Методические указания по выбору высот подвеса антенн

2.2.1 При проектировании новых РРЛ высоты подвеса антенн определяются непосредственно из профиля интервала по известным просветам. Причем действительные высоты подвеса антенн должны быть больше расчетных на величину погрешности топографических карт, использованных при построении профиля интервала.

Как известно мощность сигнала на входе приемника РРС при его распространении в свободном пространстве определяется по формуле:

(6)

где

Р_п – мощность сигнала на выходе передатчика РРС,

G_п, G_пр – усиление передающей и приемной антенн, соответственно,

Ƞ_п, Ƞ_пр – КПД антенно-фидерного тракта передающей и принимающей РРС, соответственно,

λ – рабочая длина волны

В реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника зависит от влияния земной поверхности и тропосферы. Учитывают это влияние с помощью множителя ослабления поля свободного пространства. Множитель ослабления показывает, во сколько раз напряженность поля в точке приема в реальных условиях (Е_Р) меньше, чем напряженность поля в той же точке при распространении в свободном пространстве (Е₀). Множитель ослабления

(7)

или если перевести в дБ

, дБ

Поскольку состояние тропосферы непрерывно меняется, то и значение множителя ослабления меняется во времени. Таким образом при реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника:

(8)

Рассмотрим случай влияния земли на распространение радиосигнала.

Вначале полагаем, что поверхность Земли — плоская, гладкая, однородная. В этом случае в точку приема приходят два луча: прямой АВ(1) и отраженный от земной поверхности АСВ(2) (рис. 3).

Рисунок 3 Ход лучей на пролёте при плоской, гладкой и однородной поверхности Земли (а) и векторная диаграмма на приёме (б)

Плоская поверхность дает только один отраженный луч. Координату точки отражения С определяют из условия равенства углов падения и отражения q. Просвет H определяют для этой точки. Между волнами 2 и 1 существует разность хода ∆r=ACB-AB, аследовательно, разность фаз в точке приема

(9)

где φ — изменение фазы в точке С (фаза коэффициента отражения).

Вычислив АС, СВ и АВ из треугольников ADC, CBF и АbВ и приняв во внимание, что на реальных пролетах углы q малы, b =p и расстояния DC, CF и DF много больше, чем высоты антенн, получаем ∆ r=2h₁h₂/R₀. Разность хода можно выразить через просвет. Учитывая, что на реальных трассах наклон линии АВ незначителен, полагаем h₁»h₂» H AB=R₀. При этих допущениях получаем

∆r = H²/2R₀k(1- k) (10)

Сложив векторы сигналов 1 и 2,получаем реальную напряженность поля в точке приема (Е_Р на рис. 3,б). Выше отмечалось, что условия распространения луча АВ такие же, как в свободном пространстве. Следовательно, амплитуда сигнала 1 равна Е₀а сигнала 2 составляет Е₂=Е₀Ф,где Ф — модуль коэффициента отражения от земной поверхности.

Для гладкой земной поверхности Ф=1. Из треугольника 012 (рис. 3,б) получаем

(11)

Подставив это выражение в (7) и приняв во внимание (9),

при b =p получаем

(12)

В правой части (12) из-за изменения атмосферной рефракции ∆ r меняется во времени. Формула (12) справедлива при распространении сигналов в пределах прямой видимости, когда H>H₀. Она получила название – интерференционная формула.

Рассмотрим второй случай: земная поверхность – сферическая, гладкая, однородная. Теперь Ф<1 из-за явления расходимости радиоволн.

Модуль коэффициента отражения от сферической поверхности:

Ф_сф = ФD (13)

где

- коэффициент расходимости радиоволн.

При работе в условиях повышенной рефракции, когда p(g)>1, нужно знать характер отражения от препятствия. Для выпуклых гладких препятствий коэффициент расходимости радиоволн

(14)

и модуль коэффициента отражения Ф=D. В интерференционных минимумах для расчета D применяют более точное выражение, которое можно найти в справочниках. Модуль коэффициента отражения от плоских поверхностей оценивают в зависимости от вида отражающей поверхности. На пролетах, где D<0,8, отражение носит диффузный характер, т. е. отраженную волну в точке приема можно не учитывать. Такие пролеты называют пересеченными. Если получили D>0,8, то принимают D=1. Это имеет место на слабопересеченных пролетах. На устойчивость работы на таких пролетах оказывает сильное влияние волна, отраженная от земной поверхности.

Рисунок 4. К пояснению условия прямой видимости на холмистой местности

Рассмотрим реальный случай: земная поверхность — сферическая, неровная. Для этого случая лучевая трактовка распространения радиоволн неприменима, так как дает большую погрешность. Теперь нужно рассматривать область пространства, эффективно участвующую в распространении сигнала. Эта область представляет собой эллипсоид вращения, на большой оси которого лежит АВ (рис. 4). Сечение этого эллипсоида плоскостью профиля заштриховано, а сечение его в плоскости, перпендикулярной линии АВ представляет собой круг радиусом H₀, который называют первой полузоной Френеля. Если в самой высокой точке пролета H>H₀, то условия распространения прямой волны такие же, как и в свободном пространстве, и множитель ослабления определяют по интерференционной формуле. При H H₀препятствие экранирует прямую волну. Теперь множитель ослабления будет падать с уменьшением H, но он также будет зависеть от формы и размеров препятствия, которые принято оценивать с помощью параметра препятствия µ, характеризующего радиус кривизны препятствия. При H=0 трассу называют касательной. Поле в точке приема на ней создает дифрагирующая (огибающая препятствие) волна, для которой множитель ослабления v₀ определяют по рис. 4.

