ЦРССП Лекция 2

Лекція № 2 Особливості розповсюдження радіохвиль на радіорелейних і супутникових систем лініях зв’язку

ПЛАН ЛЕКЦІЇ

Навчальні питання:

1.Розповсюдження радіохвиль на радіорелейних лініях зв’язку.

2.Розповсюдження радіохвиль на супутникових лініях зв’язку.

Навчально-матеріальне забезпечення:

1.ПЕОМ, мультимедійний проектор.

2.Презентація у форматі PowerPoint.

Навчальна література:

1.Немировский А.С., Даниловис О.С., Маримонт Ю.И. Радиорелейные и спутниковые системы передачи. – М.: Радио и связь, 1986. – С. 9–35.

2.Наритник Т.М., Волков В.В., Уткін Ю.В. Радіорелейні та тропосферні системи передачі: навч. посіб. – Полтава: ПНТУ, 2009 р. – С. 15–30.

1. Розповсюдження радіохвиль на радіорелейних лініях зв’язку.

Рефракція радіохвиль – відбивання радіохвиль від шарових утворень тропосфери. Інтерференція радіохвиль – накладення прямої та відбитої хвилі у точці прийому. Дифракція радіохвиль – огинання радіохвилями нерівностей земної поверхні та у незначній мірі сферичної поверхні землі.

Вплив поверхні землі та тропосфери враховується множником ослаблення V (іноді застосовується близький за змістом термін «додаткові втрати»). У загальному випадку, формула для розрахунку потужності сигналу на вході приймача має вигляд:

де P0пр – потужність сигналу на вході приймача в умовах вільного простору.

ослаблення у вільному просторі між неспрямованими антенами, визначається за виразом:

W0 =20lg(λ/4πR0),

де R0 – відстань між точками передачі і прийому. Всі величини дані в децибелах. «Втрати передачі» у децибелах:

де Lb0 – основні втрати передачі у вільному просторі, Lb0 W0 .

Множник ослаблення V залежить від довжини траси, довжини хвилі, висот антен, рельєфу місцевості, метеорологічних параметрів тропосфери. Значення V можна визначити як теоретично, так й експериментально шляхом виміру потужності сигналу на вході приймача Рпр. Через складність і різноманіття реальних природних умов практично неможливо створити строгі методи

розрахунку V. Із задовільною для практики точністю користуються наближеними методами, що враховують вплив рефракції та рельєфу місцевості.

Врахування рефракції радіохвиль. Як відомо, рефракцією називається викривлення траєкторій хвиль, обумовлене неоднорідною будовою тропосфери. Коефіцієнт переломлення в тропосфері має вигляд:

Т – температура повітря за абсолютною шкалою: Т=273°C + t°C, P, е – тиск повітря і водяних парів ГПа (1 ГПа=1 Мбар), ε і n за величиною близькі до одиниці, тому частіше користуються коефіцієнтом переломлення, вираженим в «N-одиницях»:

зменшується з висотою, і додатнім, коли ε з висотою зростає. Горизонтальні неоднорідності ε значно менші вертикальних і виявляються найчастіше на границі суші з морем. Поширення радіохвиль на інтервалах звичайних РРЛ відбувається в приземному шарі тропосфери товщиною десятки-сотні метрів, де метеорологічні параметри, а отже, і g піддані особливо сильним часовим і просторовим змінам унаслідок перепадів температури та вологості, викликаних впливом підстилаючої поверхні.

Еквівалентний радіус Землі. Для наближеного врахування рефракції вводять поняття еквівалентного радіуса Землі ае , справедливе при лінійній зміні ε з висотою. В дійсності, в

тропосфері в середньому ε зменшується з висотою за експонентним законом. Однак, для порівняно тонких шарів, до яких можна віднести приземний шар, що бере участь у перенесенні

радіохвиль в тропосфері (рис. 2). Негативна рефракція, або субрефракція, що спостерігається при Ке<1, ае<а, g>0. Субрефракція з’являється при зростанні вологості повітря з висотою, причому найчастіше восени чи навесні під час ранкових приземних туманів. Вона нерідко носить місцевий характер і відзначається на трасі РРЛ чи її ділянці, де є низини і застоюється холодне повітря.

