УЗБЕКСКОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ И ИНФОРМАТИЗАЦИИ

ТАШКЕНТСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ

Факультет радиотехники, радиосвязи и телерадиовещания

Кафедра антенно-фидерных устройств

Ликонцев Д.Н.

СПЕЦИАЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ КУРСА

«РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН»

для направления образования

5А522105 - «Мобильные системы связи»

Ташкент - 2008

4.ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗОН ПОКРЫТИЯ ТЕЛЕ - И РАДИОВЕЩАНИЕМ (МЕТОДИКА ШУРА)

4.1.Основные соотношения

Эффективно - излучаемая мощность - радиопередающей станции, в главном направлении антенны

, (4.1)

где P- мощность передатчика на входе фидера, кВт; G- коэффициент усиления передающей антенны по мощности относительно полуволнового вибратора и h-коэффициент полезного действия фидера.

Эффективно-излучаемую мощность часто выражают в децибелах относительно 1кВт

, дБкВт. (4.2)

где все величины выражены в децибелах.

Эффективно-излучаемую мощность не следует отождествлять с эквивалентной изотропно-излучаемой мощностью, которую определяют аналогично, но значение коэффициента усиления антенны берется относительно ненаправленной ( изотропной ) антенны ( разница значений излучаемой мощности составляет 2,15дБ ).

Эффективно-излучаемая мощность в децибелах относительно 1 кВт в любом направлении от передающей антенны определяется с учетом ее диаграммы направленности

, дБкВт , (4.3)

где и - значения характеристик направленности передающей антенны по мощности в вертикальной и горизонтальной плоскостях.

D-угол в вертикальной плоскости между линией горизонта, проведенной через геометрический центр антенны и направлением на точку приема;

j - угол в горизонтальной плоскости между направлением максимального излучения и направлением на точку приема.

На рис.4.1. а и б приведены нормированные ориентировочные диаграммы направленности антенн в горизонтальной и вертикальной плоскостях.

Влияние рефракции приближенно учитывают путем замены в соответствующих формулах действительного радиуса Земли а =6370 км его эквивалентным значением а_э.

Эквивалентный радиус Земли

1+0,5a(d / dZ)] , (4.4.)

а)

б)

Рис.4.1.Ориентировочная диаграмма направленности передающей антенны ( а- в горизонтальной плоскости, б- в вертикальной плоскости)

измеряют в километрах. На распространение радиоволн метрового и дециметрового диапазонов влияет приземный слой атмосферы толщиной 8...14 км, т.е. тропосфера. В этом слое метеорологические параметры — влажность, температура и атмосферное давление сильно изменяются во времени и в пространстве. Диэлектрическая проницаемость воздуха e зависит от этих параметров и также сильно изменяется, причем по случайному закону. В большей части времени года в тропосфере линейно уменьшается по вертикали среднее значение градиента диэлектрической проницаемости de/dZ, где Z — высота над поверхностью Земли. Это приводит к рефракции, т.е. к плавному искривлению траектории радиоволн. Причем траектория радиоволны представляет собой выпуклую вверх дугу.

Эквивалентный радиус Земли – это радиус гипотетической сферической Земли, для которой расстояние до горизонта в предположении прямолинейного распространения радиоволн является таким же, как и расстояние до горизонта для фактической Земли, окруженной атмосферой с постоянным значением вертикального градиента коэффициента преломления (рис.4.2).

Во многих районах средней полосы, в 50% времени года значение вертикального градиента диэлектрической проницаемости воздуха равно 8·, Следовательно, в расчетах обычно принимают 3=8500 км, что соответствует средним условиям распространения радиоволн. В небольшие периоды времени изменение значений вертикального градиента существенно отличается от линейной зависимости. В таких случаях понятие об эквивалентном радиусе будет неприменимо. Оно будет также неприменимо при чрезмерных значениях градиентов, когда имеет место сверхрефракция радиоволн.

Напряженность электрического поля в условиях свободного пространства- напряженность поля в месте приема при распространении радиоволн в идеальном свободном пространстве, в котором отсутствует влияние земли и атмосферы. Значение напряженности поля в условиях свободного пространства может быть легко вычислено и его часто используют как исходное для расчета во всех диапазонах частот. На расстоянии r от станции напряженность поля в свободном пространстве, мкВ/м,

, (4.5)

где эффективно-излучаемая мощность, кВт, r -расстояние, км.

Выражение в децибелах (4.5) имеет вид

Е₀=106,9 - 20 lgr + P_å , (4.6)

где дБкВт.

Напряженность поля выражается в децибелах относительно 1мкВ/м, но для краткости везде указывают размерность в децибелах.

Рис.4.2. Положение диаграммы направленности передающей антенны в

вертикальной плоскости (А и В — точки передачи и приема)

Рис.4.3. К определению эквивалентного радиуса Земли

Если эффективно-излучаемая мощность выражена в Ваттах, то напряженность поля в свободном пространстве получится в мкВ/м,

, (4.7)

или в децибелах

E₀=76,9-20lgr+10lgP

(4.8)

Расстояние прямой видимости. Между антеннами передающей станции и приемного устройства будет иметь место прямая видимость до тех пор, пока линия визирования АВ (рис.П.1.4), проходящая через электрические центры антенн, на всем протяжении идет выше уровня земной поверхности (с учетом высот предметов на местности). Расстояние, при котором линия визирования касается наивысшей точки препятствия, называют предельным расстоянием прямой видимости ; для гладкой сферической земной поверхности, км,

= , (4.9)

где и - высоты подвеса антенн и эквивалентный радиус Земли, км. Для среднего состояния тропосферы, т.е. при 8500 км, предельное расстояние, км,

= 4,12 + , (4.10)

где - высоты подвеса антенн, м.

Угол закрытия антенны (передающей или приемной) g отсчитывают между горизонтальной плоскостью и направлением на горизонт (рис.4.5). Угол закрытия считают положительным, если вершина препятствия находится выше горизонтальной плоскости и отрицательным, если ниже. Угол закрытия определяют из профиля оконечного участка трассы, рад

, (4.11)

где - высота центра антенны над уровнем моря, м; - высота препятствия, определяющего закрытие, над уровнем моря, м; - расстояние от антенны до препятствия, км. Дугу — уровень моря (или условный уровень, лежащий выше или ниже уровня моря) — строят по координатам точки дуги r и Z, Задаваясь разными значениями, км, находят Z=500 r , где r и a в км.

Эквивалентное расстояние. В расчетах, связанных с распространением радиоволн за пределы прямой видимости вместо истинного расстояния от передатчика до приемника вводят в некоторых случаях эквивалентное расстояние , которое позволяет учесть влияние на уровень сигнала рельефа местности и приподнятость трассы над уровнем моря. В случаях, когда

Рис.4.4.К определению расстояния прямой видимости над гладкой и

неровной земной поверхностью

Рис.4.5. Примеры построения профилей оконечных участков трассы при

углах закрытия (а — положительной; б — отрицательной)

трассы расположены на высоте км над уровнем моря эквивалентное расстояние равно, км

, (4.12)

где g₁ и g₂ - углы закрытия передающей и приемной антенны, рад; а_э- в км. С учетом приподнятости трассы эквивалентная длина трассы, км

(4.13)

где все величины подставляются в километрах. Формула справедлива при условии

-0,3 < 6 . (4.14)

Отсюда следует, что на горных трассах эквивалентное расстояние возрастает а на морских уменьшается. Высоту трассы определяют графически из профиля трассы. Графическое определение поясняется рис.4.6. Здесь - разность высот между точками пересечения касательных к препятствиям АС и ВС и линий , , проведенных параллельно касательным; и - высоты подвеса антенн над уровнем моря.

Рис.4.6.К определению высоты трассы над уровнем моря

Эквивалентное расстояние целесообразно использовать при углах закрытия не более 1,5°. Над гладкой сферической земной поверхностью, приподнятой относительно уровня моря на 0,15...0,25 км, ,км.

4.2.Расчет напряженности поля

Порядок расчета. На неровной местности в точках приема, удаленных на одинаковое расстояние от передающей станции, напряженность поля сигнала является случайной величиной. Она изменяется от точки к точке вследствие разного экранирующего влияния рельефа и во времени вследствие неустойчивого состояния тропосферы. По этой причине напряженность поля оценивают статистически — по процентам мест (точек) и времени приема. При этом предполагается, что рельеф местности является регулярным, т. е. отдельные неровности (холмы, горы) примерно одинаковы.

Напряженность поля, дБ, на расстоянии r от передающей станции, превышаемая в L % мест приема и в T % времени

E(r,L,T)³+E(50,50)+F(Dh)+F()+DE(L)+DE(T), (4.15)

где эффективно-излучаемая мощность, дБкВт; E(50, 50) — медианное значение напряженности поля (по 50% мест и времени при высоте подвеса приемных антенн м , ; F(Dh) и F() поправочные коэффициенты, учитывающие степень неровности местности и высоту подвеса приемных антенн, дБ; DE(L) и DE(T) — отклонения значений напряженности поля от медианного значения в заданных процентах мест L и времени Т приема, дБ. (Способы определения указанных коэффициентов приводятся ниже.)

Предполагаемый метод расчета полуэмпирический. Следует иметь в виду, что расчеты дают правильный результат для достаточно протяженного участка местности, охватывающего всевозможные неровности. Метод расчета базируется на документах МККР и ОИРТ, но содержит ряд дополнений и уточнений, введенных на основании результатов экспериментальных исследований .

Оценка неровности местности. Для оценки степени вероятности местности используют параметр h, который определяется как разница высот (отметок) местности, превышаемых на 10 и 90% на определенном расстоянии, В документах МККР (Рекомендации 370-4) это расстояние рекомендуется отсчитывать в пределах 10...50 км в направлении от передатчика к точкам приема. В документах ОИРТ его рекомендуют брать в пределах 30...40 км от приближенно предполагаемой границы зоны приема в сторону передающей станции (рис.4.7). Второй подход предпочтителен, поскольку на уровень сигнала гораздо сильнее влияют неровности местности, расположенные перед приемными антеннами. Если радиус зоны приема передающей станции меньше 30 км, то параметр определяется по всему радиусу. На наклонных трассах следует отсчитывать от линии, проходящей через середину неровностей.

Значение Dh удобно найти из статистического распределения высот предметов на местности. Выбор высот должен быть таким, чтобы они охватывали все крупные предметы (детали рельефа). Обычно бывает достаточно взять 30 значений высот через 1 км.

По грубой оценке параметр Dh равен половине среднего значения высот холмов или гор от подошвы до вершины на рассматриваемом участке.

Параметр Dh, м, позволяет ввести условную классификацию типов местности:

Dh, м

Равнинная или водная поверхность ……………………………… 0…25

Равнинно-холмистая (среднепересеченная) …………………………..... 25…75

Холмистая (сильнопересеченная)…..………………………………. 75…150

Гористая ……………………………………………………………..150…400

Очень высокие горы, не менее ………………………………… 400

Медианное значение напряженности поля. На равнинно-холмистой местности, на расстояниях менее 10 км его определяют по кривым распространения рис.4.8. Здесь и далее, на кривых указана эффективная высота подвеса передающей антенны, измеренная в метрах.

Рис.4.7.К определению параметра, характеризующего степень неровности

местности Dh (справа график статистического распределения

отметок местности)

На расстояниях свыше 10 км, медианное значение напряженности поля определяется по рис.4.9, 4.10 ( Рекомендация 370-4). Данные зависимости получены по результатам многочисленных измерений, проведенных в разных регионах земного шара при Dh = 50 м. Для значений эффективных высот подвеса передающей антенны 20 и 10 м кривые распространения могут быть получены с использованием поправочных коэффициентов, соответственно -5дБ и -11 дБ для расстояний 10…25 км. Для расстояний выше 250 км поправку принимают равной нулю. Для промежуточных расстояний 20...250 км поправку находят, используя линейную интерполяцию. Для эффективных высот подвеса антенн передатчика, превышающих 1200м, напряженность поля на расстояния r принимают равной напряженности, определяемой по зависимости для эффективной высоты 300 м на расстоянии 4,1,км. Такую экстраполяцию применяют только к загоризонтным расстояниям 4,1 70) км. Для расстояний , км, предполагается, что напряженность поля превышает значение для 1200 м на столько же, насколько оно превышается при расстоянии, равном . Для расстояний меньше 100 км используют интерполяцию, полагая 0 дБ на расстоянии 20 км до значения поля, найденного для 100 км. Это выполняется при условии, что напряженность поля не превышает напряженности поля свободного пространства.

Зависимости напряженности поля от расстояния на рис.4.8…4.10, иногда аппроксимируют с помощью формулы, дБ

_{Е(50,50)=Б0 + Б1 lgr + Б2 (lgr)2 (4.16)}

где и коэффициенты, значения которых приведены в табл.4.1 и 4.2 для метрового и дециметрового диапазонов. Эти зависимости можно также аппроксимировать рядом формул. Предварительно вычисляют расстояние прямой видимости и эквивалентное расстояние км.

При r £ (в зоне прямой видимости) медианное значение определяют в зависимости от расстояния

если км

E(50,50)=108-30,5 lg r + (8,5 + 16,5 lgr) lg (h_1эф /150). (4.17)

если км, то сначала определяют поправку на высоту подвеса передающей антенны

4600] lg( 300 , (4.18)

где c — коэффициенты, зависящие от частоты.

Медианное значение будет равно

E(50,50)= 100 [-Y(lg км, (4.19)

85 км,

где Y,y- коэффициенты зависящие от частоты.

При r > медианное значение рассчитывают в зависимости от эквивалентного расстояния, сначала в зоне дифракции, затем в зоне дальнего тропосферного распространения радиоволн

E(50,50)= 35 км , (4.20)

x-m км .

При расчете медианного значения по этим формулам следует учитывать зависимость коэффициентов от частоты:

30...250 МГц . . . . c=23 Y=0,15 y=0 x=1б m=0,096
450...1000 МГц . . . . c=27 Y=0,165 y=7 x= 12 m=0,108

Рис.4.8. Зависимость медианного значения напряженности поля от расстояния на равнинно-холмистой местности ( линии для метрового диапазона, -------для дециметрового м ,

Рис.4.9.Зависимость медианного значения напряженности поля от расстояния. (Равнинно-холмистая местность ( I - III ТВ диапазоны, м ,

Рис.4.10.Зависимость медианного значения напряженности поля от расстояния. Равнинно-холмистая местность (IV, V ТВ диапазоны; м,

Таблица 4.1

Значения коэффициентов и для метрового диапазона

	r = 2…100 км			r = 100…550 км
20,0	96,14	—35,39	—3,64	—79,89	120,10	—37,16
37,5	100,81	—32,66	—5,13	—45,06	96,50	—33,20
50,0	102 ,44	—31,16	—5,96	—21,00	77,63	—29,45
75,0	104,99	— 28,73	—7,10	15,79	49,68	—24.08
100,0	105,73	— 24,45	—9,05	34,08	35,95	—21,43
150,0	105,62	—15,92	—12,53	70,78	8,38	—16,10
200,0	102,6	—8,16	—15,2	91,28	—6,44	—13,34
250,0	99,29	—0,25	—17,86	111,82	—21,32	—10.58
300,0	95,97	7,66	—20,51	132,35	—36,18	—7,82
350,0	94,03	11,02	—21,34	144,29	—44,37	—6,37
400,0	92,08	14,38	— 22,17	156,21	—52,53	—4,94
450,0	90,96	16,65	—22,64	168,98	—61.44	— 3,34
500,0	89.68	19,09	—23,17	181,69	—70,31	—1,75

Таблица 4.2

Значения коэффициентов и для дециметрового диапазона

	r = 2…100 км			r = 100…550 км
20,0	53,00	—40,07	—3,74	—52,92	102,30	—35,71
37,5	105,23	—40,30	—3,57	—38,05	92,77	—34,11
50,0	105,02	—36,07	—5,41	—31,31	88,11	—33,26
75,0	104,97	—28,83	—8, 53	—17,17	77,96	—31,34
100,0	104,78	—21,48	—11,93	—9,23	72,53	—30,35
150,0	112,10	—22,52	—12,46	17,92	52,78	—26,65
200,0	108,81	—13,51	—15,67	38,62	37,54	—23,75
250,0	105,51	—4,49	—18,88	59,35	22,29	—20,85
300,0	102,21	4,52	—22,09	80,05	7,05	—17,95
350,0	94,89	15,80	—25,67	92,19	— 1,31	—16,47
400,0	88,57	25,39	—28,52	104.31	—9,66	—14,98
450,0	81,96	35,45	—31,53	116,48	—18,06	—13,49
500,0	75,92	44,76	—34,33	128,85	—26,56	—11,99

В документах МККР и ОИРТ зависимости медианного значения напряженности от расстояния приведены для горизонтальной и вертикальной поляризаций. Однако эксперименты показывают, что в области дифракции, т.е, на расстояниях 100…200 км, в лесистой местности, напряженности полей вертикально поляризованных метровых волн оказываются ниже расчетного значения на 12...16 дБ. Медианное значение напряженности поля зависит от климатических условий. Чем климат теплее и влажнее, тем оно оказывается больше. Это относится к трассам, длина которых больше расстояния прямой видимости. Экспериментальные данные, полученные для Западной Европы и Северной Америки показывают, что между медианным значением напряженности поля и градиентом индекса рефракции на первом километре атмосферы имеется корреляционная зависимость. Зависимости медианного значения напряженности поля от расстояния рис.4.8…4.10 относятся к зонам с умеренным климатом, причем n=( единиц, где — коэффициенты преломления, измеренные у поверхности Земли и на высоте 1 км. Если среднее значение n для данного района заметно больше или n меньше -40, то, применяя к кривым поправочный коэффициент, равный -0,5 (n+40) дБ, получают соответствующие значения медианы напряженности поля для всех расстояний за пределами прямой видимости.

Эффективная высота подвеса передающей антенны, м, для равнинной и равнинно-холмистой местности определяется как высота электрического центра антенны над усредненным уровнем участка земной поверхности 3...15 км в направлении от передающей антенны к точкам приема (рис.4.11.а)

₌ при м,

10 м при 10м_{, (4.21)}

где высота подвеса антенны над уровнем моря;

Z_cp — средняя отметка участка 3...15 км, которая может быть определена по среднеарифметическим значениям отметок всех впадин и возвышенностей.

Для холмистой и горной местности эффективная высота подвеса передающей антенны определяется аналогично, но Z_CP целесообразно определять на участке 3…30 км.

Если точки передачи и приема находятся на наклонном вверх или вниз участке местности, то эффективную высоту подвеса передающей антенны определяют между наклонной линией, проведенной через середину неровностей местности, и параллельной ей линией, проведенной через центр антенны (рис.4.11).

Поправочный коэффициент, учитывающий неровность местности (поправка) можно определить по графикам рис.4.12. Графики показывают, что с увеличением высот неровностей медианное значение напряженности поля уменьшается, а при переходе от равнинно-холмистой местности к равнинной возрастает. Наибольшее изменение поля имеет место на расстоянии 50...100 км от антенны. Для расстояний свыше 200 км поправочный коэффициент в 2 раза меньше, чем на расстоянии 50…100 км. Зависит коэффициент от частоты в дециметровом диапазоне его значение больше, чем в метровом.

На основании новых экспериментальных данных, полученных в горной и холмистой местностях, установлено, что поправочный коэффициент интервала расстояний от антенны 20...100 км такой же, как и для интервала 50...100 км, Уточненные значения поправочного коэффициента, дБ могут быть определены по рис.4.13, построенному по формуле

_{F(Dh) = - νχ1lg(∆h/50) при ∆h≥50м,}

при м. (4.22)

Коэффициенты и определяют в зависимости от диапазона частот

ТВ диапазон частот I II III IV V

18,6 20,6 25,7 38,5 45

0,15 0,15 0,15 0,25 0,25

Для горной местности поправочный коэффициент определен для мест приема, расположенных в долинах ниже средней высоты гор. Следует проявлять осторожность при оценке поправочного коэффициента на местности, где Dh>300м, поскольку рельеф такой местности не всегда является регулярный, если пункты приема расположены на вершинах возвышенностей, поправкой можно пренебречь. Расстояния, для поправочного коэффициента выбраны неудачно. Это видно из того, что при расчетах возможны случаи, когда на участке 100…200 км напряженность поля с увеличением расстояния остается неизменной или даже возрастает. Целесообразно вводить графическую корректировку, при которой поле спадает плавно при увеличении расстояния.

Поправочный коэффициент на высоту подвеса приемных антенн для 50% мест приема необходимо рассчитывать при высоте подвеса антенн h₂¹10м. В (Рекомендации 370-4) указывается, что на равнинно-холмистой местности в дециметровом диапазоне снижение высоты подвеса антенн с 10 до 3 м приводит к уменьшению медианного значения напряженности поля на 6 дБ, если расстояние от мест приема до передающей станции не превышает 50 км. Для расстояний свыше 100 км значение поправочного коэффициента берется в 2 раза меньше. С увеличением степени неровности местности его значение также уменьшается. Для горной местности он равен нулю.

Результаты экспериментов показывают, что и дециметровом диапазоне для всех параметров Dh значение поправочного коэффициента в среднем больше на 1 дБ по сравнению с данными Рекомендации 370-4. На равнинно-холмистой местности он одинаков для всех диапазонов. В метровом диапазоне зависимость коэффициента от степени неровности местности сравнительно слабая (рис.П.1.14, кривая 1). В пределах зоны обслуживания радиопередающей станции (зона обслуживания примерно равна расстоянию прямой видимости) он не зависит от расстояния и может быть определен по формуле или рис.П.1.14

lg (Dh / 50) - 7 , (4.23)

где С = 2,6; 6 для метрового и дециметрового диапазонов волн.

При высоте подвеса приемных антенн более 10м на равнинно-холмистой местности, вблизи границы зоны обслуживания поправочный коэффициент, дБ,

_{F(h2)=(4lgf + 10)(lgh2-1),} (4.24)

где f - частота, МГц, причем 10££30 м.

На расстояниях 200…1000 км от передающей станции с антеннами, поднятыми над землей на высоту так, что виден горизонт (например, на склоне горы), независимо от частоты, поправочный коэффициент, дБ,

, (4.25)

где 10 £ £ 100 м.

Отклонение значения напряженности поля от медианного в заданном проценте времени Е(Т) в ряде случаев может быть определено по кривым, приведенным Рекомендации 370-4. Некоторые из таких кривых приведены на рис.4.15…4.17. Для любого процента времени и в более удобной форме расчеты можно провести приближенно, полагая, что в точках приема в пределах, по крайней мере, 1...99% времени годовое статистическое распределение напряженности поля аппроксимируется логарифмически- нормальным законом. Hа этом основании отклонение напряженности поля в заданном проценте времени, дБ,

, (П.1.26)

где стандартное отклонение временного распределения, дБ;

Рис.4.11. К определению эффективной высоты подвеса передающей антенны

на местности (а — средняя высота которой одинакова; б—на

наклонной)

Рис.4.12. Графики для определения поправочного коэффициента на неровной

местности по МККР для ТВ диапазонов волн (а — II, III; б—IV, V)

Рис.4.13. Зависимость поправочного коэффициента от степени неровности

местности на расстояниях 20 ...100 км

Кт — безразмерная величина, распределенная по логарифмически нормальному закону с нулевой медианой и стандартным отклонением, равным единице. Величину К(Т) определяют по графику рис.4.15, в зависимости от заданного процента времени. График построен с помощью табулированного интеграла Гаусса, %

100 . (4.27)

Стандартное отклонение временного распределения, дБ, в метровом и дециметровом диапазонах волн для точек приема, расположенных на расстояниях менее 100 км от радиопередающей станции

. (4.28)

Отклонение значений напряженности поля от медианного в заданном проценте мест приема. В соответствии с результатами опытов в расчетах принимают, что статистическое распределение напряженности поля по местоположению приближенно аппроксимируется логарифмически-нормальным законом. Отклонение напряженности поля, дБ, в заданном проценте мест приема

(4.29)

где стандартное отклонение распределения напряженности поля по местоположению, дБ; K(L)—безразмерная величина, определяемая по рис.4.15 или с помощью интеграла Гаусса.

Считается, что распределения напряженности поля во времени и по местоположению взаимно независимы, но это не строго, так как влияние рельефа проявляется по-разному в зависимости от условий рефракции.

Стандартное отклонение распределения напряженности поля по местоположению согласно Рекомендации 370-4 зависит от степени неровности местности и диапазона частот. Зависимость от расстояния исключается. Для равнинно-холмистой местности, в метровом диапазоне волн дается значение дБ, а в дециметровом диапазоне 9,3 дБ. Для холмистой и гористой местности в метровом диапазоне данных нет, а в дециметровом диапазоне они ограничены (при Dh = 150, 300м и 16 дБ). Экспериментальные исследования, проведенные для многих районов, показывают, что для расстояний свыше 10 км значения стандартного отклонения можно определить из рис.4.17 или формулам, дБ:

для метрового диапазона волн

, (4.30)

для дециметрового диапазона волн

. (4.31)

Рис.4.14. Зависимость поправочного коэффициента на высоту подвеса приемной антенны при ее снижении с 10 до 3 м от степени неровности местности для диапазонов волн (1 — метровых; 2 — дециметровых)

Рис.4.15. График нормированного логарифмически-нормального закона

На расстояниях менее 10 км значения стандартного отклонения на равнинно-холмистой местности в диапазоне дециметровых волн следующие:

расстояние, км . 1 3 5 10

, дБ . . . 5 7 8 9

В диапазоне метровых волн эти значения будут меньше примерно на 2 дБ. Напряженности поля, измеренные для городов, расположенных в зоне обслуживания радиопередающих ТВ станций, рассчитывают по (4.15), но с учетом следующих условий. При высоте подвеса приемных антенн 10 м медиана напряженности поля оказывается меньше, чем на такой же местности свободной от строений. Поэтому в (4.15) следует ввести коэффициент F(s), учитывающий дополнительное ослабление, зависящий от плотности застройки города s и характера расположения зданий. Высота строений и строительный материал оказывают сравнительно небольшое влияние

Плотность застройки города (или квартала) определяют по плану как отношение застроенной части к общей площади (рис.4.20).

Из рис.4.19 видно, что дополнительное ослабление F(s) для дециметрового диапазона волн изменяется в больших пределах. В частности, для большого города его значение составляет 10…15 дБ, В диапазоне метровых волн оно получается меньше примерно на 5 дБ. Дополнительное ослабление уменьшается по мере удаления точек приема от передающей станция (рис.4.23). Для крупных городов уменьшение высоты подвеса приемных антенн с 10 до 3 м приводит к уменьшению медианного значения напряженности поля на 7... 9 дБ на частотах 100…1000 МГц. При высоте подвеса антенны менее 5 м влияние частоты и окружающей среды становится незначительным. В широком диапазоне частот уменьшение высоты подвеса антенн с 3 до 1,5 м приводит к уменьшению напряженности поля сигнала еще на 3 дБ. При подъеме антенн выше 10 м отмечается резкое возрастание сигнала. Поправочный коэффициент, дБ, для медианного значения напряженности поля при >10 м

_{F(h2)≈ω(lgh2-1)} (4.32)

где w — постоянная величина: в дециметровом диапазоне w=40, для кварталов с традиционной застройкой w=48. Таким образом, приближенно можно считать, что в дециметровом диапазоне зависимости напряженности от расстояния для равнинно-холмистой местности (см. рис.4.8; 4.10) пригодны для городов, если антенны установлены на крышах 6…7-этажных зданий (»20 м).

