Муравьев В.В., Липкович Э.Б. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

30

(2.36)

тоамплитудаосцилляцииотношенияЕ

/Е

0

непревышает20%Ео,поэтомусу

щественнойобластьюпространстваприраспространениирадиоволнсчитают

обычноту,чтоохватываетпервые8...12зонФренеля.Есливпределахсуще

ственной области отсутствуют какиелибо неоднородности и препятствия, то

можносчитать,чтоволныраспространяютсявсвободномпространственезави

симоотналичиянеоднородностейипрепятствийзаеепределами.Приориен

тировочных расчетах часто влиянием препятствий пренебрегают, если они

находятся за пределами первого эллипсоида Френеля. Кроме существенной

области иобластипервогоэллипсоида Френеляприрасчетерадиолиний ис

пользуетсяпонятие минимальнойобластираспространениярадиоволн.Мини

мальнаяобластьпредставляетсобой наименьший эллипсоид,конфокальный

эллипсоидамФренеля,длякоторогонапряженностьполявточке ВЕ

min

=Е

.

Поперечные размеры минимальной области определяются∙ радиусом соответ

ствующейминимальнойзоны p

min

.Извекторной диаграммы(рис.2.4,в)следу

ет, что разность хода периферийного и центрального лучей минимальной

зоныдолжнабытьравна λ/2.

Рис2.4

Приэтомрадиусминимальнойзоныопределяетсяизусловия

(2.37)

(2.38)

(2.38)

r

= (8...12)r

k( )1 k ,

r

min

2

1

r

A

1

r

B

+

2

l

r

min

=

1

3

k( )1

k

r

1

31

Так какна реальныхРЛПr>>λ,тоэллипсоид,характеризующийсуще

ственнуюобластьраспространенияволн,имеетмалыепоперечныеразмерыи

оказывается сильно вытянутым. Поэтому при расчете радиолиний часто ис

пользуется лучевая модель распространения радиоволн, т. е. считается, что

волны распространяются вдоль прямой линии, соединяющей передающую и

приемнуюантенны.Необходимо,однако,помнить,чтоусловиемдопустимо

стипримененияуказанноймоделиявляетсяотсутствиенеоднородностейипре

пятствийвпределахсущественнойили,покрайнеймере,минимальнойоб

ластираспространениярадиоволн.

2.2.Влияниетропосферынараспространениерадиоволн

ОбщаяхарактеристикаструктурыатмосферыЗемлииеёвлияния.Сточ

кизрения распространения радиоволн атмосферуЗемли разделяют на триоб

ласти:тропосферу(простирающуюсяотповерхностиЗемлидовысоты1015

км),стратосферу(ограниченнуюснизутропосферой,асверхувысотойпример

но60км)иионосферу(лежащуюзапределамистратосферывплотьдовысот15

–20тыс.км).ЕслинараспространениеволнвРРЛиТРРЛсущественноевлия

ниеоказываеттолькотропосфера,товСЛПнарядустропосферойвнекоторых

случаяхнеобходимоучитыватьивлияниеионосферы.

С точки зрения условий распространения радиоволн тропосфера 

неоднородная среда. Причинами этого являются наличие неоднород

ностейдиэлектрическойпроницаемостивоздухаивозможностьпоявле

ниягидрометеоров(дождя,снега,града,тумана).

Относительная диэлектрическая проницаемость воздуха зависит отме

теорологических параметров

(2.39)

где

Т

к

–температурапоабсолютнойшкале,К;рие–парциальныедавления

воздухаи водяногопара,гПа(илимбар).Сдиэлектрическойпроницаемостью

связанкоэффициентпреломления

(2.40)

Таккакдлятропосферычисленныезначенияεи близкикединице,то

прирасчетахвместонихчастоиспользуетсяиндекспреломления тропосферы

(илиприведенныйпоказательпреломления)

(2.41)

e 1

1 55 10

4 -

× ,

( )

Т

к

р 4810

е

Т

+

N

п

n

п

1 -

( )

10

»

(ε1)/2∙10

6

n

32

Значения метеорологических размеров

Т

к

, ρ и е изменяются в про

странстве и во времени, поэтому величина ε также подвержена пространст

венновременным изменениям. При этом различают регулярные и случайные

пространственновременныеизмененияε.

