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微波通信原理 菲涅耳区半径 为了更好的研究微波传播的视通条件 需引入菲涅耳半径的概念 其中第一菲涅耳区半径是判断微波视通的重要参数 TX RX P F1 F2 a1 a2 b2 b1 d1 d2 D 第一菲涅耳区域 半径 F1 N 1 第二菲涅耳区域 半径 F2 N 2 第一菲涅尔区是微波传播电磁能量相对集中的区域 在此区域内如果没有阻挡物 则将遵循自由空间传播损耗的计算公司 设计链路时应尽量消除F1区内的阻挡 随着菲涅尔区序号数的增大 接收点的场强以等差级数关系递减 第一菲涅耳半径F1可以通过下式计算得到 其中 f 频率 GHz d 路径长度 km d1和d2 收发两个站点到路径障碍物的距离 km 余隙 在实际微波传播路径中 有时会受到建筑物 树木 山峰等的阻挡 如果障碍物的高度进入第一菲涅尔区域时 则可能会影响传输质量 为了避免这种情况的发生 因此引入了余隙的概念 M d1 d2 D h1 h3 h4 h2 h5 h6 A B hc 必须保证微波链路无阻挡传输 微波链路要进行视通勘测 视通的判断条件 余隙大于第一菲涅耳区半径的60 hc 60 F1 就能够保证视通 折射 电磁波在均匀介质中传播时电磁波是沿直线传播 但大气中温度 湿度和气压随高度变化而变化 大气不再是均匀的传播介质 从而不同的大气高度有不同的折射指数n 大气可以认为是由折射指数逐渐变化的许多薄层构成 电磁波在不同层间传播时就会产生连续折射现象 电磁波将因多次连续折射而使传播轨迹发生弯曲 电磁波进入不同折射率层的传播示意图如图所示 微波在不均匀大气中传播时 将产生折射现象 大气折射使得微波实际传播路径为曲线 反射 光滑地面或水面会把天线发出的一部分信号能量经过多径反射到接收天线并对主波 直射波 信号产生干涉 反射波与主波进行矢量迭加 其结果会使干涉合成波因相位和幅度不同而加大或减小 加之信道为时变信道 从而使传播处于不稳定状态 直线 反射 直线 反射 直线 反射 直线 反射 在链路设计时 要尽量减少反射波 如果有反射情况 则应利用地形的起伏阻挡住反射波 A类 山地 或建筑物密集的城市 B类 丘陵 地面起伏较平缓 C类 平原D类 大面积的水面其中山地的反射系数最小 是最适合微波传输的地形 丘陵地区次之 电路设计时应尽量避开水面等光滑的平面 衰落 衰落 Fading 指接收电平随机起伏变化 即不规则的变化 忽大忽小 其原因是多种多样的 如下为物理成因分类 衰落 自由空间传输衰耗 自由空间损耗 A 92 4 20logd 20logf d单位为km f单位为GHz d或f每增加一倍 损耗将增加6dB 功率电平 PTX 发射功率 G 天线增益 A0 自由空间损耗 M 衰落储备 PTX 距离 GTX GRX PRX A0 M 接收门限 G d G f PRX 接收功率 衰落储备 接收电平设计值 设备接收灵敏度 含电磁干扰的实际灵敏度 要保证衰落储备在链路预算的范围内 否则会影响链路的可用度 大气吸收损耗 大气的吸收损耗主要是由空气微粒散射和水汽吸收组成 而空气微粒和水汽的吸收衰减主要与微波频率 大气温度 水汽密度 大气压强 传输距离等参数有关 统计表明大气吸收对频率在12GHz以下时 吸收小于0 1dB Km 和自由空间衰耗相比 可以忽略 雨雾衰减 在10GHz频段以下 雨雾损耗并不显得特别严重 对一个中继段可能会引入几个分贝 在10GHz以上频段 中继间隔主要受降雨损耗的限制 雨衰强度 雨区 L 60mm h 微波链路的衰落储备有限 通常 链路衰落储备的值要大于30dB 从上图可以看出 对18G的微波信号 在雨量为60mm h的情况下 传输5km的衰耗达40dB 为保证微波链路的可用度指标 微波必须按照微波的网规文件安装 不能随意改变站点位置 K型衰落 受大气折射的影响 微波在传播过程中 路径实际上是弯曲的 大气折射的最后效果可看成电磁波在一个等效半径为Re的地球上空沿直线传播 即Re KR R为实际地球半径 k 1正折射 k 1无折射 k 1负折射 K值的实际测量平均值为4 3左右 但实际地段的K值和该地段的气象有关 可以在较大范围内变化 影响视距传播 多径衰落 PrimaryRay ReflectedRay RefractedRay RadioRefractivityVsHeight Warm ColdBoundaryLayer AirDensity SuperRefractiveLayer 折射和反射导致的多径衰落 将可能严重地影响链路的传输质量 由于折射波 反射波 散射波等多途径传播 造成到达接收端有多条电波 这些电波合成引起严重的干涉型衰落 引起多径衰落的原因很多 大气不均匀 水面或光滑地面的反射等 所以在选择路由时要尽量避免这些地形 不可能回避时一定要采用高低天线技术或采用空间分集技术等 频率选择性衰落 频率 MHz 接收功率 dBm 正常 平坦 选择型衰落 由于多径衰落的影响 在长距传输或宽带应用后 部分频谱的衰落比较严重 导致有效储备降低 波导型衰落 由于气象条件的影响 例夜间地面冷却 早晨地面被太阳晒热 以及平静的海面和高气压 会在某个大气层中形成不均匀结构 这种现象称为大气波导 如果微波射线通过大气波导 而接收点在波导层外 则接收点的场强除了直射波和地面反射波外 还有波导层边界的反射波 形成严重的干涉型衰落 并往往造成通信中断 波导型衰落的明显特征 就是会出现极度的上衰或极度的下衰 具有快速衰落的特征 上衰时接收电平可能比正常设计值高出超过6dB 下衰时接收电平会出现比正常设计值低10 30dB或更大的深衰 频率干扰 干扰总是存在的 并且在一定程度上随着电子设备的广泛应用而加剧 微波系统的频率干扰 不仅可能来自于自己的网络 而且可能来自于其它运营商的微波网络 频率干扰对微波链路质量的影响 无法完全预知或完全排除 原因是 对其它微波网络信息无法全面掌握 以及扫频成本的原因 影响频率干扰分析的质量 频率越高 站距越长 衰落越严重 夜间比白天严重 夏秋季比冬春季衰落频繁和严重 白天在太阳光的照射下 空气对流较好 夏季气候变化快 晴天 无风的天气 容易形成多径 大气混合不均匀 容易形成大气分层 且形成后不易消散 水上线路比陆地线路严重 水面线路反射系数大 水上大气折射系数也大 平原线路比山区线路严重 因平原线路容易形成大气分层现象 地面反射系数也较大 雨雾天气对高频微波影响大 频率干扰问题难以完全避免 小结 2020 1 7 16 频段覆盖范围 2 38GHz 1 2GHz频段 1 7 1 9GHz 1 9 2 3GHz 2 4GHz 2 49 2 69GHz 5GHz频段 4 4 5 0GHz 5 8GHz 6GHz频段 5 925 6 425GHz 6 430 7 110GHz 7GHz频段 7 125 7 425GHz 7 425 7 725GHz 8GHz频段 7 725 8 275GHz 8 275 8 5GHz 8 50 8 75GHz 11 13GHz频段 10 7 11 7GHz 12 75 13 25GHz 15 18GHz频段 14 50 15 35GHz 17 7 19 7GHz 23 26 38GHz频段 21 2 23 6GHz 24 5 26 5GHz 37 0 39 5GHz 一 数字微波传输产品结构 2020 1 7 17 可选传输容量 2 PDH 1E1 2 048Mb s 2E1 2x2 048Mb s 4E1 4x2 048Mb s 8E1 8x2 048Mb s 16E1 16x2 048Mb s E3 2E1 34 368Mb s 2x2 048Mb s SDH STM 1 155 52Mb s或63x2 048Mb s NxSTM 1 Nx155 52Mb s LAN 10BASE T 100BASE T 一 数字微波传输产品结构 2020 1 7 18 微波传输应用环境 1 实现微波通信最基本的要求是具备良好的视通条件 即在A B两个通信站微波天线之间不能存在障碍物或地形凸起阻挡 特殊应用除外 因此确定最佳的微波天线挂高对微波传输系统通信质量非常重要 数字微波通信线路传输段的断面类型可根据地形 气候等电波传播条件 可分为四种类型 其主要划分条件应符合下列要求 A型 其断面由山地 城市建筑物或两者混合组成 中间无宽敞的河谷和湖泊 B型 其断面由起伏不大的丘陵地带组成 中间无宽敞的河谷和湖泊 C型 其断面由平地 水网较多的区域组成 D型 大部分跨越水面或海面的电路 二 微波工程建设应考虑的系统问题 2020 1 7 19 系统建设成本 3 工程建设成本包括 微波传输主设备 信道机 天馈系统 成本 辅助设备 通信终端 通信电源 成本 工程土建 征地 机房 铁塔 成本 工程安装调试费 工程设计费 工程运输费等等 二 微波工程建设应考虑的系统问题 2020 1 7 20 天线系统配置原则 1 微波天线的主要电气参数包括 天线增益 dBi 前后比 F B 半功率角 驻波比微波天线的主要机械参数包括 天线口径 m 天线重量 kg 天线安装结构根据微波传输质量标准 传输容量 传输距离 射频频率 地形气候条件 天馈系统性能参数 分集方式及微波收发信机的各种性能参数来计算确定微波天线的口径 根据传输网络的拓扑结构及干扰计算分析情况来决定是否采用高性能微波天线或标准性能天线 根据所使用的微波频段 天线口径 应用地区及安装场合等情况来决定所采用的微波天线的机械结构 如板状天线或栅格天线 座式天线或挂式天线 分体天线或集成天线 进口天线或国产天线 总之 在电气参数和机械性能能够满足微波传输标准的前提下 尽量考虑采用经济型的微波天线 三 天线系统配置原则 2020 1 7 21 五 勘察设计实例 1 实地勘察 测量 拍照2 计算和预测链路的通道 配置相关的设备3 画图 预算 编制说明 2020 1 7 22 5 1勘察 1 常规勘察内容 机房平面图 设备安装立面图 馈线路由图 铁塔示意图 天线安装位置 主设备安装位置 取电端子 接地端子 时钟端子 2 其它图 整体府视图 I视图 微波路由图 天线挂高图 频