Методика расчета максимальной дальности связи, обеспечиваемой системой радиосвязи по земной волне Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

близко к реальной земле, более помехоустойчива по сравнению с электрическими антеннами.

Таким образом, в работе проведено исследование по определению наилучших показателей по совокупности параметров рамочных антенн. При практическом применении магнитной антенны в реальных условиях и расположении рамки в горизонтальной позиции имеет место оптимальная работа на дальних трассах с отражением от ионосферы при условии размещения на высоте 0,16А, от земли.

Библиографический список

1. Григоров, И. Н. Антенны. Настройка и согласование / И. Н. Григоров. - М. : ИП РадиоСофт, 2003 . - 97 с.

2. Дробкин, А. П. Антенны. Радиосвязь / А. П. Дробкин, Е. Б. Хоренберг, С. Е. Меркулов ; подред С. Е. Степанов. — М.( 2000. - 57 с.

3. Айзенберг, Г. 3. Коротковолновые антенны / Г. 3. Айзенберг. — М.: Радио и связь, 1985 . — 123 с.

4. Сапожников, М. Антенна КВ-диапазона / М. Сапожников // Радиомир KB и УКВ . - 2008 . - № 7 . - С. 22.

5. Wheeler, Н. A. IEEE Trans / Н. A. Wheeler. - Antennas Pro-pag. - 1985 . - № 2 . - С. 78.

6.Григоров, И. Н. Антенны. Городские конструкции / И. Н. Григоров . - М. : РадиоСофт, 2003 . - 135 с.

7. Kazakevich, Yuri Hula — Hoop Magnetic Loop / Yuri Kaza-kevich. - Antentop. - 2003 . -№ 1 . - C. 69.

8. Лаповок, Я. С. Я строю KB радиостанцию / Я. С. Лаповок — М.: Патриот, 2004 .- 61 с.

БАШКАТОВ Юрий Васильевич, аспирант кафедры средств связи и информационной безопасности. ХОРВАТ Владислав Николаевич, инженер кафедры средств связи и информационной безопасности. Адрес для переписки: 644050, г. Омск, пр. Мира, 11.

Статья поступила в редакцию 09.11.2010 г. © Ю. В. Башкатов, В. Н. Хорват

УДК 621.396.93 д. н. ЮРЬЕВ

Омский НИИ приборостроения

МЕТОДИКА РАСЧЕТА МАКСИМАЛЬНОЙ ДАЛЬНОСТИ СВЯЗИ, ОБЕСПЕЧИВАЕМОЙ СИСТЕМОЙ РАДИОСВЯЗИ ПО ЗЕМНОЙ ВОЛНЕ

В статье рассматривается методика расчета дальности радиосвязи, обеспечиваемой системой радиосвязи по земной волне, с учетом мощности передатчика, характеристик приемной и передающей антенн, вида используемого для связи сигнала, рабочей частоты, характеристик подстилающей поверхности.

Ключевые слова: система радиосвязи, земная волна, подстилающая поверхность, напряженность поля, коэффициент шума.

Для территорий с низкой плотностью населения и слабо развитой инфраструктурой по-прежнему актуальна задача увеличения дальности связи радиолиний, работающих по земной волне, и увеличения площади зон обслуживания зоновых систем связи.

В системах радиосвязи, использующих рабочие частоты диапазонов УВЧ/ОВЧ, максимальная дальность радиосвязи ограничивается расстоянием прямой видимости. Одним из вариантов увеличения зоны обслуживания является снижение несущих частот в область промежуточных и средних волн, что обеспечивает загоризонтное распространение земных волн за счет процессов дифракции и рефракции. В работах [ 1 ] и [2] показано, что сигнал по земной волне может распространяться на сотни километров, при этом ослабление сигнала зависит от вида подстилающей поверхности и рабочей частоты.

В статье рассматривается методика расчета дальности связи, которая обеспечивается системой радиосвязи диапазона частот 10 МГц и ниже, работающей по земной волне.

Величина напряженности поля в точке приема Ес при распространении радиоволн поверхностными волнами может быть определена по формуле идеальной передачи, дополненной множителем ослабления:

где Р — излучаемая мощность, кВт;

Рп — мощность передатчика, кВт;

Са1 — коэффициент усиления передающей антенны;

— коэффициент направленного действия передающей антенны;

г|ф1 —к.п.д. фидера передающей антенны; г — расстояние между передающей и приемной антеннами, км;

Р—множитель ослабления, учитывающий поглощение почвы.

В соответствии с методикой Шулейкина —Ван-дер-Поля [1] множитель ослабления Р выражается

в виде функции безразмерного параметрах — «численного расстояния», которое определяется по формуле:

пг У(Е-1)2+(60Х.ст)2 X (е)2 + (6Саа)2

(2)

где X — длина волны; 8 — относительная диэлектрическая проницаемость почвы; а — удельная электрическая проводимость почвы, выражаемая в См/м.

С достаточной для практики точностью расчет множителя ослабления Р в формуле для расстояний прямой видимости и расстояний, соответствующих зоне полутени, проводят в соответствии с приближенной формулой

2 + 0,Зх)/(2 + х + 0,6х2;

(3)

(4)

М1 — (Ха2/п)1 где а = 6,370-106м

и Ми = 0,5-{аХ2/к2)1/: - радиус земного шара.

Длина трассы г и высоты антенн Л, и получившие наименования относительного расстояния и относительных высот антенн, определяются из формул:

х=г/Ми у, = Л /Мн; у2 = Л2/Мн.

(6)

Множитель ослабления в теории Фока представлен выражением

(7)

Анализ выражений (2) и (3) показывает, что величина множителя ослабления Р для хорошо проводящих подстилающих поверхностей, например, морская вода, приближается к 1, а для плохо проводящих подстилающих поверхностей значение Рприближается к 0.

Описанная выше методика расчета является приближением «плоской земли» и справедлива для зоны прямой видимости. При расчете для зон полутени и тени методика дает ошибку, увеличивающуюся с увеличением расстояния до передатчика. В [2] дана формула, определяющая расстояние до передатчика, при котором ошибка расчета напряженности поля в приближении плоской земли не превысит 10 %.

(5)

где — обозначение функции Эйри. Имеются таблицы функций Эйри и ее первой производной

q — параметр, учитывающий полупроводящие свойства поверхности Земли, определяется выражением

д = (- з-

1

X л/в-¿60Х<5 '

(8)

— корни уравнения h'2(t)—q■h2(t) = 0.

Значения первых пяти корней ¿ч для предельных значений д = 0 и д = определяющих соответственно идеально проводящую и идеально непроводящую подстилающие поверхности, приведены в табл. 1.

Значения ^ для реальных подстилающих поверхностей и, соответственно, конечных значений д можно вычислить по одной из следующих формул [ 1 ]:

л/*5

1

^',<7=0

Для диапазона частот (1*8) МГц указанные расстояния составят г = 23-^47 км.

Расчет напряженности поля на большие дальности может проводиться по методике предложенной Фоком [3], учитывающей сферичность Земли. При расчете множителя ослабления для сферической земли вводятся понятия «масштаб расстояний» Мь и «масштаб высот» Мн следующим образом:

если

а

7Г

>1, ТО

(9)

(Ю)

В табл. 2 представлены значения первых пяти корней ^ в случае реальных подстилающих поверхностей для частоты 1 МГц, рассчитанные в соответствии с формулами (9) и (10). Расчеты по дифракционной формуле (7) для большей части КВ диапазона частот и более низких частот упрощаются, т.к. антенны передатчика и приемника можно считать расположенными непосредственно у поверхности Земли.

Значения первых пяти корней ^ для предельных значений q

Таблица 1

5 1 2 3 4 5

д = 0 0.509 + г0.882 1.624 + г2.813 2.41 + г4.174 3.082 + 1-5.337 3.686 + 1-6.384

д — со 1.169 + 1-2.025 2.044 + 1-3.540 2.76 + г4.781 3.393 + Г5.878 3.972 + гб.923

Значения первых пяти корней для реальных почв

Таблица 2

Типы почв Влажная почва е=15, ст= Ю-2 Мерзлая почва е = 5, ст=5,10~3 Суглинок 8=13, ст = 4-10_3 Город, асфальт 8=15, ст= Ю-4

Б 1= 1 МГц

1 0,944 + Н,781 1,008 + 11,855 1,033 + 1-1,863 1,163 + М,929

2 1,819 + 1-3,296 1,883 + 1-3,370 1,908 + 1-3,378 2,038 + 1-3,444

3 2,535 + 1-4,537 2,599 + 1-4,611 2,624 + 1-4,619 2,754 + 1-4,685

4 3,168 + 1-5,633 3,232 + 1-5,707 3,257 + 1-5,715 3,387 + 1-5,781

5 3,747 + 1-6,636 3,811 + 1-6,710 3,836 + 1-6,718 3,966 + 1-6,784

Рис. 1. Зависимости напряженности поля от расстояния, рассчитанные по Шулейкину-Ван-дер-Полю и по Фоку

(для числа членов ряда N=1, 3 и 5)

При этом, за счет малости приведенных высот у1 и у2 члены —^—— и —^—¿-И стремятся к 1.

¿2 (и л2(у

На рис. 1 представлены расчеты напряженности поля, проведенные на примере подстилающей поверхности с параметрами 8 = 80, ст = 4 (море) по формуле Шулейкина — Ван-дер-Поля и по формулам Фока с числом членов в сумме ряда для множителя ослабления N=1, 3 и 5 соответственно. Из рисунка видно, что результаты расчетов по Шулейкину-Ван-дер-Полю приближаются результатам расчетов по Фоку для N = 5 на границе зон прямой видимости и полутени и расходятся как с удалением от передатчика, так и с приближением к передатчику. Результаты, расчетов по Фоку для разного числа членов ряда N сходятся при удалении в зону тени. Таким образом, расчет напряженности поля в области прямой видимости должен проводиться в соответствии с приближением Шулейкина — Ван-дер-Поля, в области полутени и тени — в соответствии с приближением Фока, при этом в зоне полутени для уменьшения ошибки расчет должен вестись с большим количеством членов ряда.

Для использования в инженерной практике в рекомендации МККР № 368 [4] представлены кривые распространения земной волны для частот ниже 10 МГц, представляющие собой зависимости напряженности поля в точке приема от расстояния до передатчика для ряда частот и пяти видов подстилающей поверхности. Значения напряженности поля, приведенные на графиках соответствуют излученной мощности, равной 1 кВт, и короткой вертикальной передающей антенне, стоящей на поверхности идеальной Земли. Для излучаемой мощности, отличной от 1 кВт, и произвольной передающей антенны напряженность поля в точке приема определяется из формулы

1 ■ = = (11)

По найденной с помощью формул (1) или (11) величине напряженности поля Ес может быть определено значение э.д.с. сигнала ес, наводимого на приемную антенну

8 —Е -1 ,

с с д'

(12)

где 1

действующая высота приемной антенны. Величина 1 для любой вибраторной антенны может быть определена согласно [5] из формулы

/ Ртах*!

* 71 1 120

(13)

гАе А»

- максимальное значение к.н.д. антенны;

— сопротивление излучения антенны. Мощность сигнала на входе приемника Рспр, при согласовании антенны и приемника и с учетом потерь в фидере, может быть определена из формулы

= 1 (£с/2)

с-пр -

X ЕсСа2цф2

2 Д„.

960

(14)

где — входное сопротивление приемника;

Л

ф2

- к.п.д. фидера приемной антенны;

- коэффициент усиления приемной антенны.

Подставляя в формулу (14) значение из формулы (1), получаем выражение для мощности сигнала на входе приемника

Р ~ 6 34 ^ р

С Щ Г2¡ШI

(15)

Если значение Ес определяется с помощью кривых МККР (в соответствии с формулой (11)), то выражение для мощности на входе приемника имеет вид

_ ^ ^>П-\кВт\^'а\^'а2Г\ф-перГ\ф-п

960

-(К)

(16)

На приемную антенную систему помимо сигнала от передающей радиостанции воздействуют помехи и шумы искусственного и естественного происхождения (индустриальные помехи, атмосферные и галактические шумы). При расчете необходимо также учитывать собственные шумы антенно-фидерного и приемного устройств.

Дисперсия э.д.с. шума, порождаемого сопротивлением потерь антенны в эквивалентной полосе Л/кв, равна [6]

Учитывая, что Твни = Т0-Рвнш и 7>Т0, получаем

а,/ = АкТЯМ,

(17)

где к = 1,38-10 ~23 Дж/град — постоянная Больцмана; Т— абсолютная температура антенны, К.

Поскольку сопротивление потерь антенны Я.п можно представить в виде

(18)

где Яа — полное сопротивление антенны; г\а — к.п.д. антенны;

то, следовательно, из выражения (17) получаем:

(19)

Ра = кЫЗКЛТо-(1-\) + Т0Рв11шг1а,

(23)

Мощность собственного шума приемника, приведённая к его входу, равна

(24)

О жв'

где Рпр — коэффициент шумов приемника.

Мощность всех шумов на входе приемника

Рпр = Ра + Р,и „р = кТоКке- „,1а + ^р-П.) • (25)

Коэффициенты шума атмосферных помех зависят от географической точки расположения приемника, сезона, времени суток и могут быть определены из соответствующих графиков отчета [7]. Коэффициенты шума индустриальных помех могут быть рассчитаны в соответствии с графиками и таблицами рекомендации [8]. Коэффициент шума приемника может быть взят из ТУ на конкретный приемник.

Зависимость уровня индустриальных помех от частоты имеет вид:

Дисперсия э.д.с. антенны от внешних источников шума, равна

<„ ,„ = 4*Тв„ „ЛЛ/,„, = 4кТвн (20)

где Твн ш — температура, характеризующая уровень внешних шумов;

— сопротивление излучения,

Таким образом, дисперсия шумов, создаваемых антенной, равна

<=<+<ш = 4МаД/,и[Гп(1-Ла) + Твн,Л). (21)

Мощность, выделяемая на согласованной нагрузке (на входе приемника), определяется из формулы

ра = ^2аП^К)=кМэкв\Тп{\-ца) + Твншча]. (22)

Р^с-сМд/,

(26)

где параметры с и с? — константы, определяемые экспериментально.

Значения констант для разных типов местности приведены в табл. 3.

Коэффициенты шума индустриальных помех легко рассчитываются и однозначно определяются значением частоты и заданным типом местности.

По описанным выше методикам определяется отношение сигнал/помеха и сравнивается с минимально допустимым для обеспечения связи. В табл. 4 представлены коэффициенты защиты неизменного по уровню сигнала, соответствующие различным уровням достоверности приема.

Пример оценки дальности связи. Мощность передатчика 200 Вт. Диапазон рабочих частот 1-^7,5 МГц. Полоса сигнала — 3,1 кГц. Передающая и приемная

Таблица 3

Значения констант с и с? для уровня индустриальных помех

Тип местности с с?

Город, промышленные районы 76,8 27,7

Город, жилые районы 72,5 27,7

Сельская местность 67,2 27,7

Сельская местность (удаленная) 53,6 28,6

Таблица 4

Коэффициенты защиты неизменного по уровню телефонного сигнала

Качественная оценка приема и разборчивость несвязанных слов К,, дБ

АМ ОМ дм ЧМ

ш, = 1 ш, = 3 11^ = 5

Минимально удовлетворительно, 80 % слов 10 0 6 6 9

Удовлетворительно, 90 % слов 15 6 11 8 11

Хорошо, 95 % слов 25 15 20 11 13

Отлично, 98 % слов 40 30 35 23 18

Таблица 5

Коэффициенты усиления антенны

Частота, МГц 1.0 1.5 2.0 3.0 5,0 7,5

Штырь 10 м 0,02 0,04 0,08 0,18 0,4 0,56

Таблица 6

Напряженности поля земной волны в дБ относительно 1 мкВ/м

г 1 МГц 1,5 МГц 2 МГц 3 МГц 5 МГц 7,5 МГц

20 82,5 дБ 79,5 77 71 61 дб 53 дБ

40 75 71 67 58 47 39,5

60 69,5 64,5 60 50 39 31

80 65 59,5 54 44 32,5 24

100 62 55 49,5 38,5 27,5 18

120 49 39 30 18 4,5 -7,5

140 30 13 0 -13 — —

160 12 -10 -25 — -

Таблица 7

Максимальные дальности радиосвязи для разных коэффициентов защиты

Коэффициенты защиты 1 МГц 1,5 МГц 2 МГц 3 МГц 5 МГц 7,5 МГц

А, =6 дБ, 126 107 98 85 67 53

Д2= 15 дБ, 102 79 63 50 42 37

антенны — десятиметровый полутелескопический штырь на автомашине [9]. Параметры подстилающей поверхности е = 4, а = 3-10~2. Передаваемый сигнал— однополосная модуляция (ОМ). Расчет проводится для двух уровней разборчивости: 90 % слов и 95 % слов.

В соответствии с табл. 4 требуемые минимальные превышения сигнала над шумом составляют Д1 = б дБ и Д2= 15 дБ.

Коэффициенты усиления антенны, относительно изотропного излучателя представлены в табл. 5. В табл. 6 представлены напряженности поля для ряда расстояний от 20 до 160 км. Максимальные дальности (в км) рассматриваемой радиолинии представлены в табл. 7.

Таким образом, представленная методика позволяет рассчитать дальность связи по земной волне, для систем радиосвязи диапазона частот 10 МГц и ниже. Расчет напряженности поля в точке приема обеспечивается с использованием формул Шулейкина — Ван-дер-Поля для расстояний прямой видимости и методики Фока—для зоны полутени и тени, либо с исполь-зованием таблиц рекомендации МККР № 368 [4]. Мощность сигнала на входе приемника рассчитывается с учетом характеристик передающей и приемной антенн. Мощность шума на входе приемника определяется в виде суммы мощностей индустриальных помех, атмосферных, галактических шумов, а также собственных шумов антенно-фидерного и приемного устройств. Коэффициенты атмосферного шума определяют по таблицам и графикам отчета 322 МККР [7] для всех используемых частот, а также с учетом времени суток, времени года и координат точки приема. Коэффициенты индустриальных и галактических шумов определяют в соответствии с рекомендациями ГШ-11Р.372-9 [8]. Коэффициенты собственных шумов антенно-фидерного и приемного устройств определяют либо из ТУ на конкретные устройства, либо

из требований соответствующих стандартов на указанные устройства. Далее определяют отношение мощности сигнала к мощности шума в полосе сигнала на различных дальностях от передатчика и сравнивают с некоторым минимально допустимым отношением сигнал/помеха, обеспечивающим для заданного вида сигнала (сигнально-кодовой конструкции) возможность ведения связи. Указанные пороговые отношения сигнал/помеха для различных видов сигналов могут быть найдены из справочников, либо определены расчетным или экспериментальным путем. Расстояние до передатчика, на котором рассчитанное отношение сигнал/помеха оказывается равным пороговому, является максимальной дальностью связи.

Библиографический список

1. Долуханов, М. П. Распространение радиоволн : учебник для вузов / М. П. Долуханов. — М.: Связь, 1972. — 336 с.

2. Черенкова Е. Л. Распространение радиоволн: учебник для вузов связи / Е. Л. Черенкова, О. В. Чернышов. — М. : Радио и связь, 1984. - 272 с.

3. Фок, В. А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн / А. В. Фок. — М. : Советское радио, 1970. — 520 с.

4. Рекомендация 368. Кривые распространения земной волны для частот ниже 10 МГц // МККР. Документы X пленарной ассамблеи. — Женева, 1963. — М.: Связь, 1964. — 368 с.

5. Фрадин, А. 3. Антенно-фидерные устройства: учеб. пособие для вузов связи / А. 3. Фрадин. — М.: Связь, 1977. — 440 с.

6. Защита от помех / Под ред. М. В. Максимова. — М.: Сов. радио, 1976. — 496 с.

7. Отчет МККР № 322. Распределение по земному шару атмосферных помех и их характеристики / Документы X пленарной ассамблеи. — Женева, 1963. — М.: Связь, 1965. — 103 с.

8. Recommendation ITU-RР.372-9. Radio noise. [Электронный ресурс]. — URL : http://www.google.m/search?hl = m&source =

hp&q = Recommendation + ITU-R + P.3729&btnG = %D0%9 F%D0%BE%D0%B8%D 1 %81 %D0% BA + %D0%B2 + Google&lr = &aq = f&aqi = &aql = &oq = &gs_rfai = (дата обращения 24.09.2010 г.)

9. Характеристики антенн радиосистем связи / И. Н. Гвоздев [и др.]. - Л.: ВАС, 1978. - 231 с.

ЮРЬЕВ Александр Николаевич, старший научный сотрудник.

Адрес для переписки: e-mail: yurevl 19@rambler.ru

Статья поступила в редакцию 24.09.2010 г. © А. Н. Юрьев

УДК 621.396.93 д. н. ЮРЬЕВ

Омский НИИ приборостроения

ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ ОЦЕНКА МАКСИМАЛЬНЫХ РАЗМЕРОВ ЗОНЫ ОБСЛУЖИВАНИЯ ТРАНКИНГОВОЙ СИСТЕМЫ СВЯЗИ СВ-КВ-ДИАПАЗОНОВ ЧАСТОТ

В статье проводится анализ возможности реализации транкинговой системы связи с использованием поверхностных радиоволн в области промежуточных частот, а также максимально достижимых размеров зоны обслуживания с учетом характеристик приемных и передающих антенн. Рассматривается наиболее проблематичная задача — передача от абонентской станции к базовой станции транкинговой системы связи.

Ключевые слова: система радиосвязи, земная волна, подстилающая поверхность, напряженность поля, коэффициент шума.

Современные технологии зоновых систем связи базируются на использовании ОВЧ- и УВЧ-диапазонов частот, что позволяет применить высокие скорости передачи информации, применять высокоэффективные малоразмерные антенны, реализовать миниатюрные абонентские радиостанции.

Наблюдаемая в настоящее время тенденция уменьшения площади зоны обслуживания базовых станций обусловлена необходимостью экономии частотного ресурса, а также обеспечения высокой надежности связи при использовании маломощных передатчиков абонентских радиостанций в условиях многоэтажной застройки современного города. Затраты на большее число базовых станций на территориях с высокой концентрацией населения окупаются за счет большого числа абонентов.

Для территорий с низкой плотностью абонентов (сельской местности, удаленных и труднодоступных районов) по-прежнему актуальна задача увеличения площади зоны обслуживания базовой станции, т.к. содержание базовых станций с малым числом абонентов в зонах обслуживания приводит к неоправданно большим затратам. Для систем связи, использующих рабочие частоты диапазонов УВЧ/ОВЧ, максимальный радиус зоны обслуживания определяется расстоянием прямой видимости и может быть определен из выражения [1]

г0= 3,57(7^ + (1)

где г0 — максимальный радиус зоны обслуживания (км); — высота поднятия антенны базовой станции (м); /?2 — высота поднятия антенны абонентской станции (м).

Анализ выражения (1) показывает, что для обеспечения условий прямой видимости, при которых становится возможной связь с мобильными абонентами на расстоянии 50 км, необходимо поднять антенну базовой станции на высоту 130 — 160 м. Подъём антенн на такую высоту требует возведения специальных дорогостоящих стационарных сооружений (вышек, башен). Для мобильных базовых станций возможности использования высоко поднятых антенн дополнительно ограничены их транспортабельностью, а для мобильных базовых станций, работающих на ходу, — допустимыми габаритами транспортного средства [2].

Альтернативой методу подъёма антенн с использованием антенных мачт может служить подъем антенн базовых станций с использованием летательных аппаратов (вертолетов, беспилотных аппаратов, дирижаблей) . Однако это также дорогостоящий вариант решения задачи, требующий дополнительной техники и специально обученного персонала.

Другим вариантом организации зоновой связи с большим радиусом зоны обслуживания может быть снижение несущих частот в область промежуточных и средних волн, которые способны распространяться за пределы горизонта за счет явлений дифракции и рефракции. На рис. 1 представлены кривые зависимостей удаления от базовой станции, на котором напряженность поля составляет 1 мкВ/м, от частоты для различных значений проводимости почвы а.

Указанные кривые получены на основе кривых распространения земной волны [3] и справедливы для излучаемой мощности 1 кВт и короткой штыревой антенны. Величина напряженности в 1 мкВ/м принята потому, что она близка к критической, определяемой уровнем внешнего шума. Из рис. 1 видно, что удале-