Позитивна рефракція, що спостерігається при Kе >1, aе > a , g<0. Існують окремі випадки позитивної рефракції:

1.Стандартна рефракція при Ке=4/3, ае=8500 км, g=-8×10–8 м-1. Це найбільш розповсюджений випадок рефракції, обумовлений середнім станом тропосфери. Рефракція, близька до стандартної, спостерігається частіше в денний час.

2.Підвищена рефракція при g<–8×10–8 м-1; ае>8500 км. Найчастіше відзначається у вечірні,

нічні і ранкові години літніх місяців, а іноді в цей же час навесні чи восени. Причиною виникнення є температурні інверсії (збільшення температури повітря з висотою) і різке зменшення вологості з висотою, пов’язані з нагріванням і охолодженням земної поверхні випаровуванням із ґрунту, зміною теплих і холодних повітряних мас і т. ін.

3.Критична рефракція при gк=-2/a=-31,4×10–8 м-1, ае=∞, тобто траєкторія хвилі концентрична земній поверхні. Умови виникнення ті ж, що для підвищеної рефракції.

4.Надрефракція при g<-31,4×10–8 м-1, ае приймає негативні значення. У цьому випадку хвилі переломлюються до поверхні землі, відбиваються від неї, знову переломлюються і т. ін. Поширення радіохвиль при надрефракції називають хвилеводним, тому що воно відбувається в межах тропосферного хвилеводу. Хвилеводні умови поширення виникають також при різких зламах висотного профілю діелектричної проникності повітря, що викликають сильне відбиття радіохвиль.

Хвилеводи можуть з’являтися в приземному (приводному) та в піднятому шарах повітря. При цьому вони виявляються як по всій трасі, так і на окремих її ділянках. Хвилеводні умови поширення виникають головним чином над теплими морями, рідше – над сушею, в районах з рівною підстилаючою поверхнею. У південних морських районах у літні місяці тропосферні хвилеводи можуть спостерігатися до 30-50% часу, в сухопутних – до 10%.

Незважаючи на значне збільшення дальності зв’язку при хвилеводному поширенні (сотні кілометрів), це явище не може бути використане для практичних цілей через малу імовірність появи хвилеводів. Його варто розглядати як джерело додаткових завмирань або перешкод на інтервалах РРЛ, що працюють на однакових чи близьких частотах.

Ефективний вертикальний градієнт діелектричної проникності повітря. Для врахування нелінійної зміни ε з висотою та змін ε по довжині траси, що можуть спостерігатися в реальних умовах, вводиться поняття ефективного вертикального градієнта діелектричної проникності повітря gеф. Під величиною gеф розуміють постійний по висоті градієнт ε, при якому напруженість поля в точці прийому буде така ж, як і у випадку реальної зміни ε на трасі. Величина gеф характеризує порівняно плавні зміни діелектричної проникності повітря.

Статистичні розподіли значень gеф різні для різних кліматичних районів. Для більшості кліматичних районів України gеф підпорядковується приблизно нормальному закону розподілу випадкових величин із середнім значенням gеф і стандартним відхиленням ε, причому дисперсія значень gеф, як правило, істотно більша в літні місяці.

Проектування РРЛ ведеться виходячи з умов виконання норм на якісні показники ліній у найнесприятливіші місяці. На більшості території України – це літній час. Для деяких специфічних районів необхідно враховувати розподіли gеф і ε для інших місяців, тому що вони можуть вплинути на вибір висот антенних опор, погіршити якісні показники в порівнянні з

літніми місяцями. Щільність розподілу апроксимується різними функціями: нормальною, рівномірною, трикутною, трапецієподібною, Релея і т. ін.

Завмирання сигналу виникають в окремі моменти часу, коли значення множника ослаблення стають дуже малими. Причиною завмирань є зміна в часі метеорологічних умов на трасі РРЛ, що призводить до зміни вертикального градієнта діелектричної проникності повітря, виникненню шарів у тропосфері з різкою зміною діелектричної проникності повітря, появи опадів. Глибина завмирань звичайно характеризується миттєвим значенням |V| [дБ]. Найглибші завмирання на інтервалах РРЛ, обумовлені першими 2-ма чинниками, найчастіше спостерігаються у вечірні, нічні та ранкові години літніх місяців, а в деяких районах – в цей же час навесні або восени. Найбільша кількість глибоких завмирань спостерігається в морських, приморських і рівнинних районах. На інтервалах РРЛ можливі різні типи зaвмирaнь.

Рефракційні завмирання, що виникають внаслідок впливу екрануючих перешкод. Ці завмирання обумовлені зменшенням просвіту на трасі, при надрефракції та попаданням приймальної антени в область глибокої тіні. Такі завмирання порівняно повільні, мають слабку частотну залежність і спостерігаються практично одночасно у всіх стволах радіорелейної системи, що працює в одному частотному діапазоні.

Рефракційні завмирання інтерференційного типу. Ці завмирання обумовлені збільшенням просвіту на трасі при підвищеній рефракції (g<-8×10–8 м-1) і попаданням приймальної антени в інтерференційні мінімуми, що з’являються в результаті взаємодії прямої хвилі та хвиль, віддзеркалених від земної поверхні. Інтерференційні завмирання мають швидкий характер, їхня середня тривалість при глибині порядку 35-25 дБ складає секунди – десятки секунд. Вони частотно-селективні. Глибокі завмирання спостерігаються не одночасно у високочастотних стволах радіорелейної системи.

Інтерференційні завмирання, спричинені віддзеркаленням від шаруватих неоднорідностей тропосфери. Завмирання цього типу обумовлені інтерференцією прямої хвилі і хвиль, відбитих від шаруватих неоднорідностей тропосфери (рис. 3.а), і попаданням прийомної антени в інтерференційні мінімуми. До цього типу можна віднести також інтерференційні завмирання, зумовлені багатопроменеве поширення в тропосферних хвилеводах (рис. 3.б).

а) б)

Рис. 3. Відбиття радіохвиль: а) – від шаруватих неоднорідностей тропосфери; б) – багатопроменеве поширення в тропосферному приземному хвилеводі

Такі завмирання частотно-селективні, у більшості випадків носять найшвидший характер, тому що внаслідок безупинної зміни висоти відбиваючих шарів, їхньої інтенсивності Δε і нахилу міняються фазові й амплітудні співвідношення хвиль, що надходять. При глибині 25-35 дБ середня тривалість завмирань складає секунди – долі секунд. Характерною рисою завмирань у тропосферних хвилеводах є те, що в більшості випадків вони спостерігаються при високому середньому рівні сигналу V>+6 дБ (V>2), тому що напруженість поля в хвилеводі зменшується повільно (обернено пропорційно R01/2). За результатами експериментів глибокі інтерференційні завмирання, зумовлені віддзеркаленням від шаруватих неоднорідностей тропосфери, на хвилях довшими за 12-15 см на сухопутних інтервалах РРЛ спостерігаються порівняно рідко. По мірі скорочення довжини хвилі кількість таких завмирань зростає і в багатьох випадках вони визначають сумарну тривалість завмирань. На морських трасах вплив шаруватих неоднорідностей

тропосфери відзначається навіть на метрових хвилях.

Завмирання, зумовлені екрануючим впливом шаруватих неоднорідностей тропосфери,

обумовлені ослабленням радіохвиль при проходженні через шаруваті неоднорідності тропосфери, коли велика частина енергії відбивається та лише невелика частина досягає точки прийому (рис. 4).

