ЛЕКЦИЯ 6. Значение определяемое из результатов измерения мощности сигналов на входе приемника при антеннах с узкими ДН и следовательно большим

Значение определяемое из результатов измерения мощности сигналов на входе приемника при антеннах с узкими ДН и следовательно большим, оказывается меньшим, чем значение, которое получается из результатов измерений при слабонаправленных антеннах. Это приводит к тому, что реальное значение суммы коэффициентов усиления оказывается меньше из суммарного усиления измеренного при распространении в свободном пространстве на величину, которая и называется потерей усиления антенн.

ЯВЛЕНИЕ ПОТЕРИ УСИЛЕНИЯ АНТЕНН

Это объясняется тем, что при ДТР в место приема приходит множество волн переизлученных неоднородностями, и при больших размерах антенн распределение амплитуд и фаз будет неравномерным, и результирующее напряжение будет меньше чем для плоской волны.

Потерю усиления можно также объяснить уменьшением переизлучающего объема, поскольку мощность сигнала пропорциональна переизлучающему объему.

Кроме этого – при снижении ширины ДН уменьшается объем рассеяния, а значит и уменьшается число неоднородностей участвующих в переотражении.

Эти потери не зависят от частоты и длины трассы. Суммарный коэффициент усиления антенн более 95 дБ получить невозможно.

Учёт рельефа местности

Влияние рельефа местности учитывается путём замены истинного расстояния

эквивалентным .

Рисунок иллюстрирует зависимость от углов закрытия и , углов между направлениями касательных к ровной поверхности Земли с радиусом и вершинами препятствий.

При наличии препятствий угол рассеяния

.

При условии эквивалентное расстояние

.

Если вершины препятствий находятся ниже касательной, то углы называются углами открытия и подставляются со знаком минус.

Для уменьшения эквивалентного расстояния (за счёт уменьшения и ) станции тропосферной связи располагают на господствующих высотах.

СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ МНОЖЕТЕЛЯ ОСЛАБЛЕНИЯ

Распределение вероятностей быстрых флуктуаций V в большинстве случаев хорошо апроксимируется законом Релея с плотностью вероятности

.медианное значение, получаемое в результате ус-

реднения за 7-10 минут.

Процент времени, в течение которого мгновенное значение множителя ослабления не

превышает

.

Эта зависимость изображена на рисунке:

Медленные замирания проявляются в виде случайных изменений параметра . Статистическое распределение хорошо апроксимируется логарифмическим нормальным законом с плотностью вероятности.

На рисунке представлена зависимость от . С ростом глубина медленных замираний уменьшается. Процент времени , в течение которого медианное значение множителя ослабления не превышает :

.

– переменная. Эту зависимость часто табулируют.

РРВ НА СПУТНИКОВЫХ ЛИНИЯХ

При распространении радиоволн в земной атмосфере происходит ослабление напряженности поля за счет поглощения в газах, рассеяния и поглощения в гидрометеорах (дожде, граде, снеге, тумане, облаках), а также за счет поглощения в ионизированных областях.

Поглощение в газах имеет двоякий характер: нерезонансный и резонансный – и становится заметным на частотах выше примерно 10 ГГц.

Нерезонансное поглощение в газах вызвано затратой энергии воздействующего электромагнитного поля на преодоление взаимного трения молекул, обладающих электрическим и магнитным моментами и совершающих вынужденные колебательные движения под действием поля волны. Нерезонансное поглощение достигает максимума при совпадении частоты воздействующего поля с собственными частотами колебаний молекул.

Резонансное поглощение в газах обусловлено переходом молекул и атомов в более высокие энергетические состояния за счет энергии воздействующего поля. Как известно, такие переходы возникают лишь при совпадении частоты воздействующего поля с дискретными частотами внутримолекулярных переходов, которые зависят от разности возможных «разрешенных» энергетических уровней молекулы или атома. Переход с более высокого энергетического уровня на более низкий сопровождается спонтанным излучением на той же частоте и сопровождается возникновением шумов. В действительности резонансное поглощение (и излучение) происходит не на строго определенной частоте, а в некоторой узкой полосе частот, которая носит название полосы поглощения (или излучения). Конечность ширины полосы поглощения обусловлена доплеровским эффектом при тепловом движении молекул, а также самоуширением за счет их столкновений друг с другом.

Основное поглощение радиоволн вызывает кислород и водяной пар. В инфракрасном и видимом диапазоне оптического спектра существенное поглощение вызывают также углекислый газ и озон.

Ослабление напряженности в гидрометеорах вызвано, во-первых, рассеянием электромагнитной энергии частицами. Под влиянием воздействующего поля каждая частица становится вторичным излучателем, рассеивающим электромагнитную энергию в различных направлениях, в результате чего уменьшается доля энергии, распространяющейся на точку приема. Интенсивность рассеяния зависит от количества частиц в единице объема,ихформы, отношения размеров частиц к длине волны, пространственных размеров области, занятой гидрометеорами, электрических свойств частиц, которые, в свою очередь, зависят от их температуры и состояния. Второй причиной ослабления напряженности поля в гидрометеорах является нерезонансное поглощение в частицах, также зависящее от их количества, электрических свойств и частоты.

Поглощение в ионосфере обусловлено, как известно, столкновениями свободных заряженных частиц с нейтральными молекулами и атомами. В процессе таких столкновений энергия, приобретенная заряженными частицами за счет возникновения упорядоченной скорости при воздействии электромагнитного поля, передается нейтральным молекулам и атомам, т. е. имеют место тепловые потери. Поглощение в ионосфере существенно уменьшается при увеличении частоты f (обратно пропорционально f²) из-за инерционности заряженных частиц и, следовательно, меньшей энергии, отнимаемой от воздействующего поля. Оно становится пренебрежимо малым на частотах выше 100 – 150 МГц, т. е. его можно не учитывать в тех диапазонах частот, которые применяются в современных системах связи и вещания с использованием ИСЗ.

Потери в газах являются постоянной величиной, зависящей от погонного поглощения в кислороде и водяном паре.

Поглощение носит ярко выраженный частотно-зависимый характер и имеет резонансные пики на частотах 22, 165 ГГц для водных паров, а также 60 и 120 ГГц для кислорода.

Эквивалентная длина пути сигнала в атмосфере зависит от толщины атмосферы h, угла места земной станции и высоты станции над уровнем моря .

.

Эквивалентная толщина атмосферы:

. Оценка затухания сигнала в дожде является задачей более сложной.

Из-за сравнительно больших размеров капель дождя, градин и снежинок рассеяние электромагнитной энергии этими частицами значительно больше, чем рассеяние частицами тумана и облаков, поэтому ослабление в дожде, граде, снеге может достигать очень больших

значений.

Погонное ослабление в осадках, вызванное рассеянием электромагнитной энергии каплями и твердыми частицами, а также нерезонансным поглощением в них, зависит от интенсивности осадков, частоты, температуры, статистического распределения размеров капель и частиц, связанного, в свою очередь, с интенсивностью осадков.

Потери в дожде определяются как:

,

.

Усреднённые и рекомендованные МККР значения коэффициента поглощения в дожде представлены на рисунке.

Эквивалентная длина пути сигнала в дожде

,

– усредненная эквивалентная толщина дождевой зоны.

Интенсивность осадков определяется в соответствии с климатической зоной.

Следующим по своему значению поглотителем энергии является туман.

Туманы и облака состоят из капелек воды и льда, размеры которых l_k обычно не превышают 100 мк, т. е. значительно меньше длин волн даже миллиметрового диапазона. Поэтому на частицах происходит рэлеевское рассеяние, величина рассеянной энергии прямо пропорциональна отношению . Кроме того, в частицах происходит нерезонансное поглощение.

Ослабление в туманах и облаках зависит от количества жидкой воды в единице объема или, как принято говорить, от водности этих гидрометеорологических образований, их размеров, частоты и температуры.

Вероятность появления туманов в равниной местности составляет 3-5% в холодное время года и 0,6-2% в теплые месяцы. Приземные туманы могут захватывать большие районы, однако наблюдаются и туманы локального характера, имеющие ограниченную протяженность и сосредоточенные в основном в низинах.

