Студопедия

КАТЕГОРИИ:


Архитектура-(3434)Астрономия-(809)Биология-(7483)Биотехнологии-(1457)Военное дело-(14632)Высокие технологии-(1363)География-(913)Геология-(1438)Государство-(451)Демография-(1065)Дом-(47672)Журналистика и СМИ-(912)Изобретательство-(14524)Иностранные языки-(4268)Информатика-(17799)Искусство-(1338)История-(13644)Компьютеры-(11121)Косметика-(55)Кулинария-(373)Культура-(8427)Лингвистика-(374)Литература-(1642)Маркетинг-(23702)Математика-(16968)Машиностроение-(1700)Медицина-(12668)Менеджмент-(24684)Механика-(15423)Науковедение-(506)Образование-(11852)Охрана труда-(3308)Педагогика-(5571)Полиграфия-(1312)Политика-(7869)Право-(5454)Приборостроение-(1369)Программирование-(2801)Производство-(97182)Промышленность-(8706)Психология-(18388)Религия-(3217)Связь-(10668)Сельское хозяйство-(299)Социология-(6455)Спорт-(42831)Строительство-(4793)Торговля-(5050)Транспорт-(2929)Туризм-(1568)Физика-(3942)Философия-(17015)Финансы-(26596)Химия-(22929)Экология-(12095)Экономика-(9961)Электроника-(8441)Электротехника-(4623)Энергетика-(12629)Юриспруденция-(1492)Ядерная техника-(1748)

Розповсюдження електромагнітних хвиль НВЧ. Зони Френеля




 

Для оцінки розповсюдження радіохвиль в реальних умовах необхідно враховувати вплив поверхні землі та тропосфери. Для цього використовують множник ослабленняполя вільного простору. В літературі застосовується близький за змістом термін «додаткові втрати». Він залежить від довжини траси, довжини хвилі, висот антен, рельєфу місцевості, метеорологічних параметрів тропосфери. Значення V можна визначити як теоретично, так і експериментально шляхом виміру потужності сигналу на вході приймача Р пр. Через складність і різноманіття реальних природних умов практично неможливо створити строгі методи розрахунку V. Із задовільною для практики точністю користуються наближеними методами, що враховують вплив рефракції і рельєфу місцевості.

Оскільки лінія зв’язку знаходиться не у вільному просторі, а на реальній місцевості, то рельєф місцевості впливає на потужність сигналу на вході приймача. Це викликано інтерференцією прямої і відбитої хвиль, (явищем додавання електромагнітних коливань прямої та відбитої хвиль в опромінювачі приймальної антени РРС). В залежності від різниці амплітуд і фаз інтерферуючих хвиль інтенсивність сумарного радіосигналу може істотно відрізнятися від інтенсивності радіосигналу прямої хвилі, що може призводити до погіршення якості зв’язку. При цьому вводиться поняття критичного просвіту Н0, при якому інтенсивність суми прямої та відбитої хвиль при їхній інтерференції практично дорівнює інтенсивності тільки прямої хвилі (вплив рельєфу місцевості на зв’язок практично відсутній). Визначення типу інтервалу відбувається через радіус першої зони Френеля. З дисципліни «Технічна електродинаміка» відомо, що навкруги лінії прямої видимості є еліпсоїдна зона, радіус якої дорівнює третині першої зони Френеля, в якій переноситься основна частина енергії випромінювання, і яка являється суттєвою для розповсюдження радіохвиль (зазвичай показується пунктиром). Розміри цієї зони (еліпсу) пов’язані з довжиною хвилі і відстанню між антенами:

, (1)

де Zіі -ий розмір радіуса зони, в метрах, R0 – відстань між антенами, в метрах, λ – довжина хвилі, в метрах, τ – відносна координата радіусу, .

