Особенности распространения сигналов в спутниковых линиях связи.

Потери сигнала в свободном пространстве. Потери при прохождении сигнала в свободном пространстве L_o или потери на трассе распространения, выражают ослабление сигналов по мере их продвижения к Земле и происходят из-за расходимости луча. Потери на трассе распространения возрастают с увеличением частоты и становятся тем больше, чем ниже угол места. Потери в свободном пространстве выражаются соотношением:

(5.4)

где - длина волны, м; d - наклонная дальность (5.3).

Кроме этих основных потерь, на трассе присутствуют и дополнительные потери , зависящие от многих факторов, проявляющихся независимо друг от друга. Полное значение потерьна трассе .

Поскольку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер,их суммар­ная мощность выражается формулой

. (5.5)

Потери из-за рефракции и неточности наведения антенны на ИСЗ. На трассе распространения происходят потери энергии сигнала из-за рефракции, т. е. искривле­ния траектории сигнала при прохождении через атмосферу (ионосферу и тропо­сферу). Ионосферную рефракцию (в градусах) можно определить по форму­ле (5.6), из которой следует, что она обратно пропорциональна квадрату частоты и ста­новится пренебрежимо малой при f>5 ГГц.

. (5.6)

Тропосферная рефракция не зави­сит от частоты. Для стандартной модели атмосферы при малых углах места постоянная (регулярная) составляющая тропосферной рефракции, в градусах . Следствия рефракции могут быть устранены или сведены к минимуму в результате априорного учёта регулярной составляющей рефракции на основа­нии данных [1], поскольку нерегулярные флуктуации рефракции обычно малы и не превышают 40" при углах места β ³ 5°. При автоматическом наведении антенн по максимуму приходящего сигнала влияние рефракции прак­тически исключается. Однако при этом появляется новая составляющая потерь - потери из-за неточности наведения антенн земных станций на ИСЗ; она опреде­ляется угловым отклонением оси главного лепестка ДН от истинного направле­ния на ИСЗ, а также шириной и формой лепестка.

Потери из-за неточного наведения антенны могут быть вычислены следующим образом:

, (5.7)

где q₁ – начальная погрешность наведения антенны с фиксированной подвеской на спутник в градусах. Номинальная величина погрешности составляет около 10-20% ширины диаграммы направленности антенны по уровню половинной мощности;

q₂ – устойчивость наведения установки под воздействием факторов окружающей среды, таких, как ветер и старение,

q₃ – точность удержания спутника на орбите, (номинально около 0.2 градусов);

q₀ – ширина диаграммы направленности приемной антенны по уровню половинной мощности.

Фазовые эффекты в атмосфере. С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие — фазовая дисперсия сигналов. Как известно, эффект Фарадея обус­ловлен тем, что при распространении линейно-поляризованной волны через ионосферу под действием магнитного поля Земли происходит расщепление этой волны на две составляющие, которые распространяются с различными скоро­стями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приво­дит к повороту плоскости поляризации суммарной волны.

При некоторых упрощающих предположениях угол поворота плоско­сти поляризации может быть рассчитан по формуле:

Результаты расчетов по этой формуле для нескольких значений частоты и углов места антенны показывают, что эффект Фарадея приводит к заметному изменению направления вектора поляризации на частотах ниже 5 ГГц, на частотах же выше 10 ГГц с этим явлением можнонесчитаться. Влияние этого эффекта сказывается в том, что при использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут возникать потери сигнала между коллинеарными антеннами (передающей и приемной)

. (5.8)

Фазо­вые эффекты в атмосфере, точнее их частотно-зависимый характер, приводят к появлению фазовой дисперсии компонент передаваемых сигналов и, следова­тельно, к их искажению при приеме.

Расчеты показывают, что наибольшая полоса сигнала, который может быть передан без фазовых искажений через атмосферу, составляет примерно 25МГц в диапазоне 1ГГц и возрастает до 750МГц в диапазоне 10ГГц.

Указанные ограничения следует иметь в виду при проектировании широко­полосных линий связи.

Деполяризация сигналов в атмосфере. В связи с освоением диапазонов частот выше 10 ГГц и применением в спутниковых системах поляризационного разделения представляет практический интерес описание еще одного эффекта, связанного с прохождением радиоволн через атмосферу, — эффекта деполяризации в гидрометеорах.

Ранее при рассмотрении явления поглощения сигнала в гидро­метеорах не делалось никаких оговорок относительно формы частиц гидрометео­ров, точнее, подразумевалось, что они сферичны. Такая модель гидрометеоров не порождает явления деполяризации. В действительности форма естественных гидрометеоров и в первую очередь капель дождя (основной фактор поглощения) не только несферична, но при наклонном падении даже несимметрична относи­тельно вертикальной оси. Это приводит к появлению различного затухания и различного фазового сдвига для вертикальной и горизонтальной составляющих, а, следовательно, является причиной деполяризации радиоволны и появления кросс-поляризационной компоненты в точке приема. Так, при общем затухании 30… 40 дБ различие затухания волн с горизонтальной и вертикальной поля­ризацией (так называемое дифференциальное затухание) достигает 6.. 8 дБ на частотах 20.. 30 ГГц.

Все сказанное относится к радиоволнам с круговой поляризацией. Волны c линейной поляризацией, строго говоря, не должны порождать кросс-поляриза­ционные составляющие. Однако это справедливо для дождей с вертикальным падением и симметричной формой частиц. В действительности всегда имеет ме­сто наклонное падение, причем фактический наклон капель дождя не всегда соответствует наклону ливня, так как в ливне существуют капли с по­ложительным и отрицательным наклонами. Из-за этих факторов линейно-поляризованные радиоволны также будут испытывать деполяризацию, в особенности, когда наклон вектора поляризации отличен от угла наклона ливня. Максимальная деполяризация будет при относительном наклоне вектора поляризации на 45° и уровень кросс-поляризации будет при этом таким же, как и для круговой поляризации.