Раздел 3. Спутниковые и радиорелейные системы радиосвязи

• Название: Спутниковые и радиорелейные системы радиосвязи
• Дата: 13.12.2022
• Размер: 1.35 Mb.
• Имя файла: Раздел 3.docx
• Тип: Документы; #843934
• страница: 3 из 4

3.8.6 Влияние гидрометеоров

Гидрометеоры в тропосфере (капли дождя, тумана, град, снег и т. п.) рассеивают энергию радиоволн, длина которых соизмерима с размерами гидрометеоров. Кроме того, происходит нерезонансное поглощение энергии в гидрометеорах. Эти эффекты проявляются при λ < 5 см, вызывая дополнительное ослабление сигнала на пролете. Обычно ослабление учитывают только для дождя. Волны с горизонтальной поляризацией испытывают большее ослабление из-за расплющивания капель дождя.

3.8.7 Графические зависимости множителя ослабления

от величины просвета
На рисунке 3.30 приведены зависимости множителя ослабления от относительного просвета:
p(g) = H(0) / Н₀

Относительный (нормированный) просвет вводится для удобства проведения вычислений, связанных с устойчивостью связи на РРЛ.

В зависимости от значения p(g)различают трассы: открытые при p(g) > 1, закрытые при p(g) < 0 и полуоткрытые при 1 > p(g) > 0.

На открытых трассах в точку приема приходят две волны: прямая и отраженная от поверхности Земли. Экранирующее действие препятствия в этом случае не учитываются. Для расчета множителя ослабления применима интерференционная формула. Однако теперь разность хода лучей должна быть определена с учетом приращения просвета при рефракции..

При изменении диэлектрической проницаемости воздуха множитель ослабления может принимать максимальные значения:

V_макс= 1+Ф (фазы прямой и отраженной волн на входе приемника совпадают), и минимальные :

V_мин = 1- Ф (сложение этих волн в противофазе).

Ф – коэффициент отражения от земной поверхности. Значения Ф зависят от характера местности и принимают значения от 1 (идеально отражающая поверхность) до 0 (пересеченная местность).



Рисунок 3.30 – Зависимости множителя ослабления

от относительного просвета
Когда p(g) = , где n = 1, 2, 3, ...; V(t) = V_мини мощность сигнала в точке приема резко падает. Возникают замирания сигнала, которые носят название рефракционных замираний интерференционного типа. При n = 1 возникает первый интерференционный минимум (p(g) = 2,44).

Это быстрые замирания. Их средняя длительность при глубине 35 ... 25 дБ составляет секунды — десятки секунд. Под глубиной понимают величину, численно равную |V_мин|. Различные стволы РРЛ используют разные частоты (волны). Разность фаз ∆φ между приходящими на вход приемника волнами зависит от длины волны. Поэтому замирания в ВЧ стволах происходят не одновременно. Эту особенность используют для борьбы с замираниями, а сами замирания характеризуют как частотно-зависимые или селективные. Если условия распространения на трассе таковы, что n=1, то говорят, что приемная антенна попала в первый интерференционный минимум, при п =2 — во второй и т.п.

Первый интерференционный максимум возникает при p(g) = 1, 73. При возрастании gпросвет Н (g) на трассе уменьшается, и она может стать полуоткрытой и даже закрытой. На рисунке 7.29 эта ситуация соответствует значениям p(g) < 1. В данном случае возникают замирания, обусловленные экранирующим действием препятствий на пролете. Эти замирания сравнительно медленные (их длительность десятки минут — часы при глубине 35 ... 25 дБ) и наблюдаются они одновременно во всех ВЧ стволах РРЛ.

При проведении расчетов устойчивости связи препятствие на пролете аппроксимируется сферой, радиус которой характеризует параметр μ.

Из-за случайных изменений gменяется угол прихода (выхода) радиоволн относительно главного направления приемной (передающей) антенны. Это явление приводит к колебаниям уровня сигнала на приеме. Такие колебания называют замираниями из-за влияния диаграмм направленности антенн. Это медленные замирания глубиной 10 ... 20 дБ. На практике такие замирания ощутимы при остронаправленных антеннах с коэффициентом усиления не ниже 45 дБ или 2q _0.50,9° ... 0,8°.

3.8.8 Методы борьбы с замираниями
На радиорелейных линиях применяются следующие методы борьбы с замираниями:

1. 
   Организационные методы: выбор достаточно коротких пролетов; обход участков местности, имеющих большой Ф; применение оборудования с более высокими энергетическими параметрами;
   

2 Разнос антенн в пространстве;

3 Разнесение по частоте.
Принцип пространственного разнесения антенн поясняется рисунком 3.31.

