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

  1. Файлы
  2. Академическая и специальная литература
  3. Связь и телекоммуникации
  4. Многоканальные телекоммуникационные системы
Назад
0 min
1
(1 );
3
H r K K
r l
= = -
(2.96)
/
A
K r r =
(2.97)
К–относительнаякоординататочки,определяющейпросветнапролете.Т.е.
наоткрытыхпролетахэллипсоид,ограничивающийминимальнуюобластьраспро
странениярадиоволн,непересекаетсясземнойповерхностью.
Приполуоткрытыхпролетахминимальнаяобластьраспространениячастично
перекрываетсяспрофилемпролета,однакопрямаявидимостьмеждуточкамирас
положенияантеннАиВ приэтомсохраняются.Вданномслучае
0
0 .H H < <
(2.98)
Длязакрытыхпролётов
0H < , (2.99)
т.е.отсутствуетпрямаявидимостьмеждуточкамиАиВ.ПриН=0пролётыназы
ваютсякасательными.
Выражение(2.93),определяющеенулевойуровень,ипостроенныенаегоос
нове профили соответствуют случаю отсутствия рефракции радиоволн. Для учета
влияния рефракции необходимо в (2.93) вместо R подставить
Rэ
, определяемое
(2.63). Изза рефракции профиль пролётатрансформируется, в результате чего из
меняются как просвет, так и форма неровностей рельефа (рис. 2.19). Обычно для
приближеннойоценкиVизменениемформынеровностейможнопренебречьиогра
ничитьсяучетомизмененияпросвета.Вусловияхрефракциипросвет
( ) ( ),H g H H g = + D
(2.100)
где Н– просвет вотсутствие рефракции,определяемыйиз профиля пролета
при g=0; D Н(g) –изменение просвета изза рефракции, определяемое из (2.63) и
(2.93):
2
( ) (1 ) / 4H g r gK K D = - -
.(2.101)
Врезультатетрансформации,профилейпролетов РРЛ в условияхслучайной
рефракциирадиоволн,открытыепролетымогутпревратитьсявполуоткрытыеида
же закрытые (при субрефракции) и, наоборот, при повышенной положительной
рефракции полуоткрытые и закрытые пролеты могутстать открытыми. При учете
влияния рельефа местности на распространение волн в большинстве случаев ис
пользуется аппроксимация крупных неровностейпрепятствий сферами, кривизна
которыхопределяетсякривизнойсоответствующихучастковпродольногопрофиля.
Рис.2.20
2.4.РаспространениерадиоволннаТРРЛ
Влияние тропосферы. Дальнее тропосферное распространение радиоволн на
ТРРЛпроисходитиззапереизлученийвтропосфере,Приэтомимеютместовсетри
формы переизлучения:рассеяниерадиоволннаобъемных неоднородностяхтропо
сферы,некогерентноеотражениеотслоистыхнеоднородностейикогерентноеотра
жение от всей толщи тропосферы. В переизлучении радиоволн участвует объем
тропосферы,ограниченныйпересекающимисяосновнымилепесткамидиаграммна
правленностипередающейиприемнойантенн,икоторыйназываетсяобъёмомпе
реизлученияилиобъёмомрассеяния(рис.2.21).Интенсивностьпереизлучениявна
правленииприемнойантенныбыстроуменьшаетсясувеличениемугларассеяния
y
.
Сложный механизм распространения волн в ТРРЛ, непрерывные случайные
изменения условий распространения затрудняют количественный анализ происхо
дящих процессов. По этой причине инженерный расчет множителя ослабления в
ТРРЛ носит полуэмпирический характер, основанный на экспериментальных дан
ныхистатистическихзависимостях.
Максимальнаядальностьраспространениярадиоволниззапереизлученияr
max
зависитоттолщинытропосферыh
т
.ПригладкойповерхностиЗемлиистандартной
рефракции
1
max
8
Э T
r R h »
(2.102)
ПриRэ=8500кмиh
т
=5км
max
1000r »
км.Из(2.102)следует,чтопризаданнойдли
непролетаrвысотанижнейточкиобъемарассеяниянадЗемлей
2
0
8
Э
r
h
R
»
.
ОсновнымиособенностямираспространенияволннаТРРЛявляютсябольшие
потериприпередаче(см.(2.38))иналичиеразнообразныхзамиранийсигналов.Зна
ченияпотерьнапролетеТРРЛмогутдостигать200...250дБ,превышаяихнапроле
тах РРЛ прямой видимости на 80...120 дБ. На рис. 2.22 изображены зависимости
долгосрочногомедианногозначениямножителяослабленияV
м.м
,полученноговре
зультатеусредненияVзадлительныйпериодвремени(замесяц),отэквивалентного
расстояния r
э
для наихудшихзимнихмесяцев.Каквидноиз рис. 2.22,множитель
ослаблениябыстроубываетсростомчастотыирасстояния.