Распределение напряженности поля для города аппроксимируется логарифмически нормальным законом. Стандартное отклонение этого распределения зависит существенно от высоты установки приемных антенн. В центральных районах города с современной застройкой при высоте 10 м в дециметровом диапазоне при смешанной застройке новыми и старыми зданиями около 8 дБ. Такое же значение стандартного отклонения отмечается в пригороде с одноэтажными зданиями. По мере увеличения высоты подвеса антенны оно уменьшается, при высоте подвеса примерно 30 м - при высоте подвеса 50 м - около 3,5 дБ.

Рис.4.16. Зависимость стандартного отклонения временного распределения

напряженности поля от эквивалентного расстояния.

Рис.4.17. Зависимость стандартного отклонения местностного распределения напряженности поля от степени неровности местности для диапазонов волн (1 - метровых; 2 - дециметровых )

Рис.4.18. Зависимость дополнительного ослабления напряженности поля в

городе от плотности застройки; дециметровый диапазон волн

r=1…10 км, = 10 м

Рис.4.19. Зависимость дополнительного ослабления в городских кварталах с современной застройкой от pacстояния до радиопередающей станции; =10 м; дециметровый диапазон

Рис.4.20. Примеры плотности застройки города

4.3. Значения напряженности поля, используемые при планировании

4.3.1. Минимальная напряженность поля

Минимальная напряженность поля Е_мин , дБмкВ/м

E_мин = 20lg U_мин – G - η_ф + 20 lg2π/λ,

где U_мин — минимальное значение напряжения сигнала изображения, при котором обеспечивается воспроизведение изображения с заданным качеством, мкВ; G — коэффициент усиления приемной антенны, дБ; η_ф - КПД антенного фидера, дБ; λ — длина волны, м.

В условиях приема на границе зоны обслуживания передатчика считают возможным снижение (из-за наличия помех) качества воспроизводимого изображения до удовлетворительного. Такое качество при равномерном спектре шума обеспечивается при значениях С/Ш:

на управляющем электроде кинескопа 30 дБ,

на входе приемника цветного изображения 36 дБ.

Эффективное значение напряжения шумов на входе приемника

U_ш = {k T₀ ∆f/R [(T_а/T₀ – 1) η_ф +N]}^1/2,

где k = 1,38·10^-23 Дж/К; T₀=290 К — стандартная температура окружающей среды; Га — эффективная температура шумов антенны, К; Δf - ширина эффективной полосы шумов приемника, Гц; R - входное сопротивление приемника, Ом; N — коэффициент шума приемника. Для телевизоров черно-белого изображения Af=4,6 МГц, для приемников цветного изображения Δf =5...5,5 МГц [26] (примем Δf = 5 МГц).

Предположим, что вход приемника согласован и R = 75 Ом. Зависимость Г./Гц от частоты представлена кривой на рис.3.15, причем эффективная температура антенны определена с учетом тепловых шумов окружающей среды, шумов радиоизлучения Галактики и шумов сопротивления потерь антенны. Значения остальных параметров, необходимых для расчета, и результаты вычислений минимальной напряженности поля передатчика изображения для диапазонов 1—V следующие

Рис. 3.15. Зависимость отношения T_а/ T₀ от частоты для типовой приемной ТВ антенны

	I	II	III	IV	V
Средняя частота диапазона, МГц	57	87	200	523	747
Относительная температура шумов антенны	14	5,5	1,6	1	1
Коэффициент шума приемника	10	10	10	16	16
Напряжение шумов на входе приемника, мкВ	5,7	4,6	4,0	4,9	4,9
Минимальное допустимое напряжение сигнала на входе приемника, мкВ	360	290	250	310	310
Длина волны, м	5,3	3,4	1,5	0,6	0,4
Коэффициент уcиления приемной антенны, дБ	4	4,5	8	10	10
Коэффициент передачи фидера длиной 15 м, дБ	-1	-1,4	-2,2	-4,2	-5
Минимальная напряженность поля, дБмкВ/м	50	52	55	65	69

4.3.2. Используемая напряженность поля

В табл. 3.25 приведены значения используемой напряженности поля, принятые при планировании [31, ГОСТ 7845-79] и данные МККР [2, Рек. 417-3 и Отчет 409-4]. Значения Рек. 417-3 предназначены для широкого использования, а представленные в Отчет 409-4 — для сельских районов с малой плотностью населения. В последнем случае необходимо применять приемные установки, оборудованные малошумящими антенными усилителями, и приемные антенны с большими коэффициентами усиления.

Таблица 3.25

Принятые при планировании значения используемой напряженности поля,

дБмкВ/м

	Диапазон частот
Стандарт	I		II	III	IV	V
СНГ (ГОСТ 7845—79)	50	54		57	70	70
МККР (Рек. 417-3)	48	—		55	65	70
МККР (Отч. 409-4)	46	—		49	58	64

4.3.3. Напряженность поля для планирования сети ретрансляторов

При планировании сети ТВ ретрансляторов с приемом программы по эфиру шумы определяют минимальную напряженность поля как на границе зоны обслуживания ТР, так и в месте его установки. При эфирной ретрансляции качество приема ТВ сигнала абонентами может дополнительно ухудшаться за счет шумов ТР. Чтобы это ухудшение не было существенным, отношение С/Ш, а следовательно, и уровень сигнала на входе ретранслятора должны быть достаточно высокими. Это требование ограничивает возможность установки ТР за пределами зоны обслуживания головной РПС, так как при этом обеспечение надлежащего уровня напряжения сигнала на входе ретранслятора сопряжено со значительными техническими трудностями и затратами, а иногда и неосуществимо. Таблица 3.26

Значения напряженности поля, дБмкВ/м, используемые при планировании сети

ТВ ретрансляторов

Диапазон частот	Вариант 1		Вариант 2
	Емин	Етр	Емин	Етр
I	50	60	57	51
II	54	60	59	51
III	57	61	62	53
IV	70	68	73	62
V	70	71	74	65

Е_тр - напряженность поля в точке размещения приемной антенны ретранслятора.

Чтобы гарантировать допустимое качество приема цветного изображения у населения, проживающего в зоне обслуживания установленного за пределами зоны головной РПС ТВ ретранслятора, значения напряженности поля на границе зоны обслуживания должны быть увеличены по сравнению с нормируемыми значениями [27].

Рекомендации по выбору места установки ТВ ретрансляторов с эфирным приемом предусматривают два варианта планирования (табл. 3.26).

Вариант 1 предназначен для ТР, обслуживающих «затененные» участки, где непосредственный прием сигналов мощной РПС невозможен, вариант 2 - для ТР, установленных для расширения зоны действия РПС. При втором варианте размеры зоны обслуживания несколько сокращаются по сравнению с первым (при одинаковой мощности ТР), но можно устанавливать ретранслятор за пределами зоны обслуживания головной РПС в местах, где непосредственный прием сигналов мощной станции невозможен из-за значительного удаления.

4.3.4. Методы уменьшения минимальной используемой напряженности поля

Расширения зоны обслуживания, а при неблагоприятных условиях приема — повышения его качества вблизи границ зоны обслуживания, можно добиться путем улучшения характеристик приемной установки. При этом уменьшается значение минимальной используемой напряженности поля.

Наилучшие результаты дает применение антенн с большими коэффициентами усиления и антенных усилителей. Основные параметры индивидуальных телевизионных канальных усилителей УТКТИ и диапазонных УТДИ приведены в табл. 3.27.

Канальный усилитель имеет лучшие характеристики, но он рассчитан на прием одной программы. Чтобы принять две программы, необходимо у каждой антенны установить по канальному усилителю, сигналы с их выходов сложить с помощью суммирующего устройства и затем подать по общему фидеру на вход ТВ приемника.

Если обе ТВ программы передаются либо в III, либо в I—II диапазонах можно применить УТДИ. При этом потребуется одна приемная антенна, hi улучшение отношения С/Ш будет несколько меньше, чем в варианте с использованием УТКТИ. В табл. 3.28 приведены значения выигрыша в отношении С/Ш достигаемого при использовании антенных усилителей, по сравнению с вариантом, когда такой усилитель отсутствует.

Таблица 4.1.27

Значения параметров индивидуальных антенных усилителей

		Диапазон
		I	II	III
УТКТИ	Коэффициент шума, не более Коэффициент усиления, дБ, не менее	3	3	5
		15	15	12
УТДИ	Коэффициент шума, не более Коэффициент усиления, дБ, не менее	9	9	9
		15	15	12

Таблица 4.1.28

Выигрыш в отношении С/Ш, дБ, при применении антенных усилителей

Усилитель	Длина фидера, м	Число программ	Диапазон
			I	II	III
УТКТИ УТДИ	15 30 15 и 30	Одна Две Одна Две Одна Две	2,1 2 2,6 2 1,6 1,5	3,6 3,4 4,5 3,3 1,7 1,5	4,1 3,5 5,8 2,7 2,2 1,7

При этом предполагалось, что в варианте без антенного усилителя при приеме двух программ устройства сложения нет, т. е. возможен прием на одну диапазонную антенну, имеющую такой же коэффициент усиления, как антенны в варианте с антенными усилителями. Если ТВ программы транслируют в разных диапазонах, так что для их приема в любом варианте необходимы разные антенны, то значения выигрыша при применении антенных усилителей по сравнению с приведенными в табл. 4.1.28 возрастут на 3 дБ.

В проведенном выше анализе предполагалось, что коэффициенты усиления приемных антенн в сравниваемых вариантах одинаковы. В действительности, применение канальных антенных усилителей целесообразно сочетать с применением канальных приемных антенн, обладающих по сравнению с диапазонными большими коэффициентами усиления (см. табл. 4.1 и 4.1.7).

Использование приемных антенн с большими коэффициентами усиления дает увеличение отношения С/Ш, численно равное разности значений коэффициентов усиления сравниваемых антенн. Так, применение канальной антенны «волновой канал» по сравнению с диапазонной антенной ИТА-12 позволяет увеличить отношение С/Ш в I—II диапазонах на 7 дБ, а в III — на 6 дБ. Необходимо учесть, что сказанное справедливо при приеме одной программы. Если программ две или более, необходимо сложить сигналы на выходах антенн, но при этом потери при сложении могут превысить выигрыш в усилении антенн. Наилучшие результаты получают при использовании канальных антенн совместно с канальными усилителями.

Если принимаемые программы транслируются на частотах 1—5 или 6—12 каналов, можно применять сдвоенную диапазонную или многоканальную антенну совместно с УТДИ. В этом случае сигналы с ее выходов складываются на входе усилителя; увеличение уровня сигнала на входе усилителя и соответственно повышение отношения С/Ш при этом будет около 3 дБ.

Пример. Две программы на частотах ТВ каналов III диапазона при напряженности поля 53 дБмкВ/м (на 4 дБ меньше минимального значения на границе зоны обслуживания) принимаются с помощью типовой индивидуальной установки, оборудованной диапазонной антенной «волновой канал», длина антенного фидера 15 м. Для улучшения качества приема рекомендуют два варианта.

Вариант 1. Две канальные антенны «волновой канал», два канальных антенных усилителя УТКТИ и суммирующее устройство.

Вариант 2. Сдвоенная диапазонная антенна «волновой канал» и диапазонный усилитель УТДИ.

Tиповая		Вариант 1	Вариант 2
Напряженность поля, дБмкВ/м	53	53	53
Коэффициент усиления приемной антенны, дБ	6,5	7,5	9,5
Напряжение сигнала на выходе приемной антенны, дБмкВ	47,1	48,1	50,1
Напряжение шумов на входе антенного усилителя, дБмкВ	-	10	12
Коэффициент усиления антенного усилителя, дБ	-	12	12
Потери в фидерном тракте, дБ	2,2	5,2	2,2
Напряжение сигнала на входе приемника, дБмкВ	44,9	54,9	59,9
Напряжение шумов на входе приемника, дБмкВ	12,3	18	22,2
Отношение С/Ш на входе приемника, дБ	32,6	36,9	37,7

Как видно, рекомендуемые варианты позволяют улучшить отношение С/Ш примерно на 5 дБ, что обеспечит в данных условиях качество приема выше того, которое нормируют на границе зоны обслуживания при стандартном значении напряженности поля.

4.4. ИСХОДНЫЕ ДАННЫЕ ДЛЯ ПЛАНИРОВАНИЯ ПЕРЕДАЮЩЕЙ СЕТИ ОВЧ - ЧМ ВЕЩАНИЯ

4.4.1. МИНИМАЛЬНАЯ ИСПОЛЬЗУЕМАЯ НАПРЯЖЕННОСТЬ ПОЛЯ

Минимальная используемая напряженность поля Ем„я, дБ, должна превышать напряженность поля суммарных шумов Е_ШS на значение С/Ш, которое определяет качество приема

E_мин ≥ E_ш∑ + С/Ш = Е_ш(50) + ∆F + D_в + С/Ш,

где Е_ШS (50)—медианное значение суммарной напряженности поля всех видов шумов в полосе 1 кГц в децибелах относительно 1 мкВ/м, ΔF — эффективная шумовая полоса приемника в децибелах относительно 1 кГц, D_B — среднегодовое отношение верхней децили к медианному значению напряженности поля шумов.

Медианное значение суммарной напряженности поля шумов, дБ

Е_ш(50) = 10 lg[E²_ш.а(50) + E²_ш.и(50) + E²_ш.пр(50) + E²_ш.г (50)], (4.1)

где E_ш.а(50), E_ш.и(50), E_ш.пр(50), E_ш.г(50) — медианные значения напряженности полей атмосферных шумов, мкВ/м, соответственно зависящие от времени суток, года, географического района и частоты несущего колебания, индустриальных шумов, а также от частоты несущего колебания и от плотности промышленных предприятий в рассматриваемом районе (поэтому местность обычно подразделяют на три-четыре зоны: сельская местность с малым уровнем индустриальных помех, сельская местность со средним уровнем индустриальных помех — пригород, город со средним уровнем индустриальных помех и город с высоким уровнем индустриальных помех), внутренних шумов приемника, пересчитанных к его входу, галактических шумов.

Рассмотрим интенсивность каждого вида шумов в диапазоне ОВЧ, отведенном для организации ЧМ вещания (полосы 66...74 и 87,5...108 МГц), т. е. определим вес каждого из слагаемых (4.2.1).

Для сравнения данные по интенсивности шумов удобно представить в виде эффективного коэффициента шумов антенны, дБ

F_a = 10 lg P_ш / kT₀ ∆F_пр = 10 lg T_a/T₀,

где Р_ш — мощность шума, Вт, получаемая от эквивалентной антенны без потерь; k=l,38-10^-23 джоуль/1 К — постоянная Больцмана; T₀=288 К — относительная температура; ΔF_пp— эффективная шумовая полоса приемника, Гц; Т_а — эффективная температура антенны при наличии внешних шумов, К.

Шумовой коэффициент F_a относится к вертикальной антенне, расположенной низко над поверхностью земли и имеющей высокую проводимость. Для других антенн можно воспользоваться данными, приведенными в [2, Отчет 670].

Коэффициент шума однозначно связан со среднеквадратическим значением напряженности поля шумов в точке приема Е_ш.

Напряженность поля в дБ относительно 1 мкВ/м (измеряемая приемником с полосой 1 кГц на частоте f, МГц)

E_ш = F_a – 65,5 + 20 lg f. (4.2)

Данные F_a по атмосферным помехам и галактическим шумам представлены в [2, Отчет 322-й, Отчет 258-3] по индустриальным помехам.

Таблица 4.2.2

Расчетные значения напряженностей шумов, дБ

Обозначения на рис.4.2.2	Местность	f=70 МГц		f=104 МГц
		Еш (50)	ЕшS	Еш (50)	ЕшS
1 2 3	Город с высоким уровнем шумов Город со средним уровнем шумов Сельская местность со средним уровнем шумов	-3,1 -7,1 -12,1	32,4 28,4 17,9	-3,7 -8,7 -13,7	32,2 26 19,8

Рис. 4.2.2. Зависимости коэффициента шума на входе приемника F_а от частоты

Внутренние шумы приемника определяются в основном шумами первого каскада и выражаются через коэффициент шума четырехполюсника

F_a = P_ш.вых / k T₀ ∆F_пр k_р.ном ,

где Р_ш.вых - мощность шума, выделяемая на выходной нагрузке четырехполюсника; k_{р ном} - номинальный коэффициент усиления четырехполюсника по мощности. Отношение Р_ш.вых/k_р.ном представляет собой мощность внутренних шумов приемника, пересчитанных ко входу, т. е. Р_ш.пр=Р_ш.вых/k_р.вых .

Зависимости значения коэффициента шума от частоты для различных транзисторов, используемых в бытовой радиоаппаратуре, представлены на рис. 4.2.2. Они построены с учетом того, что коэффициент шума возрастает на 2 ... 3 дБ, если первый каскад радиоприемника преобразовательный (это имеет место в радиоприемниках ниже второго класса качества). С учетом этих зависимостей можно утверждать, что основным весом в (4.2.1) в диапазоне частот 66...108 МГц обладают индустриальные шумы, т.е.

E_ш(50) ≈ E_ш.и(50).

Учтя возможность приема на встроенную штыревую антенну, можно рассчитать значение Е_ш(50). Приняв шумовую полосу приемника равной 200 кГц и значения верхней децили, приведенные в [2, Отчет 258-3] в соответствии с (4.2.3), можно рассчитать значение Е_ШS; . Результаты расчетов Яш (50) и Е_ШS для районов с разным уровнем индустриальных шумов приведены в табл. 4.2.2.

Для определения минимальной используемой напряженности поля необходимо задаться отношением С/Ш, при котором обеспечивается требуемое качество приема.

Отношение С/Ш, дБ, не менее при входном сигнале 1 мВ [35] для радиоприемников классов сложности:

высшей………………………………………………………………………60

первой и второй……………………………………………………………..50

Защищенность, дБ, от интегральной помехи в монорежиме для

каналов:

высшего класса……………………………………………………………55

первого класса…………………………….………………………………52

второго класса……………………………………….……………………46

Исходя из этих значений и учитывая выигрыш за счет использования ЧМ и предварительной коррекции передаваемого сигнала, определим требуемое отношение С/Ш на входе приемного устройства.

Выигрыш в отношении С/Ш, дБ, при применении ЧМ по сравнению с AM пропорционален отношению девиации частоты Д/с к высшей частоте модулирующего сигнала Ры [43]

(U_c /U_ш)_вых = 10lg [(U_c /U_ш)]_вх (∆f_c / F_м).

В реальных условиях этот выигрыш полностью не реализуется из-за неидеального подавления в приемнике паразитной AM. Как показано в [38], для ликвидации AM необходимо ее подавление в приемнике не менее 26 дБ для моноприема и 14 дБ для стереоприема при FM = 15 кГц. Несмотря на менее жесткие условия для степени подавления при стереоприеме эти значения должны выдерживаться во всей полосе занимаемой КСС, т.е. до 46,25 кГц. Исходя из изложенного, значение коэффициента относительного подавления амплитудной модуляции при ЧМ сигнале, дБ, (Коп am) нормируется [35] для приемников классов сложности:

высшего………………………………………………………………………...30

первого……………………………………………………………………….....26

второго……………………………………………………………………….....22

третьего………………………………………………………………………....20

Для повышения помехоустойчивости при приеме сигнала с ЧМ применяют метод предыскажений. Учтя, что спектр модулирующего речевого или музыкального сигнала распределен неравномерно по частоте, на передающем конце тракта вводят предыскажение, поднимающее высокочастотную часть спектра модулирующего сигнала. В приемнике же это предыскажение компенсируют и вместе с компенсацией предыскажения одновременно понижают уровень помех в верхней части спектра звуковых частот. Сквозная АЧХ всего тракта для полезного сигнала остается неизменной. В СНГ и других европейских странах принята характеристика предыскажения, идентичная кривой полной проводимости по частоте для параллельной резистивно-емкостной схемы с постоянной времени t = 60 мкс.

С учетом изложенного и при условии равенства максимальной воспроизводимой частоты FM при AM и ЧМ можно определить выигрыш и в помехоустойчивости соответственно от флуктуирующих и импульсных помех за счет применения ЧМ с предыскажением по отношению к AM [45] для основного канала ЧМ вещания, т.е. для моноприема:

B_фл = ∆f_c² F_м / 10[K₁² η(F_м) + ξ(F_м)]

B_имп = ∆f_cF_м/√10[K₁λ(K₁)+ψ(F_м)- ψ(K₁)]

Для оценки помехоустойчивости дополнительного канала при стереовещании необходимо определить ухудшение относительно помехоустойчивости идеального приема основного канала. Как показано в [39], при использовании в качестве моделей уплотнения дополнительного канала балансной амплитудной модуляции (БАМ) и AM, являющимися предельными решениями частичного подавления несущей в системе с полярной модуляцией ухудшения помехоустойчивости соответственно при флуктуационной и импульсной помехах:

,

где Δf — максимальная девиация частоты несущей спектром поднесущей при уплотнении канала, F — номинальное значение поднесущей частоты сигнала, где Δf_с и F_м то же, что и в (4.2.4);

;

Таблица 4.2.3

Расчетные значения выигрыша в помехоустойчивости

Коп АМ, дБ	10	14	20	30	40	µ
•Вфл, дБ	15,1	18,4	22,5	24,8	25,0	25,4
Вимп, ДБ	16,5	20,1	23,6	25,5	25,8	25,8

Таблица 4.2.4

Расчетные значения ухудшения помехоустойчивости

Модуляция поднесущей	БАМ	AM
Yфл, дБ	30	36
Yимп. дБ	28	34

Таблица 4.2.5

Расчетные значения минимальной напряженности поля, дБ

Обозначение на рис. 4.2.2,	Местность	f=70 МГц		f=104 МГц
		моно	стерео	моно	стерео
1 1 3	Город с высоким уровнем шумов Город со средним уровнем шумов Сельская местность со средним уровнем шумов	60 56 46	75 71 61	60 54 48	75 69 63

Результаты расчета В_фл и В_имп для разных значений К_{оп АМ} при F_м= 15 кГц и Δf_с = ±50 кГц, проведенные на основе (4.2.5) и (4.2.6) [45], даны в табл. 4.2.3.

Из расчетов с использованием (4.2.7) - (4.2.10) получены [39] предельные значения ухудшения помехозащищенности относительно помехоустойчивости идеального приема основного канала при К_{оп АМ}=µ. Результаты расчетов для F_м = 15 кГц, F_ω=31,25 кГц и Δf_ω =15 кГц приведены в табл. 4.2.4.

Как видно из табл. 4.2.4, применение уплотнения в основном канале резко снижает помехозащищенность системы стереоприема. Однако как показано в {38], такое ухудшение существует только при очень слабых сигналах и условии идеального подавления паразитной AM. Измерения, проведенные на большом числе приемников при сигнале 100 мкВ, показали, что ухудшение помехозащищенности при переходе от моно к стереоприему составляет около 15 дБ. При увеличении входного сигнала это число меньше. По данным табл. 4.2.2, 4.2.3 с учетом ухудшения помехозащищенности при стереоприеме 15 дБ по (4.2.1) рассчитывают значение Е_мин. Результаты расчета при B=23 дБ и Y =15 дБ приведены в табл. 4.2.5.

При учете того, что граница зоны обслуживания проходит, как правило, по сельской местности и что расчетное значение Е_мин>100 мкВ/м, для планирования были приняты следующие значения E_мин дБ, для служб вешания:

Монофонического в диапазонах

66...74 МГц………………………………………………………………46

100...108 МГц……………………………………………………………48

Стереофонического в диапазонах

66...74 и 100...108 МГц.…………………………………………………54

4.4.2. Частотные присвоения в сетях

4.4.2.1. Параметры полезных и мешающих станций

Зона обслуживания станции. Зона обслуживания ТВ или ОВЧ ЧМ станции представляет собой территорию, в пределах которой для напряженностей полей полезной станции, используемой и минимальной используемой, выполняются следующие условия

Е_пол≥ Е_исп ≥ Е_мин.

Первое неравенство характеризует совместное действие помех, создаваемых мешающими станциями. Оно обращается в равенство на границе зоны обслуживания. Второе неравенство становится равенством, корда уровень помех мешающих станций значительно меньше уровня шумов. При этом зона обслуживания на равнинно-холмистой местности оказывается максимальной и представляет собой круг для ненаправленной передающей антенны. Значения минимальной используемой напряженности поля для разных частотных диапазонов ТВ вещания приведены в разд. 3 и ОВЧ - ЧМ вещания - в разд. 4.

Полезные станции. В расчетах, связанных с полезной станцией, используются следующие параметры: эффективная излучаемая мощность Р_S; эффективная высота передающей антенны h_1эф; напряженность поля на границе зоны обслуживания Е_пол; радиус зоны обслуживания К_пол (расстояние от полезной станции до мест приема, в которых напряженность поля составляет Е_пол). Эти параметры связаны между собой так, что по любым трем из них находится четвертый. Например, радиус зоны обслуживания рассчитывают следующим образом. Для известных. Е_пол, дБ, и Р_S, дБкВт, определяют медианное значение напряженности поля для 50% мест приема и 50% времени приема, дБ

Затем по кривым распространения (см. рис. 2.8-2.10) находят R_пол по известной h_1эф (см. пп. 4.3.1.4, пример 1). Участвующую в расчетах эффективную высоту передающей антенны определяют по (2.25).

Мешающие станции. Любая полезная станция становится мешающей по отношению к другим. Обычно сигнал мешающей станции в местах приема является тропосферным. Такой сигнал наблюдают при распространении за пределами прямой видимости. Но иногда сигнал мешающей станции оказывается постоянно действующим. Данный случай наблюдается при распространении сигнала в пределах прямой видимости от мешающей станции.

При тропосферной помехе в расчетах используют кривые распространения Е(50,10) в метровом диапазоне волн для телевидения и моно ОВЧ ЧМ вещания и Е(50, 1) в дециметровом диапазоне волн для телевидения и стерео ОВЧ-ЧМ вещания.

В расчетах, связанных с мешающей станцией, используют параметры, аналогичные параметрам полезной станции: эффективная излучаемая мощность Р_Sмеш, эффективная высота передающей антенны h_1эф.меш; напряженность поля на границе зоны помех E_меш радиус зоны помех E_меш (расстояние от мешающей станции до мест, в которых напряженность поля составляет E_меш). Кроме того, вводят дополнительную напряженность поля мешающей станции, E_пом, которую обычно называют напряженностью поля помех. Она характеризует напряженность поля E_меш с учетом результирующего защитного отношения А_Sт

Е_пом = Е_меш + А_Sт ,

где все величины выражаются в децибелах.

В расчетах удобнее использовать значения E_пом и А_Sт, т. е. получать пить связанных друг с другом параметров Р_Sмеш > h_1эф.меш, E_пом , А_Sт , R_меш , из которых по любым четырем можно найти пятый.

Например, напряженность поля помех рассчитывают следующим образом. Для известных h_1эф.меш и R_меш по кривым распространения (см. рис. 2.15—2.17) находят E(50, 10) или E(50, 1). Для известных Р_Sмеш , дБкВт, и А_Sт, дБ, учтя (4.3.3) и (4.3.2), определяют напряженность поля помех, дБ

При необходимости в (4.3.4) и (4.3.5) вместо E(50, 10) подставляют E(50, 1) (см. пп. 4.3.1.4, пример 2).

При постоянно действующей помехе в расчетах используют кривые распространения E(50,50) и напряженность поля помех, дБ,

где А_Sc - результирующее защитное отношение при постоянно действующей

помехе, дБ.

Четкого разделения областей тропосферной и постоянно действующей помех нет. Поэтому во многих случаях по (4.3.5) и (4.3.6) рассчитывают две напряженности поля помех мешающей станции E_пом и E_пом.с, затем сравнивают их друг с другом и за E_пом считают большую из них (см. пп. 4.3.1.4, пример 3).

