662_Nosov_V.I._Obespechenie_ehlektromagnitnoj_sovmestimosti_

Рис. 1.9. – Зависимость погонного ослабления для кислорода О2 и водяных паров Н2О

Коэффициенты погонного ослабления для стандартной атмосферы имеют ярко выраженный частотно-зависимый характер; резонансные пики для водяных паров наблюдаются на частотах 22 и 165 ГГц, а для кислорода на 60 и 120 ГГц.

31

Результаты расчётов величины потерь в спокойной атмосфере по формуле (1.17), приведены на рис. 1.10.

Lатм(β)

Рис. 1.10. – Зависимость потерь в атмосфере от частоты и угла места ЗС при hзс = 0

Ослабление энергии сигнала в осадках. Оценка затухания сигнала в гидрометеорах оказывается более сложной задачей, чем определение затухания сигнала в спокойной атмосфере, т.к. в этом случае поглощение зависит: от вида метеоров - дождь, снег, туман; интенсивности осадков; размеров зоны их выпадания; размеров частиц гидрометеоров, вида поляризации, а также от геоклиматических факторов для ЗС.

Ослабление сигнала из-за дождя определяют по формуле

где αд - погонное ослабление сигнала в зоне осадков, дБ/км;

32

dд – эквивалентная длина пути сигнала в зоне осадков в км.

Усреднённые результаты многочисленных измерений погонного ослабления сигнала в дожде различной интенсивности I, мм/час, рекомендованы МСЭ-Р и приведены на рис. 1.11.

Рис. 1.11. – Зависимость погонного ослабления сигнала в дожде различной интенсивности

Так, например, на частоте 10 ГГц при интенсивности дождя Iд = 1 мм/ч погонное затухание сигнала составляет αд = 0,02 дБ/км, а при интенсивности дождя Iд = 10 мм/ч – αд = 0,2 дБ/км.

По выражению (1.18) можно определить величину потерь в дождях различной интенсивности, но надо знать еще вероятность выпадения дождей в определенном климатическом районе, что возможно с помощью данных метеорологии. Они имеют приемлемую достоверность при обработке результатов не менее чем за 7 10 лет и относятся к определенной точке Земли и не могут

33

распространяться на всю область обслуживания ИСЗ, если она охватывает несколько климатических зон.

На рис. 1.12 приведена зависимость затухания в дожде от частоты и угла места антенны ЗС для Европейской территории России при значении вероятности дождей Тд = 0,1 %.

Рис. 1.12. – Зависимость ослабления сигнала в дожде от частоты при различных углах места

Эти значения относятся к круговой поляризации. Если используется линейная поляризация, то величину затухания нужно умножить на поправочный коэффициент 0,9 – 0,95 для вертикальной поляризации и 1,05 – 1,1 – для горизонтальной поляризации.

Затухание в дожде может быть весьма значительным, особенно в диапазоне частот выше 10 ГГц и существенно влиять на энергетику СЛС. Бороться с этим можно, применяя пространственно-разнесенный прием, при котором разнесение двух ЗС друг от друга на 10 20 километров для приема одного и того же сигнала от КС, уменьшает совместную вероятность выпадения дождя почти в 10 раз.

Наибольшее ослабление сигнала вносят жидкие гидрометеоры - дождь, облака, туман, мокрый снег. Ослабление в твердых структурах - град, сухой

34

снег - значительно меньше. Наличие взвешенных частиц практически не влияет на поглощение сигнала.

В некоторых климатических районах на уровень принимаемого сигнала может влиять мокрый снег. Ослабление сигнала, вызываемое мокрым снегом, примерно такое же, как и в дожде равной интенсивности, однако, в отдельных случаях при выпадении крупных хлопьев мокрого снега может оказаться в 4...6 раз большим, чем для дождя. Эксперименты показывают, что это явление достаточно редкое и при расчетах для наихудшего месяца следует практически учитывать лишь поглощение в дожде.

Следующим из жидких гидрометеоров по своему значению можно считать поглощение радиоволн в облаках. Это ослабление существенно меньше, чем в дожде, но вероятность его появления значительно больше. Учитывать ослабление сигнала в облаках надо на частотах 10 ГГц и выше для малых углов места.

Заметным поглотителем энергии радиоволн является туман, причем протяженность у поверхности Земли слоя тумана может достигать 100 км, а высота этого слоя, как правило, не больше 0,5 0,6 км. Продолжительность существования этой области может быть значительно больше дождевой.

