автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Исследование влияния условий города на эффективность и направленные свойства приемных антенн декаметрового диапазона, расположенных внутри зданий

II) ОМ

МИНИСТЕРСТВО СВЯЗИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ московский технический университет связи и информатики

На правах рукописи

Короленков Александр Викторович

УДК 621.396.67

ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ УСЛОВИЙ ГОРОДА НА ЭФФЕКТИВНОСТЬ И НАПРАВЛЕННЫЕ СВОЙСТВА ПРИЕМНЫХ АНТЕНН ДЕКАМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА. РАСПОЛОЖЕННЫХ ВНУТРИ ЗДАНИЙ

Специальность 05.12.07 - Антенны и СВЧ-устройства

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1995

Работа выполнена в Государственном научно-исследовательском институте радио.

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

Айзенберг Григорий Захарович

Оппоненты

- доктор технических наук Трошин Георгий Иванович

- кандидат технических наук Сычев Борис Васильевич

Ведущая организация

Главный центр управления сетями магистральной радиосвязи и радиовещания

Защита состоится "

iL" HAllfa

_1995 года в

JL

_часов

на заседании специализированного Совета К 118.06.05 при Московском техническом университете связи и информатики.

Адрес университета: 111024, г. Москва, ул. Авиамоторная, 8а. С диссертацией майю ознакомиться в библиотеке универститета. Автореферат разослан "_"_1995 года.

Ученый секретарь

специализированного Совета t

К 118.066.05 к.т.н., доцент

Берендеева Г.С.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Радиовещание в диапазоне декаметровых (ДКМ) или коротких волн в современных условиях играет важную роль как средство передачи массовой информации в любое место земного шара. В настоящее время это самый дешевый и самый оперативный по сравнению с другими диапазонами способ обслуживания радиовещанием больших территорий с многомиллионным населением. Большому распространению вещания в этом диапазоне' способствует наличие огромного парка приемников (около 400 ООО ООО) с ДКМ диапазонами во всех странах мира и применение существующих во многих странах высокоэффективнх передающих антенн, расходы на сооружение и эксплуатацию которых составляют до 40...50% общих расходов на передающие вещательные центры.

Значительная часть потребителей программ вещания - радиослушателей сосредоточена в современных крупных городах с большим числом многоэтажных зданий. Влияние их взаимного расположения, материала стен зданий (кирпич, железобетон и т. п.), разветвленной сети металлических проводов и труб внутри зданий, может привести к изменению характеристик направленности приемных антенн радиослушателей и ослаблению напряженности поля в месте-приема.

В научно-технической литературе не имеется данных о влиянии городской среды на характеристики направленности приемных антенн декаметровых волн (ДКМВ) и изменение уровня сигнала при приеме пространственных волн, при помощи которых осуществляется вещание на удаленные территории.

В документах Международного союза электросвязи (МСЭ) также отсутствуют какие-либо данные об~условйях приема ;;к.Ч вещания в городах и о характеристиках направленности приемных антенн, которые необходимы для составления рекомендаций по проектированию радиолиний ДКМ вещания.

Таким образом, актуальность данной работы объясняется тем, что до настоящего времени не имелось данных о влиянии условий города на эффективность работы и характеристики направленности приемных антенн радиослушателей ДКМ диапазона и определяется необходимостью получения этих данных для оптимального проектирования радиолиний ДКМ вещания и повышения их эффективности.

Цель работы. Цель работы состояла в определении характеристик направленности антенн радиослушателей, установленных внутри зданий

города, и их эффективности при приеме пространственных волн ДКМ диапазона и в разработке на базе этих исследований рекомендаций для проектирования линий радиовещания на удаленные территории с наличием крупных городов, оптимального выбора для конкретных трасс вещания существующих передающих антенн, и разработки новых типов этих антенн.

Задачи исследований состояли в следующем:

1. Определение реальных характеристик направленности приемных антенн радиослушателей и возможных искажений формы диаграмм направленности (ДН) этих антенн в вертикальной и горизонтальной плоскостях в зависимости от местоположения приемной антенны в городе.

2. Определение реальной (усредненной в целом по городу) формы ДН в вертикальной плоскости приемных антенн, расположенных: внутри городских зданий, которую целесообразно использовать при проектировании трасс ДКМ вещания.

3. Теоретическое и экспериментальное исследование степени ослабления уровня напряженности поля пространственных ДКМВ городскими строениями и их взаимным расположением при приеме вещания внутри зданий города и средней величины этого ослабления в целом для современного города.

4. Определение "статистического закона (и его числовых характеристик) пространственного распределения уровня напряженности поля ДКМВ в крупном городе.

Научная новизна результатов, полученных в диссертационной работе, состоит в том. что впервые:

- разработаны алгоритмы определения коэффициентов прохождения ДКМВ через различные типы стен современных городских зданий;

- разработана методика вычисления напряженности поля~ за железобетонной стеной с отверстием (окном) современного городского здания и проведен анализ зависимости ослабления поля за этим препятствием от положения точки наблюдения;

- проведен теоретический анализ зависимости уровня напряженности поля от угла прихода волны и его ослабления в области тени, образованной зданиями города;

- проведен анализ вариаций уровня сигнала ДКМВ в городе, принимаемого в городе антеннами, расположенными внутри зданий;

- исследовано изменение характеристик направленности приемных антенн, расположенных внутри зданий, обусловленное влиянием городской застройки;

- исследованы статистические закономерности уровня напряженности поля в слое городской застройки;

- предложена методика применения полученных в работе результатов, позволяющая осуществлять проектирование радиолиний ДКМ вещания, предназначенных для обслуживания вещанием регионов с наличием крупных городов.

Методы исследований.'. Для достижения" цели работы при'решении модельных задач использованы следующие современные методы электродинамики и антенной техники:

- при решении задачи -прохождения радиоволн через слоистые среды применен метод геометрической оптики, дающий в данном случае строгое решение задачи, при этом вводится понятие нормальных импе-дансов, упрощающее проведение расчетов;

- при решении задачи дифракции на отверстии в проводящем экране используется метод Бете (Bethe), заключающийся в замене поля на отверстии эквивалентными электрическим и магнитным диполями, что дает удобные выражения для вычисления поля за отверстием;

- при определении поля в области тени от городских зданий используется метод равномерной геометрической теории дифракции.

При экспериментальных исследованиях используются статистические методы обработки данных измерений с применением соответствующих критериев оценки достоверности полученных результатов. Исследования проведены с использованием специально поставленного эксперимента по измерению напряженности поля в зданиях крупного города с применением аппаратуры, установленной на самолете. Применение самолета позволило провести исследования, исключив влияние ионосферы на характеристики сигнала при приеме пространственных ДКМВ в городе.

Достоверность полученных расчетных данных обусловлена использованием при решении модельных задач строгих методов электродинамки и соответствием полученных при этом результатов с результатами экспериментальных исследований в реальной городской среде. Высокая достоверность результатов экспериментальных исследований достигнута обработкой большого объема данных методами математической статистики с определением доверительных интервалов и критериев вероятности.

Практическая ценность результатов работы состоит в следующем.

1. Впервые определено медианное значение ослаблений, необходимое для проектирования .зон уверенного приема вещания, обслуживающего территории с наличием крупных городов.

2. Получено аналитическое выражение для формы усредненной ДН

приемных антенн, применяемых радиослушателями в современных городах, учитывающее влияние города при приеме в нем ДКМВ и необходимое для оптимального выбора траекторий распространения радиоволн и ДН передающих антенн при проектировании трасс вещания на удаленные территории.

3. Экспериментально установлен статистический закон пространственного распределения уровня напряженности поля в городе, необходимый для определения зон уверенного приема вещания с требуемым для качественного приема уровнем напряженности поля.

4. Результаты, полученные в работе, могут быть использованы также при проектировании экранированных помещений для защиты от проникновения электромагнитного излучения, учета биологического воздействия этого излучения в диапазоне ДКМВ, дают необходимую информацию при рассмотрении вопросов электромагнитной совместимости.

Реализация результатов работы. Основные результаты диссертационной работы реализованы в Государственном научно-исследовательском институте радио (НИИР), в Главном центре управления сетями магистральной радиосвязи и радиовещания (ГЦУРС) и в Государственной комиссии по радиочастотам (ГКРЧ).

На основе полученных в работе результатов составлены вклады, представленные Администрацией связи России в Международный консультативный комитет радио (МККР). На основе этих вкладов 10-й Исследовательской комиссией (10 ИК) подготовлена новая редакция Рекомендации 705 "HF transmitting antennas characteristics and diagrams", в которой впервые при проектировании радиолиний вещания учитывается влияние условий города на прием ДКМВ.

Апробация результатов работы. Диссертационная работа рассматривалась' на заседании секции Научно-технического совета НИИР. Результаты работы были доложены на 3-ей Всесоюзной научно-технической конференции по антеннам и фидерным трактам для радиосвязи, радиовещания и телевидения (Москва, 25...28 декабря 1973 г.) и на Международном совещании экспертов 10-й исследовательской комиссии сектора радиосвязи МСЭ (Москва, май 1993 г.).

Публикации по работе. Результаты диссертационной работы нашли отражение в 11 статьях в научно-технических журналах, докладе на указанной выше конференции и в документах 10-й исследовательской комиссии МСЭ. Материалы диссертационной работы содержатся также в научно-технических отчетах НИИР по теме "Город" (5 отчетов, диссертант - ответственный исполнитель), заключительном отчете по этой

теме, микрофильмированном во ВНТИЦентре (г. Москва).

Объем работы. Диссертационная работа состоит из введения, 6 разделов, заключения, списка литературы из 86 наименований. Она содержит 154 страницы основного текста. 93 рисунка на 73 страницах и 60 страниц приложений. Общий объем работы 279 страниц.

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Определение коэффициентов прохождения через отдельные элементы городских зданий, полученное при решении соответствующих модельных задач (прохождение через сплошные кирпичные и железобетонные стены, железобетонные стены с отверстием, определение поля в области тени от зданий) является достаточным для оценки величины ослабления напряженности поля, обусловленного городской средой-и выявления основных факторов, влияющих на это ослабление. Полученные расчетным путем значения величин ослабления составляют 8...50 дБ и соответствуют полученным экспериментально в условиях реальной городской застройки.

2. Экспериментально определенные ДН в горизонтальной плоскости приемных антенн радиослушателей в городе позволяют количественно оценить влияние городской среды на эффективность приема ДКМВ в зависимости от направления прихода волны в азимутальной плоскости. При этом максимальное значение уровня напряженности поля в 10 раз превосходит минимальное.

3. Полученные значения интервалов (радиусов) корреляции позволяют при определении усредненной ДН в вертикальной плоскости исследуемых антенн выбирать статистически независимые реализации ДН, по отдельным азимутальным направлениям. Применительно' к современному крупному городу угловое расстояние между азимутальными направлениями, при которых уровни сигнала можно считать статистически независимыми (интервалы корреляции), составляют от 3 до 21°.

4. Предлагаемая форма усредненной ДН в вертикальной плоскости приемных антенн, расположенных внутри городских зданий, позволяет при проектировании линий ДКМ вещания на регионы с наличием крупных городов выбирать передающие антенны с оптимальными ДН. Для расчета усредненной ДН в условиях города следует использовать выражение для ДН короткого вертикального несимметричного вибратора, при следующих эквивалентных параметрах отражающей поверхности: е=10 и 6=0,001 См/м.

мг

5. Статистический закон пространственного распределения уровня напряженности поля ДКМВ в городе позволяет определять границы зон уверенного приема вещания. В качестве такого закона целесообразно использовать логарифмически нормальный закон со среднеквадратичес-ким отклонением 7,3 дБ, полученным экспериментально при измерениях в условиях крупного города.

6. Медианное значение ослабления уровня напряженности поля ДКМВ в городе позволяет при проектировании линий радиовещания учитывать дополнительное ослабление, возникающее при приеме ДКМ вещания в городе. Величина этого ослабления, полученная путем статистической обработки большого количества экспериментальных значений ослабления, составляет 11,3 дБ.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ ■ "

Во введении обоснована актуальность, практическая ценность и новизна материалов работы, сформулированы.цели и задачи исследования.

Первый раздел посвящен состоянию вопроса.

Наиболее полно влияние города на эффективность приемных антенн исследовано в метровом диапазоне. Результаты исследований в этоы диапазоне свидетельствуют прежде всего о том, что структура поля е условиях города является очень сложной; на уровень принимаемогс сигнала влияют многие факторы, индивидуальный учет которых очень затруднителен. При этом отмечается сложный интерференционный характер полей, а в случае приема внутри зданий отмечается сильная зависимость _ уровня принимаемого сигнала от окружающих предметов. В монографии Г. А. Пономарева и др.. в которой проанализированы'тёорети-ческие и экспериментальные исследования разных авторов по современным проблемам приема волн метрового диапазона внутри зданий, делается вывод о том, что: "Прием сигналов от удаленного внешнего источника внутри здания можно прогнозировать только в самых общи} чертах... К настоящему времени нет удовлетворительных методов расчета среднего ослабления поля при проникновении его внутрь здания".

Из исследований с поверхностными волнами ДКМ диапазона, проведенными в.. США и в Германии, следует, что средние значения ослабления в городе составили 13±7 дБ для кирпичных, крупнопанельных и бе-тонно-блочных зданий и 26+7 дБ для железобетонных зданий. При это] отмечается, что поля внутри зданий совершенно случайно поляризован

вследствие отражений и рассеяния, в то время как поляризация внешнего поля была явно выраженной (преимущественно вертикальная).

Из работ по характеристикам направленности приемных ДКМ антенн в условиях города имеются лишь экспериментальные исследования, проведенные Е.Ю. Шередько на металлизированной модели города, которые показали, что наличие зданий существенно искажает форму ДН в вертикальной плоскости короткого вертикального вибратора. Кривые ДН вместо плавного характера имеют резкие провалы, обнаруживается также большое многообразие форм ДН в зависимости от конкретного взаимного расположения зданий и антенны. |

При проектировании линий радиовещания требуется знание формы ДН приемной антенны, характеризующей в целом (в среднем) условия приема ДКМВ в обслуживаемом вещанием регионе. Из опубликованных данных не видно, какой могла бы быть форма такой усредненной ДН. Статистические характеристики пространственного распределения напряженности поля в городе, из имеющихся данных также не могут быть однозначно применены для трасс ДКМ вещания в городах, так как получены в метровом диапазоне волн. Также не ясно, на какую величину ослабления поля ДКМВ в городе и соответствующее уменьшение эффективности приемных антенн можно ориентироваться, поскольку немногочисленные имеющиеся данные относятся к измерениям при приеме в городе поверхностных ДКМВ или получены в других диапазонах.

Таким образом, для оптимального проектирования радиолиний ДКМ вещания необходимо проведение специальных исследований по изучению влияния условий города на характеристики направленности приемных антенн радиослушателей и их эффективность при приеме пространственных волн ДКМ диапазона.

Второй"раздел посвящен^теоретическим исследованиям прохождения ДКМВ через элементы современных городских зданий, позволяющим проанализировать некоторые основные закономерности явления ослабления ДКМВ.в городе. Для этого расчетным путем были определены коэффициенты прохождения ДКМВ через следующие элементы зданий:

- для одной, двух и трех сплошных кирпичных и бетонных стен;

- для сплошной железобетонной стены;

- для железобетонной стены с отверстием, размеры и. форма кото-эого соответствуют размерам и форме окон современных жилых домов.

При расчетах стены предполагались бесконечно протяженными и эднородными,- Для проведения расчетов были измерены диэлектрические проницаемости и удельные проводимости материалов, из которых состо-

ят стены и перекрытия современных зданий (различных типов кирпичей и бетона). Измерения проводились методом образцов и дали следующие результаты: 1=2,6... 4,4; б=10~2... 10"4 См/м.

Расчетные соотношения для коэффициента прохождения через 1, 2 и 3 стены были получены методом геометрической оптики с использованием нормальных импедансов, определяемых как отношение тангенциальных компонентов электрического и магнитного полей. Толщина стен и расстояния между ними выбирались в'соответствии с существующими в современных жилых зданиях. Расчеты показали, что ослабление через одну кирпичную (бетонную) стену незначительно при углах падения на стену 0...70° (отсчет от нормали к стене) и быстро возрастает при углах падения, больших 70°. достигая бесконечности при 90°. При прохождении через три стены толщиной каждая 0,5 м, расстоянии между ними по 5 м и длине волны \=11 м ослабление составило 8 дБ при углах падения 40...50°.

Стеновые панели и блоки, междуэтажные перекрытия современных зданий представляют собой слой бетона (диэлектрика) с заключенными внутри него двумя или одной металлическими проволочными сетками. На основе теоретических исследований В. Г. Ямпольского в работе показано, что для густых сеток, когда выполняется соотношение а/2<с1<Х (а - диаметр проводов, (3 - расстояние между проводами в сетке)," и используемых параметрах е и б влияние слоя бетона при расчете коэффи-циентав прохождения можно не учитывать. Из этих же исследований, а также из экспериментальных данных, приведенных в монографии В.А. Каплуна, следует, что при имеющих место отношениях ЬА (11 - толщина стены) незначительным смещением сетки относительно середины стены (слоя) по сравнению с X можно пренебречь. Вследствие этого для расчетов" было"использовано соотношение, применяемое при расчете коэффициентов просачивания через рефлекторы проволочит антенн. Причем благодаря применению в современном строительстве густых сеток эта формула справедлива для обоих случаев падения волны на сетку: случая Е (вектор Е падающей волны параллелен осям проводов) и случая Н (вектор Н параллелен плоскости сетки и нормален осям ее проводов).

Ослабление, вызванное одиночными сетками с размерами, наиболее часто встречающимися в современных зданиях, составило 15...33 дБ. Полученные результаты использованы в дальнейшем при расчете ослабления через две сетки, который проводился по формуле, используемой обычно при расчетах коэффициентов прохождения через 2 неоднородности (сетки), расположенные на конечном расстоянии 1 друг от друга.

лг

Проведенные расчеты показали, что сплошные стены и перекрытия зданий, выполненные из железобетона, обладают значительно большим ослаблением по сравнению с кирпичными и бетонными стенами, не содержащими металлических сеток. Особенно велико ослабление для наружных стен, содержащих две проволочных сетки, для которых оно составило 30...50 дБ. Такое значительное ослабление позволяет в первом приближении считать наружные железобетонные стены в ДКМ диапазоне волн радионепрозрачными и рассматривать определение коэффициента прохождения через отверстия (окна) в железобетонной стене как решение задачи дифракции .на отверстии в идеально проводящем экране.

Для расчетных соотношений по ослаблению напряженности поля в этом случае была определена величина поля за экраном с малым отверстием. Поле за отверстием определялось как суперпозиция полей эквивалентных электрического и магнитного диполей, величина которых определяется формой и размером отверстия (метод Бете).

Расчеты, проведенные по полученным соотношениям, показали, что окна современных жилых домов (размеры сторон порядка О,IX) при приеме ДКМВ на расстояниях от окна г=2 м и при нормальном падении увеличивают коэффициент прохождения через наружные железобетонные стены на 10...15 дБ, а при больших расстояниях г=4. ..5 м практически равны значениям коэффициентов прохождения через наружные сплошные железобетонные стены. При углах падения волны на стену, отличных от нормального, ослабление возрастает с ростом угла падения.

Анализ расчетов, проведенных в этом разделе, показывает, что поле ДКМВ, проникающих в здание, подвержено ослаблению, которое зависит от угла падения волны на стены здания, поляризации этой волны, от расстояния между стенами, от конструкции здания. Эти факторы влияют"соответственно"и на направленные-свойства комплекса, состоящего из собственно антенны и препятствий - стен, расположенных на пути распространения волны, так как зависимость напряженности поля от угла падения волны на стены не является равномерной, а ослабление напряженности поля уменьшает эффективность приема такого комплекса по сравнению с антеннами, расположенными на свободном месте.

Третий раздел посвящен теоретическому исследованию уменьшения эффективности исследуемых антенн, расположенных в области тени, образованной городскими зданиями.

Расчеты проводились методом равномерной геометрической теории дифракции по соотношениям, полученным Куюмджаном и Патхаком. При этом, считая стены зданий по-прежнему радионепрозрачными, затеняю-

щее здание рассматривается как клин с идеально проводящими плоскими гранями, которые соответствуют крыше и стене здания.

Расчеты показали, что составляющую поля в области тени, лежащую в плоскости дифракции (плоскости, образованной ребром клина и направлением распространения дифграгированной волны) можно считать линейно зависящей от угла прихода волны Д. а ее ослабление составило 27...40 дБ. Составляющую же дифрагированного поля, перпендикулярную плоскости дифракции, можно считать практически независящей от угла Д, ее ослабление - 20...32 дБ.

Неравномерность зависимости уровня напряженности поля от угла падения волны на затеняющее здание указывает на изменение формы ДН антенны, расположенной в области тени, по сравнению с формой ДН антенны, расположенной на открытом месте, а значительное ослабление напряженности поля на уменьшение эффективности приемных антенн;

В четвертом разделе описана методика экспериментальных исследований и дан анализ вариаций уровня сигнала, принимаемого в городе.

Исследования проведены с использованием самолета с установленными на нем передатчиком и антенной, что позволило исключить влияние ионосферы на характеристики принимаемого сигнала, а также получить возможность исследовать влияние многообразия условий"города на прием ДКМВ антеннами радиослушателей. В качестве передающей антенны служил трос длиной 8 м, выпускаемый снизу фюзеляжа самолета. Для придания тросу вертикального положения на его конце укреплялся массивный груз. Для учета влияния металлического корпуса самолета, искажающего характеристики направленности передающей антенны, были проведены измерения ДН на модели самолета с антенной, форма-которых учитывалась при обработке данных измерений.

Самолет летал вокруг современного крупного города вдоль его границы на 12 фиксированных высотах. Максимальная высота -4,5 км. Прием сигналов от передатчика на самолете осуществлялся профессиональными приемниками на штыревую, Г-образную и рамочную антенны. Регистрация сигналов, уровень которых пропорционален напряженности поля, осуществлялась самописцами, подключенными к выходу ПЧ приемников. Исследуемые антенны устанавливались в комнатах зданий различного типа, на разных этажах и в различных микрорайонах, отличавшихся способом застройки: часто или редко расположенными зданиями, преобладанием зданий большой или малой этажности и т.п. Всего в городе было организовано 8 измерительных пунктов, одновременно изме-

Д/Г

рения проводились на 3 пунктах. Для определения величины ослабления сигнала в городе измерения проводились и в пригородной местности.

Анализ регистрации уровня напряженности поля в городе, зафиксированных на лентах самописцев, подтвердил выявленную теоретически существенную зависимость уровня напряженности поля от взаимного расположения строений, окружающих место приема. Обнаружена зависимость напряженности поля от местоположения антенны внутри дома, а также от расположения комнаты, в которой установлена антенна, относительно направления прихода волны принимаемого сигнала. Существенно и влияние района города (типа застройки) на изменение уровня принимаемого сигнала, что проявляется в его более резких колебаниях в домах, расположенных на окраине города, по сравнению с колебаниями в домах, расположенных в центральной части города.

Проведенный количественный анализ показал, что ослабление напряженности поля в кирпичном здании, расположенном на незастроенном месте в пригородной местности, может составлять 20 дБ, а при измерениях в железобетонном здании, расположенном на окраине города, оно достигает 40...45 дБ.

Пятый раздел, посвящен экспериментальному определению характеристик направленности приемных антенн, расположенных в городе.

Полученные ДН в горизонтальной плоскости для штыревой антенны, показали, что их форма далека от окружности. Ее неравномерность такова, что максимальный уровень ДН превышает минимальный в 10 раз. Это свидетельствует о зависимости уровня напряженности поля в комнатах городских домов как от конкретного исполнения проводящих включений каждого дома (провода освещения, трубы водопровода и отопления и др.), так и от расположения прилегающих зданий и других сооружений.

Экспериментальные ДН в вертикальной плоскости были построены для штыревой, Г-образной и рамочной антенн. Эти ДН представляют собой кривые с большой неравномерностью их хода, что свидетельствует о зависимости уровня сигнала от характера городской застройки. Для проектирования трасс радиовещания требуется усредненная ДН, характеризующая зависимость уровня напряженности поля от угла возвышения для города в целом.

Для получения усредненных ДН из всего возможного множества ДН, соответствующих фиксированным азимутальным направлениям (отдельных ДН), необходимо выбрать ДН в тех вертикальных плоскостях, изменение уровня напряженности поля в которых можно считать статистически не-

•аг

зависимым. Критерием статистической независимости служит интервал (радиус) корреляции, полученный здесь как азимутальный угол, равный значению функции автокорреляции 1/е=0,37. Функции автокорреляции строились по непрерывным кривым регистрации изменений уровня сигнала, зафиксированным на каждой высоте полета самолета. Интервалы корреляции и, соответственно, угловые расстояния между вертикальными плоскостями со статистически независимыми ДН по всем регистраци-ям уровня сигнала на различных высотах полета самолета (и различных углах возвышения) составили 3...21°.

Усредненные ДН штыревой и Г-образной антенн были получены путем нахождения средних значений относительных ДН для отдельных азимутальных направлений для каждого значения угла возвышения Л (через Io) в секторе до 20°. Количество усредненных значений составило от 180...165 для Д=1...8й ДО 26...17 - для Д= 17...20°.

Анализ усреденных ДН, полученных для трех частот, на которых велись измерения (6. 11,6 и 18,4 МГц), показал, что их форма может быть описана следующим выражением:

F (Л) =cosa/I+|R|, |2+2|R„|COS<5>H где R¡| и Фц - модуль и фаза коэффициента отражения для параллельно поляризованной волны, совпадающим с ДН короткого вертикального несимметричного вибратора, расположенного на открытом месте со следующими эквивалентными для города параметрами отражающей поверхности земли: е=Ю и б=10"3...10"2 См/м. Этот вывод справедлив также и для ферритовых антенн, которыми могут быть снабжены бытовые радиоприемники, имеющие ДКМ диапазоны волн.

В шестом разделе экспериментально исследуются статистические характеристики поля ДКУ.В в городе.

Ввиду большой неоднородности уровня напряженности поля в различных точках наблюдений в городе и особенно внутри зданий, характер изменения поля является случайным и величина его напряженности не может быть выражена аналитически. Вследствие этого влияние города при проектировании линий ДКМ вещания необходимо учитывать статистически.

Функция распределения напряженности поля определялась по уровням сигнала Ur (напряжение на входе приемника U пропорционально напряженности поля Е), принимавшегося в зданиях, расположенных в 6 различных районах города с разным характером застройки, для двух типов антенн - штыревой и Г-образной, на трех частотах 6, 11,6 _и

о£ЛГ

18,4 МГц. Функции распределения были получены в виде графиков интегральной вероятности появления сигнала уровня Ur или меньше для следующих интервалов углов Д: 0...1°, 1...30, 3...50, 5...7°, 7... ...10°, 10... 15°.

По полученным интегральным кривым было установлено, "что статистический закон распределения уровня напряженности поля по местоположению точек приема в городе является логарифмически нормальным.

Анализ, проведенный на проверку гипотезы о законе распределения по критерию согласия Пирсона (критерий "X2"). показал, что значения вероятностей соответствия всех 36 полученных распределений логарифмически нормальному закону составили от 50 до 80%, что свидетельствует о'хорошем сооответствии экспериментально полученных функций распределения логарифмически нормальному закону.

При логарифмически нормальном законе статистического распределения напряженности поля в городе дополнительная величина напряженности поля, необходимая для обеспечения нормальной слышимости вещания в крупных городах определяется следующим выражением:

Едоп. =Vr+6K(L), дБ, где 5 - стандартное отклонение случайной величины L, а K(L) - нормально распределенная случайная величина с нулевой медианой и стандартным отклонением, равным единице (табличная "функция). Медианная величина ослабления в городе Vr была определена как отношение медианной напряженности поля в городе Егм к напряженности поля на открытом месте Е0 при одинаковых мощностях передатчика, расстоянии до точки измерения напряженности поля и прочих равных условиях и составила 11,3 дБ, при этом Егм определялись по кривым интегральной вероятности. Медианное значение среднеквадратического отклонения 5, определенное по этим не интегральным"кривым составило 7,3 дБ.

Полученные усредненные значения числовых характеристик статистического закона уровня сигнала в городе в целом характеризуют условия приема в пределах города, являются типичными для больших городов и вместе с установленным видом закона распределения уровня напряженности поля в городе могут быть рекомендованы для проектирования радиолиний ДКМ вещания.

В заключении сформулированы основные результаты работы.

В Приложениях 1,2 приведены расчетные соотношения и программы расчетов для коэффициентов прохождения ДКМВ через элементы городских зданий.

В Приложении 3 приведены программы расчета коэффициента диф-

fi-

ракции на проводящем клине.

В Приложениях 4 и 5 приведены экспериментальные характеристики направленности штыревой и Г-образной антенн, расположенных в городе.

В Приложение 6 включены акты внедрения результатов диссертационной работы, '■ .вклады в МККР и дополнение 2 к новой редакции Рекомендации 705 МСЭ "Характеристики и диаграммы направленности передающих и приемных ВЧ антенн", составленное на основе этих вкладов.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ

В диссертационной работе получены следующие новые научные результаты.

1. Исследовано ослабление радиоволн ДКМ диапазона при прохождении через различные элементы зданий - стены наружные и внутренние, междуэтажные перекрытия, в том числе и стены с наличием окон. Исследования показали, что:

- железобетонные стены и перекрытия зданий обладают значительно большим ослаблением, чем кирпичные и бетонные стены, особенно велико ослабление для наружных стен зданий, содержащих наиболее густые и двойные проволочные сетки, для которых оно составило 30... ... 50 дБ.

- ослабление, даваемое железобетонными стенами при наличии в них отверстий прямоугольной формы (окон) с размерами меньше О,IX, на расстояниях от окна 1<г<2 м на 10...15 дБ меньше, чем ослабление для сплошных стен, а при больших расстояниях (г=4. ..5м) оно практически равно ослаблению через сплошные наружные железобетонные стены. ' ..........................

2. Теоретически исследована зависимость напряженности поля и его ослабления от угла прихода волны при приеме ДКМВ в области тени, создаваемойгородскими зданиями.