Результирующее защитное отношение. Значения защитных отношений но помехам совмещенных смежных каналов и другим видам помех приведены в разд.3 для ТВ вещания и в разд.4 для ОВЧ - ЧМ вещания. Существуют поправки к этим значениям, которые уменьшают защитное отношение. В расчетах значение защитного отношения берут с поправками.

При тропосферной помехе результирующее защитное отношение, дБ, учитывает поправки.

Поправка ΔА_СНЧ касается только ТВ вещания, и вводят ее при работе передатчиков полезной и мешающей станций в совмещенном канале с разными СНЧ. Значения поправки приведены в табл. 4.3.1 и составляют 0 дБ, когда разность между СНЧ передатчиков равна 0 или 15,6 кГц (период строчной частоты) и возрастают до 18 дБ при 7,8 кГц (полупериод строчной частоты).

Поправку ΔА_пол вводят при ортогональной поляризации передающих антенн полезной и мешающей станций. В расчетах принимают =10 дБ для тех мест приема в зоне обслуживания полезной станции, в которых сигнал мешающей ставции принимается на главный лепесток приемной антенны, и ΔА_пол = 5 дБ для тех мест, в которых прием идет по боковым и задним лепесткам.

Поправка ΔА_ант учитывает помехозащищенность приемных антенн телевизоров или радиоприемников и составляет 0 дБ для тех мест приема в зоне обслуживания полезной станции, в которых сигнал мешающей станции принимается на главный лепесток приемной антенны и возрастает при ТВ вещании до 6, 12, 16 дБ в I-II, III, IV-IV диапазонах соответственно, а при стерео ОВЧ ЧМ вещании до 12 дБ для тех мест, в которых прием идет на боковые и задние лепестки. При моно ОВЧ ЧМ вещании поправка составляет 0 дБ.

Таблица 4.3.1

Поправка, учитывающая разность СНЧ передатчиков полезной и мешающей станций

Поправка, дБ	0	1	5	11	15	17	18
Разность СНЧ по модулю: в долях строчной частоты, кГц	0; 12 0; 15,6	1; 11 1,3; 14,3	2; 10 2,6; 13	3; 9 3,9; 11,7	4; 8 5,2; 10,4	5; 7 6,5; 9,1	6 7,8

При расчетах можно ограничиться вычислением минимального и максимального значений ΔА_ант. Это объясняется тем, что существуют две характерные области на границе зоны обслуживания станции, в одной из которых напряженность поля помех мешающей станции оказывается наибольшей. Указанные области располагаются на прямой, соединяющей полезную и мешающую станции (рис. 4.3.1). На прямом направлении имеет место влияние в пределах заднего лепестка приемных антенн, на обратном - в пределах главного лепестка. В рассмотренных случаях расстояние между полезной и мешающей станциями, км,

где знак «+» соответствует влиянию мешающей станции с прямого направления, а знак «-» влиянию с обратного. Необходимо отметить, что у мощных станций, имеющих значительные размеры зоны обслуживания, обычно преобладает влияние с прямого направления, а у маломощных станций с их малыми зонами обслуживания - с обратного.

При постоянно действующей помехе результирующее защитное отношение, дБ, по аналогии с (4.3.7):

где A_c — защитное отношение при постоянно действующей помехе, дБ. Значения защитных отношений A_с для ТВ вещания приведены в разд. 3 и для ОВЧ ЧМ вещания - в разд. 4 (см. пп. 4.3.1.4, пример1 4).

Учет сферичности Земли. При выполнении частотного планирования требуется определить геометрические величины, для точного расчета которых нужно пользоваться формулами сферической тригонометрии.

Географические координаты (широта и долгота) точки приема относительно полезной станции, град.:

где j_пол, λ_пол - широта и долгота местоположения полезной станции, град.; R_пом - расстояние от полезной станции до точки приема, км; j - азимут точки приема относительно направления на север, отсчитываемый в месте расположения полезной станции по часовой стрелке, град.; а - радиус Земли, а = 6370 км. Расчет относительно мешающей станции выполняется по аналогичным формулам.

Рис. 4.3.1. Воздействие мешающей станции на зону обслуживания с направлений:

а — прямого; б — обратного

Расстояние между полезной и мешающей станциями, км:

(4.3.11)

где j_меш, λ_меш - широта и долгота местоположения мешающей станции, град. Расстояния между полезной станцией и точкой приема, а также между мешающей станцией и точкой приема вычисляют аналогично.

Отсчитываемый в точке приема угол между направлениями на полезную и мешающую станции, град.:

,

где 0°£θ_пр£180°, R_меш - расстояние между мешающей станцией и точкой приема, км. Угол, вычисляемый по (4.3.12), определяет поправки к значению защитного отношения, учитывающие помехозащищенность приемных антенн телевизоров или радиоприемников и ортогональность поляризации передающих антенн полезной и мешающей станций.

В реальных условиях R_пол/а<<1, поэтому в (4.3.10) и (4.3.12) можно вводить упрощения: sim R_пол/а и cos R_пол/а ≈ 1.

4.4.2.2. Зона обслуживания станции

Общие сведения. Для расчета зоны обслуживания станции необходимо знать местоположения полезной и мешающих станций, технические параметры станций и используемые ими частотные присвоения. Расчет заключается в выборе нескольких азимутальных направлений, на каждом из которых путем последовательных приближений находят радиус зоны обслуживания. Для любой точки рассчитывают напряженность поля помех мешающих станций с последующим вычислением их совместного действия. Зону обслуживания получают соединением концов радиусов отдельных азимутальных направлений плавной линией. Полный расчет по такой методике оказывается довольно трудоемким и занимает много времени. Приведем несколько вариантов расчета.

Одна мешающая станция. В этом случае используемая напряженность поля равна напряженности поля помех мешающей станции. При этом условия, определяющие зону обслуживания полезной станции (4.3.1), запишутся в виде

Как это следует из (4.3.13), на границе зоны обслуживания напряженность поля полезной станции равна напряженности поля помех мешающей станции

.

Зону обслуживания станции обычно рассчитывают для нескольких азимутальных направлений, расположенных в пределах от 0 до 360°, причем в первую очередь на прямом и обратном направлениях по отношению к мешающей станции. Считаются известными: местоположения полезной и мешающей станций (географические координаты); эффективные излучаемые мощности полезной и мешающей станций Р_∑ и Р_∑меш, дБкВт; эффективные высоты передающих антенн h_1эф и h_1эф.меш, м; частотные присвоения полезной и мешающей станций, включающие в себя каналы, СНЧ передатчиков станций (только для ТВ станций), поляризации передающих антенн.

Расчет на одном азимутальном направлении выполняют следующим образом. По методике, описанной в пп. ,4.3.1.1, находят максимальный радиус зоны обслуживания R_пол. По (4.3.7) и (4.3.9) вычисляют результирующее значение защитного отношения. По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяют напряженность поля помех Е_пом мешающей станции в точке приема на расстоянии R_меш. Проверяют выполнение (4.3.14). Если Е_пол Е_пол, ≥ Е_пол расчет считается законченным и найденный выше радиус зоны обслуживания, на котором Е_пол = Е_меш, будет радиусом в выбранном азимутальном направлении. При Е_пол<Е_пом расчет повторяют для другого значения напряженности поля полезной станции. В результате выполнения нескольких расчетов последовательно приближаются к (4.3.14) (см. пп. 4.3.1.4, пример 5).

Необходимо отметить, что при выполнении второго и последующих расчетов можно изменять не напряженность поля полезной станции, а радиус зоны обслуживания. В таком случае напряженность поля полезной станции определяется через радиус зоны обслуживания.

Несколько мешающих станций. В этом случае необходимо учитывать множественность помехи. Наиболее широко известные статистические методы расчета помех, создаваемых несколькими источниками, рассмотрены в [2]. В ТВ и ОВЧ ЧМ вещании используют упрощенный метод умножения [2, Отч. 945].

Совместное влияние нескольких мешающих станций учитывают через используемую напряженность поля, которая определяет зону обслуживания полезной станции. Как это следует из условий (4.3.1), на границе зоны обслуживания

.

Зону обслуживания станции рассчитывают в той же последовательности, как и для одной мешающей станции, для тех же данных по всем мешающим станциям. По (4.3.7) и (4.3.9) вычисляют результирующее значение защитного отношения по каждой мешающей станции.

Для напряженности поля помех определяют вспомогательную величину

,

где Е_пом i - напряженность поля помех i-й мешающей станции, дБ; σ_L - стандартное отклонение местностного распределения напряженности поля, дБ. Используемую напряженность поля Е_исп определяют из (4.3.15). На первом шаге расчета Е_пол=Е_мин. Стандартное отклонение местностного распределения считают одинаковым для полезной и мешающей станций (см. разд. 2). Через табличный интеграл вероятности нормального распределения определяют мест-ностную вероятность обеспечения приема для каждой напряженности поля помех, представленной (4.3.16):

.

Значения нормальной функции распределения приведены в Приложении 4.2. Величину (4.3.17) можно вычислить, аппроксимировав интеграл следующим полиномом:

при

.

Член е(х) представляет собой погрешность между аппроксимированным и точным значениями величины, полученной с помощью интеграла вероятности. Так как ε(х) £2,5-10^-4, то эту погрешность в расчетах можно не учитывать. Обычно (4.3.17) пользуются при выполнении ручных расчетов, а (4.3.18)-машинных.

Местностную вероятность обеспечения приема для я напряженностей полей помех определяют через произведение отдельных вероятностей:

.

При выполнении условия имеет место вероятность обеспечения 50% мест приема и 90% времени приема при расчете напряженности поля помех по кривой распространения Е(50, 10) и 99% времени приема при использовании кривой распространения Е(50, 1). Необходимо отметить, что раньше в ТВ и ОВЧ-ЧМ вещании вероятность р₀ = 0,45, т.е. находили вероятность обеспечения 45% мест приема. Если р≥0,5, расчет считается законченным и найденный выше радиус зоны обслуживания, на котором Е_пол=Е_мин, будет радиусом зоны обслуживания в выбранном азимутальном направлении. При р₀<0,5 расчет повторяют для другого значения напряженности поля полезной станции. В результате нескольких расчетов последовательно приближаются к выполнению (4.3.20). Если в двух последовательных расчетах одно из значений р₀>0,5, а другое - меньше, то напряженность поля полезной станции может быть вычислена методом линейной интеграции.

Как и при одной мешающей станции, при втором и последующих расчетах можно изменять не напряженность поля полезной станции, а радиус зоны обслуживания.

Такой расчет зоны обслуживания по нескольким направлениям оказывается очень трудоемким, поэтому его выполняют только на ЭВМ.

Упрощенный расчет. При расчете зон обслуживания маломощных станций необходимо сделать упрощения:

Условия:

1. Радиус зоны обслуживания маломощной станции невелик. Даже при отсутствии мешающих сигналов на границе зоны обслуживания он не превышает 10... 12 км. Изменение уровня мешающего сигнала в пределах зоны обслуживания обычно мало и не превышает ±2 дБ. Будем считать значения напряженностей полей мешающих станций в пределах зоны обслуживания постоянными.

2. В качестве напряженности поля помех каждой мешающей станции будем брать наибольшую из создаваемых ею на границе зоны обслуживания. Кроме того, будем считать, что наибольшие значения напряженностей полей помех мешающих станций относятся к любой точке зоны обслуживания и, в частности, к месту установки полезной станции.

3. Используемая напряженность поля, дБ

Е_исп = _Епом.и + (3…5),

где E_пом.и - наибольшая из напряженностей полей помех мешающих станций, дБ. Добавка 3... 5 дБ в (4.3.21) учитывает влияние других мешающих станций.

Расчет. Известными считают те же данные, что и при расчете для нескольких мешающих станций. По (4.3.7) и (4.3.9) вычисляют результирующее защитное отношение по каждой мешающей станции. При этом вводят поправку DA_ант = 0, соответствующую влиянию мешающей станции с обратного направления. По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяют напряженности поля помех каждой мешающей станции в месте установки полезной станции и выбирают наибольшую из них. По (4.3.21) вычисляют используемую напряженность поля. На основании (4.3.1) принимают Е_пол = Е_исп. По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяют радиус зоны обслуживания.

Если расстояния между полезной и каждой из мешающих станций удовлетворяют условию r_ст≥r_пол, расчет считается законченным и найденный радиус будет радиусом круговой зоны обслуживания. Если для одной или нескольких мешающих станций указанное выше условие не выполняется, то уточняют значения напряженностей полей помех. При этом вычисляемый на основании (4.3.8) радиус зоны помех, км

r_меш = r_ст + r_пол.

Затем, при необходимости, уточняют значения используемой напряженности поля и радиуса зоны обслуживания.

Расчет используемой напряженности поля в точке подробно рассмотрен в.

Условия. Обычно точки выбирают в пределах зоны обслуживания полезной станции, в частности в месте ее установки. Расчет позволяет оценить через значение используемой напряженности поля совместное действие помех, создаваемых мешающими станциями. В расчете в явном виде не участвует полезная станция.

Расчет. Считаются известными: местоположения мешающих станций (географические координаты); эффективные излучаемые мощности мешающих станций Р_∑меш, дБкВт; эффективные высоты передающих антенн h_1эф.меш, м; частотные присвоения полезной и каждой мешающей станций, включающие в себя каналы, СНЧ передатчиков станций (только для ТВ станций), вид поляризации передающих антенн. Необходимо отметить, что помехозащищенность приемных антенн телевизоров или радиоприемников в данном расчете не учитывается в месте установки станции.

По (4.3.7) и (4.3.9), из которых исключается поправка DA_ант, вычисляют результирующее защитное отношение по каждой мешающей станции. По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяют напряженности поля помех каждой мешающей станции в точке расчета. Задаются значением используемой напряженности поля. Опыт показал, что целесообразно начинать расчет со значения Е_исп, которое на 6 дБ превышает наибольшую из напряженностей полей помех. По (4.3.16), (4.3.17) или (4.3.18) вычисляют промежуточные величины, а по (4.3.19)-местностную вероятность обеспечения. По (4.3.20) проверяют условие того, что обеспечивается вероятность обеспечения 50% мест приема.

При р₀ = 0,5 расчет считают законченным, при р₀≠0,5 его повторяют для другого значения используемой напряженности поля.

В результате нескольких расчетов последовательно приближаются к значению р₀ = 0,5. Если в двух последовательных расчетах одно из значений р₀>0,5, а другое меньше, то используемая напряженность поля может быть вычислена методом линейной интерполяции.

Необходимо отметить, что при расположении мешающих станций на больших расстояниях от полезной станции может оказаться Е_исп<Е_мип, что справедливо в пределах зоны, так как не учитывались шумы (см. пп. 4.3.1.4, пример 6).

4.4.2.3. Выполнение отдельных частотных присвоений

Исходные положения. Необходимость в новых частотных присвоениях возникает в процессе реализации существующих частотных планов основных сетей ТВ и ОВЧ-ЧМ вещания, а также при развитии вспомогательной сети маломощных станций. В телевидении частотное присвоение - это частотный канал с двумя параметрами (СНЧ передатчика и поляризация передающей антенны станции), в ОВЧ-ЧМ вещании - частотный канал с одним параметром (поляризация передающей антенны станции). Частотное присвоение всегда связано со станцией, имеющей определенные технические параметры, т. е. эффективную излучаемую мощность и эффективную высоту передающей антенны; местоположение (географические координаты).

Выполнить частотное присвоение в пункте это значит выбрать канал с конкретными параметрами из некоторого числа каналов по определенному критерию эффективности, в качестве которого обычно используют площадь зоны обслуживания. Для выявления наилучшего частотного присвоения необходимо рассчитать зону обслуживания станции каждого из рассматриваемых каналов при разных значениях параметров. Поэтому выполнение частотного присвоения - это более трудоемкая задача по сравнению с расчетом зоны обслуживания станции. Особенно большое число расчетов получается для ТВ вещания: в каждом канале существует 46 значений параметров (23 значения СНЧ передатчика и два значения поляризации передающей антенны станции). Такой огромный объем расчетов требует значительного времени даже при использовании ЭВМ.

Указанное обстоятельство вынуждает во многих случаях выполнять частотные присвоения с использованием упрощений, а именно, на основе упрощенного расчета зоны обслуживания станции или на основе расчета используемой напряженности поля в точке, в качестве которой выбирается место установки вводимой станции. При упрощенном выполнении частотных присвоений их эффективность оценивают по наименьшему значению используемой напряженности поля.

Частотные присвоения на основе упрощенного расчета зоны обслуживания станции. Упрощенный расчет зоны обслуживания станции рассмотрен в пп. 4.3.1.2. Им пользуются при расчетах маломощных станций вспомогательных сетей вещания.

В сети ТВ вещания учитывают все станции действующей сети и мощные станции перспективного частотного плана. При одновременном выполнении частотных присвоений для нескольких станций каждое последующее выполняют с учетом произведенных ранее в порядке уменьшения мощностей передатчиков вводимых станций. По вводимой станции считаются известными: требуемое значение радиуса зоны обслуживания и ее конфигурация; каналы, которые уже используются для ТВ вещания в рассматриваемом пункте; способ приема новой ТВ программы.

Место установки вводимой станции обычно определяется требуемыми размерами зоны обслуживания и ее конфигурацией.

При форме зоны обслуживания, близкой к круговой, станцию целесообразно располагать в центре зоны и использовать антенну с круговой диаграммой направленности в азимутальной плоскости. При вытянутой форме зоны рекомендуется применять антенну, диаграмма направленности которой может задать место установки станции. Иногда место установки вводимой станции выбирать не требуется, например при организации в рассматриваемом пункте второй и последующих ТВ программ или при установке антенны вводимой станции на опоре станции РЛЛ.

При организации многопрограммного ТВ вещания из-за взаимных помех не могут быть использованы в одном пункте каналы: совмещенные; смежные; гетеродинные; зеркальные. Сочетания несовместимых в одном пункте передающих ТВ каналов метрового и дециметрового диапазонов волн представлены соответственно в табл. 3.23 и 3.24. эфирном приеме ТВ программы по техническим причинам невозможно использовать некоторые передающие каналы. Сочетания несовместимых приемопередающих каналов для РПТН, РЦТА (с наличием ПМТ), РПТДА, ТРА приведены соответственно на рис. 4.3.2... 4.3.5. Следует отметить, что при эфирном приеме ТВ программы необходимо предварительно выбрать тип применяемого оборудования уже на данном этапе. Частотное присвоение выполняют на основе сопоставления помеховой ситуации в рассматриваемом пункте в каналах, оставшихся после проверки на несовместимость. Начинают его с рассмотрения каналов метрового диапазона волн.

Отбор пригодных каналов выполняют по напряженности поля помех мешающих станций, расположенных в соседних населенных пунктах и работающих в совмещенных, смежных, гетеродинных и зеркальных каналах относительно рассматриваемого.

Совмещенные каналы отбирают следующим образом. Из рассмотрения исключают каналы, в которых работают мешающие станции, создающие очень большие напряженности поля помех в месте установки вводимой станции, а также расположенные от вводимой на расстояниях, меньших минимально допустимых.

Рис. 4.3.2. Сочетания несовместимых приемопередающих каналов в ретрансляторе РПТН

Рис. 4.3.3. Сочетания несовместимых приемопередающих каналов ретранслятора РЦТА с приемным устройством ПМТ

Рис. 4.3.4. Сочетания несовместимых приемопередающих каналов ретранслятора РПТДА

Рис. 4.3.5. Сочетания несовместимых приемопередающих каналов ретранслятора ТРА-10

За минимально допустимые расстояния принимают радиусы зон помех, которые соответствуют значениям напряженности полей помех 71, 75, 78, 91 дБ для I, II, III, IV-V диапазонов соответственно. Приведенные цифры представляют собой увеличенные на 21 дБ значения минимальных используемых напряженностей полей. При отборе технические характеристики мешающих станций можно оценивать приблизительно.

Смежные, гетеродинные и зеркальные каналы отбирают следующим образом. Из дальнейшего рассмотрения исключают каналы, в которых зоны обслуживания вводимой станции и станций, работающих в перечисленных каналах, пересекаются. В каналах, прошедших отбор, рассчитывают помеховые ситуации по мешающим станциям, работающим в совмещенных каналах. По каждой мешающей станции считаются известными: местоположение (географические координаты); эффективная излучаемая мощность Р2меш, дБкВт; эффективная высота передающей антенны h_1эф.меш, м; частотное присвоение, включающее в себя канал, СНЧ передатчика и поляризацию передающей антенны станции. В каждом канале мешающие станции целесообразно рассматривать в порядке уменьшения мощности передатчиков.

Исключают мешающие станции, которые создают малые напряженности поля помех в месте установки вводимой станции, а также расположенные от вводимой станции на расстояниях, больших максимально допустимых. За максимально допустимые расстояния принимают радиусы зон помех, которые соответствуют значениям напряженностей полей помех 44, 47, 51, 64 дБ для I, II, III, IV-V диапазонов соответственно; приведенные цифры представляют собой уменьшенные на 6 дБ значения минимальных используемых напряженностей полей.

Расчет в отдельном канале. По (4.3.7) и (4.3.9) вычисляют результирующее значение защитного отношения по каждой мешающей станции, работающей в том же канале. При этом поправка DA_ант=0 соответствует влиянию мешающей станции с обратного направления и DA_СНЧ=0. Кроме того, считается, что поляризация передающей антенны вводимой станции горизонтальная. Необходимо отметить, что в ТВ и ОВЧ ЧМ вещании таким антеннам отдается предпочтение. Отражение вертикально поляризованных волн от местных предметов оказывается более сильным, чем горизонтально поляризованных [48] в условиях горной местности.

По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяют напряженности поля помех каждой мешающей станции в месте установки вводимой станции.

Для вводимой станции СНЧ передатчика определяют следующим образом. Напряженность поля помех мешающей станции, рассчитанная при DA_СНЧ=0, соответствует случаю, когда СНЧ передатчика вводимой станции равна СНЧ передатчика мешающей станции. При других значениях СНЧ передатчика напряженность поля помех, дБ:

,

где Е_{пом 0} — напряженность поля помех при DA_СНЧ=0.

Значение входящей в (4.3.23) поправки DA_СНЧ определяют по табл. 4.3.1. Напряженность поля помех по (4.3.23) рекомендуется рассчитывать для 12 значений СНЧ передатчика вводимой станции в пределах 0... 14,3 кГц. Если значение СНЧ передатчика мешающей станции отрицательно, то его предварительно переводят в разнозначное положительное, кГц:

СНЧ₊ = СНЧ_-+15,6.

Расчет по (4.3.23) выполняют для всех мешающих станций. Затем для каждого значения СНЧ передатчика вводимой станции определяют наибольшую напряженность поля помех, а уже из них выбирают наименьшее значение напряженности. Передатчику вводимой станции присваивается значение СНЧ, соответствующее выбранной напряженности поля помех. По (4.3.21) вычисляют используемую напряженность поля через выбранную напряженность поля помех.

Расчеты в остальных каналах выполняют аналогично. В результате получают набор каналов с конкретными значениями СНЧ передатчика вводимой станции при горизонтальной поляризации передающей антенны. Наилучшее частотное присвоение выбирают по наименьшему значению используемой напряженности поля при сопоставлении каналов одного частотного диапазона. При сопоставлении каналов разных частотных диапазонов частотное присвоение выбирают по наименьшей разности между используемой напряженностью поля и минимальной используемой напряженностью поля.

При выполнении частотных присвоений необходимо учитывать следующее. В первом и втором каналах метрового диапазона волн (особенно в первом канале) наблюдаются сильные помехи от сверхдальнего приема ТВ сигналов, отражающихся от ионосферы. В дециметровом диапазоне волн предпочтение отдают более низкочастотному каналу. Качество ТВ изображения в дециметровом диапазоне волн, получается выше, чем в метровом. Последнее объясняется тем, что отраженные от местных предметов сигналы сильнее проявляются в метровом диапазоне волн, например на экранах телевизоров довольно часто просматриваются вертикальные полосы. В дециметровом диапазоне волн эти полосы обычно не появляются, а вероятность появления повторных изображений меньше [48].

Выбор оборудования. По конкретному типу оборудования с учетом ненаправленной или направленной антенны и длины фидера определяют эффективную излучаемую мощность станции по (2.2). Эффективную высоту передающей антенны рассчитывают по (2.25).

На основании (4.3.1) принимают напряженность поля вводимой станции Е_поп = Е_исп. По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяют радиус зоны обслуживания. Если для какой-либо из мешающих станций не выполняется условие R_ст>>R_пол, уточняют значение напряженности поля помех для радиуса зоны помех (4.3.22). Частотное присвоение и тип оборудования считаются выбранными, если рассчитанный радиус не превышает радиуса требуемой зоны обслуживания. Если этого не происходит, то рассматривают следующие варианты: 1) увеличение эффективной высоты передающей антенны путем увеличения высоты подвеса антенны или размещения ее на возвышенности; 2) увеличение эффективной излучаемой мощности путем уменьшения длины фидера или использования фидера с меньшим погонным затуханием; 3) увеличение эффективной излучаемой мощности путем использования антенн с большим коэффициентом усиления или использования другого типа оборудования с большей мощностью передатчика; 4) использование направленной антенны.

Необходимо отметить, что увеличение высоты подвеса антенны маломощной станции не увеличивает радиус зоны обслуживания при использовании фидеров с большим коэффициентом затухания, так как при этом одновременно уменьшается эффективная излучаемая мощность станции. Наиболее заметно это проявляется в III-V диапазонах.

Если перечисленные меры не обеспечивают требуемую зону обслуживания, то повторяют частотное присвоение в каждом из каналов для передающей антенны с вертикальной поляризацией волн. Если у всех мешающих станций, участвующих в расчете по одному из каналов, поляризация передающих антенн оказывается одинаковой, то СНЧ передатчика вводимой станция не изменяется при изменении поляризации передающей антенны.

Обратное влияние вводимой станции на зоны обслуживания мешающих станций во многих случаях играет важную роль, так как последние, как правило, действующие, и заметного уменьшения их зон обслуживания и связанного с этим ухудшения качества приема допускать не рекомендуется.

Для определения обратного влияния вводимой станции необходимо рассчитывать зоны обслуживания мешающих станций дважды: первый раз - без вводимой станции, второй раз - с ней. Для маломощной мешающей станции выполняют упрощенный расчет (см. пп. 4.3.1.2). Для мощной мешающей станции расчет выполняют с учетом действующих мешающих станций (пп. 4.3.1.2) на прямом и обратном направлениях по отношению к вводимой станции. На одном из указанных направлений влияние вводимой станции будет наиболее сильным; по этому направлению и оценивают наибольшее уменьшение зоны обслуживания мешающей станции. Необходимо отметить, что вводимая станция может оказывать заметное влияние на мешающие станции, которые не играют существенной роли в прямом расчете, т. е. те, эффективные излучаемые мощности которых значительно меньше, чем у вводимой станции. Выполнение частотного присвоения считается законченным, если вводимая станция обеспечивает требуемую зону обслуживания, а ее обратное влияние не приводит к заметному уменьшению радиусов зон обслуживания мешающих станций (см. пп. 4.3.1.4, пример 7).

В сети ОВЧ-ЧМ вещания частотные присвоения выполняют аналогично. Но это оказывается проще, так как в данном случае отсутствует такой параметр, как СНЧ передатчика станции.

Частотные присвоения на основе расчета используемой напряженности поля в точке. Расчет, 'рассмотренный в пп. 4.3.1.2, пригоден как для мощных станций основных, так и маломощных станций вспомогательных сетей вещания. Сначала отбирают каналы, пригодные для использования, затем в каналах, прошедших отбор, рассчитывают ситуацию по мешающим станциям с вычислением используемой напряженности поля и, наконец, сопоставлением значений используемой напряженности поля в разных каналах выбирают наилучшее частотное присвоение и рассчитывают радиус зоны обслуживания вводимой станции. Найденный радиус определяет площадь усредненной зоны обслуживания, имеющую форму круга.

