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<
. (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.
Распространение радиоволн
Реферат выполнил: Аникин С. В.
Дальневосточный Государственный Технический Университет (ДВПИ им. В. В. Куйбышева)
Владивосток 2008
Введение
Законы распространения радиоволн в свободном пространстве сравнительно просты, но чаще всего радиотехника имеет дело не со свободным пространством, а с распространением радиоволн над земной поверхностью. Как показывают и опыт и теория, поверхность Земли сильно влияет на распространение радиоволн, причем сказываются как физические свойства поверхности (например, различия между морем и сушей), так и ее геометрическая форма (общая кривизна поверхности земного шара и отдельные неровности рельефа - горы, ущелья и т. п.). Влияние это различно для волн разной длины и для разных расстояний между передатчиком и приемником. Способы распространения радиоволн существенно зависят от длины волны, от освещённости земной атмосферы Солнцем и от ряда других факторов.
Распространение радиоволн
В процессе распространения, радиоволны испытывают ослабление, связанное с рядом причин. По мере удаления от передатчика энергия распространяется все в большем объеме, следовательно, плотность потока энергии уменьшается. Среда, в которой распространяются радиоволны, также вызывает их ослабление. Это связано с поглощением энергии волн вследствие тепловых потерь и уменьшением напряженности поля волны при огибании препятствий в виде выпуклости земного шара или возвышенностей.
Рис. 1. Структура электромагнитных волн для некоторого момента времени.
В каждой точке пространства вектор напряженности электрического поля волны Е перпендикулярен вектору напряженности магнитного поля Н, и оба вектора перпендикулярны направлению распространения волны.
Распространение радиоволн подчиняется определенным общим законам:
Прямолинейное распространение в однородной среде, т.е. среде, свойства которой во всех точках одинаковы.
Отражение и преломление при переходе из одной среды в другую. Угол падения равен углу отражения.
Дифракция. Встречая на своем пути непрозрачное тело, радиоволны огибают его. Дифракция проявляется в разной мере в зависимости от соотношения геометрических размеров препятствия и длины волны.
Рефракция. В неоднородных средах, свойства которых плавно изменяются от точки к точке, радиоволны распространяются по криволинейным траекториям. Чем резче изменяются свойства среды, тем больше кривизна траектории.
Полное внутреннее отражение. Если при переходе из оптически более плотной среды в менее плотную, угол падения превышает некоторые критические значения, то луч во вторую среду не проникает и полностью отражается от границы раздела сред. Критический угол падения называют углом полного внутреннего отражения.
Интерференция. Это явление наблюдается при сложении в пространстве нескольких волн. В различных точках пространства получается увеличение или уменьшение амплитуды результирующей волны в зависимости от соотношения фаз складывающихся волн.
Радиоволны, распространяющиеся у поверхности земли и, вследствие дифракции, частично огибающие выпуклость земного шара, называются поверхностными волнами. Распространение поверхностных волн сильно зависит от свойств земной поверхности.
Радиоволны, распространяющиеся на большой высоте в атмосфере и возвращающиеся на землю вследствие отражения от атмосферных неоднородностей, называются пространственными волнами.
Область существенная для распространения волн
При распространении радиоволн в однородном безграничном пространстве различные области этого пространства неодинаково влияют на процесс формирования поля в точке приема. Чтобы определить существенную область пространства, которая играет определяющую роль, обратимся к принципу волноводной оптики – принципу Гюйгенса-Френеля.
Предположим, что в точке А расположен точечный излучатель: требуется определить напряженность электрического поля EB точке В на расстоянии R от излучателя. Проведем мысленно вокруг излучателя произвольную замкнутую поверхность S (рис.2).
Согласно принципу Гюйгенса – Френеля: каждую точку на поверхности S можно считать источником вторичных сферических волн (виртуальным источником), а поле в точке В можно определить в результате векторного суммирования полей всех таких вторичных излучателей на поверхности S. Каждый из вторичных излучателей обладает диаграммой направленности, максимум его излучения совпадает с нормалью к поверхности S в данной точке.