Энергия волны, дифрагирующей вокруг сферического препятствия (рис. 6,а), для которого µ → 0, почти на всем пути распространяется в непосредственной близости от Земли. Такое препятствие экранирует ее в большей степени, чем клиновидное препятствие (рис. 6,б), для которого µ → ∞ . Поэтому и значения v₀для этих двух видов препятствий будут значительно отличными друг от друга. Для реальных препятствий 0<µ < ∞.

Рисунок 5. К расчёту множителя ослабления на касательной трассе

Рисунок 6. Виды препятствий: сферические (а), клиновидное (б)

Влияние неровностей на отраженную волну состоит в том, что отражение может носить диффузный характер. В диапазоне СВЧ большинство поверхностей создает диффузное отражение (Ф<1). Зеркальное отражение имеет место только от совершенно гладких площадок: аэродромов, гладких водных поверхностей и т. п.

Влияние атмосферной рефракции. Для тропосферы можно определить относительную диэлектрическую проницаемость ε , которая зависит от температуры и давления сухого воздуха, а также давления водяных паров. В хорошо перемешанной тропосфере содержание водяных паров и температура воздуха падают с высотой, поэтому и значение ε уменьшается по высоте. Траектория электромагнитной волны в такой тропосфере будет искривлена (рис. 8, кривая 2).

Прямая 1 на этом рисунке соответствует случаю распространения в свободном пространстве. Искривление траекторий волн, обусловленное неоднородным строением тропосферы, называется атмосферной рефракцией. Ее характеризуют градиентом диэлектрической проницаемости воздуха g=dε /dh. В хорошо перемешанной тропосфере ε падает с ростом высоты h, т. е. g<0, и траектория имеет выпуклую форму. Такую рефракцию называют положительной. С учетом рефракции просвет на пролете:

H(g)=H+∆H(g), (15)

где приращение просвета

∆H(g)= - (R₀²/4)gk(1-k) (16)

Различают следующие виды рефракции (рис. 8). Рефракцию, соответствующую среднему состоянию тропосферы, называют стандартной, для нее g= - 8·10^-8 1/м. Это наиболее распространенный случай.

В вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев в тропосфере иногда наблюдают температурные инверсии (рост температуры с высотой) и резкое уменьшение влажности. В этих условиях может возникать критическая рефракция, при которой траектория радиоволны концентрична земной поверхности,

g =g_КР= - 31.4·10^-8 1/м

Рисунок 7. Траектории радиоволн в отсутствие рефракции (1), при положительной рефракции (2) и субрефракции (3)	Рисунок 8. Траектория радиоволн при различных видах атмосферной рефракции: 1 – при субрефракции; 2 – в отсутствие рефракции; 3 – стандартной; 4 – критической; 5 - сверхрефракции

При g<g_КРвозникает сверхрефракция. Радиоволны в этом случае преломляются к поверхности Земли и отражаются от нее. Если в месте отражения Ф=1, то возникает тропосферный волновод. Волна из пункта А в этом случае распространяется далеко за пределы прямой видимости и может создавать помехи другим РРС, использующим такие же частоты.

На участках РРЛ с низинами, где осенью или весной обычно имеют место приземные туманы, может возникнуть отрицательная рефракция или субрефракция, при этом g>0.Траектория радиоволны имеет вогнутый характер и просвет H(g)<H (см. рис. 8). Если на трассе имеется препятствие, то в этих условиях его экранирующее действие возрастает.

2.2 Для реальных трасс определяют относительный просвет

p(g)=H(g)/H₀ (17)

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 не учитывают. Для расчета множителя ослабления применима интерференционная формула. Однако теперь разность хода лучей ∆r должна быть определена с учетом приращения просвета при рефракции. Поэтому полагаем H = H(g).

; p(g) 1. (18)

При изменении диэлектрической проницаемости воздуха множитель ослабления может принимать максимальные значения V_max=1+Ф, когда фазы прямой и отраженной волн на входе приемника совпадают, и минимальные V_min=1- Ф, при сложении этих волн в противофазе. Когда , где n=1, 2, 3, ...; V(t) = V_minи мощность сигнала в точке приема резко падает. Возникают замирания сигнала, которые носят название рефракционных замираний интерференционного типа. Это быстрые замирания. Их средняя длительность при глубине 35 ... 25 дБ составляет секунды — десятки секунд. Под глубиной понимают величину, численно равную |V_min|. Различные стволы РРЛ используют разные частоты (волны). Разность фаз D j 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.

При возрастании g просвет Н (g) на трассе уменьшается, и она может стать полуоткрытой и даже закрытой (g<0). Множитель ослабления падает. Возникают рефракционные замирания из-за экранирующего действия препятствия. Эти замирания сравнительно медленные (их длительность десятки минут — часы при глубине 35 ... 25 дБ) и наблюдаются одновременно во всех ВЧ стволах РРЛ.

Рисунок 9. К пояснению отражения радиоволн от слоистых
неоднородностей тропосферы

Из-за случайных изменений g меняется 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.

Определив тип интервала, из профиля находят все параметры трассы и для каждого значения просвета определяют время перерывов в связи. Оптимальным будет просвет, при котором время перерывов в связи наименьшее, т.е. устойчивость связи высокая. При этом интервал (трасса) должны быть открытыми, т.е. просвет при нормальной рефракции Н(0), должен быть больше просвета в свободном пространстве Н₀.