Распространение радиоволн. Модели распространения радиоволн

Область пространства существенная при распространении радиоволн 1 Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в свободном пространстве Система передачи информации состоит из трех основных частей: передающего устройства приемного устройства и промежуточного звена соединяющей линии. При распространении радиоволн по естественным трассам т. При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны изменение скорости и направления распространения поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов....

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

Распространение радиоволн в свободном пространстве

1 Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в св о бодном пространстве

3 Радиолинии 1-ого и 2-ого рода

о странении радиоволн

1 Основы распространения радиоволн подвижной радиосвязи в свободном пространстве

Система передачи информации состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена — соединяющей линии. Промежуточным звеном является среда — пространство, в котором распространяются радиоволны. При ра с пространении радиоволн по естественным трассам, т. е. в условиях, к о гда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практ и чески не поддается управлению.

При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны, изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых си г налов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:

1. Рассчитать мощность передающего устройства или мощность си г нала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий);
2. Определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
3. Определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
4. Учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.

Для решения этих задач необходимо знать электрические сво й ства земной поверхности и атмосферы, а также физические процессы, происходящие при распространении радиоволн. Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн:

• в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются;
  • при падении на земную поверхность они отражаются;
  • сферическая форма земной поверхности препятствует прямол и нейному распространению радиоволн.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли, называют земными радиоволнами (рис.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь с относительной диэлектрической проницаемостью, равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необх о димые поправки.

В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказ ы вающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не ре з ко и зависят от времени и географического места.

Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простир а ющийся до высоты 7-18 км. В области тропосферы температура во з духа с высотой убывает. Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности. Ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий. В троп о сфере происходит искривление траектории земных радиоволн (1 на рис.1), называемое рефракцией. Распространение тропосферных р а диоволн (2 на рис.1) возможно из-за рассеяния и отражения их от н е однородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового ди а пазонов в тропосфере поглощаются.

Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50—60 км. Стр а тосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 30—35 км температура постоянна, а далее до высоты 60 км резко п о вышается. На распространение радиоволн стратосфера оказывает то же влияние, что и тропосфера, но оно проявляется в меньшей степени из-за малой плотности воздуха.

Ионосферой называется область атмосферы на высоте 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. Радиоволны, распр о страняющиеся путем отражении от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и троп о сферы влияют мало.

Условия распространения радиоволн (4,5 на рис.1) при космич е ской радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Зе м ли.

Рис. 1 Условия распространения радиоволн

Свойства канала подвижной связи зависят от множества факт о ров, в первую очередь от параметров используемых антенн, свойств физической среды, в которой распространяются радиоволны, особе н ностей электронных цепей, участвующих в передаче и приеме сигнала, а также от скоростей перемещения подвижных станций. Чтобы упр о стить рассмотрение свойств канала подвижной связи, целесообразно ввести основные термины, касающиеся антенн, и разобрать идеальный случай – распространение сигнала в свободном пространстве.

В теории антенн рассматривается теоретический случай, когда антенна излучает сигнал мощностью (Ватт) одинаково во всех направлениях. Такая антенна называется изотропной . Это идеальное ус т ройство, которое практически невозможно реализовать. Однако оно служит эталоном для других типов антенн. Если вокруг изотропной а н тенны нарисовать сферу радиуса , то во всех точках поверхности этой сферы электромагнитное поле, индуцируемое антенной, будет один а ково. Реальные антенны фокусируют излучаемую энергию в определенных направлениях, поэтому на практике нормированная хара к теристика излучающей антенны описывается следующим выражением:

(1)

где – напряженность поля в точке сферы с координатами, определяемыми углами φ и θ; – максимальное значение напр я женности поля на поверхности сферы.

Изотропная антенна расположена в начале координат. Её норм и рованная характеристика представляет собой идеальную сферу – рис. 2. Легко заметить, что нормированная характеристика не зависит от радиуса сферы.

Рис. 2. Нормированная характеристика изотропной антенны

Термин плотность [потока] энергии (ППЭ) тесно связан с норм и рованной характеристикой. Это энергия, излучаемая в заданном направлении в единицу телесного угла 1 . Обе характеристики антенны св я заны выражением:

, (2)

где – максимальная ППЭ.

Суммарная мощность, излучаемая антенной, представляется в виде интеграла по телесному углу, т. е.

, (3)

, (4)

Излучаемая мощность может быть выражена в виде произвед е ния средней ППЭ и величины полного телесного угла, которая равна 4π. Средняя плотность излучения может быть интерпретирована как плотность потока энергии изотропной антенны, которая излучает ту же самую суммарную мощность , что и заданная антенна. Отношение плотности потока энергии к средней ППЭ называется коэффициентом направленного действия антенны. Его максимальное зн а чение называется направленностью антенны D и описывается выраж е нием

(5)

Термин направленность означает, что плотность излучения в направлении максимального излучения в раз больше, чем плотность излучения изотропной антенны той же суммарной мощности, что и данная антенна. В реальной антенне излучаемая мощность представляет собой только часть подаваемой на ее вход мощности. Часть мо щ ности рассеивается и преобразуется в тепло. Таким образом, антенна характеризуется энергетической эффективностью (или коэфф и циентом полезного действия):

. (6)

Для учета рассеяния мощности вводится термин коэффициент усиления антенны . Он определяется выражением

. (7)

Коэффициент усиления антенны обычно применяется при опр е делении эквивалентной изотропно излучаемой мощности (ЭИИМ, англ. Effective Isotropic Radiated Power – EIRP ), описываемой произвед е нием: .

Эквивалентная изотропная излучаемая мощность определяется как мощность, которую необходимо подать на изотропную антенну для того, чтобы получить в точке приема точно такое же поле, которое б у дет получено в ней при помощи антенны с коэффициентом усиления, на вход которой подана мощность. Геометрически это иллюстр и рует рис. 3.

Рис. 3 Геометрическое представление эквивалентной изотропной и з лучаемой мощности

В качестве другого типа эталонной антенны используется пол у волновой симметричный вибратор.

Если сравнить мощность сигнала от антенны с коэффициентом усиления с таковой от полуволнового вибратора, то можно опред е лить так называемую эквивалентную излучаемую мощность (ЭИМ, англ. Effective Radiated Power ).

Коэффициент усиления полуволнового вибратора относительно изотропной антенны равен 1,64, что соответствует 2,15 дБ. Поэтому э к вивалентная излучаемая мощность заданной антенны будет на 2,15 дБ меньше, чем ее эквивалентная изотропная излучаемая мощность.

В зависимости от принятого типа эталонной антенны, единицы измерения коэффициента усиления антенны обозначаются дБи – для изотропной антенны или дБb – для полуволнового вибратора.

На основании изложенного выше в большинстве случаев переход от коэффициента усиления антенны к коэффициенту направленности осуществляется достаточно просто – путем увеличения первого пар а метра в 1,64 раза или на 2,15 дБ (по мощности ).

2. Формула идеальной радиопередачи

Свободное пространство можно рассматривать как однородную не поглощающую среду с. В действительности таких сред не с у ществует, однако выражения, описывающие условия распространения радиоволн в этом простейшем случае, являются фундаментальными. Распространение радиоволн в более сложных случаях характеризуется теми же выражениями с внесением в них множителей, учитывающих влияние конкретных условий распространения.

Для свободного пространства плотность энергии (Вт/м 2 ) на расстоянии (м) от точечного источника, излучающего радиоволны равномерно во всех направлениях, связана с мощностью, излучаемой этим источником (Вт) следующей зависимостью:

, (8)

где – модуль вектора Пойнтинга. На практике антенна излучает эне р гию по разным направлениям неравномерно. Для учета степени неравномерности излучения вводят коэффициент направленного де й ствия антенны.

Коэффициент направленного действия антенны D показывает, во сколько раз изменяется плотность мощности на данном расстоянии от излучателя при направленном излучателе по сравнению с ненаправле н ным (изотропным) излучателем.

При использовании направленного излучателя происходит пр о странственное перераспределение мощности, в результате чего в некоторых направлениях плотность мощности повышается, а в других снижается по сравнению со случаем использования изотропного излучат е ля. Применение направленных антенн позволяет получить в D раз большую плотность мощности в точке приема или в D раз снизить мо щ ность передатчика.

Величина является функцией углов наблюдения: в горизо н тальной плоскости и в вертикальной (рис 2). Обычно антенна с о здает максимальное излучение лишь в некотором направлении, для которого приобретает максимальное значение. Зависимость величин от углов и называют диаграммой направленности антенны по мощности, а отношение - нормированной диаграммой направле н ности по мощности (рис.4).

Рис. 4. Диаграммы направленности антенны по мощности: 1 – изотро п ного излучателя; 2 – направленной антенны

Плотность мощности на расстоянии от направленной излуча ю щей антенны

. (9)

Амплитуда напряженности электрического поля радиоволны в свободном пространстве связана с плотностью энергии этой волны (через сопротивление свободного пространства)

, (10)

откуда определяется амплитудное значение напряженности электрич е ского поля в свободном пространстве (В/м) на заданном расст о янии (м) от излучателя:

(11)

Мощность на входе приемника, согласованного с антенной, находящейся на расстоянии от излучателя,

, (12)

где — эффективная площадь приемной антенны, х а рактеризующая площадь фронта волны, из которой антенна извлекает энергию.

Мощность удобно определять непосредственно через мощность и величину излучающей антенны:

. (13)

Это выражение называется формулой идеальной радиопередачи .

Ослабление мощности при распространении радиоволн в св о бодном пространстве, определяемое как отношение, называют потерями передачи в свободном пространстве. При ненаправле н ных передающей и приемной антеннах это отношение (дБ) рассч и тывают по формуле:

, (14)

где — мощность, Вт; — расстояние, км; — частота, МГц.

Применение направленных антенн эквивалентно увеличению и з лучаемой мощности в
раз.

3 Радиолинии 1-ого и 2-ого рода.

При расчете и проектировании радиолиний, особенно в диапаз о нах сантиметровых и дециметровых волн, необходимо знать мощность сигнала на входе приемника. Эта мощность определяется различно для радиолиний двух типов. На радиолинии I типа передача информации ведется непосредственно из пункта передачи в пункт приема (рис. 5).

Рис 5 Радиолиния I -го типа

На радиолиниях II типа принимаются сигналы, испытавшие па с сивную ретрансляцию на пути от передатчика к приемнику (рис. 6).

Рис. 6 Радиолиния II -го типа

На этих линиях непосредственная передача энергии волны от и с точника до точки приема по каким-либо причинам невозможна (напр и мер, этот путь перекрыт препятствием). На наземных радиолиниях с пассивной ретрансляцией на пути распространения имеется специал ь ное антенное устройство, которое облучается первичным полем и п е реизлучает его в виде вторичного поля, предназначенного для приема.

На любой радиолинии мощность на входе приемника связана с плотностью потока мощности в месте приема соотношением

, (15)

где 2 - КПД фидера приемной антенны; - действующая площадь приемной антенны.

На радиолинии I типа в условиях свободного пространства пло т ность потока мощности в месте приема

, (16)

где 1, r указаны на рис. 6.

Подставляя (16) в (15), получаем для радиолинии I типа мо щ ность на входе приемника в условиях свободного пространства:

. (16)

На радиолинии II типа значение зависит от тех же параме т ров, что и на линии I типа, и, кроме того, от переизлучающих свойств ретранслятора. Если какое-либо тело облучается полем, то его способность переизлучать это поле оценивается эффективной площадью рассеяния (ЭПР). Величина ЭПР зависит от формы, размеров, электр и ческих свойств материала, из которого выполнен переизлучатель, а также от его ориентации относительно направления распространения первичного поля и направления на прием.

