CC BY
195
УДК 621.391.82(024)
В С. БУДЯК В. П. КИСМЕРЕШКИН ■
Омский научно-исследовательский институт приборостроения Омский государственный технический университет
ИССЛЕДОВАНИЕ ДВУХ МОДЕЛЕЙ ОЦЕНКИ КОЭФФИЦИЕНТА ЗАТУХАНИЯ СИГНАЛА В КОРОТКОВОЛНОВОМ ДИАПАЗОНЕ____________________
Приводятся результаты исследования двух моделей оценки коэффициента затухания сигнала между приемной и передающей антеннами, использующихся при разработке модели электромагнитной обстановки технических средств коротковолнового диапазона.
При проектировании комбинированных подвижных радиоузлов (КПРУ), работающих в режиме полнодоступной многоканальной ретрансляции (в реальном масштабе времени) сигналов радиоабонентов и телефонных абонентов проводной связи [1], существенной проблемой является обеспечение электромагнитной совместимости (ЭМС) технических средств (ТС) КПРУ.
Основой для оценки достаточности примененных методов обеспечения ЭМС ТС КПРУ на этапе эскизно-технического проектирования является анализ разработанной модели электромагнитной обстановки (ЭМО) КПРУ, отражающей:
— варианты размещения КПРУ на местности;
— состав ТС КПРУ: приемопередающие радиостанции (ППР), антенно-фидерные устройства (АФУ);
— значения характеристик ТС (диапазон рабочих частот, мощность излучаемого ППР сигнала, шумовые характеристики ППР в режиме передачи, устойчивость по блокированию ППР в режиме приема и т. д.);
— значения показателей ЭМС ТС при использовании, обычно, первого уровня детальности оценки ЭМС (характеризуется методом оценки вида (0-1-1-1) согласно п. 2.11 нормативного документа по оценке ЭМС РЭС [2]).
Элементом модели ЭМО (модель дифференциального вклада первого уровня детальности [2, 3]) является коэффициент затухания сигнала непреднамеренной электромагнитной помехи (НЭМП), оценки значений которого (модель ЕРМ-73) для метрового и дециметрового диапазонов длин волн (УКВ) в теоретическом плане хорошо обоснованы [4] и прошли практическую проверку на более чем 2000 трассах в различных регионах планеты [5, 6].
Однако попытка применить эмпирическую модель ЕРМ-73 [4] оценки коэффициента затухания радиосигнала НЭМП в соответствии с рекомендациями [3] в декаметровом (коротковолновом — КВ) диапазоне длин волн для ХР = 200...10 м (частоты /Р = 1,5.30 МГц), малых значений параметра к / ХР < 0,5.1 (кА — характерные размеры приемных кА и передающих км антенн из состава КПРУ) и расстояний разноса приемной и передающей антенн из состава КПРУ R = 30.250 м привела к отрицательному результату.
Вычислительный эксперимент проводился для нижеследующих исходных данных.
Вариант 1. Передающая антенна из состава КПРУ имеет вертикальную поляризацию и высоту hA = 5 м; приемная антенна — горизонтальное размещение с высотой точки питания hА =11 м; почва имеет средние параметры.
Вариант 2. Передающая и приемная антенны КПРУ имеют вертикальную поляризацию, высота hAt =5 м, высота hA =11 м; почва имеет средние параметры.
Вариант 3. Передающая и приемная антенны из состава КПРУ имеют горизонтальное размещение с высотой подвеса («высота точки питания» по [3]) hA = 11 м, hAr = 11 м; почва имеет средние параметры.
Значения рабочих частот для первого, второго и третьего вариантов изменялись в пределах
1,5.30 МГц, расстояния между приемной и передающей антеннами изменялось в пределах R = 30, 50, 100, 150, 200, 250 м, что соответствует реальным возможностям по размещению антенн на местности.
В таблице 1 приведены результаты вычислительного эксперимента по использованию ЕРМ-73.
Рассмотрим результаты вычислительного эксперимента.
Для варианта 1:
— «минимальная эффективная высота» передаю-
щей антенны h' в диапазоне рабочих частот f = 1,5. 30 МГц принимает значения h' = (1811.5,96) м
соответственно;
— границы зоны плоской поверхности Rm (dm в [3]) изменялись от значения 302 м (соответствует 1,5Я,р для рабочей частоты f = 1,5 МГц) до значения 83 м (соответствует 8,3Хр для рабочей частоты f = 30 МГц), причем в диапазоне рабочих частот f = 20.30 МГц значения Rm = const = 83 м, что противоречит теории и практике распространения радиоволн [7];
— при увеличении значения R и переходе из зоны плоской поверхности через значение Rm (dm в [3]) в зону сферической поверхности наблюдаются отрицательные выбросы значений LR величиной до 3,5 дБ (например, для R = 100 м, f = 12.14 МГц).
Для варианта 2:
— так же, как и для варианта 1, «минимальные эффективные высоты» передающей h' ы и приемной h'OT антенн в диапазоне частот (1,5.30) МГц принимают
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
Рис. 1. Зависимость множителя ослабления V (х) от численного расстояния 2х
Рис. 2. Зависимость тангенциальной составляющей Ее от множителя кИ
значения от 1811 до 5,9 м соответственно;
— границы зоны плоской поверхности Япл изменялись от 13,9 км (соответствует 69,5^р для частоты £р = 1,5 МГц) до значения 52 м (соответствует 5,2^р для рабочей частоты /р = 30 МГц).
Для варианта 3:
— границы зоны плоской поверхности Япл (йпл в [3]) в диапазоне рабочих частот /р = 1Д..30 МГц принимают значения от 6,58 до 132 м соответственно, причем значения коэффициента затухания Ьк для значений Япл = 30, 50, 100, 150, 200, 250 м в поддиап азонах (диапазоне) частот /р = 1,5.6; 1,5.10; 1,5.22; 1,5.30; 1,5.30;
1,5.30 МГц соответственно остаются постоянными и принимают значения для указанных расстояний и соответствующих им поддиапазонов (диапазонов) Ьк = 18,8; 27,7; 39,8; 46,8; 51,8; 55,7 дБ, что противоречит теории и практике возбуждения и распространения радиоволн [7].
Выявлена ошибка автора [3] при цитировании выражения для определения границы сферической поверхности ^ф для частот / < 100 МГц ([3], с. 218, формула (5.17)).
Анализ результатов вычислительного эксперимента по использованию модели ЕРМ-73 для оценки коэффициента затухания НЭМП в декаметровом диапазоне длин волн при расстояниях между передающей и приемной антеннами Я = 30.250 м показал непригодность модели ЕРМ-73 для рассмотренного случая, что, по-видимому, определяется некорректным использованием авторами публикации [4] модели оценки параметров приемной и передающей антенн, разработанной Баллингтоном [5] для диапазона рабочих частот ^ > 30 МГц.
Для более строгой (с точки зрения теории и практики распространения радиоволн) оценки коэффициента затухания сигнала НЭМП в рассматриваемом случае предлагается использовать результаты работ Шулейкина и Ван-дер-Поля, полученные для почв с любыми параметрами и для электромагнитных полей (ЭМП) как вертикальной, так и горизонтальной поляризации ([7], с. 478).
В целях уменьшения вычислений при расчетах Берроузом составлены графики, определяющие зависимость в логарифмическом масштабе множителя ослабления У(х) от численного расстояния 2х (рис. 1), а в [10]
Результаты вычислительного эксперимента по использованию ЕРМ-73
\ Я,м Вариант 1; ЬЯ, дБ Вариант 2; ЬЯ, дБ Вариант 3; ЬЯ, дБ
і, \ МГц\ 30 50 100 150 200 250 30 50 100 150 200 250 30 50 100 150 200 250
1,5 10,5 15 21 24,5 27 28,9 10,5 15 21 24,5 27 28,9 18,8 27,7 39,8 46,8 51,8 55,7
2 13 17,5 23,5 27 29,5 31,4 13 17,5 32,5 27 27,5 31,4 18,8 27,7 39,8 46,8 51,8 55,7
3 16,5 21 27 30,5 33 31,5 16,5 21 27 30,5 33 35 18,8 27,7 39,8 46,8 51,8 55,7
5 21 25,4 31,4 35 34,2 38,1 21 25,4 31,4 35 37,5 39,4 18,8 27,7 39,8 46,8 51,8 55,7
8 25,1 29,5 35,5 35,4 40,4 44,2 25,1 29,5 35,5 39 41,5 43,5 25,1 27,7 39,8 46,8 51,8 55,7
10 27 31,4 37,5 38,3 43,3 47,1 27 31,4 37,5 41 43,5 45,4 27 27,7 39,8 46,8 51,8 55,7
12 28,6 33 39 40,6 45,6 49,5 28,6 33 39 42,6 45,1 43,4 28,6 33 39,8 46,8 51,8 55,7
14 29,9 34,4 35,6 42,7 47,7 51,5 29,9 34,4 40,4 43,9 43,5 47,4 29,9 34,4 39,8 46,8 51,8 55,7
16 31,1 35,5 37,4 44,4 49,4 53,3 31,1 35,5 41,5 42 47 50,9 31,1 35,5 39,8 46,8 51,8 55,7
20 33 37,5 40,3 47,3 52,3 56,2 33 37,5 40,8 47,8 52,8 56,7 33 37,5 39,8 46,8 51,8 55,7
24 34,6 39 41,8 48,9 53,9 57,7 34,6 39 43,9 50,9 55,9 59,8 34,6 39 45,1 46,8 51,8 55,7
28 35,9 40,4 43,1 50,2 55,2 59,1 35,9 40,4 46,5 53,6 58,6 62,5 35,9 40,4 46,4 46,8 51,8 55,7
30 36,5 41 43,7 50,8 55,8 59,7 36,5 41 47,7 54,8 59,8 63,7 36,5 41 47 46,8 51,8 55,7
Таблица 2
Выражения для определения множителя ослабления V ^ ^(х )
Горизонтальный излучатель Вертикальный излучатель
Горизонтально поляризованное поле (1) 2 + 0,3 х У1 = 2 2 + х + 0,6 х п ■ К 1 2 2 х = (е - 1) + (60 ■ X ■ а) X (1) 2 + 0, 3 х V = 1 2 2 4 2 Л 2 (2 + х + 0,6х ) ■ 4е + (60 ■ X ■ а) п ■ К 1 2 2 х = (е - 1) + (60 ■ X ■ а) X
Вертикально поляризованное поле (2) 2 + 3 х V = (2) 2 + 0 3х
1 2 4/ 2 2 (2 + х + 0,6х ) ■ 4е + (60 ■ X ■ а) 1 2 2 п ■ К 4(е - 1) + (60 ■ X ■ а) Х2 = 2 2 + х + 0, 6 х 1 2 2 п ■ К \(е - 1) + (60 ■ X ■ а)
х 2 2 X е + (60 ■ X ■ а) х 2 2 X е + (60 ■ X ■ а)
приведены графики для определения напряженности поля земной волны на частотах ниже 10 МГц при излучаемой антенной мощности сигнала, равной 1 кВт.
В отчете 112 ([9], с. 88) величина затухания сигнала, излучаемого коротким вертикальным диполем (Ср = 1,76 дБ), находящимся над идеально проводящей почвой, определяется выражением
Ь„ = 135,97 - С
К р
+ 201д(/) - Е(К),
(1)
При использовании выражения (1) с целью повышения точности оценки величины необходимо определить минимально допустимое расстояние Л между излучающей антенной и точкой регистрации НЭМП, а также учесть коэффициент полезного действия (КПД) пЛ( передающей антенны.
Для этого проведем анализ развернутого выражения напряженности ЭМП короткого диполя Е ([8], с. 206):
где Ор = 1,76 дБ — коэффициент усиления короткого диполя;
f — значение рабочей частоты, отнесенное к величине частоты 1 МГц;
Е(Щ — напряженность поля на расстоянии Л от излучателя, определяемая формулой Шулейкина — Ван-дер-Поля ([7], с. 478).
При этом множитель ослабления V 1 (х) для горизонтально а = 1) и вертикально (] = 2) поляризованных ЭМП, излучаемых горизонтально (г = 1) и вертикально (г = 2) расположенными излучателями, определяется выражениями, приведенными в таблице 2.
(2)
где обозначено:
Д0 , ©0 — единичные векторы радиальной и тан-
«ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64) ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ. РАДИОТЕХНИКА И СВЯЗЬ «ОМСКИЙ НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК» № 1 (64)
генциальной компонент ЭМП, возбуждаемого диполем Герца (далее — диполем);
Рт=Істт-І/ю — модуль момента диполя;
Істт, I — модуль амплитуды стороннего тока, А, протекающего в диполе, и длина, м, диполя соответственно;
га — круговая частота возбуждаемых колебаний, рад/сек;
ф — фаза момента диполя, рад;
£0=10-9/36п, Ф/м, - электрическая постоянная;
є — относительная диэлектрическая проницаемость;
к=2п/Х — волновое число.
Характерным для выражения (2) является сложная зависимость напряженности Е ЭМП от параметров R, 0 и X.
В соответствии с принятым подходом к анализу ЭМП [7, 8], а также в целях упрощения анализа рассмотрим зависимость напряженности ЭМП, возбуждаемого диполем, в его экваториальной плоскости (т. е. 0 = 90°).
В этом случае выражение (2) может быть представлено в следующем виде:
(3)
Из анализа выражения (3) следует:
— величина Е в экваториальной плоскости содержит одну тангенциальную составляющую — Е0, т. к. радиальная составляющая ЕЛ = 0 при 0 = 90°;
— величина Е0 определяется тремя компонентами, пропорциональными коэффициентам 1/(кЛ); 1/(кЛ)2; 1/(кЛ)3, к = 2пА (рис. 2), т. Е. Е® = Е0[1/(кЛ); 1/(кЛ)2; 1/(кЛ)3];
— компоненты 1/(кЛ) и 1/(кЛ)3 противофазны, т. е. вычитаются, а компонента 1/(кЛ)2 сдвинута по отношению к компоненте 1/(кЛ) - 1/(кЛ)3 на 90°;
— аппроксимация точного значения напряженности поля Е0[1/(кЛ); 1/(кЛ)2; 1/(кЛ)3] величиной Е0[1/(кЛ)] на расстоянии Л > X/2п обеспечивает корректное применение формулы Шулейкина — Ван-дер-Поля с погрешностью, не превышающей 15,2 % (для значения рабочей частоты / = 1,5 МГц это расстояние составляет 31,83 м; для более высоких частот это расстояние уменьшается и для частоты / = 30 МГц составляет всего 1,59 м);
— эффективность излучателей, размещенных горизонтально, определяется множителем ослабления У1, а для излучателей, размещенных вертикально, эффективность (а следовательно, и КПД) в значительной степени определяется качеством противовеса и характеристиками грунта ([11], с. 144), оперативное измерение которых обеспечивает повышение точности оценки коэффициента затухания НЭМП для конкретных условий [12].
Таким образом, коэффициент затухания сигнала НЭМП между двумя антеннами в диапазоне рабочих частот /Р = 1,5.30,0 МГц при их разносе на местности на расстояние Л > 30 м и подводимой к передающей антенне мощности сигнала 1 кВт может быть определен выражением
= 135,97 - О'р( + 201д(/) - О„( - Е(Л), (4)
где О' — величина коэффициента направленного
действия передающей антенны в направлении взаимодействия с приемной антенной, [дБ];
G = 10lg п( — величина КПД передающей nA( антенны, [дБ];
E(R) - напряженность поля на расстоянии R разноса на местности приемной и передающей антенн, [дБ].
Выводы
1. В диапазоне рабочих частот 1,5 30 МГц оценка коэффициента затухания НЭМП при расстояниях между передающей и приемной антеннами R = 30 — 250 м использование модели ЕРМ-73 приводит к значительной погрешности.
2. Оценка коэффициента затухания НЭМП с
использованием выражения Шулейкина — Ван-дер-Поля с учетом аппроксимации точного значения напряженности поля НЭМП в точке регистрации величиной E0[1/(AR)] обеспечивает погрешность, не превышающую 15 20%.
Полученные результаты позволяют использовать их в Омском НИИ приборостроения при разработке различных радиосредств.
Библиографический список
1. Будяк В.С., Шадрин Б.Г., Архипова А.В. Принципы построения и алгоритмы функционирования перспективных комбинированных подвижных радиоузлов связи // Материалы III Международного технологического конгресса «Военная техника, вооружение и технологии двойного применения». — Часть 2. — Омск: изд-во ОмГТУ. — 2005. — С. 20-22.
2. ГОСТ В25838-83. Совместимость радиоэлектронных средств электромагнитная.
3. Князев А.Д. Элементы теории и практики обеспечения электромагнитной совместимости радиоэлектронных средств. — М.: Радио и связь, 1984. — 336 с.
4. Lustgarten M.N., Madison J.A. An Empirical Propagation Model (EMP-73) // IEEE Trans. on EMC. - EMC-19. - 1973. - № 3. - P. 301-309.
5. Ballington K. Radio Propagation Above 30 MHz // Proc. IRE. - 1947, Oct.
6. Johnson M.E. et al. Tabulation of VHF Propagation Data Obtained Over Irregular Terrain at 20, 50 and 100 MHz. Part III // ESSA Tech. Rep. IER 38-ITSA-38-3. - US. - Boulder. - 1967, Dec.
7. Петров Б.М. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Горячая линия - Телеком, 2003. - 558 с.
8. Никольский В. В. Электродинамика и распространение радиоволн. - М.: Наука. - 1978. - 544 с.
9. Отчет 112. МККР. Документы Х Пленарной ассамблеи. Женева, 1963.- Том III. - М.: Связь, 1965. - 280 с.
10. Рекомендация 368. МККР. Документы Х Пленарной ассамблеи. Женева, 1963. Том II. - М.: Связь, 1964. - 368 с.
11. Надененко С.И. Антенны. - М.: Связьиздат, 1963. -552 с.
12. Дмитриев В.В., Кисмерешкин В.П., Лобова Г.Н. и др. Оперативное определение электрофизических характеристик грунта на антенных площадках // Техника радиосвязи / Омский НИИ приборостроения. - 1994. - Вып. 1. -С. 35-39.
БУДЯК Владимир Серафимович, кандидат технических наук, старший научный сотрудник, ФГУП «Омский НИИ приборостроения».
КИСМЕРЕШКИН Владимир Павлович, доктор технических наук, профессор, заведующий кафедрой.
Дата поступления статьи в редакцию: 30.04.2008 г.
© Будяк В.С., Кисмерешкин В.П.
