CC BY
131
ИССЛЕДОВАНИЕ ОСНОВНЫХ ХАРАКТЕРИСТИК РАСПРОСТРАНЕНИЯ ВОЛН В ВЕРХНЕЙ ЧАСТИ МИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН
Кучумов Андрей Александрович,
к.т.н, Заместитель начальника отдела, МТУСИ, Москва, Россия, kuchumov@gmail.com
Смирнов Святослав Олегович,
Ведущий инженер АО "РТКомм.РУ", Москва, Россия,
svytoslav.smirnov@gmail.com Ключевые слова: затухаше, оы^еше,
суммарные потери, атмосфера.
Современные системы спутниковой связи (ССС) играют все большую роль при организации широкополосных каналов передачи данных. Привлекательность использование ССС обусловлена использованием новых конструкций космических аппаратов, обеспечивающих высокую пропускную способность абонентских каналов связи. При этом переход в более высокие диапазоны частот (50-100 ГГц), позволит дополнительно изыскать возможность повышения пропускной способности каналов связи, за счет увеличения использования частотного ресурса.
При создании систем спутниковой связи в миллиметровом диапазоне (ММВ) очень важным наряду с радиотехническими параметрами системы является учет атмосферных факторов, которые могут сильно изменить параметры линии при работе в реальной атмосфере. Наличие осадков (дождь, град, мокрый снег) на трассе распространения радиоволн с частотами более 10 ГГц вызывает значительное уменьшение амплитуды передаваемого сигнала (затухание), снижающих надежность и другие показатели работы линии. Осадки на трассе Земля - космос также могут привести к эффектам второго порядка: деполяризация, быстрые флуктуации амплитуды и фазы радиоволн, уменьшение полосы когерентности канала связи. Даже в условиях "ясного неба" возникают эффекты, ухудшающие или изменяющие параметры передаваемых радиоволн. Так кислород и водяные пары в атмосфере сильно поглощают радиоволны на определенных частотах. Наличие в атмосфере облаков, сильных туманов и пыли с песком могут также внести существенное затухание радиоволн на трассе в зависимости от их частоты.
Наиболее сильно метеорологические явления влияют на условия распространения радиоволн в верхней части миллиметрового диапазона длин волн, в области высот тропосферы Земли (на высотах менее 1 0 км). Из-за случайного характера и общей непредсказуемости появления в данной местности метеорологических явлений различной интенсивности возникают методические проблемы при оценке этого влияния (средней величины, погрешности расчета и возможных вариациях оценки при естественных колебаниях метеорологических параметров). В связи с этим используются статистические методы расчета искомых параметров, т.е. нахождение средних значений и их доверительных интервалов. В статье выполнен анализ основных параметров оказывающих существенное влияние на распространение сигнала в атмосфере Земли.
Для цитирования:
Кучумов А.А., Смирнов С.О. Исследование основных характеристик распространения волн в верхней части миллиметрового диапазона длин волн // T-Comm: Телекоммуникации и транспорт. 2017. Том 11. №3. С. 12-16.
For citation:
Kuchumov A.A., Smirnov S.O. (2017). Investigation of the basic characteristics of wave propagation in the upper part of the millimeter waveband. T-Comm, vol. 11, no.3, pр. 12-16. (in Russian)
T-Comm Том 1 1. #3-20 1 7
У
4=
& -к
d2 =
А, Х-
И)
sin fí " sin Р где h'0 - эквивалентная толщина атмосферы для кислорода;
h'0 -5,3 км; hu 0 ~ эквивалентная толщина атмосферы для
водяных паров; h'H Q =2,1 км.
Рис. 2. Спектральный ход коэффициента поглощения водяного пара и кислорода в земной атмосфере н диапазоне частот 0-1000 ГГц
На рисунке 2 [3,4J показана общая картина изменения у на уровне моря для широкой спектральной области. Метеорологические условия атмосферы (давление Р, температура Т, абсолютная влажность воздуха w) соответствуют летним условиям средних широт. Видно, что в районе 100 мкм существует обширная область полос поглощения, где даже в минимумах (окнах прозрачности) величины у составляют сотни дБ/км. Такое большое поглощение вызвано парами воды.
На рисунке 2 показано расчетное затухание А в дБ при однократном вертикальном прохождении радиоволн через сферически слоистую атмосферу на исследуемых частотах. Параметром расчета является значение приземной абсолютной влажности воздуха р, соответствующее зиме и лету на двух широтах: 45" и 60" с. ш.
В диапазоне выше 60 ГГц и до 150 ГГц обнаруживаются окна прозрачности. Конкретные частотные полосы окон прозрачности могут быть определены из рисунка 3,
Па рисунке 3 представлены суммарные потери сигнала в атмосфере для различных времен года, для различных широт размещения станций, а именно 45" с.ш. и 60" с.ш.