Если около переизлучающего тела плотность потока мощности первичного поля, то переизлученная мощность:

, (17)

а плотность потока мощности вторичного поля вблизи приемной антенны в условиях свободного пространства

(18)

Согласно (15), (17), (18) мощность на входе приемника для радиолинии II типа

. (19)

В тех случаях, когда .

(20)

Из (16) и (20) видно, что в свободном пространстве при отсу т ствии пассивного ретранслятора на линии мощность на входе приемн и ка уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, а при работе с ретранслятором - обратно пропорционально четвертой степ е ни. Такое быстрое убывание поля на линиях II типа объясняется тем, что поле дважды испытывает расходимость: первичное поле - на пути от источника (передающей антенны) до ретранслятора и втори ч ное поле — на пути от источника (ретранслятора) до пункта приема.

При проектировании систем удобно иметь сведения о потерях при передаче электромагнитной энергии. Потерями передачи наз ы вают отношение мощности , подводимой к передающей антенне, к мощности на входе приемной антенны:

, (21)

где - мощность на выходе передатчика; - мощность на входе пр и емника. Для радиолинии I типа в условиях свободного пространства согласно (16) и (21) потери передачи

. (22)

Расчеты упрощаются, если в (22) выделить составляющую , кот о рая характеризует потери, обусловленные расходимостью волны при. Составляющая называется основными потерями п е редачи в условиях свободного пространства:

. (23)

Полные потери передачи обычно выражают через . Так, вместо (22) можно записать

. (24)

Для радиолинии II типа в условиях свободного пространства при согласно (20) и (21) потери передачи

(25)

или с учетом (23)

(26)

4 Зоны Френеля. Область пространства, существенная при распр о странении радиоволн.

В теории распространения радиоволн, особенно при оценке вл и яния земли, важное значение имеет понятие «существенная о б ласть».

Областью, существенной при распространении радиоволн , наз ы вают часть пространства, в котором распространяется основная д о ля энергии.

Форму и размеры существенной области, возможно, установить и аналитически, используя принцип эквивалентности. Согласно этому принципу поле в точке приема определяется суммарным действием вторичных источников, распределенных по воображаемой поверхн о сти, замкнутой вокруг источника А или точки приема В.

Выберем поверхность, которая охватывает источник, и для упрощения расчетов составим ее из бесконечной плоскости, расположенной перпендикулярно линии АВ (рис. 7), и полусферы с бе с конечным радиусом, которая замыкает плоскость.

Поля от источников, расположенных на бесконечно удаленных участках поверхности , бесконечно малы вследствие расход и мости волны. Поэтому суммарное поле формируется источниками на поверхности , расположенными на конечном расстоянии от точки В. Для облегчения суммирования разделим плоскость на зоны Френ е ля.

Построим серию ломаных (рис. 8, а), пересекающих плоскость так, чтобы длина каждой последующей ломаной была больше длины предыдущей на половину длины волны:

. (27)

Семейство ломаных линий, удовлетворяющих условиям (1.20), при пересечении с плоскостью образует на этой плоскости систему окружностей с центром в точке (рис. 8, б). Участки плоскости, ограниченные окружностями, называют зонами Френеля на плоскости. Первая зона представляет собой круг, зоны высших номеров - кольц е вые области.

Рис. 7 Использование принципа эквивалентности

Суммарное поле от всех источников рассчитывается с учетом их распределения по зонам Френеля.

Рис. 8 Представление зоны Френеля

Амплитуда поля от элемента поверхности оценивается как , а фаза, где С - константа, завис я щая от свойств первичного источника. Результирующее поле:

, (28)

т.е. напряженность поля равна половине той величины, которая созд а ется источниками первой зоны Френеля.

При суммировании полей от источников только первой зоны напряженность поля возрастает до , где - поле в свободном пространстве. При дальнейшем сложении проявляется действие противофазных полей от источников второй зоны, и результирующая напр я женность поля уменьшается. Компенсирующее действие полей от источников четных зон Френеля обусловливает немонотонный закон пр и ближения величины к при.

Существенную область обычно ограничивают примерно восемью зонами Френеля. При таком приближении ошибка в вычислении поля не превышает 16%.

Внешний радиус n -й зоны Френеля ρ n согласно рис. 8, a ) и усл о вию (27), а также с учетом того, что на реальных линиях, определяется соотношением

. (29)

Максимальный радиус соответствует середине трассы, где.

. (30)

Максимальный радиус существенного эллипсоида, ограниченн о го восемью зонами Френеля,

. (31)

Чем короче волна, тем меньше поперечные размеры существе н ного эллипсоида. Например, на волнах при протяже н ности линии радиус. При этом большая ось существенного эллипсоида, соизмеримая с длиной радиолинии, в сотни и тысячи раз больше его малой оси, т.е. эллипс сильно вытянут вдоль трассы.

Понятие существенной области широко применяется при изуч е нии условий распространения на линиях, где электрические параметры тракта распространения неоднородны. Например, при распространении радиоволн над земной поверхностью ослабление поля зависит от ст е пени затенения существенной области поверхностью Земли. Если выс о ты антенн таковы, что часть существенной области затенена, то потери на линии значительно возрастают.

В заключение отметим, что существенная область имеет форму эллипсоида вращения только при использовании ненаправленных а н тенн в точках передачи и приема. Реально ее форма более сложная и зависит от ДН антенн.

Литература:

1 Ерохин Г.А., Чернышев О.В., Козырев Н.Д., Кочержевский В.Г. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн. – М. Радио и связь. 1996. - 486с.

2. Печаткин А.В. Системы мобильной связи. Часть 1. Принципы организации и частотного планирования систем мобильной связи: учебное пособие. РГТУ. - Рыбинск, 2008.- 122с.

3. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение р а диоволн. Часть 1. Основы электродинамики: Тексты лекций. - М: МГТУ ГА, 2002. – 80 с.

4. Яманов Д.Н. Основы электродинамики и распространение р а диоволн. Часть 2. Основы электродинамики. Тексты лекций.- М: МГТУ ГА, 2005. – 100 с.

1 Телесный угол измеряется в стерадианах. Полный телесный угол равен 4π стерадиан.

Другие похожие работы, которые могут вас заинтересовать.вшм>
13015.		Распространение волн в диспергирующих средах	112.27 KB
	Уравнение электромагнитного поля в среде с дисперсией. Частотная дисперсия диэлектрической проницаемости. Соотношение Крамерса – Кронига. Дисперсия при распространении электромагнитной волны в диэлектрике. Дисперсия в среде со свободными зарядами. Волны в средах с пространственной дисперсией
13072.		Распространение волн в нелинейных диспергирующих средах	89.27 KB
	Для среды без центра инверсии с квадратичной нелинейностью каждое из полей возбуждает квадратичные поляризации на удвоенной и нулевой частотах: то есть имеют место генерация второй гармоники и детектирование волны. Кроме того две электромагнитные волны с разными частотами...
13048.		Распространение ограниченных волновых пучков, дифракция	74.99 KB
	Метод Кирхгофа Метод Кирхгофа основан на интегральной теореме выражающей значения решения уравнения Гельмгольца в произвольной точке Мx y z через значения функции u и ее первой производной на поверхности S охватывающей точку М. Пусть uМ и GМ – комплекснозначные функции координат точки М имеющие непрерывные первые и вторые частные производные как внутри объема V содержащего точку М так и на ограничивающей этот объем поверхности S. На поверхности S2 производная по внешней нормали совпадает с производной по радиусу сферы r = r – r1 ...
2162.		МЕТОДЫ РАЗДЕЛЕНИЯ В ПРОСТРАНСТВЕ ПРИЗНАКОВ	56.83 KB
	Эти методы основаны на естественной гипотезе компактности в соответствии с которой точки отображающие одно и то же состояние диагноз группируются в одной области пространства признаков. Пространство признаков. Как уже указывалось каждая конкретная система объект может быть охарактеризована вектором х в многомерном пространстве признаков...
13026.		Таксономическая группа слизевиков, их строение, химический состав, распространение в природе и значение	1.33 MB
	Слизевики – одна из наиболее своеобразных и уникальных по своей природе групп организмов. Целый ряд присущих им свойств отражает ранние стадии эволюции эукариотов, что делает их изучение не просто увлекательным хобби, но и серьёзной научной задачей. Они широко распространены в природе и стали известны науке более двух веков назад.
3643.		Принципы действия угол. закона в пространстве	2.96 KB
	Это вопрос опредия территории на которой применяется УЗ. Лицо совершившее ПРе на территории РФ подлежит угол. Граждане РФ и постоянно проживающие в РФ лица без гражданства совершившие ПРе вне пределов РФ подлежат УО по УК если совершенное ими деяние признано ПРем в госве на территории которого оно было совершено и если эти лица не были осуждены в иностранном госве. При осуждении указанных лиц наказе не может превышать верхнего предела санкции предусмотренной законом иностранного госва на территории кго было совершено ПРе.
3571.		Вестибулярные ощущения и их роль в ориентировке тела в пространстве	10.58 KB
	Вестибулярные ощущения отражают изменение положения тела относительно плоскости Земли а также перемену ускорения. Статикодинамические ощущения вестибулярные ощущения равновесия – это ощущения которые правильно ориентирует человека при наличии земного притяжения возникают в результате деятельности вестибулярного анализатора. Рецептор: вестибулярный аппарат волосковые клетки Функции: отражает информацию о состоянии тела в пространстве его позы его пассивных и активных движений равно как и движений отдельных частей тела...
16255.		Экономические стратегии России на постсоветском пространстве: дискуссионные вопросы теории и практики	15.27 KB
	В системе международных связей РФ отношения со странами СНГ считаются приоритетным направлением что зафиксировано в важнейших государственных документах - в Концепции внешней политики Российской Федерации до 2020 года 2008 и в Стратегии национальной безопасности РФ 2009. Декларированные приоритеты однако слабо подтверждаются итогами сотрудничества России со странами СНГ на практике. В структуре внешней торговли РФ роль европейского ЕС и азиатского векторов АТР растет а значение вектора СНГ все более...
1171.		Лингвокультурологическая энциклопедия слова «товарищ». Русское слово в пространстве российской культуры	5.72 MB
	Мир слов, окружающий нас, яркий, разнообразный, постоянно меняющийся. Нам сложно сейчас представить нашу жизнь без слова. Лев Успенский считает, что «всё, что люди совершают в мире действительно человеческого, совершается при помощи языка. Нельзя без него работать согласованно, совместно с другими
3770.			7.26 KB
	При решении вопроса о системе таможенного права таможенного союза следует исходить из того что в формировании его содержания и систематизации норм решающая роль принадлежит государствам-участникам таможенного союза.

Линии связи на основе радиоканала

ЛЕКЦИЯ 2

Существующие типы линий связи (ЛС) в зависимости от используемой среды распространения сигналов принято делить на проводные и линии в атмосфере (радиолинии). Начинают использоваться и беспроводные оптические линии связи.

К линиям связи предъявляются следующие основные требования:

· осуществление связи на требуемые расстояния;

· широкополосность и пригодность для передачи различных видов сообщений;

· защищенность цепей от взаимных влияний и внешних помех, а также от физических воздействий (атмосферных явлений, коррозии и пр.);

· стабильность параметров линии, устойчивость и надежность связи;

· экономичность системы связи в целом.

Рассмотрим особенности распространения электромагнитных колебаний различных диапазонов радиоволн.

Электромагнитные колебания, применяемые для целей связи без проводов подразделяются на радиоволны и оптические волны, характеризуются частотой колебаний и длиной волны и делятся на 9 диапазонов радиоволн и 3 диапазона оптических волн.

Радиоволны, излучаемые передающей антенной, прежде чем попасть в приемную антенну, проходят в общем случае сложный путь. На величину напряженности поля в точке приема оказывает влияние множество факторов. Основные из них:

• отражение электромагнитных волн от поверхности Земли;
• преломление (отражение) в ионизированных слоях атмосферы (ионосфере);
• рассеяние на диэлектрических неоднородностях нижних слоев атмосферы (тропосфере);
• дифракция на сферической выпуклости Земли.

Кроме того напряженность поля в точке приема зависит от длины волны, освещенности земной атмосферы Солнцем и ряда других факторов.

Классификация и способы распространения радиоволн приведены в табл. 2.1 и табл. 2. 2. Деление радиоволн на диапазоны установлено Международным регламентом радиосвязи МСЭ-Р.

Таблица 2.1 – Классификация диапазонов радиоволн

Вид радиоволн	Тип радиоволн	Диапазон радиоволн (длина волны)	Но-мер диа-пазо-на	Диапазон частот	Вид радиочастот
Мириаметровые	Сверхдлинные	10..100 км		3..30 кГц	Очень низкие (ОНЧ)
Километровые	Длинные	1..10 км		30..300 кГц	Низкие (НЧ)
Гектометровые	Средние	100..1000 м		300..3000 кГц	Средние (СЧ)
Декаметровые	Короткие	10..100 м		3..30 МГц	Высокие (ВЧ)
Метровые		1..10 м		30..300 МГц	Очень высокие (ОВЧ)
Дециметровые	Ультракорот-кие	10..100 см		300.3000 МГц	Ультравысокие (УВЧ)
Сантиметровые		1..10 см		3..30 ГГц	Сверхвысокие (СВЧ)
Миллиметровые		1..10 мм		30..300 ГГц	Крайне- высокие (КВЧ)
Децимиллиметро-вые		0.1..1 мм		300..3000 ГГц	Гипервысокие (ГВЧ)

Таблица 2 .2 - Способы распространения радиоволн

Частота колебаний связана с длиной волны соотношением:

f = c /λ , где f - частота, Гц; c = 3·10 8 м/с - скорость распространения электромагнитных волн в свободном пространстве; λ - длина волны, м.

Из таблицы 2.1 видно, что длина волны в 5 диапазоне (длинные волны) исчисляется километрами, в 10-11 диапазонах (диапазоны СВЧ) - сантиметрами и миллиметрами. В оптических диапазонах длины волн исчисляются микрометрами.

Длина волны определяет специфику распространения электромагнитной энергии в условиях Земли. Вспомним, что дифракция радиоволн, явления, возникающие при встрече радиоволн с препятствиями. Радиоволна, встречая при распространении в однородной среде препятствие, изменяется по амплитуде и фазе и проникает в область тени, отклоняясь от прямолинейного пути. В реальных случаях распространения радиоволн препятствия могут иметь произвольную форму и быть как непрозрачными, так и полупрозрачными для радиоволн.

Волны каждого из диапазонов имеют свои особенности распространения, но на границах диапазонов не существует резких изменений этих особенностей.

В свободном пространстве радиоволны распространяются прямолинейно и не испытывают поглощения. Потери при распространении электромагнитных колебаний в свободном пространстве объясняются уменьшением плотности мощности излучения при увеличении расстояния и могут быть найдены по следующей формуле

L 0 = 20 lg (4.189 ·10 4 R 0 · f ) , дБ,

где R 0 - расстояние, км, f - частота, ГГц.

В радиолиниях связи (радиоканалах) средой распространения электромагнитных волн в подавляющем большинстве случаев (за исключением случая связи между космическими аппаратами) является атмосфера Земли. На рис. 2.1 приведено упрощенное строение атмосферы Земли. Реально строение атмосферы более сложно и приведенное деление на тропосферу, стратосферу и ионосферу достаточно условно. Высота слоев приведена приблизительно и различна для разных географических точек Земли. В тропосфере сосредоточено около 80% массы атмосферы и около 20% - в стратосфере. Плотность атмосферы в ионосфере крайне мала, граница между ионосферой и космическим пространством является условным понятием, так как следы атмосферы встречаются даже на высотах более 400 км. Считается, что плотные слои атмосферы заканчиваются на высоте около 120 км.

Влияние среды на распространение электромагнитных волн проявляется в изменении (большей частью уменьшении) амплитуды поля волны, изменении скорости и направления распространения волны, в повороте плоскости поляризации и в искажении передаваемых сигналов.

Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости (в масштабе длины волны) от поверхности Земли, будем называть земными, поверхностными радиоволнами (рис. 2.2).

Рисунок 2.1 - Строение атмосферы Земли

Условия распространения радиоволн по естественным трассам вблизи Земли определяются многими факторами: влиянием земной поверхности и различных препятствий, наличием атмосферы, поглощением электромагнитной энергии в гидрометеорах (дожде, снеге, тумане, смоге и пр.). Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн, являясь полупроводящей средой, поглощающей энергию.

Рисунок 2.2 - Земные, поверхностные радиоволны

В окружающей земной шар атмосфере различают две области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу и ионосферу.

Тропосфера неоднородна как в вертикальном направлении, так и вдоль земной поверхности, кроме того, ее электрические параметры меняются при изменении метеорологических условий.

Распространение тропосферных волн связано с рефракцией (искривлением траектории волны) в неоднородной среде, а также с рассеянием и отражением радиоволн от различных неоднородностей.

В ионосфере плотность газа весьма мала и газ ионизирован, т. е. имеется большое число свободных электронов. Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства газа и обусловливает возможность отражения радиоволн от ионосферы. Путем последовательного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны распространяются на очень большие расстояния (например, короткие волны могут несколько раз огибать земной шар). Ионосфера является неоднородной средой, и радиоволны рассеиваются в ней, что также обусловливает возможность распространения радиоволн на большие расстояния. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, будем называть ионосферными, пространственными волнами.

За пределами ионосферы плотность газа и электронная плотность уменьшаются и на расстоянии, равном 3-4,5 радиусам земного шара, атмосфера Земли переходит в космическое пространство, где газ полностью ионизирован, плотность протонов равна плотности электронов и составляет всего 2-20 эл/см 3 . Условия распространения радиоволн в космосе близки к условиям распространения в свободном пространстве. Таким образом, оказывается возможным рассматривать раздельно влияние на распространение радиоволн земной поверхности, тропосферы, ионосферы и космического пространства.

Кривизна земной поверхности, неровности рельефа местности и различные искусственные преграды также сильно влияют на распространение электромагнитных волн. В случае соизмеримости длины волны и размеров препятствий волны могут огибать их. К примеру, радиоволны 4 - 5 диапазонов (длинные и сверхдлинные волны) обладают способностью огибать поверхность Земли и могут распространяться на расстояния в несколько тысяч километров поверхностными лучами (рис. 2.3).

Качество связи мало зависит от сезонов или времени суток. Однако каналы связи в этих диапазонах обладают очень узкой полосой пропускания и могут обеспечивать передачу ограниченного объема радиовещательных, телефонных, телеграфных и фототелеграфных сообщений.

Длинные и особенно сверхдлинные волны мало поглощаются при прохождении в толще суши или моря. Так, волны длиной 20-30 км могут проникать в глубину моря на несколько десятков метров и, следовательно, могут использоваться для связи с погруженными подводными лодками, а также для подземной радиосвязи.

Рисунок 2.3 – Сверхдлинные и длинные волны, огибающие поверхность Земли

В 6 диапазоне (средние волны) поверхностный луч претерпевает более сильные поглощения и может распространяться на расстояние 500-1500 километров. Однако, при увеличении плотности ионосферы (в ночные часы) в диапазоне средних волн возможно распространение сигналов пространственным лучом, который может обеспечить связь на расстояние в несколько тысяч километров (рис. 2.4).

Рисунок 2.4 – Распространение гектометровых, средних волн (6 диапазон)

Радиоволны 7 диапазона (короткие волны) поверхностными лучами распространяются на небольшие расстояния из-за поглощения энергии поверхностью Земли (рис. 2.5). Однако пространственные волны могут многократно отражаться от ионосферы и земной поверхности проходить очень значительные расстояния, вплоть до глобальных, обеспечивая передачу сигналов радиовещания, радиотелефонии и радиотелеграфии.

Рисунок 2.5 – Распространение коротких волн

Распространение волн таким способом довольно неустойчиво и подвержено сильным замираниям как медленным (в течение года, сезона, времени суток и пр.), так и быстрым, с периодом в доли и единицы секунд. Медленные замирания объясняются изменениями состояния ионосферы, а быстрые - взаимодействием множества лучей, которые могут попадать в точки приема.

В общем случае короткие волны лучше распространяются ночью и, иногда, способны, последовательно отражаясь от ионосферы и поверхности земли, огибать земной шар.

Радиоволны 8-12 диапазонов (рис. 2.6) позволяют передавать значительно более объемную информацию, включая телевизионные сигналы, сигналы многоканальной телефонии, высокоскоростные цифровые потоки.

Однако пространственные волны этих диапазонов проходят через ионосферу в космическое пространство и для целей наземной связи почти не пригодны, а поверхностные волны распространяются почти прямолинейно, практически не огибая земную поверхность.

Рисунок 2.6 – Распространение сверхкоротких волн

Поэтому они устойчиво проходят только на расстояние прямой видимости между антеннами передающего и приемного оборудования. Это расстояние составляет десятки километров (при реальной высоте подвеса антенн в несколько десятков метров) и для передачи сигналов на большие расстояния приходиться строить цепочки ретрансляторов, образующих радиорелейные линии (РРЛ).

Важным способом передачи сигналов этих диапазонов на большие расстояния является использование для ретрансляции связных спутников. Спутниковые системы позволяют передавать информацию на десятки тысяч километров и перекрывать большие площади на поверхности Земли, вплоть до организации глобальных систем связи.

Возможна также передача сигналов 8 - 9 диапазонов на большие расстояния (значительно превышающие прямую видимость) за счет рассеяния электромагнитной энергии в неоднородностях тропосферы. Этот принцип используется в тропосферных радиолиниях связи (ТРЛ).

С увеличением частоты (больше 10 ГГц) радиоволны ослабляются в газах атмосферы и, особенно сильно - в дожде, снеге, граде. Поэтому в этих диапазонах устойчивое распространение электромагнитных волн возможно на расстоянии меньшем, чем расстояние прямой видимости.

В оптических диапазонах волн можно передавать гигантские объемы информации. В основном для целей связи применяется 3 диапазон оптических волн (инфракрасные волны). При распространении в открытом пространстве они подвержены большим ослаблениям в атмосфере и, практически, обеспечивают связь на расстояние до 4-5 км, однако при использовании таких систем связи нет необходимости получать какие-либо разрешения от инспекций по электросвязи.

Полное ослабление света в атмосфере обусловлено несколькими факторами. Различают ослабление света в атмосфере, свободной от облаков и тумана, и ослабление света в тумане. Первый вид ослабления складывается из рассеяния света на молекулах газа и водяного пара и селективного поглощения. Селективное поглощение в газах и водяных парах атмосферы объясняется взаимодействием их электронной, колебательной и вращательной энергий с электромагнитными колебаниями определенной частоты. Основное поглощающее действие оказывает водяной пар, поскольку его содержание намного превышает содержание углекислого газа и озона. Прозрачность атмосферы для инфракрасных лучей сильно зависит от влажности атмосферы. Измерения показали, что сравнительно хорошей прозрачностью для инфракрасных волн атмосфера обладает на следующих диапазонах: 0,95-1,05; 1,2-1,3; 1,5-1,8; 2,1-2,4; 3,3-4,0; 8,0-11,0 мкм.