4.4.2.4. Примеры расчетов

Пример 1. Телевизионная станция расположена на равнинно-холмистой местности и работает в III диапазоне, напряженность поля станции на границе зоны обслуживания Е_пол= 60 дБ, эффективная излучаемая мощность Р_∑=17 дБкВт (50 кВт), эффективная высота передающей антенны h_1эф = 250 м. Требуется определить радиус зоны обслуживания станции.

По (4.3.2) вычисляем Е(50, 50) =60-17=43 дБ. По кривым распространения (см. рис. 2.9) при h_1эф = 250 м находим радиус зоны обслуживания станции R_пол≈60 км.

Пример 2. Телевизионная станция расположена на равнинно-холмистой местности и работает в III диапазоне, эффективная излучаемая мощность Р_∑меш= 16 дБкВт (40 кВт), эффективная высота передающей антенны h_1эф.меш= 350 м, радиус зоны помех R_мэш= 300 км, результирующее защитное отношение А_∑Т =33 дБ. Требуется определить напряженность поля помех станции.

Считая помеху тропосферной, по рис. 2.15 находим Е(50, 10) =6 дБ. По (4.3.5) вычисляем напряженность поля помех станции на расстоянии Е_пол= 300 км (Е_пом = 6+16+33 = 55 дБ).

Пример 3. Телевизионная станция расположена на равнинно-холмистой местности и работает в III диапазоне, эффективно излучаемая мощность Р_∑меш= 16 дБкВт (40 кВт), эффективная высота передающей антенны h_1эф.меш= 350 м, радиус зоны помех R_меш= 100 км, результирующие защитные отношения А_∑Т =33 дБ, А_∑с= 43 дБ. Требуется определить напряженность поля помех.

Считая помеху тропосферной, по рис. 2.15 находим Е(50, 10) =36 дБ. По (4.3.5) вычисляем напряженность поля помех мешающей станции на расстоянии R_меш=100 км (Е_пом =36+16+33 = 85 дБ). Считая помеху постоянно действующей, по рис. 2.9 находим Е(50, 50) =30 дБ. По (4.3.6) вычисляем напряженность поля помех Е_пом.с = 30+16+43 = 89 дБ. В связи с тем, что 89 дБ>85 дБ, считаем напряженность поля помех станции на расстоянии r_меш= 100 км равной 89 дБ.

Пример 4. Полезная и мешающая ТВ станции расположены на равнинно-холмистой местности и работают в восьмом канале. У полезной станции СНЧ равен 0 и передающая антенна имеет горизонтальную поляризацию; у мешающей станции СНЧ равен 2,6 кГц и антенна имеет вертикальную поляризацию. Требуется определить результирующее защитное отношение.

Защитное отношение в совмещенном канале А_т = 45 дБ '(разд. 3). По табл. 4.3.1 находим DА_СВЧ = 5 дБ. Максимальные и .минимальные значения поправки АЛ пол составляют 10 и 5 дБ, поправки DА_ант соответственно 12 и 0 дБ. По (4.3.7) вычисляем результирующее значение защитного отношения в случае тропосферной помехи на направлениях по отношению к мешающей станции:

прямом: А_∑Т=45-5-5-12 = 23 дБ,

обратном: А_∑Т=45-5-10-0 = 30 дБ.

Результирующее защитное отношение при постоянно действующей помехе вычисляем при Ас =45+10 = 55 дБ (разд. 3) по (4.3.9) на направлениях:

прямом: А_∑Т =55-5-5-12 = 33 дБ,

обратном: А_∑Т =55-5-10-0=40 дБ.

Пример 5. Полезная и мешающая ТВ станции типа Зона II и АТРС расположены на равнинно-холмистой местности с известными географическими координатами и работают в девятом канале. Эффективные излучаемые мощности полезной и мешающей станций Р_∑=17 дБкВт (50 кВт) и Р_∑меш= 21 дБкВт (136 кВт), эффективные высоты передающих антенн h_1эф = 250 м и h_1эф.меш= 200 м, СНЧ передатчиков полезной и мешающей станций 0 и —11,7 кГц, поляризация передающих антенн станций горизонтальная. Требуется определить зону обслуживания полезной станции.

Расчет начнем с прямого направления по отношению к мешающей станции. Результаты расчета заносим в табл. 4.3.2. Считаем, что напряженность поля полезной станции Е_пол=Е_мин = 57 дБ (для III частотного диапазона). По (62) и по кривым распространения (рис. 2.9) находим максимальный радиус зоны обслуживания полезной станции R_пол≈65 км (подробнее см пример 1) По (4.3.7) вычисляем результирующие значения защитного отношения на прямом направлении для случая тропосферной помехи: А_∑Т =45—11—0—12 = 22 дБ; и по (4.3.9) для случая постоянно действующей помехи А_∑с = 55—11—0—12 =32 дБ (подробнее см. пример 4).

Таблица 4.3.2

Результаты расчета радиуса зоны обслуживания на одном направлении (прямом)

А∑Т/ А∑с, дБ	rмеш, км	Епом.т/ Епом.с, дБ	Епом, дБ
Первый расчет: Епол=57 дБ; rпол=65 км
22/32	145	67/67	67
Второй расчет: Епол=62 дБ; rпол=55 км
22/32	155	65/65	65
Третий расчет: Епол=63,5 дБ; rпол=52 км
22/32	158	64/64	64
Первый расчет: Епол≈64 дБ; rпол≈52 км

По географическим координатам полезной и мешающей станций определяем (используются карты с масштабом 1: 2 500 000 или более крупным) расстояние между ними r_ст=210 км. Более точно расстояние между станциями может быть вычислено по (4.3.11). На основании (4.3.8) определяем расстояние от мешающей станции до точки приема Е_меш=210—65=145 км. По рис. 2.15 и по (6 5) вычисляем напряженность поля помех для случая тропосферной помехи Е_пом = 24 + 21+22 = 67 дБ, а по рис. 2.9 и по (4.3.6) для случая постоянно действующей помехи Е_пом.с= 14+21+32=67 дБ. Считаем напряженность поля помех мешающей станции в точке приема Е_пом = 67 дБ (подробнее см. примеры 2 и 3).

В связи с тем, что равенство (4.3.14) не выполняется (57<67 дБ), расчет повторяем для меньшего значения напряженности поля полезной станции. Из табл. 4.3.2 следует, что для выполнения (4.3.14) оказалось достаточным выполнить три расчета. При этом радиус зоны обслуживания в направлении на мешающую станцию r_пол=52 км.

Затем такие же расчеты выполняем для обратного направления по отношению к мешающей станции и еще нескольких азимутальных направлений. Соединив концы радиусов зоны обслуживания на всех азимутальных направлениях плавной линией, получаем зону обслуживания полезной станции.

Пример 4.3. Полезная и пять мешающих ОВЧ ЧМ станций расположены на равнинно-холмистой местности с известными географическими координатами и работают в одном частотном канале. Известны эффективные значения излучаемой мощности и высот передающих антенн мешающих станций. Поляризация передающих антенн полезной и мешающей станций горизонтальная. Требуется определить используемую напряженность поля в месте установки полезной станции.

По (4.3.7) и (4.3.9), из которых исключают поправкуDA_ант, вычисляем результирующее защитное отношение по каждой мешающей станции (подробнее см. пример 4). По географическим координатам определяем расстояния между точкой расчета и каждой мешающей станцией (подробнее см. пример 5). По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяем напряженность поля помех каждой мешающей станции в точке расчета (подробнее см. примеры 2 и 3). Напряженности поля помех и результаты дальнейших расчетов заносим в табл. 4.3.3. 114

Таблица 4.3.3

Результаты расчета используемой напряженности поля в точке

Ромер мешаю-щей станции	Епом, дБ	xi	L(xi)	p0	Ромер мешаю-щей станции	Епом, дБ	xi	L(xi)	p0
Первый расчет: Еисп= 78 дБ; σL = 8,3 дБ					Второй расчет: Еисп = 76,6 дБ
1 2 3 4 5	64 72 60 50 45	1,19 0,51 1,53 2,39 2,81	0,8830 0,6950 0,9370 0,9916 0,9975	0,5688	1 2 3 4 5	64 72 60 50 45	1,08 0,39 1,42 2,26 2,69	0,8600 0,6518 0,9222 0,9881 0,9965	0,5090
Результат: Еисп= 76,6 дБ.

Задаемся значением используемой напряженности поля Е_исп = 72+6 = 78 дБ, где 72 дБ представляет собой наибольшую из напряженностей полей помех. По (4.3.16) вычисляем величину x_i при σ_L =8,3 дБ, а из приложения 4 находим L(x_i) для каждой напряженности поля помех. По (4.3.19) вычисляем местностную вероятность обеспечения приема р₀.

В связи с тем, что (4.3.20) не выполняется, расчет повторяем для меньшего значения используемой напряженности поля. Из табл. 4.3.3 следует, что для достаточно точного выполнения (4.3.20) необходимо выполнить два расчета, причем используемая напряженность поля в точке расчета Е_исп = 76,6 дБ.

Пример 4.4. В крупном населенном пункте, расположенном на равнинно-холмистой местности, требуется организовать II программу телевидения. Зона обслуживания представляет собой почти правильный круг радиусом около 5 км. Прием сигналов эфирный на восьмом канале. На 11-м канале на I программе работает станция «Экран Кр-10». Требуется выполнить новое частотное присвоение.

Место установки станции определено (выбиралось при организации I программы) и находится почти в центре населенного пункта. Географические координаты места установки станции известны. Не могут быть использованы в метровом диапазоне волн (см. табл. 3.23) каналы 11 (совмещенный), 10 и 12 (смежные) и 7 (гетеродинный) каналы.

Выбираем ретранслятор ТРА-10 для метрового диапазона волн. В связи с тем, что он работает только в III диапазоне, для I и II диапазонов вынуждены выбрать более мощный РЦТА с наличием ПМТ. Для дециметрового диапазона волн выбираем РПТДА. При эфирном приеме восьмого канала нельзя использовать следующие каналы: 7, 8, 9 ТРА-10 (см. рис. 4.3.5), 2, 5 РЦТА (см. рис. 4.3.3) при работе в I и II диапазонах. У РПТДА ограничений на передающие каналы нет (см. рис. 4.3.4)

Таким образом, можно рассматривать возможность использования каналов 1, 3, 4, 6 метрового диапазона волн и каналов дециметрового диапазона, в которых работает передатчик РПТДА, а именно каналов 21, 22, 27, 28, 29, 30, 31, 32, 33, 34, 39, 40, 41. В связи с тем, что в пригодных для использования каналах 1, 3, 4, 6 работают станции, расположенные от вводимой станции на расстояниях, меньших, чем минимально допустимые, ни один из каналов метрового диапазона волн использован быть не может. По этой же причине в дециметровом диапазоне волн пригодными к использованию оказываются только каналы 21, 22, 27, 28, 39, 40. Станции, расположенные по соседству и работающие по отношению к пригодным для использования каналам в смежных, гетеродинных и зеркальных каналах, влияния не оказывают.

Рассматривать каналы будем в порядке возрастания их номеров. Начнем рассмотрение г 21-го канала, в котором имеется четыре мешающих станции. По каждой из них известны: географические координаты, эффективные излучаемые мощности, эффективные высоты передающих антенн, частотные присвоения, включающие в себя канал, СНЧ передатчика и поляризацию передающей антенны.

По (4.3.7) и (4.3.9), в которых поправки DА_ант = 0 и DА_СНЧ = 0, вычисляем результирующее защитное отношение по каждой мешающей станции, считая, что передающая антенна вводимой станции имеет горизонтальную поляризацию (подробнее см. пример 4). По географическим координатам определяем расстояния между местом установки вводимой станции и каждой мешающей станцией (подробнее см. пример 5). По методике, описанной в пп. 4.3.1.1, определяем напряженности поля помех каждой мешающей станции в месте установки вводимой станции (подробнее см. примеры 2 и 3). Напряженности поля помех и результаты дальнейших расчетов заносим в табл. 4.3.4.

Возможные значения СНЧ передатчика вводимой станции в пределах 0... 14,3 кГц приведены в левом столбце таблицы. Приведенные в верхней строке таблицы значения напряженности полей помех каждой мешающей станции записываем еще раз в той строке таблицы, в которой значение СНЧ передатчика мешающей станции равно приведенному в таблице, Если СНЧ передатчика мешающей станции отрицательно, то его по (4.3.24) переводят в положительное. По (4.3.23) определяем напряженность поля помех каждой мешающей станции при других значениях СНЧ передатчика вводимой станции. На каждой строке таблицы находим наибольшую напряженность поля помех, значение которой в таблице выделено шрифтом. Из найденных значений напря-женностей поля помех выбираем наименьшее Е_пом = 73 дБ. При этом для передатчика вводимой станции СНЧ=10,4 кГц. По (4.3.21) вычисляем используемую напряженность поля. Из табл. 4.3.4 следует, что Е_сип = 76 дБ.

Расчеты в каналах 22, 27, 28, 39, 40 выполняем аналогично. По наименьшему значению используемой напряженности поля Е_сип = 73 дБ выбираем частотное присвоение: канал 27 с СНЧ передатчика ретранслятора 6,5 кГц и антенной горизонтальной поляризации.

Выбираем ненаправленную антенну, так как зона обслуживания представляет собой почти правильный круг. Антенну дециметрового диапазона волн размещают на действующей антенной опоре на высоте 60 м от основания. Эффективная излучаемая мощность РПТДА при длине фидера примерно 80 м составляет Р_∑=-9 дБ. По (2.25) рассчитываем эффективную высоту передающей антенны h_1эф=90 м. На основании (4.3.1) принимаем напряженность поля ретранслятора Е_пол= Е_исп = 73 дБ. По (4.3.2) и по кривым распространения (рис. 2.8) определяем радиус зоны обслуживания R_пол≈5,5 км (подробнее см. пример 1). Обратное влияние РПТДА на зоны обслуживания мешающих станций не приводит к заметному уменьшению радиусов этих зон.

Таблица 4.3.4

Результаты расчета в канале с определением СНЧ передатчика вводимой станции

СНЧ, кГц	Номера мешающих станций						Номера мешающих станций
	1	2	3	4	…		1	2		3	4	…
	Епом мешающих станций, дБ					СНЧ, кГц	Епом мешающих станций, дБ
	79	84	79	70			79	84	79		70
0 1,3 2,6	78 74 68	67 69 73	79 78 74	59 65 69		7,8 9,1 10,	62 64 68	83 79 73	61 62 64		59 55 53
Результат: £асп = 73+3=76 дБ.

На этом частотное присвоение считается выполненным, так как РПТДА работающий в канале 27 с СНЧ, равным 6,5 кГц, и горизонтальной поляризацией антенны будет обеспечивать ТВ вещанием зону обслуживания представляющую собой правильный круг радиусом около 5 км.

4.4.3. Расчет устойчивости эфирного приема

Устойчивость приема полезного сигнала - отношение периода времени года течение которого прием был удовлетворителен, ко всему году, выраженное в процентах, связана с напряженностью поля сигнала (мешающих сигналов нет) Прием будет устойчив в течение Т_пол времени в процентах, пока напряженность поля сигнала, дБ, будет выше минимально используемого значения Е_мин:

где Е_пол(50) и σ_пол-медиана и стандартное отклонение полезного сигнала, дБ.

Для определения устойчивости полезного сигнала следует вычислить параметр

Значение Т_пол находят по (2.31) либо по рис. 2.18. Медианные уровни напряженности поля и стандартное отклонение находят в соответствии с указаниями п. 2.2. Минимально используемое значение напряженности поля указано в п. 3.4.

Устойчивость приема при воздействии мешающих сигналов. В силу устойчивости нормального закона разности случайных значений напряженности поля полезного и одного мешающего сигнала распределены также по логнормальному закону с медианой, равной разности медиан, и стандартным отклонением, равным среднему геометрическому из значений для каждого сигнала. При отсутствии корреляции между сигналами будет устойчивый прием, пока разность уровней сигналов равна или больше значения защитного отношения А дБ для сигнала данной станции:

Поскольку это значение можно снизить, изменяя направленность приемной антенны или поляризацию полезного и мешающего сигналов, для определения устойчивости следует вычислить параметр

где А - защитное отношение, дБ; F₁ (β) —ослабление мешающего сигнала приемной антенной, дБ; F₂(β)—ослабление мешающего сигнала при различной поляризации, дБ; р — угол между направлениями на полезную и мешающую станцию из точки приема (рис. 4.3.6).

Методику определения этих параметров можно найти в разд 3. Значение Т_меш находят по (2.31) или рис. 2.18.

Если в точке приема на полезный сигнал воздействуют одна станция или несколько, то результирующая устойчивость приема, % (в предположении, что все сигналы некоррелированы):

Т = [(Т_пол/100) (Т_{мен 1}/100) (Т_{мен 2}/100) ... ] 100,

где Т_{мен 1} — устойчивость приема при влиянии только «первой» мешающей станции; Т_{мен 2} — устойчивость приема при воздействии только «второй» мешающей станции и т. д.

Если в результате расчета значение устойчивости окажется малым (например, меньше 99%), то выбирают другое местоположение антенны ретранслятора и производят повторный расчет.

Устойчивость приема каждой мешающей станции рассчитывают, только когда станция находится на расстоянии не более 1000 км от места приема. Мешающие станции, расположенные на расстоянии 1000... 2500 км, могут вызывать помеху вследствие отражения радиоволн в ионосфере от спорадических (нерегулярных) слоев.

Рис. 4.3.6. Пример расположения ретранслятора относительно полезной и мешающей станций

Помеха возникает в ТВ каналах 1, 2 и 3. Эффективно подавить помеху невозможно, поэтому указанные каналы для ретрансляции по эфиру не пригодны.

С помощью рассмотренной методики расчета были проанализированы различные реальные ситуации. Расчеты показали, что устойчивость выше 99% вблизи границы зоны обслуживания мощных радиопередающих станций достигается с большими трудностями; высота антенны над местными препятствиями должна быть не менее 10...20 м при наличии прямой видимости, помехозащищенность антенн не менее 20 дБ.

Пример 1. В точке расположения ретранслятора, как показали предварительные расчеты, медиана напряженности поля Е_пол(50)=76 дБ, σ_пол = 6 дБ. Найти устойчивость приема, если минимально используемая напряженность поля Е_мпн = 61,5 дБ. Используя (4.3.26), получаем

Из рис. 2.18 следует Т_пол = 99,2%.

Пример 2. В месте приема, рассмотренном в примере 1, появился мешающий сигнал, причем Е_меш(50)=20 дБ, σ_меш = 9 дБ. Поляризация мешающего сигнала такая же, как у полезного. Определить результирующую устойчивость приема при условии, что приемная антенна ослабляет мешающий сигнал на F₁(β) =-13 дБ, а требуемое защитное отношение А = 40 дБ.

Используя (4.3.28), при F₂(β)=0, получаем К(Т_меш) = (40—13+20—76)/ . Из рис. 2.18 находим Т_меш = 99,7%. Согласно (4.3.29) имеем Т = 0,992 -0,997 = 0,989, или 98,9%.

4.4.4. Измерение напряженности поля ТВ и ОВЧ-ЧМ сигналов

4.4.1. Принцип измерения

Измерительная аппаратура. Измеритель напряженности поля представляет собой селективный микровольтметр (радиоприемник) с эталонной антенной.

По измеренному напряжению на входе приемника находят напряженш поля сигнала, дБ,

где и — напряжение, дБ относительно 1 мкВ; l_д - действующая длина приемной антенны, дБ относительно 1 м (см. п. 2.1).

Для измерения напряженности поля применяют радиоприемные устройства, указанные, например, в табл. 4.4.1. Радиосигнал изображения измеряют, как правило по квазипиковому значению напряжения, которое не зависит от характера передаваемого изображения. В квазипиковом режиме данные приборы занижают действительный уровень радиосигнала изображения приблизительно

Для работы применяют антенну, входящую в комплект измерителя поля, или типовые с известным коэффициентом усиления. Удобно применить многканальную антенну, например АТИГ-6.1.1-12. Коэффициент усиления такой антенны указан в табл. 4.4.2.

Таблица 4.4.1

Данные приборов, используемых для измерения напряженности поля

Прибор	Диапа-зон частот, МГц	Диапазон уровней, мкВ	Погрешность измерений ния, дБ	Полоса пропускания, по уровню	Значение показателя	Напря-жение питания**, В	Произвоство
SMV-8 STV-401* ULMZ-2 DMS-4	30...1000 26...300 30...250 300...1000	2...10^6 2...3-10^5 3…1,7-10^53...10^6	±1,5 ±4 +2 ±3	120; 20, 1; 120 120 120, 20	Среднее, пиковое, квазипиковое Эффективное, квазипиковое Квазипиковое Пиковое, квазипиковое, среднее	220/110/12 220/12 220 220/12	ГДР ГДР ПНР ПНР
* Переносной малогабаритный; ** В числителе напряжение сети, в знаменателе - аккумулятора.

При установке измерителя поля на автомашине антенну прикрепляют к выдвижной мачте, в свою очередь прикрепленной к фургону. Высота антенны .3... 10 м.

Антенну укрепляют так, чтобы исключить влияние мачты на волны с вертикальной поляризацией (если это не предусмотрено при разработке прибора). Для этого верхняя часть мачты длиною 2 м для каналов 3-60 и 4 м для 1 и 2 должна быть выполнена из диэлектрика. Антенны волновой канал можно укрепить иначе. Антенну каналов 1-6 крепят между рефлектором и активным вибратором на расстоянии 0,09 Я от рефлектора. Антенну канала 6-12-го относят от мачты с помощью длинной стрелы так, чтобы расстояние между мачтой и рефлектором составляло (0,1 ... 0,15)Л (рис. 4.4.1).

Таблица 4.4.2

Коэффициент усиления антенны

АТИГ-6.1.1-12

ТВ канал	1	2	3	4
G, дБ	-1,5	-0,5	3	2
ТВ канал	5	6	7	8
G, дБ	0,8	3	3,5	5
ТВ канал	8	9	11	12
G, дБ	64,	5	3,5	2,5

Рис. 4.4.1. Способы крепления антенн при вертикальной поляризации радиоволны:

a - для каналов 6-12 и дециметровых; б - для каналов 1-6 (1 - противовес,

2 - рефлектор, 3 - петлевой вибратор)

Вращают антенну в горизонтальной плоскости с помощью двигателя, управляемого с пульта. Для подавления помех, создаваемых двигателем и цепями зажигания автомашины, устанавливают фильтры. В противном случае ориентирование антенны при слабых сигналах будет затруднено. Во время измерения слабых сигналов двигатель автомашины необходимо выключить.

В измерительном комплексе желательно предусмотреть самописец для записи уровня сигнала и телевизионный приемник.

Калибровка. Измерительный приемник калибруют с помощью встроенного в него генератора. С известными параметрами антенны и фидера получают точность измерения напряженности поля около (3... 4) дБ. При калибровке всего устройства по «методу свободного пространства» погрешность уменьшается до ±(1... 2) дБ. Сущность этого метода заключается в том, что в месте расположения приемной антенны создается известное строго постоянное значение напряженности поля. Это значение сравнивают с показаниями проверяемого прибора. Если есть разница, вводят коррекцию. «Эталонное» поле формируется эталонной антенной и генератором стандартных сигналов. Антенны генератора и приемника располагают над ровной земной поверхностью (поле, озеро), с тем чтобы коэффициент отражения от нее радиоволны можно было считать равным единице. Расстояние между антеннами передатчика и приемника не должно быть меньше 15 м. Напряженность эталонного поля вычисляют по (2.39), (2.44) при АЕ(Т) = 0.

Измерения на заданном расстоянии. В каждой точке перед началом измерений прибор должен быть откалиброван в соответствии с заводской инструкцией. Ориентация антенны должна быть в направлении прихода сигнала, на максимум уровня.

От точки к точке напряженность поля может сильно изменяться вследствие интерференции отраженных волн. Поэтому напряженность поля на заданном расстоянии определяют по результатам нескольких измерений в точках, отстоящих друг от друга на расстоянии примерно 10 м. Медианное или среднее значение измеренных в этих точках значений напряженности поля принимают в качестве результата измерений на данном расстоянии, т. е. как результат измерений «одной выборки». Если измерять при стандартной высоте антенны 10 м, можно ограничиться тремя точками. Если такой возможности нет, антенну устанавливают на высоту 3... 4 м и проводят измерение в 10 точках. Результаты измеренного медианного значения приводят к высоте 10 м путем добавления поправочного коэффициента (в децибелах). Поправочный коэффициент определяют в зависимости от степени неровности местности, как указано в пп. 2.2.1. Если в пяти точках прибор покажет одно и то же значение напряженности поля, то последующие измерения не обязательны.

Медиану измеренных значений напряженности поля приближенно определяют следующим образом. Записывают ряд значений в децибелах в убывающем порядке. Далее попарно отбрасывают наибольшие и наименьшие значения до тех пор, пока не останется одно, которое и будет соответствовать медианному значению. Если останутся два значения, то медиану определяют как среднеарифметическое этих значений.

Пример. Пусть на равнинно-холмистой местности в 10 точках при высоте антенны 3 м измерены следующие значения напряженности поля (в убывающем порядке): 70, 68, 65, 59, 58, 58, 57, 57, 57, 55 дБ. Медианное значение будет равно 58 дБ. Поправка на высоту равна 7 дБ, поэтому медианное значение напряженности поля на высоте 10 м составит 58+7=65 дБ.

Не следует выбирать площадки для измерений вдоль больших дорог, при этом напряженность поля может быть несколько завышена, кроме того, возможны помехи от проходящего автотранспорта. Целесообразно проводить измерения в реальных условиях, в окружении строений, деревьев, но так, чтобы антенна не затенялась близкорасположенным препятствием.

4.4.5. Измерение зоны уверенного приема радиопередающих станций

Общие сведения. Под зоной обслуживания понимают территорию вокруг радиопередающей станции, где уровень полезного сигнала превышает уровень собственных шумов приемника и мешающих сигналов от соседних станций на определенное значение в течение заданных процентов времени Т и мест приема L. В дециметровом диапазоне волн определяют зону обслуживания для Т=99%, L = 50%, в метровом диапазоне волн для Т = 90%, L = 50%. Для определения зоны необходимо измерить поле в большом числе пунктов в течение очень длительного времени (по крайней мере, в течение 6-12 мес.). Поскольку это сделать нелегко, на практике обычно измеряют зону уверенного приема полезного сигнала, т. е. зону обслуживания без учета влияния мешающих сигналов. Зона обслуживания, очевидно, будет лежать внутри зоны уверенного приема полезного сигнала (при правильном планировании сети вещания разница между ними невелика).

Измерение зоны уверенного приема полезного сигнала. Под зоной уверенного приема полезного сигнала радиопередающей станции понимают территорию вокруг станции, где медианное значение напряженности поля не ниже минимально используемого (см. разд. 3 и 4). Зону уверенного приема ТВ станций определяют по результатам измерений радиосигнала изображения при работе радиопередающих станций с номинальной излучаемой мощностью.