Из анализа графиков рис. 3 следует, что в диапазоне 70-110 ГТц наблюдаются наименьшие затухания сигнала. В этой области величина А составляет порядка 0,5-1,2 дБ при распространении сигнала в зенит.
Воспользовавшись выражениями 3, 4 определим значение Z,a при угле видимости КА [} = 20". Эквивалентная длина пути сигнала в слоях кислорода и водяного пара равняется:
При р = 20":
4 =
h°> 5'3- = 15,бкм' 6.2км
- 0,34
sin/? sin 20 При ß - 70":
d, = 5,3/sin 700 - 44 км; á2 =2,1/0,12 = 17,5 км.
■---bifida 45* с ли. р= 3,5 Tf'id
■ - ------r»ro 45* с ли . р = 14р r/W
тныэ 6СГ с ли , р = 1,2 rfié'
-------ne^t- 6íf с JU р =
se? s 9 р. ГГц.
ib
{
Рис. З.Суммарные потери сигнала в атмосфере для различных времен года при различной широте размещения станций при излучении сигнала в зенит
Суммарное значение потерь сигнала в атмосфере определяется формулой 6, Из рисунка 3 определяем значения и
~СЯ 0 для различных частот в полосе 50-100 ГТц. Рассчитанные значения представлены в табл. 2.
Таблица 2
Частотная зависимость суммарных потерь в атмосфере
Г, ГТц 50 60 70 80 90 100
Lo, 0,2 Максимальное затухание сигнала 0,2 0,08 0,05 0,035
Lн,о 0,12 0.3 0,4 0,35 0,55
и 3,864 5 3,42 3,26 4
Анализ данных табл. 2 показывает, что минимальные потери сигнала в атмосфере имеют место в диапазонах частот 75-100 ГТц. На частотах 80-90 ГГц суммарные потери сигнала в атмосфере составляют порядка 3,4 дБ.
Основную роль в поглощении радиоволн в диапазоне частот 10-900 ГГц при "ясной" атмосфере (в отсутствие облаков, осадков, аэрозолей и т.д.) играют водяной пар и кислород. Это поглощение является минимально возможной величиной па трассе связи при распространении радиоволн в атмосфере.
Как известно, воздух является смесью различных газов, хорошо перемешанных вплоть до высоты 100 км и более, и характеризуется до высоты 20-30 км постоянством своего состава. В сухом воздухе содержится 78,09% азота, 20,95% кислорода, 0,93% аргона, 0,03% углекислого газа. На долю других газов (водород, озон, окись, и двуокись азота, окись углерода, инертные газы) приходится менее 0,001%. В воздухе содержится около 4% паров воды (по объему), в том числе 0,03% приходится на изотопы молекул водяного пара. Основная масса паров воды содержится в слое до высот 2-3 км, однако, их влияние прослеживается до высот около 20 км.
Коэффициенты поглощения стандартизированной атмосферы имеют ярко выраженный частотно-зависимый характер. В диапазоне миллиметровых волн необходимо выделять
У
так называемые "полосы прозрачности". Частотная зависимость суммарных потерь в атмосфере при различных углах места представлена в табл. 5.
Таблица 3
Частотная зависимость суммарных потерь в атмосфере при различных углах места
ГГц Л, дБ
[3 = 90° Р = 20° [3 = 7° р = о"
50 1,8 4,7 14,1 24
60 Частота максимальных потерь сигнала
70 2 5 14,05 25
80 1,2 3,42 10,52 24
90 1,2 3,26 6,125 20
100 1,5 4 11,2 29,25
Таким образом, для выбора частотного диапазона при организации спутниковой связи в субмиллиметровом диапазоне волн целесообразно выбирать полосу частот с центральной частотой 90 ГГц, где дополнительное затухание в спокойной атмосфере составляет величину не более 1,2 дВ при Р - 90°; 3,3 дБ при [3 = 20°; 6 дБ при р = Т и 20 дБ при |3 = 0°.
Очевидно, в связи с существенными потерями сигнала при малых углах места, целесообразно строить систему спутниковой связи в миллиметровом диапазоне волн с высокими углами места, т.е с углами не менее 20°.
При углах места 20", а именно такой минимальный угол рекомендован для систем спутниковой связи ММВ диапазона и выше, потери в атмосфере составят 3,2-4 дБ,
Затухание сигналов в гидрометеорах
На рис. 4 показано удельное затухание в дожде для ММДВ диапазона при температуре капель дожал 0 °С и для нескольких интенсивностей дождя [2]. Интенсивность 1 мм/час характерна для осеннего моросящего обложного дождя, 5 мм/час характерна для среднего летнего дождя, а 20 мм/час - для июньских гроз (все для Москвы). Иногда в [ розах средней полосы бывает и интенсивность 70 мм/час, но длится она, как правило, всего несколько минут. Для оценки потерь в осадках примем интенсивность дождя 5 мм/час, что характерно для европейской части России с умеренным климатом при вероятности 1%.