Для передачи на большие расстояния применяются закрытые оптические системы , в которых свет распространяется по стеклянным волокнам. К достоинствам волоконно-оптических систем связи (ВОЛС) можно отнести возможность передачи чрезвычайно больших объемов информации, не достижимых для других структур. Достигнуты скорости передачи цифровых сигналов в волоконно-оптических системах связи более 1 терабита в секунду!

Излучение и прием электромагнитных волн осуществляется при помощи антенн. Антенны характеризуются многими параметрами, главными из которых являются рабочие частоты, их ширина и направленные свойства излучения и приема. Более подробно об антенных системах мы поговорим на практических занятиях.

Направленные свойства или способность антенны принимать или передавать сигналы в заданном направлении зависят от соотношения между длиной волны и геометрическими размерами элементов антенн. Чем больше размеры антенны по сравнению с длиной волны электромагнитных колебаний, тем лучше направленные свойства антенны.

Одна из простых антенн - симметричный вибратор, который эффективно работает при условии, что его длина равна половине длины волны λ / 2. Для улучшения направленных свойств антенн применяются дополнительные структуры, образующие антенну под названием «волновой канал», получившую широкое распространение для приема телевизионных сигналов.

В диапазонах 9-12, в основном, применяются различные модификации параболических антенн.

Антенны оптических диапазонов представляют собой линзовые и зеркальные системы.

Радиолинии используют в тех случаях, когда возникают трудности прокладки проводных линий связи . Принципиальное отличие радиосистем передачи информации заключается в том, что условия распространения радиоволн в радиолинии нестационарны, т.е. подвержены непрерывным случайным изменениям, зависящим от времени и частоты. Однако передача с помощью радиоволн в некоторых случаях является единственным методом связи (например, связь с подвижными объектами). При этом применяются различные системы радиосвязи: радиорелейные прямой видимости и тропосферные, спутниковые, на декаметровых волнах, ионосферные и пр.

Типичный вид построения радиолинии (радиоканала) показан на рис. 2.7.

Рисунок 2.7 - Типичный вид радиолинии

Для обеспечения односторонней радиосвязи (рис.2. 8) в пункте, из которого ведется передача сигналов, размещают радиопередающее устройство, содержащее радиопередатчик РПер и передающую антенну А ПЕР, а в пункте, в котором ведется прием сигналов - радиоприемное устройство, содержащее приемную антенну А ПР и радиоприемник РПр. Антенны подключаются к приемопередающему оборудованию при помощи фидерных трактов Ф. Для двухстороннего обмена сигналами нужно иметь два комплекта такого оборудования. Двухсторонняя радиосвязь может быть симплексной или дуплексной. При симплексной радиосвязи передача и прием ведутся поочередно. Радиопередатчики в конечных пунктах в этом случае могут работать на одинаковой частоте, на эту же частоту настроены и радиоприемники. Радиопередатчик включается только на время передачи.

Рисунок 2.8 - Структура системы радиосвязи

При дуплексной радиосвязи передача осуществляется одновременно с приемом. Для такой связи должны быть выделены две разные частоты для передачи в разных направлениях. Радиопередатчики и радиоприемники абонентов включены в течение всего сеанса связи.

Оглавление

А1.0 ТИПЫ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

А1.1 Модель Free space + RMD

А1.2 Модель FCC + RMD

А1.3 Модель CCIR + RMD

А1.4 Модель Okumura (Hata)

А1.5 Модель Hata/Davidson/Epstein-Peterson Diffraction

A1.6 Модель TIREM-EDX

А1.7 Модель FCC - EDX

А1.8 Модель FCC - FCC

А1.9 Модель CCIR - EDX

А1.10 Модель FCC - Pt.22

А1.11 Модель COST 231 - Hata

А1.12 Заказная модель

А2.0 Методы вычисления затухания на трассе.

А2.1 RMD.

А2.1.1 Вычисление коэффициента отражения.

А2.1.2 Определение потерь из-за дифракции.

А2.1.3 Потери из-за препятствий на местности

А2.3 Ослабление сигнала по причине поглощения в атмосфере.

А3.0 Нестабильность

А3.1 Временная нестабильность

А3.2 Пространственная нестабильность

А1.0 ТИПЫ МОДЕЛЕЙ РАСПРОСТРАНЕНИЯ

При работе с программным обеспечением компании EDX можно выбрать одну из нескольких различных моделей распространения для выполнения расчетов затухания на трассе, принимаемой мощности, или напряженности поля. Кроме того, для большинства моделей вы можете независимо определить временную и пространственную статистику и доверительную маржу (запас). Вы можете также выбирать из семи различных климатических зон, которые оказывают воздействие на временную статистику.

Доступные модели распространения:

1. Free space + RMD

4. Okumura (Hata)

5. Hata/Davidson/Epstein-Peterson Diffraction

11. COST 231 - Hata

12. Custom (заказная)

Каждая из этих моделей объясняется более подробно в следующих разделах этого Приложения. Выбор соответствующей модели и статистики уровня сигнала для вашей проектируемой системы будет зависеть от типа системы и области, где она будет использоваться. Может потребоваться некоторое экспериментирование с различными моделями, уровнями сигнала, и статистикой уровня сигнала, чтобы достигнуть удовлетворительных результатов для вашего типа системы.

Используя одну из этих моделей можно определить значение затухания на поверхности. Это потери, которые происходят на трассе в дополнение к потерям в свободном пространстве.

В данной модели при вычислении потерь на трассе можно учесть естественные препятствия на местности, фактор временной и пространственной статистики, застройку и деревья. Это все подробнее рассматривается ниже в разделах A2.1 - A2.4. Эта модель наиболее подходит для анализа прохождения радиоволн в микроволновом диапазоне, для систем типа MMDS , где используются стационарные приемные станции с направленными антеннами.

Этот метод подобен FCC+RMD за исключением того, что вместо графиков FCC используются кривые, рекомендованные CCIR (Rec 370-5). Диапазоны расстояний от передатчика до приемника дляхарактеристик FCC и кривых CCIR отличны. Кривые FCC могут использоваться в основном для расстояний в пределах от 1 до 200 или 300 км. Кривые CCIR начинаются с 10 км и простираются до 500 км. Если Вы выбираете CCIR + RMD метод, и расстояния меньше чем 10 км, программа назначит по умолчанию использование потерь на трассе свободного пространства. Это часто приводит к аномальной напряженности поля или полученным результатам уровня мощности при переходе от свободного пространства до кривых CCIR в отметке 10 км, особенно для низких эффективных высот антенн. При использовании этого метода, средняя высота антенны будет автоматически ограничена значениями между 37.5 и 1200 метрами. Это ограничение накладывается файлами данных на кривые CCIR .

Метод Okumura , используемый в программе - это фактически компьютерная реализация Okumura метода, который был разработан Hata . Метод Okumura был разработан на основе данных измерений уровней сигнала от передатчика в нескольких частотных диапазонах в Токио и его пригородах. Выбор этого метода следовательно наиболее предпочтителен для урбанизированных областей, где расстояние анализа относительно не велико (меньше чем 30 км), эффективная высота передающей антенны - меньше чем 200 м, эффективная высота приемной антенны - меньше чем 10м, и местность относительно плоская. Использование этого метода для других случаев или при больших расстояниях может оказаться неприемлемым. Используя Okumura(Hata) метод, вы можете выбирать типы наземных помех - "нет", "пригородная зона" или "город". Эти выбор определит соответствующие выражение для затухания.

Формулы Hata:

Основные потери на трассе для городских зон:

f - частота в МГц;

Высота антенны базовой станции (в метрах), превышающая усредненную высоту рельефа в направлении анализируемой трассы в пределах 3-15 км;

Поправочный коэффициент (см. ниже);

d = расстояние от передатчика до приемника, км.

Для среднего города:

Для большого города:

Для f200 МГц (А3)

Для f400 МГц (A4)

Высота антенны мобильной станции над землей, м.

Для пригородных областей, городские потери, рассчитанные выше корректируются следующим образом:

, dB (A5)

Для сельских, квази -открытых участков:

Для сельских открытых участков:

Это - специализированная модель, которая основана на Hata модели, описанной в разделе A1.4. В данной модели для расширения частотного диапазона, диапазона расстояний и диапазона высот антенны базовой станции, Davidson (Motorola) использовал графические методы для экстраполяции кривых к частотам от 30 до 1500 MHz, диапазона расстояний до 300 км, и антенн базовых станций от 30 до 1000 метров. После определения потерь на трассе, используя модель Hata A1.5, используются следующие уравнения, чтобы корректировать потери на трассе:

Если d> 20 км,

Если d> 64.36 км,

Если > 300 метров,

После того, как эти исправления сделаны, выполняются следующие заключительные корректировки:

Если d> 40.2 км

Потери на трассе в dB, определенные по методу Hata

Потери на трассе в dB с расширением Davidson к методу Hata

f = частота в MHz

d = расстояние от передатчика до приемника в км.

Эффективная высота базовой станции в метрах

В дополнение к исправлениям, сделанным Davidson , эта модель включает дополнительное затухание на трассе из-за дифракционных потерь на рельефе. Используемый метод - Epstein-Peterson метод множественных потерь по причине дифракций на препятствиях, который является идентичным методу, описанному в разделе A2.1.2.

Этот метод похож на FCC - RMD метод (А1.2) за исключением того, что вычисление затухания здесь основано исключительно на характеристиках распространения FCC , без учета потерь на дифракцию и отражение (RMD). Этот метод вычисляет напряженность электрического поля точно следуя рекомендациям FCC (часть 73,22 и 90 правил FCC ). Интерполяционные алгоритмы для нахождения напряженности поля между точками и между кривыми были разработаны EDX.

Этот метод такой же как и описанный в А1.3, за исключением того, что он не учитывает потери на дифракцию и отражение сигнала (RMD), и базируется только на CCIR характеристиках распространения.

Этот метод схож с FCC - EDX методом, и отличается только тем, что определенные контурные уровни напряженности поля вызывают специальные формулы для вычислений, взятые из правил FCC.

Данная модель - вариация Hata модели, описанной раннее. Эта версия была разработана для того, чтобы получить модель, которая работала бы в диапазоне частот 1.5-2 ГГц.

При этом формула для основных потерь на трассе в городе:

0 dB для городов средних размеров и пригородов с умеренной плотностью деревьев

3 dB для столичных центров

Переменные -те же что и в Hata модели.

Здесь используются те же корректировки для сельских квази-открытых и открытых районов. Корректировки для пригородных районов не используются.

Заказная модель основана на Cost 231-Hata методе. Эта модель позволяет вам независимо корректировать каждый из основных своих параметров С1-С10:

(А27)

Аббревиатура RMD означает "Reflection plus Multiple Diffraction Loss" (отражение плюс множественные дифракционные потери). RMD часть вычислений потерь на трассе использует метод дифракционных потерь на препятствиях, взятый из технических замечаний NBS №101. В случае прямой видимости, когда нет препятствий, которые бы блокировали прямой луч от передатчика до приемника, затухание определяется путем рассматривания вклада одиночного отраженного луча от земли и векторного сложения его с прямым лучом. Для трасс, где рельефные препятствия достаточно высоки чтобы частично закрывать 0.6 от первой зоны Френеля, RMD метод включает дополнительные потери в диапазоне от 0 до 6 dB в зависимости от степени закрытия первой зоны Френеля (при затухании 6 dB прямой луч уже "царапает" препятствие). Если вы желаете игнорировать отражение от земли, введите "-1" для проводимости земли в соответствующем меню.

