Основы расчета KB радиолиний

Углы наклона траекторий и требования к диаграммам направленности KB антенн

Углы наклона траекторий на KB радиолиниях можно рассчитать с ис­пользованием теорем Брайта, Тьюна и Мартина. Эти теоремы позволяют заменять неизвестную ис­тинную криволинейную траекторию АКВ (рис. 4) с высотой h_и, по кото­рой сигнал распространяется с групповой скоростью на эквивалентный треугольный путь АСВ с действующей высотой h_д, по которому сигнал рас­пространяется со скоростью света в свободном пространстве с₀.

Из эквивалентного треугольного пути определяется угол падения вол­ны на плоскую ионосферу φ₀:

tgφ₀ = sin(Q/2)[1 + h_д/a_зм – cos(Q/2)], (3)

где Q = r/а_зм - центральный угол, соответ­ствующий дуге r (см. рис. 4). На длинных трассах, где имеет место многоскачковое рас­пространение, под r подразумевается длина одного скачка. Угол наклона траектории ∆ связан с углом падения φ₀ соотношением

∆ = π/2 - φ₀ - Q/2. (4)

В диапазоне KB при работе на часто­тах, близких к оптимальным, в точке приема поле обычно формируется несколькими вол­нами, претерпевшими различное число от­ражений от ионосферы. В разные сезоны и периоды суток соотношение между напряженностями поля отдельных волн меняется. Поэтому для поддержания устойчивой работы антенны на передаче и приеме должны обеспечиваться интенсивное излуче­ние и прием в направлении целого спектра

Рис. 4 - Графическая интерпретация угла наклона траектории волны

углов, соответствующих волнам с наибольшими амплитудами. Выбор наклона и ширины ДН антенн в вертикальной плоскости реко­мендуется производить с учетом как средних значений углов наклона траек­торий ∆_ср, так и возможных флуктуации относительно ∆_ср.

Средние значения углов ∆_ср рассчитываются по (4) исходя из регу­лярных суточных и сезонных изменений действующих высот отражения h_д. Верхняя граница углов ∆_ср определяется максимально возможным наблюдае­мым числом отражений от слоя F2 на данной трассе в периоды, когда высота этого слоя максимальна. Нижняя граница ∆_cp для всех линий обычно прини­мается около 2...3°. Траектория с более низкими углами малоэффективны из-за сильного ослабления в ионосфере и влияния Земли.

Для трасс протяженностью более 2000...3000 км верхние границы угла ∆_ср, рассчитанные с учетом реально наблюдаемых траекторий, приведены в табл. 1. Нижняя граница этого угла составляет 2...3° для всех трасс.

Таблица 1

Флуктуации значений углов наклона траекторий относительно сред­них значений во многих случаях весьма существенны. Они обусловлены раз­личными причинами, одна из которых состоит в непрерывном случайном из­менении высоты отражающего слоя, другая - в том, что отражающая область ионосферы часто не является сферически слоистой. Поэтому в формирова­нии принимаемого сигнала участвуют попеременно или одновременно не­сколько областей ионосферы. Такой характер распространения даже при при­еме одного луча приводит к распределению энергии волны в широком спект­ре углов, т.е. к флуктуациям углов наклона траекторий. При многолучевом приеме флуктуации углов наклона присущи каждой из траекторий и спектры углов, в которых распределена энергия волны, могут частично или полнос­тью перекрывать друг друга. Данные о возможных флуктуациях углов накло­на траекторий приведены в табл. 2.

В горизонтальной плоскости на ширину ДН антенн оказывает влияние так называемая девиация лучей, т.е. отклонение направления распростране­ния волны от дуги большого круга. Основными причинами девиации лучей являются наклоны отражающих слоев ионосферы в направлении, перпенди­кулярном трассе.

Таблица 2

Можно ориентировочно полагать, что в горизонтальной плоскости антенны должны

обеспечивать интенсивное излучение и прием в диапазоне углов ±(3... 5)° относительно дуги большого круга, т.е. относитель­но максимума ДН антенн. В высоких широтах из-за большой неоднороднос­ти ионосферы углы девиации лучей более значительны.

Ослабление поля на KB радиолиниях вызвано расходимостью волны, поглощением в ионосфере, отражением от поверхности Земли и другими при­чинами. Одним из основных методов расчета напряженности поля является метод, предложенный А.Н. Казанцевым. Наибольшую точность этот метод обеспечивает при расчете трасс, проходящих в средних широтах.

В соответствии с указанным методом действующее значение напря­женности поля в точке приема

(5)

Поясним структуру этой формулы. Первый множитель соответствует полю в свободном пространстве здесь Р1’ мощность, подводимая к передающей антенне; G1(∆) - ко­эффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излу­чателя с учетом влияния Земли; ∆ - угол возвышения траектории волны, определяемый (4); r_в -путь, проходимый волной от точки передачи до точки приема.

Второй множитель (1/2) соответствует уменьшению поля (или мощно­сти) на 6 дБ. Из них 3 дБ А. Н. Казанцев относит за счет того, что приемная антенна имеет линейную поляризацию, а волна в процессе отражения от ионос­феры приобретает эллиптическую (а иногда и круговую) поляризацию. Другие 3дБ обусловлены тем, что волна в ионосфере расщепляется на обыкновенную и необыкновенную; необыкновенная составляющая сильно поглощается, а для приема оказывается полезной только половина излученной мощности.

Третий множитель (1 + R)/ 2учиты­вает влияние отраженной от Земли волны в месте расположения приемной антенны. Если бы приемная антенна В(рис. 5) находилась на оптимальной высоте h₂ над зем­ной поверхностью, то волны 1 и 2 имели бы одинаковую фазу в

Рис. 5 - Графическая интерпретация пояснения третьего множителя выражения 5

точке приема и результирующее поле (при горизонтальной поляризации) имело бы значение (1 + R)E₀, где Е₀ -поле прямой волны 1. В реальных условиях вследствие колебаний высоты отражающего слоя обеспечить оптимальное сложение волн 1 и 2 не удается, и А.Н. Казанцев берет среднее значение коэффициента, учитываю­щего влияние отраженной от Земли волны, а именно

(1 + R)/ 2.Обычно выби­рают среднее значение R порядка 0,8.

Четвертый множитель R^n-1 учитывает дополнительные потери при от­ражении от Земли в промежуточных точках в случае многоскачкового рас­пространения. Здесь п - число отражений от ионосферы. На односкачковых линиях (с одним отражением от ионосферы) n = 1 и R^n-1 =1.

Пятый множитель exp(-Г_и) учитывает поглощение в ионосфере.

Полный интегральный коэффициент поглощения Г_и определяется как сумма поглощения в тех слоях ионосферы, которые волна проходит (не отклоняющее поглощение), и поглощения в отражающем слое ионосферы (отклоняю­щее поглощение). В случае, когда в ионосфере существуют все регулярные слои и отражение происходит от слоя F2, полный коэффициент поглощения

(6)

Первое слагаемое определяет не отклоняющее поглощение. Здесь А ₁ - коэффициент, зависящий от критической частоты слоя Е ионосферы (как мера электронной плотности во всех слоях) и длины трассы (рис. 6); рабочая частота f_р и частота продольного гиромагнитного резонанса f_L выражены в мегагерцах. Чем больше степень ионизации ионосферы, тем больше ее удельная проводимость и больше поглощение. Чем боль­ше длина трассы, тем больший путь проходит волна в не отклоняющих слоях и тем больше поглощение. Эти зависимости и отражены на рис. 6. Из фор­мулы (6) следует, что с уменьшением f_p возрастают потери, так как растет проводимость ионосферы.

Второе слагаемое в (6) оценивает отклоняющее поглощение при отра­жении волны от слоя F2. Коэффициент B_F2 зависит от протяженности трассы и действующей высоты отражения вол­ны (рис. 7). Из рисунка видно, что при увеличении r значения B_F2 умень­шаются, т.е. уменьшается поглощение. Это можно объяснить тем, что на бо­лее длинных трассах используются вол­ны с более пологими траекториями, ко­торые меньше проникают вглубь отра­жающего слоя и меньше поглощаются. Закономерности изменения Г_и, вытекающие из формулы (6) и рис. 6, 7, полностью соответ­ствуют тем, которые были рассмотре­ны ранее.

Рис. 6 - Зависимость Г_и от расстояния

Декаметровые волны имеют ограниченное применение для вещания из-за большой загруженности этого диапазона, высокого уровня помех стан­ций и относительно низкого качества приема. Наиболее типично применение KB диапазона для вещания на труднодоступные удаленные районы, когда си­стемы, работающие на более коротких (УКВ) или более длинных (СВ, ДВ) волнах, оказываются непригодными из-за ограниченного радиуса действия. Вещание на декаметровых волнах предусматривает обслуживание заданной территории с помощью ионосферных волн.

Волновое расписание для вещания составляется с учетом условий распространения в течение целого сезона.

В результате во многих случаях работа ведется на частотах, далеких от ОРЧ, что снижает уровень сигнала и качество приема. Зона обслуживания вещательного передатчика имеет границы, кото­рые при учете помех только природного происхождения определяются мини­мально допустимой напряженностью поля E_min.

Для диапазона KB характерно наличие мертвой зоны, в пределах кото­рой регулярный прием невозможен, так как радиус действия земной волны обычно меньше, чем наименьшее расстояние, перекрываемое по Земле ионос­ферной волной. Внутренний радиус этой зоны устанавливают путем расчета напряженности поля земной волны с помощью методов, изложенных ранее. Рассчитывая напряженность поля на разных расстояниях от передающей ан­тенны, определяют то расстояние, при котором уровень поля равен минимально допустимому значению. Внешний радиус устанавливается по критическому углу падения волны на ионосферу. Если в первом приближе­нии отражающий слой ионосферы считать достаточно тонким, то внешний радиус мертвой зоны можно оценить по приближенной формуле

Из формулы видно, что на рабочей частоте равной критической внешний радиус мертвой зоны равен нулю. С возрастанием частоты радиус мертвой зоны увеличивается, дости­гая максимального значения на частоте f_p, равной МПЧ.

Контрольные вопросы

1. В чем различие максимальной применимой частоты и максимальной частоты?

2. Каковы причины замираний на KB радиолиниях и какие меры позволяют повы­сить устойчивость приема?

3. Чем ограничивается скорость передачи дискретной информации на KB радио­линиях?

4. Каковы основные положения метода расчета напряженности поля? Поясните структуру соответствующей формулы.

5. Как влияют условия распространения на требования, предъявляемые к ДН ан­тенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях?

6. Почему понятие «мертвой зоны» для приема характерно именно для диапа­зона KB?

Поиск по сайту: