Расчет поля в освещенной зоне с учетом рефракции радиоволн в тропосфере

В диапазоне УКВ высота поднятия антенн на передаче (h₁) и приеме (h₂) обычно больше длины волны , поэтому весь путь распространения земной волны делят на три зоны: освещенную, полутени и тени.

В освещенной зоне поле имеет интерференционную структуру за счет сложения прямой и отраженной от Земли волн. Расчет напряженности поля в этой зоне базируется на интерференционной формуле (16.31). Для практических расчетов в (16.31) необходимо учесть электрическую неоднородность тропосферы.

Электрическая неоднородность тропосферы, проявляющаяся в рефракции радиоволн, влияет на все параметры, от которых зависит поле в освещенной зоне. По сравнению со случаем прямолинейного распространения изменяются (рис. 20.1) длины путей прямой r₁ и отраженной r₂ волн, т.е. сдвиг фаз , угол наклона траектории отраженной волны  и соответственно коэффициент отражения R, а также коэффициент расходимости D_p.

Как видно из формул (16.26) — (16.28), значения ,  и D_р определяются приведенными высотами h₁’ и h₂’ (16.25), которые зависят от радиуса Земли а_зм. Это позволяет свести учет рефракции к расчету ,  и D_р по указанным формулам с заменой в них а_зм на эквивалентный радиус а_зм,э (18.18). В итоге действующее значение напряженности поля УКВ в освещенной зоне:

. (20.1)

На радиолиниях, где в пределах существенной области для отражения поверхность Земли достаточно ровная и плоская, модуль коэффициента отражения R  1,  ~  и коэффициент расходимости D_р  1. Для таких условий интерференционная формула (20.1) упрощается:

. (20.2)

Формула для расчета напряженности поля еще более упрощается, если рассматривать большие расстояния r (в пределах освещенной зоны), при которых в (20.2) синус можно заменить его аргументом. Это можно сделать, если . Тогда на расстояниях формула для расчета напряженности поля приобретает вид

. (20.3)

Эта формула была получена Б.А. Введенским и называется квадратичной формулой Введенского.

Видно, что на указанных расстояниях r интерференционная структура поля перестает существовать и величина поля уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния. Столь резкое убывание поля можно объяснить тем, что при увеличении расстояния уменьшается разность хода r = r₂ — r₁, т.е. сокращается пространственная разность фаз . В то же время при скользящем отражении R  —1 при любой поляризации. Другими словами, чем больше расстояние r, тем полнее взаимная компенсация прямой и отраженной волн в точке приема, что и вызывает сравнительно быстрое убывание поля. На рис. 20.2 представлена зависимость множителя ослабления от расстояния, которая соответствует формулам (20.2) и (20.3).

14. Особенности распространения укв излучения земной волной. Формула Введенского. Учёт рельефа местности. Расчет поля с учетом рельефа местности

Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. В зависимости от их размеров, электрических свойств, количества, а также от длины распространяющейся волны элементы рельефа оказывают различное влияние на поле в точке приема.

Рассмотрим сначала влияние мелких неровностей, которые придают земной поверхности свойства так называемой шероховатой поверхности. Поверхность считается шероховатой, если выполняется известный из курса физики критерий Рэлея:

, (20.4)

где h — средняя высота неровностей в пределах существенной области для отражения;  — угол возвышения траектории отраженной волны (см. рис. 20.1). Если условие (20.4) выполняется, то отражение от Земли считается рассеянным (диффузным) и в формуле (20.1) для расчета напряженности поля коэффициент отражения R заменяется на эффективный R_Эф < R. Значения R_Эф для различных видов неровной земной поверхности приведены в [50].

Крупные элементы рельефа местности в виде, например, гор и долин, холмов и оврагов, строений разнообразны по размерам, форме, местоположению на трассе. Неровности земной поверхности такого типа существенно влияют на условия распространения земной волны. Чем меньше длина волны, тем это влияние выражено более резко. В диапазоне УКВ существуют два различных подхода к учету рельефа.

На наземных линиях связи (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости, где одно передающее устройство обслуживает один фиксированный пункт приема, применяют детерминированные методы учета рельефа. Эти методы основаны на приближенной аппроксимации больших неровностей земной поверхности телами правильной геометрической формы: сферой, клином и т.п. Отметим лишь, что наличие крупных препятствий на трассе иногда приводит к некоторым эффектам, которые на первый взгляд кажутся неожиданными.