Ослабление сигнала из-за рефракции. Атмосферная рефракция - это искривление траектории сигнала при прохождении через атмосферу (тропосферу и ионосферу).

Ионосферная рефракция обусловлена неравномерностью концентрации электронов в ионосфере и обратно пропорциональна квадрату частоты. Ионосферная рефракция становится пренебрежимо мала на частотах выше 5 ГГц.

Тропосферная рефракция не зависит от частоты. Основной причиной рефракции радиоволн в тропосфере является неравномерность диэлектрической проницаемости воздуха.

Ослабление сигнала из-за атмосферной рефракции оценивают относительно усиления антенны в направлении главного лепестка ДН антенны

р = 10 log( (0)⁄ ( )) = 10 log[1 + ( ⁄ 0,5)]2, дБ, (1.19)

где 0,5 - ширина главного лепестка ДН антенны по половинной мощности, град;

δ – отклонение приходящего на ЗС сигнала от главного направления приёмной антенны из-за рефракции, град.

Ширина главного лепестка ДН антенны по половинной мощности зависит от диаметра антенны и рабочего диапазона частот и в ССС составляет от единиц до 170 (глобальная антенна при работе ИСЗ на ГО). Отклонение приходящего на ЗС сигнала от главного направления приёмной антенны из-за рефрак-

35

ции составляет на частоте 10 ГГц при угле места ЗС = 300 δ = 1 , а при места ЗС = 100 δ = 1 .

Потери из-за атмосферной рефракции следует учитывать при использовании неподвижных антенн на ЗС. Если антенна ЗС имеет автоматическую систему наведения на КС по максимуму приходящего сигнала, то Lр = 0 дБ.

Потери из-за несогласованности поляризаций антенн. В ССС приме-

няют круговую и линейную поляризацию волн. На практике антенны излучают эллиптически поляризованную волну, т.е. конец вектора электрического поля волны описывает за период СВЧ колебаний эллипс поляризации (рис. 1.13).

Для эллиптически поляризованной волны эллипс поляризации представляет собой траекторию вектора электрического поля радиоволны в плоскости, перпендикулярной направлению распространения. На рис. 1.13 полуоси эллип-

са обозначены Емакс и Емин; X и Y – координаты ЗС; – угол наклона большой полуоси эллипса относительно горизонта.

Различают круговую правостороннюю поляризацию при вращении вектора по часовой стрелке и левостороннюю - с обратным направлением враще-

ния. При круговой поляризации Емакс = Емин = Е; при линейной - Емакс = Е > 0 и Емин = 0. Эллиптичность поляризации характеризуется отношением αЕ =

201g(Емакс / Емин). Ha практике считают поляризацию круговой, если αЕ ≤ 3 дБ и линейной при αЕ > 20 дБ. При линейной вертикальной поляризации Емакс совпадает с осью Y, а при горизонтальной - с осью X. Сигналы с противоположным направлением поляризации ортогональны (полностью разделимы).

Потери поляризации зависят от угла и от коэффициентов эллиптичности для передающей и приемной антенн, которые определяются отношением малой полуоси эллипса b к большой a.

Зная относительные положения и параметры эллипсов поляризации антенн, можно определить потери энергии сигнала для данной приемной антенны по сравнению с антенной, эллипс поляризации которой совпадает с эллипсом поляризации передающей антенны.

Так, например, при коэффициентах эллиптичности передающей антенны е1 = 1 и приёмной антенны е2 = 0,2 поляризационные потери составят Lп = 2 дБ. При расчетах следует учитывать потери поляризации существующими 100% времени, т.к. их статистическая оценка не представляется возможной.

36

Y

Емакс

Емин

y

X

Рис. 1.13. – Эллипс поляризации

Потери из-за неточности наведения антенн. Потери из-за неточности наведения антенн н ЗС на ИСЗ определяются угловым отклонением оси главного лепестка ДН от истинного направления на ИСЗ, а также шириной и формой главного лепестка ДН антенны.

В современных системах наведения управление антенной обычно ведется по двум осям (азимутальной и угломестной). Потери наведения можно рассчитать по (1.19), если вместо δ подставить н. В существующих системах потери наведения составляют 0,15 0,3 дБ.

Потери в атмосфере, вызванные эффектом Фарадея. Эффект Фарадея состоит в том, что при распространении линейно поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного поля Земли эта волна расщепляется на две составляющие, которые распространяются в атмосфере с различными скоростями, следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг.