В загоризонтной или закрытой препятствиями местности, затухание на трассе вычисляется с помощью подхода Эпштейна-Петерсона путем объединения дифракционных потерь над десятью стоящими одно за одним рельефными препятствиями. Потери вычисляются отдельно для каждого препятствия, при этом для каждого последующего препятствия, выступающего в роли "приемника" , предыдущее препятствие является "передатчиком".

Специфичность метода и формулы для вычислений вклада отражения и дифракции при определении затухания на трассе рассматриваются в следующих разделах.

Коэффициент отражения принимается во внимание в модели RMD когда приемник и передатчик находятся на линии прямой видимости. Если проводимость земной поверхности не установлена равной -1, то программа находит точку отражения на трассе от передатчика до приемника, в которой угол падения равен углу отражения. Обычно нет таких точек, в которых бы угол падения в точности совпадал с углом отражения, поэтому программа допускает некоторую небольшую угловую погрешность. В том случае, если не существует точек отражения, никакого вклада мощности от отраженного луча не допускается.

Если точка отражения найдена, программа вычислит комплексный коэффициент отражения для горизонтальной или вертикальной поляризации, используя следующие формулы:

(А28)

(А29)

Перпендикулярные и параллельные индексы показывают коэффициенты отражения для излучения которое является перпендикулярным или параллельным плоскости падения. Когда луч отражается от земли, то перпендикуляр относится к горизонтальной поляризации, а параллель - к вертикальной поляризации.

Комплексные коэффициенты отражения данные выше - для гладкой поверхности.

Комплексная диэлектрическая проницаемость вычисляется так:

(А30)

где - относительная диэлектрическая постоянная отражающей поверхности, - проводимость отражающей поверхности в Сименс/метр (обе величины вводятся в меню Prop_Info) и - длинна волны, излучаемая передатчиком. Коэффициент отражения на гладкой отражающей поверхности изменяется в случае изрезанной поверхности, принимая во внимание коэффициент затухания на неровностях:

(А32)

где - среднеквадратичное отклонение неровностей поверхности.

В алгоритме модели RMD коэффициент отражения вычисляется как описано выше для вертикальной и горизонтальной поляризации чтобы найти амплитуду и фазу отраженного луча. Этот отраженный луч затем векторно складывается с прямым лучом для нахождения напряженности поля в месте приема.

При выборе определенного типа помех программа добавляет соответствующий коэффициент ослабления при вычислении напряженности поля и уровня принимаемой мощности. При вычислении потерь этот коэффициент учитывает ослабление сигнала из-за строений и лесопосадок вокруг места приема. Эти потери будут учитываться во всех точках области анализа.

Если вы выбираете тип помехи "None", то никакие дополнительные потери из-за строений или лесопосадок не вносятся. При выборе типа помехи "Urban" (центр города), дополнительное затухание по причине помех вычисляется по следующей формуле:

где f - частота в МГц, d - расстояние от передатчика до приемника в км. Это выражение было взято из "Radio Propagation in Urban Areas. Report 78-144 Anita Longley." При выборе типа помехи "Suburban" (пригород), дополнительное затухание, вычисленное по предыдущей формуле уменьшается на 12 dB. Если вы выбираете тип помехи "Dense foliage" (плотная листва), дополнительное затухание вычисляется при помощи следующего выражения:

Это эмпирическая формула была получена для наиболее широкого представления (систематизации) данных, извлеченных из различных опубликованных статей по теме ослабления сигнала из-за деревьев, леса и кустарников. Если вы выбираете тип помехи "Sparse foliage" (Редкая листва), то потери из-за присутствия помехи уменьшаются на 6 dB относительно помех (А44).

Оценки ослабления по причине помех, данные выше должны рассматриваться с известной долей скепсиса т.е. как приблизительные, так как они получены чисто статистическим путем, и не могут гарантировать точных вычислений в некоторых случаях.

Для модели распространения сигнала, базирующейся на методе Okumura (Hata), "Urban" и "Suburban" коэффициенты вычисляются в соответствии с оригинальной методикой Hata, и при этом поправочные коэффициенты, данные выше не применяются.

Вы также можете включать более детальные препятствия при анализе, используя базу данных groundcover (земное покрытие). Это наиболее усовершенствованный способ включать локальные помехи при проведении анализа. И если вы используете базу данных groundcover то должны выбрать тип помехи в меню Prop_Info как "None".

Временная нестабильность - изменение уровня сигнала как функции времени в фиксированном месте приема при постоянных других параметрах среды. Строго говоря, изменение уровня сигнала происходит из-за зависимых от времени изменений в атмосфере, в основном из-за преломлений. Эти изменения могут приводить к изменению зон уверенного приема. Это называется "медленное изменение уровня мощности" и определяется из ежечасных измерений уровней мощности сигналов, что усредняет быстрые замирания, которые обсуждаются ниже.

Второй тип временной нестабильности - быстродействующее изменение, наблюдаемое в микроволновых системах, в которых переменные атмосферные условия изменяют относительную длину, и сдвиги фазы сигнала на трассе так, что прямые и отраженные лучи складываются либо в фазе, либо нет в зависимости от времени. Результирующий сигнал в месте приема имеет временную нестабильность которая подобна классическому распределению замираний Рэлея. Обычное ослабление мощности в таких случаях несколько dB, причем с большими изменениями при увеличении длины пути. Быстрые замирания Рэлеевского типа могут быть до 40dB и больше, это зависит от времени дня, сезона, типа климата.

Вы можете выбрать тип климата, что будет затем оказывать влияние на вычисление временной нестабильности. Для коротких трасс временная нестабильность приводит к изменению уровня сигнала на несколько dB. Быстрые временные изменения не учитываются в программах MSITE/SHDMAP и CVR, FMSR, и TVSR. Программы TPATH и RPATH принимают во внимание этот тип нестабильности.

Многое из, что описывается как временная нестабильность - фактически пространственная нестабильность, пространственная нестабильность в общем случае любое изменение в расположении приемника относительно любого элемента в среде. Так, например, уровень мощности в фиксированном месте приема может меняться по причине отражения сигнала от проезжающего мимо автомобиля, автомобиль - часть среды распространения, и поэтому изменение уровня сигнала, которые он вызывает должно рассматриваться как пространственная нестабильность, даже если при этом не изменяется местоположение приемника.

Обратите внимание, что изменения уровня сигнала, наблюдаемые в точках на трассе, которые затенены или, например, находятся на линии взгляда - не является пространственной нестабильностью, здесь различие в уровнях сигнала объясняется либо ситуацией прямой видимости, либо затенением. Другими словами, пространственная нестабильность обусловлена изменением уровня сигнала, которое определяется изменением в среде распространения, и она явно не рассматривается. Если в среде распространения все фиксировано, как и местоположение приемника, то пространственная нестабильность будет нулевой. Изменение уровня сигнала будет происходить по причине временной нестабильности.

Пространственная нестабильность характеризуется случайной величиной с распределением, подобным распределению Рэлея. Степень изменения может быть оценена принимая во внимание то, что уровень сигнала уменьшается примерно на 10 dB при увеличении на порядок процента вероятности. Например, если предсказанный уровень сигнала в 50% мест -100 dBmW, то уровень сигнала в 90% мест -110 dBmW, в 99% мест -120dBmW. По аналогии, уровень сигнала, гарантированный в 10% мест -90 dBmW, в 1% мест -80dBmW.

5.5.2. Информационные характеристики канала связи

5.6. Основы теории кодирования

5.6.1. Основные понятия и определения

5.6.2. Классификация кодов

5.6.3. Основные задачи теории кодирования

5.6.4. Помехоустойчивые блочные систематические коды

5.7. Основы сетей электросвязи

Глава 6. Авиационная электросвязь

6.1. Классификация и предназначение авиационной электросвязи

6.2. Современное состояние и перспективы развития авиационной электросвязи в соответствии с системой cns/atm

6.2.1. Существующая система авиационной электросвязи

6.2.2. Перспективная концепция связи

6.3. Сети авиационной фиксированной электросвязи

6.4. Сети авиационной воздушной электросвязи

6.5. Аэронавигационная телекоммуникационная сеть atn

6.6. Протоколы информационного обмена авиационной сети электросвязи (atn)

6.6.1. Анализ протоколов бортовой подсети

6.6.2. Протоколы подсети «воздух-земля»

Существующие режимы линии передачи данных мв подсети acars, vdl-2, vdl-2 и vdl-4 рассмотрены выше.

6.6.3. Анализ протоколов подсети «земля-земля»

6.6.4. Возможность использования сети на основе протоколов х.25

6.6.5. Возможности использования технологии FrameRelay

6.6. Авиационное радиовещание

Глава 7. Средства авиационной электросвязи

7.1. Классификация объектов и средств авиационной электросвязи

7.2. Средства радиосвязи овч диапазона

7.2.1. Радиосредства серии «Фазан-19»

Основные технические характеристики наземных средств радиосвязи овч-диапазона

7.2.3. Радиооборудование серии «r&s Series 200»

Основные технические характеристики радиосредств Фазан-19

Технические характеристики многоканальных овч-приемникa r&s eu230a, увч-приемникa r&s ed230a приведены в табл. 7.3.

Технические характеристики многоканальных

Технические характеристики овч передатчикa r&s su250a, увч передатчикa r&s sd230a

7.2.2. Радиосредства серии «Серия 2000»

Основные этх радиопередатчика Серии 2000

Основные этх радиоприёмника Серии 2000

7.2.3. Автономные радиоретрансляторы овч-диапазона

Многофункциональный автономный радиоретранслятор "габик"

Автономный радиоретранслятор «анр-1»

Основные этх аррт «анр-1»

7.2.4. Автоматизированные приемо-передающие центры

Автоматизированный приемо-передающий центр на основе радиосредств Фазан-19

Автоматизированный приемо-передающий центр на основе радиосредств серии 2000

7.2.4. Алларатура и оборудование высокочастотных трактов радиоцентров овч-диапазона

Основные технические характеристики шау «Вятка»

Электрические характеристики if-1Av-125-r/2

7.5. Антенны, антенные комплексы, антенные поля

Технические характеристики антенного устройства анк-100-150

Основные технические характеристики антенн овч-диапазона

Основные технические характеристики антенны оа 2004v

Основные технические характеристики антенны оа 2001v

7.2.6. Бортовые радиостанции овч-диапазона

Основные технические характеристики радиостанций «Юрок» и «Бриз»

5. Выключатель аварийного приема;6. Потенциометр начальной

8. Переключатель частоты, мГц.)

7.3. Средства авиационной электросвязи вч-диапазона

7.3.1. Радиооборудование вч-диапазона серии «Пирс»

Основные технические характеристики наземных средств радиосвязи вч-диапазона

Основные этх радиостанции серии «Пирс»

Основные этх радиопередатчиков серии «Пирс»

Основные этх приемопередатчиков серии «Пирс»

7.3.3. Алларатура и оборудование высокочастотных трактов радиоцентров вч-диапазона

Технические характеристики дук 16х16

Технические характеристики шау-21

7.3.4. Антенны, антенные комплексы, антенные поля вч-диапазона

Характеристики передающих антенн ргд и лпа

Конструктивные характеристики антенн 3бс-2 и об-2

Рекомендации по выбору приёмных антенн

7.3.5. Бортовые радиостанции вч-диапазона

Основные технические данные

7.4. Средства авиационной спутниковой связи Спутниковые системы связи

5.3. Среды распространения сигнала

Для систем авиационной электросвязи средами распространения сигнала в проводных линиях являются (воздушная линия, кабель, волновод, оптоволокно), а в радиолиниях – атмосфера и космическое пространство.

В воздушных линиях средой распространения сигнала являются один или два проводника, подвешенные на столбах. Диапазон рабочих частот сигналов воздушных линий равен 0…10 5 Гц.

В кабельных линиях средой распространения сигнала являются радиокабели. Радиокабели подразделяются на симметричные и коаксиальные.

Симметричный радиокабель представляет собой два параллельно расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов симметричных кабельных линий равен 0…10 6 Гц.

Коаксиальный радиокабель представляет собой два концентрически расположенных изолированных проводника, помещенных в диэлектрическую среду. Диапазон рабочих частот сигналов коаксиальных кабельных линий равен 0…10 8 Гц.

В волноводных линиях средой распространения сигнала является пространство, ограниченное стенками волновода. По волноводу распространяется электромагнитная волна. Диапазон рабочих частот электромагнитных волн в волноводных линиях равен (3…10)10 10 Гц.

В оптоволоконных линиях средой распространения сигнала является опти́ческое волокно́, представляющее собой нить из оптически прозрачного материала (стекло, пластик), используемая для переноса световых волн внутри себя посредством полного внутреннего отражения. Диапазон рабочих частот световых волн в оптоволоконных линиях равен 10 14 . ...10 15 Гц.

В радиолиниях передача информации осуществляется посредством радиоволню

Классификация диапазонов радиоволн и радиочастот приведена в Таблице 1.1. Длина радиоволны λ и частота f связаны соотношением λf = 3×10 8 м/с. Тогда: λ [м] = 300/ f [МГц] .

Атмосфера подразделяется на три основные области:тропосфера, стратосфера и ионосфера.

Тропосфера (нижняя атмосфера) располагается от поверхности Земли и до высот 15…18 км и характеризуется наличием тропосферных неоднородностей: паров воды, облаков. Тропосферные неоднородности способны отражать падающие на них радиоволны.

Стратосфера простирается примерно до 60…80 км.

Ионосфера начинается с высот 60…80 км и простирается до высоты 1500 км и имеет слоистый характер неоднородностей, определяемый размещением газов в атмосфере: в нижней части ионосферы располагаются тяжелые газы, а выше – более легкие газы.

Падающее на ионосферу излучение Солнца вызывает ионизацию газа. Поскольку плот­ность газа на больших высотах мала, то вероятность рекомбинации невелика. По этой причине значи­тельная часть газа остается ионизированной, т. е. представляет собой плазму. Ионизированный газ обладает электропроводно­стью. Концентрация свободных электронов определяется интен­сивностью ионизирующего излучения Солнца и зависит от высоты, времени суток и сезона года. На очень больших высотах плотность газа мала, соответственно уменьшается и количество ионов, а в итоге и их влияние на прохождение радиоволн. По этой причине существенное влияние на распространение радиоволн оказы­вает только часть ионосферы до высот около 500 км. Плотность свободных электронов в ионосфере составляет 10 3 …10 6 эл/см 3 .

Полная картина физических процессов при прохождении волн через ионосферу очень сложна. Одна из главных причин этой сложности состоит в том, что фактически ионосфера не представ­ляет собой один слой, а состоит из ряда слоев, обладающих не­одинаковыми свойствами (рис. 5.3).

250-500 км F 2

200-230 км F 1

100-130 км E

молчания

Рис. 5.3. Структура ионосферы

На относительно небольших высотах 60...80 км располага­ется слой, обозначаемый D , в котором концентрация свободных электронов невелика. Выше на высотах 100…130 км располагается слойЕ , далее на высотах 200…230 км располагается слойF 1 и на высо­тах 250…500 км – слойF 2, для которого характерна наибольшая концентрация электронов. Состояние этих слоев сильно зависят от времени года и суток, а также от текущего состояния солнечной активности, которая изменяется с периодом 11 лет. Например, слоиD иF 1 существуют только в дневное время, а электронная концентрация слоевЕ иF 2 в ночное время уменьшается.

Волны разной длины могут отражаться в разных слоях, либо вовсе не отражаться. Отсутствие отражений наблюдается при из­лучении волн под большим углом по отношению к поверхности Земли и при относительно высоких частотах. В этом случае радиоволны «пронзают» ионосферу и уходят в мировое пространство.

Несмотря на изменчивость свойств ионосферы, относительная регулярность этих изме­нений делает возможным использовать ее на постоянно действующих радиолиниях.

В атмосфере наблюдаются и иные менее регулярные неоднородности (например, следы метеоров, искусственные неоднородности), которые также учи­тываются в построении ряда радиолиний.

На основе проведенного анализа свойств тропосферы и ионосферы можно сделать вывод, что р адиоволны могут распространяться :

Вдоль земной поверхности (земные или поверхностные волны);

С отражением от неоднородностей, находящихся в среде РРВ (пространственные волны);

В свободном пространстве (когда электрические параметры Земли не влияют на свойства РРВ) – на дальность прямой видимости.

Для некоторых радиолиний можно определить радиоволны, которые, кроме того, могут распространяться в каких-либо геологических слоях Земли, строительных материалах и в воде.

Особенности РРВ зависят от частоты радиоволны:

С ростом частоты (с уменьшением длины волны) поглощение энергии радиоволны в земле возрастает, а в ионосфере – уменьшается;

С уменьшением частоты (с увеличением длины волны) возрастает дифракционная и рефракционная способность распространения радиоволн, т.е. способность огибать земную поверхность и преломляться в неоднородной среде;

С уменьшением частоты радиоволны и с увеличением угла падения волны на ионосферу возрастает отражающая способность ионосферных слоев.

Особенности распространения радиоволн ОНЧ и НЧ диапазонов.

Радиоволны с длинами от 1 до 100 км, соответствующие диапазонам НЧ и ОНЧ, превышают размеры большей части неровностей почвы и препятствий, поэтому при их распространении заметно проявляется дифракция. Благодаря ди­фракции волны огибают земную поверхность, холмы и даже гор­ные хребты. Однако, обогнув высокое препятствие, волны далее распространяются в свободном пространстве прямо­линейно, поэтому возможно образование "мертвой зоны", в пределах кото­рой прием сигналов затруднен или невозможен (рис. 5.4).

Поверхностные волны индуцируют в почве ЭДС, в результате чего часть энергии радиоволны поглощается. По этой причине волны диапазо­нов НЧ и ОНЧ способны распространяться на расстояния в тысячи кило­метров.

Пространственные волны этих же диапазонов, если они рас­пространяются в направлении ионосферы, отражаются ею, позволяя

Рис. 5.4. Поверхностное распространение радиоволн

ОНЧ и НЧ диапазонов

передавать информацию на столь же большие расстояния. Отражаясь вторично, они достигают еще более отдаленной зоны. Возможны и последующие подобные отражения. Это дает возможность передавать информацию практически в любую точку Земли.

Если в место приема сигнала од­новременно приходят поверхностные и пространственные волны, то происходит сложение волн – интерференция . При взаимном наложении интерферирую­щих волн амплитуда суммарных колебаний зависит от разности их фаз, определяемой разными длинами трасс РРВ, и от значений их напряженностей поля в месте приема.

Явление ослабления уровня радиосигналов вследствие различных процессов при распространении волн называется замиранием .

Распространение радиоволн по разным путям на­зывается многолучевым . Замирания, вызванные интерференцией при многолучевом распространении, называютсяинтерференци­оными замираниями.

В НЧ- и ОНЧ- диапазонах глубокие интерференционные замирания сравнительно редки.

Для радиоволн ОНЧ-диапазона наблюдается не только поверхностное и пространственное, но и волноводное распространение в сферическом волноводе «Земля – нижняя граница ионосферы» .

Волны диапазона ОНЧ обладают способностью проникать на сравнительно большую глубину в поверхностный слой земли и да­же в морскую воду. Это делает возможной связь в диапазоне ОНЧ с подземными и подводными объектами.

Особенности распространения радиоволн СЧ диапазона

В диапазо­не СЧ дальность РРВ с помощью поверхностных волн обычно не превышает 1500 км, так как потери в почве возрастают с повышением частоты.

Про­странственные волны этого диапазона в дневное время сильно поглощаются в слое D ионосферы. Ночью поглощение меньше и пространственное РРВ СЧ диапазона возможно на расстояния до 2…3 тыс. км. Однако в силу одинакового порядка значений напряженности поля поверхностной и пространственной волн, ночью возможны глубокие ин­терференционные замирания радиосигнала СЧ диапазона.

Особенности распространения радиоволн ВЧ диапазона

Поверхностные волны ВЧ диапазона сильно ослабляются из-за значительных потерь энергии радиоволн в почве, поэтому с их помощью дальность передачи информации невелика (не более 100 км).

Пространственное распространение радиоволн ВЧ диапазона с по­вышением частоты улучшается благодаря уменьшению потерь в ионосфере.

Радиоволны разной длины могут отражаться от разных слоев ионосферы, либо вовсе не отражаться. Для количественной оценки этого явления введено понятие критической частоты f кр радиосигнала , как максимальной частоты радиосигнала, который при вертикальном излучении (α = 90°) отражается от ионосферы и возвращается на Землю (рис. 5.5). Для каждого ионосферного слоя существует своя критическая частота, зависящая от степени ионизации ионосферы. Радиоволны с частотамиf > f кр пронзают ионосферу и уходят в космическое пространство.

Министерство образования Российской Федерации

Уральский государственный технический университет

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН

В МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ

Методические указания по курсу

“Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи”

для студентов всех форм обучения

радиотехнических специальностей

Екатеринбург 2000

Составители,

Научный редактор доц., канд. техн. наук

РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН В МОБИЛЬНОЙ СВЯЗИ: Методические указания по курсу “Распространение радиоволн и антенно-фидерные устройства в системах мобильной связи”/ , . Екатеринбург: УГТУ, 20с.

Методические указания содержат краткое описание расчета радиолиний связи с подвижными объектами на открытой местности и в сложных условиях городской и промышленной застройки. Приведены выражения для расчета ослабления сигнала в свободном пространстве, а также с учетом влияния земной поверхности и затеняющих препятствий. Рассмотрены эффекты отражения, дифракции и рассеяния радиоволн. В каждом разделе приведены практические упражнения.

Библиогр.: 6 назв. Рис.14. Табл.1.Прил.1.

Подготовлено кафедрой «Высокочастотные средства

радиосвязи и телевидения».

радиосвязи и телевидения”.

Ó Уральский государственный

технический университет, 2000

Целью данных методических указаний является научить студентов рассчитывать радиоканал связи между передающей и приемной антеннами в свободном пространстве и реальных условиях и связывать принятую мощность с напряжением в приемнике и амплитудой электрического поля, изучить технику анализа отражения, рассеяния и дифракции радиоволн, научиться учитывать влияние земной поверхности с помощью двухлучевой модели распространения радиоволн, уметь проводить оценку напряженности электромагнитного поля в условиях города.

ВВЕДЕНИЕ

Путь радиоволны от передатчика к приемнику в системах мобильной связи крайне разнообразен: от их прямой видимости до сильно закрытого препятствиями, домами, деревьями пути. В отличие от проводной связи, где параметры постоянны, в беспроводной связи радиоканалы имеют существенно случайные параметры, часто сложно анализируемые. Моделирование радиолинии - наиболее сложная задача проектирования радиосистем. Оно в основном выполняется статистически с использованием данных экспериментов, выполненных порой именно для такой же или аналогичной системы.

Механизм распространения радиоволн в системах связи различен, но в основном может быть представлен отражением, дифракцией и рассеянием. Большинство сотовых систем работают в городах, где нет прямой видимости антенн передатчика и приемника, а наличие высоких зданий вызывает большие дифракционные потери. Благодаря многократным переотражениям от различных объектов, радиоволны проходят различный путь. Интерференция этих волн вызывает сильное изменение уровня сигнала от положения абонента.