Рис.2.21Рис.2.22
1
Приэтомточка пересечениякасательных кповерхностиЗемли,вдолькото
рыхориентированыдиаграммынаправленностиантенн,должнанаходитьсянавы
сотеh
т
.
Замирания сигналов (флуктуации множителя ослабления) на пролетах ТРРЛ
подразделяютсянабыстрые,медленныеиоченьмедленные(сезонные).
Быстрыезамиранияобусловленыинтерференциейволн,переизлученныхтур
булентными и слоистыми неоднородностями тропосферы, перемещающимися в
пространстве. Средний период быстрых замираний лежит в пределах 0,1..10 с.
Большоеотносительноезапаздываниеинтерферирующихлучейявляетсяпричиной
селективности(частотнойзависимости)быстрыхзамираний.
Медленные замирания связаны с флуктуациеймножителя ослабления вслед
ствиеслучайныхизмененииинтенсивности,формы,размеровиколичестванеодно
родностей в объеме переизлучения.Средний период медленныхзамираний от не
сколькихминутдо1ч.
Рис.2.23 Рис.2.24
Оченьмедленныезамираниясигналоввызванысезоннымиизменениямизна
ченияV
м.м
.ПриэтомвсреднихширотахмаксимальныезначенияV
м.м
обычнодос
тигаютсявлетниемесяцы.Нарис.2.23изображенаусредненнаяэкспериментальная
зависимостьразмахасезонныхизменений
.М М
V D отэквивалентнойдлиныпролетаr
Э
дляантеннскоэффициентомусиленияG=40...45дБ.Каквидноизрисунка,разница
значенийV
м.м
дляхудшего–зимнегоилучшего–летнегомесяцевможетдостигать
10...14дБ.
Следует отметить, что при дальнем тропосферном распространении волн
множительослаблениянезависитотполяризации.ВтожевремянаТРРЛ,какина
линияхпрямойвидимости,имеетместодеполяризациярадиоволн.
Учет рельефа местности. Влияние рельефа земной поверхности учитывается
путемзаменыистинногорасстояния rмеждупунктамипередачииприемаэквива
лентнымрасстояниемr
э
.Рисунок2.24иллюстрируетзависимостьr
э
отугловзакры
тия
1
g
и
2
g
(угловмеждунаправлениямикасательныхкровнойповерхностиЗемлис
эквивалентным радиусом Rэ и к вершинам препятствий, проведенных из центров
передающейиприемнойантенн).Изрис.2.24видно,чтоприналичиипрепятствий
уголрассеяния
1 2Э
y y g g
= + +
. (2.103)
Приусловии ,
A B Э
h h R << эквивалентноерасстояние
1 2
( ) ,
Э Э Э Э
r R r R
y g g
= × = + +
(2.104)
где
1
g
и
2
g
выраженыврадианах.
ЕсливершиныпрепятствийнаходятсянижекасательнойкповерхностиЗемли
(точкипередачиилиприемарасположенынавозвышенностях(см.рис.2.24)),тосо
ответствующиеуглымеждукасательныминазываютсяугламиоткрытияиподстав
ляютсяв(2.104)сознаком«минус».Дляуменьшенияэквивалентногорасстоянияr
э
(засчет уменьшенияуглов
1
g
и
2
g
)станциитропосфернойсвязирасполагаютсяна
«господствующих»возвышенностях.
Статистические характеристики множителя ослабления. Распределение веро
ятностейбыстрыхфлуктуацийVвбольшинствеслучаевхорошоаппроксимируется
закономРелеясплотностьювероятности
2
2 2
1,38 0,69
( ) exp( )
M M
V
W V
V V
= -
(2.105)
где
.M M
V –медианноезначение,получаемоеобычноврезультатеусредненияза4...7
мин.
Процентвремени,втечениекоторогомгновенноезначениемножителяослаб
лениянепревышаетV,
2
2
( ) 100[1 exp( 0,69 )]
M
V
T V
V
= - -
(2.106)
2.5.Распространениерадиоволннаспутниковы хлиниях(СЛП)
ОсновнымиособенностямираспространениярадиоволннаСЛПявляются:их
поглощение в газах тропосферы и дождях; рефракция и деполяризация в дождях;
интерференцияпрямойиотраженнойволнотземнойповерхности.
Потеривгазах
Г
L являются постояннойвеличиной,зависящей отпогонного
поглощениявкислородеивводяномпаре(см.рис.2.8),угламеста
b
(угламежду
плоскостью, касательной к поверхности Земли, и направлением на ИСЗ), а также
частоты.
Потеривдождях
Д
L зависятотугламеста,определяющегодлинуучасткатра
ектории волны в области возможных дождей, от распределения интенсивности
вдольэтогоучасткатраектории,отхарактеразависимостипогонногоослабленияот
интенсивностииотчастоты.Этипотериможноучестьстатистически,чтообуслов
ленослучайностьюинтенсивностидождявцентреочагаипространственногорас
пределенияэтойинтенсивности.Наосновеимеющихсяэкспериментальныхданных
постатистикеинтенсивностидождейможнонайтираспределениевероятностейве
личины
Д
L дляразличныхугловместаидиапазоновчастот.Вкачествепримерана
рисунке2.25,аибизображенызависимостипотерь
Д
L ,непревышаемыхсоответст
венновтечение1и0,1%временилюбогомесяца,отчастотыfиугламеста
b
при
менительноктерриторииРеспубликиБеларусь.
Основной причиной рефракции радиоволн в СЛП является неравномерность
диэлектрическойпроницаемостивтропосфере.Вместестемвдециметровомдиапа
зоне(начастотахниже5ГГц)существенноевлияниенараспространениеволнока
зывает ионосферная рефракция, обусловленная неравномерностью электронной
концентрациивионосфере.
Отклонение траектории волны под влиянием рефракции в СЛП обычно не
превышаетнесколькихградусов.Приэтомслучайнаясоставляющаярефракциизна
чительно меньше регулярной составляющей, что позволяет свести к минимуму
влияниерефракциипутемавтоматическогонаведенияантенныпомаксимумупри
нимаемогосигнала.
а) б)
Рис.2.25
Деполяризацияволндлясреднихклиматическихусловийначинаетоказывать
заметноевлияниевтелефонныхсистемахпередачиначастотахвыше12ГГцителе
визионных –начастотахвыше18ГГц.
Прималыхуглахместа(длясеверныхрайонов)нетолькозаметновозрастают
потери в газах тропосферы и дождях, но и возникают дополнительныезамирания
сигналов,обусловленныеинтерференциейпрямойволныотИСЗиволны,отражен
нойотземнойповерхности.Прилинейнойполяризацииволнглубинаинтерферен
ционныхзамиранийможетдостигать10...15дБ.Прииспользованиикруговойполя
ризации, когда направления поляризации прямой и отраженной волн противопо
ложны, узконаправленных земных антенн с шириной диаграммы направленности,
меньшей
b
,глубинаинтерференционныхзамиранийнепревышает6дБ.
Крометого,начастотахниже5ГГцприпрохождениирадиоволнвионосфере
проявляетсяэффектФарадея–поворотплоскостиполяризацииволны.Причинаэтого
заключаетсявразличиифазовыхскоростейраспространенияортогональныхсостав
ляющихплоскополяризованнойволныиззавлияниямагнитногополяЗемли.Обра
зующийсяприэтом,фазовыйсдвигмеждунимиприводиткизменениюплоскости
поляризациисуммарнойволны.
Контрольныевопросыкразделу2
1.Отчегозависитослаблениерадиоволнвсвободномпространстве?
2.Какопределяетсяобластьпространства,существеннаяприраспространении
радиоволн?
3.Дайтеопределениемножителяослабленияполясвободногопространства.
4.Вчемзаключаетсявлияниетропосферынараспространениерадиоволн?
5.Чтотакоерефракциярадиоволн?
6.ДайтеопределениеэквивалентногорадиусаЗемли.
7.Перечислитеосновныевидытропосфернойрефракции.
8.Иззачегопроисходитпереизлучениерадиоволнвтропосфере?
9.Назовитеосновныепричиныослаблениярадиоволнвтропосфере.
10.КаквлияетотражениерадиоволнотгладкойповерхностиЗемлинамножи
тельослабления,прираспространенииволнвпределахпрямойвидимости?
11.Отчегозависиткоэффициентотражениярадиоволнотземнойповерхно
сти?
12.Какучитываетсявлияниерельефаместностиприраспространениирадио
волннаоткрытыхтрассах?
13.Какучитываетсявлияниеземнойповерхностинараспространениерадио
волннаполуоткрытыхизакрытыхтрассах?
14.Вчемзаключаютсяособенностивлиянияземнойповерхностивусловиях
рефракцииипереизлучениярадиоволн?
15. Как определяется мощность сигнала на входе приёмника РЛП с учетом
множителяослабления?
16.КаковыособенностираспространениярадиоволнвтропосферныхРРЛ?
17. Каковы особенности распространения радиоволн в спутниковых линиях
передачи?
3.АНТЕННЫЕИФИДЕРНЫЕУСТРОЙСТВАРАДИОРЕЛЕЙНЫХ
ИСПУТНИКОВЫХСИСТЕМПЕРЕДАЧИ
3.1.Назначениеипринципдействияантенны
Антеннойназываетсяустройство,предназначенноедляизлученияилиприема
электромагнитныхволн.Антеннаобеспечиваетсвязьмеждуфидернойлиниейиок
ружающейсредой.Колебаниявысокойчастотысвыходапередатчикапофидерной
линии поступают на вход антенны и в виде электромагнитных волн излучаются в
пространстве.Приемнаяантеннаулавливаетэлектромагнитныеволныипреобразует
ихвВЧколебания,передаваемыепофидернойлиниивприемник.
Изпринципавзаимностивытекаетобратимостьпроцессовприемаипередачи.
Этопозволяетоднуитужеантеннуодновременноиспользоватькакнаприем,таки
напередачу,чтосущественноповышаеттехникоэкономическиепоказателисисте
мысвязи.
Всеантенныможноразделитьнадвебольшиегруппы:излучающиепроводаи
излучающие поверхности. В системах передачи, работающих на частотах выше 1
ГГц, в качестве антенн используются излучающие поверхности; на более низких
частотах —излучающиепровода.
Однимизраспространенныхтиповантеннизизлучающихпроводовявляется
симметричныйвибратор.Поднимпонимаютантенну,состоящуюиз2проводников
(плеч)равнойдлины,расположенныхнаоднойосиипитаемыхвсередине.Такую
антеннучастоназываютдиполем,причемвзависимостиотобщейдлиныразличают
полуволновыйдипольи одноволновый диполь. Наиболеечасто встречаются полу
волновыедиполи,размеркаждогоплечакоторыхλ/4.Устройствотакогодиполяпо
казанонарис.3.1а,б,в.Распределениетокаинапряжениявдольвибратораподобно
распределениювлинии,разомкнутойнаконце. Пучностьтокаиузел напряжения
получаютсявсерединевибратора,вместеподсоединениякнемугенератораилипи
тающего фидера. На концах вибратора, напротив, находятся узел тока и пучность
напряжения.
Излучение полуволновогодиполя максимально в экваториальной плоскости,
т.е. вплоскости,перпендикулярной оси диполяи проходящей черезегосередину.
Излучениевосевыхнаправленияхотсутствует.Волны,создаваемыетакимиантен
нами,имеютсферическийфронт.
Рис.3.1
Свойствами антенныобладаетиоткрытый конец волновода.Электромагнит
ная волна, распространяющаяся вдоль волновода, дойдя до открытого конца, час
тично отражается обратно, а частично излучается. При этом в месте перехода от
волновода к свободному пространству возникают помимо основной волны волны
высшихтипов,каквместевключениялюбойнеоднородностивлиниюпередачи,и
поверхностные токина наружных поверхностях стенок волновода.В первом при
ближенииполагают,чтоструктураэлектромагнитногополянаоткрытомконцевол
новодатакаяже,каквпоперечномсечениибесконечнодлинноговолновода.
Таккакволноводплохосогласовансосвободнымпространством,значитель
наячастьэлектромагнитнойэнергииотражаетсяотегоконцаивозвращаетсяобрат
нокисточнику(коэффициентотражениядостигаетзначений0,25...0,3).
Для улучшения согласования волновода со свободным пространством и соз
данияболеенаправленногоизлученияприменяютсярупорныеантенны,которыепо
формеподразделяютсянасекторальные,пирамидальные,коническиеит.д.Рупор
ныеантенныобразуютсяпутемпостепенного,плавногоувеличенияразмеровпопе
речногосеченияволновода.Рупор,образованныйувеличениемразмерааволновода,
параллельноговекторуН(рис.3.2,а),называетсясекторальнымНплоскостнымру
пором.Приувеличенииразмераbволновода,параллельноговекторуЕ,получается
Еплоскостныйрупор, показанный на рис.3.2б. Здесьсплошные линии соответст
вуютэлектрическимсиловымлиниямЕ,аштриховые—магнитнымН.Приволне
типаН
10
амплитудаэлектрическогополяЕвпоперечномсеченииизменяетсяпоси
нусоидальномузакону,достигаямаксимумавсреднейчастиволноводаиобращаясь
внульнаегоузкихстенках.Изменениеинтенсивностиполянарис.3.2отображено
увеличениемгустотыэлектрическихсиловыхлинийвцентральнойчастиволновода
ирупора.