На трассах Земля – ИСЗ, а также на высокогорных трассах ослабление радиоволн может вызываться как туманом, так и облаками. Для оценки этого ослабления величину погонного ослабления следует умножить на длину пути, проходимого волной в тумане и облаках, которая может быть оценена на основании геометрических соображений с использованием приведенных выше оценок пространственных размеров этих гидрометеообразований.

На рисунке приведены кривые, позволяющие определить статистическую величину поглощения в тумане на частоте 4ГГц для 1 и 2 климатической зоны. Затухание при превышает 1 дБ в течение не более 0,1 % времени.

Основной причиной рефракции в СЛП является неравномерность диэлектрической проницаемости воздуха в тропосфере. Вместе с тем в дециметровом диапазоне (на частотах ниже 5 ГГц) существенное влияние на РРВ оказывает ионосферная рефракция, обусловленная неравномерностью электрической концентрации в ионосфере.

Отклонение траектории волны под влиянием рефракции обычно не превышает нескольких градусов. При этом случайная составляющая рефракции значительно меньше регулярной составляющей, что позволяет свести к минимуму влияние рефракции путём автоматического наведения антенны на максимум сигнала.

Интегральное распределе­ние радиоволн в тумане при различ­ных углах места антенны земной станции  

Эксперименты показывают, что на частотах выше 10 ГГц, помимо появления зависимости ослабления в интенсивных осадках от вида поляризации, наблюдается явление деполяризации волны. Оно приводит к возрастанию ортогональной составляющей поля и ухудшает поляризационную развязку между каналами, работающими с применением взаимно перпендикулярных поляризаций.

Основные причины деполяризационных явлений в осадках – наклонное падение частиц за счет ветра и конвекционных потоков и отличие их формы от сферической.

Степень деполяризации обычно характеризуют коэффициентом деполяризации К_П отношением уровня сигнала на ортогональной поляризации к уровню сигнала на основной поляризации.

Результаты экспериментов свидетельствуют о том, что величина К_П возрастает с уменьшением уровня сигнала на основной поляризации, т. е. при увеличении интенсивности осадков.

Деполяризация волн начинает оказывать значительное влияние в ТФ каналах на частотах выше 12 ГГц, а в телевизионных каналах – выше 18 ГГц.

С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие — фазовая дисперсия сигналов.Как известно, эффект Фарадея обус­ловлен тем, что при распространении линейно поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного поля Земли происходит расщепление этой волны на две составляющие, которые распространяются в ионосфере с различными скоростями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны.

Влияние этого эффекта сказывается в том, что при использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут возникать потери сигнала меж­ду коллинеарными антеннами (передающей и приемной) . Во избежание этого на частотах ниже 10 ГГц в спутниковых системах использу­ется исключительно круговая поляризация; в более высокочастотных диапазо­нах фазовые эффекты не препятствуют применению линейной поляризации.

АНТЕННЫЕ И ФИДЕРНЫЕ УСТРОЙСТВА РАДИОРЕЛЕЙНЫХ И СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ ПЕРЕДАЧИ

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА АНТЕНН

Антенной называется устройство для излучения или приёма электромагнитных волн. Антенна обеспечивает связь между фидером и окружающей средой. Все антенны можно разделить на две группы: излучающие провода и излучающие поверхности. В системах передачи, работающих на частотах выше 1 ГГц используются излучающие поверхности, на более низких – излучающие провода. Более подробная классификация выделяет четыре типа антенн:

1. Излучателинебольших размеров () для диапазона 10 кГц – 1 ГГц (вибраторные и щелевые антенны, рамочные антенны и т. д.).

2. Антенны бегущей волны () для диапазона 3 МГц – 10 ГГц (спиральные, директорные, диэлектрические).

3. Антенные решетки () с частотами 3 МГц – 30 Ггц, состоят из большого числа отдельных излучателей.

4. Апертурные антенны () диапазона 100 МГц – 100 ГГц (зеркальные, рупорные, линзовые).

