Радиотехнические параметры, влияющие на качество организации спутниковой линии связи

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Федеральное агентство по образованию

Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования

Сибирский государственный аэрокосмический университет имени академика М.Ф. Решетнева

Кафедра ЭТТ

Реферат

Радиотехнические параметры, влияющие на качество организации спутниковой линии связи

Красноярск 2010

Оглавление

спутниковый антенна поляризация сигнал рефракция

Введение

1. Уравнения связи для спутниковых линий

2. Факторы, вызывающие ослабление сигнала в линии

2.1 Поглощение энергии сигнала в атмосфере

2.2 Потери из-за рефракции и неточности наведения антенн

2.3 Фазовые эффекты в атмосфере

2.4 Потери из-за несогласованности поляризаций антенн

2.5 Деполяризация радиоволн в атмосфере

2.6 Шумы атмосферы, планет и приемных систем

Заключение

Список литературы

Введение

Линии спутниковой связи состоят из двух участков: Земля-спутник и спутник-Земля. В энергетическом смысле оба участка оказываются напряженными, первый _ из-за стремления к уменьшению мощности передатчиков и упрощению земных станций, второй _ из-за ограничений на массу, габаритные размеры и энергопотребление бортового ретранслятора, лимитирующих его мощность. Основная особенность спутниковых линий _ наличие больших потерь сигнала, обусловленных затуханием (ослаблением и рассеянием) его энергии на трассах большой физической протяженности. При высоте орбиты ИСЗ 36 тыс. км затухание сигнала на трассе может достигать 200 дБ.

Ниже рассматриваются важнейшие уравнения для спутниковой линии связи, дающие сведения о важных параметрах и их взаимосвязи, а также факторы вызывающие столь сильное ослабление сигнала в линии.

1. Уравнения связи для спутниковых линий

Структурная схема одного участка линии связи и диаграмма уровней сигнала приведены на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема одного участка спутниковой линии связи и диаграмма уровней сигнала

Эквивалентная изотропно излучаемая мощность (ЭИИМ) передающей станции

; (1)

где _ эффективная мощность на выходе передатчика; _ коэффициент передачи (по мощности) волноводного тракта (КПД тракта); G_пер _ коэффициент усиления передающей антенны относительно изотропного излучателя.

Затухание энергии сигнала в свободном пространстве, определяемое уменьшением плотности потока мощности при удалении от излучателя

; (2)

где _ длина волны; d _ наклонная дальность (расстояние между передающей и приемной антеннами).

Кроме этих основных потерь на трассе присутствуют и другие дополнительные потери на трассе L_?=L₀L_доп;

В точке приема установлена антенна с коэффициентом усиления G_пр, связанная с приемником волноводным трактом с коэффициентом передачи з_пр. При согласовании волновых сопротивлений антенны, элементов тракта и приемника мощность сигнала на входе приемника

; (3)

Полученное выражение пригодно для расчета любых радиолиний прямой видимости. Когда параметры антенны заданы в виде эффективной площади ее апертуры связанной с коэффициентом усиления соотношением предыдущие выражение может быть представлено в виде

; (4)

Данная формула позволяет определить необходимую мощность передатчика по заданному значению мощности сигнала на входе приемника. Отметим, что в нее не входит длина волны л. Следовательно, когда передающая антенна имеет постоянный коэффициент усиления на всех частотах, а приемная _ постоянную эффективную площадь апертуры (т.е. сохраняет способность 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 L_доп в значительной степени определяется диапазоном частот).

При расчете линии часто оказывается заданной не мощность сигала на входе приемника, а отношение сигнал-шум на входе приемника (P_cP_ш)_вх (тогда в (3) следует подставить

P_пр=P_ш(P_cP_ш)_вх,

где P_ш _ полная мощность шума на входе приемника.

Поскольку в диапазонах частот, где работают спутниковые системы, шумы, создаваемые различными источниками, имеют аддитивный характер, их суммарная мощность достаточно полно выражается формулой

P_ш = kT_? ?f_ш, (4)

где k=1,38•10²³ Вт/Гц•град. _ постоянная Больцмана; T_?_ эквивалентная шумовая температура всей приемной системы с учетом внутренних и внешних шумов, ?f_ш -- эквивалентная (энергетическая) шумовая полоса приемника.