Регулярныеизмененияεхарактеризуютсреднеесостояниетропосферы,

такназываемуюнормальнуютропосферу.Наиболеезаметнорегулярноеизме

нениеεс изменениемвысотыhнадповерхностьюЗемли,характеризующееся

убывающейэкспоненциальнойзависимостью

(2.42)

где Δεο – отклонение ε от еди

ницы у поверхности Земли;

g=dε/dh–вертикальныйградиент

диэлектрической проницаемости

воздуха у земной поверхности

(g<0). При этом значения Δεο

и g различны для разных клима

тическихрайоновипретерпевают

регулярные сезонные изменения.

Зависимость (2.42) позволяет,

рассматривать нормальную тро

посферу как сферически

слоистую среду, в которой ε за

висит только от расстояния до

поверхности Земли. В реальной

тропосфере всегда имеют место

случайные отклонения зависимо

сти ε (h)отэкспоненциальной. Причиной этого является наличие слоистых и

турбулентных неоднородностей в тропосфере. Слоистые неоднородности обу

словленытемпературнымиинверсиями(например,натеканиетеплоговоздухас

моря на охлажденную сушу) и наличием облаков. Изза резкого изменения

температуры и влажности на границах неоднородностей возникают скачки

диэлектрической проницаемости, достигающие нескольких десятков единиц

. Толщина слоистых неоднородностей лежит в пределах от десятых долей

метрадосотенметров,аихгоризонтальныеразмерыдостигаютдесятковкило

метров.Причинойвозникновениятурбулентныхнеоднородностейявляютсябы

стрыевертикальныеигоризонтальныеперемещениявоздушныхмасс.Врезуль

татеобразованияираспадавихрейвозникаютлокальныенеоднородностидав

ления, температуры и влажности. Образующиеся при этом неоднородности

диэлектрической проницаемости (глобулы) имеют размеры, достигающиеде

сятки метров. Слоистые и турбулентные неоднородности подвержены непре

e 1 De

0

exp

De

33

рывнымслучайнымизменениямвовремениив пространстве.Примернаяза

висимостьε(h)для реальнойтропосферы,соответствующаянекоторомуфик

сированномумоментувремени,изображенанарис.2.5. Средигидроме

теоровнаибольшеевлияниена  распространение волн оказывают дожди.

Основнымихарактеристикамидождейявляютсяихинтенсивность(коли

чествоводы,выпадающейвединицувремени)ипространственныеразмеры

дождевыхочагов.ПриэтомдляоценкиинтенсивностидождейIд вбольшин

стве случаев используются среднеминутные значения Iд.Обычно считается,

чтоинтенсивностьдождейIд,мм/ч:

Прислабомдожде 1…5

Приумеренномдожде 5…20

Присильном 20…40

Приливне,более 40

Прирассмотрениивлияния тропосферы на распространениерадиоволн

в РЛП необходимо учитывать следующие основные факторы: рефракцию

радиоволн(искривлениетраекторииволн),ихпереизлучениенеоднородно

стямитропосферы,ослаблениегазамиигидрометеорамиидеполяризацию.

Ионосфера – это внешняя оболочка земной атмосферы. В условиях

наличия магнитного поля Земли она представляет собой анизотропную

среду.Влияние ионосферынараспространениедециметровыхисантимет

ровыхволн  вобщем незначительно. На практике учитываетсялишь изме

нениеплоскостиполяризациирадиоволн(эффектФарадея)вСЛП,рабо

тающихвдециметровомдиапазоне.

Рефракциярадиоволн втропосфере.Причинойрефракциирадиоволнв.