Рассмотрим, например, случай, когда на пути распространения земной волны имеется одиночное препятствие (рис. 20.3). Даже при небольшом расстоянии между пунктами передачи и приема препятствие закрывает прямую видимость и точка приема оказывается в зоне тени. Затенение точки приема препятствием приводит как правило, к значительному ослаблению сигнала. Однако в некоторых случаях, как показывают эксперименты, напряженность поля в точке приема может в несколько раз превышать значение напряженности поля в отсутствие препятствия. Этот эффект называют эффектом усиления за счет препятствия.

В рамках отражательной трактовки эффект усиления за счет препятствия можно пояснить следующим образом. Как показано на рис. 20.3, вершина препятствия возбуждается двумя волнами: прямой и отраженной от Земли, амплитуды которых будем считать одинаковыми и равными Е₀. Если эти две волны складываются в фазе, то вершина препятствия возбуждается полем с амплитудой 2Е₀. Возбужденная вершина является источником вторичных волн, которые достигают точки приема также по двум путям: как прямая и отраженная от Земли волны, амплитуды которых примерно одинаковы. Если эти волны в точке приема складываются в фазе, то при идеальной ситуации напряженность поля в точке В будет равна 4 Е₀.

Таким образом, при удачном стечении обстоятельств напряженность поля за препятствием может превышать значение поля в свободном пространстве. Если учесть, что на реальных радиолиниях напряженность поля в точке приема обычно меньше напряженности поля в свободном пространстве, то выигрыш в усилении за счет препятствия по сравнению с полем в его отсутствие получается еще больше и может достигать десятков децибел.

Практическое использование эффекта усиления за счет препятствия реализуется установкой на вершинах гор и холмов специальных пассивных ретрансляторов, имитирующих этот эффект. Расчет систем радиовещания и телевидения, а также систем связи с подвижными объектами выполняется с помощью статистических методов. В основе вероятностных оценок условий приема в разных участках зоны, обслуживаемой тем или иным передатчиком, лежат, как правило, обобщенные результаты измерений напряженности поля. Наиболее сложные условия распространения наблюдаются в крупных городах, застроенных разноэтажными зданиями.

18 Особенности устройства и работы космических радиолиний. Искажения, и шумы на космических радиолиниях.

Связь между земными пунктами, находящимися на расстояниях от нескольких тысяч до нескольких десятков тысяч километров друг от друга, удобно осуществлять на сантиметровых волнах с помощью ИСЗ, применяемых в качестве активных ретрансляторов. В то же время специалисты, занимающиеся вопросами создания телекоммуникационных сетей, считают, что, например, для центральной части России при расстоянии между передающими я приемными центрами более 400 ...500 км ретрансляция программ через ИСЗ становится выгоднее, чем их передача по наземным каналам (кабельным и РРЛ). В труднодоступных местностях (в болотистых, в горных ущельях) это расстояние может быть еще меньше.

Для увеличения пропускной способности спутниковых систем связи кроме используемого частотного диапазона 4/6 ГГц в настоящее время все шире осваиваются новые диапазоны 11/14 и 20/30 ГГц.

Объем и качество передачи информации во многом определяются антенно-фидерным устройством системы спутниковой связи (ССС). С учетом этого сформулируем основные требования к антенным устройствам ССС.

Антенны земных станций ССС. К указанным антеннам предъявляются следующие основные требования:

1) обеспечение высокого КУ при достаточно большом КИП (0,6 ...0,7) и как можно более низких значениях шумовой температуры и УБЛ;

2) возможность наведения луча на ИСЗ с помощью опорно-поворотного устройства, а также систем программного и ручного наведения и автоматического сопровождения;

3) сохранение электрических характеристик и надежной рабо­ты в заданных климатических условиях, особенно при предельных скоростях ветра;

4) соответствие ДН антенны справочной диаграмме, рекомендуемой МККР (с целью обеспечения условия электромагнитной совместимости). Справочная диаграмма представляет собой графическое изображение (или аналитические выражения) огибающей рекомендуемой ДН относительно изотропного излучателя.

Антенны земных станций спутниковой связи (ЗССС) и космической радиосвязи являются сложными устройствами, имеющими большие габаритные размеры и массу. Они работают в условиях воздействия переменных ветровых нагрузок, дождя, гололеда, солнечного нагрева и т.д. В этих трудных климатических условиях должны быть обеспечены высокая механическая прочность антенной системы и сохранение с высокой точностью заданной формы поверхности зеркала. С этой целью зеркало антенны снабжается мощным каркасом, опирающимся на несущую платформу антенно-поворотного устройства (рис. 10.19).

