При решении задачи радиосвязи внутри зданий одним из ключевых факторов является поглощение радиоволн в строительных конструкциях [1]. Этот фактор накладывает ограничение как на дальность радиосвязи, так и на возможный диапазон частот радиосвязи, поскольку практически все среды, включая и строительные материалы, характеризуются монотонно возрастающим с ростом частоты поглощением радиоволн. Поэтому при проектировании системы радиосвязи необходимо принимать в расчет поглощение радиоволн на выбранной частоте в "типовой" стене здания. Поглощение радиоволн происходит и в других элементах строительных конструкций (двери, окна, деревянные перегородки), однако на частотах до 10 ГГц ослабление сигнала в них не превышает 3-5 дБ, т.е. существенно меньше, чем в стенах и межэтажных перекрытиях, и если система спроектирована с учетом прохождения сигнала через стену или межэтажное перекрытие, она будет заведомо работоспособна при прохождении радиосигнала через окна и двери.

В последнее десятилетие активно развиваются системы радиосвязи на основе сверхширокополосных (СШП) сигналов диапазона частот 3-10 ГГц [2-5]. Благодаря использованию СШП сигналов с очень низкой спектральной плотностью (менее - 40 дБм/МГц), СШП системы связи не мешают традиционным узкополосным системам радиосвязи, работающим в указанном диапазоне частот. В то же время, благодаря сверхширокой полосе частот (более 500 МГц) СШП системы устойчивы к помехам, создаваемым для них традиционными узкополосными системами радиосвязи. Таким образом, реализуется эффективное использование спектрального ресурса. Системы радиосвязи на СШП сигналах предназначены для работы на относительно небольших расстояниях (до 30 м), в основном, внутри помещений, поэтому вопросы распространения СШП сигналов внутри зданий представляют существенный интерес.

В данной статье исследуются показатели ослабления радиоволн в стенах и межэтажных перекрытиях зданий. Анализируются данные, имеющиеся в литературе, полученные при помощи узкополосных зондирующих сигналов [6-15], а также приводятся полученные авторами результаты измерений ослабления СШП сигналов в стенах зданий. На основе этих данных получается верхняя оценка ослабления СШП сигнала в "типовой" стене современного здания, под которой будем понимать кирпичную или бетонную стену толщиной 30 см.

сверхширокополосной сигнал стена межэтажное перекрытие

2. Данные по ослаблению узкополосных сигналов в строительных материалах

Рис.2. Блок-схема измерения частотных зависимостей модуля и фазы коэффициента передачи через стены и перекрытия зданий

Затем антенны располагались на том же расстоянии X_У = X₁+X₂+t в широком проеме двери или в свободной от посторонних предметов части помещения и определялся коэффициент передачи S_21FS (f) в "свободном пространстве" в том же диапазоне частот. Разность этих коэффициентов, нормированная на толщину стены, определяет в первом приближении частотную зависимость погонного затухания в материале стены:

, дБ/м. (1)

Приближенность формулы (1) связана с необходимостью учета отражения радиоволны от стены и рефракционного увеличения амплитуды регистрируемой прошедшей волны. Первое приводит к завышению поглощения в материале стены, а второе - к его занижению. Оба эти поправки могут быть точно учтены, если известна диэлектрическая комплексная проницаемость материала ?, которая, в свою очередь, определяется из графиков поведения фазы радиоволны при прохождении через материал стены. Измерения проводились в Аудиторном и Главном корпусах МФТИ. В эксперименте средние измеренные значения проницаемости стен и перекрытий составляли ? ? 3,5…4,0.

На рис.3а приведена частотная зависимость погонного затухания во внутренней практически сухой кирпичной стене (влажность кирпичной кладки 2…3%) Аудиторного корпуса. Мелкомасштабные колебания функции затухания на частотах выше 3,5…4,0 ГГц обусловлены рассеянием радиоволн на неоднородностях кирпичной кладки, а также переотражениями сигнала внутри помещения с приёмной антенной.

Последний частотный отрезок, где сглаженная функция вместо монотонного спада выходит на приблизительно постоянный уровень, указывает на другую природу мелкомасштабных осцилляций. Они в большей степени обусловлены многократными переотражениями сигнала, прошедшего через стену внутрь комнаты, от наиболее удаленных отражающих поверхностей (потолок, стены, крупная мебель и т.п.).

Погонное затухание во внешней стене этого же здания (см. рис.3б) несколько выше, что связано с большей влажностью (3…5%) этой стены сравнению с внутренней стеной. Как видно из этих рисунков, на частоте 2,4 ГГц погонное затухание составляет 24 и 37 дБ/м (в пересчете на стену толщиной 30 см затухание составляет 7 и 11 дБ); на частоте 4 ГГц затухание в стене толщиной 30 см составляет соответственно 10 и 15 дБ/м.

Измерения погонного затухания железобетонного межэтажного перекрытия проведены в Главном корпусе МФТИ (рис.4). Измерения выполнены для двух поляризаций: Ех - поперек силовой продольной арматуры и Еу - вдоль нее. Разница погонных затуханий до середины диапазона весьма ощутима и на отдельных частотах превышает 10 дБ. При ориентации вектора электрического поля вдоль основной силовой арматуры (Еу) большее эффективное погонное затухание обусловлено экранированием поля. На более высоких частотах, когда половина длины волны ?/2 становится меньше расстояния между стержнями силовой арматуры, разница погонных затуханий для разных поляризаций постепенно уменьшается. Следует также отметить заметно большую величину затухания по сравнению с кирпичной кладкой.

4. Измерение параметров поглощения сверхширокополосного сигнала

Данные из источников [6-15] и из эксперимента в разделе 3 получены для узкополосных сигналов. Представляет интерес исследование характеристик прохождения сверхширокополосных сигналов через стеновые материалы и сравнение их с данными для узкополосных измерений.

Такие измерения проводились при помощи так называемых прямохаотических СШП приемопередатчиков. Сигнал этих приемопередатчиков представляет из себя СШП хаотические радиоимпульсы длительностью 100 нс диапазона 3-5 ГГц. Приемник этих приемопередатчиков построен на логарифмическом детекторе, т.е. напряжение на выходе детектора пропорционально логарифму мощности входного сигнала , т.е.

. (2)

Коэффициент пропорциональности S называют крутизной детектора. В данном эксперименте использован логарифмический детектор AD8317, имеющий крутизну S = 22 мВ/дБ [16]. Антенны передатчика и приемника ненаправленные.

Схема эксперимента практически совпадает со схемой на рис.2. Измерения проводились в конференц-зале Институт радиотехники и электроники им.В.А. Котельникова РАН. Стена между конференц-залом и коридором имеет толщину t = 64 см. В нескольких местах стены имеются выборки, в которых толщина стены составляет t = 34 см.

Передатчик располагался в конференц-зале, приемник по другую сторону стены в коридоре шириной около 3 м. Измерялось напряжение на выходе логарифмического детектора приемника. Затем приемник и передатчик располагались на таком же расстоянии в конференц-зале (выполняющем роль "свободного пространства"), и снова замерялось напряжение на выходе логарифмического детектора. Ослабление сигнала в стене оценивалось по формуле

, дБ/м. (3)

Амплитуда хаотических радиоимпульсов оценивалась при помощи цифрового осциллографа Tektronix DPO-4054. Точность описанной схемы измерений составляет около 1 дБ.

Измерялось ослабление сигнала в кирпичных стенах толщиной t = 34 и 64 см. Для каждой стены измерения проводились в трех различных положениях (см. рис.5):

1) Передатчик и приемник прижаты к стене.

2) Передатчик прижат к стене, приемник находится за стеной на расстоянии 1 м от передатчика.

3) Передатчик прижат к стене, приемник находится за стеной на расстоянии 2 м от передатчика.

Рис.5. Схема расположения передатчиков (T) и приемников (R) в эксперименте по измерению ослабления СШП сигналов

При анализе результатов эксперимента необходимо принимать во внимание отражение СШП сигнала на стены при нормальном падении радиоволны и "фокусировку" волнового потока вследствие рефракции. При падении радиоволны на поверхность раздела двух сред с различными показателями преломления часть волны отражается обратно. Коэффициенты отражения S₁₁ и прохождения S₂₁ (по мощности) определяются формулами

, (4)

где n₁, n₂ - показатели преломления сред [17]. В диапазоне частот 3-5 ГГц действительная часть диэлектрической проницаемости кирпича и бетона меняется слабо и составляет , поэтому при расчетах можно брать n₁ = 1 (воздух), n₂ = 1,9-2 (стена), тогда от стены отражается примерно 10% сигнала. Неучет этого эффекта приводит к завышению значения ослабления Q примерно на 0,5 дБ.

Второй фактор - "фокусировка" радиоволны вследствие рефракции, приводит к занижению величины поглощения, как поясняется на рис.6. Сферическая радиоволна, распространяющаяся из точки О₁, при переходе из среды с показателем преломления n₁ в среду с показателем n₂ и снова в среду с показателем n₁ "прижимается" с оси О₁О₂.

Рис.6. Сужение ("фокусировка") радиоволны при прохождение через стену

Пусть приемник располагается в точке О₂. Если бы стены не было, то радиус конуса с углом раскрыва ? с вершиной в точке О₁ на расстоянии (H₁+t+H₂) составлял бы R_i. При наличии стены с радиус конуса составит R_f. Таким образом, в первом приближении, энергия передатчика в этом конусе в первом случае распределяется на площади , а во втором случае - на площади . Тогда относительное усиление сигнала в приемнике (при отсутствии поглощения в стене) составит

, (5)

где . Вдоль оси О₁О₂ () усиление составляет

. (6)

Усиление вследствие рефракции максимально, если приёмник и передатчик прижаты к стене (H₁ = H₂ = 0), (3 дБ). С увеличением расстояния приёмника и передатчика до стены этот эффект быстро уменьшается.

С учетом рассмотренных факторов, результаты измерений поглощения Q в положениях 1-3 составили:

1) Q » 2,5 ±--1 дБ;

2) Стена 34 см Q » 5,5 ± 1 дБ.

Стена 64 см Q » 9,5 ± 1 дБ

3) Стена 34 см Q » 3 ± 1 дБ

Стена 64 см Q » 6 ± 1 дБ.

Таким образом, в ходе экспериментов было установлено, что если приёмник и передатчик установлены на расстоянии нескольких сантиметров от стены (по разные стороны) стена вносит меньше всего ослабления - около 2,5 дБ с учетом рефракции.

Разброс измеренных данных может объясняться как относительно невысокой точностью измерений (?1 дБ), так и локальными характеристиками материала стен. Кроме того, меньшие показатели поглощения в случае 3 по сравнению со случаем 2 можно объяснить влиянием волны, отраженной от второй стены коридора.

Кроме прямых измерений, оценки ослабления сигнала в стене можно сделать путем анализа дальности действия пары приемопередатчиков в режиме "точка - точка". Если максимальная дальность действия пары приемопередатчиков в условиях прямой видимости (без препятствия) составляет l₁ ? 13 м, при работе через кирпичную стену толщиной t = 64 см дальность действия системы связи уменьшается до l₂ ? 4 м (антенны приемопередатчиков ненаправленные; радиоволна падает на стену нормально). Расчет по формуле l₁ⁿ = Sl₂ⁿ, где n - показатель затухания сигнала в пространстве, n = 2, показывает, что стена вносит дополнительное ослабление порядка S = 10 дБ. При прохождении через кирпичную стену толщиной t = 34 см дальность действия системы связи падает приблизительно в два раза, что означает, что такая стена вносит дополнительное ослабление порядка S = 6 дБ.

Усредняя данные измерений и оценок, делаем следующий вывод: ослабление СШП сигнала диапазона 3-5 ГГц в кирпичной стене составляет:

~ 5-7 дБ в стене 34 см;

~ 6-10 дБ в стене 64 см.

5. Заключение