Дальнее тропосферное распространение (ДТР)

ЛЕКЦИЯ 10. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ УЛЬТРАКОРОТКИХ РАДИОВОЛН

Распространение земной волны в диапазоне УКВ

Радиоволны метрового, дециметрового и сантиметрового диапазо­нов (диапазонов частот ОВЧ, УВЧ и СВЧ) широко применяются в назем­ных системах связи и вещания. Большинство таких систем работает на земной волне. Исключения составляют лишь линии связи, работающие на волнах, рассеянных в тропосфере и ионосфере. В рассматриваемых час­тотных диапазонах устойчивая работа на земной волне ограничена рас­стоянием прямой видимости. В то же время широко распространены маги­стральные линии протяженностью до нескольких тысяч километров, ис­пользующие дециметровые и сантиметровые волны. Эти линии представ­ляют цепочку приемопередающих радиорелейных станций (РРС). Со­седние РРС располагаются друг от друга на расстоянии, не превышающем расстояния прямой видимости между передающей и приемной антеннами в условиях средней рефракции. На каждой промежуточной РРС прини­маемый сигнал усиливается и передается на следующую станцию. Участок линии между соседними станциями называется ретрансляционным интер­валом. Линии, построенные по такому принципу, называются радиорелей­ными линиями (РРЛ) с интервалами в пределах прямой видимости. Циф­ровые РРЛ (ЦРРЛ) должны иметь настолько широкие полосы пропускания (до 100 МГц и более), что они могут работать, в основном, на частотах выше 10 ГГц (длина волны короче 3 см). Системы телевизионного и зву­кового вещания работают на волнах метрового диапазона. Для телевизи­онного вещания выделены также полосы в дециметровом диапазоне. Ус­тойчивый радиус действия вещательных передатчиков в этих диапазонах ограничивается также расстоянием порядка прямой видимости. Для уве­личения радиуса действия станций стараются поднимать антенну на пере­даче по возможности выше, как за счет естественного рельефа, так и за счет высоты башни, на которой устанавливается антенна. Примером может слу­жить антенный комплекс Ташкентского радиотелевизионного передающе­го центра, высота которого достигает 375 метров.

Шероховатая поверхность. Критерий Рэлея. Земная поверхность никогда не бывает идеально гладкой. Даже равнинная местность покрыта большим числом хаотически расположенных неровностей. При интерфе­ренционной структуре поля земной волны на условия распространения оказывают влияние неровности местности, распределенные в пределах существенной зоны для отражения. При скользящем распространении не­обходимо учитывать неровности местности почти вдоль всей трассы. Если небольшие неровности земной поверхности в среднем распределены рав­номерно, то такую поверхность называют шероховатой. В зависимости от

длины рабочей волны шероховатой поверхностью могут быть взволнован­ная поверхность моря, равнина, покрытая травой, кустарником и др. При распространении над шероховатой поверхностью происходит рассеяние поля земной волны, что является причиной ослабления плотно­сти потока энергии в заданном направлении. Существуют два метода учета этого ослабления.

В условиях открытых трасс при работе в диапазонах метровых, деци- метровых и сантиметровых волн наличие земли проявляется в виде отра­женной волны. В этом случае ослабление поля в результате рассеяния ше­роховатой отражающей поверхностью учитывают с помощью эффектив­ного коэффициента отражения R_эфф. Величина R_эфф всегда меньше зер­кального коэффициента отражения R, который справедлив для гладкой отражающей поверхности. Степень неровности шероховатой поверхности оценивают с помощью критерия Рэлея. Пусть плоская волна падает под углом скольжения ∆ на плоскую поверхность с горизонтальной впадиной

 

 

глубиной ∆h (рис.10.1). Луч А'С'В',
попавший во впадину и отразив-­
шийся под углом скольжения ∆, на
плоскости S отличается по фазе от
луча АСВ, отразившегося от пло-­
ской поверхности на величину
∆φ = (2π / λ)2∆hsin∆. Обычно счита­ют, что возмущающим действием неровности

Рис.10.1. К определению критерия Рэлея можно пренебречь, если

∆φ < (π/4…π/2). Обозначая через ∆h_mах так называемую критическую высоту, которая соответствует критическим значениям ∆φ_mах, получим ∆h_max = λ / [(16…8)sin∆]. Для пологих траекторий, когда sin∆ ≈∆, и для обычно принимаемого критического значения ∆φ_mах = π/2 выражение упрощается ∆h_mах∆ ≈λ / (8∆). Если высота неровности ∆h ≤∆ h_mах ≈λ /(8∆), то отражение можно считать зеркальным. Это условие называется критерием Рэлея, ко­торый показывает, что чем более полога траектория падающей волны, тем слабее возмущающее действие неровности. Так, на волне 10 см при ∆ = 5° критическая высота равна всего лишь 14 см, а при снижении угла до 0,5° допустимый размер неровности возрастает до 1,4 м. Критерий Рэлея носит приближенный характер, поскольку не учитывает формы неровности, по­ляризации поля и др. Однако измерения показывают, что качественно этот критерий правильно оценивает влияние шероховатости поверхности. Если на открытых трассах в пределах минимальной зоны для отражения высота неровностей ∆h > ∆h_mах то в интерференционных формулах используют эффективный коэффициент отражения R_эфф. Величины R_эфф для разных видов шероховатых поверхностей определяют по результатам статистиче­ской обработки экспериментальных данных.

Расчет поля на открытых и закрытых трассах при клиновидном препятствии

Аппроксимацию клином применяют для препятствий типа горных вершин, крутых холмов, одиночных препятствий в виде зданий и др. Кли­новидная аппроксимация справедлива в тех случаях, когда размеры пре­пятствия вдоль трассы значительно меньше размера существенного эллип­соида для распространения в этом направлении, а поперек - значительно больше его поперечного размера. При выполнении этих условий расчет поля ведут в предположении, что поперек трассы расположен бесконеч­ный непрозрачный экран и условия дифракции соответствуют оптической дифракции Френеля.

 

 

Нормированный просвет u₀ от которого зависит множитель ослабления, удобно выра­зить через просвет Н(g_т) и относительную коор­динату экрана k = r₁ / r

Нормированный просвет можно также связать с относительным просветом р(g_T)

-3 -2 -1 0 1 2 3

Рис. 10.2. Зависимость V(u ₀)

Зная величину u ₀, по кривой рис.10.2 определяют множитель ослабления. При наличии клино­видного препятствия на трассах, где отсутствует оптическая видимость, но передатчик и прием­ник можно видеть с вершины препятствия, при некоторых условиях наблюдается явление, ко­торое называется эффектом «усиления клиновидным препятствием».

 

 

Рис.10.3. К определению эффекта усиления клино­видным препятствием

Наиболее просто этот эффект можно представить, если считать поле в точке приема как результат интерференции четы­рех волн. Пусть между пунктами А и В расположено клиновидное препятствие (рис.10.3). При этом участки трассы между передаю­щим пунктом и препятствием, а также между препятствием и приемным пунктом достаточно ровные и от них интенсивно от­ражаются волны. Тогда согласно отражательной трактовке поле в точке В можно представить как сумму полей возбужденных прямой 1 и отражен­ной 2 волнами. Волна 1 возбуждает за препятствием волны 3 и 4. Волна 2 возбуждает волны 3' и 4'. На пути распространения все волны дифрагируют на крае препятствия.

Эффект усиления препятствием возможен, если потери при огибании препятствия не очень велики, что возможно при ма­лых просветах, т.е. при малых углах возвышения ∆ и ∆'. В случае пологих траекторий отраженных волн 2, 4 и 4' приближенно можно считать, что коэффициенты отражения от земли до препятствия и после препятствия одинаковы и равны -1. Для всех волн равны также дифракционные потери и приблизительно длины путей, проходимые волнами. Из последнего сле­дует, что в свободном пространстве поле каждой волны равно Е₀. Резуль­тирующее поле, как сумма четырех волн с учетом их фаз, равно

Е = Е₀V(u₀){ехр[ - j(2 π / λ) (ρ₁ + ρ₃)] – ехр[ - j(2 π / λ) (ρ₁ + ρ₄)] –

- ехр[ - j (2 π / λ) (ρ₂ + ρ₃)] + ехр [ - j(2 π / λ) (ρ ₂ + ρ ₄)]}

Проведя вычисления с учетом обозначений на рис. 10.3 получим величи­ну результирующего поля

Е_mах = 4Е_оmахV(u₀)sin[2 πh ₁h_np / (λr₁)]sin[2 π h₂h_np / (λr₂)].

Из формулы видно, что при наличии клиновидного препятствия, когда V(u₀)→-1, поле в точке приема может превосходить поле в свободном пространстве почти в 4 раза при определенных соотношениях h₁, h₂, h_пр, λ, r₁,r₂. Если длина радиолинии такова, что в отсутствие препятствия точка приема находится в области глубокой тени и дифракционное ослабление поля велико, то по сравнению с этим полем эффект «усиления препятстви­ем» может быть весьма большим. За счет дифракции на горных хребтах клиновидной формы возможно создание линий связи большой протяжен­ности. На таких линиях оптимальное положение корреспондирующих пунктов обычно проверяется экспериментально, поскольку расчеты не мо­гут учесть всей сложности конкретного рельефа.

В процессе изменения метеорологических условий и изменения реф­ракции фазовые соотношения между интерферирующими волнами изме­няются. Обычно прием в горной местности сопровождается сильными флуктуациями уровня сигнала.

Флуктуации напряженности поля земной волны на открытых и полуоткрытых трассах. На открытых и полуоткрытых трассах напря­женность поля земной волны не остается постоянной во времени. В зави­симости от причин, вызывающих флуктуации поля, эти флуктуации имеют разную продолжительность и в одних случаях могут быть отнесены к классу замираний, в других - к классу длительных отклонений величины поля от его средних значений. Во всех случаях флуктуации имеют случай­ный характер. Различают следующие основные виды замираний в зависи­мости от причин их возникновения.

Субрефракционные (при отрицательной рефракции) замирания ха­рактерны для сухопутных равнинных трасс, особенно в летнее время и весной, когда часто метеоусловия таковы, что имеет место субрефракция, которая приводит к уменьшению просвета на линии. Если в условиях

средней рефракции просвет относительно невелик, то при субрефракции может произойти значительное затенение трассы и ослабление поля за счет дифракционных потерь. Такого вида ослабления имеют обычно большую продолжительность от нескольких десятков минут до несколь­ких часов, так как обусловлены инерционными метеорологическими про­цессами, например приземными туманами. Глубина субрефракционных замираний может достигать 20...30 дБ и более в широком диапазоне час­тот.

Второй вид флуктуации, наблюдаемый на открытых трассах, имеет интерференционное происхождение. При ряде значений градиента g_т про­исходит противофазное сложение полей прямой и отраженной от земли волн и результирующее поле оказывается значительно ослабленным. Глу­бина таких замираний зависит от соизмеримости амплитуд отраженной и прямой волн. Отраженная волна наиболее интенсивна на сухопутных пло­ских трассах, проходящих в слабопересеченной, лишенной лесного покро­ва местности, а также на трассах, проходящих над большими водными по­верхностями. Продолжительность замираний такого типа составляет се­кунды - десятки секунд при глубине 25...30 дБ. Эти замирания обладают пространственной и частотной избирательностью, поскольку небольшие изменения в частоте и длине пути приводят к заметному изменению сдви­га фаз между интерферирующими волнами (в сантиметровом и децимет­ровом диапазонах волн).

Третий вид флуктуации, также интерференционного происхожде­ния, связан с появлением в точке приема волн, отраженных от слоистых неоднородностей типа облаков, метеорологических фронтов, инверсион­ных слоев и др. Волны, отраженные от таких неоднородностей, интерфе­рируют с прямой волной и друг с другом. Малейшие изменения высоты неоднородности приводит к резким изменениям фазовых соотношений между интерферирующими волнами. В результате эти флуктуации отно­сятся к классу быстрых замираний с частотной и пространственной изби­рательностью. При глубине замираний 25...30 дБ их средняя продолжи­тельность составляет доли секунды. Чем короче волна и длиннее трасса, тем более вероятны эти замирания. Они чаще наблюдаются на волнах ко­роче 10...15 см и в соответствии с метеоусловиями в приморских районах, а также в горной местности. На таких трассах эти замирания могут быть определяющими для устойчивости работы.

Четвертый вид нерегулярного ослабления поля связан с появлением осадков на линии. Этот вид ослабления существенен для частот выше 10ГГц. При расчете устойчивости работы линии обычно оценивают ослаб­ление в дожде как наибольшее по сравнению с ослаблением в других ви­дах осадков. При выпадении ливневых дождей этот вид замираний может привести к срыву связи в течение всего времени существования ливня.

Распространение земной волны и условия работы радиовеща­тельных систем. Статистический метод расчета поля.

Спецификой условий работы вещательной сети является прием из­лучения одного передатчика одновременно множеством приемных пунк­тов, случайно распределенных на некоторой территории. В зависимости от характера рельефа условия приема в пределах этой территории могут быть различными. Кроме того, принимаемое поле подвержено быстрым и мед­ленным флуктуациям, и его среднее значение изменяется в зависимости от климатических условий. В результате в сети вещания принято оценивать напряженность поля вероятностными характеристиками, основанными на измерениях. Необходимо отметить, что при оценке условий приема веща­ния учитывают только медленные флуктуации, принимая, что мгновенные значения поля подчиняются логаримически-нормальному распределению с дисперсией, зависящей от климатических условий. Быстрые замирания порядка долей секунд и секунд не оказывают влияния на качество приема телевизионного и звукового вещания из-за инерции слухового и зритель­ного аппаратов человека. Параметрами для статистических характеристик поля служат: диапазон частот, климатический район, средние условия рельефа, процент времени наблюдений, процент приемных пунктов, в ко­торых может наблюдаться данная напряженность поля. Напряженность

 

 

поля определяют с помощью кривых, рекомендуемых МККР (графиков МККР). В качестве примера на рис.10.4 приведены три кривые, спра­ведливые для ОВЧ (40...250 МГц) в условиях среднепересеченной местно­сти и умеренного климата. Величина напряженности поля, определяемая из этих кривых, превышается в 50% при­емных пунктов в течение 50%, 10 % и 1% времени. Кривые построены для эквивалентной излучаемой мощности 1 кВт, когда высота подвеса передаю­щей антенны h₁ = 300м, высота под­веса приемной антенны h₂ = 10м. На­пряженность поля выражена в децибе­ллах относительно 1 мкВ/м. Кривые справедливы для вертикально- и гори­зонтально поляризованных волн. В указанной рекомендации имеются се­рии аналогичных кривых для диапазона УВЧ (450...1000 МГц). Для каж­дого диапазона даются поправочные коэффициенты, учитывающие сте­пень неровности рельефа и высот подвеса передающей и приемной антенн.

Зона обслуживания вещательного передатчика. Полезной зоной вещательного передатчика или зоной обслуживания называется террито­рия, в пределах которой прием вещания на массовую приемную аппарату­ру на границе зоны осуществляется с заданным качеством в течение 90% времени в 50% приемных пунктов. По международным нормам в течение 10% времени допускается наличие заметных помех. Качество приема оце­нивается разными параметрами в зависимости от вида помех. Помехи раз­деляют на две группы: к первой группе относят природные и промышлен­ные помехи; ко второй - помехи станций. Для качественного приема ве­щания с учетом только природных и промышленных помех в пределах зо­ны обслуживания должно выполняться условие Е_пол >> Е_полmin, где Е_пол -напряженность поля полезного сигнала; Е_полmin - минимально допустимая напряженность поля полезного сигнала при наличии только природных и промышленных помех (шума) и при заданном значении необходимого превышения U_пол / U_ш в полосе ∆f, кГц. При расчете вещательных сетей нормируют не отношение U_пол / U_ш,а значение Е_полmin для наиболее небла­гоприятных условий - на границе зоны обслуживания, где поле полезного сигнала минимально.

Различают два случая. Если граница зоны проходит в сельской мест­ности, то в диапазонах метровых и дециметровых волн значение Е_полmin определяется внутренними шумами приемника и космическими шумами. В этих условиях принято для телевидения Е_полmin = 300...700 мкВ/м в диа­пазоне метровых волн. Норма увеличивается с повышением частоты кана­ла. Для звукового вещания принято Е_полmin = 200 мкВ/м. Второй случай от­носится к приему в городах, где из-за большого уровня промышленных помех аналогичные значения оцениваются 5000 мкВ/м для телевидения и 1000...3000 мкВ/м для звукового вещания. Для качественного приема ве­щания при наличии помех станций должно выполняться условие Е_пол ≥ АЕ_пом, где А - коэффициент необходимого защитного отношения на выходе приемника; Е_пом - суммарная напряженность поля мешающих станций. Обычно на границе полезной зоны произведение АЕ_пом больше значения Е_полmin и основной задачей проектирования вещательной сети яв­ляется такое распределение вещательных передатчиков по обслуживаемой территории, при котором на границах полезных зон отдельных передатчи­ков величина АЕ_пом была бы равна Е_полmin.

Влияние местных предметов на распределение поля вблизи пе­редающей антенны. Условие приема на метровых и более коротких вол­нах зависит от расположения приемной антенны относительно окружаю­щих ее предметов и местных неровностей рельефа. Близко расположенные здания, мачты, растительность, склоны оврагов, небольшие возвышенно­сти могут в зависимости от их расположения оказаться затеняющими пре­пятствиями или источниками местных отраженных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому, что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: дифракции и проникновения сквозь препятствие. Дифракция в рассматриваемых диапазонах волн про­текает с

большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий, группы деревьев и других сопровождается также большими потерями за счет поглощения. «Непрозрачными» препятствиями считают возвышенности земной поверхности и железобетонные строения. За таки­ми препятствиями поле появляется только в результате дифракции. Внутрь квартир в железобетонных зданиях электромагнитные волны проникают через окна. К «полупрозрачным» препятствиям относят кирпичные и де­ревянные строения, растительность. При распространении в лесу с под­леском погонное ослабление оценивается единицами и десятками дБ/км, увеличиваясь с частотой и изменяясь в зависимости от густоты лиственно­го покрова и влажности. Действие окружающих предметов, как источни­ков отраженных волн, может проявляться в виде двух явлений: неравно­мерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерферен­ции отраженных волн или запаздывающих сигналов, если предмет доста­точно удален от приемной антенны.