В общем случае, разнос антенн можно выполнять как в горизонтальной плоскости, так и в вертикальной. Разнос в горизонтальной плоскости применяется в тропосферных линиях. Разнос высот в вертикальной плоскости применяется на РРЛ.


Рисунок 3.31 – Принцип пространственного разнесения антенн

Оба приемника, разнесенные по высоте, работают на одной и той же частоте. Сигналы с выходов разнесенных приемников подаются на блок автовыбора (АВ), который анализирует сигналы, выбирает лучший по определенному критерию (уровень сигнала) и переключает его на выход. Разнос по высоте Δh≈150λ. При этом получается, что когда в одной антенне наблюдается максимальный уровень сигнала, то в другой антенне уровень минимальный. Замирание может произойти только тогда, когда одновременно уровень сигнала будет минимальным на выходах обоих приемников.

Учитывая значительное увеличение объема оборудования при данном способе резервирования, он применяется в особо тяжелых ситуациях.

Принцип частотного разнесения поясняется рисунком 3.32.

Наиболее часто применяют так называемое поучастковое резервирование, в случае которого на несколько рабочих имеется один или несколько резервных стволов, работающих на других частотах. При этом, переключение на резервный ствол производится автоматически по изменению уровня контрольного пилот - сигнала или мощности шумов в определенной полосе частот. Эффект от частотного разноса обусловлен тем, что быстрые замирания не могут появляться одновременно во всем рабочем диапазоне.

Рисунок 3.32 – Принцип частотного разнесения

3.8.9 Вопросы для самоконтроля

1. 
   Какие качественные показатели ЦРРЛ Вы знаете? Перечислите и дайте определения
   
2. 
   Поясните причины появления интерференционных замираний на пролетах ЦРРЛ
   
3. 
   Поясните физический смысл замираний, обусловленных субрефракцией радиоволн
   
4. 
   Каким образом влияет рефракция на условия распространения радиоволн?
   
5. 
   Поясните зависимость множителя ослабления от относительного просвета
   
6. 
   Какие методы борьбы с замираниями Вы знаете? Поясните суть
   

методов

3.9 Методика расчета устойчивости связи на ЦРРЛ
Целью расчета является проверка выполнения нормы на устойчивость связи на ЦРРЛ при выбранных высотах подвеса антенн на пролетах и известных параметрах аппаратуры:


Т_∑ (V_мин) ≤ Т_доп(V_мин), % (3.8)
Для быстрых замираний Т_∑ (V_мин) = ∑ Т_пр(V_мин).
Суммарная неустойчивость связи на пролете РРЛ характеризуется сум­марным процентом времени, в течение которого множитель ослабления меньше минимально допустимого и определяется по формуле:

(3.9)

где:

- процент времени, в течение которого множитель

ослабления меньше минимально допустимого за счет

экранирующего действия препятствий;
- процент времени, в течение которого множитель

ослабления меньше минимального за счет попадания

точки приема в область n-го интерференционного

минимума;
- процент времени, в течение которого множитель

ослабления меньше за счет интерференции

прямой волны и волн, отраженных от слоистых

неоднородностей тропосферы ;
- процент времени, в течение которого множитель

ослабления меньше за счет потерь энергии

радиоволн в различного рода осадках ( дождь, снег,

туман и т.п.).
3.9.1 Расчет замираний из-за экранирующего

действия препятствий на пролете РРЛ
Величина зависит от протяженности интервала, длины волны, величины просвета, рельефа местности и рассчитывается после построения профиля пролета и определения основных его характеристик. Предполагается, что параметры оборудования ЦРРС и высоты подвеса антенн известны.




Рисунок 3.33 – Профиль пролета

Порядок расчета Т₀ (V_мин).

1. 
   По исходным данным строится профиль пролета (рисунок 3.33)
   
2. 
   С учетом масштаба откладываются высоты подвеса антенн и проводится линия прямой видимости АВ
   
3. 
   Рассчитывается величина минимально-допустимого множителя ослабления:
   

V_мин = Р_пор – Р_пд + L₀ – G_пд - G_пр + L_пд + L_{пр ,} дБ (3.10)
где Р_пор - пороговая мощность сигнала на входе приемника,

дБВт;

Р_пд - мощность сигнала на выходе передатчика, дБВт;

L₀ – затухание сигнала в свободном пространстве, дБ;

G_пд , G_пр – коэффициенты усиления антенн, дБ;

L_пд , L_пр- потери в фидерных трактах передатчика и приемника,

дБ.

4. 
   Определяется критический просвет:
   

Н₀ = , (3.11)

где: R- длина пролета; λ – длина волны; k_i – относительная

координата наивысшей точки профиля.

5. 
   На профиле пролета на расстоянии, равном Н₀ от наивысшей точки профиля проводится линия., параллельная линии прямой видимости
   
6. 
   Определяется ширина препятствия на пролете (отрезок cd = s)
   
7. 
   Определяется параметр μ:
   

= 2.02 [ к² (1 - к)²/ l² ]^1/3 , (3.12)
где: l = s / R – относительная ширина препятствия


Рисунок 3.34 – Определение просвета p(g₀)

8. 
   На графике V = f (p(g)) на уровне, равном V_мин , проводится
   

горизонтальная линия и определяется величина просвета p(g₀)

(рисунок 3.34) в зависимости от параметра μ
Просвет p(g₀) – это просвет на пролете, при котором множитель ослабления равен минимально-допустимому значению и качество связи еще удовлетворяет нормам. Если просвет p(g) < p(g₀), необходимо учитывать замирания, вызываемые экранирующим действием препятствий на пролете ЦРРЛ.

При изменении градиента диэлектрической проницаемости тропосферы изменяется величина просвета на пролете. Просвет с учетом влияния рефракции радиоволн равен:
H(g_ср) = H(0) + ∆H(g_ср), (3.13)
где ∆H(g) – приращение просвета за счет рефракции:

∆H(g_ср) = - (R²/4)g_срк_i (1- k_i) (3.14)
При g > 0 возникает эффект экранирования существенной области распространения радиоволн, что приводит к замираниям сигнала (рисунок 3.35а).


Рисунок 3.35 – К расчету Т₀ (V_мин)


Физический смысл расчетного выражения для Т₀ (V_мин) заключается в вычислении вероятности того, что градиент g примет значения, большие, чем g₀ (заштрихованная область под кривой распределения градиента w(g) (рисунок 3.35б).

При этом находится в зависимости от параметра , который определяется по формуле:
Ψ = 2.31 А [ р(g_ср) – р(g₀) ] (3.15)

Параметр А рассчитываются по формуле:


где - стандартное отклонение градиента диэлектрической проницаемости тропосферы;

р(g_ср) -относительный просвет на пролете при среднем значении

градиента диэлектрической проницаемости тропосферы:
р(g_ср) = [Н(0) + ∆Н (g_ср)] / Н₀

р(g₀) - относительный просвет на интервале, при котором .



Величину в зависимости от параметра ψ можно определить графическим путем (рисунок 3.35в).

3.9.2 Расчет замираний из-за интерференции прямой

и отраженной от земной поверхности волн
В общем случае определяется по формуле:

, (3.16)

где: - двумерная функция, определяется графическим

путем.

Ф - коэффициент отражения от земной поверхности. Эта величина зависит от типа подстилающей поверхности. Если профиль пролета плоский и гладкий, то величина Ф = 1. На пересеченных пролетах Ф = 0. Если профиль пролета имеет гладкую выпуклую форму, то значение Ф можно определить из выражения:
Ф_вып = Ф_плD_n



где D_n- коэффициент расходимости радиоволн.
Отметим, что физический смысл выражения (3.16) заключается в нахождении суммарной вероятности попадания точки приема в область n – го интерференционного минимума (рисунок 3.34).

3.9.3 Расчет замираний, обусловленных интерференцией прямой

волны и волн, отраженных от слоистых неоднородностей

тропосферы
Величину рассчитывают по формуле:
(3.17)
где - параметр, учитывающий вероятность возникновения многолуче­вых замираний, обусловленных отражениями радиоволн от слоистых неоднородностей тропосферы с перепадом диэлектри­ческой проницаемости воздуха :
, (3.18)
где - климатический коэффициент, равный единице для сухопутных рай­онов и равный 5 для приморских районов, а также для районов вблизи водохра­нилищ и крупных рек и озер.

В формулу величина R подставляется в километрах, - в ГГц. В этом случает величина и получаются в процентах.



3.9.4 Расчет замираний на пролете, обусловленных потерями

энергии в осадках
Замирания радиоволн из-за деполяризации и ослабления в дожде ска­зываются на частотах от 8 ГГц и выше. Для определения длительности зами­раний по известному V_мин определяют минимально допустимую интенсивность дождей I_доп для данного пролета.

После этого по найденному I_доп для заданного климатического района можно определить процент време­ни, в течение которого , т.е. искомую величину .

. 3.9.5 Расчет устойчивости связи при наличии резервирования



В случае поучастковой системы резервирования неустойчивость связи на ЦРРЛ в пределах одного участка резервирования может быть рассчитана:
,%

где k - число пролетов на участке резервирования,

N - число рабочих стволов на участке;

-поправочный коэффициент, учитывающий корреляцию

разнесен­ных сигналов. Обычно в расчетах для учебных

целей принимают равным единице.

Для всей проектируемой ЦРРЛ с поучастковым резервированием неустойчивость связи определится по формуле:

, (3.19)

где т - число участков резервирования.

В случае пространственного разнесения антенн неустойчивость связи на всей линии определяется как сумма неустойчивости связи на отдельных пролетах:

Т_пр(V_мин)= Т₀(V_мин) + [ ∑ Т_n (V_мин) +Т_тр(V)_мин ]_н х [∑ Т₀ (V)_мин +

+ Т_тр(V_мин)]_в +Т_д((V_мин),% (3.20)
Т_лин(V_мин)= ∑ Т_пр (V_мин)
Индексы «н» и «в» относятся соответственно к нижней и верхней антеннам.

В том случае, если и при наличии резервирования не выполняются нормы на устойчивость связи, необходимо при­вести перечень возможных мероприятий, направленных на повышение устойчивости связи.

3.9.6 Вопросы для самоконтроля

1. 
   Дайте определение минимально-допустимого множителя ослабления
   
2. 
   Поясните расчетное выражение для минимально-допустимого множителя ослабления на цифровых РРЛ
   
3. 
   Поясните физический смысл критического просвета
   
4. 
   Каким образом при расчете устойчивости связи учитывается явление рефракции радиоволн?
   
5. 
   Поясните расчетное выражение для расчета устойчивости связи при поучастковом резервировании
   
6. 
   Поясните расчетное выражения для расчета устойчивости связи в случае пространственного разнесения антенн
   

3.10 Основные типы и параметры антенн на ЦРРЛ
Наибольшее распространение на ЦРРЛ получили зеркальные антенны. Это направленные антенны, содержащие первичный излучатель и отражатель антенны в виде металлической поверхности. Первичным излучателем (или облучателем) называют излучающий элемент антенны, связанный с фидером. На ЦРРЛ, используют следующие зеркальные антенны: параболические, двухзеркальные и др.

Принцип формирования направленного излучения рассмотрим на примере передающей параболической антенны (рисунок 7.35а). Поверхность отражателя 1 является вырезкой из параболоида вращения и представляет собой металлическое зеркало. С фокусом зеркала F совмещен центр облучателя 2. Фокусное расстояние обозначено F*. Широко распространены рупорные облучатели, питаемые от волновода 3.

Рупор излучает сферическую волну, которая, отражаясь от отражателя, превращается в плоскую в раскрыве антенны. Ход лучей показан на рисунке 3.36а и в тонкими линиями со стрелками. Раскрывом называют плоскость S, перпендикулярную фокальной оси MN и ограниченную кромкой зеркала (рисунок 3.36а) либо проекцией на нее этой кромки (рисунок 3.36в). В плоскости раскрыва все лучи должны быть параллельны, т.е. иметь одинаковую фазу. Кроме того, амплитуды лучей также должны быть одинаковы. За счет этого мощность излучения концентрируется в направлении, перпендикулярном плоскости раскрыва. Чем больше S, тем уже главный лепесток ДН антенны и больше G. На практике амплитуда поля в раскрыве S обычно спадает к краям. Следовательно, в создании направленного излучения участвует не вся апертура S, а ее часть, называемая эффективной площадью антенны.


Рисунок 3.36 – Схемы параболических антенн:


а – осесимметричной; б – осесимметричной улучшенной;
в – неосесимметричной (1 – отражатель; 2 – облучатель;

3 – фидер).
Чтобы лучше использовать антенну, стараются повысить ее КИП. С этой целью применяют рупорные облучатели с улучшенной ДН. На КИП влияют также точность изготовления поверхности зеркала, затенение раскрыва и др.

Атмосферные осадки, скапливаясь на поверхности отражателя или попадая на облучатель, ухудшают электрические параметры антенны. Поэтому антенны защищают от осадков, применяя радиопрозрачные материалы. Облучатели закрывают кожухами, а раскрывы антенн – чехлами из гибкой пленки или защитными крышками.