Перед началом измерений на карте местности определяют число радиальных направлений от пункта, где расположена станция. Радиальные направления должны быть выбраны с учетом охвата максимального числа населенных пунктов. Число радиальных направлений должно быть не менее четырех. Медианные значения напряженности поля по каждому радиальному направлению от станции с излучаемой мощностью выше 100 Вт измеряют следующим образом. Первое ближайшее место выбирают на расстоянии 10 км. Затем измерения проводят через каждые 5 ... 10 км до получения медианного значения напряженности поля 60 дБ в метровом и 80 дБ в дециметровом диапазонах. Далее измерения производятся через 5 км до получения значения напряженности поля ниже минимально используемого. Медианное значение напряженности поля от маломощных станций с излучаемой мощностью меньшей или равной 100 Вт измеряют аналогично, однако первое место измерений выбирают в зависимости от предполагаемого радиуса зоны покрытия, но не далее 2 км от станции. Места измерения должны быть расположены на расстояниях не менее 1 км. На местности, где невозможен проезд по радиальным направлениям, а также при необходимости более точного определения границы зоны, измерения проводят в населенных пунктах, расположенных на разных направлениях и расстояниях от станции. В населенных пунктах на равнинной местности число мест измерения выбирают из возможности установки измерительной аппаратуры на свободных от застройки местах; на пересеченной местности из расчета определения наилучших и наихудших условий приема (в низине и возвышенных местах).

Все места измерений указывают на карте местности или наложенной на нее кальке, там же отмечают медианное значение напряженности поля и расстояние от передатчика. По полученным данным строят усредненные зависимости медианы напряженности поля от расстояния для разных направлений. На расстояниях, где напряженность поля спадает до минимально используемого значения, будет проходить граница зоны уверенного приема. Пример построения такой зависимости в одном направлении показан на рис. 4.4.2. Точки, определяющие границу зоны в каждом направлении, соединяют на карте сплошной линией, которая показывает приближенную границу зоны уверенного приема данной радиопередающей станции с учетом топографии местности.

На границе зон мощных радиопередающих станций наблюдаются медленные (суточные и сезонные) замирания уровня сигнала вследствие изменения рефракции радиоволн. Кроме того, зимой в затененных лесом местах приема сигнал может быть выше, чем летом, из-за опадания листвы. Влияние медленных колебаний уровня сигнала может быть учтено измерениями, проведенными в разное время года. Разумно проводить измерения в осенние или весенние месяцы, когда уровень сигнала близок к среднегодовому значению.

Рис. 4.4.2. Пример определения зоны уверенного приема в одном радиальном направлении (6 ТВ канала)

Перед измерением зоны уверенного приема целесообразно проверить (путем измерений) диаграмму направленности передающей антенны. Резкое отличие измеренной зоны уверенного приема от теоретически рассчитанной (по рис. 2.8-2.10) может свидетельствовать о неисправности передающей антенны.

Учет влияния постоянно действующего мешающего сигнала. В зоне уверенного приема может наблюдаться постоянно действующий мешающий сигнал, ухудшающий качество приема. Чтобы учесть его влияние на прием ТВ передач, следует поступить следующим образом.

В пунктах, где измеряют напряженность поля, субъективно определяют и качество ТВ изображения по пятибалльной шкале (разд 3). На карте местности, в пунктах, где проводилось измерение и оценивалось качество изображения, через косую указывают расстояние, медиану напряженности поля и оценку изображения (например, 60/56/4, т. е. 60 км, 56 дБ, 4 балла). Часть зоны уверенного приема, в которой качество приема ниже 3 баллов, рассматривают как пораженную. На карте она может быть показана в виде заштрихованной области.

4.4.6. Измерение статистических характеристик напряженности поля сигнала по месту расположения и во времени

Местностное распределение. Для измерения выбирают участок местности, охватывающий многочисленные детали рельефа (возвышенности и впадины). Например, на равнинно-холмистой местности можно взять площадку 10X10 км или участок длиной 10 км так, чтобы зависимостью напряженности поля от расстояния можно было пренебречь. На заданном участке проводят ряд замеров на различных деталях рельефа местности либо непрерывно записывают напряженность поля на самописец, лента которого синхронно перемещается с движением автомашины. Минимальное число выборок, в зависимости от характера местности и используемого диапазона частот, приведено в табл. 4.4.3. С вероятностью 95% минимальное число выборок дает ошибку в определении медианного значения ±4 дБ; максимальное число выборок уменьшает ошибку до ±2 дБ.

Пример. Предположим, что были измерены следующие значения напряженности поля: 48,5; 47; 48; 45; 46; 45; 43,5; 44; 40,5; 41; 41; 39; 39; 39,5; 40; 37,5; 36; 36 и 33 дБ. Диапазон этих цифр (32, ... 50 дБ) разобьем на интервалы, указанные в первом столбце табл. 4.4.4. Во втором столбце запишем число измеренных значений, попадающих в данный интервал (повторяемость). Например, значения 48... 50 дБ встречались 1 раз; 46 ... 48 дБ - 2 раза и т. д., ∑ - сумма цифр, записанных в данной строке и во всех верхних. В четвертом столбце по формуле (∑/n)×100, где n - общее число измерений, определяют процент мест приема L, в которых уровень сигнала был выше, или равен указанному в первом столбце. Результаты обработки показаны на рис. 4.4.3. И» интегральной функции распределения напряженности поля по местоположению, в частности, следует, что в 5% мест приема напряженности поля Е_пол≥49 дБ, в 15% мест Е_пол≥47 дБ, в 50% мест (медианное значение) Е_пол = 42 дБ и т. д.

Таблица 4.4.3

Необходимое число выборок для измерения местностного распределения

Тип местности	Необходимое число выборок для диапазонов
	I-III	IV, V
Равнина Равнинно-холмистая Холмистая Гористая	5.. .15 20 75 30 130 50 200	10.. .25 30 130 50 200 80 300

Рис. 4.4.3. Функция местностного распределения напряженности поля (пример)

Распределение напряженности поля во времени. При измерении временного распределения обычно предполагают, что медленные замирания напряженности поля сигнала во всех точках участка местности происходят одновременно. Замирания на участке местности оценивают с помощью функции распределения, полученной в одной точке участка. Высоту этой точки желательно выбрать на средней высоте рельефа. На выход измерительного приемника подключают самописец со скоростью движения ленты в пределах 1 ... 18 см/ч. При записи сигналов за пределами прямой видимости наблюдают непрерывные быстрые замирания. Чтобы запись на ленте отражала только средний уровень, параллельно самописцу подключают конденсатор. Принцип обработки полученной записи следующий. На ленте проводят уровни, например, через. 5 дБ. Для каждого уровня определяют суммарное время, в течение которого сигнал был равен или больше его. Так, на рис. 4.4.4 показано, что уровень, превышающий или равный 48дБ, наблюдался в течение времени t₁ + t₂+t₃ + t₄+... =Т. Данные по всем уровням сводят в таблицу и выражают в процентах к общему времени записи. График (рис. 4.4.5), построенный по данным табл. 4.4.5, представляет собой интегральное распределение напряженности поля во времени.

В расчетах, связанных с планированием сети вещания, требуется иметь данные о распределении поля за период в один год. Однако на практике обычно ограничиваются двумя-тремя месяцами.

Е, дБ	повторяя-емось	∑	L, %
48..50 46 48 44 46 42 44 40 42 38. ..40 36 38 34 36 32.. 34	1 2 3 2 3 5 1 2 1	1 3 6 8 11 16 17 19 20	5 15 30 40 55 80 85 95 100

Таблица 4.4.4

Результаты расчета

местностного распределения

Местное Время

Рис. 4.4.4. Пример записи уровня сигнала на ленту самописца

Таблица 4.4.5

Результаты расчета временного

распределения (пример)

Е, дБ	Длительность записи, ч	Т, %
50 45 40 35 30 25 20 15 10	5 20 100 180 330 700 870 950 1000	0,5 1 10 18 33 70 87 95 100

Рис. 4.4.5. Функция распределения уровня сигнала во времени (пример)

Двухмерное распределение напряженности поля (по местоположению и во времени). Измерения выполняются с помощью двух комплексов: один — стационарный, другой — передвижной. На стационарном комплексе производят непрерывную длительную запись напряженности поля для получения функции распределения уровня сигнала во времени. Полученную функцию приводят в соответствие со средним для окружающей местности значением сигнала, т. е. для 50% мест приема. Это достигается с помощью передвижного комплекса. В радиусе примерно до 10 км стационарного комплекса проводят измерения в 15...30 временных пунктах. Для одного и того же периода времени продолжительностью 1...3 ч определяют отношение (в децибелах) напряженности поля сигнала на каждом из временных пунктов к напряженности поля на стационарном комплексе. Строят местностную функцию распределения разности сигналов Е_вр - Е_пост. Отношение напряженности поля сигнала на стационарном комплексе к полученному медианному значению (в децибелах) называют коэффициентом местоположения q (рис. 4.4.6). Если коэффициент местоположения имеет знак минус, в стационарном комплексе значение сигнала выше медианного во всех пунктах.

Рис. 4.4.6. К определению «коэффициента местоположения»

Рис. 4.4.7. Пример распределения напряженности поля во времени и по местоположению

В этом случае кривую распределения сигнала во времени, полученную на стационарном пункте, следует опустить на q дБ. При положительном знаке коэффициента местоположения кривую распределения следует соответственно приподнять. Численный пример определения коэффициента местоположения дан в табл. 4.4.6. Из рассмотрения распределения разности напряженностей поля оказалось, что постоянный пункт относится к 20% мест приема; q = - 3 дБ. Функцию распределения, полученную в стационарном пункте Е (20,Т), опускаем на 3 дБ (рис. 4.4.7). Из скорректированного распределения (рис. 4.4.7, сплошная кривая), в частности, следует: в 50% мест, 1% времени, г. е. Е(50,1)≥43 дБ, Е(50,10)≥34 дБ. Медианное значение равно 17,5 дБ. Используя данный принцип, можно получить функцию распределения для любых процентов мест приема и времени. При измерении разности сигналов на стационарном и передвижном комплексе следует исключать аномальные условия распространения радиоволн. Коэффициент местоположения приближенно равен среднеарифметическому значению разности сигналов.

Таблица 4.4.6

Результаты расчета коэффициента местоположения (пример)

Расстояние от стационарного до пере-движного пункта. км	Евр. дБ	Епост, дБ	Евр - - Епост, дБ	Расстояние от стацио-нарного до передвижного пункта. км	Евр, ДБ	Епост, дБ	Евр - - Епост, дБ
10 7 9 2 1,5 3 8 6	26 31 20 18 18 23 20 14	22 22,5 21 20 24,5 24 22,5 20	+4 +8,5 - 1 - 2 -6,5 - 1 - 2,5 -6	5 5 4 7 7 9 9	19 12 15 10 9 20 17	22 22 21 20 19 20 21	- 3 - 10 - 6 - 10 - 10 0 -4
Результат: q= - 3 дБ.

5. ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН МИЛЛИМЕТРОВОГО И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНОВ

5.1.Факторы, влияющие на распространение миллиметровых волн в приземном слое атмосферы

Понимание особенностей взаимодействия волн миллиметрового (ММ) диапазона с молекулами атмосферных газов, с гидрометеорами, с турбулентными неоднородностями воздуха, а также оценка влияния на характеристики принимаемых сигналов вертикальной стратификации атмосферы и отражений от подстилающей поверхности являются весьма важными во многих практических приложениях. В работе приведены результаты теоретических и экспериментальных исследований, выполненных в ИРЭ РАН в последние годы по этим направлениям [1-3].

Проблема описания микроволнового поглощения в газах интересует радиофизиков более полувека. Однако, несмотря на значительные усилия специалистов по теоретическому описанию спектров полярных газов, до сих пор не удавалось создать теорию, адекватную измеряемым величинам поглощения. Из-за сложности способов учета межмолекулярных взаимодействий до сих пор еще не получены аналитические выражения для спектров поглощения воздуха в широком диапазоне частот, а также давлений и температур. В ИРЭ РАН был предложен и развит новый подход к описанию молекулярного поглощения. Оказалось, что результаты теоретических расчетов на основе метода функций памяти и моделей обобщенной вращательной диффузии хорошо согласуются с экспериментом без привлечения других гипотез (например, димерного механизма поглощения). Этот подход позволил лучше понять механизм взаимодействия электромагнитных волн с молекулами паров воды и кислорода [4,5].

         В окнах прозрачности атмосферы на приземных линиях связи миллиметровые волны (ММВ) наибольшее ослабление испытывают в осадках. Вызвано это двумя причинами: во-первых, тем, что характерные размеры капель того же порядка, что и длина волны излучения, из-за чего дифракционное рассеяние каплями носит резонансный характер; во-вторых, тем, что большие значения мнимой части комплексного показателя преломления воды, обусловливают высокий уровень поглощения энергии волны в объеме капли. Следует отметить, что весьма основательно экспериментально и теоретически изучено ослабление радиоволн в осадках, установлены его спектральные и температурные зависимости, а также статистические характеристики; заметно хуже исследовано рассеяние радиоволн в осадках.

Влияние рассеяния ММВ в осадках на работу приземных линий связи может быть крайне неблагоприятным, так как оно приводит к ухудшению условий электромагнитной совместимости линий связи между собой и с другими радиоэлектронными системами, уменьшает скрытность передачи информации, создает электромагнитные помехи различным службам, нарушает экологию окружающей среды.

         Предпринятые нами теоретические исследования эффектов рассеяния радиоволн в осадках (в том числе и многократного) базируются на реализации строгого решения задачи дифракции плоской электромагнитной волны на однородном диэлектрическом шаре (теория Ми) и на численном решении краевой задачи для системы интегро-диференциальных уравнений теории переноса поляризованного излучения в осадках.

Вертикальная неоднородность атмосферы может приводить к искривлению траекторий распространения (рефракции), к смещению центра пучка, и соответствующему изменению уровня сигнала, к многолучевому и волноводному распространениям или даже к отсутствию связи между пунктами. Для определения рефракции в сферически-слоистой атмосфере был разработан алгоритм, позволяющий при любых вертикальных профилях коэффициента преломления находить траектории радиоволн по координатам источника и приемника. С помощью этого алгоритма по метеопараметрам, измеренным Институтом экспериментальной метеорологии (ИЭМ) на высотах от 0 до 300 м в течение года, исследована статистика траекторных параметров на различных трассах приземного слоя атмосферы (ПСА).

Для оценки влияния турбулентности воздуха на параметры волны решена задача нахождения статистических характеристик флуктуаций амплитуды, фазы и угла прихода гауссова пучка ММВ в слабопоглощающей турбулентной среде. Получены асимптотические выражения для среднего квадрата флуктуаций уровня амплитуды, флуктуаций угла прихода и корреляционной функции флуктуаций амплитуды. Исследовано влияние усредняющего действия приемной апертуры на интенсивность флуктуаций амплитуды.

Из-за влияния подстилающей поверхности ПСА чрезвычайно изменчив в пространстве и времени и является самым сложным для изучения слоем атмосферы. До сих пор для поля показателя преломления в ПСА не существует достаточно надежной и универсальной математической модели, позволяющей в любых ситуациях рассчитывать параметры, распространяющихся в нем ММВ. Вариации амплитуды и угла прихода миллиметровых волн (=3,3 мм), обусловленные турбулентностью и стратификацией приземного слоя атмосферы, экспериментально исследовались на трассе длиной 14 км совместно с МГТУ им. Баумана. В течение двух лет изучались статистические характеристики вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода и их временные спектры в диапазоне 10^-5 –10 Гц.

При функционировании атмосферных радиоканалов систем передачи информации при небольших (~ 10 - 15 м) высотах корреспондирующих пунктов (малые углы скольжения) на вход приемной антенны из-за многолучевости могут поступать как прямые, так и отраженные подстилающей поверхностью сигналы, что вызывает различные интерференционные эффекты и приводит к существенным ограничениям ширины полосы. Проведены эксперименты по выявлению интерференционной структуры поля ММВ и получена оценка полосы пропускания радиоканала в условиях влияния подстилающей поверхности.

Ниже результаты этих исследований подробно изложены по разделам.

5.1.1. Молекулярное поглощение

При вычислении молекулярных спектров поглощения газовых компонент атмосферы в силу сложности теории приходится использовать многочисленные аппроксимации, влияющие на точность конечного результата или приводящие к асимптотическим зависимостям для отдельных областей спектра, отдельных линий и даже частей линий (крыла, периферии, центра). Существенным моментом в теоретическом анализе частотных зависимостей спектров поглощения полярных газов является вопрос о расхождении экспериментальных данных с результатами теоретических расчетов (например, в случае кислорода при больших давлениях, водяного пара), основанных на трактовках соударений, известных как приближения Лорентца, Ван Флека-Вейскопфа, Гросса и некоторых других [6-10]. В этих трактовках столкновительного уширения решение задачи об определении поглощения сводится к рассмотрению двухуровневой системы, обуславливающей отдельные спектральные линии. В результате спектр поглощения представляет собой совокупность вкладов от изолированных переходов. Для объяснения указанных расхождений теории с экспериментом вводят предположения о характере межмолекулярных взаимодействий (столкновений), требующие рассмотрения многоуровневых систем, и подчеркивается важность учета возникающих в таких системах эффектов интерференции линий. Выдвигаются также гипотезы о дополнительных механизмах молекулярного поглощения. При этом иногда возникает ряд противоречий в качественной трактовке расхождений теории с экспериментом [11-14].

В свете изложенного теоретически изучено распространение ММ и СБММ радиоволн в полярных атмосферных газах (кислороде, водяном паре) [1-12, 15]. Основные задачи исследования заключались в следующем:

- в разработке удобной для практических приложений методики численного расчета спектров поглощения полярных газов на основе метода функций памяти и моделей обобщенной вращательной диффузии, учитывающих интерференцию линий поглощения [15, 17-23];

- в изучении и объяснении на основе данной методики аномальных особенностей спектров поглощения полярных газов [1, 9-12, 16, 21];

- в создании модели молекулярного поглощения кислородом (квантового аналога модели J-диффузии) для объяснения особенностей его спин-вращательного спектра в широком диапазоне давлений [5, 7, 10];

- в изучении влияния интерференционных эффектов на спектры поглощения газов [1];

- в создании новой модели молекулярного поглощения, предназначенной для объяснения аномалий поглощения радиоволн в окнах прозрачности атмосферы и учитывающей конечную длительность соударений [2, 22, 24-28].

В результате теоретических и экспериментальных работ был развит метод функций памяти применительно к описанию на молекулярном уровне комплексной диэлектрической проницаемости полярных газов для молекул произвольной симметрии. Оказалось, что предложенный метод может использоваться в качестве эффективного инструмента в изучении особенностей распространения радиоволн в полярных газах [1, 3]. Существенными результатами развитой теории являются:

- учет различия в значениях полуширин линий в спектрах поглощения газов [21];

- вычисление в аналитическом виде функций памяти ряда квантовых аналогов моделей обобщенной вращательной диффузии [1, 8];

- учет конечной длительности столкновений молекул [2, 22].

Было также установлено, что предложенная модель молекулярного поглощения в газах (квантовый аналог модели J-диффузии) адекватно описывает спин-вращательный спектр кислорода в широком диапазоне давлений (0,1-60 атм.) (см. рис.1, 2), а также растворов с газоподобными спектрами (рис.3) [5, 7, 10, 24-29].

Рис.1. Отнесенный к давлению тангенс потерь  молекулярного кислорода как функция давления P на частоте n=0,3023 см^-1, рассчитанный для моделей J-диффузии (сплошная линия) и Ван Флека-Вайскопфа (штриховая линия); квадратики - экспериментальные данные.

Рис.2. Спектр поглощения кислорода в сухой атмосфере в диапазоне частот 54-66 ГГц при 29,7 ^оС. Сплошные линии - расчет в рамках модели J-диффузии, кружочки - экспериментальные данные. Кривые 1-6 соответствуют давлениям - кПа (высотам - км)  101,3 (0), 70,11  (3), 47,19  (6), 30,81 (9), 19,49 (12), 12,1 (15).

Рис.3. Нормированные спектры коэффициента поглощения растворов H₂O (штриховая линия) и D₂O (сплошная линия) в C₆H₆ для J-диффузии с конечной длительностью столкновений. Эксперимент для H₂O () и D₂O () - из работы [24].

Кроме того предложена модель, учитывающая конечную длительность столкновений молекул и практически полностью соответствующая экспериментальным данным по поглощению ММ и СБММ радиоволн в окнах прозрачности атмосферных паров воды [2, 6, 9, 12, 16].

Как метод функций памяти, так и модели обобщенной вращательной диффузии нашли применение в теории диэлектрической релаксации [24-28], позволив добиться существенно лучшего согласия теории с экспериментом.

5.1.2. Особенности распространения миллиметровых волн в дожде

Как известно, максимум ослабления радиоволн в дождях наблюдается в ММ диапазоне волн. Ослабление обусловлено двумя механизмами: поглощением энергии волны в объеме капли дождя и дифракционным рассеянием излучения каплей во внешнее пространство. При этом, как отмечалось в работах [30-32], вклад в ослабление вносит лишь рассеяние в направлении вперед, которое для очень разреженной среды случайно расположенных капель, каким является дождь, всегда когерентно. Представление о его роли в ослаблении радиоволн в дождях различной интенсивности можно получить с помощью спектральной зависимости альбедо однократного рассеяния , численно равного отношению коэффициента рассеяния  к коэффициенту ослабления  ,  /, (рис. 4).

Рис.4. Спектральная зависимость альбедо однократного рассеяния элемента объема дождя  при интенсивностях дождя R, равных 1 – 100 мм/ч, 2 – 12,5 мм/ч, 3 – 1,5 мм/ч.

Зависимости 1, 2, 3 на рисунке относятся к интенсивностям дождя R, соответственно 100; 12,5 и 1,56 мм/ч. В расчетах использованы: распределение капель по размерам Лоуса-Парсонса и значения показателя преломления воды в каплях, найденные по формулам Рэя [33] для температуры воды Т=20° С. Из рисунка следует, что вклад рассеяния в ослабление радиоволн ММ и СМ диапазонов существенно различается. Так ослабление ММВ на 50% определяется рассеянием излучения, причем, как показывают расчеты, для этой части диапазона волн  практически не зависит от длины волны, интенсивности дождя, распределения капель по размерам и термодинамической температуры воды в каплях. В диапазоне СМ волн  является убывающей степенной функцией длины волны излучения, зависит, также, от интенсивности дождя, распределения капель по размерам и термодинамической температуры капель [34].

         В обзорах [35, 36] подробно рассмотрены особенности распространения поляризованного излучения ММВ в дожде. Причинами их появления являются: несферичность падающих капель дождя и наличие направления предпочтительной ориентации осей симметрии таких капель [33, 35]. Это находит выражение в спектральных зависимостях комплексных волновых чисел волн разных поляризаций.

Важнейшим свойством рассеяния ММВ в направлениях, отличных от направления вперед, является то, что для случайно распределенных в пространстве капель дождя его можно считать независимым. Это следует из того, что капли достаточно далеко удалены друг от друга (находятся в дальней волновой зоне по отношению друг к другу) и, таким образом, каждая капля взаимодействует с электромагнитной волной так, как если бы других капель не существовало. Это обстоятельство позволяет полагать, что рассеянное совокупностью различных капель излучение является некогерентным.

Рис.5. Нормированные индикатрисы рассеяния элемента объема дождя:

1 - = 1,4 мм; R = 12,5 мм/ч,

2 -  = 1,4 мм; R=1,56 мм/ч,

3 - = 2,2 мм; R=12,5 мм/ч,

4 - = 2,2 мм; R=1,56 мм/ч,

5 - = 3,3 мм; R=12,5 мм/ч,

6 - =3,3 мм; R=1,56 мм/ч,

7 - = 8,6 мм; R= 12,5 мм/ч,

8 - =8,6 мм ; R=1,56 мм/ч.

         Угловое распределение рассеянного элементом объема дождя неполяризованного излучения характеризуют нормированной индикатрисой рассеяния. На рис.5 представлены индикатрисы рассеяния радиоволн длиной l = 1,4; 2,2; 3,3 и 8,6 мм в дождях с интенсивностями R = 1,56 и 12,5 мм/ч. Расчеты выполнены по теории Ми [37, 38] для распределения капель по размерам в соответствии с законом Лоуса-Парсонса [33]. Несмотря на то, что форма индикатрисы рассеяния излучения отдельной частицей многолепестковая [37] (число лепестков ~ где  - модуль комлексного показателя преломления вещества частицы, а  ,  здесь  - длина волны излучения в свободном пространстве,  - радиус частицы), форма индикатрисы рассеяния полидисперсной среды (каковой является дождь) весьма сглажена, но эффект Ми [30-32, 37] хорошо выражен в диапазоне ММВ в отличие от диапазона СМ волн, где индикатриса рассеяния близка к релеевской.

Эффект Ми состоит в том, что:

-главный лепесток значительно вытянут в направлении распространения волны;

-степень вытянутости индикатрисы зависит от длины волны излучения (растет с уменьшением длины волны), интенсивности дождя (более вытянут у дождей с большей интенсивностью) и формы функции распределения капель по размерам.

Из рис.5 видно, что индикатриса рассеяния элемента объема дождя на длине волны  = 8,6 мм близка по форме к релеевской, а с уменьшением длины волны передний лепесток вытягивается, причем анизотропия рассеяния тем больше, чем больше интенсивность дождя. Последнее обстоятельство связано с тем, что с ростом интенсивности дождя растут число и размеры крупных капель. Знание индикатрис полезно на практике, для оценки уровня возможных помех между радиосистемами при рассеянии радиоволн в дождях [39-41], и в теоретических исследованиях переноса радиотеплового СВЧ излучения в осадках [42,43].

В [39] показано, что индикатрисы рассеяния ММВ в дожде можно, с хорошей для практических применений точностью, аппроксимировать однопараметрическим соотношением, представляющим собой произведение индикатрис Релея и Хеньи-Гринстейна. Большей точности аппроксимации удалось достичь в [40] с помощью двухпараметрического выражения.

Упомянутое выше предположение о независимом рассеянии СВЧ излучения отдельными каплями в дождях позволяет существенно упростить оценку эффектов некогерентного многократного рассеяния, используя для этого хорошо развитую феноменологическую теорию переноса излучения. Так в [41] на базе численного решения векторной задачи переноса СВЧ излучения в дожде проанализировано влияние многократного рассеяния излучения на уровень взаимных помех между спутниковыми и приземными линиями связи. В [42, 43] выполнен анализ эффектов многократного рассеяния радиотеплового излучения в осадках и облаках. Показано [44], что в диапазоне ММВ важно учитывать вклады рассеяний высоких кратностей даже в дождях небольшой интенсивности и облаках.

5.1.3. Рефракция на приземных трассах

Распространение ММВ в приближении геометрической оптики может быть описано траекторией луча, а во многих практических случаях набором траекторных параметров - углами выхода и прихода луча, полной рефракции, геометрическим и видимым расстояниями.

Существующие методы расчета таких параметров не пригодны для всех вертикальных структур поля преломления и не позволяют найти траекторию луча по заданным истинным координатам пунктов связи, а также не определяют видимые координаты источника, наблюдаемого под малыми отрицательными углами места. С целью учета рефракции для модели сферически-слоистой атмосферы в ИРЭ РАН был разработан такой алгоритм, который позволил находить траектории, связывающие источник и приемник излучения при любых заданных как их координатах, так и вертикальных профилях коэффициента преломления [45]. Этот алгоритм, состоящий из компактных выражений, приспособлен для численных расчетов на ЭВМ. Он пригоден также и для случаев многолучевого распространения, когда конечные пункты могут быть связаны несколькими траекториями.

Алгоритм основан на описании траектории в слоистой среде с постоянными grad n в слоях, что приводит к искривлению траектории только внутри слоя, при этом преломления на границах слоев нет. Все возможные траектории находятся при сканировании по углу места. После того, как траектории вычислены, по ним определяется ослабление на трассе по методике [46]. Предложенный алгоритм позволяет также определять истинные координаты источника по видимым. Погрешность метода при расчете угловых величин в атмосфере оценивается в 1 угл. сек.