Моделирование распространения радиоволн основано на предсказании среднего уровня принимаемого сигнала на заданном расстоянии от излучателя, а также в определении разброса его значений в зависимости от конкретной ситуации на трассе. Расчет радиолинии позволяет определить зону обслуживания передатчика. Моделирование среднего уровня сигнала в зависимости от расстояния между передатчиком и приемником называется крупномасштабным моделированием, поскольку позволяет определить сигнал на большом удалении (несколько сотен и тысяч метров). С другой стороны, модели характеризуют быстроменяющиеся значения уровня принимаемого сигнала на малых смещениях (несколько длин волн) или за короткое время (секунды) - они называются мелкомасштабными моделями.

При перемещении мобильного приемника на малые расстояния принимаемый сигнал может меняться очень сильно. Это происходит из-за того, что принимаемый сигнал представляет собой сумму многих волн, приходящих с различных направлений, проходящих разное расстояние и имеющих различную амплитуду и фазу. Суммарный сигнал подчиняется закону Релея. В зависимости от трассы радиоканала мелкомасштабная девиация может меняться на 3-4 порядка, т. е. уровень сигнала может меняться на 30-40 дБ (рис.1). Если мобильный приемник будет достаточно далеко, средний уровень сигнала убывает. Ниже будет рассматриваться крупномасштабная зависимость сигнала на входе приемника.

Рис.1. Изменение напряженности поля в зависимости от расстояния до передающей антенны с учетом влияния случайных факторов на частоте 1800 МГц

2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ ВОЛН В СВОБОДНОМ ПРОСТРАНСТВЕ

Модель распространения волн в свободном пространстве используется для расчета принятого сигнала в условиях, когда передающая и приемная антенны находятся на открытой незатененной препятствиями радиолинии. Эта модель применяется для анализа радиоканалов связи через спутники и для наземных радиолиний, работающих в диапазоне сверхвысоких частот. Мощность, принятая приемной антенной с усилением Gr, которая излучается антенной передатчика мощностью Pt c коэффициентом усиления Gt на длине волны l на расстоянии d на открытом неограниченном пространстве, рассчитывается по формуле

. (1)

Коэффициент усиления антенны определяется следующим образом:

, (2)

где Аэ - эффективная площадь поверхности антенны, м2.

Длина волны связана с несущей частотой соотношением

где с - скорость света.

Принимаемая антенной мощность в соответствии с (1) убывает с ростом расстояния d со скоростью 20 дБ на декаду, т. е. пропорционально множителю .

Потери передачи в радиоканале (отношение принятой и излученной мощностей)

, дБ. (4)

Для изотропных антенн (коэффициент усиления каждой из них G=1)

, дБ. (5)

Предыдущие выражения верны только для дальней зоны (или зоны Фраунгофера). Граница дальней зоны определяется условием:

где D - наибольший размер антенны.

Дополнительным условием дальней зоны должно быть выполнение соотношений:

На больших расстояниях при расчете напряженности поля в точке приема иногда используют значение принимаемой мощности на некотором фиксированном расстоянии d0 - Pr (d0). Тогда на ином расстоянии d:

, . (7)

Т. к. изменение уровня принимаемой мощности от расстояния очень велико, используют отсчет мощности в дБмВт (дБ по отношению к 1 милливатту) и дБВт (дБ по отношению к 1 ватту):

, , (8)

где Pr (d 0) подставляется в Вт.

Опорное расстояние d0 обычно выбирается равным 100 м или 1 км для связи вне зданий. Для радиоканалов внутри зданий типичное значение опорного расстояния d 0 = 1 м.

Иногда в расчетах используется параметр - эффективная излучаемая мощность (), который показывает, во сколько раз плотность потока мощности в точке расположения приемной антенны при излучении мощности Pt будет больше при использовании антенны с коэффициентом усиления Gt по сравнению с изотропной антенной. Выражение

(9)

показывает максимальную излучаемую мощность в направлении максимального излучения.

Плотность потока мощности на расстоянии d от передающей антенны:

где 377 Ом - характеристическое сопротивление свободного пространства,

Е - амплитуда электрического поля на расстоянии d, В/м.

Принимаемая мощность (мощность, перехватываемая приемной антенной из падающей плоской волны)

где AЭ - эффективная площадь поверхности приемной антенны, м2.

Эквивалентная схема приемной антенны, включенной на вход приемника, показана на рис.2. При условии согласования входного сопротивления антенны и приемника () напряжение на входе последнего будет равно половине ЭДС антенны. Действующее напряжение U связано с принятой мощностью выражением

. (12)

Рис.2. Эквивалентная схема приемной антенны, включенной на вход приемника

Напряжение на входе приемника определяется по формуле

, В. (13)

3. ТРИ ОСНОВНЫХ СПОСОБА РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН

1. Отражение - имеет место при падении волны на объекты с размерами много больше длины волны. Наблюдаются, например, отражения от земли, стен зданий и т. п.

2. Дифракция - явление возникновения вторичных волн при падении радиоволны на препятствие с острыми кромками. Дифракцией обусловлено наличие поля за препятствиями в зоне геометрической тени. На высоких частотах дифракция, как и отражение, существенно зависит от геометрии объекта, а также амплитуды, фазы и поляризации поля.

3. Рассеяние - имеет место при распространении волны в среде с мелкими объектами (меньше длины волны).

3.1. Отражение радиоволн

3.1.1. Отражение радиоволн от плоской границы раздела двух сред

Если волна падает на границу раздела сред с разными параметрами, наблюдается частичное прохождение волны во вторую среду.

Амплитуды поля падающей Ei и отраженной Er волн связаны через коэффициенты отражения Френеля Г, а прошедшая Et волна - через коэффициент прохождения Т:

Рис.3. Отражение и преломление волн на границе раздела сред

Падающая волна произвольной поляризации раскладывается на две: с вертикальной и горизонтальной поляризацией.

В диэлектрике с потерями диэлектрическая проницаемость имеет комплексный характер:

, (14)

где er - относительная диэлектрическая проницаемость cреды, s - проводимость среды, Cм/м. В хороших проводниках, когда выполняется условие f < s/e0er, вещественной частью в (14) можно пренебречь.

Коэффициент отражения для поля вертикальной поляризации

. (15)

Коэффициент отражения для поля горизонтальной поляризации

, (16)

где Zi - характеристическое сопротивление 1-й или 2-й среды.

.

Граничные условия требуют выполнения соотношений:

E r = Г. E i, (18а)

E t = (1 + Г) . E i. (18б)

Если первая среда - свободное пространство (e1=1), а вторая среда не обладает магнитными свойствами (m1 = m0), то выражения (15), (16) упрощаются:

, (19)

. (20)

Для углов падения, близких к скользящим , коэффициенты отражения .

Для некоторого угла коэффициент отражения для волны вертикальной поляризации . Этот угол называется углом Брюстера qБР (угол, для которого нет отраженной волны вертикальной поляризации):

. (21)

Если первая среда - воздух, а диэлектрическая проницаемость второй среды er, то

. (22)

Рис.4. Зависимость коэффициента отражения волны вертикальной

и горизонтальной поляризации от угла падения ,

падающей на поверхность сухой земли (er = 4)

Угол Брюстера имеет место только для вертикальной поляризации поля.

3.1.2. Отражение от поверхности идеального проводника

В случае падения плоской волны на поверхность идеального проводника происходит полное отражение.

Если вектор лежит в плоскости падения (вертикальная поляризация), то

Для случая, когда вектор перпендикулярен плоскости падения (горизонтальная поляризация),

Из (следует, что для углов падения, близких к скользящим, коэффициенты отражения и .

3.1.3. Отражение от поверхности земли (2- лучевая модель)

В задачах мобильной связи прямое распространение радиоволн между передающей и приемной антеннами встречается достаточно редко, поэтому модель распространения волн в свободном пространстве имеет ограниченное применение. Полезная для практики двухлучевая модель распространения волн (рис.5) основана на законах геометрической оптики.

Рис.5. Прямой и отраженный лучи в точке приема радиоволн

Суммарное поле в точке приема обусловлено влиянием прямого и отраженного от земной поверхности лучей:

.

Из рис.6 видно, что разность хода прямого луча и луча с отражением от земли

Рис.6. Мнимый излучатель поля

Если расстояние , то (27) может быть упрощено с помощью разложения Тейлора:

, м. (28)

Тогда разность фаз прямого и отраженного лучей

. (29)

Суммарное электрическое поле в точке приема прямого и отраженного лучей при сделанных допущениях вычисляется по формуле

, , (30)

где Е0 - напряженность поля, создаваемая излучающей антенной на некотором опорном расстоянии d0 в свободном пространстве (без учета отражения), .

На больших удалениях, когда выполняется соотношение ,

. (31)

Суммарное поле в этом случае может быть аппроксимировано выражением

, , (32)

где К - константа, связанная с амплитудой поля Е0 , высотами подвеса антенн и длиной волны. Мощность, принятая приемной антенной, пропорциональна квадрату напряженность поля:

. (33)

Из формулы (33) видно, что на больших расстояниях принятая мощность убывает обратно пропорционально d4 или 40 дБ на декаду. Это существенно быстрее, чем в свободном пространстве.

Для двухлучевой модели в соответствии с (33) потери мощности в радиоканале определяются выражением

3.2. Дифракция радиоволн

Явление дифракции позволяет радиоволнам распространяться вокруг сферической земной поверхности за горизонт и за различные препятствия. Несмотря на перекрытие прямой видимости и существенное уменьшение уровня сигнала, он все таки остается достаточным для приема.

Феномен дифракции объясняется принципом Гюйгенса - вторичного переизлучения точек фронта волны с различной фазой (зон Френеля). Напряженность поля определяется векторной суммой вклада вторичных излучателей.

3.2.1. Геометрия зон Френеля

Пусть между излучателем и приемником расположено препятствие - экран высотой h бесконечных размеров в поперечном сечении. Расстояние от экрана до излучателя - d1 , до приемника - d2 .

Рис.7. Дифракция радиоволн на клиновидном препятствии

Ясно, что путь через кромку препятствия больше прямого. Полагая, что h<>l, разность хода прямого и через кромку лучей будет:

. (35)

Соответствующая ему разность фаз

, (36)

где используется приближение для малого аргумента tg x » x, а угол a аппроксимирован выражением

.

Выражение (36) может быть аппроксимировано с использованием безразмерного дифракционного параметра Френеля - Кирхгофа:

, (37)

где a подставляется в радианах, все остальные параметры в метрах. Таким образом, разность фаз Ф может быть вычислена из выражения

Из выражения (38) следует, что сдвиг фазы между прямым и дифракционным лучами является функцией высоты h и взаимного расположения препятствия, излучателя и приемника.

Дифракционные потери мощности в радиоканале могут быть объяснены с помощью зон Френеля. Зоны Френеля представляют собой области, разность хода через которые от излучателя до приемника составляет nl/2 по сравнению с прямым лучом (l - длина волны, n - целое число).

В мобильной связи обычно наблюдается затенение части зон (источников вторичных волн) и, следовательно, уменьшение доли принятой мощности. В зависимости от геометрии препятствия принятая энергия определяется через векторное суммирование вторичных волн.

Рис.8. Формирование зон Френеля

Если препятствие не затеняет первую зону Френеля, то дифракционные потери минимальны и ими пренебрегают. Используют следующее свойство: если открыто не менее 55% первой зоны Френеля, то дальнейшее открытие первой зоны Френеля не уменьшает дифракционные потери.

3.2.2. Модель дифракции радиоволн на одиночном клине

Определение степени ослабления поля холмами и зданиями является достаточно сложной задачей при расчете зон обслуживания. Обычно точный расчет ослабления невозможен, поэтому используют методы расчета поля с необходимыми экспериментальными поправками.