тропосфере является изменение диэлектрической проницаемости воздуха ε с

высотой.Восноверефракциилежитявлениепреломлениярадиоволннагра

нице раздела двух сред с различными, коэффициентами преломления. Рас

смотримсферическислоистуютропосферу,состоящуюизтонкихсферических

слоевтолщиной Δh, в пределах которых коэффициент преломления одина

ков(рис.2.6).Есликоэффициентпреломленияубываетсвысотой,товсоот

ветствиисзакономпреломленияискривленнаятраекторияволныобращена

выпуклостьювверх.Очевидно,припереходеотскачкообразногокплавному

изменению коэффициента преломления от высоты путем уменьшения, тол

щинывоображаемыхслоевломанаятраекторияволныпревратитсявплав

нуюкривую.

34

Рис.2.6

Переизлучениерадиоволнвтропосферепроявляетсяввидераспростране

ния некоторой части энергии падающейволны в направлениях, отличных от

направления приходящем волны. Причинами переизлучения электромагнит

нойэнергииявляютсярассеяниерадиоволннаобъемных(турбулентных)неод

нородностях, некогерентное отражение от слоистых неоднородностей и коге

рентноеотражениеотвсейтолщитропосферы.

Механизмрассеяниярадиоволнзаключаетсявследующем.Так какди

электрическая проницаемость турбулентных неоднородностей тропосферы

отличаетсяотпроницаемостиокружающейсреды,тоотличаютсяисоответ

ствующие плотности токов смещения. Врезультате указанные неоднородно

сти становятся источниками вторичного рассеянного излучения радиоволн

(рис.2.7,а).Суммарноевторичноеполе,создаваемоевсемиизлучающиминеод

нородностямп,являетсярезультатоминтерференцииэлементарныхполей.Ин

тенсивность суммарного излучения в некотором направлении П

2

зависит от

угларассеянияψмеждуэтимнаправлениеминаправлениемраспространения

падающейволныП,. Приэтоммаксимум вторичного излучениясовпадаетс

направлениемпадающейволны.

По сравнению с малыми объемными неоднородностями на границах

протяженных горизонтальных слоев, как правило, имеет местоболее резкий

скачок диэлектрической проницаемости, что обусловливает частичное отра

жение радиоволн на границе раздела двух сред. На рис. 2.7,б изображены

траектории падающей (сплошные линии) и отраженных волн (штриховые).

Случайныйхарактеробразованияи изменениятурбулентных ислоистыхне

однородностей обусловливаетнекогерентностьсложения волн,переизлучен

ныхотдельныминеоднородностями.

35

Когерентноеотражениерадиоволнотвсейтолщитропосферыобусловле

ноплавной(экспоненциальной)зависимостьюеедиэлектрическойпроницаемо

стиотвысотыипотомухарактеризуетпереизлучениеэлектромагнитнойэнер

гии нормальной тропосферой. Пользуясь сферическислоистой моделью тро

посферы,отражение радиоволн нормальной тропосферой можнопояснить с

помощью рис.2.7,в.Приэтомследуетподчеркнуть, что отражениевданном

случаеимееткогерентныйхарактер,таккакамплитудыифазырадиоволн,от

раженныхотдельнымислоями,являютсядетерминированнымивеличинами.

Ослаблениерадиоволнвгазах _

Поглощение в газах тропосферы вызывается в основном кислородом и

водяным паром и бывает нерезонансным и резонансным. Нерезонансное по

глощениесвязаносзатратамиэнергии∙падающейволнынапреодолениевза

имноготрения, молекул воды и кислорода,обладающих соответственно элек

трическимимагнитныммоментамиисовершающихвынужденныеколебания.

Этопоглощениебудетмаксимальным при совпадениичастоты падающейра

диоволныссобственнымичастотамиколебаниймолекул.Резонансноепогло

щениепроисходитврезультатезатратэнергиипадающейволнынапереходы

молекулиатомовгазов,вболеевысокиеэнергетическиесостояния.Такиепе

реходы возникают при совпадении частоты падающей волны с дискретными

частотами внутримолекулярных переходов, зависящими от возможных разно

стей «разрешенных» энергетических уровней молекул и атомов: В

peзультатеспонтанныхобратныхпереходовмолекулиатомоввболее низ

киеэнергетическиесостояния запасенная энергия излучается, создавайшум

атмосферы.