Рис. 4. Екрануюча дія шаруватих неоднорідностей тропосфери

Характер завмирань специфічний: великі ослаблення рівня сигналу навіть на десятки децибелів (10-30) можуть спостерігатися протягом тривалого часу, що доходить до декількох годин. Іноді вони супроводжуються швидкими флуктуаціями сигналу відносно середнього рівня. Очевидно, такі флуктуації викликаються не тільки втратою енергії хвилі, але і додатковою інтерференцією прямої хвилі і хвиль, відбитих від інших неоднорідностей тропосфери (рис. 4). Завмирання практично корельовані в межах одного частотного діапазону і спостерігаються одночасно у всіх стволах радіорелейної системи. Їхня глибина збільшується зі зростанням довжини інтервалу, перепаду висот між приймальною і передавальною антенами і із зменшеннями довжини хвилі. На інтервалах РРЛ довжиною 50-60 км такі завмирання спостерігаються, як правило, в морських районах, а на більш протяжних трасах – і в гірських районах. Цей тип завмирань вивчений порівняно слабко.

Завмирання, зумовлені впливом діаграм спрямованості антен. Ці завмирання обумовлені варіаціями кутів виходу і приходу радіохвиль, викликаними випадковими змінами умов рефракції. Вони істотні при досить вузьких діаграмах спрямованості антен, оскільки за експериментальними даними на інтервалах РРЛ середньої довжини зміни кутів у вертикальній площині не перевищують ±0,50 протягом 99,9% часу найнесприятливішого місяця, максимальні значення ±0,750. В горизонтальній площині варіації кутів приходу приблизно в 4-5 разів менші, винятком є інтервали РРЛ на границях розподілу середовищ (суходіл – море і т. ін.). Варіації кутів виходу та приходу радіохвиль містять порівняно повільну компоненту, обумовлену змінами g і швидкозмінну компоненту, зв’язану із шаруватою структурою тропосфери.

В реальних умовах вплив кутів приходу може збільшуватися через неточність юстування гостроспрямованих антен, а також теплові і вітрові деформативності антенних опор. На практиці вплив діаграм спрямованості антен у найнесприятливіші місяці стає істотним при коефіцієнтах підсилення порядку 45 дБ (ширина діаграми за половиною потужності 0,90-0,80, тобто ±(0,450- 0,40)). Характер завмирань специфічний: на пересічених відкритих інтервалах РРЛ при застосуванні перископічних антен з номінальним підсиленням 45 дБ і висоті антенних опор 60-100 м спостерігалися повільні зміни ослаблення середнього рівня сигналу до – 10-20 дБ, що зберігалися протягом тривалого часу, іноді до кількох годин. Такі ослаблення не відзначалися на аналогічних пересічених трасах, обладнаних менш направленими антенами. Ці завмирання частотно-корельовані, спостерігаються в основному одночасно у всіх стволах радіорелейної системи. Вони еквівалентні «втраті підсилення» антен в окремі періоди часу. Завмирання цього типу обмежують використання гостроспрямованих антен з підсиленням G не менш 45 дБ. Межі застосування цих антен в залежності від довжини трас, кліматичних умов, висот і типу антенних опор вимагають вивчення.

Завмирання, зумовлені ослабленням сигналу гідро метеорами. Ці завмирання викликані ослабленням електромагнітної енергії внаслідок розсіювання частками гідрометеорів (дощ, туман,

сніг і т.д.) і нерезонансного поглинання її в самих частках. Розсіювання і поглинання залежать від стану гідрометеорів (рідкі або тверді), розмірів краплинних утворень, інтенсивності опадів, їхньої температури, довжини хвилі сигналу. Завмирання, викликані ослабленням сигналу в опадах – повільні. Вони частотно-корельовані і спостерігаються одночасно у всіх стволах радіорелейної системи, що працює в одному частотному діапазоні. Множник ослаблення V, дБ, при розповсюдженні радіохвиль у зоні опадів визначається за формулою:

V=- Rеф, або V=- ефR0, (12)

де γ – коефіцієнт ослаблення, дБ/км, Rеф – ефективна довжина траси, км, на якій коефіцієнт ослаблення приблизно постійний і дорівнює γ, γеф – коефіцієнт ослаблення γ, необхідний для визначення ефективної інтенсивності опадів, яку можна вважати рівномірно розподіленою по довжині траси R0.