Препятствие в виде одиночного холма или горы может быть обсчитано с использованием модели клина. Это простейшая модель препятствия, и быстрый расчет ослабления возможен с использованием классического решения Френеля для дифракции поля на полуплоскости.

Рис.9. Варианты перекрытия видимости антенн препятствием

Напряженность поля в точке расположения приемной антенны определяется векторной суммой вторичных источников, лежащих в плоскости, расположенной над препятствием. Напряженность поля при дифракции на клине определяется выражением

, (39)

где Е0 - напряженность поля в точке расположения приемной антенны при отсутствии препятствия и земли, а F(n) - комплексный интеграл Френеля. Значение интеграла F(n) определяется из графиков и таблиц.

Коэффициент дифракционного усиления с препятствием (обычно он меньше 1) по сравнению со свободным пространством

, дБ. (40)

График этой функции показан на рис.10.

Рис.10. Зависимость коэффициента дифракционного усиления

от значения параметра дифракции n

(41д)

2.2.3. Дифракция на нескольких клиньях

Если на пути между излучателем и приемником имеется несколько препятствий, то все они аппроксимируются одним эквивалентным препятствием (рис.11).

Рис.11. Эквивалентное клиновидное препятствие в задаче связи

с двумя препятствиями

Эта модель хорошо работает для двух препятствий, для нескольких - возникают определенные математические трудности.

2.3. РАССЕЯНИЕ РАДИОВОЛН

Потери от рассеяния радиоволн на препятствиях обычно много меньше потерь отражения и дифракции. Это объясняется тем, что рассеяние волн происходит во всех направлениях (на таких объектах, как мачты, лампы, деревья и т. д.).

Плоские поверхности с размерами много больше длины волны могут моделироваться как отражающие поверхности. Однако наличие неровностей изменяет отражение. Неровность поверхности определяется критерием Релея, который определяет критическую высоту hc неровностей при падении волны под углом qi:

. (42)

Поверхность считается гладкой, если разброс минимальных и максимальных высот меньше hc. Для неровных поверхностей коэффициент отражения Г умножается на коэффициент потерь рассеяния ps.

Полагая, что высота неровностей h распределена случайным образом с гауссовым законом распределения, коэффициент потерь рассеяния

, (43)

где sh - стандартная девиация высоты поверхности вокруг среднего значения высоты. После некоторых уточнений коэффициент потерь рассеяния с хорошим совпадением с практикой определяется выражением

где I0 - функция Бесселя первого рода нулевого порядка. Коэффициент отражения электромагнитного поля для неровностей h>hc определяется выражением

. (45)

Степень рассеяния радиоволн от препятствий больших размеров, например, крупных домов, может характеризоваться поперечником рассеяния. Поперечник рассеяния объекта (RCS) определяется как отношение плотности потока мощности рассеянного поля в направлении приемника к плотности потока мощности, падающей на рассеивающий объект, и имеет размерность м2. Анализ основан на геометрической теории дифракции и физической оптике и может быть использован для задач расчета поля, рассеянного большими зданиями. Для городских условий используется бистатическое уравнение излучения, описывающее распространение волны в свободном пространстве и поле, рассеянное между объектами и затем переизлученное в направлении приемника.

где dt и dr - расстояние от рассеивающего объекта до излучателя и приемника. Это уравнение корректно для дальней зоны излучателя и приемника.

3. ПРАКТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫЕ ДЛЯ РАСЧЕТА ОСЛАБЛЕНИЯ СИГНАЛА В РАДИОКАНАЛАХ

Большинство моделей, используемых при решении задач распространения радиоволн, учитывают одновременно аналитические и экспериментальные данные. Экспериментальный подход основан на использовании графиков и аналитических выражений, описывающих данные предварительных измерений. Преимущество этого подхода состоит в учете большинства факторов, влияющих на распространение радиоволн. Иногда в задачах мобильной связи используются классические модели радиолиний, которые позволяют моделировать в крупном масштабе линии связи. Например, двухлучевая модель позволила предсказать работоспособность сотовых систем до их появления. Ниже представлены некоторые модели радиолиний.

3.1. Потери передачи в удаленных линиях

Как теоретические, так и экспериментальные исследования подтвердили, что принимаемая мощность изменяется по логарифмическому закону. Этот закон выполняется как для радиолиний вне зданий, так и внутри их. Средние крупномасштабные потери при произвольном расстоянии излучатель - приемник описываются выражением

(47)

или в логарифмическом масштабе

, дБ, (48)

где n - показатель степени, который показывает, с какой скоростью возрастают потери передачи от расстояния; d0 - расстояние от излучателя до границы отсчета, d - расстояние между излучателем и приемником. Черта в (47), (48) означает среднее из возможных значений потерь для данного расстояния d. На диаграмме в логарифмическом масштабе график ослабления описывается наклонной прямой с коэффициентом наклона 10.n дБ на декаду. Показатель n зависит от конкретных параметров среды распространения.

Показатель n ослабления поля для различных условий распространения радиоволн

Важно правильно выбрать подходящее расстояние d0 для исследования условий распространения. В сотовой связи с большими зонами действия обычно используется расстояние 1 км, в микросотовых системах много меньше - 100 м. Это расстояние должно соответствовать дальней зоне антенны для исключения эффектов ближнего поля. Эталонное значение ослабления рассчитывается с помощью формулы распространения в свободном пространстве (4) или через поля, измеренные на расстоянии d0 .

Уравнение (48) не учитывает того, что параметры среды могут быстро изменяться между измерениями. Измерения показали, что величина ослабления мощности в радиоканале описывается нормально-логарифмическим (равномерным в дБ) законом:

где xs - случайная величина c нормально-логарифмическим законом распределения со стандартной девиацией s, дБ.

Данные формулы могут быть использованы для расчета поля в реальных системах связи при наличии случайных ослабляющих сигнал факторов. На практике величины n и s обычно определяются из экспериментальных исследований (рис. 12).

Поскольку значение PL(d) - случайная величина с нормальным распределением по шкале дБ от расстояния d, также случайно распределена и функция Pr(d). Для определения вероятности того, что принятый сигнал будет выше (или ниже) особого уровня, может быть использована функция Q:

, (50а)

где выполняется условие . (50б)

Вероятность того, что принятый сигнал будет выше некоторой заданной величины g, может быть вычислена из накопительной функции плотности как

. (51)

Аналогично вероятность того, что принятая мощность будет меньше g:

(52)

Рис.12. Экспериментальные данные, иллюстрирующие ослабление радиоволн в условиях города (приведены данные измерений ослабления мощности радиоканалов для 6 городов Германии, из этих экспериментальных данных определены параметры n=2.7, s=11.8 дБ)

3.2. Модели радиолиний вне зданий

Радиолинии в мобильной связи часто проходят по неровным местностям. В этом случае следует учитывать реальный профиль трассы. Трасса может изменяться от гладкой до сильно пересеченной местности. Также следует учесть наличие зданий, деревьев и других препятствий при связи в условиях города. Негладкие трассы рассчитываются разными методами. Существующие методы расчета поля в реальных условиях связи сильно отличаются по подходу, сложности и точности. Большинство основано на использовании экспериментальных данных для обслуживаемого района. Ниже описаны некоторые методы.

3.2.1. Метод Okumura

Этот метод является одним из широко используемых методов для расчета радиолиний в условиях города. Он пригоден для частот МГц (хотя может быть экстраполирован до 3000 МГц) и расстояний от 1 до 100 км. Данный метод может быть использован, если эффективная высота подвеса базовой антенны составляет от 01.01.01 м.

Okumura предложил сетку кривых для расчета среднего ослабления относительно ослабления в свободном пространстве Amu в условиях города с квазигладким профилем с изотропной передающей антенной, поднятой на эффективную высоту hte = 200 м и мобильной антенной высотой hre = 3 м. Графики получены в результате многих измерений с ненаправленными антеннами базовой станции и мобильного приемника и представлены в виде графика для диапазона частот МГц как функция дальности от 1 до 100 км.

Для определения потерь на радиолинии рассчитывается ослабление поля в свободном пространстве, затем по кривым графика (рис.13) определяется величина Ama(f, d) и добавляются к ослаблению в свободном пространстве с корректирующей поправкой, зависящей от степени неровности профиля трассы:

где L50 - средняя величина потерь,

LF - потери в свободном пространстве,

Ama - усредненное дополнительное ослабление, обусловленное влиянием земной поверхности,

G(hte) - эффективное усиление передающей антенны,

G(hre) - эффективное усиление приемной антенны,

GAREA - поправочный коэффициент из графика на рис.14.

Рис.13. Частотная зависимость усредненного ослабления

сигнала по отношению к свободному пространству

для квазигладкого профиля трассы

Рис.14. Поправочный коэффициент, обусловленный профилем радиотрассы

Кроме того, Okumura нашел, что величина G(hte) изменяется по закону 20 дБ/декада, а G(hre) для высот менее 3 м - 10 дБ/декада:

, 1000 м > h te> 10 м; (54а)

, hre < 3 м; (54б)

, 10 м > hre >3 м. (54в)

Модель Okumura полностью построена на экспериментальных данных. Графики, полученные Okumura, можно экстраполировать. Модель Okumura наиболее простая и достаточно точная для расчета потерь в сотовых системах связи и мобильной связи. Она является стандартом при расчете сот для мобильной связи в Японии.

Главный недостаток модели - работа с графиками и невозможность полноценно учесть быстроизменяющиеся условия в профиле трассы.

В основном рассмотренный метод используется для расчета радиолиний в урбанизированных и сверхурбанизированных районах. Разница расчетных и экспериментально измеренных напряженностей поля обычно не превышает 10-13 дБ.

3.2.2. Модель Hata

Hata обработал экспериментальные данные Okumura для частот МГц и предложил рассчитывать потери распространения в условиях города по стандартной формуле с учетом корректирующих уравнений для иных условий. Стандартная формула для расчета средних потерь мощности в условиях города:

где fc - частота от 150 до 1500 МГц,

hte - эффективная высота базовой антенны (от 30 до 200 м),

hre - эффективная высота мобильной антенны (от 1 до 10 м),

d - расстояние от передатчика до приемника, км,

a(hre) - корректирующий фактор для эффективной высоты мобильной антенны, который является функцией величины зоны обслуживания.

Для небольших и среднего размера населенных пунктов:

Для крупных городов:

Для fc<300 МГц; (57a)

Для fc>300 МГц. (57б)

В сверхурбанизированных районах стандартная (основная) формула Hata (55) модифицируется следующим образом:

, дБ, (58)

а для открытых районов:

Хотя формулы Hata не позволяют учесть все специфические поправки, которые доступны в методе Okumura, они имеют существенное практическое значение. Расчеты по формулам Hata хорошо совпадают с данными модели Okumura для дальностей, больших 1 км.

3.2.3. Уточнение метода Hata

Европейская ассоциация EVRO-COST предложила новую версию метода Hata, верную для частот до 2 ГГц. Стандартная формула для расчета средних потерь мощности в условиях города записывается следующим образом:

где a(hre) определяется формулами (56) и (57),

Gm = 0 дБ для городов средних и крупных размеров,

Gm = 3 дБ для столиц.

Допустимые границы параметров в (60): fc 1500...2000 МГц,

hte 30...200 м,

Использование вышезаписанных выражений позволяет рассчитывать широкий класс радиоканалов связи с учетом конкретных условий распространения волн. Выбор конкретной модели, описывающей распространение радиоволн, существенно зависит от частоты несущей, высоты подвеса передающей и приемной антенн, окружающего пространства. Адекватность расчетов и экспериментальных данных определяется корректностью используемых методов, а также сильно зависит от практического опыта специалиста.