сокращать расстояние между облучателем и вторым зеркалом, уменьшать утечку энергии за зеркало и повышать коэффициент использования раскрыва антенны.
217
Перископические антенные системы (ПАС) бывают двухэлементными (рис.9.18) и трехэлементными (рис. 9.19), Первая состоит из ПА в качестве излучателя, расположенного у основания опоры, и плоского зеркала — переизлучателя (ПЗ). Конструкция не требует длинного фидера для передачи энергии.
Вторая содержит рупорный облучатель, расположенный в нижнем фокусе эллипса, нижнее переизлучающее зеркало в форме части эллипсоида вращения и верхнее переизлучающее плоское зеркало, расположенное в верхнем фокусе эллипса. К недостаткам ПАС относится низкий коэффициент защитного действия, что не позволяет использовать их при двухчастотном плане распределения частот приема и передачи.
Для многократного использования антенно-волноводного тракта (АВТ) применяют три вида селекции:
частотную — с помощью разделительных фильтров (чаще всего полосовых); поляризационную — с помощью поляризационных селекторов, разделяющих поля сигналов приема и передачи по направлению поляризации поля
(вектору напряженности электрического поля); по направлению распространения волн в волноводе — с помощью феррито-
вых циркуляторов.
В зависимости от числа используемых видов селекции различают двух- и трехступенчатые схемы уплотнения. Рассмотрим схемы уплотнения на примере шестиствольной системы (рис. 9.20).
Первая ступень двухступенчатой схемы (рис. 9.21)—разделительные фильтры: РФ1—фильтр сложения сигналов трех передатчиков, РФ2 — фильтр разделения сигналов трех приемников. Каждый фильтр состоит из трех ячеек (по числу стволов), основным элементом селекции которых являются полосовые фильтры. на строенные на частоты своего ствола.
Вторая ступень уплотнения — поляризационный селектор (ПС), который совмещает сигналы приема и передачи одной подгруппы стволов (в примере — подгруппу нечетных стволов) для распространения в общем волноводе круглого сечения.
218
До совмещения сигналы приема и передачи распространяются в прямоугольных волноводах.
В случае трехступенчатого уплотнения АВТ (рис. 9.22) третьей ступенью, которая совмещает в одном АВТ сигналы приема и передачи обеих подгрупп стволов (имеющих одинаковый вектор
напряженности электрического поля ↑Е1, или Е2), являются ферритовые циркуляторы (ФЦ).
9.4. АППАРАТУРА АНАЛОГОВЫХ И ЦИФРОВЫХ РАДИОРЕЛЕЙНЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ ПРЯМОЙ ВИДИМОСТИ
Структурная схема приемопередающей аппаратуры симплексного СВЧ ствола промежуточной станции с общим гетеродином приведена на рис. 9.23. Принимаемый сигнал на частоте fi через разделительный фильтр и входной полосовой фильтр (преселектор) поступает на вход смесителя приемника (СМПР), на который одновременно поступает сигнал с частотой гетеродина приемника fг.np. С выхода смесителя сигнал промежуточной частоты fпч = 70 МГц подается на предварительный усилитель промежуточной частоты (ПУПЧ), который должен обеспечить
219