Просвіт інтервалу РРЛ (H) відстань по вертикалі між лінією прямої видимості та лінією профілю місцевості (з урахуванням лісу і місцевих предметів) у розглянутій точці інтервалу. На ділянках інтервалу, де лінія профілю місцевості проходить нижче ліній прямої видимості, величина просвіту позитивна; якщо вище лінії прямої видимості (просвіту немає) – величина просвіту негативна (має знак мінус). Аналізуючи вплив рельєфу, інтервали можна класифікувати як відкриті, напівзакриті або закриті.

Відкритий інтервал – інтервал, на кресленні профілю якого лінія профілю місцевості з урахуванням лісу і місцевих предметів лежить чи нижче стосується граничної кривої: Н>Н0 (рис. 1).

Напівзакритий інтервал – інтервал, на кресленні профілю якого лінія профілю місцевості хоча б на одній ділянці інтервалу лежить вище граничної кривої, але нижче лінії прямої видимості: H0>H>0 (рис. 2).

Закритий інтервал – інтервал, на кресленні профілю якого лінія профілю місцевості хоча б на одній ділянці інтервалу лежить вище лінії прямої чи видимості стосується її: Н<0 (рис. 3).

Напівзакриті інтервали сильно послабляють сигнал, через затінення рельєфом місцевості зони, істотної для поширення радіохвиль. Найбільш непридатними для радіорелейного зв’язку є закриті інтервали, що ще можна використовувати в метровому діапазоні і практично неможливо в дециметровому і сантиметровому діапазонах.

Рис. 1. Рис. 2.

Рис. 3.

 

На радіорелейної лініях загального призначення ця ж задача зводиться щодо визначення висоти підйому антени: на яку висоту необхідно підняти антену, щоб рельєф місцевості робив мінімальне ослаблення та не виникали глибокі завмирання сигналу.

Врахування рефракції радіохвиль. Рефракцією називається викривлення траєкторій хвиль, обумовлене неоднорідною будовою тропосфери. Поширення радіохвиль на інтервалах звичайних РРЛ відбувається в приземному шарі тропосфери товщиною десятки-сотні метрів, де метеорологічні параметри, а отже, і градієнтом діелектричної проникності g піддані особливо сильним часовим і просторовим змінам внаслідок перепадів температури та вологості, викликаних впливом підстилаючої поверхні.

Еквівалентний радіус Землі. Для наближеного врахування рефракції вводять поняття еквівалентного радіуса Землі , справедливе при лінійній зміні відносна діелектрична проникність повітря ε з висотою. У дійсності в тропосфері в середньому ε зменшується з висотою за експонентним законом. Однак для порівняно тонких шарів, до яких можна віднести приземний шар, що бере участь у перенесенні енергії на трасах РРЛ, це спрощення припустиме. Під величиною розуміють таке значення радіуса Землі, при якому траєкторії радіохвиль можна вважати прямолінійними, причому:

, (2)

де a = 6370 км – геометричний радіус Землі. При g = 0, , тобто рефракція відсутня. На практиці часто застосовують поняття коефіцієнта рефракції:

. (3)

Взаємозв’язок значень показаний на рис. 4. Види рефракції. В залежності від значень g і розрізняють наступні види рефракції радіохвиль в тропосфері (рис. 5).

Рис. 4. Взаємозв’язок значень еквівалентного радіуса Землі , коефіцієнта рефракції Ке і вертикального градієнта показника переломлення g. Рис. 5. Види рефракції в тропосфері: 1 – негативна рефракція; 2 – позитивна рефракція; 3 – критична рефракція; 4 – над рефракція.

 

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

Позитивна рефракція, що спостерігається при >1, >, g <0. Окремі випадки позитивної рефракції:

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

2. Підвищена рефракція при g < – 8×10–8 1/м; ае > 8500 км. Найчастіше відзначається у вечірні, нічні і ранкові години літніх місяців, а іноді в цей же час навесні чи восени. Причиною виникнення є температурні інверсії (збільшення температури повітря з висотою) і різке зменшення вологості з висотою, пов’язані з нагріванням і охолодженням земної поверхні випаровуванням із ґрунту, зміною теплих і холодних повітряних мас і т. ін.