Чтобы проследить процесс формирования поля в точке В, предположим, что на расстоянии R1 от точки В перпендикулярно линии АВ расположен экран, непрозрачный для радиоволн бесконечных размеров. Замкнутую вокруг точки А поверхность S выберем состоящей из плоскости экрана и бесконечно удаленной полусферы, охватывающей точку А и опирающейся на экран. Если отверстия в экране нет, то из-за непрозрачности экрана поле в точке В будет равно 0
Рис.2 Распространение радиоволн в однородном безграничном пространстве
Рис. 3. Формирование поля радиоволн
Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн
Влияние поверхности Земли на распространение радиоволн зависит от расположения радиотрассы относительно её поверхности. Распространение радиоволн - пространственный процесс, захватывающий большую область. Но наиболее существенную роль в этом процессе играет часть пространства, ограниченная поверхностью, имеющей форму эллипсоида вращения, в фокусах которого А и В расположены передатчик и приёмник (рис. 4).
Рис. 4. Область, существенная при распространении радиоволн: А - передающая антенна; В - приёмная; Z1 и Z2 - их высоты над поверхностью Земли.
Большая ось эллипсоида практически равна расстоянию R между передатчиком и приёмником, а малая ось ~. Чем меньше , тем уже эллипсоид, в оптическом диапазоне он вырождается в прямую линию (световой луч). Если высоты Z1 и Z2, на которых расположены антенны передатчика и приёмника относительно поверхности Земли, велики по сравнению с , то эллипсоид не касается поверхности Земли (рис. 4, а). Поверхность Земли не оказывает в этом случае влияния на распространение радиоволн (свободное распространение). При понижении обеих или одной из конечных точек радиотрассы эллипсоид коснётся поверхности Земли (рис. 4, б) и на прямую волну, идущую от передатчика к приёмнику, належится поле отражённой волны. Если при Z1>> и Z2>>, то это поле можно рассматривать как луч, отражённый земной поверхностью по законам геометрической оптики. Поле в точке приёма определяется интерференцией прямого и отражённого лучей. Интерференционные максимумы и минимумы обусловливают лепестковую структуру поля (рис. 5). Условие Z1 и Z2>> практически может выполняться только для метровых и более коротких волн, поэтому лепестковая структура поля характерна для ультракоротких волн (УКВ).
Рис. 5. Лепестковая структура поля в точке приёма.
При увеличении существенная область расширяется и пересекает поверхность Земли. В этом случае уже нельзя представлять волновое поле как результат интерференции прямой и отражённой волн. Влияние Земли на распространение радиоволн этом случае обусловлено несколькими факторами: земля обладает значительной электропроводностью, поэтому распространение радиоволн вдоль поверхности Земли приводит к тепловым потерям и ослаблению волны. Потери энергии в земле увеличиваются с уменьшением .
Рис.6. Распространение радиоволн.
Помимо ослабления, происходит также изменение структуры поля волны. Если антенна у поверхности Земли излучает поперечную линейно-поляризованную волну, у которой напряжённость электрического поля Е перпендикулярна поверхности Земли, то на больших расстояниях от излучателя волна становится эллиптически поляризованной 1 (рис. 6). Величина горизонтальной компоненты Ex значительно меньше вертикальной Ez и убывает с увеличением проводимости s земной поверхности. Возникновение горизонтальной компоненты позволяет вести приём земных волн на т. н. земные антенны (2 проводника, расположенные на поверхности Земли или на небольшой высоте). Если антенна излучает горизонтально-поляризованную волну (Е параллельно поверхности Земли), то поверхность Земли ослабляет поле тем больше, чем больше s, и создаёт вертикальную составляющую. Уже на небольших расстояниях от горизонтального излучателя вертикальная компонента поля становится больше горизонтальной. При распространении вдоль Земли фазовая скорость земных волн меняется с расстоянием, однако уже на расстоянии приблизительно нескольких от излучателя она становится равной скорости света, независимо от электрических свойств почвы.
Рис. 7. Высота шарового сегмента, характеризующая выпуклость Земли
Выпуклость Земли является своеобразным "препятствием" на пути радиоволн, которые, дифрагируя, огибают Землю и проникают в "область тени". Т. к. дифракция волн заметно проявляется тогда, когда размеры препятствия соизмеримы или меньше , а размер выпуклости Земли можно охарактеризовать высотой шарового сегмента h (рис. 7), отсекаемого плоскостью, которая проходит через хорду, соединяющую точки расположения приёмника и передатчика (см. табл. 1), то условие h выполняется для метровых и более длинных волн. Если учесть, что с уменьшением увеличиваются потери энергии в Земле, то практически только километровые и более длинные волны могут проникать глубоко в область тени (рис. 8).
Рис.8. График изменения напряжённости поля с расстоянием r (в км). По вертикальной оси отложена величина множителя ослабления, который определяется отношением напряжённости поля в реальных условиях распространения к величине напряжённости поля при распространении в свободном пространстве.
Высота шарового сегмента h для различных расстояний между передатчиком и приёмником
Таблица 1
|
Расстояние, км |
||||||||
Земная поверхность неоднородна, наиболее существенное влияние на распространение радиоволн оказывают электрические свойства участков трассы, примыкающих к передатчику и приёмнику. Если радиотрасса пересекает линию берега, т. е. проходит над сушей, а затем над морем, то при пересечении береговой линии резко изменится напряжённость поля (рис. 9), т. е. амплитуда и направление распространения волны (береговая рефракция). Однако береговая рефракция является местным возмущением поля радиоволны, уменьшающимся по мере удаления от береговой линии.
Рис. 9. Изменение напряжённости электрического поля на границе двух сред
Рельеф земной поверхности также влияет на распространение радиоволн. Это влияние зависит от соотношения между высотой неровностей поверхности h, горизонтальной протяжённостью l и углом падения q волны на поверхность (рис. 7). Если выполняются условия:
(1)
то неровности считаются малыми и пологими. В этом случае они мало влияют на радиоволн. При увеличении q условия (1) могут нарушаться. При этом энергия волны рассеивается, и напряжённость поля в направлении отражённого луча уменьшается (возникают диффузные отражения).
Высокие холмы, горы и т.п., кроме того, сильно "возмущают" поле, образуя затенённые области. Дифракция радиоволн на горных хребтах иногда приводит к усилению волны из-за интерференции прямых и отражённых от поверхности Земли волн (рис. 10).
Рис. 10. Усиление радиоволн при дифракции на непологих неровностях.
Подземная и подводная радиосвязь.
Земная кора, а также воды морей и океанов обладают проводимостью и сильно поглощают радиоволны. Для осадочных пород в поверхностном слое земной коры удельная проводимость 10-3-10-2 Ом-1м-1. Кроме того, для сред с большой удельной проводимостью коэффициент поглощения увеличивается с ростом частоты. Поэтому для подземной радиосвязи используются в основном длинные и сверхдлинные волны. В подводной связи наряду со сверхдлинными волнами используют волны оптического диапазона.
Рис. 11. Принцип подземной радиосвязи.
В системах связи между подземными или подводными пунктами может быть использовано частичное распространение вдоль поверхности Земли или моря. Вертикально поляризованная волна, возбуждаемая подземной передающей антенной, распространяется до поверхности Земли, преломляется на границе раздела между Землёй и атмосферой, распространяется вдоль земной поверхности, и затем принимается подземной приёмной антенной (рис. 11). Глубина погружения антенн достигает десятков метров. Системы этого типа обеспечивают дальность до нескольких сотен километров и применяются, например, для связи между подземными пунктами управления при запуске ракет. Системы др. типа используют подземные волноводы - слои земной коры, обладающие малой проводимостью и, следовательно, малыми потерями. К таким породам относятся каменная соль, поташ и др. Эти породы залегают на глубинах до сотен метров и обеспечивают дальность распространения радиоволн до нескольких десятков километров. Дальнейшим развитием этого направления является использование твёрдых горных пород (гранитов, гнейсов, базальтов и др.), расположенных на больших глубинах и имеющих малую проводимость (рис. 12). На глубине 3-7 км удельная проводимость может уменьшиться до 10-11 Ом-1м-1. При дальнейшем увеличении глубины благодаря возрастанию температуры создаётся ионизация (обращенная ионосфера) и проводимость увеличивается. Образуется подземный волновод толщиной в несколько км, в котором возможно распространения радиоволн на расстоянии до нескольких тыс. км. Одна из основных проблем подземной и подводной связи - расчёт излучения и передачи энергии от антенн, расположенных в проводящей среде.
Рис. 12. Изменение проводимости Земли s с глубиной.
Преимущество систем подземной связи состоит в их независимости от бурь, ураганов и искусственных разрушений на поверхности Земли. Кроме того, благодаря экранирующему действию верхних проводящих осадочных пород системы подземной связи обладают высокой помехозащищенностью от промышленных и атмосферных шумов.
Список литературы
Фейнберг Е. Л., Распространение радиоволн вдоль земной поверхности, М., 1961;
Альперт Я. Л., Распространение электромагнитных волн и ионосфера, М., 1972;
Гуревич А. В., Шварцбург А. Б., Нелинейная теория распространения радиоволн в ионосфере, М., 1973;
Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, 2 изд., М., 1973;
Татарский В. И., Распространение волн в турбулентной атмосфере, М., 1967;
Чернов Л. А., Распространение волн в среде со случайными неоднородностями, М., 1958;
Гинзбург В. Л., Распространение электромагнитных волн в плазме, М., 1967;
Долуханов М. П., Распространение радиоволн, 4 изд., М., 1972
Для подготовки данной работы были использованы материалы с сайта http://referat.ru/
1 Наклон фронта волны – при распространении радиоволны, которая обычно имеет круговую поляризацию над полупроводящей землей, вследствие неодинакового значения параметров почвы для электрической и магнитной составляющей радиоволны круговая поляризация переходит в эллиптическую. Чем выше проводимость почвы, тем больше эксцентриситет эллипса, и тем ближе поляризация к плоской.
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:
- Рассчитать мощность передающего устройства или мощность си г нала на входе приемного устройства (определить энергетические параметры линий);
- Определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
- Определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
- 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 5060 км. Стр а тосфера отличается от тропосферы существенно меньшей плотностью воздуха и законом распределения температуры по высоте: до высоты 3035 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. | |||
Радиотехника исторически развивалась с неуклонной тенденцией к освоению все более высокочастотных диапазонов. Это было связано прежде всего с необходимостью создавать высокоэффективные антенные системы, концентрирующие энергию в пределах узких телесных углов. Дело в том, что антенна с узкой ДН обязательно должна иметь поперечные размеры, существенно превышающие рабочую длину волны. Такое условие легко выполнить в метровом, а тем более, в сантиметровом диапазоне, в то время как остронаправленная антенна для длин волн порядка 10 км имела бы совершенно неприемлемые габариты.
Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена - соединяющей линии. Для радиосистем промежуточным звеном является среда - пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служат земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.
Вторым фактором, определяющим ценные свойства высокочастотных диапазонов, служит то обстоятельство, что здесь удается реализовать большое число радиоканалов с не пересекающимися полосами частот. Это дает возможность, с одной стороны, широко использовать принцип частотного разделения каналов, а с другой - применять широкополосные системы модуляции, например, частотную модуляцию. При определенных условиях такие системы модуляции способны обеспечить высокую помехоустойчивость работы радиоканала.
При распространении радиоволн в среде происходит изменение амплитуды поля волны (обычно - уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов. В связи с этим, проектируя линии радиосвязи, необходимо:
- рассчитать энергетические параметры линии радиосвязи (определить мощность передающего устройства или мощность сигнала на входе приемного устройства);
- определить оптимальные рабочие волны при заданных условиях распространения;
- определить истинную скорость и направление прихода сигналов;
- учесть возможные искажения передаваемого сигнала и определить меры по их устранению.
Для решения этих задач необходимо знать электрические свойства 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 прямолинейному распространению радиоволн.
Радиоволны, распространяющиеся в непосредственной близости от поверхности Земли (в масштабе длины волны), называют земными радиоволнами (1 на рис. 6.1). Рассматривая распространение земных волн, атмосферу считают средой без потерь, с относительной диэлектрической проницаемостью е , равной единице. Влияние атмосферы учитывают отдельно, внося необходимые поправки.
В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу. Границы между этими областями выражены не резко и зависят от времени и географического места.
Тропосферой называется приземной слой атмосферы, простирающийся до тропопаузы (переходного слоя между тропосферой и стратосферой), лежащей над экватором на высоте 16-18 км, в умеренных широтах - на 10-12 км и в полярных областях - на 7-10 км. В тропосфере происходит искривление траектории земных радиоволн, называемое рефракцией. Распространение тропосферных радиоволн (2 на рис. 6.1) возможно из-за рассеяния и отражения их от неоднородностей тропосферы. Радиоволны миллиметрового и сантиметрового диапазона в тропосфере поглощаются.
Рис. 6.1.
Стратосфера простирается от тропопаузы до высот 50-60 км. Стратосфера 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 повышается. 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 высотах 60-10 000 км над земной поверхностью. На этих высотах плотность воздуха весьма мала и воздух ионизирован, т.е. имеется большое число свободных электронов (примерно 10 3 ... 10 6 электронов в 1 см 3 воздуха). Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 на рис. 6.1). На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.
Условия распространения радиоволн (4 , 5 на рис. 6.1) при космической радиосвязи обладают некоторыми специфическими особенностями, а на радиоволны 4 основное влияние оказывает атмосфера Земли.
Знаете ли Вы, в чем ложность понятия "физический вакуум"?
Физический вакуум - понятие релятивистской квантовой физики, под ним там понимают низшее (основное) энергетическое состояние квантованного поля, обладающее нулевыми импульсом, моментом импульса и другими квантовыми числами. Физическим вакуумом релятивистские теоретики называют полностью лишённое вещества пространство, заполненное неизмеряемым, а значит, лишь воображаемым полем. Такое состояние по мнению релятивистов не является абсолютной пустотой, но пространством, заполненным некими фантомными (виртуальными) частицами. Релятивистская квантовая теория поля утверждает, что, в согласии с принципом неопределённости Гейзенберга, в физическом вакууме постоянно рождаются и исчезают виртуальные, то есть кажущиеся (кому кажущиеся?), частицы: происходят так называемые нулевые колебания полей. Виртуальные частицы физического вакуума, а следовательно, он сам, по определению не имеют системы отсчета, так как в противном случае нарушался бы принцип относительности Эйнштейна, на котором основывается теория относительности (то есть стала бы возможной абсолютная система измерения с отсчетом от частиц физического вакуума, что в свою очередь однозначно опровергло бы принцип относительности, на котором постороена СТО). Таким образом, физический вакуум и его частицы не есть элементы физического мира, но лишь элементы теории относительности, которые существуют не в реальном мире, но лишь в релятивистских формулах, нарушая при этом принцип причинности (возникают и исчезают беспричинно), принцип объективности (виртуальные частицы можно считать в зависимсоти от желания теоретика либо существующими, либо не существующими), принцип фактической измеримости (не наблюдаемы, не имеют своей ИСО).
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик , уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