Ефективні параметри враховують інтегральний вплив опадів вздовж інтервалу РРЛ. Коефіцієнт ослаблення під час дощу різної інтенсивності при температурі 180С визначається

з рис. 5. Інтенсивність дощу J оцінюється в мм/год., причому умовно вважається, що слабкий дощ

– це опади з інтенсивністю (1-5) мм/год., помірний – (5-20) мм/год., сильний – (20-40) мм/год., зливи – більш 40 мм/год. При розрахунку ослаблення під час дощу при інших температурах варто помножити значення γ з рис. 5 на поправні коефіцієнти, зазначені в табл. 1. При великих інтенсивностях дощів з’являється залежність γ від виду поляризації через відхилення форми краплі дощу від сферичної (відбувається розплющення крапель). Цей ефект зростає із збільшенням J. Найбільше ослаблення спостерігається при горизонтальній поляризації.

За експериментальними даними значення γ, дБ, при горизонтальній поляризації на 10-25% більше, ніж при вертикальній. Коефіцієнти ослаблення на рис. 5 ближчі до результатів, отриманих при вертикальній поляризації. Коефіцієнт ослаблення під час сухого снігу і граду значно менший, ніж під час дощу тієї ж інтенсивності, через меншу величину діелектричної проникності твердих часток (для води ε 80, для льоду ε=2...3). В табл. 2 наведені розраховані значення коефіцієнтів ослаблення під час сухого снігу при сильному снігопаді інтенсивністю 10 мм/год. і відповідні значення γ для дощу тієї ж інтенсивності.

Експерименти показують, що при f<50 ГГц впливом сухого снігу можна знехтувати. На вищих частотах відзначені значні ослаблення в сухому снігу. У ряді випадків спостерігалися також помітні ослаблення під час граду навіть на частоті 2 ГГц, але протягом ≤0,001% часу.

Таблиця 1 Значення поправних коефіцієнтів для розрахунку ослаблення під

час дощу.

Коефіцієнт ослаблення під час мокрого снігу в середньому приблизно такий же, як і під час дощу рівної інтенсивності. В окремі періоди часу, коли йде лапатий мокрий сніг, значення γ для мокрого снігу виявляються в 5-10 разів більшими, при цьому найімовірніші значення м.с.=(4…6) д. Експерименти показують, що в багатьох кліматичних районах при f < 20 ГГц імовірність появи глибоких завмирань через ослаблення в мокрому снігу, що спостерігались в найнесприятливіші

місяці, значно менша, ніж через дощі. Коефіцієнт ослаблення в туманах і хмарах:

=kвM, (13)

де М – кількість рідкої води в одиниці об’єму (водність), г/м3, kв – коефіцієнт ослаблення на одиницю водності, дБ м3/км г.

Залежність kв від частоти для діапазону температур від –8 до +200С зображена на рис. 6. Найбільш розповсюджені значення М наведені в табл. 3. Коефіцієнт ослаблення при крижаних частках значно менше, ніж при рідких.

