Конспект лекций по курсу: «Основы построения Земных станций и бортовых ретрансляторов». Часть 3: "Основные характеристики спутниковой линии связи" (Плотность потока энергии. Атмосферные потери)

3. ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СПУТНИКОВОЙ ЛИНИИ СВЯЗИ

3.1. Плотность потока энергии.

Обобщенная схема спутниковой линии связи представлена на рис. 3.1.

Рис. 3.1. Схема линии связи.

Электромагнитное поле, создаваемое на передающем пункте, характеризуется эффективной изотропной излучаемой мощностью (effective isotropic radiated power - EIRP), равной

,                                                                     (3.1.1)

где P_T - мощность пилот-сигнала на входе передающей антенной системы, которая поступает с выхода усилителя мощности;  - диаграмма направленности (ДН) в направлении , ориентированном на приемник. Величины углов  соответствуют азимуту и углу места, соответственно. Эти углы измеряют в координатной системе, совмещенной с передающей антенной. Плотность потока или интенсивность поля, создаваемая передатчиком на приемном пункте равна

,                                                                             (3.1.2)

где z - длина пути распространения волны от передатчика к приемнику и величина L_a определяет потери при распространении волны в атмосфере. Мощность сигнала на приемной антенне, площадь которой равна А_r и  плоскость которой перпендикулярна направлению на передатчик, определяют в виде

.                                                                    (3.1.3)

Площадь приемной антенны А_r выразим с помощью коэффициента усиления приемной антенны g_r в направлении на передатчик

,                                                                              (3.1.4)

где λ - длина волны принимаемого сигнала;  - азимут и угол места передатчика относительно системы координат, связанной с приемной системой. Подставляя последнее выражение в уравнение (3.1.3), получим

,                                                                   (3.1.5)

.                                                                                            (3.1.6)

Параметр L_p определяет эффективные потери, возникающие при распространении волны, и носит название потери на распространение в линии связи.

Часто мощность P_r выражают в децибелах

,                                            (3.1.7)

где каждый член выражен в децибелах.

Отметим, что КУ антенны (величина, которая всегда больше единицы), выраженный в децибелах, является положительной величиной. В то же самое время потери (величина, которая всегда меньше единицы), выраженные в децибелах, - отрицательная (вычитаемая) величина. Потери на распространение L_p в зависимости от частоты определяют как

.                                    (3.1.8)

График частотной зависимости (L_p)_dB для типичных спутниковых трасс распространения сигналов представлен на рис. 3.2.

3.2. Атмосферные потери

Земля окружена смесью различного рода газов, атомов, капель воды, загрязняющих веществ, которые удерживаются в гравитационных полях в слое высотой около 400 миль, образующем атмосферу Земли. Максимальная концентрация этих частиц находится вблизи Земли и убывает с высотой. Частицы, которые находятся в верхней части атмосферы (ионосферы), поглощают и отражают большую часть энергии излучения солнца. Поглощенная солнечная энергия затем переизлучается ионосферой во всех направлениях. В дополнение к этому, поглощенная энергия ионизирует атомы ионосферы, порождая зоны свободных электронов вокруг Земли. Эти электроны непосредственно взаимодействуют с любым электромагнитным полем, проходящим через них.

Потери мощности

Электромагнитные волны в процессе распространения испытывают потери мощности (L_p), которые увеличиваются обратно пропорционально квадрату пути распространения волны даже в свободном пространстве.

Дополнительные потери мощности возникают в результате поглощения и рассеяния электромагнитных волн на частицах, сконцентрированных в атмосфере. Этот эффект усиливается с ростом частоты до момента, когда длина волны становится сравнимой с характерными размерами частиц.

На рис. 3.3 и 3.4 соответственно представлены зависимости потерь как функции частоты и как функции угла места.