Этот подход  был применен для оценки влияния метеоусловий на траекторные параметры волн миллиметрового и оптического диапазонов, распространяющихся вблизи горизонта в приземном слое атмосферы, где поле коэффициента преломления n подвержено сильным вариациям.

На основе данных метеонаблюдений ИЭМ на 15-ти уровнях мачты высотой ~  301 м, полученных в годовом цикле 2-х суточных сеансов с интервалами в 6 часов внутри сеанса и 12 между ними, были рассчитаны текущие вертикальные профили n в миллиметровом и оптическом диапазонах. Для расчета n в ММ диапазоне была применена созданная в ИРЭ РАН инженерная методика расчета вращательной части диэлектрической проницаемости водяного пара, учитывающая спектральные зависимости преломления [47] и не приводящая к потере точности по сравнению с полным квантово-механическим расчетом [48].

Численное моделирование распространения в приземном слое выполнено для трассы с высотами передатчика и приемника 10 и 70 м соответственно, и дальностью 15 км. Обнаружена существенная связь характера отклонений видимого угла прихода от направления на источник с метеообстановкой. Для такой трассы определены средние и среднеквадратичные величины ошибки определения координат источника, амплитуда и фаза ее суточной компоненты и их зависимости от синоптической обстановки [50]. Получено, например, что максимальное изменение видимого угла в ММ диапазоне может составить около 20 угл. мин. в антициклональной ситуации теплого дня. В оптическом диапазоне это изменение на порядок меньше и фаза его отстает от ММВ на 6 - 7 часов.

По этим же метеоданным за годовой период был проведен расчет статистических характеристик отклонений углов прихода и выхода от истинного направления R1 и R2 у приемника и передатчика соответственно и электрической длины пути между ними -  [51].

Были вычислены коэффициенты корреляции между  различными траекторными параметрами в каждом диапазоне волн и между соответствующими траекторными параметрами радио и оптических волн. В январе в большинстве случаев значения R1 и R2 в радиодиапазоне меньше, чем в оптике. В июле существенное влияние влажности приводит наоборот к большему диапазону изменения R1 и R2 на ММ волнах.

Средние за сутки значения   в радиодиапазоне всегда больше, чем в оптическом. Средняя  ошибка радиодальности для рассмотренной трассы изменяется от 4,6 м зимой до 4,84 м летом при девиации 5 и 17 см соответственно. Годовой ход  в оптическом и ММ диапазонах противоположен по фазе.

Из результатов расчета следует, что в целом корреляция  между R1, R2 и  в каждом диапазоне волн и между диапазонами отсутствует.

Вышеприведенные результаты относятся к случаю фиксированных высот приемника и передатчика. Поскольку по расчетам было замечено, что траектория между ними не существует при определенных метеоусловиях, то анализировалась возможность отсутствия связи при изменении высоты передатчика от 2 до 301 м. По месяцам года  были определены те минимальные высоты H2, при расположении источника выше которых, уже не наблюдались случаи отсутствия связи [52]. Эти высоты имеют сезонный ход и меняются от ~ 20 м в январе  до ~ 60 м в июле. Отсутствие связи происходит из-за наличия слоев воздуха со сверхрефракционными свойствами между конечными пунктами трассы. Расчеты показывают, что на приземной трассе возможно не только отсутствие связи, но и возникновение многолучевости, обусловленной только особенностями преломления в атмосфере.

Прогноз условий распространения на трассе возможен при контроле высотного хода метеопараметров. Ошибки при их измерении могут заметно влиять на точность такого прогноза. В работе [53] изучено влияние погрешностей метеоизмерений на точность расчета траекторных параметров.

При расчетах вертикальной рефракции атмосфера предполагалась горизонтально однородной. Обоснованность этого предположения подтверждалась тем, что, во-первых, в экспериментах по наблюдению Солнца в МГТУ на =3,3 мм [54] при компенсации астрономической рефракции в реальном масштабе времени по методике [55] были получены максимально возможные величины горизонтальной рефракции вблизи горизонта, меньшие 10 угл. сек, и естественно, что на приземной трассе эта величина будет существенно меньшей. Во-вторых, при измерении на приземной трассе максимально возможная горизонтальная рефракция всегда была меньше ошибки измерений, то есть меньше 1 угл.сек (см. [49] и [65]).

5.1.4. Турбулентность

Рассмотрим особенности влияния турбулентности на распространение миллиметровых волн. Наиболее адекватной моделью тропосферной турбулентности является локально-однородная и изотропная среда с Кармановским спектром флуктуаций показателя преломления n:

,                          (1)

где , и - внешний и внутренний масштабы турбулентности, C_n  - структурная характеристика показателя преломления. В окнах прозрачности ММ и СМ диапазонах волн C_n, характеризующая интенсивность флуктуаций показателя преломления, практически не зависит от длины волны. Такое описание турбулентных неоднородностей показателя преломления применимо для трасс с небольшим перепадом высот, когда ширина пучка много меньше высоты трассы и влиянием конвекции можно пренебречь. Метод решения задачи распространения в локально-однородной и изотропной среде зависит от соотношения длины волны , протяженности трассы и внешнего и внутреннего масштабов турбулентности, а именно, от соотношения между длиной трассы L,  и  . Для типичных значений параметров = 1 мм, = 10 м получаем, что в ММ и СМ диапазоне для всех длин волн этих диапазонов, а может быть как больше, так и меньше длины трассы L, т.е. в отличие от оптического диапазона волн метод геометрической оптики не применим для описания распространения ММВ в турбулентной среде. Для ММ и СМ волн наиболее приемлемым для нахождения статистических характеристик флуктуации амплитуды и фазы является метод плавных возмущений (МПВ), учитывающий многократное рассеяние и дифракционные эффекты [56]. Для большинства задач, связанных с распространением узких пучков излучения, можно положить .

В развитие [56, 57], где рассмотрены случаи плоской и сферической волн в [58, 59] исследовано распространение гауссова пучка ММВ в приземном слое турбулентной атмосферы. Поскольку одним из преимуществ этого диапазона является возможность формирования узконаправленных пучков излучения, учет распределения поля по апертуре передающей антенны весьма важен для получения количественных оценок интенсивности флуктуаций амплитуды и фазы поля.

Основной параметр, характеризующий распространение пучка в турбулентной среде, - это волновой параметр , где - волновой вектор, - эффективный радиус пучка вблизи передающей антенны. Предельные случаи P<<1 и P>>1 соответствуют плоской и сферической волнам. Как в ММ, так и в СМ диапазоне для трасс порядка нескольких километров в пределах прямой видимости значения P достаточно велики. Так например, при L = 10 км, = 2,2 мм и = 0,5 м  P =14.

Решена задача нахождения статистических характеристик флуктуаций амплитуды, фазы, угла прихода гауссова пучка ММВ в слабопоглощающей турбулентной среде с пространственным спектром флуктуаций показателя преломления вида (1), причем для расчета структурной характеристики показателя преломления использовалась методика, изложенная в 60. Получены асимптотические формулы для среднеквадратичных флуктуаций уровня амплитуды, угла прихода в случае точечного приемника, проанализированы структурные и корреляционные функции флуктуаций уровня амплитуды и фазы как в окнах прозрачности, так и вблизи линий поглощения ММ диапазона. Заметим, что средний квадрат уровня амплитуды  (A – амплитуда поля в турбулентной среде, A_{0 -} амплитуда поля в свободном пространстве) при малых относительных флуктуациях амплитуды совпадает со средним квадратом этой величины, т.е. .

         Показано, что средний квадрат уровня амплитуды  пучка ММВ зависит лишь от длины волны и длины трассы и не зависит от размеров пучка

.                          (2)

Среднеквадратичные флуктуации амплитуды пучка ММВ в 1,8 раза меньше, чем для плоской волны [56]. Следует отметить, что рассмотренная модель турбулентности применима для расчета флуктуаций амплитуды поля в полосе частот от десятых долей Гц до 20 Гц, вызванных быстрыми изменениями показателя преломления.

Структурная функций флуктуаций фазы пучка ММВ D_f монотонно возрастает с увеличением разноса точек приема . Так например при значении волнового параметра P =80 (это соответствует = 2,2 мм, = 0,3 м и L = 20 км, C_n = 0,5´10^-6 м^-1/3 - лето) для = 1 м  = 1,5x10^-6, т. е. среднеквадратичная разность фаз между точками, разнесенными на 1 м (одна из них - на оси пучка) составляет 4 угл. мин.

Исследовано также влияние усредняющего действия приемной апертуры на интенсивность флуктуаций амплитуды. Показано [58], что функция усреднения Q_m, характеризующая отношение дисперсии флуктуаций амплитуды на выходе приемной антенны радиуса  к дисперсии флуктуаций амплитуды в случае точечного приемника, может быть аппроксимирована выражением вида

,                  (3)

где b = 1,6 для длин волн ММ диапазона.

Среднеквадратичные флуктуации направления распространения пучка ММВ в случае точечного приемника определяются не внутренним масштабом турбулентности, как в случае плоской монохроматической волны, а эффективным начальным радиусом  пучка  [58]:

.                              (4)

         Установлено, что поглощение в ММ и СБММ диапазоне не оказывает существенного влияния на интенсивность флуктуаций амплитуды, фазы и направления распространения пучка ММВ – его влияние составляет доли процента даже вблизи линий поглощения.

В таблице 1 приведены значения  в процентах и дисперсии направления распространения пучка ММВ в угловых секундах для различных длин волн l в зависимости от длины трассы L при = 0,3 м, C_n = 0,5´10^-6 м^-1/3  (лето).

Таблица 1. Средний квадрат флуктуаций уровня амплитуды и дисперсия направления распространения пучка ММВ.

, %
длина волны, мм	L, км
	5	10	20	30
2.20	3.8	7.2	13.6	19.8
3.30	3.0	5.7	10.8	15.6
8.60	1.7	3.3	6.2	8.9
дисперсия направления распространения , угл. сек
8.60	2.2-8.6	15.5	21.9	38.0

При сравнении экспериментальных данных с теоретическими расчетами следует иметь в виду, что для корректного сопоставления с приведенными в этом разделе результатами необходимо выделить в спектре амплитудных флуктуаций и флуктуаций угла прихода участок, соответствующий инерционному интервалу турбулентности – ориентировочно от 0,1 Гц до 20 Гц.

Исследовано также влияние турбулентности на  распространение широкополосного сигнала ММ диапазона [61].

         Расчеты, выполненные для трасс протяженностью 15 и 30 км, частот 34,9 и 136,4 ГГц, соответствующих окнам прозрачности атмосферы, и радиуса пучка 30 см, показали, что при разносе частот порядка 10 ГГц модуль функции когерентности спадает на 2 - 6%. При распространении одиночного гауссовского импульса с полушириной 0,1 нс в окнах прозрачности гауссовская форма огибающей практически сохраняется, а эффективная длительность незначительно увеличивается - например, на частоте 136,4 ГГц и трассе 30 км относительное уширение не превосходит 1 - 2 %.

5.1.5. Экспериментальные исследования

В ИРЭ РАН совместно МГТУ им. Баумана организована специальная трасса распространения на базе радиотелескопа ММ диапазона РТ-7,5, который использован в качестве приемной антенны.

В течение двух лет параллельно проведено две серии экспериментов. В одной из них исследовались статистические характеристики ММ волн, а именно: флуктуации интенсивности и угла прихода, обусловленные атмосферной турбулентностью. В другой серии исследовалась угловая рефракция, вызванная стратификацией приземного слоя атмосферы (ПСА).

Результаты этих исследований представлены также в [49, 62-66].

5.1.5.1. Аппаратура и методика экспериментов

Трасса распространения, на которой проводились эксперименты, создана в Дмитровском районе Московской области. Длина трассы, угол наклона и средняя высота составляют 13,7 км, 8 угл.мин и 35 м соответственно. Подстилающую поверхность трассы составляют сельскохозяйственные угодья, небольшие рощи, водный канал и часть города Дмитрова – места расположения передатчика. Точка приема – радиотелескоп РТ-7,5, диаметр апертуры которого 7,8 м, а угловое разрешение 2 угл.мин на частоте 90 ГГц [67, 68]. Столь высокое разрешение полностью устраняет возможность приема волн, отраженных от подстилающей поверхности трассы. Передатчик представляет собой стабилизированный по частоте и по мощности генератор на лампе обратной волны, питающий параболическую антенну с угловым разрешением 30 угл.мин.

Для измерений флуктуаций ММВ разработана специальная приемная система, основанная на принципе конического сканирования луча антенны РТ-7,5. Эта аппаратура обеспечивает одновременное измерение и регистрацию флуктуаций интенсивности, флуктуаций вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода, а также медленные (до 3-х часов) изменения вертикальной компоненты угла прихода, обусловленные рефракцией. Упрощенная блок-схема приемной системы представлена на рис. 6.

Рис.6. Блок-схема аппаратурного комплекса для исследования стохастических вариаций амплитуды и угла прихода ММ волн.

Коническое сканирование луча радиотелескопа обеспечивается с помощью дискового контррефлектора (К), расположенного у первичного фокуса РТ-7,5. Волна, сфокусированная антенной РТ-7,5 (А) и отраженная контррефлектором, поступает на вход супергетеродинного приемника (П) [69], находящегося во вторичном фокусе. Контррефлектор вращается с частотой 137 Гц вокруг своей оси с помощью электродвигателя (ЭД), а плоскость диска К слегка наклонена относительно оси вращения так, что луч антенны вращается по конической поверхности с образующим углом 110 угл.сек. Таким образом, если существует небольшая разность (менее 40 угл.сек) между видимым направлением на передатчик и осью антенны, то выходной сигнал приемника будет модулирован по амплитуде с частотой вращения контррефлектора. Глубина модуляции пропорциональна отклонению оси антенны от угла прихода волны, а фаза модуляции определяется направлением этого отклонения.

В низкочастотной части системы информация, содержащаяся в выходном сигнале приемника, обрабатывается и распределяется по пяти каналам. В двух каналах, снабженных синхронными детекторами (СДВ, СДГ), генератором опорной частоты (ГОЧ) и цифровым фазовращателем (ЦФВ) выходные напряжения определяются соответственно вертикальной и горизонтальной компонентами угла прихода, умноженными на интенсивность принимаемого излучения. Зависимости выходных напряжений от угла прихода в этих каналах описываются пеленгационными характеристиками, имеющими линейных участок шириной около 70 угл.сек. В двух других каналах с помощью полосового фильтра (ПФ), амплитудного детектора (АД) и селективных усилителей (СУБ, СУМ) формируются напряжения пропорциональные соответственно быстрым флуктуациям (10^-1-10 Гц) и медленным изменениям (10^-3 -10^-1 Гц) интенсивности.

Из-за изменений стратификации атмосферы в ходе длительных измерений флуктуаций среднее значение вертикальной составляющей угла прихода может измениться на величину до нескольких угловых минут и выйти за пределы линейного участка пеленгационной характеристики. Для того, чтобы преодолеть это ограничение, ось вращения контррефлектора К автоматически поворачивается в вертикальной плоскости с помощью специального электро-механического привода (ЭМП), напряжением питания которого является интегрированный по времени выходной сигнал канала вертикальной составляющей угла прихода, подаваемый в виде отрицательной обратной связи через усилитель УМ. Угловое положение оси вращения, зависящее от среднего значения угла прихода волны, измеряется датчиком ДУ и регистрируется.

В ходе экспериментов вся выходная информация приемной системы регистрировалась на многоканальном магнитографе (М) с частотной модуляцией. Затем она оцифровывалась и вводилась в память компьютера (К) для последующей статистической обработки.

Параметры приемной системы были тщательно рассчитаны и измерены. Расчетная угловая чувствительность составила 0,01 угл.сек, измеренная – 0,06 угл.сек. Отношение "сигнал-шум" 60 дБ. Взаимное влияние вертикального и горизонтального угловых каналов –18 дБ. Частотный диапазон измеряемых флуктуаций 10^-3 –10 Гц.

Долговременные (до 24-х часов) вариации угла прихода, обусловленные регулярной рефракцией, исследовались с помощью радиометрического приемника [69], установленного в первичном фокусе РТ-7,5, а диаграммная модуляция была заменена на амплитудную. Методика измерений состояла в сканировании антенны РТ-7,5 в вертикальной или горизонтальной плоскостях относительно направления на передатчик. Сканирование выполнялось в виде пятиминутных серий по 10 сканов каждая. Затем результаты каждой серии усреднялись. Случайная ошибка измерений составила 1 угл.сек. Во время получасовых интервалов между сериями приемная антенна наводилась на передатчик для того, чтобы измерять текущие значения флуктуаций интенсивности принимаемого излучения и найти связь между флуктуациями и рефракцией.

Некоторые измерения угловой рефракции ММВ сопровождались синхронными измерениями рефракции в оптическом (видимом) диапазоне. Оптические измерения выполнялись совместно с Горьковским инженерно-строительным институтом с помощью геодезического теодолита с точностью 1 угл.сек. Источником оптического излучения служил осветительный прожектор, установленный на передающем пункте.

Полученные результаты:

В различных погодных и сезонных условиях проведено 9 сеансов непрерывных измерений флуктуаций с общим временем 12 часов. Получены среднеквадратичные величины флуктуаций интенсивности s_i, флуктуаций вертикальной s_в и горизонтальной s_г составляющих угла прихода. Значения s_i, s_в и s_г вычислялись по 40-секундным интервалам записи сигналов. С использованием теории распространения электромагнитных волн, разработанной Татарским В.И. [56], и выражений для s_i, s_в и s_г для гауссового пучка электромагнитных волн [58] по результатам каждого сеанса вычислялись значения структурной характеристики турбулентности C_n. Полученные данные представлены в таблице 2, где C_nⁱ и C_n^a - значения C_n , вычисленные отдельно по s_i и s_в, s_г, причем среднеквадратичная величина флуктуаций угла прихода вычислялась как геометрическая сумма s_в и s_г; t и p соответственно температура и давление воздуха, е- парциальное давление водяного пара, - скорость ветра. Разность величин C_nⁱ и C_n^a достигает 250%, что в данном случае определяет точность теоретических выражений для s_i, s_в и s_г.

В большинстве экспериментов отмечалась существенная анизотропия турбулентности, которая проявлялась в отличии s_в от s_г. Иногда отношение s_в и s_г достигало 2,5.

Исследования спектрального состава флуктуаций показали, что в области частот, соответствующих инерционному интервалу турбулентности (порядка 0,1 Гц и выше) усредненный наклон спектров составляет –2,2, в то время как его теоретическое значение равно –2,67 (-8/3) [56]. В низкочастотной области (менее 0,1 Гц), которая не описывается теоретически, отмечается существенное отличие спектров для вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода, которое свидетельствует о возрастании степени анизотропии турбулентности с уменьшением пространственной частоты турбулентных неоднородностей. Это означает, что более крупные неоднородности имеют плоско-слоистую форму.

Таблица 2.

Дата, время	si , %	sв,, угл. сек.	sг , угл. сек.	Сn^i *10^7, м^-1/3	Сn^a *10^7, м^-1/3	Метеоусловия
						t, ^oC	p, мб	е, мб	v, м/с
4 мая 16.03-16.50	0,61- -0,71	0,81- -1,6	0,96- -1,6	0,20- -0,39	0,64- -1,1	+8,8	992	9,8	2
4 мая 16.55-18.07	0,34- -0,64	0,45- -0,85	0,56- -1,0	0,18- -0,34	0,38- -0,70	+8,9	994	10,5	2
18 мая 00.23-02.42	0,91- -1,6	0,70- -2,1	1,32- -4,0	0,48- -0,86	0,82- -2,4	+10,5	992	10,2	1
18 мая 13.24-15.50	3,6- -6,1	1,0- -2,8	1,4- -4,2	1,8- -3,2	1,1- -2,8	+17,6	996	8,1	6
27 дек. 12.20-13.40	0,27- -0,88	0,40- -0,90	0,30- -0,81	0,14- -0,46	0,26- -0,64	-6,1	1004	3,5	4
27 дек. 13.50-16.10	0,56- -1,3	0,18- -0,30	0,15- -0,20	0,31- -0,69	0,16- -0,24	-5,5	1006	3,9	3
16 янв. 19.07-20.03	0,20- -0,61	0,70- -1,6	0,35- -0,70	0,11- -0,32	0,38- -0,91	-8,6	970	2,8	5
17 янв. 12.00-12.28	0,20- -0,30	0,25- -0,41	0,20- -0,35	0,10- -0,16	0,17- -0,26	-7,3	979	3,0	2
17 янв. 15.09-17.15	1,0- -1,8	0,41- -0,72	0,40- -0,68	0,53- -0,92	0,31- -0,53	-6,9	976	3,1	2

Относительное расхождение полученных экспериментальных данных и результатов теоретических расчетов по [56, 58] объясняется влиянием подстилающей поверхности на структуру турбулентности ПСА, особенно на ее крупномасштабную часть. Можно заключить, что модель однородной изотропной турбулентности, используемая в [56, 58], недостаточно точна для теоретических расчетов параметров ММВ в ПСА.

Обнаружено, что распределение флуктуаций интенсивности ММВ подчиняется логарифмически-нормальному закону, а распределение флуктуаций углов прихода – нормальному.

Флуктуации интенсивности и углов прихода между собой не коррелируют (коэффициенты корреляции на интервалах времени 40 сек всегда были меньше 0,2).

Эксперименты по угловой рефракции выполнялись в течение двух-годового цикла в форме тринадцати 30-часовых сеансов непрерывных измерений с общим временем 370 часов.

Измеренные максимальные величины угла рефракции (угловой разности между видимым и истинным направлением на передатчик) и скорости его изменения для вертикальной компоненты угла прихода по результатам всех экспериментов составили соответственно 5 угл. мин и 3 угл. мин/час осенью при антициклональной погоде.

При одновременных измерениях рефракции по вертикали и горизонтали изменение угла горизонтальной рефракции всегда было меньше ошибки измерений (1 угл. сек). Таким образом, горизонтальная рефракция, по крайней мере, на два порядка меньше вертикальной, что согласуется с известными данными о структуре ПСА [70]. Поэтому все приведенные ниже результаты относятся только к рефракции по вертикали.

По двух-годовому циклу измерений получен закон распределения углов рефракции, который оказался несимметричным и достаточно точно был аппроксимирован гамма-распределением. Среднее значение угла рефракции и его среднеквадратичный разброс составили соответственно 70 и 50 угл.сек.

В среднем рефракция ночью в 2-3 раза больше, чем днем; летом в 2 раза больше, чем зимой. В ряде экспериментов максимальные величины рефракции отмечались в моменты восхода и захода Солнца, что связано с подъемом инверсионных слоев температуры и влажности ПСА в утренние и вечерние часы.

Спектры изменений угла рефракции в диапазоне частот 10^-5-10^-3 Гц очень изменчивы в зависимости от погодных и сезонных условий. Однако, эти спектры, как правило, имеют два максимума, один из которых соответствует превышению дневной рефракции относительно ночной (период колебаний 24 часа), другой отражает эффект роста рефракции при восходе - заходе Солнца (период около 12 часов). В усредненном по всем измерениям спектре 24-часовой максимум в три раза больше 12-часового.

По результатам проведенных двух серий экспериментов построены обобщенные спектры вариаций вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода ММ излучения в диапазоне частот 10^-5 -10 Гц (периоды колебаний от 0,1 сек до 30 часов). Эти спектры показаны на рис.7, где В - спектр вертикальной компоненты, Г – горизонтальной. Вертикальными отрезками на спектре В показаны диапазоны сезонных и погодных вариаций спектральной плотности.

Рис.7. Обобщенные спектры вариаций вертикальной (В) и горизонтальной (Г) составляющих угла прихода ММ волн. Вертикальными отрезками на кривых В и Г показан диапазон сезонных и погодных изменений спектральной плотности.

Какая-либо устойчивая связь между основными параметрами атмосферы, измеренными вблизи земной поверхности, рассчитанным по ним показателем преломления воздуха, уровнем флуктуаций интенсивности принимаемого излучения и углом рефракции не обнаружена. Коэффициенты корреляции между перечисленными величинами в среднем не превышали 0,2.

В результате одновременных измерений рефракции ММВ и оптического излучения обнаружено, что в летний период нет устойчивой связи между углами рефракции в этих диапазонах (коэффициент корреляции 0,4), тогда как зимой корреляция достигала значения 0,97. Это обусловлено тем, что с понижением температуры понижается абсолютная влажность воздуха и, следовательно, уменьшается вызванное ей различие в показателях преломления и траекториях лучей для ММ и оптических волн.

5.1.6. Влияние подстилающей поверхности на распространение  миллиметровых волн

         В дециметровом и сантиметровом диапазонах волн слабо шероховатые поверхности раздела воздуха и Земли являются зеркально отражающими. Такое отражение описывается формулами Френеля [73, 74]. В тех же условиях на ММВ среднеквадратичные неровности поверхностей соизмеримы с длиной волны. Неровности поверхности играют значительную роль и некогерентная составляющая рассеянного поля становится преобладающей. Но даже при этих условиях пространственная интерференционная структура поля ММВ на сравнительно малых расстояниях и малых углах скольжения проявляется [77]. С ростом расстояний от источника излучения до точки приема зона эффективного отражения, существенная для формирования интерференционной картины, увеличивается и включает как мелкомасштабные, так и крупномасштабные неровности, которые могут привести к разрушению интерференционной структуры. К тому же начинают проявляться флуктуации амплитуды, фазы и направления распространения, которые искажают интерференционную структуру суммарного поля [75-77].

В [77] была рассмотрена задача нахождения поля ММВ в канале связи с учетом турбулентности среды и подстилающей поверхности. Показано, что комплексная фаза флуктуационного поля определяется суммой трех слагаемых. Первое из них обусловлено прямой волной, второе и третье описывают суперпозицию волн, рассеянных на турбулентных неоднородностях и переотраженных поверхностью. Задача решалась в предположении высоко поднятых источника и приемника излучения. Однако больший интерес для практического использования представляет решение задачи при небольших высотах, на которых располагаются передающая и приемная антенны.

Для малых углов скольжения до сих пор нет удовлетворительного теоретического решения задач рассеяния поверхностями с хаотическими неровностями. Параметр Релея  (где k – волновой вектор, - дисперсия высот неровностей,  -угол скольжения) при  ~ 2¸3 мм,  = 2¸6° становится много меньше единицы, а при выполнении условия   для описания структуры поля справедлива формула, аналогичная формуле для гладкой поверхности [73] (здесь r¢ - расстояние от точки наблюдения до зеркального изображения передатчика). Для неровностей с нормальным распределением высот средний коэффициент отражения  в приближении метода касательной плоскости (МКП) записывается в виде [75]:

                           (5)

где -модуль френелевского коэффициента отражения по полю для вертикальной (В) и горизонтальной (Г) поляризаций.

Отсутствие строгих решений обусловило необходимость получения экспериментальных данных, т.к. они дают не только количественные сведения, но и позволяют сделать феноменологическое описание процессов.

         Измерение интерференционной структуры поля на волне 2×мм проводилось в натурных условиях над специально подготовленной (выровненной и выдержанной при различных погодных условиях) песчаной поверхностью и над этой же площадкой, покрытой слоем снега толщиной 30 см. Для исключения влияния турбулентности атмосферы расстояние от передатчика до приемника составляло 150 м. Схема эксперимента описана в [75]. Приемник устанавливался на телескопической мачте, которая могла равномерно подниматься от 3 до 10 м. При перемещении приемника по вертикали регистрировались интерферограммы суммарного поля.