Для оценки потерь в осадках примем интенсивность дождя не более 20 мм/час, что характерно для европейской части России с умеренным климатом. Примем высоту дождевого слоя И , = 4,6 км.
Проведем расчет затухания энергии в дожде для частот от 50 до 100 ГГц при интенсивности дождя 5 мм/час с вероятностью 1%, при наклонной дальности в ,дожде с1м = 4,6 км для р = 90°; ¿к = 13,5 км для р = 20"; = 38 км для р = 7° [5], Результаты расчета представлены табл. 4.
Анализ данных таблицы 4 показывает, что при условии обслуживания абонентов спутниковой связи в зонах, ограниченных углами видимости КА ¡3 = 20" в диапазоне частот 50-100 ГГц при интенсивности дождя 5 мм/час с вероятностью 1% необходимо иметь запас по энергетике за счет затухания в дожде 34-49 дБ.
Очевидно, что целесообразно организовывать системы спутниковой связи в диапазоне 50-100 Г Гц при работе земных станций спутниковой связи с большими углами места
антенных систем, где дополнительное затухание составляет величину 34-49 дБ.
Суммарные потери за счет затуханий сигнала в атмосфере и в дожде составят Ье= Ц, 4- Г, и представлены в табл. 5.
я*.
—______, _ _
/ __,_ У ' г * / / -------------------------
/ * / У / /
» г у * г в г г - = 1 ------ 13= 5 11 МЧ 1С р =25 им/час " ® мм/час
ш
п*
г г г..
Рис, 4. Спектральный ход для радиоволн с круговой поляризацией при температуре капель дождя 0 С для интенсивностей дождя 1; 5; 25; 70 мм/час
Таблица 4
Величина потерь за счет затухания » дожде
П ГГц 50 60 70 80 90 100
К
У. дБ/км 2,5 2,8 3.0 3,5 3,6 3,6
с1| | = 4,6 км 11.5 13 13,8 16,1 16.6 16,6
(112= 13,5 км 33,8 37,8 40,5 47,3 48,6 48,6
(113= 37,7 км 94 106 113 132 136 136
Таблица 5
Суммарные потери за счет затуханий сигнала в атмосфере и в дожде
П ГГц 50 60 70 80 90 100
Ц, дБ 3,864 более 100 5 3,42 3,26 4
дБ 33,8 37,8 40,5 47,3 48,6 48,6
Ф=20")
и, дБ 37,7 138 45,5 50,72 51,86 52,6
Роль снегопадов в ослаблении радиоволн по сравнению с другими метеорологическими явлениями, в общем, невелика. Заметное ослабление на трассе распространения вносит только тающий снег или снег с дождем, а "сухой" снегопад при отрицательных температурах воздуха влияния на ослабление практически не оказывает. И хотя вероятность всех снегопадов для средней полосы России составляет около 10%, но доля влажных - всего 2-3%. Высоты, с которых выпадает снегопад, могут быть 6 км и менее. Исследования показывают, что ослабление вносимое снегопадом в среднем за год для России, составляет всего 0,2 дВ для частоты 30 ГГц. Почтому методы прогноза статистики ослабления радиоволн в снегопадах не были так важны, как для дождей, и исследованы слабо.
Т-Сотт Уо!. 1 1. #3-201 7
7Т>
Литература
COMMUNICATIONS
Заключение
Таким образом, в рассматриваемом диапазоне частот наблюдаются значительные ослабления радиоволн на трассе распространения. Однако в данном диапазоне частот также присутствует «окно прозрачности», расположенное на частотах от 70 до 80 ГГц. В данном «окне прозрачности» ослабление сигнала составляет наименьшее значение по сравнению с другими частотами.
Также следует отметить, что для данного частотного диапазона отсутствуют рекомендации МСЭ, а также Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации по организации каналов связи, однако, закреплен за будущими фиксированными спутниковыми службами связи [6J.
Полученные оценки основных факторов негативно воздействующих на спутниковые линии связи, могут быть использованы в комплексах моделирования для долгосрочного предсказания бюджета радиолиний [7].
1. G. Мага!. M. Bousquet. SalelIile Communication Systems, Five Edilion - A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2009. C. 243.
2. Рекомендации МСЭ-R P.676-6.-Затухание в атмосферных газах, 2005. С. 16,8-12.
3. Евгений Серов, Максим Кошелев, Илья Вилков, Татьяна Одинцова. Владимир Паршин. Михаил Третьяков. Исследование спектра поглощения микроволн атмосферным водяным паром для задач дистанционного зондирования окружающей среды. VI международная Школа-семинар: «Спутниковые методы и системы исследования Земли». 2015, ст.5.
