Расчет радиолинии связи

 

КУРСОВАЯ РАБОТА

Расчет радиолинии связи

1. Радиолиния земной волны

1.1 Расчёт радиолинии связи земной волной

Исходные данные

Рабочие частоты: f1=8 МГц;

f2=20 MГц;

Мощность, подводимая к антенне: P1=1,0 кВт;

Коэффициент усиления передающей и приемной антенн: G1=1,6;

Дальность радиосвязи: R=32,5 км;

Минимально необходимый уровень сигнала в месте приёма: Еmin=20 дБ/(мкВ/м)

Поляризация излучения: вертикальная.

Задание

1. Расчёт напряженности поля земной радиоволны в заданной точке приема на частотах для:

а) сухой почве с параметрами: у=0,001 См/м; е=15;

б) влажной почве с параметрами: у=0,01 См/м; е=30;

. Для частот определить максимальные дальности связи;

. Сделать выводы о влиянии частоты и типа земной поверхности на уровень напряжённости поля в заданной точке приёма и максимальную дальность связи земной радиоволной.

Общие сведения

При распространении земной радиоволны происходит уменьшение её амплитуды за счёт дифракционных потерь, тепловых потерь в поверхности Земли и потерь за счёт рассеяния на неоднородностях земной поверхности. Степень взаимодействия волны с земной поверхностью определяется электрическими параметрами почвы (в основном диэлектрической проницаемостью и проводимостью), а также поляризацией электромагнитной волны. На электрические параметры почв основное влияние оказывает не их химический состав, а способность поглощать и удерживать влагу. При распространении радиоволн на относительно небольшие расстояния, удовлетворяющие критерию Фейнберга, можно пренебречь сферичностью Земли и расчёты уровня сигнала в точке приёма проводить по формулам Шулейкина-Ван-Дер-Поля.

1.2 Расчет напряженности поля земной радиоволны

радиолиния тропосферный дальность волна

Напряженность поля земной волны в точке приема рассчитывается по следующей формуле:

E=Е0 ?F(с),(1.2.1)

где F(с) - множитель ослабления, учитывающий влияние земли на РРВ и зависящий от численного расстояния с;

Е0 - напряжённость электрического поля в свободном пространстве без учета влияния земли, которая определяется следующим образом:

или

Согласно условию Фейнберга расстояние, на котором можно воспользоваться формулой Шулейкина-Ван-дер-Поля, определяется следующим образом:

для

,

- условие Фейнберга выполняется;

для

- условие Фейнберга выполняется.

Для расчета множителя ослабления воспользуемся формулой Шулейкина-Ван-дер-Поля.

В основе расчета напряженности поля ЗВ в точке приема лежит расчет множителя ослабления, который для любых численных расстояний аппроксимируется приближенной формулой:

(1.2.2)

где: с - численное расстояние,

е - относительная диэлектрическая проницаемость земной поверхности;

у - удельная проводимость земной поверхности;

Для больших значений численных расстояний (с?25) формула Шулейкина-Ван-дер-Поля упрощается:

. (1.2.3)

При известных электрических параметрах е, у земной поверхности, можно определить численное расстояние с, которое для вертикально поляризованной волны определяется по формуле:

. (1.2.4)

Для частоты:

? для сухой почвы:

?для влажной почвы:

.

Рассчитаем множитель ослабления для частоты f1 при различных видах почвы:

? для сухой почвы:

?для влажной почвы:

Поместим данные по расчету множителей ослабления для частоты f1 при различной влажности почв в таблицу 1.

радиолиния тропосферный дальность волна

Таблица 1

частотаf1=8 МГцпочвасухая почвавлажная почвамножитель ослабления2,7·10-36,8·10-3

Используя формулу (1.2.1) рассчитаем напряженность поля в точке приема для частоты f1 при различных видах почвы:

? для сухой почвы:

или

?для влажной почвы:

или .

Для частоты

? для сухой почвы:

;

?для влажной почвы:

.

Рассчитаем множитель ослабления для частоты при различных видах почвы:

? для сухой почвы:

?для влажной почвы:

Поместим данные по расчету множителей ослабления для частоты при различной влажности почв в таблицу 2.

Таблица 2

частота=20МГцпочвасухая почвавлажная почвамножитель ослабления

Используя формулу (1.2.1) рассчитаем напряженность поля в точке приема для частоты f1 при различных видах почвы:

? для сухой почвы:

или ;

?для влажной почвы:

или .

1.3 Расчёт максимальной дальности связи земной радиоволной

Задача определения максимальной дальности связи земной радиоволной имеет важную особенность - множитель ослабления зависит от расстояния.

Исходя из выполнения условия , для определения множителя ослабления можно пользоваться упрощенным представлением формулы Шулейкина-Ван-Дер-Поля. При этом задача определения максимальной дальности значительно упрощается: окончательное выражение для максимальной дальности радиосвязи, для вертикальной поляризации имеет вид:

(1.3.1.)

где .

Используя формулу (1.3.1) рассчитаем максимальную дальность связи земной радиоволной для обеих частот при различных видах почвы:

для f1:

? для сухой почвы:

;

? для сухой глинистой почвы:

;

?для влажной глинистой почвы:

.

Поместим данные по расчету максимальной дальности связи земной радиоволной для при различной влажности почв в таблицу 3.

Таблица 3

частотатип почвысухая почвавлажная почвасухая почвавлажная почва61058330716038115094

Выводы

По результатам расчёта напряжённости поля земной волны в заданной точке приёма на двух частотах для сухой и влажной глинистой почвы можно сказать, что для вертикально поляризованной волны с увеличением частоты уровень сигнала в точке приема, а так же максимальная дальность связи увеличивается. При этом для определённой частоты уровень сигнала в точке приёма будет больше в случае распространения радиоволн над влажной почвой, чем при распространении над сухой почвой. Влажная почва вносит большие ослабления чем сухая.

Это объясняется зависимостью электрических параметров почвы (в основном диэлектрической проницаемости и проводимости) от её влажности (для сухой глинистой почвы =0.001, для влажной =0.01), а также зависимость комплексной диэлектрической проницаемости почвы от частоты, на которой осуществляется радиосвязь. Они в свою очередь влияют на значение численного расстояния , от которого зависит множитель ослабления .

2.2 Расчет напряженности поля на линии связи ионосферной волной

Исходные данные

Дальность радиосвязи: r 1500, км.

Рабочие частоты: f1, 3,5 МГц

f2, 8,5 МГц.

Мощность, подводимая к антенне: Р1, 1 кВт.

Коэффициент усиления передающей антенны: G1. 1,6

Время осуществления радиосвязи (местное время в точке отражения): Т1, 16 ч

Т2,04 ч.

Задание

1. Определить максимально применимые частоты (МПЧ) и оптимальные рабочие частоты (ОРЧ) слоев F2, F1, E для заданных протяженности радиотрассы r и времени суток Т1, Т2.

. Рассчитать напряженность поля ионосферной волны (ИВ) для рабочих частот f1, f2 в заданное время суток Т1, Т2.

. Сделать выводы о влиянии частоты и времени суток на напряженность поля ИВ.

Общие сведения по расчету радиолинии связи ионосферной волной

Определение МПЧ и ОРЧ. Расчет МПЧ и ОРЧ проводят в следующей последовательности:

1. Для заданной длины трассы определим углы падения ИВ на слои ионосферы , , из выражения:

,

где - угловое расстояние от центра Земли между точками передачи и приема; а - радиус Земли (6370 км); hд - действующая высота слоев F1, F2, E.

= 1500/222,4=6,74

Значения действующих высот необходимо принять следующими:

(днем);

(ночью);

(только днем);

(днем и ночью).

. По графикам суточного хода критических частот для слоев F2, F1, E, определим частоты , , :

Для времени Для времени =4 ч:

=8,9 МГц =6 МГц

=5,1 МГц =-

=3 МГц =1.6 МГц

. Рассчитаем МПЧ слоев F2, F1, E между точками передачи и приема:

; ;

МПЧ слоёв F2, F1, E при Т=16 ч: МПЧ слоёв F2, F1, E при Т=04 ч:

. Определим ОРЧ слоев F2, F1, E, учитывая следующее обстоятельство. Рассчитанные значения МПЧ обеспечивают отражение в 50% времени (медианные значения МПЧ). Для увеличения надежности отражения рабочую частоту уменьшают. Установлено, что для обеспечения отражения в 90% времени МПЧ для слоя F2 необходимо уменьшить на 15%; для слоя F1 - на 5%. Полученные частоты называют оптимальными рабочими частотами (ОРЧ). Для слоя Е значения МПЧ и ОРЧ совпадают, так как он по своим электродинамическим характеристикам является самым стабильным.

Тогда

; ; .

ОРЧ слоев F2, F1, E при Т=16 ч: ОРЧ слоев F2, F1, E при Т=04 ч:

Рис. 2.2.1

Рис. 2.2.2

Определение напряженности поля ИВ. Существующие методы расчета напряженности поля ИВ являются приближенными. В инженерной практике наибольшее распространение получил метод А.Н. Казанцева, используемый для определения медианного значения напряженности поля ИВ на трассах, проходящих в средних широтах.

Расчет напряженности поля проводят обычно для одного (основного) луча, а действие других учитывают при оценке быстрых замираний. Основным называют луч, претерпевший наименьшее количество отражений от ионосферы и прошедший меньший путь в ней.

Следовательно, перед тем как начинать рассчитывать напряженность поля ИВ, необходимо определить основной луч для заданной радиотрассы. Для этого требуется найти все лучи, способные отражаться от слоев ионосферы, руководствуясь условием

,

где f - рабочая частота; fмпч - МПЧ для слоя ионосферы, определенная ранее. Далее из всех отразившихся от слоев ионосферы лучей выбрать один, прошедший наименьший путь в ней.

Исходное выражение для определения действующего значения напряженности поля ИВ по методу Казанцева имеет вид

.

Здесь Р1 - мощность, подводимая к антенне; G1 - коэффициент усиления передающей антенны; rл - расстояние, проходимое волной по основному лучу (по ломаной линии) между точками передачи и приема; - модуль коэффициента отражения от Земли; n - число отражений от ионосферы; Г - интегральный коэффициент поглощения в ионосфере.

Значение rл определяется из выражения

.

Определим напряжённость поля ИВ днём при частоте =3,5МГц:

,5 МГц МГц

Значит, луч отражается от слоя E:

(G1+G2), дБ

Рис. 1

= + 4

Определим напряжённость поля ИВ ночью при частоте =5.5МГц:

,5 МГц

Значит, луч отражается от слоя E:

=4

51,5

Определим напряжённость поля ИВ днём при частоте =11,5МГц:

11,5МГц

Значит, луч отражается от слоя E:

=

+ 4

Определим напряжённость поля ИВ ночью при частоте =6 МГц:

6 МГц

Значит, луч отражается от слоя :

+

=

Таблица 5

f1 = 3.5 МГцf2 = 6 МГцДеньНочьДеньНочь, мкВ/м0,21751.510,942.4

3. Тропосферная радиолиния

3.1 Расчёт уровня сигнала на тропосферной радиолинии

Исходные данные

Рабочая частота: f=3,25 ГГц;

Мощность, подводимая к антенне: P1=1.0 кВт;

Дальность радиосвязи: R=195 км;

Надежность связи: р=98%;

Кратность разнесения при приеме: n=3;

Коэффициент усиления антенн:

ТРС 1: G1=32 дБ;

ТРС 2: G2=34 дБ;

Географические высоты подъема антенн:

ТРС 1: h1=310 м;

ТРС 2: h2=310 м;

Географические высоты препятствий:

ТРС 1: H1=310 м;

ТРС 2: H2=330 м;

Расстояния от препятствий до антенн:

ТРС 1: R1=3.2 км;

ТРС 2: R2=2.0 км.

Длина волны:

Выполнить

. Расчет составляющих множителя ослабления (в дБ) на тропосферной линии зимой и летом.

. Расчет уровня сигнала в точке приема (в дБ/мкВ/м) зимой и летом.

. Сделать выводы о влиянии времени года и других факторов на уровень сигнала тропосферной радиолинии.

Общие сведения

Существующие в настоящее время теории дальнего тропосферного распространения не позволяют объяснить и дать количественную оценку всем наблюдаемым особенностям явления. Поэтому при расчетах тропосферных радиолиний используют методы инженерного расчёта множителя ослабления, учитывающие его зависимость от расстояния, длины волны, рельефа местности, метеоусловий, потерь усиления антенн и замираний проявляется только в среднем за достаточно большие промежутки времени.

