數(shù)字微波鏈路設(shè)計(jì)需要考慮的幾個(gè)問(wèn)題

陳 波

（作者單位：四川省廣播電視發(fā)射傳輸中心701監(jiān)控中心）

數(shù)字微波傳輸技術(shù)廣泛運(yùn)用于我國(guó)的廣播電視節(jié)目無(wú)線傳輸中。起源于上世紀(jì)90年代的數(shù)字微波傳輸系統(tǒng)是當(dāng)今通信的主流方式之一。要建立優(yōu)質(zhì)的數(shù)字微波傳輸鏈路那就有必要對(duì)微波通信鏈路設(shè)計(jì)中的關(guān)鍵參數(shù)及關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析。

數(shù)字微波鏈路設(shè)計(jì)中要考慮以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：一是自由空間傳播損耗；二是視距傳播的大氣效應(yīng)；三是微波傳輸?shù)牡孛嫘?yīng)。

1 自由空間傳播損耗

1.1 什么是自由空間

真空狀態(tài)下的理想空間我們稱之為自由空間。電磁波在自由空間傳播不會(huì)產(chǎn)生能量損耗的反射、折射、吸收和散射等物理現(xiàn)象。

1.2 自由空間傳播的損耗計(jì)算

微波在自由空間傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生損耗，因?yàn)殡姶挪ǖ哪芰繒?huì)向空間各個(gè)方向擴(kuò)散而衰減。

當(dāng)微波頻率f的單位是GHz時(shí)，傳輸距離d的單位是km時(shí)，其在自由空間傳播損耗為：

式中，d為兩個(gè)收發(fā)信天線間的距離；f為發(fā)信頻率；LS的單位是dB。

1.3 收信電平在自由空間傳播條件下的計(jì)算

設(shè)Gr(dB)，Gt(dB)(分別為收發(fā)天線增益；Lfr(dB),Lft((dB)分別為收發(fā)兩端饋線系統(tǒng)損耗；(Lbr(dB)，Lbt(dB)分別為收發(fā)兩端分路系統(tǒng)損耗。

微波接收機(jī)在自由空間傳播條件下的輸入電平為：

(1.2)其中，Pr為接收機(jī)輸入電平，Pt為發(fā)信機(jī)輸出電平，單位均為dBm。

2 視距傳播的大氣效應(yīng)

大氣層是微波的傳輸媒質(zhì)，大氣效應(yīng)是指由于大氣混合得不均勻，因此，存在對(duì)流、平流、湍流以及雨霧等大氣現(xiàn)象，并且是隨機(jī)產(chǎn)生的，這會(huì)使電磁波在地球大氣層傳輸過(guò)程中產(chǎn)生散射、折射、吸收等現(xiàn)象。這里主要討論大氣折射、大氣吸收衰減和雨霧衰減這三個(gè)方面。

2.1 大氣折射

大氣的成分、壓強(qiáng)、濕度和溫度都是隨著高度而變化，因而地球大氣層是不均勻的。這些變化因素引起大氣折射率伴隨著高度變化而變化，這將導(dǎo)致電磁波傳輸方向的改變，產(chǎn)生折射現(xiàn)象。

圖1

所有頻段上的折射現(xiàn)象都十分顯著，而且折射效應(yīng)的顯著程度主要取決于傳播路徑上的折射指數(shù)變化梯度和電波射線初始仰角。在某些氣象條件下，地球表面的電磁波受大氣折射影響其傳播軌跡向地面彎曲，當(dāng)彎曲程度超過(guò)地球表面的曲率時(shí)，電磁波會(huì)有一部分沿著一定厚度的大氣薄層內(nèi)傳播，這種傳播現(xiàn)象被稱為電磁波的大氣波導(dǎo)傳播。

大氣折射率N是指電磁波在自由空間的傳播速度C與電磁波在大氣中傳播速度U的比值：

以一定仰角發(fā)射的電磁波波束在標(biāo)準(zhǔn)大氣條件下，將略微向下彎曲。通常折射指數(shù)的水平變化非常微小，相對(duì)于垂直變化可忽略，對(duì)流層低層的折射指數(shù)n大約在1.00025～1.0004，非常接近于1。

2.2 大氣吸收衰減

各種帶電粒子組成了自然界中的各種物體，這些帶電粒子有著各自不同的固定電磁諧振頻率。當(dāng)電磁波頻率接近這些粒子諧振頻率時(shí)，電磁波通過(guò)這些粒子構(gòu)成的物質(zhì)時(shí)就會(huì)產(chǎn)生共振吸收。微波經(jīng)過(guò)大氣傳輸會(huì)產(chǎn)生衰減，它的能量會(huì)被大氣中的氣體分子和水分子吸收而衰減。

經(jīng)過(guò)科學(xué)實(shí)驗(yàn)證明，電磁波在波長(zhǎng)λ=0.5 cm時(shí)氧分子具有最大吸收峰，電磁波在波長(zhǎng)λ=1.3 cm處水蒸氣具有最大吸收峰。對(duì)于頻率不太高的電磁波，站距在50 km以上時(shí)，可以忽略大氣吸收產(chǎn)生的衰減，因?yàn)檫@種衰減相對(duì)對(duì)于自由空間產(chǎn)生的衰減是非常微弱的。

2.3 雨霧衰減

在雨霧中傳輸?shù)奈⒉〞?huì)因?yàn)檫@些小水滴使之發(fā)生散射現(xiàn)象，從而造成電磁波能量的損失。頻率越高的微波散射衰減越嚴(yán)重，10 GHz以上頻率的微波衰減尤為嚴(yán)重，導(dǎo)致其傳輸距離迅速縮短。

3 微波傳輸?shù)牡孛嫘?yīng)

微波在地球表面的傳播必須要考慮到地面建筑和山峰等等的阻擋，還必須考慮平滑地面、水面的反射波與折射波的抵消等等情況。

3.1 平滑地面水面的反射

當(dāng)微波傳輸中經(jīng)過(guò)平滑的地面或水面時(shí)，電磁波傳播經(jīng)由直射波和反射波以不同路徑到達(dá)接收端，當(dāng)兩個(gè)信號(hào)疊加在一起時(shí)，可能會(huì)發(fā)生相互抵消的情況，從而產(chǎn)生電磁波的能量損耗。

由惠更斯-費(fèi)涅耳原理我們可以知道，在電磁波的傳輸過(guò)程中有一種波源被稱之為二次波源，這種被稱作二次波源的是把由微波傳輸?shù)牟嚸嫔系拿總€(gè)點(diǎn)都當(dāng)作一個(gè)會(huì)進(jìn)行二次輻射的球面波的波源。

封閉曲面上各個(gè)點(diǎn)的二次波源離接收點(diǎn)的遠(yuǎn)近不同，接收點(diǎn)的信號(hào)場(chǎng)強(qiáng)也會(huì)因此發(fā)生變化，這是因?yàn)榭臻g任一點(diǎn)的輻射場(chǎng)都是由包圍波面的任意封閉曲面上各個(gè)點(diǎn)的二次波源發(fā)出的波在該點(diǎn)相互干涉，相互疊加后的結(jié)果。

引入費(fèi)涅耳區(qū)的概念來(lái)分析研究這種變化。

圖2

按照以上理論，當(dāng)微波傳輸中經(jīng)過(guò)平滑的地面或水面時(shí)，電磁波傳播經(jīng)直射波和反射波以不同的傳輸路徑到達(dá)接收端，若是直射波和反射波行程差Δr是半波長(zhǎng)的偶數(shù)倍長(zhǎng)時(shí)，直射波與反射波在該點(diǎn)產(chǎn)生場(chǎng)強(qiáng)反向相加，其結(jié)果是合成場(chǎng)強(qiáng)最小，會(huì)產(chǎn)生衰減。

3.2 地面障礙物的阻擋

微波傳播過(guò)程中會(huì)因?yàn)楦鞣N阻擋而增加損耗。這些阻擋物包括地面上的建筑、樹(shù)林、山頭或地面的其它障礙物等。

當(dāng)微波傳輸路徑上有山峰或者其它人為修筑的建筑物阻擋時(shí)，如果障礙物的最高點(diǎn)剛好在兩個(gè)相鄰微波站天線之間的連線上，傳輸?shù)奈⒉ㄐ盘?hào)就會(huì)增加6dB的電平損耗；當(dāng)障礙物的最高點(diǎn)超出連線時(shí)，電平損耗將迅速增加。在數(shù)字微波鏈路設(shè)計(jì)中應(yīng)當(dāng)規(guī)避出現(xiàn)這種情況，避免嚴(yán)重的衰減發(fā)生。如果出現(xiàn)這種情況，可以通過(guò)增高微波天線，或者改動(dòng)微波傳輸線路，比如增加微波中繼站等方式來(lái)改善傳輸特性。

對(duì)第一菲涅爾區(qū)的半徑F1（以m為單位）進(jìn)行計(jì)算就可以知道阻擋物不能超過(guò)多高才能滿足傳播條件。

計(jì)算方法為：

式中：d表示收發(fā)間距離，單位：km；λ表示所傳輸微波信號(hào)的波長(zhǎng)，單位：m；d1、d2分別為收發(fā)站間某點(diǎn)與收發(fā)站點(diǎn)的距離，單位：km。

圖3

為避免障礙物阻擋產(chǎn)生的損耗過(guò)大，在鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)該將所有障礙物都排除第一菲涅爾區(qū)。在地面障礙物高度不變的情況下，頻率越低，繞射能力越強(qiáng)；頻率越高，繞射能力越弱。

根據(jù)國(guó)家無(wú)線電管理委員會(huì)有關(guān)規(guī)定，分配給廣播電視微波傳輸?shù)念l點(diǎn)為8GHz附近。由此易得：

在具體設(shè)計(jì)時(shí)，可以根據(jù)google earth等軟件的地理信息確定兩收發(fā)站間的有關(guān)參數(shù)。以下我們舉例說(shuō)明，假定需要設(shè)計(jì)的微波鏈路A站、B站間的距離為29.3 km，即：

d=29.3(km)

所以，第一菲涅爾區(qū)的半徑：

如果以A站、B站這兩點(diǎn)的連線為軸心，半徑89.64 m的圓柱型空間內(nèi)沒(méi)有高山，高層建筑等任何遮擋物體。那么，根據(jù)以上計(jì)算得出的第一菲涅爾半徑，可知第一菲涅爾橢球體是完全包含在這個(gè)圓柱型空間內(nèi)的。也就是說(shuō)A站、B站天線平臺(tái)之間頻率8 GHz的微波傳輸是沒(méi)有阻擋的，可以視為自由空間傳播。這兩點(diǎn)之間完全可以建設(shè)微波線路。

當(dāng)兩個(gè)基站或者整個(gè)區(qū)塊的站點(diǎn)被高山或者高層建筑等障礙物遮擋，且不能夠通過(guò)調(diào)整基站位置來(lái)滿足第一菲涅爾區(qū)的半徑的要求，這時(shí)候就需要在兩個(gè)基站中間較高位置設(shè)計(jì)微波中繼站。

4 結(jié)語(yǔ)

在廣播電視信號(hào)傳輸領(lǐng)域廣泛地使用數(shù)字微波通信技術(shù)。在數(shù)字微波鏈路設(shè)計(jì)時(shí)，要全面考慮數(shù)字微波通信的各種不利因素，對(duì)于關(guān)鍵技術(shù)參數(shù)要進(jìn)行準(zhǔn)確計(jì)算。在鏈路設(shè)計(jì)過(guò)程中，通過(guò)google earth等軟件可以快速地確定微波傳輸站點(diǎn)間的空間地理情況，便捷地做出微波鏈路網(wǎng)絡(luò)的規(guī)劃，可有效避免微波鏈路設(shè)計(jì)中地理信息的盲點(diǎn)，大大提高微波通信鏈路設(shè)計(jì)的有效性，進(jìn)一步保證微波通信的品質(zhì)。