Результирующая напряжённость поля, создаваемого антенной в пространстве, зависит от разности хода составляющих волн, образованных элементарными излучателями, находящимися в различных точках её раскрываю когда разность хода , антенна может рассматриваться как точечный источник. Пространство, где это условие выполняется называется дальней зоной или зоной Фраунгофера. В этой зоне напряжённость поля обратно пропорциональна расстоянию от антенны. Для практических целей можно считать дальней зоной зону, где разность хода меньше . Это выполняется при удалении от антенны на расстояние

Если , то получается зона внутри которой напряжённость поля мало зависит от расстояния от точки приёма до антенны. Её принято называть ближней зоной или зоной Релея:

При напряжённость резко изменяется в зависимости от расстояния до антенны. Эта зона получила название зоны Френеля.

ОСНОВНЫЕ ПАРАМЕТРЫ АНТЕНН

Диаграмма направленности антенны определяет угловое распределение поля излучения антенны в дальней зоне, области, где составляющие электромагнитного поля Е и Н изменяются обратно пропорционально расстоянию. На практике достаточно полное представление о направленных свойствах антенны может быть получено путём её рассмотрения в двух перпендикулярных плоскостях. Обычно это плоскости, в которых лежат векторы Е и Н. ДН нормируется к максимальному уровню излучения.

Направление максимального излучения называется главным направлением, лепесток называется главным и характеризуется шириной по половинной мощности

и шириной по нулям (точнее по минимуму поля). Остальные лепестки называются боковыми. Различают ДН по основной поляризации и ДН по перекрёстной поляризации (так называемой кроссполяризации).

КНД передающей антенны в данном направлении называется отношение квадрата напряжённости поля, создаваемого антенной в данном направлении, к среднему по всем направлениям квадрану напряжённости поля. Обычно под КНД понимают КНД в главном направлении.

КНД приёмной антенны называют отношение мощности, поступающей на вход приёмника при приёме с данного направления, к среднему по всем направлениям значению мощности, поступающей на вход приёмника.

Принцип взаимности - КНД не зависит от того, антенна приёмная или передающая.

Если ДН в сферической системе координат обозначить через , то КНД D в направлении определяется

.

Для апертурных антенн, то есть антенн, излучение которых определяется возбуждённой каким-либо образом поверхностью

; ,

где – площадь апертуры, – КИП – коэффициент использования поверхности. КИП всегда < 1, что объясняется неравномерностью облучения зеркала антенны, переливом энергии за края зеркала, неравномерностями поверхности зеркала и отклонениями её формы от требуемой, затенением зеркала. Ориентировочно D можно определить:

,

где – ширина главного лепестка в градусах в двух перпендикулярных плоскостях.

КПД называют отношение излучённой мощности к мощности, подведенной к антенне. Определяется оммическими потерями и для большинства антенн близок к единице.

Коэффициент усиления – отношение мощности, подводимой к ненаправленной (изотропной) антенне с КПД=1 к мощности, подводимой к данной антенне, при условии одинаковой напряжённости поля в точке приёма.

,

где – коэффициент усиления и КПД.

Коэффициент усиления антенны определяет энергетический потенциал системы. Обычно в РРЛ используются антенны с площадью раскрыва 2 – 15 . Коэффициент усиления таких антенн составляет 30 – 45 дБ.

Ширина главного лепестка в основном определяется её КНД. В связи с наличием рефракции радиоволн недопустимо безграничное сужение главного лепестка (в основном это касается к вертикальной плоскости). Ширина главного лепестка по нулевому уровню не должна быть меньше 1 – 1,5 градусов.

Уровень боковых лепестков характеризует её помехозащищённость. Наилучшей помехозащищённостью обладают закрытые антенны – рупорно-параболические.

Кроссполяризационная защита – характеризует уровень взаимных помех между стволами. При увеличенном числе стволов (6 – 8) защита должна составлять около 20 – 30 дБ. В РРЛ с большим числом стволов целесообразно юстировать антенны не по максимуму сигнала, а по минимуму кросс-поляризационной составляющей.

Защитное действие антенны – то есть уровень приёма антенны в заднем полупространстве относительно приёма в главном направлении, характеризует возможность использования на РРЛ двухчастотного плана, для этого необходим КЗД не хуже 65 дБ.

Согласование антенны с фидерным трактом влияет на уровень переходных шумов при передаче сигналов многоканальной системой. Суммарный коэффициент отражения не должен превышать 2,5%.

ВОЛНОВОДНЫЕ И РУПОРНЫЕ АНТЕННЫ

Дата добавления: 2014-01-13