摘 要： 針對(duì)微波信號(hào)的固有特性和試驗(yàn)靶場(chǎng)的地理特征，對(duì)影響微波信號(hào)傳輸?shù)闹饕蛩剡M(jìn)行理論分析，并結(jié)合實(shí)踐運(yùn)用，對(duì)微波信號(hào)傳輸路徑選擇的基本要素和優(yōu)化方法進(jìn)行梳理總結(jié)，以期對(duì)相關(guān)使用維護(hù)人員提供借鑒。
關(guān)鍵詞： 微波通信； 傳輸路徑； 衰落因子； 試驗(yàn)靶場(chǎng)
白城兵器試驗(yàn)中心作為常規(guī)武器試驗(yàn)靶場(chǎng)，由于其武器裝備類型多、試驗(yàn)頻度大、測(cè)試點(diǎn)位分散，使得具有帶寬寬、布站靈活和多業(yè)務(wù)接入等特點(diǎn)的數(shù)字微波通信系統(tǒng)在試驗(yàn)中地位和作用越來(lái)越重要。目前，試驗(yàn)中心已擁有點(diǎn)對(duì)多點(diǎn)、點(diǎn)對(duì)點(diǎn)和機(jī)動(dòng)寬帶三套微波通信系統(tǒng)，豐富了靶場(chǎng)試驗(yàn)通信手段，提升了試驗(yàn)中心的試驗(yàn)?zāi)芰ΑＮ⒉窂绞俏⒉ㄍㄐ畔到y(tǒng)收發(fā)設(shè)備間的“橋梁”，其選擇結(jié)果直接影響整個(gè)系統(tǒng)運(yùn)行狀況，當(dāng)今，國(guó)內(nèi)外關(guān)于微波路徑選擇與優(yōu)化的研究成果雖然很多，但多數(shù)從單一因素進(jìn)行考慮，綜合效果并不理想。本文結(jié)合靶場(chǎng)工作實(shí)踐，通過分析多種因素提出優(yōu)選方法，以期使微波路徑的選擇更加簡(jiǎn)捷有效，信號(hào)傳輸更加穩(wěn)定可靠。
1 影響微波路徑的主要因素
1.1 地形地貌因素
微波通信工作頻率主要集中在1 GHz～20 GHz范圍內(nèi)，自由空間傳輸損耗是其主要能量損耗，計(jì)算公式為：
Ls=92.4+20 lg f+20 lg d (1)
式中,Ls(dB)表示損耗、d(km)為收發(fā)天線之間的距離、f (GHz)是系統(tǒng)的發(fā)射頻率[1]。
微波傳輸過程中除自由空間損耗外，還會(huì)受到路徑上樹木、建筑、山峰等障礙物的影響而損失部分能量；平滑地面或水面產(chǎn)生的反射波和直射波矢量相加，若相互抵消也會(huì)產(chǎn)生附加損耗。因此，為更好地分析地形地貌對(duì)微波傳播特性的影響，需要運(yùn)用費(fèi)涅爾區(qū)的概念。
如圖1所示，費(fèi)涅爾區(qū)是以收發(fā)端(T，R)為焦點(diǎn)的一系列不同短軸半徑(Fn)的旋轉(zhuǎn)球體的集合。第一費(fèi)涅爾區(qū)是微波傳播中能量主要集中區(qū)域，其半徑(F1)計(jì)算公式為：
實(shí)際工作中，要盡可能增加微波設(shè)備收發(fā)天線的高度，以增大傳輸路徑上高點(diǎn)與直射波之間的余隙，確保相對(duì)余隙hc/F1≥0.6,進(jìn)而避免地面反射帶來(lái)的影響。
1.3 大氣因素
對(duì)10 GHz以下的微波設(shè)備，大氣因素的影響主要表現(xiàn)在大氣的折射上。由于折射作用，使實(shí)際電波傳播不是按直線而是按曲線進(jìn)行，如圖3所示。
地球真實(shí)半徑為R0，其等效半徑為Re，ρ為電波傳播的曲率半徑。其關(guān)系式為：
2.2 斷面
微波通信傳輸路徑在選擇和設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮斷面，其目的是為了更好地確定不同種類地形地貌所形成的衰落與損耗。斷面的選取可參照“數(shù)字微波接力通信工程設(shè)計(jì)”中的相關(guān)規(guī)定，劃分為四種類型，劃分條件及特性如下[4]：
A型：斷面由山嶺、城市建筑物或兩者混合組成，中間無(wú)寬闊的河谷和湖泊。這類斷面，大氣比較干燥，多徑衰落的概率很小，等效地面反射系數(shù)小于0.5，即由地面反射波引起的接收電平值的下降不超過6 dB。
B型：斷面由起伏不大的丘陵地帶組成，中間無(wú)寬闊的河谷和湖泊。這類斷面由于地面起伏不大，對(duì)多徑衰落的影響不能忽略，等效地面反射系數(shù)小于0.7，即由地面反射波引起的接收電平值的下降小于10 dB。
C型：斷面由平地、水網(wǎng)較多的區(qū)域組成，氣候潮濕，大氣不均勻?qū)右鸬亩鄰剿ヂ浔容^嚴(yán)重。這類斷面，等效地面反射系數(shù)不小于0.7，地面反射波引起的接收電平值的下降超過10 dB。
D型：斷面是指跨越大型水面的路徑，如大江、大河、大型湖泊等。這類斷面，水面反射和大氣不均勻?qū)右鸬乃ヂ浔華、B、C型都嚴(yán)重，是對(duì)電波傳播穩(wěn)定性影響最大的斷面，其接收電平值的下降遠(yuǎn)大于15 dB。
以上分析表明，斷面特性決定了電波傳播的穩(wěn)定性。在實(shí)際組網(wǎng)和站址選擇時(shí)，應(yīng)盡量選取A型和B型斷面的傳播路徑，避免和減少處于C型和D型斷面的路徑。
3 優(yōu)化路徑選擇的方法
3.1 掌握衰落一般規(guī)律
引起微波通信信號(hào)衰落的原因是多方面的，可簡(jiǎn)要地歸納為地面反射、多徑傳播、大氣折射、雨霧吸收等。其一般規(guī)律如下：
(1)波長(zhǎng)越短，距離越長(zhǎng)，衰落越嚴(yán)重。
(2)夜間比白天嚴(yán)重，夏季比冬季嚴(yán)重。因白天有陽(yáng)光照射，空氣對(duì)流較好，冬季氣象變化比夏季緩慢。
(3)晴天、寧?kù)o天氣比陰天、風(fēng)雨天氣時(shí)嚴(yán)重。因晴天時(shí)大氣分層結(jié)構(gòu)容易形成，并不容易消散，從而產(chǎn)生多徑傳播。
(4)路徑中有水面的電路比全是陸地電路衰落更嚴(yán)重。
(5)平地電路比丘陵山區(qū)電路衰落更嚴(yán)重。
3.2 進(jìn)行衰落可靠性估值
根據(jù)概率論方法，衰落特性的分布函數(shù)服從于廣義的瑞利分布。通過各國(guó)的統(tǒng)計(jì)測(cè)試，衰落深度概率較為通用的經(jīng)驗(yàn)公式為：
式中，Pr為衰落深度概率，d為站距(km)，f為工作頻率(GHz)，K為環(huán)境條件因子，Q為地形條件因子，VdB為衰落深度(又稱衰落儲(chǔ)備值)。衰落深度指正常接收電平與接收機(jī)門限電平的差值。因國(guó)家和地域不同，對(duì)式(7)中因子的取值各不同。我國(guó)選用了日本、美國(guó)的折中值，與西北歐的取值接近。
在我國(guó)習(xí)慣用中斷率指標(biāo)來(lái)反映通信系統(tǒng)的可靠性，高可靠性要求達(dá)到10－7。對(duì)于微波通信，通常用系統(tǒng)的衰落深度概率來(lái)表示中斷率[5]。以機(jī)動(dòng)寬帶微波通信系統(tǒng)為例，由于試驗(yàn)中心靶場(chǎng)屬草原地區(qū)，K、Q乘積取值為1×10－9，B取值為1.2，C取值為3.5,頻率f為7 GHz，站距d按30 km計(jì)算，將Pr=10－7代入式(7),可求出其衰落深度VdB為26 dB,小于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的衰落深度值26.2 dB[6]，滿足系統(tǒng)高可靠性的要求。
3.3 把握選擇實(shí)施要點(diǎn)
靶場(chǎng)微波通信系統(tǒng)的路徑選擇，除要考慮上述固有因素外，還要結(jié)合靶場(chǎng)通信的特殊性，掌握實(shí)施要點(diǎn)，提高路徑選擇的科學(xué)性和合理性。
(1)要熟悉設(shè)備性能。對(duì)系統(tǒng)收發(fā)頻點(diǎn)、發(fā)射功率、通信距離、對(duì)外接口形式、業(yè)務(wù)容量等參數(shù)做到了如指掌。
(2)要進(jìn)行圖上作業(yè)。接到通信任務(wù)后，要在地圖上分析首區(qū)、落區(qū)、測(cè)試設(shè)備間的位置關(guān)系，計(jì)算站距、方位角、天線高度等。
(3)要進(jìn)行實(shí)地勘察。要在圖上作業(yè)的基礎(chǔ)上，進(jìn)行實(shí)地查驗(yàn)，觀察所選點(diǎn)位是否與地圖有出入，周邊環(huán)境是否滿足布站的安全保密要求。對(duì)于超出靶場(chǎng)范圍的陌生地域，實(shí)地勘察更是必不可少的環(huán)節(jié)。
(4)要檢測(cè)電磁環(huán)境。既要了解試驗(yàn)中心無(wú)線設(shè)備的頻率和發(fā)射功率，還要了解附近民用無(wú)線設(shè)備的頻率和發(fā)射功率，以確保設(shè)備工作在相對(duì)干凈的電磁空間內(nèi)。
(5)要搞好記錄總結(jié)。要將不同點(diǎn)位的路徑參數(shù)和設(shè)備工作情況做好統(tǒng)計(jì)、歸類，建立通信環(huán)境數(shù)據(jù)庫(kù)，為以后相同環(huán)境條件下系統(tǒng)的快速開通提供實(shí)踐依據(jù)。
本文通過對(duì)影響微波路徑選擇主要因素的分析，結(jié)合靶場(chǎng)通信特點(diǎn)，提出在不同條件下微波路徑選擇時(shí)要考慮的基本要素，總結(jié)了路徑選擇的規(guī)律和實(shí)施要點(diǎn)，以期使操作維護(hù)人員能夠?qū)⒗碚撆c實(shí)踐相結(jié)合，把握微波通信規(guī)律，掌握路徑優(yōu)選方法，因地制宜，科學(xué)合理地制定通信保障方案，發(fā)揮微波設(shè)備工作潛能，提高其穩(wěn)定性和可靠性，更好地為試驗(yàn)科研工作服務(wù)。同時(shí)，也為其他微波通信系統(tǒng)應(yīng)用單位提供一定的參考和借鑒。
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