Одной из важнейших характеристик антенн ЗС является величина отношения КУ антенн (G) к суммарной шумовой температуре (T_) на входе приемного устройства, измеренной в Кельвинах при угле места 5° (шумовая добротность). Современные зеркальные антенны ЗС с диаметром раскрыва 30 м имеют G/T около 42 дБ/К. Очевидно, что для увеличения отношения G/T следует увеличивать КУ антенны и уменьшать суммарную шумовую температуру

T_ =Т_у + Т_тр + Т_А.

Здесь Т_у — шумовая температура малошумящего усилителя (МШУ), к которому присоединена антенна (обычно Т_у = 40...60 К); Т_тр — шумовая температура СВЧ тракта, соединяющего антенну с МШУ; Т_А — эквивалентная шумовая температура антенны.

Температура Т_А растет при уменьшении угла места  (угол между направлением максимального излучения и горизонтом) из-за увеличения поглощения радиоволн в большей толще атмосферы Земли и приема шумов теплового излучения Земли. При  = 4...5° уровень шумов Земли недопустимо возрастает, так как их прием происходит через боковые лепестки, близкие к главному.

Кроме того, при уменьшении угла  путь от антенны до ИСЗ (или космического объекта), проходящий в плотных слоях атмосферы, удлиняется, что ведет к увеличению уровня шумов, порождаемых атмосферой. Минимально допустимый угол места в диапазоне 4/6 ГГц составляет 5... 7°. В диапазонах 11/14 и 20/30 ГГц ввиду существенного возрастания потерь в атмосфере минимально допустимый угол места  не должен быть менее 10°.

В связи с ростом числа ИСЗ на геостационарной орбите и уменьшением углового расстояния между ними на ЗС возрастает опасность помех от соседних ИСЗ. Поэтому антенны ЗССС должны иметь низкий УБЛ.

На ЗССС с малой пропускной способностью и станциях телевизионного вещания, обслуживающих небольшие населенные пункты, применяются однозеркальные антенны с КУ не более 35 дБ и несколько многоэлементных директорных антенн, .работающих в параллель (система «Экран») с КУ примерно 21 ...28 дБ.

На ЗССС с большой пропускной способностью используются в основном двухзеркальные модифицированные параболические антенны. Диаметры раскрыва таких антенн определяются заданными значениями рабочей частоты, КУ, УБЛ и доходят до 30 ...32 м.

В качестве примера рассмотрим антенну ЗССС, обеспечивающую телефонную, телефаксную связь и передачу данных межмашинного обмена в диапазоне 4/6 ГГц между абонентами, расположёнными на территории России, а также зарубежных стран Европы, Азии, Америки.

Для излучения и приема сигналов используется двухзеркальная параболическая антенна Кассегрена с диаметром раскрыва D = 4,8 м. Профиль малого зеркала с диаметром d = 0,9 м модифицирован с целью реализации максимального КИП антенны. В качестве облучателя используется специально разработанный конический рупор, который во всем рабочем диапазоне антенны формирует осесимметричную ДН с практически неизменной шириной главного лепестка. Диаметр раскрыва облучателя составляет 0,18м.

Диаграммы направленности такой антенны на частоте передачи f₁ = 6,012 ГГц и приема f₂ = 3,95 ГГц представлены на рис. 10.20. Коэффициенты усиления на частотах f₁ и f₂ равны соответственно 46,8 и 43,8 дБ, а УБЛ = —12,9 и —13,9 дБ. Сравнительно высокий УБЛ обусловлен амплитудным распределением поля в раскрыве, близким к равномерному, и влиянием затенения апертуры антенны малым зеркалом. Поляризация поля — круговая левополяризованная при излучении и правополяризованная при приеме.

Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ — произведение подводимой к антенне мощности на КУ антенны) составляет 60 дБВт. Шумовая добротность (отношение КУ антенны к эквивалентной шумовой температуре приемной системы) равна 17 дБ/К.

Сигналы, приходящие от космических кораблей или отраженные от планет при радиоастрономических исследованиях, также весьма слабы из-за очень большой удаленности указанных источников. В этих условиях для того, чтобы обеспечить необходимое отношение сигнал-шум на входе приемника, антенны ЗС должны иметь очень высокий КУ (от 65...70 дБ), чему соответствуют большие размеры антенн и малая угловая ширина главного лепестка ДН.