Tavkozlestechnika_Lukacs_Radiohullamok

Download Report

Transcript Tavkozlestechnika_Lukacs_Radiohullamok

Infokomunikációs hálózatok

Rádióhullámok terjedése

S 0

Rádióhullámok terjedése

• Antenna nyereség fogalma

Antenna nyereség:

Az antenna az úgynevezett antenna nyereséggel (G) és az iránykarakterisztikával jellemezhető. A csak elméletileg létező

izotróp antenna

a tér minden irányába azonosan sugározza ki a rádióhullámokat (gömbsugárzó), ezért ezt viszonyítási alapnak használják: S 1 G  S S 0 1 S 0  4  P   r 2 a P teljesítmény gömbszimmetrikus kisugárzása során r távolságban mérhető teljesítménysűrűség: Az S 1 a vizsgált antenna esetében mért, felületegységen áthaladó teljesítménysűrűség, a fő sugárzási irányban.

G (dB) = 10 lg G

Rádióhullámok terjedése

Szabad téri csillapítás számítása P A A Teljesítménysűrűség:

P V P A P V



A V

 

P A

4 

G A A V

 2 

A A A V

d   4   2

 2 P V S 0 –

1 V 

G – 

izotrop antenna által előállított teljesítménysűrűség antenna nyereség 4 

P A d

G A



P A A A

 2 

A V d

2  1

G A G V

A – hatásos felület

G A



 4   2

 2 4 

A A

Rádióhullámok terjedése

Szabad téri csillapítás számítása (folyt.) vagy

a a

      1 2 ln 10 lg

P A P V P A P V

  ln 20 lg 

A A



d A V





A A A V

URH és ln  4  

20 lg  ln 4 



G A G V

 20 lg

G A G V

Különösen fontos összeköttetéseknél.

A A



A V

 mikrohullámú

A h és G A



G V

 pont-pont

G esetén a

   20 lg 

d A h

 Ha G=1 (izotrop ant.): 20 lg

4    

  20 lg 20 lg 4 



szabad téri csillapítás

Az antennaegység által csökkentett csillapítást szakaszcsillapítás nak nevezzük.

Rádióhullámok terjedése

•

Általános hullámterjedési megfontolások

• A műholdon a lehető legkisebb adóteljesítményt célszerű használni (műszaki okok, műhold méret, ill. a hordozó rakéta teljesítőképessége, különböző földi rendszerekre interferencia hatás) • A föld-műhold összeköttetést befolyásoló hullámterjedési jelenségek – Atmoszférikus abszorpció – Hydrometeorok által okozott abszorpció – Törésmutató időbeli változása következtében létrejövő elektromágneses hullám pályaváltozás – Amplitudó- és fázis- szintilláció – Faraday féle forgatás – Depolarizáció – Doppler effektus

Rádióhullámok terjedése

• A légkőr felső rétege (60-400 km magasság) az ionoszféra – Ionizáció nappal a nap sugárzási energiája révén (ionok, szabad elektronok) – D réteg (60-90km) N, O, és ózon keletkezik az ibolyántúli sugárzás hatására, valamennyi gáz ionizációja lágy röntgensugárzás hatására. Éjszaka a réteg eltünik.

– E réteg(95-120km) valamennyi gáz ionizációja lágy röntgensugárzás útján. Éjszaka az elektron és ionkoncentráció csökken, de nem tűnik el .

– F1 réteg (180-240km) oxigén ionizáció. Éjszaka a réteg eltünik.

– F2 réteg (230-400km) oxigén ionizációja ultraibolya, röntgen és korpuszkuláris sugárzás hatására. (télen nappal a legerősebb).

– Naplemente után rekombináció: Ionizált molekulák visszaalakulnak nem ionizált molekulákká.

Rádióhullámok terjedése

•

Atmoszférikus abszorpció

• Nedves levegő csillapítása egyes frekvenciákon nagyobb.

• Az Oxigén gáz első elnyelési vonala 60 GHz-en van (első harmonikus 120 GHz) • A vízgőz elnyelési vonala 22 GHz-en van.

• Léteznek ablakok amely frekvenciákon a csillapítás viszonylag kicsi.

• 10 GHz alatt a csillapítás gyakorlatilag független a frekvenciától.

• Az atmoszférikus abszorpció hatása annál jelentősebb, minél kisebb az EM sugárzás behatolási szöge (a sűrübb troposzférán belül nagyobb a befutott út, és így a csillapítás )

Rádióhullámok terjedése

•

Hydrometeorok által okozott abszorpció

• A hydrometeorok (eső, jégeső, hó, köd, felhő) • Föld-föld kapcsolatban problematikusabb.

• Föld-műhold kapcsolatban főleg 10 GHz felett okoz problémát az idő kis százalékában. Helyi jellegűek ezért valamilyen diversity vétellel nehéz javítani az összeköttetést.

• A csillapítás a kezdeti behatolási szög csökkenésével növekszik (lásd. előző dia) • Pl. Köd csillapítása (-8 C fok, 20 gr/m3 abszolút páratartalom mellett 5.5 GHz en a csillapítás növekedés 1dB/km, 50 GHz-en 50dB/km.

Rádióhullámok terjedése

• A törésmutató időbeli megváltozása során létrejövő hullámpálya változás • A sugárpálya változás a törésmutató és a törésmutató gradiens megváltozása miatt csillapítás-fading jön létre. A sugárpálya alakja megváltozik, a keskeny főnyalábbal rendelkező antennák esetén pótlólagos csillapítás áll elő.

• Főld- műhold kapcsolatban itt is annál nagyobb a törésmutató változás hatása, minél kisebb a kezdeti találkozási szög.

• Pl. Föld-föld kapcsolatban 50 km hosszú RF szakaszon a sugárpálya 0.25-1 fok változást is mutathat a vevőantennára történő beesési szöget illetően. Ezért a föld föld kapcsolatban max. 45-48 dB nyereségű antennát alkalmaznak.

Rádióhullámok terjedése

•

Amplitúdó- és fázis szcintilláció műhold-Föld közötti összeköttetés esetén

– A sugárkévén belüli a törésmutató magasság függésének időbeli viszonylag kis mértékű változása gyors amplitúdó és fázis szcintillációt okoz.

– Korlátozza a követő rendszer pontosságát (ma már ritkán fordul elő műhold követő megoldás) – 20 GHz alatt és nagy kezdeti találkozási szögnél a jelenség elhanyagolható hatású.

– Magasabb frekvenciákon azonban bizonyos meteorológiai körülmények között ennek hatása jelentős lehet.

– A fading értéke 45 fok találkozási szögnél 100 - 35 Ghz esetén elérheti a +/- 4 - 2 dB-t. a fázis differencia pedig 40 – 15 fokot.

– 10 fok körüli találkozási szög esetén a fading csúcsértéke 100 – 35 GHz esetén +/- 12 – 6 dB is lehet, míg a fázis differencia 80 – 30 fok is lehet.

– Hatása analóg átvitel esetén jelentősebb.

Rádióhullámok terjedése

• Faraday effektus • A földi mágneses térerősségnek és az ionoszférában levő szabad elektronok kölcsönhatása következtében a lineárisan polarizált elektromágneses hullám polarizációja elfordul.

• Hatása 10 Ghz felett elhanyagolható, de pl. 1 GHz-en kb. 12 fok (4 GHz –en már csak 0.75 fok) • Mivel a DBS műholdak kőrpolarizációval dolgoznak (és 10 GHz felett), ezért ennek a jelenségnek a műholdakon keresztül történő közvetlen műsorszórásra gyakorlatilag nincs kihatása.

Rádióhullámok terjedése

• Depolarizáció • 1 GHz felett a mikrohullámú jel Föld – műhold esetén depolarizációt szenvedhet, ami a nem gömb-alakú és nem függőleges pályán haladó esőcseppek következménye.

• Ennek az lehet a káros hatása, hogy két mikrohullámú eredetileg egymásra merőlegesen lineárisan polározott hullám közötti polarizációs elválasztás csökken (a mikrohullámú áthallás nő.

• A depolarizáció szöge növekszik a frekvenciával, mivel a depolarizáció az esőcseppben létrejövő kapacitív áramtól függ és ez pedig növekszik a frekvencia növelésével.

• Védekezés út-diversitivel: Az információ a földi állomásra két úton (két különböző műholdon keresztül) jut el.

• Kőrpolarizáció esetén ennek nincs jelentősége.

Rádióhullámok terjedése

• Doppler effektus • A doppler effektus a műhold és a földi állomás relatív mozgása következtében előálló frekvencia változás.

• Geostacionárius műhold esetén az effektus nem lép fel azaz a közvetlen TV műsorszórásra nincs kihatása.

• Nem geostacioner műhold esetén a hatás különböző jelátvitelekre más és más.

• • A hatás földi körülmények között jelentősebb lehet pl. gyorsan mozgó mobil telefon és a bázis állomás kommunikációjában.

• Pl.: f=1GHz, Vr (radiális irányú sebesség) = 50 m/sec (180 km/óra), c (fénysebesség) = 3*10ad8 m/sec.

fdoppler = f * Vr / c = 10 ad9 * 50 / 3*10ad8 = 167 Hz

Rádióhullámok terjedése

Felszíni hullámok csillapítása (véges vezetőképességű sík föld felett) Csak függőleges polarizációban • • • A föld véges vezetőképességű  r föld  15 (sík vidék)  r hegyvidék  5 Bonyolult matematika (Sommerfeld) A térerősséget a távoltérben az antenna közvetlen sugárzása és az antenna erőterétől a földben keletkező áramok sugárzása okozza. A két sugárzás a távolság növekedésével egymással ellentétes fázisba fordul és egymást kezdik kioltani.

Rádióhullámok terjedése

Felszíni hullámok csillapítása (véges vezetőképességű sík föld felett) Csillapítási tényező felszíni hullámokra a numerikus távolság függvényében Adott numerikus távolsághoz azonos csillapítási tényező tartozik, amellyel a tökéletes vezető föld felett számított térerősségét megszorozva, a tényleges térerősséget kapjuk. A numerikus távolság a következőktől függ:  , föld vezetőképesség, föld  r , távolság

Rádióhullámok terjedése

Felszíni hullámok csillapítása Példa: (véges vezetőképességű sík föld felett)

   50

,  

magas antenna

4 500

 600

kHz

 ,

P ki

 100

, 

S m



 15  10  2

Számítás eredménye

 1 ,

 0 , 64 Példa:   5

 60

MHz

 , minden egyéb azonos

Számítás eredménye

 2000 ,

 0 , 25  10  3 Ez az érték kb. 2500-szor nagyobb, mint az 1. példában URH tartományban összeköttetés felszíni hullámokkal nem megvalósítható.

Rádióhullámok terjedése

A föld görbültségének hatása Homogén közegben egyenes vonalú terjedés (URH és mikro hullám) A pontból az adó csak a B pontig tudja a vevő antennát megvilágítani.

D 0 – optikai látóhatár, r 0 – földsugár

0 2 ahol h/2r 0 

0 2  

0 

 2 

0 2  2



2 

0 2  2

  1 

0   << 1, és elhanyagolható:

0  2

Rádióhullámok terjedése

A föld görbültségének hatása Példa:

0  6370

km h

 10



0  2  10  2  6370  127 , 40  11 , 2

km h

 100



0 

0 2  10  1  6370  3 , 56  1274

   35 , 69

Az alkalmazott összefüggés akkor volna érvényes, ha a hullámok egyenes vonalban terjednének. A troposzférában azonban a levegő törésmutatója nem állandó, és ezért a lapos szögek alatt kisugárzott hullámok görbe pályán terjednek, és a föld felé hajolnak el, ami által az optikai látóhatár messzebbre kerül.

Rádióhullámok terjedése

A légkör törésének a hatása Tapasztalati összefüggés a nedves légkör törésmutatójára: 

 1   10 6  79

T p



 4800

e T

ahol

 

a törésmutató, p a légnyomás millibarban, e a víz gőz parciális nyomása millibarban, T az abszolút hőmérséklet.

Ez frekvencia független!!

A légkör normális állapotában a nyomás és a vízgőztartalom csökken a magassággal, és a legalsó néhány km-ben a törésmutató a magassággal arányosan csökken.

Rádióhullámok terjedése

A légkör törésének a hatása Snell törvény:

1 cos  1 

2 cos  2 A légkörben a törésmutató folyamatosan változik és ezért a hirtelen irányváltozás helyett a sugár görbe pályán halad.

Kiszámítható, hogy a föld felé hajlás miatt a látóhatár távolabb kerül. Ezt úgy vehetjük figyelembe, hogy a föld sugár 4/3 szorosával számolunk a tényleges helyett (8500 km).

Rádióhullámok terjedése

A légkör törésének a hatása

h h

  10

m D

100

m D

0 0   13 , 03

41 , 2

 4 , 12 

  Gyakori eset pont-pont összeköttetés.

0 

01 

02  4 , 12  

1 

2 

Rádióhullámok terjedése

Terjedés diffrakció (elhajlás) útján A diffrakció mértéke különböző paraméterektől függ, azonban az elhajlás annál inkább érvényesül, minél hosszabb a hullám.

Térerősségek teljesítményre (rövid antenna) a földgörbültség 1 kW sugárzó figyelembe vételével.

  10  2

S m

, 

 15 mezőgazdasági sík terület

Rádióhullámok terjedése

• Nagy talajcsillapítás, ezért felszíni hullámokkal összeköttetés nem létesíthető.

• Térhullámú összeköttetés • Kevéssé tud az URH (és mikroh.) elhajolni, ezért optikai átlátás szükséges Többutas terjedés

d



h

1 

1 2

h

és

 

2 

igen kicsi



2 

1  2

2 2 

2  

2 

1  2

......

2 

1 

2

terjedési út különbség

Rádióhullámok terjedése

Az r 2 pályán haladó hullám fáziskésése a nagyobb úthossz miatt:    

r

2 

r

1   2   

r

2 

r

1   4  

h

d

Ha a közvetlen hullám térerőssége E 0 , a föld felszínén visszavert hullámé E r , akkor az eredő térerősség:

E

2 

E

0 2 

E

2  2

E

cos 

Rádióhullámok terjedése

Legyen

E

0 

E

és E E

0 

F

–

csillapítá si tényező E

2  1 

E

2  2

E

cos 

E

F

2  2  1  cos szenved (kis   visszaverődéskor a villamos tér kb.

 -nál), ezért       fázisugrást

F

2  2 1  cos 4  

h

d h

2    4 sin 2 2  

h

d h

Rádióhullámok terjedése

F

 2 sin 2  

h

d

 4  

h

d h

2 kicsiny argumentum A sík föld feletti térerősségét úgy számítjuk ki, hogy előbb kiszámítjuk a szabad téri térerősséget d távolságra (E 0 ) és ezt az F csillapítási tényezővel megszorozzuk.

Pl.:

h

1  50

m h

2  100

m d

 30 .

000

m

  3

m

 100

MHz



F

 4   50  100 3  30 .

000  0 , 7 Fading jelenség Esetleg még szorozható F diffrakciós tényezővel (kevéssé számít).

Rádióhullámok terjedése

•

Fading hatás kivédése

Fading tartalék (5-50 dB) Térdiversity vétel (több antenna) Frekvencia diversity vétel (több vivőfrekv.) Polarizáció diversity (két egymásra merőleges polarizáció)

Egyéb csillapítások:

Abszorpció (csapadék 10 GHz-től, gázok 20 GHz-től) Szcintilláció (A légkör bizonyos rétegeiben - egyes felhőkben, felszíni határrétegekben - turbulens áramlás lép fel. Ennek következtében véletlenszerűen ingadozik a levegő törésmutatója, ami a hullámok amplitúdójának, fázisának és beesési irányának ingadozását okozza) Csillapító közegek, tárgyak Tereptárgyak változása Doppler hatás

Rádióhullámok terjedése

Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével

Nap  ionizáció  több vezetőréteg Az ionizáció mechanizmusa: A Nap ibolyántúli sugárzása a gázok molekuláiról elektronokat szakít ki, és így a magas légkörben szabad elektronok és ionok keletkeznek. Ez meghatározott hullámhosszúságú sugárzás elnyelésével jár. A réteg magassága tehát attól függ, hogy az ionizációhoz rendelkezésre álló sugárzás milyen mélyen tud a légkörbe behatolni.

A szabad ionok vonzzák az elektronokat, és ha a közelükbe kerülnek, újból elfogják azokat (rekombináció).

Rádióhullámok terjedése

Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével

A szabad töltéshordozók változása a magasság függvényében

Rádióhullámok terjedése

Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével

A szabad töltéshordozók változása a magasság függvényében A 3–25 MHz-es (12–100 m hullámhossz) sávban kizárólag az ionizált rétegek közvetítésével történő nagytávolságú összeköttetések létesíthetők.

Rádióhullámok terjedése

URH és mikrohullámú összeköttetés horizonton túl

Terjedés troposzférikus szórás felhasználásával A szóródást a troposzféra dielektromos állandójának kisebb változásai okozzák, ami a troposzféra rétegződése és turbulens mozgása folytán áll elő.

A troposzférikus szórással való átvitel 100 MHz-től több GHz-ig lehetséges.

A vétel helyén a térerősség erősen ingadozik (fading).

Rádióhullámok terjedése

Műholdas összeköttetések

műhold orbitális pálya (alacsonyabb magasság, nagyobb sebesség) egyenlítő légkör Föld  műhold légkörből kilépés feltétele:  szög ne legyen nagy (különben elhajlás) Műholdak közötti kommunikáció

Rádióhullámok terjedése Műholdas összeköttetések

A műhold periódusideje (egy föld körüli fordulat ideje) és a műholdpálya magassága közötti összefüggés:

T

 2 

GM r

3 2 ahol T a periódusidő órában, r=R+H km-ben, GM=g 0 R 2 = =5,17·10 a 12 km állandó földfelszíni értékének és földsugár 3/ h 2 a gravitációs négyzetének szorzata. R+H=42253.21 km

Rádióhullámok terjedése

Terjedési összefoglaló