Поглощение электромагнитной энергии газами тропосферы становится

заметным на частотах выше10 ГГц. На рис. 2.8 изображены зависимости

погонногоослабленияγ

,вызванногопоглощениемвводяномпареикислоро

де,отчастотыпристандартномдавлениивоздуха1013гПа(760ммр.с),тем

пературе 20°С и удельной влажности (водности) 7,5 г/м

3

на уровне моря

(кривая1).Кривая2показываеткакизменяетсяпогонноеослаблениенавы

соте 4 км над уровнем моря при температуре 0˚С и удельной влажности 1

г/м

3

. Как видноиз рис. 2.8 поглощение имеетявно выраженный частот

нозависимый характер, резонансные пики поглощения наблюдаются на

36

частотах22и165ГГц(для водяныхпаров),атакже60и 120ГГц (дляки

слорода).

Деполяризация радиоволн в тропосфере проявляется в возникновении

ортогональной составляющей поля и наблюдается в интенсивных осадках на

частотахвыше10ГГц.Основнымипричинамидеполяризации восадкахяв

ляютсянаклонноепадениечастициотличиеихформыотсферической.Де

поляризацияноситслучайныйхарактериззаизмененияветровогорежимаи

интенсивностиосадков.

Рис.2.8

Эквивалентная длинапутисигналадляспутниковойлиниисвязивстан

дартнойатмосфере,очевидно,зависитнетолькоотэквивалентнойтолщиныат

мосферы,ноиот угламестаземнойантенныβивысотыземнойстанциинад

уровнемморя h

=

sin

)hh(

l

3

2

0

=

sin

)hh(

l

3O

2

H

2

где

2

0

h и

2

H

h эквивалентнаятолщинаслоясоответственнокислородаи водя

ныхпароввстандартнойатмосфере;

2

0

h =5,3км,

2

H

h =2,1км.

Сучетомэквивалентнойдлиныпутиприусловии,чтоh

3

=0,нарис.2.9

представленазависимостьполногопоглощениярадиоволнотугламестаантен

нывспокойной(невозмущенной)атмосферебезгидрометеоров,котороепред

ставляет собой как бы постоянную составляющую потерь, происходящих в

течениевсеговремени.

37

Рис.2.9

Ослаблениерадиоволнвгидрометеорах.

Ослаблениевгидрометеорах (дожде,снеге,граде,тумане)происхо

дитизза нерезонансногопоглощенияи рассеяния  электромагнитной энер

гиичастицамигидрометеоров.Приэтомнаибольшееослаблениерадиовол

ны испытывают в дождях. Физически  смысл  ослабления в гидрометео

рах, можно пояснить следующим образом. Так как диэлектрическая про

ницаемостьводы велика (ε

»80), то при прохождении, радиоволн в ка

ждойкаплеводы наводятсязначительныетокисмещения(токиполяри

заций). Эти токи

,

с одной стороны, обусловливают тепловые потери,

так как вода не является идеальным диэлектриком, с другой стороны,

являются причиной вторичного рассеянного излучения электромагнитной

энергии, в результате чего уменьшается доля энергии, распространяю

щейся в нужном направлении. В сухом снеге и граде (лёд) ослабление

значительно меньше изза меньшей диэлектрической проницаемости

частиц(ε

»1,2; ε

»3).Погонноеослабление в осадкахзависитотинтен

сивности осадков, частоты, температуры, размеров капель и частиц.

Представлениеотом,каккоэффициентγ

д

зависитотразмеракапель,даётрис

2.10, на котором приведена зависимость коэффициента γ

д

от длины волны

приразныхинтенсивностяхдождя.ПриR=5мм/чсильнаязависимостьγ

д

от

видараспределениякапельдождяпоразмерамнаблюдаетсядляλ<7,5мм,а

приR=50мм/чдляR£ 10мм.