Плоскаяволна,начинаяспереходаволноводаврупор,постепеннопреобразу
ется в цилиндрическую. Секторальные рупоры обеспечивают увеличение концен
трацииизлучаемоймощноститольковтойплоскости,вкоторойрасширяетсярупор.
Дляполученияизлученияэлектромагнитнойволныввидеузкогопучкарупо
рыделаются пирамидальными,т.е. сплавнымрасширением как стороныа, таки
стороныbволновода.Приплавномувеличениипоперечногосечениякруглоговол
новода образуется коническая рупорная антенна. В таких антеннах волны имеют
сферическийфронтипоэтомуполевраскрыве(апертуре)неявляетсясинфазным,
чтоухудшаетнаправленностьизлучения.
Рис.3.2
Применениеостронаправленныхантеннпозволяетосуществлятьсвязьприне
значительной мощности передатчиков, что весьма важно, поскольку получить
большиемощностивсантиметровомимиллиметровомдиапазонахтрудно.Сдругой
стороны, передача очень узкими лучами снижает взаимные влияния одних линий
передачинадругие.Благодаряэтомусталовозможнымсозданиеширокойсетили
нийрадиосвязи,работающихнаоднихитехжеволнах.
Для получения остронаправленных антенн необходимо обеспечить плоский
фронтволны,вкоторомфазаполяповсемураскрывупостоянна.Рупорыисиммет
ричныевибраторыэтимтребованияудовлетворитьнемогут.Ихобычноиспользуют
вкачестве
облучателейвболеесложныхантеннах.Комбинацияотносительнокороткихрупо
ровспереизлучающимизеркаламиилилинзамипозволяетполучитьвраскрывеан
тенныволну,близкуюкплоской.Аналогичныйэффектдаютиантенны,состоящие
изнесколькихсимметричныхвибраторов.
Результирующая напряженность поля, создаваемая антенной в пространстве,
зависитотразностихода составляющихволн,образованныхэлементарнымиизлу
чателями, находящимися в различных точках ее раскрыва. Когда разности хода
l
<< Dr
,антеннаможетрассматриватьсякакточечныйисточник.Пространство,где
этоусловиевыполняется,называетсядальнейзонойизлученияилизонойФраунго
фера.Вэтойзоненапряженность поляизменяетсяобратнопропорциональнорас
стояниюотантенны.Дляпрактическихцелейможносчитатьдальнейзонойпро
странство,гдеразностьходалучейменее
8/...16/
l l
.Этовыполняетсяприудалении
отантеннынарасстояние
l l
/.../2
22
.
DDr
зд
³
(3.1)
гдеD— диаметреераскрыва.
Если
2/...4/
l l
£ Dr
,тополучаетсязона,внутрикоторойнапряженностьполя
малозависитотрасстоянияотточкиприемадоантенны.Еепринятоназыватьзоной
Релея:
l l
4/...2/
22
.
DDr
зд
³
(3.2)
При
здp
rrr
.
< <
напряженностьполярезкоизменяетсявзависимостиотрас
стояниядоантенны.ЭтазонаполучиланазваниезоныФренеля.
3.2.Параметрыантенн
Дляоценкиисравнениямеждусобойразличныхантеннвводитсярядхаракте
ристик(параметров).Книмотносятсяпараметры,характеризующиенаправленные
иполяризационныесвойстваантенн,рабочийдиапазон,входноесопротивление,до
пустимуюмощность,идр.
Диаграмманаправленностиграфическоеизображениеамплитуднойхаракте
ристики направленности. Построитьтакуюдиаграммутрудно. Обычнодиаграммы
строят для двух плоскостей: горизонтальной и вертикальной. Эти плоскости, как
правило,выбираютсятак,чтобыводнойизнихбылрасположенвекторполяЕ,ав
другойН.Диаграммынаправленностимогутбытьпостроеныкаквполярной(рис.
3.3),такивпрямоугольной(рис.3.4сплошнаялиния)системекоординат.Направ
ление максимального излученияантенны называетсяглавнымнаправлением,асо
ответствующийемулепесток—главным.Остальныелепесткиявляютсябоковыми.
Направления,вкоторыхантеннанепринимает(инеизлучает),называютсянулями
ДН.
  • 2008 — 2025 «СтудМед»