Эквивалентная изотропно-излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции
Е=РперŋперGпер (1)
где Рпер — эффективная мощность сигнала на выходе передатчика;
ŋпер — коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта;
(КПД волноводного тракта) между передатчиком и антенной;
Gпер — коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.
В техническом задании ЭИИМ задана.
Затухание энергии в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя оприделяется по формуле [1]
Lo= 16π²d²/λ², (2)
где λ – длина волны (λ = с/f, с = 3*108 м);
d – наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами)
Найдем значения L0 для обоих участков. Для этого сначала вычислим расстояние d. Так как спутник геостационарный, то величина d, км, называемая часто наклонной дальностью, рассчитывается по формуле (3)
d = 42164 [1-(0,151266 соs Ө)2]1/2-6378 sіn Ө, (3)
где Ө — угол места антенны земной станции, Ө1=38,5, Ө2=8 (находится из графика в приложении Б).
Для участка 1 :
d1=42164 [1-(0,151266 соs 38,5)2] 1/2 -6378 sіn 38,5 = 37897 км,
λ1=с/f=3*108 /6383*106=0,047 м,
Lo = 16π2 (37897*103 ) /(0,047) =1,02*1020 или 200дБ.
Для участка 2:
d2= 42164 [1-(0,151266 соs8)2]1/2-6378 sin 8 = 40800 км,
λ2 = с/f = 3*108 /3794*10б =0,079 м,
L0 = 16 π2 (40800*103)/(0,079) =3,98*1019 или 196дБ.
Здесь и далее величины, относящиеся к участку Земля — спутник, имеют индекс «1», относящиеся к участку спутник — Земля — индекс «2».
Кроме этих основных потерь, на трассе присутствуют и дополнительные потери Lдоп, которые будут вычислены в последующих пунктах; полное значение потерь на трассе L∑=L0 Lдоп.
Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее аппаратуры Sпр, связанной с коэффициентом усиления соотношением [1].
Gпр= 4πS пр / λ 2 ,
Рпер = 4 πd2LдопРпр/GперSпрŋперŋпр (4)
Формула (4) позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника. Отметим, что в нее не входит длина волны. Следовательно, когда передающая антенна имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах, а приемная — эффективную постоянную площадь аппаратуры (может эффективно работать по мере возрастания частоты), мощность сигнала на входе приемника в первом приближении не зависит от частоты (в действительности некоторая зависимость от частоты имеется, так как Lдоп в значительной степени определяется диапазоном частот).
При расчете линии часто оказывается заданной не мощность сигнала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе приемника (Рс/Рш)вх, тогда в формулу (4) следует подставить Рпр = Рш (Рс/Рш)вх,где Рш — полная мощность шума на входе приемника.
Посколъку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность выражается формулой.
Рш = кТΣΔFш (5)
где к = 1,38 * 10 -²³ Вт/Гц*град — постоянная Больцмана;
ТΣ — эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов;
ΔFш — эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника.
Структурная схема и диаграмма уровней линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, приведены на рисунке 3
Рисунок 3- Структурная схема и диаграмма уровней линии связи из двух участков
Воспользовавшись формулами (1), (5), для этих участков можно записать следующие соотношения: для участка Земля — спутник:
Рпер=(16π2d12L1допРш.б/λ12Gпер.з.Gпр.б.ŋпер.з.ŋпр.б.)(Рс/Рш)вх.б,
где Рш.б.=кТ∑бΔfш.б.;
для участка спутник — Земля:
Рпер б=(16π2d22L2допРш.з/λ22Gпер.б.Gпр.з.ŋпер.б.ŋпр.з.)(Рс/Рш)вх.з,
где Рш.з.=кТ∑зΔfш.з.;
Здесь и далее всем показателям, относящимся к земной аппаратуре, присваивается индекс «з», а показателям, относящимся к бортовой аппаратуре — индекс «б».
Чтобы перейти от уравнений для отдельных участков к общему уравнению для всей линии, необходимо установить связь между отношениями сигнал-шум на выходе линии и на каждом из участков.
В отсутствие обработки сигнала на борту происходит сложение шумов каждого из участков, при этом суммарное отношение сигнал-шум на конце линии связи.
(Рш/Рс) ∑ = (Рш/Рс)вх.б + (Рш/Рс)вх.з. (6)
Очевидно, что отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:
(Рс/Рш)вх.б=а(Рс/Рш) ∑, (Рс/Рш)вх.з, = b (Рс / Рш ) ∑ , (7)
где а > 1 , b > 1 .
Из (6) и (7) следует, что
a = b/(b-1), b = а/(а-1). (8)
Выражение (8) позволяют распределить заданное отношение (Рс/Рш)∑; по двум участкам линии связи. Например, задавшись превышением отношения сигнал-шум на участке спутник — Земля, равным 1 дБ (b=1,26), найдем, что необходимое превышение на участке Земля — спутник должно составлять 7 дБ (а≈5). Приведенное распределение коэффициентов запаса а и b предполагает, что полосы шумов бортового ретранслятора и земного приемника равны; если Δfш.з< Δfш.б, то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе Δfш.з.
С учетом изложенного уравнения для линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, окончательно примут вид [3]:
для участка Земля — спутник
Pпер.з.=(16π2d12L1допкТ∑б.Δfш.з//λ12Gпер.з.Gпр.б.ŋпер.з.ŋпр.б.)а(Рс/Рш) ∑, (9)
для участка спутник — Земля
Pпер.б.=(16π2d22L2допкТ∑б.Δfш.з//λ22Gпер.б.Gпр.з.ŋпер.б.ŋпр.з.)b(Рс/Рш)∑, (10)
На распространение радиоволн на линиях Земля — космос (или космос — Земля) заметное влияние оказывает атмосфера Земли — как ионосфера, так и тропосфера. Это влияние особенно заметно на частотах от 10 ГГц и выше, а также при малых углах прихода волны (малых углах места антенны земной станции)[4].
Влияние ионосферы может проявляться в поглощении энергии, дисперсии сигнала, т. е. неравномерном времени задержки в полосе, «мерцании» сигнала, вызванном рассеянием локальными нерегулярностями концентрации электронов, вращении плоскости поляризации линейно поляризованной волны (фарадеево вращение). Все эти эффекты обратно пропорциональны квадрату частоты сигнала, а дисперсия — кубу частоты. Поэтому космические службы, работающие на частотах выше 1 ГГц, могут не учитывать влияние ионосферы, за исключением вращения плоскости поляризации.
Изменение вращения носит регулярный характер, подчиняющийся суточному и сезонному ходу, циклам солнечной активности, а также подвержено значительным и непредсказуемым отклонениям от регулярного хода в малых процентах времени. Максимальная амплитуда вращения на частоте 1 ГГц может достигать 108° при угле места 30°, а на частотах 4,6 и 1,2 ГГц максимальные амплитуды достигали 9, 4 и 1° соответственно [5]. Применение круговой поляризации волны, как и в нашем случае позволяет полностью устранить влияние этого явления.
Изменения уровня сигнала могут быть вызваны интерференцией прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности
Рисунок 4.Интерференция прямой волны и волны, отраженной от земной поверхности
Влияние тропосферы на распространение радиоволн на линиях Земля — Космос может проявляться во многих явлениях.
Изменения индекса рефракции в тропосфере и его нерегулярности могут вызывать дефокусировку луча антенны, изменения угла прихода волны, уменьшение эффективного усиления антенн, возникновение многолучевой структуры сигнала и «мерцание». Дефокусировка луча вызывает потери сигнала менее 0,4 дБ даже при угле места 3° и больших изменениях рефракции. По данным измерений изменения угла прихода волны, вызванные рефракцией, составляли около 0,65°, 0,35°. и 0,25° при углах места 1°, 3° и 5° соответственно в морской тропической атмосфере. В полярном континентном климате соответствующие значения были 0,44°; 0,25° и 0,17° [4]. С этим явлением можно не считаться, поскольку антенны земных станций обычно снабжены устройствами автоматического или ручного наведения по максимуму сигнала.
Явления многолучевости и «мерцания» сигнала не могут оказывать сколько-нибудь существенного влияния на его уровень и поэтому не учитываются. Наиболее существенное влияние тропосферы проявляется в поглощении энергии радиоволн в газах атмосферы, поглощении и деполяризации волны в гидрометеорах, особенно в дожде.
Основное поглощение энергии сигнала вызывают кислород и водяной пар. На рисунке 5 показаны теоретические зависимости погонного ослабления уровня сигнала у, дБ/км, от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20°С и концентрации р водяного пара 7,5 г/м3.
На линиях связи Земля — космос волна проходит через всю толщу тропосферы, и на ее пути содержание кислорода и водяного пара существенно меняется, поэтому для расчета ослабления сигнала применяется концепция эквивалентной высоты кислорода и водяного пара, в пределах которой их содержание принимается постоянным.
Рисунок 5. - Зависимости погонного ослабления уровня сигналов от частоты при стандартном давлении воздуха, температуре 20° С и концентрации водяного пара 7,5 г/м3
Величина ослабления сигнала Аа, дБ, определяется следующими формулами
[5]:
Аа=(һо2γо2+һн2оγ2о)/sin Ө при Ө>10 (11)
Aa=√Re cosӨ{γHо2√ho2Fo2+ γHо2√hH2oFh2o} при 0<Ө<10, (12)
где Ө—угол места антенны земной станции;
Rе —эквивалентный радиус Земли с учетом рефракции (8500 км);
γо2—погонное ослабление в кислороде, дБ/км, определяется по графику на рисунке 5 в зависимости от частоты;
γ2O —погонное ослабление в водяном паре, дБ/км, определяется по р/7,5, учитывающее влагосодержание водяного пара р, которое может отличаться от значения 7,5 г/м3, указанного на графике;
Һо2— эквивалентная высота кислорода, км; Һo2=6 км при Г<50 ГГц; ҺН2О - эквивалентная высота водяного пара, км.
һН2О=2,2+3/[3+(f-22,3)2]+0,3/[1+(f-118,3)2+1/[1+(f-323,8)2], (13)
FO2,НH2O=[0,661tg Ө√Re/hO2,HO2+0,339√(tgӨ/hO2)2+5,51] (14)
В приложении В на мировой карте показаны среднемесячные значения концентрации водяного пара р атмосферы в августе. Эти значения можно использовать в расчетах как наибольшие.
Найдем величины ослабления сигнала, вызванного поглощением энергии радиоволн в газах атмосферы, для обоих участков, используя формулы (11 - 14).
Для участка 1:
Из рисунка 5: γO2=0,007 дб/км,
γН2О=0,003*10/7,5=0,004 дБ/км,
ҺН20=2,2+3/[3+(6383-22,3)2]+0,3/[1+(6383-118,3)2]+1/[1+(6383323,8)2]=2,2км.
Тогда: Аа=(6*0,007+2,2*0,004)/sin38,5=1,02 что соответствует 0,08 дБ .
Для участка 2
γO2=0,007 дб/км,
γH2O=0,003* 10/7,5=0,004 дБ/км,
һH2O=2,2+3/[3+(3794-22,3)2]+0,3/[1+(3794-118,3)2]+1/[1+(3794-23,8)2]=2,2 км,
РO2=[0,661 tg8 √8500/6 +0,339√(tg√8500/6)2 +5,51]=0,18,
РH2O=[0,661 tg8 √8500/2,2 +0,339√(tg√8500/6)2 +5,51]=0,11.
Тогда:
Аа=√8500соs8 [0,007 √6 0,18+0,004 √2,2 0,11 ]=0,34 или -4,67 дБ.
Ослабление уровня сигнала при прохождении радиоволн через зону дождя вызвано рассеянием электромагнитной энергии частицами, при этом каждая частица рассеивает энергию в разных направлениях, вследствие чего энергия, приходящая в точку приема, уменьшается. Кроме того, энергия поглощается в частицах дождя, что вызывает ослабление уровня сигнала. Интенсивность рассеяния и поглощения зависит от количества частиц в единице объема, отношения размеров этих частиц к длине волны, размеров области, занятой частицами, и их электрических свойств, зависящих от температуры. Количество частиц в единице объема и их размеры характеризуются интенсивностью дождя.
Интенсивность дождя различна в разных географических районах и в разное время года. В приложении Г, взятом из Отчета 563-—2 МККР, на мировой карте показаны дождевые климатические зоны, обозначенные буквами от А до Р, а в таблице данного же приложения приведены значения интенсивности дождя, превышаемые в указанные проценты времени среднего года. Лондон относится согласно карте к зоне F, тогда согласно таблице в приложении В, интенсивность дождя на участке ИСЗ - ЗС1 составляет Іт = 28 мм/ч.
В приложении Д на карте СССР показаны дождевые климатические районы, обозначенные цифрами от 1 до 29, а в таблице 3.2 [5] даны значения интенсивности дождя, превышаемые воопределенном проценте времени «худшего» месяца. Согласно упомянутым картам и таблице, для участка ЗС 1 - ИСЗ интенсивность дождя равна Іт=22 мм/ч.
На рисунке 6, показаны зависимости погонного ослабления сигнала в зоне дождя γд частоты и интенсивности дождя [5].
Чтобы определить ослабление сигнала в зоне дождя на линии Земля — космос (или Космос — Земля), нужно знать длину пути сигнала в зоне дождя. Очевидно, уровень зоны дождя определяется высотой изотермы 0°С (или уровнем замерзания), ниже которой ледяные капли дождя переходят в жидкую фазу. Согласно Отчету 563 — 2 МККР средняя высота нулевой изотермы определяется формулой (в километрах) [5]:
ҺF=5,1-2,15lg(1+10)(ψ-27)/25, (15)
где ψ — широта земной станции в градусах.
Высота дождя определяется умножением Һf на эмпирический коэффициент, который учитывает, что в тропических зонах высота дождя часто значительно ниже уровня замерзания:
Һд=С*һF, (16)
где С=0,6 при 0°≤│ψ│<20°;
С=0,6+0,02(│ψ│-20) при 20°≤│ψ│≤40°
С=1 при │ψ│>40°
Необходимо также учесть пространственную неравномерность дождя в горизонтальном направлении. В Отчете 564—2 МККР предложен следующий метод расчета ослабления сигнала в зоне дождя [5]:
а) определяется высота нулевой изотермы, км, в зависимости от широты станции по (16);
б) определяется высота дождя, км, по (17);
в) определяется длина пути сигнала, км, по наклонной трассе от станции до высоты дождя (км):
dд=2(һд-һо)/[sin2Ө+2(һд-һо)/Rc] 1/2+sinӨ при Ө< 10,
dд=(һд-һо)/sinӨ при Ө> 10, (17)
где Һ0— высота станции над уровнем моря;
Ө- угол места антенны;
Rc=8500 км — эквивалентный радиус Земли;
г) горизонтальная проекция наклонной трассы, км,
dG=dдcosӨ (18)
д) фактор уменьшения, учитывающий неравномерность дождя для 0,01% времени,
r0.01=90/(90+4dG); (19)
е) определяется интенсивность дождя Іm, мм/ч, превышаемая в 0,01% среднего года (с временем интеграции 1 мин) для климатического района, где находится станция;
ж) определяется погонное ослабление сигнала в зоне дождя үд, дБ/км, для данной частоты сигнала и интенсивности дождя по графикам на рисунке 6;
з) определяется ослабление сигнала в дожде, дБ, превышаемое в 0,01 % среднего года,
Ад0.01=γдdдr0.01. (20)
Рисунок 6. Погонное ослабление сигнала взоне дождя в зависимости от частоты
Используя вышепривиденный метод найдем значения ослабления в зоне дожде для обоих участков.
һғ=5,1-2,151§(1+10)(43,13-27)/25=3,52 км,
һд=1*3,52=3,52км,
dд=(3,52-0,87)/sin38,5=4,26 км,
dG=4,26соs538,5=3,33 км,
r0.01=90/(90+4*3,33)=0,87,
Іm=22 мм/ч,
γд=0,07дБ=1,02,
Ад0.01=1,02*4,26*0,87=3,78 или 5,77 дБ .
һғ=5,1-2,151§(1+10)(51,.30-27)/25=2,9км,
һд=1*2,9=3,52км,
dд=2(2,9-0,2)/sin2Ө+2(2,9-0,2)/8500]1/2+sin8=12,86км,
dG =12,86соs8=12,73 км,
r0.01=90/(90+4*12,73)=0,64,
Іm=28 мм/ч,
γд =0,12 дБ=1,03,
Ад 0.01=1,03*12,86*0,64=8,48 или 9,28 дБ.
Таким образом, дополнительные потери на участках линии связи обусловлены главным образом влиянием двух факторов, рассмотренных выше. Их можно определить по формуле:
Lдоп.1=Аа1*Ад1,
Lдоп.1=Аа1*Ад1=1,02*3,78=3,85 или 5,85 дБ,
Lдоп.2=Аа2*Ад2=0,34*8,48=2,9 или 4,61 дБ.
При расчете энергетики спутниковых радиолиний важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства спутника и земной станции различными источниками. Как показано в § 3.2,
мощность шума на входе приемника может быть определена по формуле (5).
Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника, пересчитанная ко входу приемника [5]:
Т∑=ТАŋв+То(1-ŋв)+ТПр, (21)
где ТА — эквивалентная шумовая температура антенны;
Т0 — абсолютная температура среды (290 К);
Тпр—эквивалентная шумовая температура собственно приемника,
обусловленная его внутренними шумами;
ŋв—коэффициент передачи волнового тракта.
Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:
ТА= Тк+Та+Т3+Та.з+Тш.А+Тоб. (22)
которые обусловлены различными факторами: приемом космического радиоизлучения- Тк; излучением атмосферы с учетом гидрометеоров - Та;
излучением земной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны — Т3; приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли — Та.3; собственными шумами антенны из-за наличия потерь в ее элементах—ТШ.А;
влиянием обтекателя антенны (если он имеется) — Тоб. Общая методика, определения этих составляющих основана на том, что антенна, находящаяся в бесконечном объеме поглощающей среды с однородной кинетической температурой, при термодинамическом равновесии поглощает и переизлучает мощность, равную мощности излучения. В этом случае
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7