Материал: 1221

70

тельно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты и т.п. Близко расположенные здания могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими препятствиями или источниками местных отраженных волн.

Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматриваемом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими потерями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30 дБ ниже, чем перед ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные теневые зоны, где сигнал значительно ослаблен.

Действие окружающих зданий как источников отраженных волн проявляется как в виде неравномерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерференции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля отражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах телевизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет статистический характер как теоретических, так и экспериментальных исследований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки, и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами.

В первом случае, характерном для приема сигналов телевизионного вещания, расчет напряженности поля ведут по квадратичной формуле Введенского (5.4), умножая результат на поправочной коэффициент (обычно

0.4...0.6).

Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости, и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окрестности подвижного пункта.

Рассмотрим закономерности изменения напряженности поля в точке приема в городских условиях в зависимости от расстояния, частоты волны и высот установки антенн.

На рисунке 5.6 приведены зависимости среднего (медианного) значения мощности сигнала PC от расстояния r при различных высотах подъема антен-

71

ны базовой станции h1, измеренные на частоте 922 МГц. Высота подъема антенны на подвижном объекте принята равной 3 м.

Штриховой линией показана зависимость PC от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соответствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 км от базовой станции.

Рисунок 5.6 - Зависимость мощности сигнала PC от расстояния r на частоте f = 922 МГц

Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличении

расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r 3. Последующее увеличение r приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигнала.

Ослабление сигнала в городе возрастает также с увеличением его частоты. На поле в точке приема влияют и другие факторы. Установлено, что уровень сигнала зависит от расположения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на радиоволны. Вдоль радиально расположенных улиц (относительно базовой станции) уровень сигнала на 10…20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.

72

5.5 Распространение ультракоротких волн на космических радиолиниях

5.5.1Особенности спутниковой связи

Широкое применение находят радиолинии большой протяженности, на которых обмен информацией между оконечными пунктами ведется с помощью ретрансляционной станции, установленной на ИСЗ. Работа идет по схеме Земля - ИСЗ - Земля (рисунок 5.7). Самостоятельное значение имеют также радиолинии Земля - ИСЗ для передачи информации на спутник и линии ИСЗ - Земля для приема информации со спутника. Все упомянутые радиолинии относятся к классу космических. Условия работы космических линий имеют ряд особенностей, которые необходимо учитывать при изучении процессов распространения радиоволн.

Рисунок 5.7 - Схема радиолинии «Земля - ИСЗ – Земля»

Оптимальные высоты полета связных ИСЗ лежат в пределах 10000...40000 км над поверхностью Земли. Такое расположение бортовых ретрансляторов приводит к необходимости использовать на космических линиях волны с частотами выше 100 МГц ( < 3 м), не отражающиеся от ионосферы.

Большинство внутренних и международных спутниковых линий связи в настоящее время работают в полосах 6/4 и 8/7 ГГц (числитель соответствует

73

полосе частот на участке линии Земля - ИСЗ, знаменатель – ИСЗ – Земля). В более высоких частотных диапазонах выделены полосы 14/12 и 30/20 ГГц.

Основные явления, сопровождающие распространение радиоволн таких частот, сводятся к затуханию в атмосферных газах и осадках, изменению поляризации волн за счет эффекта Фарадея и осадков, случайным флуктуациям амплитуды и фазы принимаемого поля, вариациям углов прихода, ограничению полосы частот, передаваемой без искажений.

При движении ИСЗ по любой орбите, кроме геостационарной (экваториальная круговая орбита с высотой HC = 35860 км), происходит перемещение ИСЗ относительно земных пунктов передачи и приема. При этом изменяются угол возвышения траектории распространения волны относительно линии горизонта и длина пути, проходимого волной в атмосфере. Ранее было показано, что при малых углах возвышения условия распространения значительно ухудшаются. Поэтому спутниковые линии связи работают только при углах 5 . При проектировании таких линий должны учитываться изменяющиеся условия распространения при перемещении спутника в секторе углов возвышения от 5 до 90°.

Перемещение спутника относительно наземной станции обусловливают прием, сопровождающийся эффектом Доплера. Доплеровское смещение частоты является причиной искажения спектра сигнала.

Высокие требования к устойчивости работы спутниковых систем связи делают необходимым тщательное изучение условий распространения на линии.

5.5.2Потери в тракте распространения

Основные потери передачи. Большая протяженность линии Земля - ИСЗ, оценивающаяся десятками тысяч километров, является причиной больших основных потерь передачи L0. Если высоты орбит спутников составляют 10000…36000 км, то максимальная дальность между наземным пунктом и ИСЗ изменяется от 17000 до 40000 км. Таким расстояниям согласно соответствуют основные потери передачи на частоте 3 ГГц от 185 до 193 дБ, а на частоте 30 ГГц – от 205 до 214 дБ. Для компенсации таких больших потерь необходим высокий энергетический потенциал линии, который в значительной степени обеспечивается сложным наземным оборудованием.

При расчете энергетики определяют основные потери для максимального расстояния rmax между ИСЗ и наземным пунктом при минимально допустимом угле возвышения min траектории распространения волны. Согласно рисунку 5.7:

В случае эллиптической орбиты расчет следует производить для HC = HA, где HA – высота апогея.

Ослабление и деполяризация волн в тропосфере. В диапазонах волн,

выделенных для космических линий связи, ослабление волн в тропосфере может быть значительным. Напомним, что ослабление в тропосфере складывается из потерь в газах и рассеяния и поглощения в дожде, тумане, облаках.

Поглощение в газах согласно [2] в диапазоне частот 1...10 ГГц при углах возвышения > 5 невелико. Однако при повышении частоты ослабление быстро возрастает, и на частоте 20 ГГЦ множитель ослабления VГ достигает значения –10 дБ.

Ослабление в дожде незначительно на частотах f < 6 ГГц при любой интенсивности дождя (JД – интенсивность осадков, мм/ч) и углах возвышения траекторий > 5 . Но на частотах f > 10 ГГц даже в условиях умеренного дождя (JД < 10 мм/ч), ослабление составляет единицы децибел, увеличиваясь в периоды ливней (JД > 40 мм/ч) до десятков децибел.

Значительное ослабление в дожде волн с частотами выше 10 ГГц приводит к необходимости повышать энергетические запасы на линиях, работающих на частотах этого диапазона. Однако не всегда такие запасы могут быть реализованы. Для уменьшения ослабления рекомендуют работать при больших углах возвышения, когда путь, проходимый через толщу дождя, относительно невелик.

В интенсивных осадках, особенно в дожде, кроме ослабления наблюдаются явление деполяризации, т.е. изменение поляризации волны в результате ее рассеяния на сфероидальных каплях дождя. Это явление следует учитывать при работе на частотах выше 10 ГГц, когда два канала работают в одном частотном диапазоне, но с ортогональными поляризациями. Деполяризация приводит к взаимным помехам между каналами.

Тепловые и поляризационные потери, связанные с прохождением радиоволн через ионосферу.

Тепловые потери в ионосфере обусловлены ее конечной проводимостью. Удельная проводимость ионосферы в первом в первом приближении обратно пропорциональна квадрату частоты и существенна лишь на частотах f < 100 МГц. Спутниковые системы связи работают на более высоких частотах, и поэтому тепловыми потерями в ионосфере можно пренебречь.

Поляризационные потери обусловлены рассогласованием поляризаций принимаемого поля и приемной антенны в результате эффекта Фарадея. Перемещение спутника, а также изменение параметров ионосферы являются причиной непрерывного изменения угла поворота Ф плоскости поляризации принимаемого поля. Если поле с меняющейся поляризацией принимать на ан-