Врядеслучаевотклоненияизмеряемыхзначенийγ

д

отсреднихдостигает

100%иболее.Этосвязано,преждевсего,сбольшимиразличиямиметеорологи

38

ческихусловийвразныхгеографическихрайонах.Отметим,чтонаослабление

вдождевлияетвзаимноерасположениеантенныиобластидождя.Кромеэтого,

независимооттого,гденаходятсячастицыдождя–вближнейилидальнейзоне

передающей и приемной антенн, ослабление и фазовый сдвиг волны в дожде

будутодинаковыми.

Важным эффектом, ухудшающимраспространениеволнКВЧдиапазона

в дожде, является их рассеяние. Причем отрицательный эффект рассеяния в

дожде выражается не только в повышении значения коэффициента стоячей

волныпонапряжению(КСВН)пространствараспространения,ноиввозбужде

нии некогерентных волн рассеяния. Так, фаза волн, рассеянных единичным

объемом среды в направлениях вперед и назад, жестко связана с фазойпа

дающей волны.Этоозначает, чторассеянноевэтихнаправленияхизлучение

всегдакогерентноиотвечаетзаростКСВНпространства.Однако

вследствиерассеянияволннакаплях

дождя в направлениях, отличных от

направлений вперед и назад, при рас

пространении в дожде когерентного

излучения появляется некогерентная

составляющая. Кроме того, рассеяние

волнвдождеприводитнетолькокос

лаблениюиухудшениюкогерентности,

ноикдеполяризацииизлучения.

Для практической оценки ослаб

лениярадиоволнвдождепричастотах

от 15 до 60 ГГц удобно использовать

аппроксимационные выражения. Так,

общееослаблениевдождекоэффици

ентау

,дБ/км,можнонайтипоформу

ле

Ониопределяютсяизвыражений

g

д

a

Рис.2.10

где к и а – параметры, зависящие от

поляризациирадиоволн.

a a

a

1

lnf( )

1 -

+ a

2

lnf( )

3 -

+ a

3

lnf( )

+

k expk

0

k

1

lnf + k

2

lnf( )

Зависимостьослаблениякоэффициентаγ

д

отинтенсивностидождядляверти

кальнойполяризациираспространяющейсяволныпредставленанарис2.11.

Нарис. 2.12приведенызначениякоэффициента ослабления вснегопадах

с

надлиневолны8,6ммвзависимостиотихинтенсивностиитипасраспределе

ниемчастицснегапоразмерам.Изрисункаследует,чтоослаблениевснегопадахс

сухимснегомсущественноменьше,чемослаблениевдожде.Виднотакже,чтозна

чение γ

ς

(с присутствующей в снеге водойвсвободном состоянии) больше,чемв

дождестакойжеинтенсивностью.Приэтомсростомсодержанияводывснегеос

лаблениеувеличивается.ОслаблениерадиоволнКВЧдиапазонавснегопадахссу

хим,снегомпочтиполностьюопределяетсярассеянием,таккакмнимаячастько

эффициентапреломленияльдавмиллиметровомдиапазоне,являетсяоченьмалой

величиной.

Эквивалентная длина пути, сигнала в, дождевой зоне на радиолиниях Земля

спутник

гдеК(ε)–коэффициент,учитывающийнеравномерностьпространственногораспре

деленияинтенсивностидождя;h

R

–эквивалентнаятолщинадождевойзоны.

Значения, вычисленные для различных интенсивностей дождя с учетом про

странственной локализациидождевой зоны, приведены на рис. 2.13 из которого

следует,чтоприбольшихинтенсивностяхдождяэквивалентнаядлинапутисигна

ласущественноменьше

:

геометрической.Этотколичественныйрезультатподтвер

ждаетхорошоизвестноеположениеотом,чтодожди

Муравьев В.В., Липкович Э.Б. Спутниковые и радиорелейные системы передачи

Подождите немного. Документ загружается.