Рис.8. Интерферограмма структуры поля ММВ (=2×10^{-3 м) над песчаным покровом для горизонтальной поляризации.}

По записям интерференционной структуры поля по методике, описанной в [75], были рассчитаны коэффициенты отражения для горизонтальной и вертикальной поляризаций от песчаной и снежной поверхностей. На рис.8 приведен фрагмент зависимости глубины интерференции от высоты приемника или угла скольжения  над песчаным покровом для горизонтальной поляризации. Интерферограммы для вертикальной поляризации и над снежным покровом [75] аналогичны приведенной на рис.8.

Рис.9. Зависимость коэффициентов отражения ММВ от угла скольжения υ на волне =2 мм для песчаной поверхности: 1, 2- расчет коэффициентов отражения по формулам Френеля для горизонтальной |V|_Г и вертикальной |V|_В

поляризаций для гладкой поверхности с =2,5 – i 6,2 ×10^-2; 3, 4 — аппроксимация экспериментальных значений коэффициентов отражения выражением (5) по методу наименьших квадратов, соответствующих , для горизонтальной  и вертикальной поляризаций соответственно; 5, 6 - экспериментальные значения соответственно для горизонтальной и вертикальной поляризаций.

На рис.9 показана зависимость коэффициентов отражения ММВ от угла скольжения для песчаной поверхности. Полученные коэффициенты отражения для песчаной и снежной поверхностей использовались для оценки их среднеквадратичных неровностей. Теоретические кривые на рис.9 построены для  Из этого следует, что при = 2,2 мм значения  2,65 мм. Аналогично были оценены среднеквадратичные неровности для снега, которые по порядку величин совпали со значением  для песка.

При расстояниях между передающим и приемным пунктами несколько километров и высотах антенн над поверхностью земли ~ 10 ¸ 15 м суперпозиция когерентной составляющей волны, отраженной подстилающей поверхностью, и прямой волны приводит к интерференционному распределению суммарного поля с глубокими амплитудными замираниями [76]. Однако взаимодействие этих волн с турбулентными неоднородностями показателя преломления атмосферы обуславливает то, что поля этих волн в плоскости приема имеют случайную структуру. В результате происходит искажение интерференционной картины.

Решение задачи было предложено в [76]. По аналогии с линейными радиотехническими фильтрами вводят частотную характеристику атмосферного радиоканала , которую при линейном взаимодействии электромагнитной волны с невозмущенной средой распространения определяют как отношение поля плоской волны на выходе канала протяженностью x и поля на входе :

(6)

 Здесь ,  - скорость распространения волны в радиоканале, - комплексный показатель преломления.  Модуль  соответствует амплитудной частотной характеристике (АЧХ), а   - фазочастотной характеристике. Таким образом, частотная характеристика представляет собой комплексную амплитуду поля плоской волны с волновым числом, выраженным через угловую частоту, показатель преломления n и коэффициент поглощения m среды распространения. Тогда влияние турбулентности и отражений подстилающей поверхностью можно учесть статистическим усреднением, в результате чего получим когерентную составляющую комплексной амплитуды поля плоской волны.

Отсюда следует, что среднестатистическую комплексную частотную характеристику (ЧХ) радиоканала с учетом турбулентности атмосферы и отражений подстилающей поверхностью можно представить в виде произведения парциальных ЧХ (по аналогии с многозвенным линейным фильтром): ЧХ слоя протяженностью r турбулентной атмосферы  и ЧХ полупространства, ограниченного подстилающей поверхностью

            (7)

В [76] показано, что для реальных условий состояния турбулентной атмосферы влияние амплитудных и фазовых флуктуаций на  существенно меньше влияния молекулярного поглощения, и АЧХ слоя турбулентной атмосферы определяется спектральной зависимостью молекулярного поглощения [78].

Так как ЧХ радиоканала с учетом подстилающей поверхности определяется через статистическое среднее поле волны в плоскости приема, то учет влияния неровностей подстилающей поверхности проводится с использованием статистических средних коэффициентов отражения <V> [75] , а среднюю суперпозицию полей в точке приема можно представить в виде

             (8)

где Δr  -разность хода прямой и отраженной подстилающей поверхностью волн. Тогда для можно записать [76]:

       (9)

где    - разность комплексных фаз интерферирующих волн в точке приема.

Без учета флуктуаций () и поглощения (m = 0) при n = 1, для поверхности с   , т.е. │<V>│=│V│=1 и   , выражение (9) преобразуется к виду [76]:

.                        (10)

В (10) учтено, что , где z_i и z₀  - высоты приемника и передатчика, L - расстояние между передатчиком и приемником. В аргумент (10) высота приемника  и частота  входят симметрично. Это было использовано для получения экспериментальной реализации АЧХ, т.к. варьирование высотой приемника (углы прихода ) эквивалентно изменению частоты . Максимум j -ого экстремума интерференционной структуры поля соответствуют частотам  Тогда ширина полосы частот, пропускаемая радиоканалом, будет определяться из условия  , откуда следует, что

(11)

Измерения АЧХ атмосферного радиоканала осуществлялись по схеме измерения интерференционной структуры поля – аналогично измерению эффективных коэффициентов отражения по той же методике и на той же аппаратуре. Они проводились на трассе протяженностью 3200 м над песчаной поверхностью. Ширина диаграммы направленности передающей антенны по половинному уровню мощности равна 20΄.

В [76] показано, что величина амплитудных флуктуаций сравнима с глубиной интерференционных замираний в отсутствии турбулентной среды, что затрудняет визуальное наблюдение периодической структуры суммарного поля в реальных условиях.

На рис.10а приведен фрагмент записи реализации АЧХ. Для построения среднеквадратической АЧХ, аналогично [75], по экспериментальной АЧХ для каждой пары максимум – минимум были вычислены коэффициенты отражения и определен усредненный по всей реализации АЧХ │<V>│ = 0,177. Вычисленная по (10) соответствующая условиям рис.10а теоретическая АЧХ атмосферного радиоканала над песчаной  поверхностью приведена на рис.10б. Для указанных выше параметров геометрической схемы эксперимента полоса частот данного радиоканала составила около 1 ГГц.

Рис.10. Фрагмент записи (реализации) частотной характеристики атмосферного радиоканала над песчаной подстилающей поверхностью (А) и теоретическая АЧХ для эффективного коэффициента отражения |V|= 0,177 (Б)

Таким образом рассмотрены различные факторы, влияющие на условия распространения ММВ в приземном слое атмосферы, а именно молекулярное поглощение в атмосферных газах, рассеяние в гидрометеорах, искривление траекторий из-за рефракции, флуктуации из-за турбулентности, отражение от подстилающей поверхности.

Развитый теоретический подход к описанию спектров газов, основанный на использовании метода функций памяти и моделей обобщенной вращательной диффузии, позволяет получать более полную и точную исходную спектроскопическую информации о газах для интерпретации дистанционных измерений, оценок ослабления излучения, моделирования радиационного переноса. Решен ряд задач по дальнейшему развитию способов качественного и количественного спектрального анализа состава газовых сред. Большую роль в этом играет задача интерпретации спектров, связанная с вопросами исследования строения молекул, их пространственной структуры, характера межмолекулярных движений и взаимодействий в газах. Такая связь объясняется тем, что расчеты макроскопических характеристик газов (например, комплексной диэлектрической проницаемости) основываются на микроскопическом рассмотрении динамических процессов в газах. Все эти прикладные аспекты, свидетельствующие о важности исследования дисперсии и поглощения электромагнитных волн ММ и СММ диапазона в полярных газах, нашли широкое освещение в публикациях ИРЭ РАН. Важным моментом предложенного теоретического подхода является применимость его не только для полярных газов, но и в случае растворов полярных жидкостей и жидких кристаллов.

Расчеты коэффициентов ослабления и рассеяния радиоволн в дожде показывают, что ослабление миллиметровых волн в дожде в равной степени обусловлено как поглощением энергии волны в объеме капель, так и дифракционным рассеянием падающей волны на каплях, причем это соотношение (между поглощением и рассеянием) практически не зависит ни от длины волны (в диапазоне ММВ), ни от интенсивности дождя, ни от спектра размеров капель. В диапазоне СМ волн, напротив, ослабление определяется, главным образом, поглощением, а роль рассеяния падает с увеличением длины волны, с уменьшением интенсивности дождя и зависит от вида распределения капель по размерам.

         В отличие от релеевской индикатрисы рассеяния СМ волн в осадках, которая мало зависит от длины волны излучения, интенсивности дождя и распределения капель по размерам, индикатриса рассеяния ММВ в дожде демонстрирует ярко выраженный эффект Ми.

Разработан алгоритм, позволяющий находить траектории, связывающие источник и приемник излучения при любых заданных как их координатах, так и вертикальных профилях коэффициента преломления. Этот алгоритм, состоящий из компактных выражений, приспособлен для численных расчетов на ЭВМ и пригоден также и для случаев многолучевого распространения, когда конечные пункты могут быть связаны несколькими траекториями. Численное моделирование распространения в приземном слое выполнено для трассы, параметры которой близки к экспериментальной. Обнаружено качественное согласие характера отклонений видимого угла прихода, рассчитанных по измерениям веритикальных профилей атмосферы с измеренными. Расчеты показывают, что на приземной трассе возможно не только отсутствие связи, но и возникновение многолучевости, обусловленной только особенностями преломления в атмосфере.

В результате расчетов статистических характеристик флуктуаций амплитуды и фазы поля в приземном слое турбулентной атмосферы показано, что:

- средний квадрат уровня амплитуды  пучка ММВ зависит лишь от длины волны и протяженности трассы и не зависит от размеров пучка;

- среднеквадратичные флуктуации амплитуды пучка ММВ в 1,8 раза меньше, чем для плоской волны;

- среднеквадратичные флуктуации направления распространения пучка ММВ в случае точечного приемника определяются не внутренним масштабом турбулентности, как в случае плоской монохроматической волны, а эффективным начальным радиусом  пучка r_e.

        Установлено, что поглощение в ММ и СБММ диапазоне не оказывает существенного влияния на интенсивность флуктуаций амплитуды, фазы и направления распространения пучка ММВ – его влияние составляет доли процента даже вблизи линий поглощения

В течение двух лет на приземной трассе параллельно проведены две серии экспериментов по исследованию как флуктуаций интенсивности и угла прихода, обусловленных атмосферной турбулентностью, так и рефракции, вызванной вертикальной стратификацией приземного слоя. Изучение спектрального состава флуктуаций показало, что в области частот, соответствующих инерционному интервалу турбулентности (порядка 0,1 Гц и выше) усредненный наклон спектров составляет –2,2, в то время как его теоретическое значение равно –2,67. В низкочастотной области (менее 0,1 Гц), которая не описывается теоретически, отмечается существенное отличие спектров для вертикальной и горизонтальной составляющих угла прихода, которое свидетельствует о возрастании степени анизотропии турбулентности с уменьшением пространственной частоты турбулентных неоднородностей.

Данных по температуре, влажности, давлению воздуха, скорости и направления ветра в приземном слое недостаточно для точного теоретического прогнозирования параметров ММ волн. Необходимы еще и данные по вертикальной стратификации, уровню и анизотропии турбулентности на высотах ПСА. К настоящему времени такие атмосферные модели не созданы. Необходимо развивать и методы расчета, использующие неизотропные модели турбулентности, зависящие от высоты над земной поверхностью.

В результате экспериментальных исследований при высотах корреспондирующих пунктов 10м…15м подтверждено наличие интерференционной структуры поля, которая сохраняется и на трассах, протяженностью несколько километров.

Показано, что при отражении от слабошероховатой поверхности для трассы, описанной в п.5.1.6, полоса пропускания атмосферного радиоканала длиной несколько километров составляет ~ 1000 МГц.

Литература

1. Kalmykov Yu. P,. Titov S. V. A Semiclassical Theory of Dielectric Relaxation and Absorption in Polar Fluids: Memory Function Approach to the Extended Rotational Diffusion Models. - Relaxation Phenomena in Condensed Matter, Ed. W.T.Coffey, Advances in Chemical Physics, Series Editors I.Prigogine and S.A.Rice, Wiley, New York, 1994, v. 87, p. 31-122.

2. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Молекулярное поглощение миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосферном кислороде и водяном паре. - Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, т.2, N 4, с.80-86.

3. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Обобщенная вращательная диффузия и молекулярное поглощение в газах: метод функций памяти. - Зарубежная радиоэлектроника, 1998, N 9, с.32-50.

4. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Обобщенная вращательная диффузия с учетом конечной длительности соударений: полуклассическая теория. - Оптика и спектроскопия, 1995, т.79, N 6, с.929-935.

5. Калмыков Ю.П, Новскова Т.А., Титов С.В. Спектр поглощения молекулярного кислорода в диапазоне частот 50-70ГГц: уширение давлением в рамках модели J-диффузии. - Радиотехника и электроника, 1998, т.43, N 5, с. 613-621.

6. Калмыков Ю.П., Титов С.В. Применение метода функций памяти для расчета вращательного спектра поглощения паров воды. - Препринт ИРЭ АН СССР, N 14(473), 1987.

7. Калмыков Ю.П., Титов С.В. Использование модели J-диффузии Гордона для расчета 0-ТГц спектра поглощения молекулярного кислорода. – Тез. докл. 20 Всес. съезда. по спектроскопии. - Киев, 1988, т.1, с.257.

8. Титов С.В. Комплексная диэлектрическая проницаемость полярных газов в диапазоне частот 0-1ТГц. Метод функций памяти. – Диссертация на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук, 1989, М., МФТИ, 188 с.

9. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Применение метода функций памяти для расчета вращательного спектра поглощения паров воды. - Радиотехника и электроника, 1989, т.34, N 1, с.13-20.

10. Калмыков Ю.П, Титов С.В. О спектре поглощения молекулярного кислорода в 0-ТГц диапазоне частот. – Изв. ВУЗов, Радиофизика, 1989, т.32, N 8, с.933-944.

11. Калмыков Ю.П, Титов С.В. K теории поглощения микроволнового излучения молекулярным кислородом. - Тез. докладов 3 Всес. школы по распространению мм и СБММ волн в атмосфере. - Харьков, 1989, с.39-40.

12. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Модель молекулярнного поглощения миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в атмосферных парах воды. Тез. докладов 3 Всес. школы по распространению ММ и CБММ волн атмосфере. - Харьков, 1989, с.38.

13. Калмыков Ю.П, Титов С.В. К теории молекулярного поглощения сантиметровых и миллиметровых волн в кислороде. - Радиотехника и электроника, 1991, т.36, N 12, с.2281-2290.

14. Калмыков Ю.П, Титов С.В. О форме линии поглощения вращательных спектров полярных газов в приближении моделей сильных столкновений. - Оптика и спектроскопия, 1992, т.72, N 1, с.49-55.

15. Калмыков Ю.П., Титов С.В. Квантовая дипольная автокорреляционная функция модели свободного вращения. - Радиотехника и электроника, 1987, т.32, N 9, с.1902-1908.

16. Калмыков Ю.П, Титов С.В. О поглощении миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн в водяном паре. - Оптика и спектроскопия, 1993, т.75, N 3, с.610-616.

17. Гайдук В.И., Титов С.В. Квантовая система линейных молекул при произвольном наборе времен релаксаций и вращательные спектры газоподобных жидкостей. - Препринт ИРЭ АН СССР, N 3 (504), 1989.

18. Гайдук В.И., Титов С.В. Приближенное описание квантовой системы линейных молекул при произвольном наборе времен релаксаций и вращательные спектры газоподобных жидкостей. - Оптика и спектроскопия, 1990, т.68, N5, с.1043-1049.

19. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Комплексная проницаемость полярных газов в приближении сильных столкновений: метод функций памяти. Тез. докладов 4 Всес. школа по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере. - Ниж. Новгород, 1991, с.37-38.

20. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Диэлектрическая восприимчивость полярных сред в приближении сильных столкновений при произвольной зависимости частоты столкновений от вращательной энергии молекул. - Химическая физика, 1992, т.11, N 12, с.1612-1619.

21. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Комплексная восприимчивость полярных газов в приближении сильных столкновений: метод функций памяти. - Оптика и спектроскопия, 1993, т.75, N 2, с.266-275. 

22. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Диэлектрическая релаксация и обобщенная вращательная диффузия молекул типа асимметричного волчка с учетом конечной длительности столкновений. - Химическая физика, 1998, т.17, N 12, с.116-128.

23. Kalmykov Yu. P,. Titov S. V. Absorption spectrum of molecular oxygen in 50-70 GHz frequency band: J-diffusion model. J.Communications Technology and Electronics, 1998, v.43, N 5, р 565-573.

24. Kalmykov Yu. P,. Titov S. V. Dielectric relaxation and extended rotational diffusion of asymmetric top molecules with account of finite duration of collisions. - J.Molecular Structure, 1999, v. 479, p. 123-133.

25. Kalmykov Yu. P,. Titov S. V. Dielectric relaxation and a generalized model of rotational diffusion of asymmetric-top molecules with regard for finite collision time. - Chem.Phys.Reports, 1999, v.17, N 12, p.2371-2388.

26. Kalmykov Yu. P,. Titov S. V. Extended rotational diffusion of asymmetric top molecules with account of finite duration of collisions, - Proc. 4^th Liquid Matter Conf.,Granada, Spain, 1999, P1/34.

27. Kalmykov Yu. P.,. Perova T.S, Faurskov Nielsen J.K. Vij, O.,. Titov S. V. Far-infrared and low frequency Raman spectroscopy of orientational relaxation of polar liquids. - Proc. 4^th Liquid Matter Conf.,Granada, Spain, 1999, P2/36.

28. Калмыков Ю.П, Титов С.В. Спектральные моменты и ориентационные корреляционные функции молекул типа асимметричного волчка. - Оптика и спектроскопия, 2000, т.89, N 1, с.29-36.

29. Pardoe G.W.F., Gebbie H.A.. Symposium on submillimeter waves. Brooklyn: Polytechnic Inst. 1970. р.643.

30. Шифрин К.С. Рассеяние света в мутной среде. - М.-Л., ГТИ, 1951, 430 с.

31. Ван де Хюлст. Рассеяние света малыми частицами. - М., ИЛ, 1961, 536 с.

32. Борен К.,.Хафлен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами. - М., "Мир", 1986, 660 с.

33. Огути Т. Распространение и рассеяние электромагнитных волн в дожде и других гидрометеорах. - ТИИЭР, 1983, т. 71, N 9, с. 6-65.

34. Кутуза Б.Г, Загорин Г.К, Спектральные и поляризационные свойства ослабления и издучения осадков в миллиметровом диапазоне волн. - Сб. тез. докл. на школе-семинаре в Красновидово. Май 2000 г.

35. Загорин Г.К, Соколов. А.В. Поляризационные эффекты при распространении миллиметровых радиоволн в осадках. – Тез. лекций и докл. II Всес. школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере (под ред. проф. А.В.Соколова). - Фрунзе, "Илим", 1986, с. 157-167.

36. Загорин Г.К., Кутуза Б.Г. Особенности переноса поляризованного теплового СВЧ излучения в облаках и осадках. - Радиотехника, 1998, вып. 10, с. 21-31.

37. Дейрменджан Д, Рассеяние электромагнитного излучения сферическими полидисперсными частицами. - М., "Мир", 1971, 165 с.

38. Mie G. Beitrage zur optik truber medien speziel kolloidaler metallosungen. - Annalen Physik, 1908, v. 25, N 4, p. 377-445.

39. Загорин Г.К, Соколов. А.В. Сухонин Е.В. Взаимные помехи между радиосистемами при рассеянии радиоволн в дождях. - Труды I Всес. школы-симпозиума по распространению миллиметровых и субмиллиметровых волн в атмосфере. (10-17 февраля 1982), - М., 1983, с. 129-134.

40. Загорин Г.К, Соколов. А.В. Методика аналитических оценок уровня взаимных помех между радиоэлектронными системами из-за рассеяния радиоволн в дожде. - Труды IХ International Wroclaw Symposium on Electromagnetic Compatibility. June 28-30, 1988, pt.2, p.583-588.

41. Загорин Г.К, Соколов. А.В.. Многократное рассеяние миллиметрового излучения круговой поляризации в дожде. - В Сб. Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве. (Под ред. проф. А.В. Соколова и проф. А.А. Семенова) М., "Наука", 1986, с. 75-82.

42. Волчок Б.А., Черняк М.М. Перенос микроволнового излучения в облаках и осадках. - Труды ГГО, Л., Гидрометеоиздат, 1968, вып. 222, с. 83.

43. Загорин Г.К, Соколов. А.В. Радиотепловое излучение миллиметровых волн в дожде. – Тез. докл. XIV Всес. конф. по распространению радиоволн. (Ленинград 1984). М., "Наука", 1984, ч. 2, с. 19-21.

44. Загорин Г.К, Поляризационные характеристики (параметры Стокса) собственного и рассеянного СВЧ излучения в дожде. - Дис. на соискание ученой степени канд. Физ.-мат. наук, ИРЭ РАН, Москва, 1998 г.

45. Паршуков В.А., Зражевский А.Ю., Новичихин Е.П. Алгоритм расчета траекторных параметров электромагнитных волн в сферически-слоистой атмосфере. - Радиотехника и электроника. 1994, т. 39, № 6, , c. 915-922.

46. Зражевский А.Ю., Методика расчета поглощения в атмосферных парах воды в ММ и СБММ диапазонах. - Радиотехника и электроника, 1976, т.21, №5, с. 951-957.

47. Зражевский А.Ю., Малинкин В.Г. Инженерный метод расчета вращательной части диэлектрической проницаемости водяного пара для l³0,33 мм. - Радиотехника и электроника, , 1977, т.ХХ11, N 1, c. 176-178.

48. Зражевский А.Ю., Малинкин А.В., Соколов А.В. - Радиотехника и электроника ,1974, т. 19, N 11, с. 2392.

49. Розанов Б.А., Фетисов И.Н., Зражевский А.Ю., Коньков Е.В. Исследования распространения миллиметровых радиоволн в приземном слое атмосферы, - Вестник МГТУ, Серия "Приборостроение", 1990, N 1, с.60-66.

50. Зражевский А.Ю., Новичихин Е.П.,.Паршуков В.А., Рукина А.Н., Влияние условий приземного слоя на рефракцию ММ и оптических волн. - Труды 2 Всес. Школа-симпозиума по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере, Фрунзе, Илим, 1986,с. 46-48.

51. Паршуков В.А., Зражевский А.Ю., Горбова А.Н. Годовая статистика траекторных параметров миллиметровых и оптических волн на приземной трассе. - Радиотехника и электроника, 1996, т. 41, N 9, с.1039-1044.

52. Паршуков В.А., Зражевский А.Ю., Новичихин Е.П., Мартынова З.А., Траектории радиоволн на приземных трассах в реальной атмосфере. - Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, т. 2, N 3, с.66-70.

53. Паршуков В.А. Оценка влияния ошибок метеоизмерений на результаты расчета траекторных параметров радио- и оптических волн в приземном слое. - Радиотехника и электроника, 1998, т. 43, N 2, c.148-152.

54. Иванов В.Н, Паршуков В.А. и др. Учет радиорефракции при наблюдении Солнца вблизи горизонта. - Труды ХХУ Радиоастрономической конф. Пущино, 1993, с. 250-251.

55. Иванов В.Н, Паршуков В.А. и др. О возможности прогнозирования и компенсации астрономической рефракции вблизи горизонта. – Труды 3 Всес. Школа по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере. Тез. докл. Н.Новгород, 1991,с.53.

56.Татарский В.И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. - М., "Наука", 1967.

57.Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. - М., "Мир", 1981, ч. 2.

58. Андреев Г.А., Черная Л.Ф. Флуктуации пучка миллиметровых волн в турбулентной поглощающей тропосфере Земли. - Радиотехника, 1978, т. 33, N 1, с.16-29.

59. Черная Л.Ф. "Влияние хаотических неровностей земных покровов на распространение миллиметровых волн". – Дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук. М., 1984

60. Андреев Г.А., Зражевский А.Ю., Изюмов А.О., Малинкин В.Г. Структурные характеристики показателя преломления турбулентной поглощающей атмосфере в субмиллиметровом диапазоне волн. - Препринт ИРЭ РАН СССР N 28(117), М., 1974, 12 с.

61. Мясин Е.А., Черная Л.Ф., Жаркова Н.В., Загорин Г.К, Коньков Е.В., Котов В.Д., Розанов Б.А., Титов С.В.. Исследование распространения широкополосных сигналов миллиметрового диапазона в приземном слое атмосферы и определение на этой основе ограничений, накладываемых на предельно достижимые характеристики локационных систем с шумовыми и широкополосными сигналами. – Сб. отчетов по научным проектам МНТП России "Физика микроволн", 1999, т.1, Нижний Новгород, с. 132-138.

62. Коньков Е.В., Амплитудные и фазовые характеристики миллиметровых радиоволн в приземном слое атмосферы, - Дис. на соискание ученой степени канд. физ.-мат. наук, Москва, ИРЭ АН СССР, 1990.

63. Konkov E.V., Zrazhevsky A.U., Solovev G.N. Investigations of the Near-Millimeter-Wave propagation on the surface boundary layer path, Int. Journal of Infrared and Millimeter Waves, v. 13, N.7, 1992, p. 955-969.

64. Konkov E.V., Zrazhevsky A.U., Angle-of-Arrival variations of millimeter waves on the terrestrial path, XXIV-th General Assembly of URSI, Kyoto, Japan, Aug.25-Sept.2, 1993, p.233.

65. Коньков Е.В., Зражевский А.Ю., Соловьев Г.Н. Влияние атмосферной рефракции на точность пеленга цели в коротковолновой части миллиметрового диапазона, - Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, N1, т.2, с.72-76.

66. Коньков Е.В., Зражевский А.Ю., Соловьев Г.Н. Флуктуации интенсивности и угла прихода миллиметровых радиоволн на приземной трассе, - Электромагнитные волны и электронные системы, 1997, N 4, т.2, с. 877-882.

67. Кугушев А.М., Калачев П.Д., Парщиков А.А., Розанов Б.А., Фетисов И.Н. Антенны РТ-7,5 радиотелескопа миллиметровых волн МВТУ, - Сб. "Антенны", М.: Сов. Радио, 1980, вып.28, с. 3-12.

68. Розанов Б.А. Радиотелескоп ММ диапазона РТ-7,5 МВТУ,- Изв. Вузов СССР, сер. Радиоэлектроника, 1981, N 3, т. 24, с. 3-8.

69. Розанов Б.А., Жаркова Н.А., Михайлицкий В.П. Супергетеродинные радиометры миллиметрового диапазона с амплитудной и диаграммной модуляцией, - Тез. докл., 3-й Всес. Симпозиум по ММ и СБММ волнам, Горький, 1980, т.1, с. 169.

70 Казаков Л.Я., Ломакин А.Н. Неоднородности коэффициента преломления воздуха в тропосфере, - М.: Связь, 1976.

71. Propagation of short radio waves..Ed/ D/F/ Kerr., N.Y. Mc Grow-Hill, 1951, 792 p. (MTT Radiat. Lab. Ser., v. 13).

72. Аренберг А.Г. Распространение дециметровых и сантиметровых радиоволн. М., "Сов. Радио", 1957, 300 с.

73. Фейнберг Е.Л. Распространение радиоволн вдоль земной поверхности. М., Изд. АН СССР, 1961, 545 с.

74. Басс Ф.Г., Фукс И.М. Рассеяние радиоволн на статистически неровной поверхности. - М., "Наука", 1972, 424 с.

75. Андреев Г.А., Мартынова З.А., Хохлов Г.И. Влияние отражения подстилающей поверхности на прием ММВ. Радиотехника, 1979, т. 34, N 8, с. 73-74.

76. Андреев Г.А., Огарев С.А., Хохлов Г.И. Частотные характеристики в миллиметровом диапазоне волн турбулентного тропосферного радиоканала над хаотической подстилающей поверхностью. - Радиотехника и электроника, 1994, т. 39, N 11, с.1741-1750.