4. Соколов А.В.. Сухоиин Е В Ослабление миллиметровых воли в толще атмосферы II Итоги науки и техники. Сер. Радиотехника. М.: ВИНИТИ, 1980.T.20.C. 107-205.
5. Louis J. Ippolito. Satellite Communications Systems Engineering: Atmosphcrie Effccts, Satellite Link Design and System Performance. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008. C. 163-189.
6. Собрание законодательства РФ. - Председатель Правительства РФ В. Путин. №7. М.: Юридическая литература, 2012, ст,848.
7. Аджемое С.С.. Кучумов А.А. Универсальный комплекс имитационного моделирования спутниковых систем "СатСтат" // T-Comm. Телекоммуникации и транспорт, 2008. №2. С. 25-28.
INVESTIGATION OF THE BASIC CHARACTERISTICS OF WAVE PROPAGATION IN THE UPPER PART OF THE MILLIMETER WAVEBAND
Andrei A. Kuchumov, MTUCI, Moscow, Russia, kuchumov@gmail.com Svytoslav O. Smirnov, JSC "RTComm.RU", Moscow, Russia, svytoslav.smirnov@gmail.com
Abstract
Modern satellite communications systems (SCS) are playing an increasingly important role in the organization of broadband data transmission channels. The attraction is due to the use of SCS using the new design of spacecraft, providing high-bandwidth subscriber channels. The transition into higher frequency ranges (50-100 GHz), will further explore the possibility of increasing the capacity of communication channels, by increasing the use of frequency resources. When you create a satellite communications system in the millimeter range is very important, along with radio parameters of the system is the account of weather conditions, which can greatly change the line when working in the real atmosphere. The presence of precipitation (rain, hail, sleet) on the route propagation with frequencies greater than 10 GHz causes a significant reduction in the amplitude of the transmitted signal (attenuation), reduce the reliability and performance of the other line. Precipitation on the route Earth - space can also lead to second-order effects: depolarization, rapid fluctuations in the amplitude and phase of the radio waves, reducing the channel coherence bandwidth connection. Even with "blue" there are effects which adversely affect or alter the parameters of the transmitted radio wave. Since oxygen and water vapor in the atmosphere strongly absorb radio waves at certain frequencies. The presence of clouds in the atmosphere, heavy mist and dust and sand can also make a significant attenuation of radio waves on the highway, depending on their frequency. The strongest meteorological phenomena affect the conditions of propagation of radio waves in the upper part of the millimeter wavelength range, in the altitude of the troposphere of the Earth (at altitudes of less than 10 km). Because of the random nature and the general unpredictability of occurrence in the area of meteorological phenomena of varying intensity occur methodological problems in assessing the impact of this (the average value, the error calculation and assessment of possible variations with the natural fluctuations of meteorological parameters). Therefore, statistical methods are used for calculating the unknown parameters, ie finding the average values and their confidence intervals. This article gives an analysis of the main parameters have a significant effect on signal propagation in the Earth's atmosphere.
Keywords: attenuation, attenuation, total loss, the atmosphere.
References
1. Maral G., Bousquet M. (2009). Satellite Communication Systems, Five Edition. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, p. 243.
2. ITU-R P.676-6. Attenuation by atmospheric gases. 2005, pp. 16,18-12.
3. Evgeny Serov, Maxim Koshelev, Ilya Vilkov, Tatyana Odintsova, Vladimir Parshin, Michael Tretyakov (2015). The Study of the spectrum of absorption of microwaves by atmospheric water vapor for problems of remote sensing of the environment. VI international School-seminar "Satellite methods and systems of the Earth exploration", p. 5. (in Russian)
4. Sokolov A.V., Suhonen E.V. (1980). Attenuation of millimeter waves in the thickness of the atmosphere // The results of science and technology. Ser.Radio. Moscow: VINITI. Vol. 20, pp. 107-205. (in Russian)
5. Louis J. Ippolito (2008). Satellite Communications Systems Engineering: Atmospheric Effects, Satellite Link Design and System Performance. A John Wiley and Sons, Ltd, Publication, 2008, pp. 163-189.
6. Meeting of the legislation of the Russian Federation. (2012). Chairman of RF Government Vladimir Putin. No. 7. Moscow: Legal literature. Vol. 848.
7. Adzhemov S.S., Kuchumov A.A. (2008). The universal complex of imitative simulations of satellite systems "SatStat". T-Comm, no. 2, pp. 25-28. (in Russian)
Information about authors
Andrei A. Kuchumov, Deputy chief of department, c.t.s., MTUCI, Moscow, Russia Svytoslav O. Smirnov, Leading Engineer JSC "RTComm.RU", Moscow, Russia
T-Comm Том 1 1. #3-20 1 7