Табл. 2

Порівняльна оцінка коефіцієнтів ослаблення для сухого снігу і дощу

Табл. 3

Характеристики хмар і туманів

Іноді, замість водності туману, використовують поняття оптичної видимості. При цьому в сильному тумані дальність видимості менша 50 м, в помірному – 50-500 м, в слабкому – 500-1000 м. Співвідношення між видимістю і водністю показані на рис. 7. Ефективна довжина траси Rеф залежить від нерівномірності опадів на трасі, а також від кута, під яким хвиля проходить через зону опадів. Частіше траси звичайних РРЛ горизонтальні, тому напрямок поширення хвилі перпендикулярний потоку опадів. У цьому випадку, Rеф визначається в основному їхньою нерівномірністю, що залежить від кліматичних умов, типу опадів, їхньої інтенсивності. Відомості про просторову нерівномірність снігопадів в літературі відсутні. Горизонтальна довжина туманів досягає декількох сотень кілометрів, при вертикальній довжині – до тисячі метрів. Шаруваті хмари мають горизонтальну довжину до 1000 км, а купчасті – до 10 км. Вертикальна довжина – до 10 км. З огляду на ці розміри, для хмар і туманів можна вважати, що Rеф не менше R0. Наявні в літературі кількісні дані про нерівномірність дощів дуже різні, а систематизація їх ускладнена, тому що не існує єдиного методу одержання й оцінювання цих характеристик. Наведемо деякі усереднені дані про розміри дощових зон (осередків), отримані радіолокаційними і

метеорологічними вимірами для кліматичних умов, близьких Україні (за розподілом МСЕ-Р для 2- го району):

1.Слабкі дощі (J<5 мм/год.) мають значні горизонтальні довжини, тому що утворюються всередині стійких повітряних мас. У цьому випадку Rеф R0.

2.Дощі середньої інтенсивності (до 20 мм/год.), що випадають із шаруватих, фронтальних хмар, можуть мати горизонтальну довжину до декількох сотень кілометрів. У цьому випадку

також Rеф R0.

3.Дощі інтенсивністю (25-30 мм/год.) орієнтовно мають довжини 10-20 км. У цьому випадку

взалежності від довжини траси Rеф>R0 або Rеф<R0.

4.Зливові дощі (J 40 мм/год.) відрізняються найбільшою нерівномірністю. В України середні довжини злив складають 7...8 км. В окремих випадках (кілька відсотків загальної кількості) вони досягають 15-20 км. За даними, отриманими в Франції, середній діаметр осередків

дощу з інтенсивністю J (80-120) мм/год. складає 2,75-2,55 км. При цьому відзначається сильна просторова і часова нерівномірність інтенсивності дощів у межах осередків дощу, а іноді на довжині інтервалу РРЛ виникають дві зливи і більше.

Наявні експериментальні і теоретичні дані показують, що в більшості кліматичних районів завмираннями сигналу через ослаблення в дощах можна знехтувати на частотах нижче 6 ГГц. На РРЛ, обладнаних апаратурою, що має запас на завмирання не менш 25…30 дБ, ослаблення під час дощу впливає на частотах порядку 8 ГГц і є визначальним на частотах вище 10 ГГц.

2. Розповсюдження радіохвиль на супутникових лініях зв’язку.

Основними особливостями поширення радіохвиль на супутникових лініях зв’язку є їхнє поглинання в газах тропосфери та дощах, рефракція, деполяризація в дощах, інтерференція прямої та відбитої хвиль від земної поверхні. Втрати в газах є постійною величиною, що залежить від погонного поглинання в кисні та водяній парі, кута місця (кута між площиною, дотичною до поверхні Землі, і напрямком на ШСЗ), а також частоти. На рис. 9 зображені залежності втрат Lг від частоти для різних кутів місця. Втрати в дощах залежать від кута місця, що визначає довжину ділянки траєкторії хвилі в області можливих дощів, від розподілу інтенсивності дощу у здовж цієї ділянки траєкторії, від характеру залежності погонного ослаблення від інтенсивності та від частоти. Ці втрати можна врахувати статистично, що обумовлено випадковістю інтенсивності дощу в епіцентрі та просторового розподілу цієї інтенсивності. На основі наявних експериментальних даних по статистиці інтенсивності дощів можна знайти розподіл ймовірностей величини Lд для різних кутів місця та діапазонів частот. В якості прикладу, на рис. 10.а (б) зображені залежності втрат, що не перевищують відповідно протягом 0,1% часу будь – якого