Величина напряжённости поля в точке приёма определяется следующим образом:

или

где - уровень сигнала в свободном пространстве, без учёта влияния Земли. Он определяется по формуле

где ;

или

где Fдтр - множитель ослабления на трассе тропосферной связи.

Множитель ослабления определяется стандартным множителем ослабления и различными поправками к нему, учитывающими климатические, метеорологические условия на трассе, рельеф местности и т.д. Таким образом, для любой трассы

Fст - множитель ослабления для стандартных условий распространения тропосферной радиоволны;

DFм - поправка, учитывающая отличие метеоусловий на трассе от стандартных;

DFh - поправка, учитывающая географические высоты расположения антенн тропосферных радиорелейных станций;

DFр - поправка, учитывающая реальный рельеф местности в районе расположения тропосферных станций;

DG - поправка учитывающая потери усиления антенн;

DFмз - поправка за счёт медленных замираний;

DFбз - поправка за счёт быстрых замираний.

3.2 Стандартный множитель ослабления

Стандартным условием для тропосферной радиолинии считают такие, при которых распространение радиоволн происходит над гладкой, сферической поверхностью земли при отсутствии складок рельефа и объектов, закрывающих горизонт, передача и прием осуществляется слабонаправленными антеннами, для которых суммарный коэффициент усиления не превышает 60 дБ, а индекс преломления N0 у Земли соответствует зимним условиям и составляет 310. Летом N0 повышается до 325.

При определении Fст необходимо использовать понятие дифракционного горизонта, т.е. расстояние, с которого начинается зона ДТР. Другими словами, дифракционный горизонт определяется расстоянием, начиная с которого величина напряженности поля, вычисленная по дифракционным формулам, становится меньше, чем измеренная.

Для диапазона волн l=3-150 см, (l1=7.3 см), высот антенн 5-10 м, эквивалентного радиуса Земли aэ=8500 км, величин расстояния 100< 130<100×(1+lgl, см), величина погонного ослабления зависит от длины волны. Используя вышеуказанные данные, получим, что в дальней зоне:

.

3.3 Влияние географической высоты антенн ТРС, метеоусловий

При изменении метеорологических и климатических условий изменяется интенсивность неоднородностей тропосферы, а также высота расположения объема переизлучения и углы рассеяния. Последние два обстоятельства связаны с вариациями режима рефракции и степени искривления траектории волн. В качестве основного параметра, определяющего влияние метеоусловий, выбирается индекс преломления на уровне моря N0. В южных и приморских районах индекс преломления и его флуктуации в среднем больше, чем в холодных и сухих.

Величина поправки DFм принимается одинаковой для всех длин волн и различается для различных расстояний коэффициентом kc

,

где kc для дальностей R=100-350 км в сантиметровом диапазоне

Рассчитаем величину поправки, для зимнего и летнего сезонов:

Поместим данные по расчету поправки в таблицу 4:

Таблица 4

Период годалетнийзимний6.7290

С увеличением высоты количество неоднородностей, рассеивающих электромагнитную волну, уменьшается. Поэтому увеличение географической высоты подъема антенн ТРС увеличивает высоту объема переизлучения и дополнительно увеличивает ослабление сигнала на радиолинии. Поправка, учитывающая географическую высоту антенны, рассчитывается по формуле:

где hст - средняя географическая высота расположения антенн над уровнем моря

тогда:

Поместим данные по расчету поправки в таблицу 5:

Таблица 5

период годалетнийзимнийDFh,дБ-2.337-2.229

3.4 Влияние рельефа местности, прилегающего к антеннам

Изменение угла рассеяния определяется углами закрытия в1,2 антенн корреспондентов. Значение углов закрытия могут быть положительными и отрицательными. Когда препятствия закрывают линию горизонта, углы закрытия считаются положительными, а когда антенны расположены на возвышенности рельефа - отрицательными. При этом угол рассеяния ? определяется как

,

где углы закрытия в1,2 с учетом кривизны земной поверхности и нормальной рефракции вычисляются по формуле:

Эквивалентный радиус Земли при нормальной рефракции aэ=8500 км. Значения величин в1,2 могут быть определены непосредственно по карте или по построенным профилям оконечных участков трасс. При определении по карте необходимо находить углы закрытия для всех возвышенностей, встречающихся на трассе в районе расположения ТРС, и выбирать из них наибольшие.

Величина поправки DFр не зависит от частоты и определяется:

где в1,2 выражаются в угловых минутах, а R в километрах. Вычислим в1,2 сначала в радианах, затем переведём в угловые минуты (1 рад=3438').

В формулу, для определений множителя ослабления DFр,

Определим величину поправки DFр:

Примечание: для отрицательных углов закрытия величина поправки принимает положительные значения.

3.5 Потери усиления антенн

Учет потерь усиления антенн DG производится на основании существующих теоретических и экспериментальных данных. Основным отправным параметром при расчете DG являются коэффициенты усиления антенн ТРС 1 (2). В настоящее время принято считать, что для антенн с усилением менее 25-30 дБ потери усиления не наблюдаются.

Анализ существующих экспериментальных данных показывает, что при незначительно отличающихся коэффициентов усиления передающей и приемной антенн G1 и G2 величина DG зависит лишь от их суммы G1+G2, дБ. Не обнаруживается заметная зависимость величины DG от частоты и протяженности трассы.

Если передающая и приемная антенны имеют значительно различающиеся коэффициенты усиления, то величина потерь усиления определяется главным образом антенной с большим коэффициентом усиления и в пределе составляет 2/3DG, где DG в дБ представляет потери усиления пары одинаковых передающей и приемной антенн с суммарным усилением 2G1.

3.6 Учет быстрых и медленных замираний

Составляющая множителя ослабления, учитывающая медленные замирания, определяется как:

где - величина, определяемая графически по заданной надежности связи на радиолинии в течении месяца для худшего времени года. Так как , получим .

Рис. 2

Величина отклонения для слабонаправленных антенн определяется по графику:

у, дБ

, км

Рис. 3

Отсюда,=7.5

=5.2

Рассчитаем составляющую множителя ослабления, учитывающую медленные замирания, для различных сезонов года:

Поместим данные по расчету в таблицу 7

Таблица 7

период годалетнийзимний-9.375-6.5

При переходе от данной надежности за худший месяц к такой же надежности за весь год с учетом более благоприятных месяцев множитель ослабления увеличивается на величину .Его определяем из графика:

Рис. 4

Множитель ослабления, учитывающий быстрые замирания , в зависимости от кратности разнесения и допустимой потери достоверности, определяется по графику и имеет следующее значение:

3.7 Расчет уровня сигнала в точке приема

Множитель ослабления определяется стандартным множителем ослабления и различными поправками к нему, учитывающими климатические, метеорологические условия на трассе, рельеф местности и т.д. Таким образом:

Тогда величина напряженности поля в точке приема равна:

Поместим данные по расчету в таблицу 8

Таблица 8

период годалетнийзимний14.099-16,001

Рассматривая результаты расчётов можно сказать, что влияние на уровень сигнала тропосферной радиолинии оказывают такие факторы как: время года, от которого зависит значение индекса преломления p и величина поправки (для лета получили = 6.279дБ, для зимы =0дБ); географическая высота расположения антенн, которая в том числе определяет высоту объёма переизлучения и дополнительное ослабление сигнала. Учитываются также быстрые и медленные замирания, которые определяли по графикам зависимостей.

Таким образом, напряжённость поля в точке приёма получили больше для летнего периода.

4. Спутниковая радиолиния

4.1 Расчёт уровня сигнала на спутниковой радиолинии

Исходные данные

Рабочие частоты:

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность:

Поляризация ЭМВ: =1

Коэффициент усиления антенны бортового ретранслятора:

Тип обиты спутника: наклонная (=40757 км)

Интенсивность дождя:= 7.0 мм/ч

Географическая высота антенны земной станции: = 0,2 км

Выполнить

. Расчёт множителя ослабления на участке Земля - ИСЗ на двух частотах.

. Расчёт возможности обеспечения связи на двух частотах, если минимально необходимый уровень мощности сигнала на входе приёмника составляет -

. Расчёт максимальных дальностей связи на двух частотах в условиях дождя заданной интенсивности.

. Сделать выводы о влиянии частоты и метеоусловий на дальность связи спутниковой радиолинии.

Общие сведения по расчёту спутниковой радиолинии

КУРСОВАЯ РАБОТА Расчет радиолинии связи 1. Радиолиния земной волны 1.1 Расчёт р

Больше работ по теме: