Ранее при рассмотрении поглощения сигнала в гидрометеорах мы не учитывали формы частиц гидрометеоров, точнее, подразумевали, что они сферичны. Такая модель гидрометеоров не порождает деполяризации. В действительности форма естественных гидрометеоров, и в первую очередь капель дождя (основной фактор поглощения), несферична. Это приводит к появлению разницы в затуханиях и фазовых сдвигах для вертикальной и горизонтальной составляющих, а следовательно, является причиной деполяризации радиоволны и возникновения кроссполяризационной компоненты в точке приема. Так, при общем затухании 30...40 дБ различие в затуханиях волн с горизонтальной и вертикальной поляризациями (так называемое дифференциальное затухание) Lдиф=Lгор‑Lверт достигает 6...8 дБ на частотах 20...30 ГГц. Дифференциальное затухание слабо зависит от частоты (при постоянном значении суммарного затухания), причем зависимость даже имеет обратный характер, т.е. Lдиф≈ 1/f. Это можно объяснить тем, что для внесения того же суммарного затухания на низкой частоте необходима большая интенсивность дождя, чем на высокой, и, следовательно, большее число и большие размеры капель, являющихся деполяризатором сигнала.
Кроссполяризационная компонента оценивается коэффициентом развязки кроссполяризованных сигналов (РКП), представляющим собой отношение мощностей сигналов с нормальной и ортогональной поляризациями. Зависимость РКП от затухания в дожде пoкaзывает, что при Lдиф≥20..30 дБ значение кроссполяризационной компоненты может достигать 15...10 дБ и представлять ощутимую помеху для приема. Частотная характеристика РКП при постоянной интенсивности дождя (рис. 6) подтверждает отмеченную ранее закономерность об уменьшении кроссполяризации сростом частоты и указывает на корреляцию РКП со среднестатистической интенсивностью дождя.
Все сказанное относится к радиоволнам с круговой поляризацией. Волны с линейной поляризацией, строго говоря, не должны порождать кроссполяризационных составляющих. Однако это справедливо для дождей с вертикальным падением и симметричной формой частиц. В действительности всегда имеет место наклонное падение, причем фактический наклон капель дождя не всегда соответствует наклону ливня, так как в общем ливне существуют капли положительным и отрицательным наклоном при общем дисбалансе, соответствующем наклону ливня. Из-за этих факторов линейно поляризованные радиоволны также
Рис. 6. Частотная зависимость кросполяризации от затухания в дожде.
будут испытывать деполяризацию, особенно когда наклон вектора поляризации отличен от угла наклона ливня.
Итак, Деполяризация сигнала на частотах выше 5 ГГц связана с поглощением радиоволн в гидрометеорах, и, следовательно статистическая количественная оценка этого явления должна коррелироваться со статистикой дождя.
Для средних климатических условий СНГ, где интенсивность дождя невелика, деполяризация будет приводить к появлению реальных помех РКП≤ 25дБ. Теоретически линейная (вертикальная) поляризация предпочтительнее круговой, и, хотя практическая реализация этих преимуществ во всей зоне обслуживания ИСЗ не всегда возможна, подавляющая часть спутниковых систем в диапазонах частот выше 10 ГГц работает с линейной поляризацией.
2.6. Шумы атмосферы, планет и приемных систем
При расчете спутниковых радиолиний важно определить полную мощность шумов, создаваемых на входе приемного устройства спутника и земной станции различными источниками.
Эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника
,
Где K(f) – частотная характеристика тракта ПЧ приемника.
Полная эквивалентная шумовая температура приемной системы, состоящей из антенны, волноводного тракта и собственно приемника, пересчитанная ко входу приемника
TΣ= TАηв+Tо(1‑ ηв)+ ТПр;
где TА — эквивалентная шумовая температура антенны; То — абсолютная температура среды (290К); ТПр — эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами; ηв — коэффициент передачи волноводного тракта.
Задачей является количественное определение составляющих, входящих в это уравнение.
Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:
TА=TК+Та+Тз+Та.з+Тш.А+Тоб,
которые обусловлены различными факторами: приемом космического радиоизлучения (TК); излучением атмосферы с учетом гидрометеоров (Та); излучением земной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны ( Тз ); приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли (Та.з); 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
где Тя(β,ψ) — яркостная температура излучения в направлении углов β,ψ в сферической системе координат; G(β,ψ) — коэффициент усиления антенны (относительно изотропного излучателя) в том же направлении.
Яркостная температура характеризует источники излучения и определяется как температура абсолютно черного тела, имеющего на данной частоте и в данном направлении такую же яркость, как рассматриваемый источник.
Для характеристики источников излучения с неравномерным распределением яркостной температуры используется понятие усредненной или эффективной температуры излучения
,
где ΩИ— телесный угол источника излучения.
Если угловые размеры источника излучения больше ширины главного лепестка диаграммы антенны ΩА, то Тср=Тя в противном случае
Тср=ТяΩИ/ ΩА.
Для упрощения расчетов примем усиление антенны постоянным и равным в пределах главного лепестка Gгл, а в пределах задних ил боковых лепестков также постоянным и равным Gбокi; тогда
Решая это уравнение для всех сосгавляющих шума (5.20) с учетом (5.21), получаем: для земной антенны
TА.з=Tя.к.(β)+Тя.а. (β)+с(Тя.з+Тя.а.з)+Тш.А+Тоб(β),
для бортовой антенны
TА.б=Tя.а+Тя.з+2сТя.к+Тш.А, где
‑ коэффициент, учитывающий интегральный уровень энергии боковых лепестков.
В зависимости от формы облучения поверхности зеркала антенны с = 0,2...0,4.
Первая составляющая температуры шумов антенны определяется яркостной температурой космического пространства. Основу его составляет радиоизлучение Галактики и точечных радиоисточников (Солнца, Луны, планет и некоторых звезд).
Из рис. видно, что 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; имеется также ряд локальных максимумов.
Солнце ‑ самый мощный источник радиоизлучения, которое может полностью нарушить связь, попав вглавный лепесток диаграммы направленности антенны. Однако вероятность такого попадания мала в связи с его малым угловым размером
Для геостационарного ИСЗ максимальное время прохождения опасной зоны составляет
,
где θ0,5 — ширина диаграммы направленности антенны; Vc и Vсп — соответственно угловые скорости Солнца и спутника относительно земной станции. Знак «плюс» относится к движению спутника в восточном направлении, знак «минус» — в западном. Следует отметить, что проекция спутника довольно редко проходит через центр солнечного диска; соответственно время прохождения опасной зоны оказывается меньше рассчитанного по приведенной формуле.
Точная дата и время «засветки» земных антенн солнечным диском обычно рассчитывают по данным орбиты ИСЗ и сообщают зеным станциям вместе с целеуказаниями спутника.
Следующий по мощности радиоисточник ‑ Луна. Она практически уже не может нарушить связи, так как ее яркостная температура не более 220 К. Остальные источники (планеты и радиозвезды) играют существенно меньшую роль, а вероятность встречи луча атенн с этими источниками меньше, чем с Солнцем, так как угловые размеры их малы.
Радиоизлучение земной атмосферы имеет тепловой характер и в полной мере обусловлено рассмотренным в поглощением сигналов в атмосфере. В силу термодинамического равновесия атмосфера излучает такое же количество энергии на данной частоте, которое поглощает. Раздельное вычисление температур спокойного неба и дождя с последующим их суммированием приведет к ошибке (примерно удвоит результат), поэтому вычисление следует проводить по формуле
.
Максимальная температура шумов неба не превышает 260 К и начинает играть существенную роль в диапазонах частот выше 5 ГГц. Радиоизлучением ионосферы в диапазоне частот выше 1 ГГц можно пренебречь, так как поглощение в ионосфере обратно пропорционально квадрату частоты.
Яркостная температура Земли определяется ее кинетической температурой T0=290 К и коэффициентом отражения электромагнитной энергии от поверхности Земли:
Тя.з=Т0з(1‑Ф)2.
Комплексный коэффициент отражения определяется известными формулами Френеля для вертикальной и горизонтальной поляризации.
вид и характер земной поверхности, попадающей взону видимости антенны. Для бортовых антенн с глобальным охватом следует принимать Тя.з=260 К; для антенн с узкими лучами Тя.з может составлять 100...260 К.
Яркостная температура излучения атмосферы, отраженного от Земли,
Тя.а.з= Тя.а.Ф2;
Так как на частотах выше 10 ГГц Та.з.≈ Т0з=290 К, то
Тz.з + Тя.а.з≈ 290 К,
т.е. отраженная от Земли компонента атмосферных шумов дополняет термодинамическое излучение Земли и в сумме они дают излучение с яркостной температурой, близкой к 290 К.
Рассмотрим составляющую шумов антенны, обусловленную омическими потерями в антенне:
,
где Т0=290 К; LM ‑ потери в материале зеркала антенны.
Современные металлические зеркальные антенны имеют весьма низкие потери, поэтому значения Тш.А достаточно малы.
Однако при использовании в спутниковых вещательных системах земных антенн из металлизированного стеклопластика удельный вес этих потерь может возрасти и потому подлежит практической оценке.
В некоторых случаях антенны земных станций укрывают от воздействия осадков радиопрозрачным обтекателем. Потери сигнала и соответствующий прирост шумов обычно невелики и могут практически не учитываться. Но во время интенсивных дождей на поверхности обтекателя образуется водяная пленка, которая является причиной заметного поглощения сигнала и возникновения вторичных шумов. Как показывают эксперименты, при интенсивности дождя 1 мм/ч прирост шумовой температуры составляет 4...8 К, а при интенсивности 10 мм/ч может достигать 12...20 К, причем нижние пределы соответствуют малым углам места антенны, а верхние ‑ β =90°.
Заключение
Помимо основного затухания в пространстве сигнал в линиях спутниковой связи подвержен влиянию большого числа других факторов, таких как поглощение в атмосфере, фарадеевское вращение плоскости поляризации, рефракция, деполяризация и т.д. С другой стороны, на приемное устройство спутника и земной станции кроме собственных флуктуационных шумов воздействуют разного рода помехи в виде излучения Космоса, Солнца и планет. В таких условиях правильный и точный учет влияния всех факторов позволяет осуществить оптимальное проектирование системы, обеспечить ее уверенную работу и в то же время исключить излишние энергетические запасы, приводящие к неоправданному увеличению сложности земной и бортовой аппаратуры.
Нормы на некоторые качественные показатели спутниковых каналов (в том числе на отношение сигнал-шум) имеют статистический характер. Это заставляет проводить количественную оценку возмущающих факторов также статистически, т.е. при расчетах вводить не только количественную меру воздействия того или иного фактора, но и вероятность его появления.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Спутниковая связь и вещание: Справочник. 3е изд., под ред. Л.Я. Кантора.М.: Радио и связь, 2000.‑528 с.
2. Учебное пособие: Космические и наземные системы радиосвязи. П.Я. Сивирин.