Модели распространения радиоволн и методика расчета электромагнитного поля

Самая простая модель распространения радиоволн это распространение радиоволн в свободном пространстве. Для определения напряженности электромагнитного поля, создаваемого передатчиком с заданной мощностью в некоторой случайной точке, удаленной от передатчика на определенное расстояние используется формула:

, (1)

где E­­_mV/m – напряженность электромагнитного поля, мВ/м;

d_km – расстояние до передатчика, км.

Модель может служить основой для точных, детерминированных методов. При ее использовании необходимы дополнительные коррекции результата за исключением тех случаев, когда реальные характеристики среды распространения близки к идеальным[5].

Так же в 1968 году Окумура была предложена эмпирическая модель распространения радиоволн, основанная на результатах измерений, проведенных в нескольких районах города Токио. Первоначально модель представляла собой набор кривых распространения для различных частот излучения и типов местности. В 1980 году M.Хата, исследуя модель Окумуры, аппроксимировал кривые распространения математическим выражением. Это выражение теперь известно как модель Окумура-Хата:

, (2)

где: – напряженность электромагнитного поля

– ЭИМ передатчика БС, дБ/Вт;

– частота излучения, МГц;

– эффективная высота подвеса антенны передатчика БС на расстоянии 3‑15 км, м;

– высота подвеса антенны приемника над поверхностью земли, м;

– расстояние до передатчика, км;

, для R £ 20 км;

, для 20 £ R £ 100 км.

Модель Окумура-Хата в оригинальном виде хорошо подходит для прогнозирования напряженности поля в условиях большого города с плотной застройкой. Стандартные параметры модели рассчитаны для частоты 900 МГц и высот подвеса приемной антенны 1–10 метров, что соответствует потребностям сухопутной подвижной службы. Тем не менее, предложены методы адаптации модели Окумура-Хата для условий распространения, отличных от описанных выше, путем изменения стандартных параметров. Модель Окумура-Хата достаточно проста и, при соответствующей настройке, может использоваться для прогнозирования зоны радиодоступности радиоконтрольного пункта. Однако, ограничения, присущие этой модели снижают ее универсальность. Кроме уже упомянутых ограничений (предопределенный частотный диапазон, ограничение по высоте антенны приемника), можно также отметить отсутствие в модели механизмов учета рельефа местности[6].

Более универсальная методика расчета напряженности электромагнитного поля предложена в рекомендации Международного союза электросвязи Р.370. Вот некоторые характеристики этой модели[7].

Расчет напряженности электромагнитного поля основан на кривых распространения радиоволн. Кривые представляют собой полученные экспериментальным путем значения напряженности поля, превышаемые в 50% мест для различных значений процента времени. Кривые охватывают полосы частот от 30 до 250 МГц (диапазон ОВЧ), и от 450 до 1000 МГц (диапазон УВЧ) и расстояния от 10 до 1000 км. Эффективная высота передающей антенны может быть равна 37.5, 75, 150, 300, 600, 1200 м., высота приемной антенны – 10 м. Значение эффективной излучаемой мощности передатчика принимается 1 кВт. В Рекомендации учитываются три типа путей распространения радиоволн:

- Суша;

- Море;

Для значений параметров, отличных от стандартных, значение напряженности корректируется[8].

Значение высоты передающей антенны, используемое для расчета напряженности поля, принимается равной эффективной высоте, определяемой как высота над поверхностью земли, усредненная на участке от 3 до 15 км от места установки передатчика в направлении приемника. Это означает, что эффективная высота антенны может быть отрицательной. Такая ситуация возможна, когда средняя высота рельефа, окружающего место установки передатчика, превышает высоту подвеса передающей антенны над уровнем земли. В этом случае расчет напряженности поля основывается на использовании коррекции, которая зависит от величины угла просвета местности. Угол просвета (для передатчика) рассчитывается как угол между горизонталью, проходящей на высоте подвеса передающей антенны и линией, устраняющей все препятствия в направлении приемной антенны. На рисунке 3 представлена иллюстрация к определению угла просвета. Аналогичная коррекция может использоваться при наличии препятствий для распространения радиоволн в месте установки приемника[9].

Кривые позволяют рассчитывать значение напряженности поля для трасс, проходящих над сушей либо над поверхностью моря. Если путь распространения радиоволн проходит над участками с различными характеристиками распространения рекомендация предлагает метод расчета напряженности поля, учитывающий этот фактор[10].

Рисунок 3 – Угол просвета местности (q – угол просвета, h_a – высота подвеса передающей антенны над землей)

Рекомендация МСЭ P.1546, снимает некоторые ограничения рекомендации P.370 и повышает точность прогнозирования распространения радиоволн. Методики, изложенные в данном документе, могут использоваться при расчете напряженности поля для вещательных, подвижных (сухопутных и морских), фиксированных служб в диапазоне частот от 30 до 3000 МГц на расстояниях до 1000 км.

В рекомендации используются кривые распространения, отражающие зависимость напряженности поля от расстояния при ЭИМ передатчика равной 1 кВт. Рекомендация содержит кривые для номинальных частот 100, 600 и 2000 МГц. Номиналы высоты передающей антенны – 10, 20, 37.5, 75, 150, 300, 600 и 1 200 м. Высота приемной антенны принимается 10 м. Все кривые приведены для различных типов трасс распространения (Суша, Теплое море, Холодное море), и для различных процентов времени (1%, 10%, 50%)[11].