Распространение в прямой видимости - Line-of-sight propagation

Распространение прямой видимости на антенну

Распространение в пределах прямой видимости - это характеристика распространения электромагнитного излучения или акустических волн, что означает, что волны распространяются по прямому пути от источника к приемнику. Электромагнитная передача включает в себя световое излучение, распространяющееся по прямой линии . Лучи или волны могут дифрагировать , преломляться , отражаться или поглощаться атмосферой и препятствиями с материалом и, как правило, не могут распространяться за горизонт или за препятствиями.

В отличие от распространения по линии прямой видимости, при низкой частоте (ниже примерно на 3  МГц ) за счет дифракции , радиоволны могут перемещаться в наземных волн , которые следуют по контуру Земли. Это позволяет радиостанциям AM передавать за горизонт. Кроме того, частоты в коротковолновых диапазонах между приблизительно 1 и 30 МГц могут быть преломлены обратно на Землю ионосферой , что называется небесной волной или " пропущенным " распространением, что дает возможность радиопередачи в этом диапазоне потенциально глобально распространяться.

Однако на частотах выше 30 МГц ( ОВЧ и выше) и на более низких уровнях атмосферы ни один из этих эффектов не является значительным. Таким образом, любое препятствие между передающей антенной ( передатчиком ) и приемной антенной ( приемником ) будет блокировать сигнал, как и свет, который может воспринимать глаз. Следовательно, поскольку способность визуально видеть передающую антенну (без учета ограничений разрешения глаза) примерно соответствует способности принимать от нее радиосигнал, характеристика распространения на этих частотах называется «прямой видимостью». Самая дальняя возможная точка распространения называется «радиогоризонтом».

На практике характеристики распространения этих радиоволн существенно различаются в зависимости от точной частоты и мощности передаваемого сигнала (функция как передатчика, так и характеристик антенны). Радиовещание FM- радио, работающее на сравнительно низких частотах около 100 МГц, меньше подвержено влиянию зданий и лесов.

Ухудшение распространения в прямой видимости

Объекты в зоне Френеля могут мешать прямой видимости, даже если они не блокируют геометрическую линию между антеннами.

Маломощные микроволновые передатчики могут быть заблокированы ветвями деревьев или даже сильным дождем или снегом. Присутствие объектов вне зоны прямой видимости может вызвать дифракционные эффекты, нарушающие радиопередачу. Для наилучшего распространения в объеме, известном как первая зона Френеля, не должно быть препятствий.

Отраженное излучение от поверхности окружающей земли или соленой воды также может нейтрализовать или усилить прямой сигнал. Этот эффект можно уменьшить, подняв одну или обе антенны дальше от земли. Достигнутое снижение потерь известно как выигрыш по высоте .

См. Также « Распространение вне прямой видимости» для получения дополнительной информации об искажениях при распространении.

Когда прямая визуальная фиксация невозможна, важно учитывать кривизну Земли для расчета путей прямой видимости по картам. Конструкции для микроволновой печи , ранее использовали 4 / 3  радиуса Земли , чтобы вычислить расстояния вдоль пути.

Мобильные телефоны

Хотя частоты, используемые мобильными телефонами (сотовыми телефонами), находятся в пределах прямой видимости, они все еще работают в городах. Это стало возможным благодаря комбинации следующих эффектов:

• 1 / r  ⁴ распространения по ландшафту крыши
• дифракция в "уличный каньон" внизу
• многолучевое отражение вдоль улицы
• дифракция через окна и ослабленный проход через стены в здание
• отражение, дифракция и ослабленный проход через внутренние стены, полы и потолки внутри здания

Комбинация всех этих эффектов делает среду распространения мобильного телефона очень сложной с эффектами многолучевого распространения и обширными рэлеевскими замиранием . Для услуг мобильной связи эти проблемы решаются с помощью:

• размещение базовых станций на крыше или на холме
• множество базовых станций (обычно называемых «сотовыми узлами»). Телефон обычно видит не менее трех, а обычно до шести одновременно.
• «секторные» антенны на базовых станциях. Вместо одной антенны с всенаправленным покрытием станция может использовать всего 3 (сельские районы с небольшим количеством клиентов) или до 32 отдельных антенн, каждая из которых покрывает часть кругового покрытия. Это позволяет базовой станции использовать направленную антенну, которая направлена ​​на пользователя, что улучшает отношение сигнал / шум . Если пользователь перемещается (например, пешком или на автомобиле) от одного сектора антенны к другому, базовая станция автоматически выбирает подходящую антенну.
• быстрое переключение между базовыми станциями (роуминг)
• радиосвязь, используемая телефонами, представляет собой цифровую связь с обширным исправлением ошибок и обнаружением в цифровом протоколе
• достаточная работа мобильного телефона в туннелях при поддержке антенн с разделенным кабелем
• местные повторители внутри сложных транспортных средств или зданий

Клетка Фарадея состоит из проводника , который полностью окружает область со всех сторон, сверху и снизу. Электромагнитное излучение блокируется там, где длина волны больше, чем любые промежутки. Например, сигналы мобильных телефонов блокируются в металлических корпусах без окон, которые напоминают клетку Фарадея, таких как кабины лифтов и части поездов, автомобилей и кораблей. Та же проблема может повлиять на сигналы в зданиях с большой стальной арматурой.

Две станции, находящиеся вне прямой видимости, могут связываться через промежуточную станцию ретранслятора .

Радиогоризонт

Горизонт радио является локус точек , в которых прямые лучи от с антенны расположены по касательной к поверхности Земли. Если бы Земля была идеальной сферой без атмосферы, радио горизонт будет круг.

Радиогоризонт передающей и приемной антенн можно сложить вместе, чтобы увеличить эффективную дальность связи.

На распространение радиоволн влияют атмосферные условия, ионосферное поглощение и наличие препятствий, например гор или деревьев. Простые формулы, учитывающие влияние атмосферы, дают диапазон как:

${\ displaystyle \ mathrm {горизонт} _ {\ mathrm {mi}} \ приблизительно 1,23 \ cdot {\ sqrt {\ mathrm {height} _ {\ mathrm {feet}}}}}$

${\ displaystyle \ mathrm {horizon} _ {\ mathrm {km}} \ приблизительно 3,57 \ cdot {\ sqrt {\ mathrm {height} _ {\ mathrm {meter}}}}}$

Простые формулы дают наилучшее приближение максимального расстояния распространения, но их недостаточно для оценки качества обслуживания в любом месте.

Выпуклость Земли и эффект атмосферы

Земляная выпуклость - это термин, используемый в телекоммуникациях . Это круговой сегмент земного профиля, который блокирует связь на большие расстояния. Поскольку геометрическая линия прямой видимости проходит на разной высоте над Землей, распространяющаяся радиоволна встречает несколько иные условия распространения по трассе. Обычный эффект снижения давления атмосферы с высотой, чтобы согнуть радиоволны вниз по направлению к поверхности Земли, эффективно увеличивая радиус Земли и расстояние до радиогоризонта, с коэффициентом около 4 / 3 . Этот k-коэффициент может отличаться от своего среднего значения в зависимости от погоды.

Геометрическое расстояние до горизонта

R - радиус Земли, h - высота передатчика (преувеличено), d - расстояние прямой видимости.

Допуская идеальную сферу без неровностей местности, можно легко вычислить расстояние до горизонта от высотного передатчика (т. Е. Линия прямой видимости).

Пусть R - радиус Земли, а h - высота телекоммуникационной станции. Расстояние прямой видимости d этой станции определяется теоремой Пифагора ;

${\ displaystyle d ^ {2} = (R + h) ^ {2} -R ^ {2} = 2 \ cdot R \ cdot h + h ^ {2}}$

Поскольку высота станции намного меньше радиуса Земли,

${\ Displaystyle д \ приблизительно {\ sqrt {2 \ cdot R \ cdot h}}}$

Если высота указана в метрах, а расстояние - в километрах,

${\ displaystyle d \ приблизительно 3,57 \ cdot {\ sqrt {h}}}$

Если высота указана в футах, а расстояние - в законных милях,

${\ displaystyle d \ приблизительно 1,23 \ cdot {\ sqrt {h}}}$

Отраженное расстояние до горизонта

Приведенный выше анализ не учитывает влияние атмосферы на путь распространения радиочастотных сигналов. Фактически, радиочастотные сигналы не распространяются по прямым линиям: из-за преломляющих эффектов атмосферных слоев пути распространения несколько искривлены. Таким образом, максимальная дальность действия станции не равна прямой видимости (геометрической). Обычно в приведенном выше уравнении используется коэффициент k , измененный следующим образом:

${\ displaystyle d \ приблизительно {\ sqrt {2 \ cdot k \ cdot R \ cdot h}}}$

k  > 1 означает геометрически уменьшенную выпуклость и больший диапазон обслуживания. С другой стороны, k  <1 означает более короткий диапазон обслуживания.

В нормальных погодных условиях k обычно выбирают равным 4 ⁄ 3 . Это означает, что максимальный диапазон обслуживания увеличивается на 15%.

${\ displaystyle d \ приблизительно 4,12 \ cdot {\ sqrt {h}}}$

для h в метрах и d в километрах; или же

${\ displaystyle d \ приблизительно 1,41 \ cdot {\ sqrt {h}}}$

для h в футах и d в милях.

Но в штормовую погоду k может уменьшиться, что приведет к замиранию передачи. (В крайних случаях k может быть меньше 1.) Это эквивалентно гипотетическому уменьшению радиуса Земли и увеличению выпуклости Земли.

Например, в нормальных погодных условиях радиус действия станции на высоте 1500 м относительно приемников на уровне моря можно найти как

${\ displaystyle d \ приблизительно 4,12 \ cdot {\ sqrt {1500}} = 160 {\ mbox {км.}}}$

Смотрите также

• Аномальное распространение
• Напряженность поля в свободном пространстве
• Эффект лезвия ножа
• Мультилатерация
• Распространение вне прямой видимости
• Загоризонтный радар
• Радиальный (радио)
• Райсовское замирание , стохастическая модель распространения в прямой видимости
• Наклонная дальность

Рекомендации

•  Эта статья включает  материалы, являющиеся общественным достоянием, из документа Управления общих служб : «Федеральный стандарт 1037C» .(в поддержку MIL-STD-188 )

Внешние ссылки

• http://web.telia.com/~u85920178/data/pathlos.htm#bulges
• Статья о важности прямой видимости для приема в диапазоне УВЧ
• Уровни затухания через крышу
• Аппроксимация 2-лучевой модели с использованием биномиальных рядов Мэтью Базаджяна