На рис. 1.14 вектор 1 представляет собой вектор вертикально поляризованной волны (Е), излучаемой антенной КС; вектор 2 - та же волна, но около антенны ЗС, т.е. после прохождения через атмосферу; вектор 3 - вертикально поляризованная составляющая этой волны, которая будет выделена антенной ЗС вместо передаваемого вектора Е; ф - угол поворота плоскости поляризации. При ф = 90° потери максимальны.

Эффект Фарадея заметен на частотах ниже 5 ГГц, а на частотах выше 10 ГГц это явление можно не учитывать. Потери, возникающие из-за эффекта Фарадея, определяются, как

37

Е 1

2

3 yф

Рис. 1.14. – К пояснению эффекта Фарадея

Влияние этого эффекта более заметно при использовании линейной поляризации, поэтому на частотах ниже 10 ГГц в ССС целесообразнее применять круговую поляризацию, а в более высоких диапазонах выбор вида поляризации определяется в основном эффектами деполяризации сигналов в атмосфере.

1.5. Эффективная шумовая температура земной и космической станций

При расчете ССС важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства КС или ЗС различными источниками

где k = 1,38 10-23 Вт/0К Гц – постоянная Больцмана;

Тсум – эквивалентная шумовая температура (ЭШТ) всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов, 0К;

Пш – шумовая полоса приемника Гц. Она обычно несколько шире необходимой полосы частот тракта ПЧ в 1,1 1,3 раз.

Приемная система состоит из: антенны, антенно-волноводного (или фидерного) тракта и собственно приемника. Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы пересчитанная ко входу приемника

где ТА – эквивалентная шумовая температура антенны, 0К;

Т0 – абсолютная температура среды (Т0 определяется как 273 0К = 0°С + 17 25°С – температура окружающей среды, в градусах по шкале Кельвина, изменяется в пределах 290...300 0К);

38

Тпр – эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами, 0К;

авт – коэффициент полезного действия АВТ. Рассмотрим подробнее составляющие формулы (1.22).

Эквивалентная шумовая температура антенны. Эквивалентная шумо-

вая температура антенны определяется выражением: для ЗС

где Тк – обусловлена приемом антенной космического радиоизлучения; Татм( ) – обусловлена приемом излучения атмосферы с учетом осадков;

Тз – обусловлена приемом излучения земной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны;

Та.з – обусловлена приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли;

Тш.а – обусловлена собственными шумами антенны из-за наличия потерь в ее элементах;

ТОб – обусловлена влиянием шумов обтекателя антенны, если он имеется; с – коэффициент, учитывающий прием шумового излучения боковыми лепестками антенны. В зависимости от формы облучающей поверхности зеркала антенны с = 0,2 0,4;

Первая составляющая в (1.23) и (1.24) – температура шумов антенны определяется яркостной температурой космического излучения Тк (рис. 1.15).

Основу его составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и звезд). Космическое излучение существенно на частотах ниже 4 6 ГГц. Максимальное значение на данной частоте отличается от минимального в 20 30 раз, что обусловлено большой неравномерностью излучения различных участков неба.

Наибольшая яркость наблюдается в центре Галактики. Излучение Галактики имеет сплошной спектр и слабо поляризовано, поэтому при приеме его на поляризованную антенну (с любым видом поляризации) можно с достаточной степенью точности считать, что приминается 1/2 всей мощности излучения, попадающей в раскрыв антенны.

39

Рис. 1.15. – Частотная характеристика яркостной температуры космического излучения

Солнце – самый мощный источник радиоизлучения, которое может полностью нарушить связь, попав в главный лепесток ДН антенны. Однако вероятность такого попадания мала, и в первом приближении для эллиптических орбит рэ = 0,6·10-4, а для ГО pгo = (2 5)10-4 в зависимости от долготы ИСЗ. Точную дату и время "засветки" земных антенн Солнцем обычно заранее рассчитывают и сообщают ЗС.

Вторая составляющая (14.22) и (14.23) Татм( ) (рис. 1.16) определяется радиоизлучением атмосферы с учетом осадков, имеет тепловой характер и обусловлена поглощением сигналов в атмосфере и в гидрометеорах. В силу термодинамического равновесия атмосфера излучает такое же количество энергии на данной частоте, какое поглощает. Средняя термодинамическая температура

стандартной (спокойной) атмосферы для углов места ≥ 5° в диапазонах частот от 1 до 15 ГГц Татм.ср ≈ Т0-32 = 260 0К.

40