Единицы изменения
в формулах для определения Еmне удобны для практического применения,
то есть
в (В/м), аrв (м).
Поэтому обычно
мощность выражают в кВт, а расстояние
вкм, а
напряженность вмВ/м, то
для действующих
значений,
(2.11)
для мгновенных
значений
(2.12)
Формулы для
определения напряженности электрического
поля справедливы для любого типа антенн,
если в них подставить Dсоответствующего типа антенн.
Параметры приемных антенн
Коэффициент
направленного действия (КНД)
В случае апертурных
антенн, то есть антенн, имеющих поверхность
раскрыва (зеркальные, рупорно-линзовые,
рупорные) КНД определяется
,
(2.13)
где S–геометрическая площадь антенны; КНД,
определяемый таким образом, будет иметь
максимальное значение при заданной
площади.
Это очень важное
соотношение в теории антенн. Это выражение
получено в предположении, что площадь
антенны достаточно велика по сравнению
с длиной волны λи на поверхности антенны равномерно
распределены однородные синфазные
источники.
Коэффициент
использования поверхности υ
(КИП)
Если источники
неоднородны, то есть амплитуда и фаза
зависят от координат, то КНДбудет
меньше и формула может быть представлена
в виде
,
(2.14)
где υ– коэффициент, меньше единицы и
называется коэффициентом использования
поверхности, (КИП). КИП изменяется в
пределах от 0,4 до 0,9.
Он зависит от
распределения токов или полей на
поверхности антенны, и от точности
выполнения антенны.
Эффективная
площадь приемной антенны Sэфф.
В выражении для
КНД произведение Sэфф
=υ S
называется эффективной площадью приемной
антенны. Следовательно, в этом
случае можно записать
.
(2.15)
Отсюда
. (2.16)
Речь идет о приемной
антенне, которая находясь в электромагнитном
поле, поглощает часть его энергии и
передает в приемник, являющийся для
антенны нагрузкой.
Эквивалентная
площадь, с которой антенна полностью
поглощает энергию волны, пришедшей с
главного направления и отдает в
согласованную нагрузку называется
эффективной площадьюантенны,
т.е.
будет определяться по формуле (2.17).
(2.17)
Отсюда
.
Среднее значение
вектора Пойнтинга (2.17) направленного
излучателя равно :
(2.18)
Подставив
формулу(2.18) в (2.17), получим :
(2.19)
Коэффициент усиления антенны (g)
.
(2.20)
Коэффициент
усиления более полно характеризует
антенну, чем КНД. Действительно,
коэффициент направленного действия
(D) учитывает только
концентрацию энергии в определенном
направлении, то коэффициент усиления
множителемηучитывает еще и уменьшение излучения
вследствие потерь мощности в антенне.Gизмеряется в неперах и
децибелах.
Уравнение
идеальной радиосвязи.
В некоторых случаях
определяют не напряженность
электромагнитного поля в точке приема,
а мощность Р2 на входе приемной
антенны. Введем обозначения: Р1– мощность, подводимая к передающей
антенне,D1–КНД
передающей антенны. Р2 – мощность
на входе приемной антенны иD2– соответственно КНД приемной антенны.
Необходимо связать
параметры передающей антенны Р1иD1с Р2иD2.
это можно сделать исходя изSэфф.
Согласно формуле (2.19), в которой
—
мощность на входе приемника и учитывая,
чтo
приемной антенны определяется из
(2.16),то приравнивая (2.16) и (2.19) получим
мощность на входе приемного устройства
в условиях свободного пространства
(2.21)
Формула (2.21)
называется формулой идеальной
радиотрассы, и не учитывает влияние
Земли, атмосферы и другие факторы.
Мощность на
входе приемного устройства для двух
типов радиолиний.
Для радиолиний
двух типов (первичной и вторичной)
мощность на входе приемника оказывается
разной при одинаковых параметрах
передающего и приемного устройства.
Радиолинии
1 типа (первичная радиолиния)
Обратимся к рис.(
5) , на котором схематично показана
первичная линия передачи. Мощность
сигнала на входе приемника определится
как (5)
Рисунок 5 – Схема
первичной линии передачи
Введем обозначения
:
— мощность,
подводимая к передающей антенне;
— мощность на выходе
приемной антенны;
— мощность на входе
приемной антенны.
Для этого типа
линий передачи мощность на входе приемной
антенны определится
(2.22)
Радиолинии
2 типа(вторичная радиолиния)
На рис.(6) приведена
схема радиолинии второго типа.
Значение мощности
на входных приемника для радиолиний 2
типа зависит от тех же параметров, что
и для 1 типа, но еще и от переизлучающих
свойств ретранслятора.
Рисунок 6 – Схема
вторичной линии передачи
Эффективная
площадь рассеяния (ЭПР, σэпр).
Если какое-то тело
облучается полем, то его способность
переизлучать это поле, оценивается
эффективной поверхностью рассеяния,
которая переизлучает первичное поле
ненаправленно и без потерь, создавая
при этом в месте приема такую же плотность
потока мощности, что и реальный
переизлучатель.
Величина ЭПР
зависит от формы и электрических
параметров материала, из которого
изготовлен переизлучатель, а так же от
его ориентировки относительно направления
первичного поля и направления на прием.
Возможны два варианта расчета мощности
сигнала на входе приемной антенны
Первый вариант
, при
тогда
(2.23)
Второй вариант
, при
,
то есть переизлучатель расположен
на середине трассы, а это бывает всегда,
если передатчик и приемник составляют
отдельные блоки локатора, то
(2.24)
Выражение (2.24)
называется основным уравнением
радиолокации.
Выводы:
-
на трассах в
отсутствие ретранслятора (Iтип линии передачи) мощность на входе
приемника уменьшается вr2(поле испытывает сферическую расходимость). -
при работе с
ретранслятором (IIтип
линии передачи) мощность уменьшается
вr4.(2.24).
Здесь поле дважды
испытывает сферическую расходимость:
первичное поле (от передатчика до
ретранслятора); вторичное поле (
ретранслятор – приемник).
Множитель
ослабления V
( Ослабление
поля свободного пространства в реальных
условиях )
Реальные условия
существенно отличают от условий
распространения в свободном пространстве
из-за наличия: 1)границы раздела
атмосфера – Земля; и 2)неоднородного
строения атмосферы и земной поверхности.
Амплитуда поля в
реальных условиях уменьшается не только
как
, но и за счет поглощения и рассеяния
электромагнитной энергии (в Земле,
ионосфере, тропосфере, гидрометеорах,
от интерференции , дифракции и т.д.).
Для учета влияния
Земли и неоднородности атмосферы вводят
понятие множителя ослабления поля
свободного пространства V, который в дальнейшем будет называться
простомножитель ослабления.
Множитель
ослабления– это отношение напряженности
поляЕна расстоянииr
от передающей антенны при
распространении в реальных условиях к
напряженностиЕ0
на том же расстоянии в свободном
пространстве , т. е.
где
— модуль множителя ослабления,
—
фаза, которая оценивает дополнительные
изменения фазы волны.
Факторы,
влияющие на величину множителя ослабления
Он зависит 1) от
длины радиолинии; 2) от высот поднятия
передающей и приемной антенн над Землей;
3) от длины волны; 4) вида поляризации; 5)
рельефа местности на трассе; 6) электрических
параметров почвы;7) от электрически
неоднородного строения атмосферы,
подвергающейся случайным изменениям.
В реальных условиях
действующее значение напряженности
поля в общем виде можно определить
(2.25)
В большинстве
случаев
,
но иногда, например ( при интерференции
волн в зоне прямой видимости),
могут быть
.
Максимальное значение
Удобно выражать
в дБ.
.
В ряде случаев
множитель ослабления выражается через
плотности потоков мощности
,
.
Абсолютные значения
V, вычисленные в дБ по полю
или по плотности потоков мощности
оказываются равными:
.
Мощность сигнала
на входе приемника в реальных условиях
на радиолиниях первого типа будет
определяться с учетом V:
Из выражения для
мощности на входе приемника можно
определить
,
(2.26)
Потери при
передаче электромагнитной энергии.
При проектировании
систем удобно иметь сведения о потерях
электромагнитной энергии.
В литературе,
особенно в американской, вводят 2
определения потерь :
L (потери
передачи) (transmission loss)
Lв
(основные потери передачи ) (basictransmissionloss).
Введем соотношения
между
,
Lв,Lдля
радиолиний двух типов.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
- #
Профиль пролета. Его строят, используя топографическую карту местности. Профиль пролета представляет собой вертикальный разрез местности в плоскости, проходящей через линию АВ и центр Земли (рис. 9.1), где АВ — линия прямой видимости, соединяющая центры антенн. Для удобства профиль строят в прямоугольных координатах. Расстояния откладывают не по дуге окружности, соответствующей поверхности гладкой Земли, а по оси абсцисс, а высоты — не по радиусам Земли, а по оси ординат. Для того чтобы профиль в прямоугольных координатах соответствовал реальному, используют параболический масштаб. В этом масштабе все высоты отсчитываются не от оси x, а от линии условного нулевого уровня, имеющей вид параболы. Построение профиля начинают с расчета ординат этой параболы по соотношению
, (9.1)
где а3=6370 км — геометрический радиус Земли; R0 — протяженность пролета, k=Ri/Ro — относительная координата точки; Ri — расстояние от начала пролета до текущей точки. Достаточно рассчитать ординаты для точек 1…5, показанных на рис. 9.1,б. При вычерчивании берут разные масштабы по осям, так как высоты отсчитывают в метрах, а расстояния в километрах. Ординату начальной точки параболы (y=0, k=0) совмещают с уровнем моря (H=0), а абсциссу с R=0. В случае, когда средняя высота местности значительно выше уровня моря, высоту начальной точки параболы принимают на 10…20 м меньше самой низкой точки профиля (см. рис. 9.1,а), где при y=0 и k=0, h=120 м и R= 0. На профиль наносят высоты, указанные для данных точек местности на топографической карте, и местные объекты: лес, населенные пункты и др. Обязательно указывают водные поверхности: реки, водохранилища и т. п. Отмеченные высоты соединяют прямыми. Полученная ломаная линия и есть профиль пролета. На концах профиля откладывают высоты антенн h1 и h2 и проводят линию прямой видимости АВ. На профиле отмечают просвет Н — расстояние между линией прямой видимости и самой высокой точкой профиля. Для этой точки рассчитывают значение некоторого ориентировочного просвета:
(9.2)
Рисунок 9.1. Профиль пролёта: а – к объяснению построения профиля; б – к выбору точек при построении линии условного нулевого уровня
Мощность сигнала на входе приемника при распространении в свободном пространстве. Множитель ослабления поля свободного пространства. По пути АВ распространяется прямая радиоволна. Земная поверхность практически не влияет на ее распространение, если на пролете H>H0. При выполнении этого условия прямая радиоволна распространяется так же, как и в свободном пространстве.
Ненаправленный излучатель в свободном пространстве излучает одинаковую мощность во всех направлениях. Фронт электромагнитной волны на некотором расстоянии R от излучателя представляет собой сферу радиуса R. Мощность, проходящая через единицу поверхности этой сферы,
, (9.3)
где Р — мощность, подведенная к изотропному излучателю.
На пролете РРЛ устанавливают передающую и приемную антенны с коэффициентами усиления GП и GПР соответственно. Антенны направлены друг к другу главными лепестками ДН. Для передающей антенны находим ЭИИМ при G = GП. В таком случае плотность потока мощности в точке приема в соответствии с 9.3
(9.4)
Мощность сигнала на входе приемника при распространении в свободном пространстве 
, где 
— КПД приемного фидера, ему соответствуют потери аФ.ПР.
Подставив П1 из (9.4) и положив G = GПР, запишем
(9.5)
При распространении в свободном пространстве суммарное ослабление мощности сигнала между выходом передатчика и входом приемника 
Подставив (9.5), получаем:
(9.6)
Первый сомножитель этой формулы показывает ослабление сигнала между антеннами при распространении в свободном пространстве. Эта величина носит название основных потерь при распространении в свободном пространстве
(9.7)
Перейдя к уровням, записываем
, (9.8а)
(9.8б)
Уровень мощности сигнала на входе приемника 
,
где рП — уровень мощности передатчика. Значение рС.ВХ0 получает ту же размерность, что и рП.
В реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника отлична от (9.5) из-за влияния земной поверхности и тропосферы. Учитывают это влияние с помощью множителя ослабления поля свободного пространства. Множитель ослабления показывает, во сколько раз напряженность поля в точке приема в реальных условиях (ЕР) меньше, чем напряженность поля в той же точке при распространении в свободном пространстве (Е0). Множитель ослабления
(9.9)
или
Поскольку состояние тропосферы непрерывно меняется, то и значение множителя ослабления меняется во времени.
При реальных условиях распространения мощность сигнала на входе приемника 
Влияние земной поверхности. Сначала полагаем, что поверхность Земли — плоская, гладкая, однородная. В этом случае в точку приема приходят два луча: прямой АВ(1) и отраженный от земной поверхности АСВ(2) (рис. 9.2). Плоская поверхность дает только один отраженный луч. Координату точки отражения С определяют из условия равенства углов падения и отражения q . Просвет H определяют для этой точки. Между волнами 2 и 1 существует разность хода D r=ACB-AB, а следовательно, разность фаз в точке приема
(9.11)
где b — изменение фазы в точке С (фаза коэффициента отражения).
Вычислив АС, СВ и АВ из треугольников ADC, CBF и АbВ и приняв во внимание, что на реальных пролетах углы q малы, b =p и расстояния DC, CF и DF много больше, чем высоты антенн, получаем D r=2h1h2/R0. Разность хода можно выразить через просвет. Учитывая, что на реальных трассах наклон линии АВ незначителен, полагаем h1»h2» H AB=R0. При этих допущениях получаем
(9.12)
Сложив векторы сигналов 1 и 2, получаем реальную напряженность поля в точке приема (ЕР на рис. 9.2,б). Выше отмечали, что условия распространения луча АВ такие же, как в свободном пространстве. Следовательно, амплитуда сигнала 1 равна Е0 а сигнала 2 составляет Е2=Е0Ф, где Ф — модуль коэффициента отражения от земной поверхности.
Для гладкой земной поверхности Ф=1. Из треугольника 012 (рис. 9.2,б) получаем
,
Подставив это выражение в (9.9) и приняв во внимание (9.11),
при b =p получаем
(9.13)
В правой части (9.13) из-за изменения атмосферной рефракции D r меняется во времени. Формула (9.13) справедлива при распространении сигналов в пределах прямой видимости, когда H>H0. Она получила название – интерференционная формула.
Рисунок 9.2. Ход лучей на пролёте при плоской, гладкой и однородной поверхности Земли (а) и векторная диаграмма на приёме (б)
Рассмотрим второй случай: земная поверхность – сферическая, гладкая, однородная. Теперь Ф<1 из-за явления расходимости радиоволн.
— коэффициент расходимости
Рисунок 9.3. К пояснению условия прямой видимости на холмистой местности
Рассмотрим реальный случай: земная поверхность — сферическая, неровная. Для этого случая лучевая трактовка распространения радиоволн неприменима, так как дает большую погрешность. Теперь нужно рассматривать область пространства, эффективно участвующую в распространении сигнала. Эта область представляет собой эллипсоид вращения, на большой оси которого лежит АВ (рис. 9.3). Сечение этого эллипсоида плоскостью профиля заштриховано, а сечение его в плоскости, перпендикулярной линии АВ представляет собой круг радиусом H0, который называют первой полузоной Френеля. Если в самой высокой точке пролета H>H0, то условия распространения прямой волны такие же, как и в свободном пространстве, и множитель ослабления определяют по интерференционной формуле. При H
H0препятствие экранирует прямую волну. Теперь множитель ослабления будет падать с уменьшением H, но он также будет зависеть от формы и размеров препятствия, которые принято оценивать с помощью параметра препятствия (л, характеризующего радиус кривизны препятствия. При H=0 трассу называют касательной. Поле в точке приема на ней создает дифрагирующая (огибающая препятствие) волна, для которой множитель ослабления v0 определяют по рис. 9.8. Энергия волны, дифрагирующей вокруг сферического препятствия (рис. 9.5,а), для которого. m ® 0, почти на всем пути распространяется в непосредственной близости от Земли. Такое препятствие экранирует ее в большей степени, чем клиновидное препятствие (рис. 9.5,б), для которого m ® ¥ . Поэтому и значения v0для этих двух видов препятствий будут значительно отличными друг от друга. Для реальных препятствий 0 < m < ¥ .
Влияние неровностей на отраженную волну состоит в том, что отражение может носить диффузный характер. В диапазоне СВЧ
|
|
|
|
Рисунок 9.4- К расчёту множителя ослабления на касательной трассе |
Рисунок 9.5- Виды препятствий: сферические (а), клиновидное (б) |
большинство поверхностей создает диффузное отражение (Ф<1). Зеркальное отражение имеет место только от совершенно гладких. площадок: аэродромов, гладких водных поверхностей и т. п.
Влияние атмосферной рефракции. Для тропосферы можно определить относительную диэлектрическую проницаемость e , которая зависит от температуры и давления сухого воздуха, а также давления водяных паров. В хорошо перемешанной тропосфере содержание водяных паров и температура воздуха падают с высотой, поэтому и значение e уменьшается по высоте. Траектория электромагнитной волны в такой тропосфере будет искривлена (рис. 9.6, кривая 2). Прямая 1 на этом рисунке соответствует случаю распространения в свободном пространстве. Искривление траекторий волн, обусловленное неоднородным строением тропосферы, называется атмосферной рефракцией. Ее характеризуют градиентом диэлектрической проницаемости воздуха g=de /dh. В хорошо перемешанной тропосфере e падает с ростом высоты h, т. е. g<0, и траектория имеет выпуклую форму. Такую рефракцию называют положительной. С учетом рефракции просвет на пролете
H(g)=H+D H(g), (9.14)
где
(9.15) — приращение просвета
|
|
|
|
Рисунок 9.6. Траектории радиоволн в отсутствие рефракции (1), при положительной рефракции (2) и субрефракции (3) |
Рисунок 9.7. Траектория радиоволн при различных видах атмосферной рефракции: |
Различают следующие виды рефракции (рис. 9.7). Рефракцию, соответствующую среднему состоянию тропосферы, называют стандартной, для нее g=-8× 10-8 1/м. Это наиболее распространенный случай.
В вечерние, ночные и утренние часы летних месяцев в тропосфере иногда наблюдают температурные инверсии (рост температуры с высотой) и резкое уменьшение влажности. В этих условиях может возникать критическая рефракция, при которой траектория радиоволны концентрична земной поверхности, g=gКР=-31.4(× )10-8 1/м. При g<gКР возникает сверхрефракция. Радиоволны в этом случае преломляются к поверхности Земли и отражаются от нее. Если в месте отоажения Ф=1, то возникает тропосферный волновод. Волна из пункта А в этом случае распространяется далеко за пределы прямой видимости и может создавать помехи другим РРС, использующим такие же частоты.
На участках РРЛ с низинами, где осенью или весной обычно имеют место приземные туманы, может возникнуть отрицательная рефракция или субрефракция, при этом g>0.Траектория радиоволны имеет вогнутый характер и просвет H(g)<H (см. рис. 9.4). Если на трассе имеется препятствие, то в этих условиях его экранирующее действие возрастает.
Расчет множителя ослабления в реальных условиях. Рефракционные замирания. Для реальных трасс определяют относительный просвет
p(g)=H(g)/H0 (9.16)
В зависимости от значения p(g)различают трассы: открытые при p(g)>1 закрытые при p(g)<0 и полуоткрытые при 1>p(g)>0
На открытых трассах в точку приема приходят две волны: прямая и отраженная от поверхности Земли. Экранирующее действие препятствия не учитывают. Для расчета множителя ослабления применима интерференционная формула. Однако теперь разность хода лучей D r должна быть определена с учетом приращения просвета при рефракции. Поэтому полагаем H = H(g).
; p(g)
1.
При изменении диэлектрической проницаемости воздуха множитель ослабления может принимать максимальные значения VMAX=1+Ф, когда фазы прямой и отраженной волн на входе приемника совпадают, и минимальные VMIN=1-Ф, при сложении этих волн в противофазе. Когда 
, где n=1, 2, 3, …; V(t) = VMIN и мощность сигнала в точке приема резко падает. Возникают замирания сигнала, которые носят название рефракционных замираний интерференционного типа. Это быстрые замирания. Их средняя длительность при глубине 35 … 25 дБ составляет секунды — десятки секунд. Под глубиной понимают величину, численно равную |VMIN|. Различные стволы РРЛ используют разные частоты (волны). Разность фаз D j между приходящими на вход приемника волнами зависит от длины волны. Поэтому замирания в ВЧ стволах происходят не одновременно. Эту особенность используют для борьбы с замираниями, а сами замирания характеризуют как частотно-зависимые или селективные. Если условия распространения на трассе таковы, что n=1, то говорят, что приемная антенна попала в первый интерференционный минимум, при п=2 — во второй и т.п.
При возрастании g просвет Н (g) на трассе уменьшается, и она может стать полуоткрытой и даже закрытой (g<0). Множитель ослабления падает. Возникают рефракционные замирания из-за экранирующего действия препятствия. Эти замирания сравнительно медленные (их длительность десятки минут — часы при глубине 35 … 25 дБ) и наблюдаются одновременно во всех ВЧ стволах РРЛ.
Из-за случайных изменений g меняется угол прихода (выхода) радиоволн относительно главного направления приемной (передающей) антенны. Это явление приводит к колебаниям уровня сигнала на приеме. Такие колебания называют замираниями из-за влияния диаграмм направленности антенн. Это медленные замирания глубиной 10 … 20 дБ. На практике такие замирания ощутимы при остронаправленных антеннах с коэффициентом усиления не ниже 45 дБ или 2q 0.5~0,9° … 0,8°.
Влияние слоистых неоднородностей тропосферы. В тропосфере есть слои, диэлектрическая проницаемость которых отлична на небольшую величину D e от диэлектрической проницаемости окружающей тропосферы, например облака (рис. 9.8). Их называют; слоистыми неоднородностями. Если электромагнитная волна, отразившись от такой неоднородности, попадет на вход приемника, то векторная диаграмма принимаемых сигналов будет иметь вид, показанный на рис. 9.2,б. Только теперь волна 2 появилась из-за отражения от слоистой неоднородности тропосферы и ее амплитуда E2=E0ФТР, где ФТР — модуль коэффициента отражения от тропосферы. При выполнении условий ФТР» 1 и D j = p , ЕР=0, т. е. возникают глубокие замирания. Модуль коэффициента отражения зависит от соотношения между D e и углом скольжения к слою q , ФТР=1 при D e 
q . Когда слоистая неоднородность расположена параллельно линии АВ, а точка отражения проектируется на середину трассы, из геометрических построений на пролете можно найти угол q и представить условие глубоких замираний в виде
Рисунок 9.8. К пояснению отражения радиоволн от слоистых неоднородностей тропосферы
На реальной трассе высота и наклон слоя изменяется случайным образом, значит, амплитуда и фаза отраженной волны величины случайные. В момент, когда условие (9.16) выполняется, возникают глубокие интерференционные замирания из-за отражения от слоистых неоднородностей тропосферы. Это быстрые селективые замирания со средней длительностью доли секунд — секунды при глубине 35 … 25 дБ. На трассах, проходящих вблизи водных массивов, где много слоистых неоднородностей, такие замирания наблюдают чаще, чем на сухопутных трассах.
Влияние гидрометеоров. Гидрометеоры в тропосфере (капли дождя, тумана, град, снег и т. п.) рассеивают энергию радиоволн, длина которых соизмерима с размерами гидрометеоров. Кроме того, происходит нерезонансное поглощение энергии в гидрометеорах. Эти эффекты проявляются при l <5 см, вызывая дополнительное ослабление сигнала на пролете. Обычно ослабление учитывают только для дождя. Множитель ослабления в дожде для волн с вертикальной поляризацией
, (9.17)
где g Д — погонный коэффициент ослабления в дожде; RЭ — эффективная длина пролета, определенная в предположении, что на всем пролете идет дождь постоянной интенсивности, при которой значение vД рассчитанное по, совпадает по модулю с реальным ослаблением сигнала в дожде. Значение g Д зависит от интенсивности осадков J. Слабый дождь — это осадки с J<5 мм/ч, при умеренном дожде J=5 … 20 мм/ч, сильном — J=20 … 40 мм/ч, для ливня J>40 мм/ч.
Волны с горизонтальной поляризацией испытывают большее ослабление из-за расплющивания капель дождя. Множитель ослабления для волн с горизонтальной поляризацией
vГ=1.15vД
В литературе [1] можно найти зависимости vД(J) для различных диапазонов частот.
Устройство, преобразующее электрический ток в электромагнитную волну, как это было показано в уроке «Основные характеристики радиоволн», называется антенной. Кроме того, антенны преобразуют энергию электромагнитной волны в электрический ток в режиме приёма радиосигнала. Возможность использования антенны как для передачи, так и для приёма электромагнитных волн называется свойством обратимости.
Основные характеристики
Диаграмма направленности
Основной характеристикой, отражающей особенности антенн, является диаграмма направленности. Под диаграммой направленности понимают зависимость поля, создаваемого антенной на достаточно большом расстоянии, от углов наблюдения в пространстве. Как правило, диаграмму направленности изображают в полярных системах координат, рассматривая в вертикальной и горизонтальной плоскостях по отношению к плоскости Земли. Важно понимать, что диаграмма направленности демонстрирует распределение в пространстве энергии, подведённой к антенне. Примеры диаграмм направленности представлены на рисунках 1-3:
Рисунок 1 — Диаграмма направленности изотропного излучателя: а — вертикальная плоскость, б — горизонтальная плоскость, в — трёхмерное изображение
Рисунок 2 — Диаграмма направленности всенаправленного излучателя: а — вертикальная плоскость, б — горизонтальная плоскость, в — трёхмерное изображение
Рисунок 3 — Диаграмма направленности направленного излучателя: а — вертикальная плоскость, б — горизонтальная плоскость, в — трёхмерное изображение
Выраженные максимумы диаграммы направленности называют лепестками. На практике сложно реализовать направленные антенны, излучающие только в нужном направлении: как правило, излучение в рамках основного лепестка будет сопровождаться побочным — боковыми и задними лепестками:
Рисунок 4 — Диаграмма направленности с характерно выраженными лепестками излучения
Ширина основного лепестка, азимут, угол места
Под шириной луча понимают угловой сектор, внутри основного лепестка диаграммы направленности антенны, в пределах которого излучается наибольшая часть энергии сигнала. Величина измеряется по уровню половинной мощности, что соответствует снижению уровня напряжённости на 3 дБ.
Эффективная эксплуатация беспроводных систем связи достигается при выполнении условия качественной юстировки — сонаправленности основных лепестков антенн приёмника и передатчика. Для достижения этого условия, в процессе предварительного планирования и монтажа используют следующие параметры:
- азимут — угол, образуемый направлением антенны и направлением на север в горизонтальной плоскости;
- угол места — наклон антенны относительно горизонта в вертикальной плоскости.
Рисунок 5 — Иллюстрация понятий угла места и азимута
Уровень боковых лепестков
Параметр «уровень боковых лепестков» показывает насколько уровень бокового излучения слаб по сравнению с уровнем главного лепестка и рассчитывается по формуле:
Коэффициент защитного действия
Под коэффициентом защитного действия понимают отношение напряжённости поля, излученного антенной в главном направлении, к напряжённости поля, излучённого в противоположном направлении:
Коэффициент усиления
Антенна является пассивным устройством и передаваемый сигнал не усиливает в буквальном смысле, однако, за счёт неоднородной диаграммы направленности, устройство совершает перераспределение энергии. Перераспределение энергии позволяет на передающей стороне увеличить интенсивность излучения, а на приёмной — улучшить чувствительность по некоторым направлениям в пространстве по сравнению с изотропной антенной. Важно помнить, что перераспределение энергии осуществляется не только в направлении основного лепестка, относительно которого рассчитывается коэффициент усиления, но также и в направлении боковых и задних лепестков.
Таким образом, коэффициент усиления характеризует во сколько раз необходимо увеличить мощность на входе антенны при замене данной антенны на изотропную, чтобы значение плотности потока мощности излучаемой антенной электромагнитной волны в точке наблюдения не изменилось. Коэффициент усиления учитывает потери подводимой энергии через коэффициент полезного действия:
Коэффициент стоячей волны по напряжению
При распространении электрического тока по фидеру часть энергии может отражаться от нагрузки, в роли которой выступает антенна. Причиной является несогласованность сопротивлений фидера с нагрузкой, причём количество отражённой энергии зависит от соотношения сопротивлений. Коэффициент стоячей волны по напряжению показывает какая доля подведённой энергии будет отражаться обратно в фидер.