В ряде случаев при расчете энергетики спутниковых линий необходимо знать напряженность электромагнитного поля, создаваемого излучением ИСЗ на поверхности Земли А_о, или плотность потока мощности излучения ИСЗ у поверхности Земли W:

;

;

где r₀ = 120ф -- волновое сопротивление свободного пространства; единицей величины A₀ является милливатт на метр (мВ/м), единицей величины W -- ватт на квадратный метр (Bt/m²).

В свою очередь, мощность сигнала ИСЗ, воспринимаемая земной приемной антенной с эффективной площадью апертуры S_np, может быть определена через плотность потока и напряженность поля следующим образом:

;

Приведенные формулы устанавливают связь между основными параметрами линии и являются исходными соотношениями для вывода уравнений, описывающих энергетику спутниковых линий.

Структурная схема и диаграмма уровней сигналов линий спутниковой связи, состоящей из двух участков, приведены на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема и диаграмма уровней сигналов линий спутниковой связи, состоящей из двух участков

Для этих участков справедливы следующие соотношения:

для участка Земля-спутник.

,

Где P_ш.б = kT_?б ?f_ш.б ;

Здесь и далее всем показателям, относящимся к земной аппаратуре, присваивается индекс «з», а показателям, относящимся к бортовой аппаратуре, индекс «б»; величины, относящиеся к участку Земля-спутник, имеют индекс «1», относящийся к участку спутник-Земля _ индекс «2».

для участка спутник-Земля

,

Где P_ш.з = kT_?з ?f_ш.з ;

Установим 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 шум-сигнал на конце

(5)

Отношение сигнал-шум на каждом из участков должно быть выше, чем на конце линии:

; ; (6)

где a›1, b›1.

Из (5.5) и (5-6) следует, что

a=b/b_1 и b=a/a_1; (7)

Выражения (7) позволяют распределить заданное отношение по двум участкам линии связи. Например, задавшись превышением отношения сигнал-шум на участке спутник-Земля, равным 1дБ (b =1,26), найдем, что необходимое превышение на участке Земля-спутник должно составлять 7 дБ (a?5). Приведенное распределение коэффициентов запаса а и b предполагает, что шумовые полосы бортового ретранслятора и земного приемника равны; если ?f_ш.з<?f_ш.б, то мощность шума на входе бортового приемника следует вычислять в полосе ?f_ш.з.

С учетом изложенного уравнения дли линии спутниковой связи, состоящей из двух участков, имеют вид:

для участка Земля-спутник

(8)

для участка спутник-Земля

(9)

2. Факторы, вызывающие ослабление сигнала в линии

2.1 Поглощение энергии сигнала в атмосфере

Прежде чем воспользоваться для расчета уравнениями приведенными выше, необходимо дать количественное определение входящих в них дополнительных потерь энергии сигнала и шумов внешнего (атмосферного) и внутреннего (аппаратурного) происхождения.

В диапазонах частот, выделенных для спутниковых систем, влияние атмосферы проявляется в виде ослабления (поглощения) радиоволн в тропосфере и ионосфере, искривления траектории радиолуча в результате рефракции, изменения формы и вращения плоскости поляризации радиоволн и появления помех, обусловленных тепловым излучением атмосферы и шумами поглощения.

Поглощение радиоволн в атмосфере количественно определяется коэффициентом L_a. Установлено, что в диапазонах частот выше 500 МГц основное поглощение определяется тропосферой, точнее, газами тропосферы _ кислородом и водяными парами, а также дождем и прочими гидрометеорами (ионосфера и остальные газы тропосферы, например двуокись углерода или азот, играют малую роль).

Для количественной оценки удобно воспользоваться следующим представлением:

,

где и _ коэффициенты погонного поглощения (дБ/км) в кислороде и водяных парах; l₁ .и l₂ -- эквивалентная длина пути сигнала в этих средах соответственно.

Поглощение имеет ярко выраженный частотно-зависимый характер; наблюдаются резонансные пики на частотах 22 и 165 ГГц (для водяных паров), а также 60 и 120 ГГц (для кислорода).

Эквивалентная длина пути сигнала в стандартной атмосфере, очевидно, зависит не только от эквивалентной толщины атмосферы, но и от угла места земной антенны в и высоты земной станции нал уровнем моря h₃:

;

Где =5,3 км, =2,1 км -- эквивалентная толщина слоя кислорода и водяных паров в стандартной атмосфере.

Результаты вычислений по этим формулам приведены на рис. 3; они определяют поглощение в спокойной (невозмущенной) атмосфере без гидрометеоров, которое представляет собой постоянную составляющую потерь, имеющих место в течение 100 % времени.

Рис. 3. Частотная зависимость поглощения радиоволн в спокойной атмосфере для различных углов места

Оценка затухания сигнала в гидрометеорах оказывается задачей более сложной, чем в спокойной атмосфере, поскольку в этом случае поглощение

;

зависит от вида гидрометеоров (дождь, снег, туман), интенсивности осадков, размеров зоны их выпадения и распределения интенсивности по зоне, а также от распределения размеров частиц гидрометеоров.

Эти факторы влияют как на коэффициент погонного поглощения L'_Д, так и на эквивалентную длину пути сигнала

l₃. Наибольшее ослабление сигнала вносят жидкие гидрометеоры -- дождь, туман, мокрый снег, ослабление в твердых структурах (град, сухой снег) значительно меньше. Наличие взвешенных частиц -- аэрозолей -- практически не влияет на поглощение сигнала и в обычных условиях может не учитываться.

Эквивалентная длина пути сигнала в дождевой зоне

;

где коэффициент F(е) учитывает неравномерность пространственного распределения интенсивности дождя, а h'_Д _ эквивалентная толщина дождевой зоны.

При больших интенсивностях дождя эквивалентная длина пути сигнала существенно меньше геометрической. При этом необходимо решить еще один важный вопрос _ о распределении вероятностей выпадения осадков различной интенсивности. Эта задача не поддается теоретическому решению и полностью базируется на экспериментальных данных метеорологии.

Затухание в дожде может быть весьма значительным (особенно в диапазоне частот выше 10 ГГц) и существенно влиять на энергетику спутниковых радиолиний. Одной из мер борьбы с этим влиянием является применение пространственно-разнесенного приема, при котором две земные станции, удаленные одна от другой на интервал r, км, принимают один и тот же сигнал от ИСЗ. Станции соединены между собой наземной линией, что позволяет объединить принятые ими сигналы и сформировать суммарный сигнал, менее подверженный затуханию в дожде, чем каждый из сигналов в отдельности. Физически это объясняется указанной локализацией сильных дождей, вследствие чего вероятность одновременного выпадения дождя в местах расположения обеих станций будет меньше вероятности выпадения дождя той же интенсивности на одной из станций. Пространственный разнос приемных станций -- весьма эффективное средство борьбы с ослаблением в осадках и может дать энергетический выигрыш более 10 дБ.

Следующим по своему значению влияющим фактором является поглощение радиоволн в облаках. Хотя эти ослабления даже в мощных конвекционных облаках (не дающих осадков) существенно меньше, чем в дожде, но вероятность и длительность значительно больше. Ввиду больших различий в форме, размерах, водности и температуре облаков в настоящее время не существует методики расчета, обеспечивающей высокую точность. В диапазонах частот 10...30 ГГц наличие облаков может приводить к продолжительным ослаблениям сигнала на 0,5…0,1 дБ, а в малых промежутках времени оно может достигать до 4…5 дБ при углах места в=10°.

Заметным поглотителем энергии радиоволн является туман. Интенсивность тумана измеряется дальностью предельной оптической видимости S, а его поглощающая способность L_T (дБ/км) определяется абсолютной влажностью с (г/м³), Связь этих параметров может быть представлена в виде эмпирических формул:

с ?3S^-4,3 L_T=0,483с/л².

Средняя вертикальная протяженность тумана обычно не превышает 0,5 км, зато горизонтальная протяженность может достигать 100 км. а продолжительность существования этой области может быть значительно больше, чем дождевой. Для климатических зон Европы в течение 99,9 % времени затухание сигнала не превышает 1 дБ.

В некоторых климатических районах на уровень принимаемых сигналов могут значительно влиять снег (особенно мокрый), а также град. Коэффициент погонного поглощения в сухом снеге и граде L'_cc значительно меньше, чем в дожде той же интенсивности. Поглощение, 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 или даже 6 раз большим, чем для дождя.

Ионосфера тоже влияет на условия прохождении радиоволн, но поглощение в ней на частотах выше I ГГц чрезвычайно мало и не превышает 2,5•10^-3 дБ даже при низких углах места антенны.

2.2 Потери из-за рефракции и неточности наведения антенн

Рефракция -- это искривление траектории сигнала при прохождении через атмосферу (ионосферу и тропосферу).

Ионосферную рефракцию (в градусах) можно определить по формуле:

д_и= _57,3cosв/f²sin³в;

из которой следует, что она обратно пропорциональна квадрату частоты и становится пренебрежимо малой при f> 5 ГГц.

Тропосферная рефракция не зависит от частоты. Для стандартной атмосферы при малых углах места постоянная (регулярная) составляющая рефракции (в градусах)

д_тр=(n-1)ctgв.

Полная рефракция д=д_и + д_тр представлена на рис. 4.

Рис. 4. Зависимость тропосферной(___) и ионосферной(- - -) рефракции от частоты

При автоматическом наведении антенн по максимуму приходящего сигнала влияние рефракции практически исключается.

Еще одна составляющая потерь -- потери из-за неточности наведения антенн земных станций на ИСЗ -- определяется угловым отклонением оси главного лепестка диаграммы направленности от истинного направления на ИСЗ, а также шириной и формой этого лепестка. Обычно пользуются одной из следующих аппроксимаций формы диаграммы в пределах основной части главного лепестка:

;

Тогда потери наведения

;

В современных системах наведения управление антенной обычно ведется по двум осям (например, азимутальной и угломестной). При этом угловую погрешность наведения по каждой из осей можно представить суммой трех компонент:

;

где ц_М _ угловая ошибка из-за несовершенства механической части системы (люфтов шестерен и деформаций зеркала); ц_фл _ флуктуационная ошибка из-за влияния шумов в каналах слежения; ц_V _ динамическая (скоростная) ошибка, обусловленная движением антенны при слежении.

Первая компонента зависит от конструкции антенны и обычно задается в паспортных данных; статистика ее не приводится; вторая вычисляется по ожидаемому отношению сигнал-шум в каналах приема и имеет гаусовское распределение. Третья зависит от скорости относительного перемещения ИСЗ и относительно наземного пункта, где расположена антенна.

2.3 Фазовые эффекты в атмосфере

С влиянием атмосферы связаны эффект Фарадея и вытекающее из него следствие -- фазовая дисперсия сигналов. Как известно, эффект Фарадея обусловлен тем, что при распространении линейно поляризованной волны через атмосферу под действием магнитного поля Земли эта волна как бы расщепляется на две волны левой и правой круговой поляризации, которые распространяются в ионосфере с различными скоростями. Следовательно, между ними появляется фазовый сдвиг, который приводит к повороту плоскости поляризации суммарной волны.

При некоторых упрощающих предложениях угол поворота плоскости поляризации:

.

Из этой формулы следует, что эффект Фарадея приводит к заметному изменению направления вектора поляризации на частотах ниже 5 ГГц; на частотах выше 10 ГГц с этим явлением можно не считаться.

Влияние этого эффекта сказывается в том, что при использовании для связи сигналов с линейной поляризацией будут возникать потери сигнала между коллинеарными антеннами (передающей и приемной) L_ф=20lg(cosш). Во избежание этого на частотах ниже 10 ГГц в спутниковых системах используется исключительно круговая поляризация; в более высокочастотных диапазонах фазовые эффекты не препятствуют применению линейной поляризации

Фазовые эффекты в атмосфере, точнее их частотно-зависимые характеры, приводят к фазовой дисперсии компонент передаваемых сигналов и, следовательно, к их искажению при приеме. Подобно фарадеевскому вращению, степень влияния этих эффектов обратно пропорциональна квадрату частоты. Полный сдвиг фазы сигнала , где р -- показатель преломления атмосферы; с -- скорость света; -- групповое время запаздывания сигнала.

Приближенное значение разности группового времени запаздывания ?ф для крайних составляющих широкополосного сигнала с полосой ?f должно быть таким, чтобы не было искажений передаваемых сигналов ?ф?f/<1. Наибольшая полоса сигнала, который может быть передан через атмосферу без фазовых искажений, составляет примерно 25 МГц в диапазоне 1 ГГц и возрастает до 270 МГц в диапазоне 4...6 ГГц.

2.4 Потери из-за несогласованности поляризаций антенн

Нормированный коэффициент передачи энергии между двумя антеннами в общем случае (когда обе антенны имеют эллиптическую поляризацию) имеет вид:

;

где e₁ и e₂ -- коэффициенты эллиптичности (отношение малой полуоси эллипса к большой) поляризации передающей и приемной антенн соответственно; ш -- угол между соответствующими полуосями эллипсов поляризации передающей и приемной антенн.

Рис. 5. Зависимость потерь из-за несогласованности приемной и передающей антенн от эллиптичности поляризации

На рис. 5 показаны кривые максимальных потерь при ш=90° для различных значений эллиптичности поляризации. При линейной поляризации обеих антенн коэффициент передачи получается максимальным тогда, когда оба вектора поляризации коллинеарны. Очевидно, что при связи через космические объекты это условие нарушается как вследствие изменения взаимного расположения объекта и земной станции, так и из-за рассмотренных фазовых эффектов в атмосфере. Поэтому в диапазонах частот 1…5 ГГц предпочтительной считается круговая поляризация; в диапазонах выше 10 ГГц выбор вида поляризации определяется в основном эффектами деполяризации сигналов в атмосфере.

Статистическая оценка поляризационных потерь не представляется возможной, поэтому при расчетах энергетики спутниковых линий следует принимать их существующими 100 % времени.

2.5 Деполяризация радиоволн в атмосфере

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 кросс поляризационной компоненты в точке приема. Так, при общем затухании 30...40 дБ различие в затуханиях волн с горизонтальной и вертикальной поляризациями (так называемое дифференциальное затухание) L_диф=L_гор_L_верт 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. L_диф? 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.

Кросс поляризационная компонента оценивается коэффициентом развязки кросс поляризованных сигналов (РКП), представляющим собой отношение мощностей сигналов с нормальной и ортогональной поляризациями. Зависимость РКП от затухания в дожде пoкaзывает, что при L_диф?20..30 дБ значение кросс поляризационной 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 с ростом частоты и указывает на корреляцию РКП со среднестатистической интенсивностью дождя.

Рис. 6. Частотная зависимость кросс поляризации от затухания в дожде

Все сказанное относится к радиоволнам с круговой поляризацией. Волны с линейной поляризацией, строго говоря, не должны порождать кросс поляризационных 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 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

T_У= T_Аз_в+T_о(1_ з_в)+Т_Пр;

где T_А -- эквивалентная шумовая температура антенны; Т_о -- абсолютная температура среды (290К); Т_Пр -- эквивалентная шумовая температура собственно приемника, обусловленная его внутренними шумами; з_в -- коэффициент передачи волноводного тракта.

Задачей является количественное определение составляющих, входящих в это уравнение.

Эквивалентная шумовая температура антенны может быть представлена в виде составляющих:

T_А=T_К+Т_а+Т_з+Т_а.з+Т_ш.А+Т_об ,

которые обусловлены различными факторами: приемом космического радиоизлучения (T_К); излучением атмосферы с учетом гидрометеоров (Т_а); излучением земной поверхности, принимаемым через боковые лепестки антенны (Т_з); приемом излучения атмосферы, отраженного от Земли (Т_а.з); собственными шумами антенны из-за наличия потерь в ее элементах (Т_ш.А); влиянием обтекателя антенны, если он имеется (Т_об). 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 Т_я(в,ш) -- яркостная температура излучения в направлении углов в,ш в сферической системе координат; G(в,ш) -- 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 Щ_И -- телесный угол источника излучения.

Если угловые размеры источника излучения больше ширины главного лепестка диаграммы антенны Щ_А, то Т_ср=Т_я в противном случае

Т_ср=Т_яЩ_И/ Щ_А.

Для упрощения расчетов примем усиление антенны постоянным и равным в пределах главного лепестка G_гл, а в пределах задних ил боковых лепестков также постоянным и равным G_бокi; тогда

Решая это уравнение для всех сосгавляющих шума (5.20) с учетом (5.21), получаем: для земной антенны

T_А.з=T_я.к.(в)+Т_я.а. (в)+с(Т_я.з+Т_я.а.з)+Т_ш.А+Т_об(в),

для бортовой антенны

T_А.б=T_я.а+Т_я.з+2сТ_я.к+Т_ш.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 в главный 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 и_0,5 -- 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 земным 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 антенн 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:

Т_я.з=Т_0з(1_Ф)².

Комплексный коэффициент отражения определяется известными формулами Френеля для вертикальной и горизонтальной поляризации.

вид и характер земной поверхности, попадающей в зону видимости антенны. Для бортовых антенн с глобальным охватом следует принимать Т_я.з=260 К; для антенн с узкими лучами Т_я.з может составлять 100...260 К.

Яркостная температура излучения атмосферы, отраженного от Земли,

Т_я.а.з= Т_я.а.Ф²;

Так как на частотах выше 10 ГГц Т_а.з.? Т_0з=290 К, то

Т_z.з + Т_я.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; L_M _ потери в материале зеркала антенны.

Современные металлические зеркальные антенны имеют весьма низкие потери, поэтому значения Т_ш.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 _ в =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.

Размещено на Allbest.ru