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

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

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

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

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

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

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

а) б)

Рис. 6. Відображення радіохвиль: а) – від шаруватих неоднорідностей тропосфери; б) – багатопроменеве поширення в тропосферному приземному хвилеводі.

 

Інтерференційні завмирання, спричинені віддзеркаленням від шаруватих неоднорідностей тропосфери. Завмирання цього типу обумовлені інтерференцією прямої хвилі і хвиль, відбитих від шаруватих неоднорідностей тропосфери (рис. 6.а), і попаданням приймальної антени в інтерференційні мінімуми. До цього типу можна віднести також інтерференційні завмирання, зумовлені багатопроменевим поширенням в тропосферних хвилеводах (рис. 6.б). Такі завмирання частотно-селективні, у більшості випадків носять найшвидший характер, тому що внаслідок безупинної зміни висоти відбиваючих шарів, їхньої інтенсивності Δε і нахилу міняються фазові й амплітудні співвідношення хвиль, що надходять. При глибині 25–35 дБ середня тривалість завмирань складає секунди – долі секунд. Характерною рисою завмирань у тропосферних хвилеводах є те, що в більшості випадків вони спостерігаються при високому середньому рівні сигналу V > + 6 дБ (V > 2), тому що напруженість поля в хвилеводі зменшується повільно. За результатами експериментів глибокі інтерференційні завмирання, зумовлені віддзеркаленням від шаруватих неоднорідностей тропосфери, на хвилях довшими за 12–15 см на сухопутних інтервалах РРЛ спостерігаються порівняно рідко. По мірі скорочення довжини хвилі кількість таких завмирань зростає і в багатьох випадках вони визначають сумарну тривалість завмирань. На морських трасах вплив шаруватих неоднорідностей тропосфери відзначається навіть на метрових хвилях.

Завмирання через екрануючий вплив шаруватих неоднорідностей тропосфери обумовлені ослабленням хвилі при проходженні через шаруваті неоднорідності тропосфери, коли велика частина енергії відбивається та лише невелика частина досягає точки прийому (рис. 7).

Рис. 7. Екрануюча дія шаруватих неоднорідностей тропосфери.

 

Характер завмирань специфічний: великі ослаблення рівня сигналу навіть на десятки децибелів (10-30) можуть спостерігатися протягом тривалого часу, що доходить до декількох годин. Іноді вони супроводжуються швидкими флуктуаціями сигналу відносно середнього рівня. Очевидно, такі флуктуації викликаються не тільки втратою енергії хвилі, але і додатковою інтерференцією прямої хвилі і хвиль, відбитих від інших неоднорідностей тропосфери (рис. 7). Завмирання практично корельовані в межах одного частотного діапазону і спостерігаються одночасно у всіх стволах радіорелейної системи. Їхня глибина збільшується зі зростанням довжини інтервалу, перепаду висот між приймальною і передавальною антенами і із зменшеннями довжини хвилі. На інтервалах РРЛ довжиною 50-60 км такі завмирання спостерігаються, як правило, в морських районах, а на більш протяжних трасах – і в гірських районах. Цей тип завмирань вивчений порівняно слабко.

Завмирання через вплив діаграм спрямованості антен обумовлені варіаціями кутів виходу і приходу радіохвиль, викликаними випадковими змінами умов рефракції. Вони істотні при досить вузьких діаграмах спрямованості антен, оскільки за експериментальними даними на інтервалах РРЛ середньої довжини зміни кутів у вертикальній площині не перевищують ± 0,5° протягом 99,9% часу найнесприятливішого місяця, максимальні значення ± 0,75°. В горизонтальній площині варіації кутів приходу приблизно в 4-5 разів менші, винятком є інтервали РРЛ на границях розподілу середовищ (суходіл – море і т. ін.). Варіації кутів виходу та приходу радіохвиль містять порівняно повільну компоненту, обумовлену змінами g і швидкозмінну компоненту, зв’язану із шаруватою структурою тропосфери. В реальних умовах вплив кутів приходу може збільшуватися через неточність юстування гостроспрямованих антен, а також теплові і вітрові деформативності антенних опор. На практиці вплив діаграм спрямованості антен у найнесприятливіші місяці стає істотним при коефіцієнтах підсилення порядку 45 дБ (ширина діаграми за половиною потужності 0,9°-0,8°, тобто ± (0,45°-0,4°)). Характер завмирань специфічний: на пересічених відкритих інтервалах РРЛ при застосуванні перископічних антен з номінальним підсиленням 45 дБ і висоті антенних опор 60-100 м спостерігалися повільні зміни ослаблення середнього рівня сигналу до – 10-20 дБ, що зберігалися протягом тривалого часу, іноді до кількох годин. Такі ослаблення не відзначалися на аналогічних пересічених трасах, обладнаних менш направленими антенами. Ці завмирання частотно-корельовані, спостерігаються в основному одночасно у всіх стволах радіорелейної системи. Вони еквівалентні «втраті підсилення» антен в окремі періоди часу. Завмирання цього типу обмежують використання гостроспрямованих антен з підсиленням G не менш 45 дБ. Межі застосування цих антен в залежності від довжини трас, кліматичних умов, висот і типу антенних опор вимагають вивчення.

Завмирання, зумовлені ослабленням сигналу гідрометеорами. Ці завмирання викликані ослабленням електромагнітної енергії внаслідок розсіювання частками гідрометеорів (дощ, туман, сніг і т. ін.) і нерезонансного поглинання її в самих частках. Розсіювання і поглинання залежать від стану гідрометеорів (рідкі або тверді), розмірів краплинних утворень, інтенсивності опадів, їхньої температури, довжини хвилі сигналу. Завмирання, викликані ослабленням сигналу в опадах – повільні. Вони частотно-корельовані і спостерігаються одночасно у всіх стволах радіорелейної системи, що працює в одному частотному діапазоні. Коефіцієнт ослаблення під час сухого снігу і граду значно менший, ніж під час дощу тієї ж інтенсивності, через меншу величину діелектричної проникності твердих часток. Експерименти показують, що при f < 50 ГГц впливом сухого снігу можна знехтувати. На вищих частотах відзначені значні ослаблення в сухому снігу. У ряді випадків спостерігалися також помітні ослаблення під час граду навіть на частоті 2 ГГц, але протягом не більш 0,001% часу. Коефіцієнт ослаблення під час мокрого снігу в середньому приблизно такий же, як і під час дощу рівної інтенсивності. Експерименти показують, що в багатьох кліматичних районах при f < 20 ГГц імовірність появи глибоких завмирань через ослаблення в мокрому снігу, що спостерігались в найнесприятливіші місяці, значно менша, ніж через дощі.

Ефективна довжина траси R еф залежить від нерівномірності опадів на трасі, а також від кута, під яким хвиля проходить через зону опадів. Частіше траси звичайних РРЛ горизонтальні, тому напрямок поширення хвилі перпендикулярний потоку опадів. У цьому випадку, R еф визначається в основному їхньою нерівномірністю, що залежить від кліматичних умов, типу опадів, їхньої інтенсивності.

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

Завмирання через поглинання в газах. З газів, що входять до складу тропосфери, поглинання викликають кисень і водяна пара. Поглинання обумовлене взаємодією падаючого поля хвилі і молекул газів, яким властиві електричні і магнітні моменти. Поглинання в газах має селективний характер і досягає максимуму при збігу частоти поля, що впливає, з власними частотами коливань молекул. Експерименти і розрахунки показують, що поглинанням у кисні та водяній парі можна знехтувати на частотах, менших приблизно 15 ГГц (V £ l дБ).

Завмирання через ослаблення сигналу в піщаних і пилових бурях. Піщані і пилові хмари та бурі на території колишнього СРСР спостерігаються найчастіше в південно-східних областях, Середній Азії і південних районах Казахстану. Сильні пилові вітри, що супроводжують інтенсивні суховії, зустрічаються також на Північному Кавказі, у Приазовських степах, на Україні. У найбільш складних випадках пилові бурі захоплюють десятки і навіть сотні кілометрів, піднімаючись вгору на кілька сотень метрів і зменшуючи видимість до значення менше 10 м. Середні розміри часток піску та глиняного пилу складають 0,015 і 0,008 см відповідно. Експерименти показали, що на частоті 10 ГГц при щільності часток 10-5 г/см3 (відповідає видимості 10 м) коефіцієнт ослаблення для піщаних хмар складає 0,1 дБ/км, а для глиняного пилу 0,4 дБ/км. В окремих випадках можливі і великі ослаблення. Це питання вимагає подальшого вивчення. Проте можна вважати, що в діапазоні частот РРЛ при реально існуючих запасах апаратури на завмирання сигналу впливом цих факторів можна знехтувати.

Таким чином, можна сказати, що при поширенні по радіолінії електромагнітне випромінювання піддається інтенсивному впливу діючих на трасі факторів. Розуміння фізики процесів впливу й уміння їх враховувати є необхідною умовою правильних рішень при проектуванні РРЛ і їхньої апаратури, при експлуатації РРЛ.

Найістотнішим виявляється віддалення (відстань) від джерела випромінювання до приймача. Це призводить до так званих основних втрат, обумовлених зменшенням щільності потоку потужності сигналу при віддаленні від джерела через неколінеарність поширення енергії. Цей вплив достатньо добре піддається врахуванню та прогнозуванню.

Параметри траси, що вносять вклад у спотворення сигналу і створюють додаткові втрати, найчастіше мають випадковий, статистичний характер, супроводжуються відомими труднощами при оцінюванні їх та наслідків їхнього впливу. Їх результуючий енергетичний вплив оцінюється за допомогою множника ослаблення.

Ці чинники призводять до ослаблення сигналу як за рахунок дисипативних втрат в атмосфері, у гідрометеорах, у пилових бурях, так і за рахунок інтерференційних впливів, що призводять до завмирань різної тривалості за рахунок фазової взаємодії основної і відбитої хвиль (відбиття від перешкод, відбиття від шаруватих неоднорідностей тропосфери, відбиття від земної поверхні та ін.). Слід зазначити також вплив рефракції, що призводить до відхилень променів, викликаючи при цьому еквівалентне зменшення коефіцієнта підсилення антени.

Врахування додаткових факторів призводить до необхідності зменшення довжини прольоту, збільшення енергетики радіолінії, застосування додаткових засобів захисту, що призводить до подорожчання РРЛ.

Деякі чинники (поглинання в атмосфері, загасання у вільному просторі) призводять до детермінованого характеру ослаблення сигналу. Загасання в гідрометеорах, у пилових бурях розподілені випадковим чином. Проте, загасання в гідрометеорах володіє визначеними статистичними закономірностями, що вивчаються і регламентуються в Рекомендаціях Міжнародного союзу електрозв’язку (МСЕ-Р). Вплив інших факторів, зв’язаних з відбиттям від об’єктів тропосфери, з рефракцією в атмосфері підпорядковані випадковому закону зі слабко корельованими параметрами й оцінюються часто за критерієм максимального впливу.

Розгортання РРЛ на пересіченій місцевості призводить до необхідності використання напіввідкритих і закритих трас. На цих трасах множник ослаблення має монотонний характер, обумовлений процесом дифракції радіохвиль.

 




Поделиться с друзьями:


Дата добавления: 2014-01-04; Просмотров: 1855; Нарушение авторских прав?; Мы поможем в написании вашей работы!


Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет



studopedia.su - Студопедия (2013 - 2024) год. Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав! Последнее добавление




Генерация страницы за: 0.03 сек.