Например, если к антенне с входным сопротивлением 100 Ом подключается ВЧ-кабель сопротивлением 50 Ом, то КСВ=2:1, а значит половина энергии при передаче будет отражаться обратно в ВЧ-кабель.
Частотный диапазон
В уроке «Основные характеристики радиоволн» был рассмотрен механизм формирования электромагнитной волны для вибратора. При этом электрический ток, протекающий по вибратору, образовывал стоячую волну, узел которой располагался посередине, а амплитудные значения тока наблюдались на краях вибратора. Таким образом, максимальные значения напряжённости поля будут наблюдаться в случае, если длина вибратора равна половине длины волны колебаний, что свидетельствует о зависимости между длиной волны излучения и габаритами антенны. Согласно свойству обратимости, связь между длиной волны и габаритами также характерна для приёмной антенны.
В общем случае, независимо от конструктивного исполнения антенны, длина волны радиосигнала пропорциональна размерам антенны, что является одной из директив для выбора частотного диапазона при проектировании системы связи. По этой причине, одной из характеристик антенны является рабочий диапазон частот, для которого сохраняются заявленные параметры.
К примеру, широкое распространение беспроводных систем передачи данных в диапазоне 5 ГГц обусловлено небольшими размерами антенны — 6 см и приемлемыми показателями затухания.
Поляризация
Поляризация электромагнитной волны, рассматриваемая в рамках «Основные характеристики радиоволн», определяется конструктивными особенностями и расположением используемой антенны. Важно понимать, что передающая и приёмная антенны должны быть согласованы по поляризации: на рисунке 6 представлены ситуации с согласованием (а) и рассогласованием (б) по поляризации на приёмной и передающей сторонах:
Рисунок 6 — Согласование (а) и рассогласование (б) приёмной и передающей сторон по поляризации
Поскольку электромагнитные волны ортогональных поляризаций не оказывают взаимовлияния, то возможно использования двух радиосигналов разных поляризаций в одной полосе частот. Существуют различные сценарии использования данного инструмента: увеличение пропускной способности, организация дуплексного канала связи, организация множественного доступа, повышение надёжности канала связи.
Конструктив антенн
Изотропная антенна
В теории антенн используется модель изотропной антенны, диаграмма направленности которой представляет собой сферу, представленную на рисунке 1. Создание такой антенны в реальной жизни невозможно.
Всенаправленная антенна
Используемая на практике антенна, наиболее схожая с изотропным излучателем по диаграмме направленности — всенаправленная антенна. Пример диаграммы направленности всенаправленной антенны представлен на рисунке 2, а конструктивное исполнение — на рисунке 7:
Рисунок 7 — Пример всенаправленной антенны
Направленная антенна
В отличии от рассмотренных вариантов антенн, направленные отличаются выраженным главным лепестком и имеют множество конструктивных вариантов исполнения. Пример диаграммы направленности устройства представлен на рисунке 3, конструктивное исполнение — на рисунке 8.
Может показаться, что из-за сложного конструктивного исполнения направленные антенны превосходят по своим показателям всенаправленные, однако выбор антенны напрямую зависит от решаемой задачи. Например, при построении беспроводного канала «точка-точка» следует использовать узконаправленные устройства, при построении многосекторной базовой станции — антенны с определённой шириной главного лепестка, вплоть до всенаправленной при односекторной конфигурации.
Рисунок 8 — Примеры направленных антенн
Многообразие конструктивных реализаций направленных антенн обусловлено тем, что направленные антенны шире распространены в беспроводных системах связи, чем всенаправленные. Например, в линейке компании «Инфинет» представлены решения с возможностью подключения внешней антенны и с интегрированной антенной, представляющей микрополосковую антенную решётку:
Рисунок 9 — Устройства компании «Инфинет»: а — с интегрированной антенной, б — с возможностью подключения внешней антенны
Технология формирования луча (beamforming)
Одним из видов антенн по конструктивному исполнению являются фазированные антенные решётки (ФАР), представляющие из себя матрицу излучающих элементов, соединённых между собой, как на рисунке 10. Особенность ФАР заключается в том, что, подавая на излучающие элементы сигналы с разными параметрами амплитуды и фазы, можно формировать различные диаграммы направленности. Таким образом, динамически меняя подводимые к излучающим поверхностям сигналы, можно управлять диаграммой направленности в режиме реального времени.
Рисунок 10 — Пример схемы ФАР
Основываясь на способности ФАР динамически изменять диаграмму направленности, была реализована технология формирования луча, использование которой имеет ряд преимуществ относительно антенн с фиксированной диаграммой направленности.
Рассмотрим пример, в котором к сектору базовой станции подключено два абонента и в раскрыве сектора наблюдается помеха, рисунок 11. При использовании сектора с фиксированной диаграммой направленности помеха будет оказывать негативное воздействие, ухудшая производительность базовой станции. В случае, если помеха широкополосная, то смена частотного канала не принесёт результатов, а поиск источника помех на местности является достаточно комплексной задачей, решение которой может носить длительный характер.
Рисунок 11 — Пример воздействия помехи на сектор с фиксированной диаграммой направленности
Заменим секторную антенну на устройство с технологией формирования луча, рисунок 12.
Рисунок 12 — Пример воздействия помехи на сектор с технологией формирования луча: а — обслуживание CPE1, б — обслуживание CPE2
Технология формирования луча позволяет сформировать узкую диаграмму направленности в направлении конкретного абонента, а со временем переориентировать главный лепесток в сторону других клиентских устройств. Наблюдается улучшение производительности беспроводной системы за счёт двух факторов: снижается восприимчивость к локальным помехам на сектор и увеличивается энергетика канала в сторону каждого из абонентов за счёт перераспределения энергии сектора в более узкий луч диаграммы направленности. Важным дополнением является то, что использование технологии формировании луча не требует поддержки данной технологии со стороны абонентских устройств.
Технология MIMO
Для увеличения пропускной способности систем связи или повышения надёжности, можно использовать реализации схем, в которых передача и приём осуществляются несколькими антеннами. Соседние антенны в подобных схемах необходимо изолировать для снижения корреляции за счёт пространственного, поляризационного и др. методов разнесения. Данная технология называется MIMO (Multiple Input Multiple Output).
Для пояснения принципов технологии MIMO рассмотрим схему на рисунке 13. Передатчик и приёмник используют по две антенны разной поляризации — вертикальной и горизонтальной. На передающей стороне исходный поток данных делится на два подпотока, каждый из которых отправляется в свой канал обработки и, впоследствии, передаётся через отдельную антенну. В приёмнике реализуется обратный процесс — один подпоток данных принимается через антенну горизонтальной поляризации, другой — через антенну вертикальной поляризации. После подпотоки объединяются в единый поток данных и передаются на дальнейшие звенья обработки.
Рисунок 13 — Пример использования схемы MIMO с двумя потоками
Рассмотренная на рисунке 13 схема увеличивает пропускную способность канала связи в два раза. Возможна реализация сценария использования нескольких антенн для повышения надёжности связи — в этом случае подпотоки данных передаются на меньшей скорости, сохраняя общую пропускную способность системы, либо поток данных не делится на подпотоки, а дублируется в каждом из каналов связи.
На рисунке 13 представлена схема MIMO с двумя потоками данных, но следует иметь в виду, что число потоков данных может быть произвольным и зависит от числа антенн.
Сценарии построения беспроводных систем связи
При выборе антенных устройств для беспроводной системы связи необходимо отталкиваться от условий, в которых будет разворачиваться система связи. Возможны три сценария:
- беспроводная фиксированная система связи;
- беспроводная мобильная система связи;
- беспроводная система связи с передвижными объектами.
В фиксированных системах связи «точка-многоточка» на выделенной площадке устанавливается базовая станция с одним или несколькими секторами. Диаграмма направленности сектора при этом зависит от конфигурации базовой станции: для обеспечения кругового охвата ширина диаграммы направленности секторных антенн равна 360° при конфигурации с одним сектором, 120° — с тремя секторами, 60° — с шестью и т.д. Используются антенны с широкой диаграммой направленности, поскольку сектор работает в режиме «точка-многоточка» и должен обеспечивать подключение фиксированных абонентов на определённой территории. Абонентские устройства при этом статичны и съюстированы с сектором. Для того, чтобы снизить уровень паразитного излучения, ширину диаграммы направленности клиентского устройства выбирают достаточно узкой.
Рисунок 14 — Пример схемы беспроводной фиксированной системы связи
В мобильных системах связи, в отличие от фиксированных, абоненты могут менять местоположение, поэтому диаграммы направленности клиентских устройств, как правило, выбираются всенаправленными:
Рисунок 15 — Примеры схем беспроводных мобильных систем связи
Комбинацией рассмотренных типов систем связи является беспроводная система связи с передвижными объектами. В рамках данного сценария местоположение устройств может изменяться время от времени. При этом, в случае использования узконаправленных антенн, необходимо производить юстировку при изменении местоположения устройства, либо использовать системы с автоматическим слежением.
Рисунок 16 — Пример схемы связи с передвижными объектами
Представленная классификация беспроводных систем связи справедлива как для схем «точка-многоточка», так и для схем «точка-точка».
Единицы измерения
В соответствии с международной системой единиц, мощность измеряется в Ваттах:
При передаче и приёме радиосигналов, как правило, оперирует меньшими величинами, миливаттами:
Для оценки энергетики каналов связи удобно использовать безразмерную величину — децибел, которая пропорциональна десятичному логарифму отношения двух энергетических величин:
Отдельно выделяют величину децибелл-милливатт, в которой измеряемая величина нормируется относительно 1 мВт:
