Графические модели

Как отмечено выше, графические модели могут иметь разный вид. Рассмотрим в общих чертах две графические модели, которые рекомендованы Международным союзом электросвязи (МСЭ) для оценки напряженности поля, создаваемой излучениями радиопередатчиков в диапазонах частот 10 кГц…30 МГц и 30…3000 МГц. Модели относятся к разным диапазонам частот и разным видам распространения электромагнитных волн и представлены в Рекомендациях МСЭ-Р P.368 и P.1546 [46], соответственно.

МСЭ-Р Рекомендация P.368-7 [45]. Рекомендация позволяет провести оценку напряженности поля и потерь при распространении электромагнитных колебаний земной волной в диапазоне частот от 10 кГц до 30 МГц. Предлагаемая модель, по существу, является детерминистской, поскольку представленные в рекомендации кривые являются теоретическими расчетными кривыми, полученными при следующих условиях:

– распространение радиоволн происходит над гладкой, однородной сферической Землей;

– передающая и приемная антенны находятся на поверхности земли;

– излучающий элемент – короткий вертикальный несимметричный вибратор;

– излучаемая мощность 1кВт.

Сигналы с вертикальной поляризацией, распространяющиеся земной волной, испытывают значительно меньшее ослабление, чем сигналы с горизонтальной поляризацией. Рекомендация содержит набор семейств параметрических кривых, которые дают значение вертикальной составляющей поля излучения и имеют вид:

Е = j(d), (11.1)

где Е – напряженность поля, создаваемая коротким вертикальным несимметричным вибратором, расположенным на поверхности земли и излучающим мощность 1 кВт, дБ(мкВ/м); d – расстояние от излучателя до точки приема, км.

Параметром кривых, представленных в каждом семействе, является частота. Параметрами семейств кривых являются электрические параметры земной поверхности: удельная проводимость почвы σ [С/м] и относительная диэлектрическая проницаемость почвы ε.

На рис. 11.4 представлено семейство кривых для определенных значений удельной проводимости и относительной диэлектрической проницаемости почвы.

Если частота сигнала не совпадает ни с одной из частот, для которых построены кривые, то напряженность поля на этой частоте определяется посредством линейной интерполяции напряженности поля между кривыми для ближайших частот, между которыми лежит интересующая частота.

Если напряженность поля определена из приведенных кривых, то базовые потери при распространения земной волной на трассе протяженностью
d, км, можно получить из уравнения:

L_b = 142+20 lg (f) – E, (11.2)

где L_b – основные (базовые) потери на трассе распространения, дБ; f – частота сигнала, МГц; E – напряженность поля на частоте f, дБ(мкВ/м), на расстоянии d, км, полученная с использованием кривых МСЭ-Р Рек. P.368-7.

Оценка потерь на трассе распространения на основе Рекомендации P.368 производится только для земной волны, когда отражения от ионосферы незначительны. Поскольку кривые, представленные в Рекомендации, относятся к однородным трассам, в приложении II к Рекомендации приводится методика использования этих кривых для смешанных трасс.

Для прогнозирования напряженности поля в системах «точка - область» МСЭ разработал универсальную графическую модель, реализованную в рекомендации P.1546. Модель построена аппроксимацией между кривыми ряда других графических моделей и предназначена для использования в системах радиовещания, системах наземной и морской подвижных радиослужб и некоторых фиксированных служб, где используются системы связи типа «точка - много точек».

МСЭ-Р Рекомендация P.1546-1. В рекомендации представлен набор семейств параметрических кривых вида

E = Y(d),

где E – напряженность поля, создаваемая передатчиком с эффективной излучаемой мощностью (ЭИМ) 1кВт на расстоянии d, км, от передатчика, дБ(мкВ/м).

Под эффективной излучаемой мощностью понимается произведение мощности, подведенной к антенне передатчика, на коэффициент усиления антенны относительно полуволнового диполя.

Диапазон рабочих частот, в котором может быть использована рекомендация, составляет 30…3000 МГц, а диапазон расстояний 1…1000 км.

Модель является статистической, поскольку представленные в ней кривые основаны на статистическом анализе экспериментальных данных для наземных трасс в зонах с умеренным климатом (Европа и Северная Америка) и данных для средних климатических условий по температуре, содержащих холодное и теплое моря (Северное и Средиземное моря).

На рис. 11.5 представлено одно семейство кривых из рассматриваемой Рекомендации.

В каждом семействе параметром кривых является высота передающей антенны h_T (в оригинале h₁). Высота передающей антенны, которая используется при расчетах, зависит от типа и длины трассы. Так для морских трасс в качестве высоты передающей антенны берется физическая высота антенны над поверхностью моря. Для наземных трасс протяженностью более 15 км используется эффективная высота антенны. В рекомендации эффективная высота антенны определена как разность между физической высотой антенны и средней высотой местности в диапазоне расстояний от передатчика от 3 км до 15 км в направлении на приемную антенну. Для ее вычисления необходима информация о рельефе местности, которую обычно получают из цифровых карт местности, используя подходящие геоинформационные системы. Для наземных трасс короче 15 км эффективную высоту передающей антенны рассчитывают также с использованием информации о рельефе местности, но применяя другой метод вычисления, представленный в Рекомендации.

Имеются определенные особенности использования кривых, связанные с высотой приемной антенны. Для морских трасс значение высоты приемной антенны взято 10 м (h_R = 10 м). Именно для такой высоты приемной антенны построены кривые зависимости напряженности поля от расстояния для трасс, проходящих над морем. Для сухопутных трасс кривые напряженности поля относятся к высоте приемной антенны, соответствующей типичной высоте хаотического рассеяния радиосигналов покрытием земли, окружающим приемную антенну. Типичные высоты хаотического рассеяния радиосигналов представлены значениями: 10 м – для пригородной зоны и сельской местности, 20 м – для городской зоны, и 30 м для городской зоны с плотной (высотной) застройкой. Минимальное значение высоты хаотического рассеяния определено значением 10 м.

В зависимости от истинного положения приемной антенны по отношению к предполагаемой высоте хаотического рассеяния применяются поправки к значениям напряженности поля, полученным непосредственно из приведенных кривых.

Семейства кривых различаются значениями параметров, которые отделяют одно семейство от другого и относятся ко всем кривым семейства. В число этих параметров входят: частота излучения передатчика, вид трассы (наземная, морская, холодное море, теплое море), а также параметры, характеризующие изменчивость напряженности поля во времени и пространстве. Изменчивость определяется процентом мест, в которых в пределах любой площадки размером 200 м × 200 м в течение определенного процента времени значение напряженности поля будет не ниже, чем значение, полученное из приведенных кривых. Для всех семейств кривых процент мест взят равным 50 %, а процент времени для разных семейств имеет значения 50 %, 10 % и 1 %.

Применение предлагаемых графиков для вычислений напряженности поля является достаточно сложной процедурой. Редко бывает так, чтобы и частота передатчика, и высота передающей антенн, и другие параметры, определяющие кривые, в точности соответствовали параметрам решаемой задачи. Поэтому рекомендация содержит описание ряда процедур, связанных с интерполяцией или экстраполяцией значений напряженности поля, получаемых из приведенных графиков и направленных на получение значений, соответствующих поставленной задаче, включая смешанные трассы.

Если на интересующем расстоянии напряженность поля получена, то можно рассчитать эквивалентные базовые потери

L_b = 139 + 20 lg (f) - E, (11.3)

где L_b – базовые (основные) потери передачи, дБ; f – частота, МГц; E – напряженность поля, дБ(мкВ/м), для 1кВт ЭИМ.

Представленное краткое описание двух графических моделей показывает трудности, связанные с их практическим применением. Во-первых, имеются определенные проблемы перевода графиков в цифровую форму, чтобы выполнять расчеты с использованием ЭВМ. Во-вторых, графические модели не могут быть представлены только графиками. Нужно еще описание методики их использования в ситуациях, отличных от тех, для которых построены графики.

Графические модели, используемые для решения задач частотно-территориального планирования и оценки ЭМС, обычно представляют зависимость E(d).