Распространение радиоволн в городе. Условия приема сигналов в диапазоне УКВ существенно зависят от расположения приемной антенны относительно окружающих ее предметов. В городских условиях такими предметами являются здания, деревья, заводские трубы, мачты и т.д. Близ­ко расположенные здания могут, в зависимости от их расположения, ока­заться затеняющими препятствиями или источниками местных отражен­ных волн. Затеняющее действие отдельного препятствия приводит к тому что поле за препятствием появляется в результате двух процессов: ди­фракции и проникновения через препятствие. Дифракция в рассматривае­мом диапазоне волн протекает с большими потерями. Проникновение сквозь препятствия типа стен зданий также сопровождается большими по­терями за счет поглощения. Измерения показывают, что напряженность поля за отдельно стоящим кирпичным зданием на 20...30дБ ниже, чем пе­ред ним, а за железобетонным строением уровень сигнала падает на 30...40 дБ. В целом внутри городской застройки имеются многочисленные тене­вые зоны, где сигнал значительно ослаблен. Действие окружающих зда­ний, как источников отраженных волн, проявляется, как в виде неравно­мерного распределения амплитуды поля в пространстве из-за интерферен­ции многочисленных отраженных волн, так и в своеобразном подсвечивании теневых зон. В случае вертикальной поляризации первичного поля от­ражения наиболее интенсивны от предметов, протяженных по вертикали (стены зданий, деревья). Большое влияние местных предметов на условия приема вертикально-поляризованного поля является одной из причин преимущественного применения горизонтальной поляризации в системах те­левизионного вещания.

Сложность условий распространения УКВ в городе определяет ста­тистический характер, как теоретических, так и экспериментальных ис­следований. По условиям приема сигнала можно выделить три наиболее

типичных ситуации: передающая и приемная антенны находятся над уровнем городской застройки и между ними имеется прямая видимость; связь между подвижным объектом и базовой станцией; связь между двумя подвижными объектами. В первом случае, характерном для приема сигна­лов телевизионного вещания, расчет напряженности поля можно вести по формуле Введенского, умножая результат расчета на поправочный коэф­фициент (обычно 0,4...0,6). Во втором и третьем случаях между пунктами передачи и приема, как правило, нет прямой видимости и основной вклад в формирование многолучевого поля вносят отражения от зданий в окре­стности подвижного пункта.

Р ассмотрим закономер­ности изменения напряженно­сти поля в точке приема в го­родских условиях в зависимо­сти от расстояния, частоты вол­ны и высот установки антенн. На рис.10.5 приведены зависи­мости среднего (медианного) значения мощности сигнала Р_с от расстояния r при различных высотах подвеса антенны базо­вой станции h₁, измеренные на частоте 922 МГц. Высота под­веса антенны на подвижном объекте h₂ = 3 м. Штриховой линией показана зависимость Р_с от расстояния для условий свободного пространства. Уровень 0 дБ соот­ветствует полю в свободном пространстве на расстоянии 1 км от базовой станции. Анализ приведенных зависимостей показывает, что при увеличе­нии расстояния до 15 км мощность сигнала убывает как r^-3. Последующее увеличение г приводит к еще более быстрому уменьшению уровня сигна­ла. Ослабление сигнала в городе возрастает с увеличением его частоты. Эту зависимость можно представить в виде P_c = Af^-n, где А - коэффициент пропорциональности. С увеличением частоты от 100 до 2000 МГц значе­ние коэффициента п изменяется от 0,2 до 1. При r = 1...10 км зависимость уровня поля от частоты слабая, но при дальнейшем увеличении расстояния значение коэффициента п начинает зависеть от него и растет значительно быстрее. Изменение медианного значения множителя ослабления от частоты при h₁=200 м и h₂=3 м для рас­стояний 1, 5, 20 и 40 км, показано на рис. 10.6.

Частота f, МГц

Рис.10.6. Зависимость медианного значе­ния затухания в городе от частоты и рас­стояния
Зависи­мость среднего уровня поля от высоты расположения антенны базовой стан­ции можно проследить по рис.10.5. Высота подвеса антенны сильно не влияет на скорость уменьшения уровня сигнала с расстоянием. Однако подъем антенны базовой станции приводит к увеличению абсолютного значения по­ля примерно пропорционально квадра­ту высоты (6дБ/октаву). На поле в точ­ке приема влияют не только рассмот­ренные факторы, но и многие другие. В частности, установлено, что уровень сигнала существенно зависит от распо­ложения улиц в городе, которые оказывают канализирующее действие на распространяющиеся волны. Вдоль радиально расположенных улиц уро­вень сигнала на 10...20 дБ выше, чем в перпендикулярных направлениях.

За счет переотражения волн от стен зданий и подстилающей по­верхности в городе наблюдается явление деполяризации - появление ор­тогональной (перпендикулярной) составляющей напряженности поля в которую переходит часть энергии волны. Коэффициент деполяризации представляет собой разницу в дБ между составляющей напряженности поля основной поляризации и ортогональной составляющей.

Установлено, что в г. Ташкенте значение коэффициентов деполяри­зации на радиальных (по отношению к передающей антенне) улицах в среднем на 2...4 дБ больше, чем на поперечных. Значения коэффициентов деполяризации в районах с большой плотностью застройки ниже, чем в районах с малой плотностью застройки. Наблюдается увеличение значе­ний коэффициентов деполяризации при увеличении высоты подвеса при­емной антенны. Значения горизонтальной и вертикальной составляющих напряженности поля в городе практически не коррелированны, что по­зволяет рекомендовать для приема и передачи кроссполяризованные ан­тенны (антенны с ортогональными поляризациями). Структура поля но­сит интерференционный характер. Архитектура города сильно влияет на величину квазипериода (усредненного расстояния между ближайшими минимумами) интерференционной картины напряженности поля. Так, в г. Ташкенте в районах с малой плотностью застройки величина квазипе-риода в среднем составляет 0,62λ, а для районов с большой плотностью застройки - 0,76λ. На поперечных улицах величина квазипериода в сред­нем составляет 0,81λ, а на радиальных улицах - 0,5λ.

 

 

Дальнее тропосферное распространение (ДТР)

Механизм ДТР есть результат рассеяния радиоволн на слабых неод-нородностях диэлектрической проницаемости тропосферы. Свойства ме­ханизма таковы, что ДТР используют только для систем радиосвязи. Тро­посферные линии строятся по релейному принципу, но, в отличие от РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости, приемные пункты на тропо­сферных радиорелейных линиях (ТРРЛ) всегда располагаются в зоне глу­бокой тени. Протяженность интервалов между соседними РРС составляют в разных случаях 150...1000 км. К настоящему времени сеть ТРРЛ во всем мире имеет протяженность около 100000 км. Основное применение ТРРЛ находят в труднодоступных пустынных, северных и горных районах, где их строительство и эксплуатация значительно выгоднее, чем обычных РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости.

На тропосферных линиях прием сопровождается глубокими общи­ми и селективными замираниями. Последние являются причиной искаже­ния сигналов и ограничения неискаженной полосы передачи информации. Линии ТРРЛ используются, в основном, для передачи телефонии и теле­графии. В результате значительного ослабления сигнала в процессе рас­сеяния «вперед» и наличия глубоких замираний работа ТРРЛ возможна только при высоких энергетических показателях оборудования на переда­че и приеме. На этих линиях применяют передатчики мощностью от не­скольких сотен Ватт до 50 кВт, приемники с малошумящими параметри­ческими усилителями, антенны с размерами до 40 х 40м, имеющими коэф­фициент усиления 50...55 дБ, системы сдвоенного и счетверенного разне­сенного приема по пространству и частоте и др.

 

Особенностью линий ДТР
является быстрое убывание уровня
сигнала с увеличением длины ра-
диолинии, что объясняется двумя
причинами. Наибольшая интенсив­-
ность рассеивающих неоднородно-
стей наблюдается в нижних толщах
тропосферы, поэтому на линиях
ДТР независимо от длины интерва­-
ла излучение и прием ведут при-­
мерно под нулевым углом к гори­-
зонту. Рассмотрим две радиолинии

разной протяженности:АВ₁ и АВ₂

_{Рис. 10.7. Угол и объем рассеяния при} (рис.10.7) на которых ДН антенн ДТР на трассах разной протяженности прижаты к поверхности Земли.

Из рисун­ка видно, что увеличение длины радиолинии сопровождается увеличением угла рассеяния θ_рас и смещением эффективного объема рассеяния V_pac вверх, где интенсивность неоднородностей ослаблена. Обе причины спо­собствуют быстрому убыванию поля с расстоянием.

Чтобы не усложнять требований к энергетике, рекомендуют выбирать (если это возможно) про­тяженность интервалов не более 300...400 км. В результате значительного ослабления сигнала в процессе рассеяния и наличия глубоких замираний работа ТРРЛ возможна только при высоких энергетических показателях оборудования на передаче и приеме.

 

 

Энергетический расчет линии ДТР. Количественная оценка свойств по­ля при ДТР базируется на результатах об­работки экспериментальных данных.

Основываясь на уравнении радио­связи в свободном пространстве и учиты­вая особенности линий ДТР, статистиче­ское распределение мощности сигнала на входе приемника можно записать в виде

 

 

P₂(T) = P₁ + 20 lg (λ / 4πr) + G₁ + G₂ + η₁ + η₂ + ∆G + +V_MM + ∆V(T)

множителя ослабления, дБ; ∆V(T) -отклонение мгновенно­го значения множителя ослабления от V_MM, дБ. Первые шесть слагае­мых в формуле полно­стью соответствуют уравнению радиосвязи, остальные три слагае­мых учитывают осо­бенности линий ДТР.
где Р₁ - мощность передатчика, дБВт; r -протяженность интервала ТРРЛ; λ - длина волны; G₁ и G₂ - значения коэффициентов усиления передающей и приемной антенн, дБ; η₁ и η₂ - коэффициенты полезного действия передающего и приемного фиде­ров, дБ; ∆G - величина «потери усиления» передающей и приемной ан­тенн, дБ; V_MM - долго­срочное медианное значение

Потери усиления антенн ∆G проявляются в том, что на линиях ДТР ис­пользование антенн с большими коэффициентами усиления (КУ) G не дает того выигрыша в принимаемой мощности Р₂ который следует из уравне­ния радиосвязи. Чем выше значения коэффициентов усиления, тем больше

отстает прирост мощности. Объясняется это явление двояко. Повышение КУ антенны осуществляют увеличением ее размеров, в результате чего в пределах раскрыва антенны все больше проявляется некогерентностъ структуры принимаемого поля, т.е. нарушается синфазность возбуждения раскрыва приемной антенны волнами, приходящими с направления мак­симума ее ДН, что в свою очередь, приводит к уменьшению ее КУ. Второе объяснение сводится к тому, что сужение ДН антенн приводит к сокраще­нию объема рассеяния, т.е. к уменьшению уровня принимаемого поля. Потери усиления ∆G определяются при измерениях как суммарная величина для передающей и приемной антенн. На рис.10.8 приведена зависимость ∆G от суммарного коэффициента усиления G₁ + G₂.

М
есячное медианное значение множителя ослабления (V_MM) учиты­вает среднее (медианное) ослабление поля при рассеянии радиоволн на неоднородностях тропосферы дополнительно к обычному ослаблению за счет сферичности волны. Измерения показывают, что V_MM зависит от про­тяженности интервала ТРРЛ, частоты, сезона, климатических условий. На рис.10.9 приведены кривые зависимости V_MM от расстояния для диапазона частот 0,1...4 ГГц, справедливые для зимних месяцев в умеренном клима­те. Из рисунка видно, что дополнительное к свободному пространству oc-

лабление сигнала на линиях ДТР составляет 70...100 дБ, что подтверждает сделанное ранее предположение о резком убывании поля с увеличением расстояния. Зависимость среднего уровня поля от частоты волны выраже­на сравнительно слабо.

Статистическое распределение мгновенных значений множителя ослабления ∆V(Т), вычисленных относительно среднего уровня V_мм учи­тывает быстрые и медленные замирания, возникающие на линиях ДТР вследствие флуктуирующей многолучевости. На рис.10.10 приведено ин­тегральное распределение ∆V(Т) для сдвоенного (n = 2) и счетверенного (n = 4) приемов. Кривые справедливы для системы автовыбора большего из сигналов. Параметром для каждой кривой является значение стандартного отклонения σ_м, характеризующего распределение медленных замираний. Значение Т(∆V) определяет процент времени, в течение которого глубина замираний равна или меньше величины ∆V, указанной на оси ординат. Из рис.10.10 видно, что чем меньший процент времени срыва связи стремятся получить, тем больший энергетический запас мы должны обеспечить. Сравнение кривых для сдвоенного и счетверенного приемов показывает, что при использовании счетверенного приема необходим меньший энерге­тический запас. Это говорит об эффективности данного способа увеличе­ния устойчивости связи.

Принимают, что для удовлетворительной развязки флуктуации сиг­нала в каналах разнесения в среднем достаточно иметь относительный частотный разнос ∆f / f = (2...5) × 10^-3. Разнесение антенн в направлении по­перек трассы должно составлять не менее (100...150)λ, а при разнесении по высоте - не менее (30...50)λ. На ТРРЛ чаще всего используется счетверен­ный прием с разнесением двух приемных антенн по пространству и двух передатчиков по частоте.

10.3. Механизм ионосферного рассеяния

Механизм ионосферного рассеяния (ИР) радиоволн аналогичен по своей физической сущности механизму ДТР. По современным представ­лениям ИР обусловлено некогерентным рассеянием на локальных слабых неоднородностях диэлектрической проницаемости ионосферы, а также ко­герентным рассеянием в пределах ионизированного слоя с плавным изме­нением ε_и(h). В ионосфере интенсивное рассеяние наблюдается в ограни­ченной области на высотах слоя D около 75...90 км. На этих высотах суще­ствуют слабые рассеивающие неоднородности двух типов: турбулентные и многочисленные перекрывающиеся во времени ионизированные следы метеоров с низкой электронной плотностью, а также метеорные следы ис­каженной формы. Метеорный компонент является значительным, а в ноч­ное время - основным в принимаемом непрерывном флуктуирующем поле. Механизм ИР можно использовать только на метровых волнах в диапа­зоне 5...10 м (60...30 МГц). Волны такой длины могут не только рассеи­ваться, но и отражаться от областей ионосферы с повышенной электрон­ной плотностью, а именно от ионизированных метеорных следов с высо­кой

электронной плотностью, от спорадического слоя Е_S и от регулярного слоя F2. Поэтому всегда на фоне слабого непрерывного флуктуирующего сигнала появляются единичные всплески высокой интенсивности, которые являются источниками искажений, сужая неискаженную полосу передачи до единиц килогерц.

Механизм ИР можно использовать без ретрансляции на трассах про­тяженностью от 1000 до примерно 2300 км. Большие потери в тракте рас­пространения предъявляют высокие требования к энергетическим пара­метрам оборудования. На этих линиях используют передатчики мощно­стью 30...50 кВт, антенны с коэффициентами усиления 20...30 дБ и с управляемой диаграммой на приеме, сдвоенный, а иногда и счетверенный разнесенный прием и др. Пропускная способность линий ИР ограничена искажениями в тракте распространения несколькими телеграфными кана­лами. Одноканальная телефонная связь возможна с относительно низким качеством. Дорогостоящее сложное оборудование линий ИР и в то же время низкая пропускная способность ограничивает их применение, в ос­новном, полярными широтами на трассах 1000...2000 км, где наземная связь за счет других механизмов или неустойчива (распространение за счет отражения от ионосферы), или организационно трудно выполнима (РРЛ с интервалами в пределах прямой видимости или ТРРЛ с интервала­ми 300...600 км).

Средние уровни поля при ионосферном распространении. Изме­рения показали, что на линиях ИР средний уровень поля зависит от длины трассы, ее географического положения, рабочей частоты, ширины и ори­ентации диаграмм направленности антенн. Кроме того, средний уровень претерпевает из­менения во времени по часам суток, по сезонам года, по циклу солнечной активности. Теория рассеяния в ионосфере показывает, что на трассе про­тяженностью r при угле рассеяния θ_рас и на рабочей частоте f принимаемая мощность Р₂~1 / {r²[sin(θ_рас / 2)]ⁿ f^m}, где установленные из опыта значения n ≈ 6,5 и m ≈7,8, т.е. при ионосферном рассеянии поле быстро падает при увеличении угла θ_рас и частоты f. Зависимость Р₂(θ_рас) ограничивает диапа­зон расстояний, в пределах которых возможно использовать механизм ИР. Поскольку интенсивное рассеяние в ионосфере сосредоточено в толще вы­сот 75...90 км, то независимо от длины трассы область пересечения диа­грамм направленности передающей и приемной антенн (рассеивающий объем) должна располагаться в пределах этих высот. Для выполнения этого условия не­обходимо согласовывать углы возвышения диаграмм направленности антенн с длиной ра­диолинии. В частности, с укорочением трассы угол ∆ увеличивают, что приводит к увеличению

 

 

θ_рас и соответственно потерь. На линиях протя­женностью меньше 1000 км, где θ_рас > 22°, потери настолько велики, что механизм ИР использовать нельзя. В пределах расстояний 1000...1600 км потери минимальны и не увеличиваются при удлинении линии, поскольку убывание по закону 1/r²

компенсируется увеличением интенсивности рас­сеяния за счет уменьшения θ_рас На линиях протяженностью больше 1600 км такой компенсации не происходит и потери увеличиваются. Предель­ная длина радиолинии около 2300 км ограничивается кривизной земной поверхности при высоте h_рас ≈ 85 км. Резкая частотная зависимость потерь передачи связана с тем, что интенсивность неоднородностей диэлектриче­ской проницаемости ионосферы ∆ε_и = 80,8∆N_e / f² резко уменьшается с по­вышением частоты. При высокоэффективном передающем и приемном оборудовании на линиях ИР можно работать на частотах не выше 60 МГц. Частоты ниже 30 МГц также не применяются из-за наличия сигналов, нормально отраженных от ионосферных слоев и обуславливающих боль­шие искажения.

Измерения показывают, что оптимальные условия приема сущест­венно зависят от ширины и ориентации диаграмм направленности антенн. Рекомендуют антенны с шириной лепестка около 10°. Сужение диаграмм направленности приводит к ослаблению метеорной составляющей поля, поскольку эта со­ставляющая распределена в относительно широком угловом секторе про­странства. В вертикальной плоскости основные лепестки диаграмм направленности на пе­редаче и приеме должны быть ориентированы так, чтобы их средние ли­нии пересекались на высоте h_рас ≈ 85 км. В горизонтальной плоскости же­лательно управлять диаграммой направленности и смещать ее в ночное время на 6...8° от дуги большого круга трассы в область максимального рассеяния метеорными следами.

Временные изменения среднего уровня сигнала следующие. Суточ­ные вариации достигают 5...10 дБ с максимумом в дневные часы, когда наиболее интенсивны турбулентные неоднородности. По сезонам в уме­ренных широтах минимальный сигнал характерен для весенне-осеннего периода. Амплитуда сезонного хода достигает 8...16 дБ. В течение цикла солнечной активности средний уровень сигнала понижается примерно на 4...5 дБ с уменьшением активности Солнца.

Замирания и разнесенный прием. Прием сигналов на линиях ИР сопровождается быстрыми замираниями. Распределение мгновенных зна­чений уровня сигнала осложняется наличием вспышек за счет отражений, главным образом, от единичных интенсивных метеорных следов. Как и на других линиях, устойчивость работы при ИР зависит от флуктуаций, на­блюдаемых на низких уровнях сигнала. Сигналы с низким уровнем обу­словлены только непрерывным рассеянным компонентом поля. Поэтому распределение мгновенных значений амплитуд определяют на уровнях, которые примерно на 15 дБ ниже медианных, т.е. без учета метеорных вспышек. Это распределение аппроксимируется законом Рэлея, что и учитывают при расчете устойчивости. Скорость замираний, определяемая числом пересечений огибающей заданного уровня, оказывается равной 15...20 в минуту со средней длительностью около 0,06 с на уровне — 20 дБ относительно медианы. Устойчивый прием на линиях ИР возможен только с применением разнесенного приема. Наиболее

эффективным оказывается пространственное разнесение антенн на (7...10) λ, в направлении поперек трассы. При частотном разнесении необходимо в каналах разнесения ис­пользовать частоты, отличающиеся не менее чем на 6 кГц.

Искажения сигналов. Многолучевая флуктуирующая структура принимаемого сигнала является источником искажений передаваемой ин­формации. Для оценки искажений импульсных сигналов необходимо знать время запаздывания сигналов ∆t_mах. На линиях ИР различают запаздыва­ния, свойственные, во-первых, основному механизму рассеяния, за счет конечных размеров рассеивающего объема и, во-вторых, сопутствующих механизмов, т.е. отражений от метеорных следов с повышенной электрон­ной плотностью, а также от слоя Е_S и др. Установлено, что в соответствии с размерами рассеивающего объема первый вид запаздывания составляет всего лишь 20...40 мкс и ограничение длительности импульсов на линиях ИР определяется запаздывающими метеорными сигналами, для которых ∆f_mах ≤1…2 мс. Поскольку длительность импульса должна быть в несколь­ко раз больше ∆t_mах, то на линиях ИР она ограничивается единицами миллисекунд. Неискаженная полоса передачи аналоговой информации ∆f_mах << 1 / ∆t_max составляет единицы килогерц. Измерения показали, что в полосе 2 кГц неравномерность амплитудно-частотной характеристики не превышает 6 дБ в 95% времени на линии протяженностью 1500 км. До­полнительные ограничения качества телефонных каналов создают так на­зываемые «доплеровские свисты». Прием сигналов, отраженных от голов­ной части формирующегося метеорного следа или рассеянных от быстро удлиняющихся следов, происходит с доплеровским сдвигом частоты ∆f_д = f_д - f, где f_д - частота Доплера, которая зависит от скорости и направле­ния движения метеорного следа; f - излученная частота. Измерения пока­зывают, что примерно в 90% случаев f_д > f, что соответствует приближению метеорного следа к точке приема. Максимальные значения ∆f_д никогда не превышают 6 кГц, а с вероятностью 95% - 2,5...3 кГц. Изменения скорости и направления движения метеорного следа приводят к изменению во вре­мени ∆f_д, что проявляется в телефонном канале в виде свистов. При пра­вильном выборе оборудования устойчивая работа на линиях ИР может быть обеспечена более чем в 99% времени в течение года.

10.4. Распространение волн за счет отражения от ионизирован­ных метеорных следов

Системы связи, работающие за счет приема сигналов, отраженных от ионизированных следов метеоров, называются метеорными радиоли­ниями. Для работы радиолиний существенны метеоры с массой m ≥ 10^-8г, количество которых за сутки ориентировочно составляет 10¹¹. Минималь­ное число метеоров наблюдается в 18ч. местного времени, а максимальное - в 6 ч. утра. На линиях метеорной связи информация передается только в периоды «вспышек», которые появляются на фоне слабого флуктуирую­щего сигнала, рассеянного в

ионосфере на слабых неоднородностях. «Вспышки» появляются в результате отражения сигналов от ионизирован­ных следов метеоров с повышенной электронной плотностью. Для появ­ления «вспышки» в заданном пункте приема необходимо выполнение двух условий: метеорный след должен образоваться в области пересечения диа­грамм направленности передающей и приемной антенн; интенсивная «вспышка» появляется только в тех случаях, когда ориентация следа тако­ва, что выполняется условие зеркального отражения для падающей и от­раженной волн, т.е. φ_пад = φ_отр. Метеорный след после возникновения бы­стро изменяет свои свойства. Из-за диффузии уменьшается его электрон­ная плотность, под влиянием ветра изменяется форма, по мере перемеще­ния изменяется ориентировка в пространстве. В результате амплитуда сигнала, отраженного от такого следа, изменяется во времени по сложно­му случайному закону. Различают два характерных закона изменения ам­плитуд в зависимости от электронной плотности следа без учета его де­формации. Первый закон соответствует случаю, когда начальная линейная электронная плотность следа N_е < 10¹⁴ эл/м³ и след называется «недоуплотненным». Через такой след волны метрового диапазона, используемые на метеорных линиях, проходят, рассеиваясь в пределах всей толщи следа с максимумом в зеркальном направлении. В течение долей секунды движу­щийся след занимает область, совпадающую с первой зоной Френеля от­раженной волны. При этом амплитуда сигнала возрастает. Достигнув мак­симума, амплитуда начинает быстро спадать по экспоненциальному зако­ну из-за перемещения следа из оптимальной зоны и уменьшения его элек­тронной плотности в результате диффузии. Второй закон соответствует зеркальному отражению от «переуплотненного» следа, когда N_е > 10¹⁴ эл/м³ и след для метровых волн представляет отражатель цилиндрической фор­мы, внутрь которого волна не проникает. В этом случае амплитуда отра­женного сигнала остается на высоком уровне, пока электронная плотность следа превышает критическое значение по условиям отражения. На мете­орных линиях информация передается прерывисто только в те промежут­ки времени, когда за счет «вспышки» отношение сигнал-шум на входе приемника превышает некоторый пороговый уровень. Для оценки условий работы таких линий необходимо иметь сведения о числе и продолжитель­ности «вспышек», превышающих заданный пороговый уровень. С точки зрения условий распространения оба параметра «вспышки» являются функциями рабочей частоты и ориентировании диаграмм направленности антенн на передаче и приеме.

Расчеты и измерения показывают, что с понижением рабочей часто­ты увеличиваются число и продолжительность «вспышек», поскольку по­нижается уровень электронной плотности, необходимый для интенсивного рассеяния и отражения, т.е. все большее число следов участвует в работе линии. В соответствии со степенью ионизации метеорных следов верхняя граница рабочего диапазона метеорных линий ограничивается частотами около 60...50 МГц, (λ = 5...6 м), нижняя - с частотой 30 МГц (λ = 10 м). На более низких

частотах чрезмерно увеличиваются замирания и появляются сигналы за счет других механизмов распространения, что ведет к недопус­тимо большим искажениям передаваемой информации.

Метеоры прилетают преимущественно с направления, соответст­вующего апексу Земли (точка небесной сферы, по направлению к которой движется Земля при обращении вокруг Солнца). На трассах, ориентиро­ванных с востока на запад, наиболее активной с 24 до 12 час. оказывается область, расположенная к северу от трассы, с 12 до 24 час. - к югу, на трассах, ориентированных с севера на юг, активная область ориентирована с 18 до 06 час. к западу от трассы, с 06 до 18 час. — к востоку.

Коэффициент заполнения. Для оценки пропускной способности ме­теорных линий, где передача информации ведется прерывисто, использу­ют коэффициент заполнения (использования) k_мл, который оценивается как отношение суммарного времени, в течение которого амплитуда при­нимаемого сигнала превосходит пороговый уровень системы (порог обна­ружения), к общему времени работы. Понятие порога обнаружения U_пор связано с принципом действия метеорных линий, где передача информа­ции ведется только в течение интервалов времени, когда за счет «вспыш­ки» отношение сигнал-шум достигает необходимого значения. При очень низком пороге почти все наблюдаемые сигналы сформированы «недоуплотненными» следами, при очень высоком — «переуплотненными».

На заданной частоте максимальное напряжение на входе приемника U_пор пропорционально линейной электронной плотности следа, которая, в свою очередь, пропорциональна массе метеора. Время жизни «вспышек» составляет 0,2...0,4 с и изменяется в течение суток, уменьшаясь ночью, когда время жизни метеоров оказывается меньше, чем днем. Коэффициент использования на метеорных линиях обычно составляет единицы процен­тов, не превышая 10%. Тракт распространения на метеорных линиях по своей природе прерывист, поскольку полезные метеорные следы появляются прерывисто во времени с интервалами более 10 с. Это обуславливает ряд особенностей построения режима работы таких линий.

К первой особенности следует отнести необходимость прерывистого включения и выключения передаваемой информации с учетом появления и пропадания полезных метеорных следов. В простейшем варианте это осуществляется так. На обоих концах линии имеются накопители переда­ваемой и принятой информации типа магнитных лент, а также автомати­ческие устройства для включения и выключения этих накопителей. Пере­датчики на обоих концах линии непрерывно излучают несущие на часто­тах, разнесенных примерно на 1 кГц. При появлении полезного метеорно­го следа, когда на обоих концах линии уровень несущей, на входах прием­ников достигает порогового уровня, автоматические устройства открыва­ют цепи передачи и информация с накопителя поступает на модулятор, начинается передача информации с большой скоростью. На приемном конце после демодуляции сигнал поступает

на накопитель, откуда с за­медленной скоростью подается на оконечную приемную аппаратуру. Ко второй особенности режима работы метеорных линий следует отнести ра­боту с большими мгновенными скоростями передачи, что необходимо для обеспечения удовлетворительной пропускной способности линий. Пропу­скная способность оценивается средней скоростью передачи информации, которая равна произведению мгновенной скорости на коэффициент ис­пользования. При k_мл ≈ 2...10%, характерных для метеорных линий, ско­рость 40 бит/с может быть обеспечена при мгновенной скорости 2000...400 бит/с.

На метеорных линиях применяют передатчики мощностью 0,5...5 кВт. Антенные устройства имеют два варианта исполнения. Наиболее про­стой, но не наиболее эффективный вариант - использование антенн с ши­рокими диаграммами направленности (50...60°), перекрывающими основ­ную часть активной области метеорных следов. Наиболее эффективный вариант - использование антенн с узкой диаграммой направленности (8...10°), способной следить за перемещением в течение суток активной области отражения. Многолучевая структура принимаемого поля ограни­чивает неискаженную полосу передачи до 15...20 кГц. Многолучевое рас­пространение обусловлено одновременным существованием нескольких следов в пределах активной области отражения, разрывом следа на части и др. Максимальная дальность метеорных линий ограничивается высотой образования ионизированных следов (90...100 км) и достигает 2000...2200 км. На линиях аналогичной протяженности можно передавать информа­цию на коротких волнах за счет отражения от ионосферы или на УКВ за счет ИР. В ряде случаев использование механизма отражения от ионизи­рованных следов метеоров имеет преимущества главным образом за счет значительно более низкого энергетического потенциала линии- меньших мощностей передатчика и простоты антенных устройств.