微波傳輸中遇到阻擋的解決方案

韓秀紅

（山西省廣電局無管中心太原站，太原 030001）

在微波通信領域，微波信號需要實現直線傳輸，所以需要避免傳輸通道遭遇阻擋。但從實踐情況來看，由于早期微波傳輸通道并未納入到城市規劃工作中，以至于微波傳輸容易遭遇高樓阻擋。伴隨著城市化進程的不斷推進，微波傳輸與城市建設之間的矛盾也日漸凸顯。而作為重要的通信傳輸方式，微波傳輸問題需要得到有效解決。因此，還應對微波傳輸中遇到阻擋的問題進行思考，以便采取有效解決方法加強微波傳輸通道保護。

1 微波傳輸被阻擋事件

近年來，伴隨著城市化進程的不斷推進，太原微波站多次發生微波傳輸被高樓阻擋的事件，給微波傳輸通道帶來了嚴重威脅。太原微波站地處太原市市中心，在廣電大樓12層，海拔高780m，天線位于樓頂平臺上。按照要求，微波站需要將廣播電視信號傳輸到省內各個發射臺。其中228發射臺位于太原西山最高峰廟前山上，海拔高1865m，與太原微波站之間的直線距離達18km。2014年9月，太原微波站首次遭遇微波傳輸受威脅的情況。在距離太原微波站直線距離約500m 的位置，計劃建立高32層的省委宿舍樓。在建設高度達到20層時，到廟前山228發射臺的微波信號受到了阻擋。為避免廣播電視信號無法傳輸，經協調工程暫停數月。最終，通過在廣電大樓樓頂建設鐵塔，使微波天線得以抬高至樓頂27m 位置解決了微波傳輸被阻擋的問題。2016年5月，太原微波站再次遭遇了微波傳輸被阻擋事件。距離微波站直線距離約800m 的位置建設52層的住宅樓，導致228發射臺無法實現微波信號接收。最終經過太原市規劃局協調，再次通過抬高天線位置至樓頂41m 的方法解決問題。伴隨著城市的建設發展，越來越多的高樓得到了建設。2018年五一臺到528方向再次遭遇高樓阻擋，已經無法通過抬高天線方法解決問題。五一臺到528是作為太原站到528方向的廣播的保護通道.具體路由是，一是太原站廣播通過大微波到228臺再到528臺。二是太原站廣播通過小微波到五一臺再到五二八臺。

2 微波傳輸中遭遇阻擋問題的思考

從原理上來看，微波作為頻率超出1GHz 的電磁波，波長范圍在毫米和厘米數量級之間，波長比無線電波要短，所以微波傳輸屬于視距傳輸，傳輸的無線電波無法肉眼識別，并且通道在空中[1]。采用微波傳輸系統，需要實現點對點直線傳輸，確保發射天線和接收天線在可視范圍內，中間不能存在阻擋物。五一臺在最初建設的過程中，并未被納入到當時城市規劃工作中，微波通道保護問題也未能得到關注。早期五一臺天線達到了一定的高度，對528方向傳輸不會受到任何阻擋，能夠保證廣播信號得到高質量傳輸。但528臺遷新址后在城區規模不斷擴大的情況下，高層建筑的數量不斷增加，使得目前五一臺天線被包圍在眾多高樓中，促使微波傳輸與城市規劃建設矛盾日漸凸顯。針對目前微波接力傳輸空間遭受的威脅，最初由城市規劃管理部門出臺協調方案，通過抬高天線位置的方式保留原來的微波傳輸通道，解決微波傳輸問題[2]。但隨著周圍建筑高度的不斷增加，五一臺的微波天線已經達到鐵塔最高位置，難以再次提升，使得原本的微波傳輸通道無法得到保留。針對這一情況，還要采取有效措施對原本的微波傳輸通道進行改善，從而解決微波傳輸遭遇阻擋問題，確保廣播信號得到順利傳輸。

3 微波傳輸中遭遇阻擋問題的解決方案

3.1 解決問題的思路

結合以往經驗來看，針對微波傳輸中遭遇阻擋的問題，通常采取鋪設光纜或建立中繼站的方案解決問題。通過在地下鋪設光纜，可以消除地上建筑物對傳輸通道的阻礙。但是采取該種方案，光纜工程的設計、施工和維護都將消耗大量費用，方案實施的成本較高。從實際情況來看，兩臺站距離遠，采用光纜傳送方式不切實際，因此需要采用微波中繼方式解決微波傳輸問題。從原理上來看，地球表面可視作球面，微波通信需要在視距范圍內進行直線傳輸。在兩個微波站點之間如果存在障礙物，可以通過在中間位置增設微波中繼站繼續進行直線傳輸。微波中繼站包含兩種，即有源中繼站和無源中繼站。其中，有源中繼站由供電系統、天饋系統、放大器、分路系統和附屬設備構成，需要達到供電和機房要求[3]。而無源中繼站指的是不經過任何放大直接實現接收到的微波信號轉發的中繼站，只需要由室外無源設備構成的天饋系統即能實現微波轉發。比較有源中繼站和無源中繼站可以發現，采用微波有源中繼站能夠對接收到的微波信號進行放大，對天線口徑要求不高，但是需要解決供電問題和有源設備的可靠性問題，以免微波傳輸受到影響。采用無源中繼站，能夠實現微波設備費用、電源費用、機房費用等各種費用的節省，并且無需后期維護，能夠使微波傳輸成本得到降低。但無源中繼站的建設需要適當增加天線尺寸，并且做好站點的選擇。如果沒有合適的站點，將無法采用無源中繼站實現微波傳輸。

3.2 問題的解決方案

通過上述分析可以發現，如果采用有源中繼站解決五一臺到528臺微波傳輸問題，需要在二者之間新增一個微波中繼站，完成機房、供電系統等系列設施的建設，將產生較高成本。采用無源中繼站，無需進行電力線路的架設，同時后期也無需對相關設備進行監測和維護，因此能夠使微波傳輸遭遇阻擋的問題得到解決。在五一臺被周圍高層建筑包圍的情況下，無源中繼站解決方案的優勢能夠得到突出體現。相較于有源中繼站，其能節省約60%的建設費用。現階段，無源中繼站主要包含三種，即折射型、反射型和繞射型。其中，折射型采用短波折射原理，可以改變電波射出方向實現微波信號轉發。反射型采用金屬板或網實現入射電波反射，可作為近場區饋線使用。繞射型能夠利用屏蔽網或透過型繞射網對電波的繞射能力進行增強，從而實現電波順利轉發。

五一臺微波采用卡塞格倫天線，需要采用背靠背天線無源中繼站傳輸方案解決微波傳輸問題。采用該方法，能夠利用短波導背對背連接兩個拋物面天線，能夠大角度的改變電波射出方向。在微波頻率范圍內，由于天線尺寸將大于波長，因此可以從拋物面使天線輻射功率向前傳播。在一定距離內，電波可以象光線一樣直射，超出該范圍后象球面波一樣輻射發散，與距離成反比。遠場區電磁波落在平面內，可以看做平面波。利用與原天線相同反射器對輻射功率方向進行改變，可以實現微波折射，減少微波傳輸損耗。具體來講，就是在在臨近五一臺1km 處的高層樓頂進行兩副卡塞格倫天線的架設，利用波導管連接后然后分別對準微波收發站，達到繞過高樓阻礙的目標。受天線天饋源照射效率限制，中繼站天線增益有限。在8GHz 頻段條件下，采用二副3.2m 天線背靠背連接增益僅9dB，無法滿足五一臺到528微波傳輸需求。但微波發信機發信功率能夠達到33dBm，從而對增益低的缺陷進行彌補，因此可以采用現成天線進行微波傳輸。采取該種方案，由于增益已知，能夠輕松實現傳輸鏈路計算，為天線架設提供科學指導。

3.3 方案的具體實施

在方案實施階段，想要使微波接收功率得到提高，還要使發射機的輸出功率和微波天線增益得到增加，并且使各部分饋線損耗和路徑自由空間損耗得到減小。所謂的天線增益，其實就是輸入功率相等時，空間同一點實際天線與理想輻射單元產生信號的功率密度比，能夠對天線輸入功率集中輻射程度進行描述，與天線方向密切相關。實際采用天線背對背方式進行微波傳輸，將會產生背對背干擾，需要通過增大電路轉折角實現預防，使天線間的轉折角保持90°到160°之間。如圖1所示，為背靠背天線無源中繼鏈路示意圖。圖中，d1和d2分別為A 站和B 站到C 站的距離，L1和L2為兩站到C 站的自由空間損耗，Lcr 則是背靠背天線間的接頭和饋線損耗。在饋線長度為5m 的情況下，Lcr 損耗可以取1dB。Gt 和Gr 分別為發射端和接收端天線增益，G1r和G2r 為無源中繼站天線增益。

圖1 背靠背天線無源中繼鏈路示意圖

對系統附加損耗進行計算，需要假設有源站A 和C 在自由空間傳播時產生的空間損耗為Ld=92.4+20lgf+20lgd。其中，d 指的是A 和C 間距離，f 為波段中心頻率，L 則是自由空間衰耗。采用無源中繼站傳輸方案進行微波折射，產生的損耗Ld=Ld1+ld2-（G1r+G2r）=2×92.4+40Lgf+20Lgd1d2-G1r-G2r。因此可以得到附加損耗增加量L=92.4+20Lgf+20Lgd1d2-G1r-G2r。通過分析可以發現，在d1d2較大時，產生的損耗較大。相反的，d1d2較小則電波傳輸產生的附加損耗則較小。使無源中繼站盡量靠近五一臺或528臺，能使d1或d2減小，繼而達到減少附加損耗的目標。結合以往經驗，近端站距一般不超出3km，實際可以使保持1～2km。天線增益為4面天線增益之和，因此還應通過提高頻率獲得更高天線增益。如果頻率達到10GHz 以上，容易出現雨衰問題，因此通常在6GHz 到8GHz 之間。

結合上述分析進行方案實施，選用的微波設備為NECSDH數字微波，傳輸容量達155MB，使用頻率為8GHz，設備發信功率達33dBm，門限電平為-72dBm。而五一臺至無源中繼站站距1 千米，無源中繼站至528 臺25 千米，天線口徑3.2m，增益45.3dB。按照上述方法進行天線自由空間損耗計算：

L1=92.4+20lg8+20lg1=110.46dB

L2=92.4+20lg8+20lg25=136.4dB

L=L1+L2+Lcr-G1r-G2r=110.46+136.4+1-45.3-45.3=157.26dB

五二八臺的接收電平Pr 需要根據五一臺發射功率Pt 計算：

Pr=Pt-L1-L2-Lcr+Gt+Gr+G1r+G2r=33-110.46-136.4-1+45.3+45.3+45.3+45.3=-33.66

由于電平衰落儲備為接收電平和收信機門限電平的差值，計算可得為38.34dB。由此可見，在微波傳輸期間將產生2-3dB 的損耗，比理論值低2～3dB，電平衰落儲備約35dB，能夠滿足微波傳輸要求。

4 結論

從長遠發展角度來看，還應將已經建立的微波空中傳輸通道納入到城鄉管理規劃要素中，對其在城市坐標系統中的位置進行定位，以便在城市規劃建設中加強微波傳輸通道的保護。針對微波傳輸遭遇阻擋的情況，還應由管理部門出臺協調方案，盡量保留原來的微波傳輸通道。在無法保留原來通道的情況下，可以采用無源中繼站實現微波中轉，對原本的傳輸通道進行改善，繼而確保廣播電視信號得到順利傳輸。