77. Андреев Г.А. , Хохлов Г.И., Черная Л.Ф. Влияние подстилающей поверхности на распространение миллиметровых волн в атмосфере. - В кн. Электромагнитные волны в атмосфере и космическом пространстве, М., Наука, 1986г.

78. Андреев Г.А. - Тез. докл. 3 Всес. школы по распространению ММ и СБММ волн в атмосфере, Харьков, октябрь 1989, Харьков, ИРЭ АН УССР 1989, с.167.

79. Г. К. Загорин, А. Ю. Зражевский, Е. В. Коньков, А.В. Соколов, С. В. Титов, Г. И. Хохлов, Л. Ф. Черная. Факторы, влияющие на распространение мм волн в приземном слое атмосферы // Журнал Радиоэлектроники.-№8.-2001. ЖУРН"ЖУРНАЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ" N 8, 2001 АЛ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ"  N 8, 2001

5.2. Квазидетерминированная трехмерная модель многолучевого ЖУ канала распространения миллиметровых волн в городской застройке

В последние годы наблюдается бурное развитие сотовых систем связи в городах и пригородных зонах, а также локальных информационных сетей (ЛИС), работающих как вне, так и внутри помещений.

Перспективным для ЛИС следует считать диапазон миллиметровых волн, в частности диапазон частот 58…62 ГГц. В этом диапазоне из-за поглощения кислородом при распространении радиоволн в атмосфере вносится дополнительное затухание ~15 дБ/км, поэтому для дальней связи он не используется, и на работу в этом диапазоне не требуется лицензий. В то же время локальные сети, как правило, занимают площадь в пределах 1 кв. км, и потенциал современных приемо-передающих устройств оказывается вполне достаточным для связи внутри такой сети. Высокий уровень поглощения в атмосфере позволяет избежать взаимных помех и обеспечить при прочих равных условиях более высокий уровень помехозащищенности и конфиденциальность связи, что во многих случаях является решающим фактором.

Большая ширина полосы частот в миллиметровом диапазоне волн обеспечивает высокоскоростную передачу огромных потоков информации, а ограниченная дальность распространения делает возможным одновременное использование одних и тех же частотных каналов в разных, пространственно разнесенных зонах обслуживания.

Однако, городская среда создает специфические условия для распространения радиоволн. Теневые зоны, многократные отражения и рассеяние волн формируют многолучевые поля со сложной интерференционной структурой и резкими пространственными изменениями уровня сигнала. Многолучевой характер распространения радиоволн, когда в точку приема приходят волны с разных направлений и с разными временными задержками, порождает явления межсимвольной интерференции при передаче кодовых последовательностей. Искажения сигнала, обусловленные межсимвольной интерференцией, могут вызывать серьезное ухудшение характеристик системы и качества высокоскоростной передачи цифровой информации, если длительность задержки превышает длительность символа.

Необходимой предпосылкой для разработки эффективных ЛИС, работающих в городской среде, является глубокое знание характеристик многолучевого канала распространения.

Для описания многолучевого канала распространения в СВЧ диапазоне применяются статистические методы. Эти методы не позволяют оценить характеристики канала в условиях конкретной городской застройки.

В настоящей работе для прогнозирования характеристик радиоканала в миллиметровом диапазоне волн в городской среде предложена квазидетерминированная трехмерная модель распространения, основанная на геометрической оптике и геометрической теории дифракции. Модель предусматривает детерминированное описание городской застройки, которая представляется в виде трехмерного массива зданий. Основой для построения базы данных городской застройки в памяти ЭВМ является топографический план города масштаба 1:2000, на котором указаны рельеф местности, контуры зданий, их координаты, высота, размеры, ориентация и тип поверхности.

В предложенной модели здания представляются в виде совокупности взаимно перпендикулярных амплитудно-фазовых экранов, на которых имеются периодические неоднородности, такие как окна и балконы. Отражение волн от стен зданий с периодически - неоднородной поверхностью рассматривается как отражение от плоской поверхности с некоторым эффективным коэффициентом отражения. Коэффициенты отражения миллиметровых волн от большинства зданий невелики, что приводит к быстрому затуханию неоднократно переотраженных волн и, следовательно, сравнительно небольшому объему вычислений. Результаты экспериментов подтвердили допустимость в миллиметровом диапазоне волн принятой модели стен в виде плоских экранов с некоторым эффективным коэффициентом отражения, отличие которого от френелевского определяется степенью неоднородности и шероховатости поверхности.

В отличие от статистического подхода в СВЧ диапазоне поле, рассеянное зданием в модели канала распространения миллиметровых волн, не считается случайной функцией, а имеет определенную индикатрису рассеяния, зависящую от размера здания, числа, размеров и периода неровностей на поверхности его стен.

Программные средства для компьютерного моделирования характеристик миллиметрового канала распространения включают два блока программ. С помощью одного блока анализируется пространственная многолучевая структура поля в точке приема. Определяется наличие прямой видимости между передающим и приемным пунктами; наличие зеркально отраженных лучей в точке приема, их траектории и направления, расстояния до точек отражения, координаты точек отражения на поверхности зданий, параметры отражающих поверхностей; границы областей на поверхности зданий, освещенных передатчиком и видимых из точки приема, расстояния, углы падения и рассеяния, дифракция прямой и отраженных волн.

С помощью второго блока программ производится расчет энергетических характеристик распространения. Падающее на каждое здание поле рассчитывается в приближении геометрической оптики, а рассеянное зданием поле рассчитывается с помощью интеграла Кирхгофа по рассеивающей поверхности. Преимущество детерминированной модели состоит в том, что рассеяние поля на каждом отдельном здании можно рассматривать независимо от других, так как расстояние между зданиями значительно превышает длину волны в миллиметровом диапазоне.

Алгоритм предусматривает следующую последовательность расчетов. Анализируется трехмерная геометрия задачи, определяется наличие прямой видимости и рассчитывается ослабление на трассе прямого луча между передатчиком и приемником с учетом диаграммы направленности передающей и приемной антенн

, (5.1)

где - длина волны, R - расстояние между передатчиком и приемником.

Затем с помощью метода изображения источника определяются траектории вышедших из передатчика и попавших на приемную антенну однократно отраженных лучей. Метод изображения источника, или метод виртуального источника, заключается в том, что рассчитываются координаты зеркального отображения передатчика относительно плоскости стены каждого здания и определяется, пересекает ли траектория зеркально отраженного луча стену данного здания.

После этого вычисляется ослабление на зеркальной трассе i-го луча по формуле

, (5.2)

где - эффективный коэффициент отражения стены здания с учетом неровностей; - длина трассы i-го зеркального луча.

Предложенный метод учитывает уширение луча, отраженного от здания с неоднородной поверхностью, в пределах угловой ширины индикатрисы рассеяния данного здания. Это позволяет учесть в точке приема намного больше волн, чем в случае строго зеркального отражения.

Далее по формулам дифракции на клиновидном препятствии в точке приема рассчитываются волны, вышедшие из передатчика и дифрагированные на крышах зданий, а также определяется дифракция однократно отраженных волн. Результаты численных экспериментов показывают, что дифракционное ослабление настолько велико, что дифрагированными волнами большей кратности можно пренебречь.

Следующий этап включает расчеты двукратно отраженных волн с учетом индикатрис рассеяния зданий, при этом виртуальными источниками являются зеркальные отображения передатчика относительно однократно рассеивающих зданий. Процедура расчета повторяется для отраженных волн трех- и большей кратности. Кратность многократно отраженных волн, учитываемых в данном алгоритме, может быть любой и определяется производительностью компьютера, так как с возрастанием кратности переотражений объем обсчитываемого массива данных возрастает в геометрической прогрессии. С физической точки зрения количество последовательных переотражений для каждого луча определяется величиной эффективного коэффициента отражения поверхности стены и чувствительностью приемника.

Процедура определения траекторий прямых, зеркальных, рассеянных и дифрагированных лучей сопровождается расчетом временных задержек по каждому лучу. В результате расчета определяется функция импульсного отклика канала распространения на   - импульс для заданных положений приемника и передатчика. Для расчета многолучевых искажений сигнала, передаваемого по каналу связи, вычисляется интеграл свертки передаваемого сигнала и функции импульсного отклика канала.

Квазидетерминированная трехмерная модель и разработанные на ее основе программные средства позволяют определять с учетом конкретной планировки городского района ключевые параметры миллиметрового канала распространения, в том числе напряженность поля в точке приема, профиль задержек, или импульсный отклик канала, характеризующий интенсивность и разброс задержек многолучевых волн, коэффициент ошибок передачи цифровой информации.

5.2. Особенности распространения волн оптического диапазона

5.2.1. Общие замечания

Оптическое излучение охватывает диапазон волн примерно от 0,01 до 1000 мкм (частоты 3 • 10¹¹... 3 • 10¹⁶ Гц). Весь диапазон принято разбивать на ультрафиолетовую (λ = 0,01.. .0,38 мкм), видимую (λ = 0,38...0,76 мкм) и инфракрасную (λ = 0,76... 1000 мкм) области. Такое деление носит несколько условный характер, поскольку строгих границ между областями не существует.

Специфическими преимуществами волн оптического диапазона по сравнению с волнами радиодиапазона являются потенциальная возможность передачи больших объемов информации и возможность достижения высокой степени концентрации излучаемой энергии. Эти две особенности определяют повышенный интерес к оптическим системам связи. Однако использование этих систем в условиях земной атмосферы ограничивается влиянием тракта распространения. Длина волны оптического излучения соизмерима с размерами молекул и различных взвешенных частиц, содержащихся в атмосфере. Это вызывает ослабление поля за счет молекулярного поглощения, рассеяние на молекулах и взвешенных частицах. Взаимодействие оптического излучения с турбулентной атмосферой приводит к изменению траектории пучка волн и его расширению, ослаблению за счет рассеяния, ухудшению пространственной когерентности и поляризационным флуктуациям.

Волны оптического диапазона могут распространяться только как земные и прямые. В атмосфере с плавно меняющимися параметрами возникает рефракция волн оптического диапазона. Радиус кривизны траектории вследствие меньшего влияния на столь высоких частотах молекул водяного пара при нормальной атмосферной рефракции составляет ρ ≈ 50000 км против значения ρ ≈ 25000 км для диапазона УКВ.

5.2.2. Ослабление волн оптического диапазона в атмосфере

Молекулярное поглощение. В оптическом диапазоне, так же как и в диапазоне радиоволн, молекулярное поглощение обусловлено переходом молекул в более высокие энергетические состояния. Оптическое излучение поглощается одновременно почти всеми атмосферными газами, однако наибольшие потери происходят в молекулах паров воды, углекислого газа, кислорода и озона.

Для количественной оценки степени поглощения в оптическом диапазоне часто пользуются величиной А , которая называется поглощением (по мощности): A = 1-V², где V - модуль множителя ослабления по напряженности поля, определяемый соотношением . Поглощение A обычно выражается в процентах. Наглядное представление о распределении поглощения в диапазоне длин волн 0,01... 100 мкм можно получить из рис.5.1, на котором приведены две записи спектра поглощения солнечного излучения у поверхности Земли (рис.5.1.a) и на высоте 11 км (рис.5.1.б). Видно, что ультрафиолетовые лучи с длиной волны до 0,3 мкм и инфракрасные лучи с длиной волны 25... 100 мкм практически полностью поглощаются атмосферой (погонное ослабление составляет 100... 1000 дБ/км).

Рис. 5.1.Спектр поглощения солнечного излучения

В диапазоне волн 0,3...25 мкм в атмосфере существуют так называемые окна прозрачности, соответствующие участкам длин волн: 0,4...0,85; 0,95...1,05; 1,2...1,3; 1,6...1,75; 2,1...2,4; 3,4...4,2; 8...12 мкм. Коэффициент ослабления в окнах прозрачности снижается до 1... 10 дБ/км.

С увеличением высоты над поверхностью Земли концентрация паров воды и углекислого газа уменьшается. Поэтому ширина окон прозрачности увеличивается и поглощение соответствующих им излучений уменьшается (см. рис.5.1.б). Отметим, что каждая из полос поглощения на рис.5.1 состоит из многих тысяч отдельных линий поглощения, между которыми располагаются многочисленные микроокна прозрачности. В качестве примера на рис.5.2 приведена тонкая структура спектра поглощения атмосферы, соответствующая точке С на рис.5.1. Видно, что для передачи информации с помощью оптических волн в условиях атмосферы необходимо выбирать рабочие частоты с учетом микроокон прозрачности и точно стабилизировать частоту излучения.

Рис.5.2.Тонкая структура спектра поглощения

Рассеяние на молекулах и взвешенных частицах. Отдельные молекулы атмосферных газов, частицы пыли и дыма, а также капли воды в облаках, туманах, дождях рассеивают волны оптического диапазона. Характер рассеянного поля, как всегда, зависит от соотношения размеров частиц и длины волны.

Размеры молекул и микроскопических капель воды в дымке малы по сравнению с длиной волны. Вносимые ими потери на рассеяние следуют закону Рэлея, при котором с увеличением длины волны потери уменьшаются пропорционально 1/λ⁴. При длине волны больше 0,6 мкм коэффициент ослабления за счет рэлеевского рассеяния в атмосфере не превышает 1 дБ/км, и обычно этим видом ослабления можно пренебречь.

Частицы пыли, дыма, капли воды в облаках, тумане и дожде имеют размеры порядка длины световой волны и более, поэтому они оказывают значительное влияние на распространение волн оптического диапазона. При распространении в наиболее часто встречающихся облаках и туманах с размерами капель воды 4.. .6 мкм коэффициент ослабления сравнительно мало зависит от длины волны и при оптической видимости 200 м составляет примерно 90 дБ/км. Это означает, что при прохождении пути длиной всего 1 км интенсивность излучения уменьшается в 109 раз.

Рис. 5.3

Осадки в виде дождей содержат частицы воды размерами до 100 мкм и более, при этом коэффициент ослабления практически не зависит от длины волны и определяется толь ко интенсивностью осадков: γд ≈ -0,9J_д ^0,74, где γ_д - коэффициент ослабления, дБ/км; J_д— интенсивность осадков, мм/ч. По этой формуле построен график, из которого видно, что коэффициент ослабления волн оптического диапазона в осадках велик и может достигать значений в несколько десятков децибел на километр.

Ослабление на турбулентных неоднородностях. Ослабление узких пучков волн оптического диапазона на турбулентных неоднородностях атмосферы существенно зависит от соотношения диаметра пучка и размеров этих неоднородностей. В общем случае причиной ослабления поля могут служить расширение пучка (линзоподобное действие), отклонение траектории распространения волны (эффект преломления) или рассеяние волны.

В реальных условиях поперечные размеры пучка волны меньше или примерно равны размеру турбулентностей, поэтому может происходить заметное расширение пучка волн, а также сильное отклонение траектории распространения от первоначального направления. Ослабление за счет рассеяния на турбулентностях обычно невелико - ниже 1 дБ/км. В целом потери передачи за счет турбулентностей изменяются во времени, а в тех случаях, когда в результате преломления узкий пучок волн проходит мимо приемной антенны, связь полностью нарушается.

Из сказанного выше следует, что передача информации через атмосферу с помощью волн оптического диапазона затруднена рядом факторов. Наиболее существенный из них - резкое увеличение ослабления при наличии на трассе осадков, когда погонное ослабление может достигать нескольких десятков децибел на километр. Поэтому атмосферные лазерные системы связи пока широко не применяются. Имеющиеся линии используются, как правило, для передачи цифровой информации с высокой скоростью на расстояния от нескольких сотен метров (связь между отдельными зданиями) до нескольких километров.

В условиях космического пространства узконаправленные пучки волн оптического диапазона распространяются практически без потерь, что делает более перспективным применение этого диапазона для линий типа космос - космос.

Литература

1. Gulyaev Y.V. 'World Mobile communication'. Financial Times Conference, 1990, 24-25 Sept., London.

2. W.D. Chen, E. К. Yung, Y.O. Yam and al. '8 Mm Duplex Link for Multifunctional Information Transmission', SPIE Proceedings , v. 2842 Millimeter and Submillimeter waves and Applications-1996- Denver, Co., paper 2842-25

3. D.Falconer, "A Syslem Architecture for BroadBand Millimеtre - Wave Access to an AТМ L.AN", IEEE. Personal Commun. Journal, Vol. 3, No. 4, Aug 1996, рр 36-41

4. В.А-Бирюков, Ю.В.Гуляев, А.В. Соколов 'Применение миллиметровых радиоволн на сотовых линиях связи небольшой протяженности в городе' Радиотехника -1995- II,-с 3-5.

5. А.Н. Куликов, Ю.В. Лаврентьев, Г.А. Пономарев, А.В. Соколов, Л.В. Федорова и др. "Распространение ультрокоротких волн в городах" - Итоги науки и техники , сер Радиотехника -1991 г. т.42 , 196 стр.

6. Ю.В. Лаврентьев, А.В. Соколов, Л.В. Федорова и др. 'Экспериментальные исследования отражения и рассеяния мм волн от шероховатых поверхностей зданий'. Радиотехника и Электроника, 1990, т. 35, ? 3, стр. 650.

8. ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ПЕРЕДАЮЩИХ АНТЕНН

8.1. Методика определения экологически - безопасных мест размещения базовых станций

Экологически - безопасное размещение антенн базовых станций подразумевает, что население не попадет в так называемые санитарно - защитную зону (СЗЗ) и зону ограничения (ЗО) радиотехнических объектов (РТО).

8.1.1 Методика определения границ санитарно - защитной зоны и ограничения радиотехнических объектов

Согласно действующим санитарным нормам и правилам СЗЗ является площадь, примыкающая к технической территории РТО. Внешняя граница СЗЗ определяется на высоте до 2 м от поверхности земли по предельно допустимому уровню (ПДУ) ЭМП.

ЗО является территория, где на высоте более 2 м от поверхности земли превышаются значения ПДУ. Внешняя граница зоны ограничения определяется по высоте застройки на которой ПДУ электромагнитного поля не превышает значений действующих нормативов.

СЗЗ и ЗО для РТО устанавливаются конкретно в каждом отдельном случае, размеры их зависят от действующих нормативов, суммарной мощности РТО, типа и высоты подвеса передающей антенны, рельефа местности и других характеристик.

Построение СЗЗ и ЗОЗ базируется на расчете распределения уровней ЭМП по дальности и высоте.

По нижеприведённой методике расчета уровней ЭМП производится расчет уровней ЭМП в зависимости от горизонтальной дальности r для нескольких значений высот расчетной точки. При этом необходимо выбрать несколько значений высот, одно из которых должно быть равно 2 м. Если высота расчетной точки отсчитывается от уровня горизонта, проведенного через основание опоры, то рекомендуется в зависимости от рельефа местности одно - два значения высоты взять со знаком минус, т.е. ниже горизонта.

Использование двух различно нормируемых диапазонов частот обуславливает особенности расчета и построения СЗЗ и ЗО. Эта особенность заключается в том, что границы этих зон определяются по сумме отношений коэффициента S_отн, приравненного к единице

, (8.1)

где Е_пду - предельно - допустимое значение напряженности поля (для населения 3 В/м);

ППЭ_пду - предельно - допустимое значение плотности потока энергии (для населения 1мкВт/см²);

Е_рез - результирующее значение напряженности электрического поля (от нескольких РТО в метровом диапазоне волн)

; (8.2)

ППЭ_рез - результирующее значение плотности потока энергии (от нескольких РТО в дециметровом диапазоне волн)

. (8.3)

По расчетным данным для каждого значения выбранных высот строится зависимость S_отн (см. пример на рис.8.1).

Рис.8.1. К определению кривой постоянного уровня S_отн = 1

в зависимости от высоты застройки

На графиках (рис.8.1) проводится прямая, параллельная оси абсцисс через точку S_отн=1. Из точек пересечения этой прямой с кривыми графика (точки 1, 2, 3 и 4) опускаются перпендикуляры на ось дальностей и определяются дальности r₁, r₂, r₃, r₄, для соответствующих значений высот Н₁, H₂, Н₃, Н₄. По этим данным строится зависимость Н=f(r) (рис.8.2).

Рис.8.2.Определение удаления границы СЗЗ и ЗО

На уровне высоты Н = 2 м графика Н = f(r) (рис.8.2) определяется удаление границы СЗЗ. Затем по заданной высоте перспективной застройки Н_застр определяется удаление границы ЗО (рис.8.3).

Рис.8.3.Определение удаления границ СЗЗ и ЗО по наложенному рельефу местности

Если уровни ЭМП рассчитаны без учета рельефа местности, т.е. высоты H_K отсчитывались от уровня горизонта, проведённого через основание опоры, методика определения S_отн в зависимости Н = f(r) остается такой же. Однако определение удалений границ СЗЗ и ЗО производится следующим путем. На график Н = f(r), построенный без учета рельефа, достраивается профиль местности того направления, для которого проведен расчет уровней ЭМП. Определение удалений границ СЗЗ и ЗО производится относительно кривой, отображающей профиль местности (см. рис.8.3)

Определение границ СЗЗ и ЗО проводится в направлении максимальных излучений, а также в других направлениях с учетом диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости. По расчетным данным вокруг РТО строятся границы СЗЗ и ЗО для заданной высоты застройки (см. рис.8.4).

Рис.8.4 Санитарно-защитная зона и зона ограничения застройки

8.1.2. Методика расчёта уровней электромагнитного поля

Расчёт электрической составляющей электромагнитного поля (ЭМП) для одного радиотехнического средства производится по формуле

, В/м, (8.4)

где P₁ – мощность на входе антенно-фидерного тракта, Вт;

G₁ – коэффициент усиления антенны относительно изотропного излучателя;

h_АФТ =10^a – коэффициент потерь в антенно-фидерном тракте (a = -a_Ф×l_Ф);

R – расстояние от геометрического центра антенны до расчётной точки, м (рис.8.5);

F(j) – значение нормированной диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости (по напряжённости);

j – азимутальный угол;

F(D) – значение нормированной диаграммы направленности антенны в вертикальной плоскости (по напряжённости);

D – меридиональный угол, образованный направлением на расчетную точку и плоскостью горизонта, проведенной через геометрический центр антенны;

K_Ф – множитель, учитывающий влияние земли (K_Ф = 1,3…1,15);

K_Г – множитель, учитывающий неравномерность диаграммы направленности в горизонтальной плоскости (К_Г = 1,26…1,41);

– погонное ослабление в фидере, дБ/м;

l_Ф – длина фидера, м.

Рис.8.5. Схема пространственного положения расчетных точек

Характеристики фидеров приводятся в справочниках.

Нормированные диаграммы направленности входят в обязательный перечень данных санитарного паспорта радиотехнического объекта.

Распределение ЭМП рассчитывается в зависимости от горизонтальной дальности r для нескольких значений высоты возвышения расчетной точки М над уровнем земли h_вз (рис.8.5), одно из которых должно быть равным 2 м.

Из рис.8.5 следует, что при h_r ¹ 0:

,

, (8.5)

,

а если при h_r = 0, то h_вз = H, тогда

,

, (8.6)

,

где h_a – высота центра излучения антенны.

8.1.3. Методика расчета значений плотности потока энергии

В дециметровом диапазоне нормируется плотность потока энергии (ППЭ), величина которой пересчитывается из напряжённости электрического поля по формуле

, мкВт/см². (8.7)

Подставляя в это выражение в формулу (8.4) получим

, мкВт/см²,

т.е. , мкВт/см², (8.8)

Если в расчётах использованы данные нормированных диаграмм направленности по мощности F_м(j) и F_м(D), то

, мкВт/см², (8.9)

8.1.4. Учёт излучения от других радиотехнических средств расположенных вблизи от мест планируемого размещения базовых станций

Если неподалеку от предполагаемого места размещения базовой станции сотовой связи имеются радиопередающие средства и известны результаты измерений или расчета уровней поля (Е_изм или ППЭ_изм), то граница экологически безопасной зоны будет определяться уже другим значением коэффициента S’_отн

(8.10)

или

. (8.11)

Таким образом, можно учесть влияние других радиообъектов на границы экологически безопасных зон антенн базовых станций сотовой связи. Для расчета поля радиовещательных станций УКВ диапазона можно воспользоваться моделями распределения уровней поля, полученными в разделе 3.2.

8.1.5. Расчет уровней облучения в квартирах жилого дома от базовой станции расположенной на крыше этого же здания.

Многих жителей многоквартирных домов на крышах, которых размещены базовые станции тревожит вероятность электромагнитного облучения их квартир. Рассмотрим этот вопрос. Облучение жителей этих квартир возможно за счет дифракции электромагнитных волн на кромке крыши здания, так и за счет проникновения электромагнитных волн сквозь железобетонные перекрытия. Рассмотрим эти два варианта. В первом случае дифракцию на кромке крыши здания можно представить как дифракцию на клиновидном препятствии (рис.8.6).

На рис.8.6 через h_мэ обозначена высота межэтажного перекрытия, l₁+ l₁ – расстояние между передающей антенной и окном здания, H – высота экрана (клиновидного препятствия), l₁ – расстояние от антенны до экрана, l₂ – расстояние от экрана до точки расчета уровня поля, h₁ – высота подвеса антенны от крыши здания, S – ширина крыши здания.

Рис. 8.6. К расчету дифракционного поля у окон квартир здания

Величину ослабления поля на клиновидном препятствии (экране) можно определить графически или по приближенной формуле (при u > 2) [2]

, дБ, (8.12)

λ – длина волны,

b – радиус первой зоны Френеля.

Выведем основные геометрические соотношения:

(8.13)

(8.14)

(8.15)

(8.16)

, (8.17)

. (8.18)

После небольших преобразований получаем выражение для параметра u

(8.19)

Тогда величина ослабления (по напряженности поля) равна

(8.20)

Проведенные расчеты показали, что при ширине крыши здания S = 15 м, высоте подвеса антенны над крышей здания h₁ = 15 м, расстоянии от кромки крыши здания до окна h_мэ= 5 м величина ослабления по напряженности поля составляет 35,909 дБ или 62,436 раза, что соответствует уменьшению плотности потока энергии в 7,9 раза. Увеличение значения h_мэ до 10 м уменьшает уровень плотности потока энергии в 8,9 раза. На крышу здания может попадать излучение только за счёт второго и более дальних боковых лепестков диаграмм направленности антенн. Уровень боковых лепестков диаграмм направленности панельных антенн довольно низок и составляет порядка -20 дБ и менее (по мощности), что соответствует уменьшению плотности потока энергии более чем в 100 раз. Правда, если излучение панельной антенны направлено вдоль крыши здания, то на край крыши может попасть излучение и от первого бокового лепестка диаграммы направленности на уровне -14…-16 дБ, что соответствует уменьшению плотности потока энергии в 25,119…39,811 раз. Поэтому, желательно на этапе проектирования предусмотреть чтобы в направлении на край крыши не попал первый боковой лепесток диаграммы направленности панельной антенны.

В случае использования коллинеарных антенн (антенн типа OMNI) уровень боковых лепестков может достигать -10 дБ, что соответствует уменьшению плотности потока энергии всего в 10 раз, поэтому размещение таких антенн на крышах жилых зданий не желательно.

Что касается проникновения электромагнитного облучения сквозь железобетонные перекрытия, то это возможно. Согласно [3] ослабление в межэтажном перекрытии составляет 10…12 дБ (10…16 раз). Обычно квартира отделена от антенна двумя железобетонными перекрытиями, что ослабляет облучение 20…30 раз. И хотя уровень отдаленных боковых лепестков (направленных перпендикулярно поверхности крыши) весьма мал желательно в направлениях максимумов излучения антенн базовых станций установить заземленную металлическую сетку на поверхности крыши жилого здания.