Показано, что поле в области тени существенно зависит от поляризации волны, падающей на затеняющее здание, и соответственно, от поляризации волны, дифрагированной этим зданием.

Составляющая дифрагированного поля, лежащая в плоскости дифракции, имеет практически линейную зависимость от угла прихода волны Д, а ее ослабление составляет 27...40 дБ. Составляющую же дифрагированного поля, перпендикулярную плоскости дифракции, можно считать независящей от угла Д, а ее ослабление составляет 20...32 дБ.

за-

3. Впервые проведенные экспериментальные исследования эффективности антенн радиослушателей при приеме пространственных волн ДКМ диапазона в городе показали значительную зависимость уровня сигнала от местоположения этих антенн.

3.1. Характер изменения уровня напряженности поля существенно зависит от архитектуры микрорайона (типа застройки), в котором ведется прием радиоволн, - наблюдаются значительные колебания уровня сигнала при приеме в домах, расположенных на окраине города (редкое расположение зданий), по сравнению с колебаниями уровня сигнала в домах, расположенных - в центральной части города (плотное расположение зданий).

3.2. Отмечается существенная зависимость уровня напряженности поля в городе от местоположения приемной антенны внутри дома, этажа, расположения комнаты, в которой ведется прием вещания, от размещения антенны внутри самой комнаты (непосредственно у наружной стены, на которую падает волна, или в глубине дома, когда волна проходит через несколько помещений дома, например, 2-3 комнаты).и от направления приходящей волны.

4. Экспериментально определено ослабление напряженности поля ДКМВ при приеме в кирпичном здании с железобетонными перекрытиями, расположенном на незастроенном месте в пригородной местности, и в современном панельном здании, расположенном в одном из микрорайонов города. При этом получены следующие значения ослабления: в кирпичном здании в пригородной местности 5... 15 дБ, в панельном здании в городе 20...40 дБ во всем ДКМ диапазоне и при различных углах возвышения.

5. Экспериментально установлено заметное искажение характеристик "направленности ""комнатных антенн при приёме "ДКМВ в городе по

сравнению с характеристиками антенн, расположенных на незастроенной местности:

- искажение ДН в горизонтальной плоскости сводится к существенному изменению эффективности приема по различным азимутальным направлениям, при этом отношение максимальных и минимальных значений ДН достигает 10;

- искажение ДН, полученных в вертикальных плоскостях, расположенных по отдельным азимутальным направлениям, сводится к нарушению плавного хода кривых этих ДН.

6. Получены экспериментальные оценки функции автокорреляции уровня сигнала в городе в зависимости от азимутального сдвига ис-

л/г

точника электромагнитных волн (передатчик на борту самолета).

Численные значения интервала (радиуса) корреляции, позволяющие оценить угловое расстояние между азимутальными направлениями, при которых уровни сигнала в условиях города можно считать статистически независимыми, составили от 3 до 21°.

7. Экспериментально установлено, что ослабление напряженности поля пространственных волн в городе можно считать независящим от частоты и угла возвышения в пределах всего ДКМ диапазона.

8. Установлено, что при проектировании радиолиний вещания ДКМ диапазона необходимо пользоваться усредненной в целом по городу ДН в вертикальной плоскости приемных антенн.

На основе экспериментальных исследований получено аналитическое выражение для формы усредненной ДН в вертикальной плоскости этих антенн, при этом для городских условий вводятся следующие эквивалентные параметры отражающей поверхности земли: относительная диэлектрическая проницаемость е=10, удельная проводимость 6=0,01... ... О,001 См/м.

9. Экспериментально установлено, что статистический закон пространственного распределения уровня сигнала в городе является логарифмически нормальным со стандартным отклонением 7,3 дБ, а медианное значение величины ослабления в городе составило 11,3 дБ.

10. Основные материалы исследований, изложенных в работе, использованы при составлении вкладов, представленных Администрацией связи России в Международный консультативный комитет радио (МККР). На основе этих вкладов 10-й Исследовательской комиссией МККР подготовлена новая редакция Рекомендации 705 "HF transmitting antennas characteristics and diagrams". В новой редакции Рекомендации 705, называемой "HF transmitting and receiVing"änterinas "characteristics and diagrams", впервые приведены параметры приемных антенн, расположенных в городе и предназначенных для приема вещания в ДКМ диапазоне (Dokument 10/9-Е. 07 November 1994, Annex 2 "HF receiving antennas", со ссылкой в тексте на исследования, проведенные в России, принят на заключительном собрании 10-й Исследовательской комиссии сектора радиосвязи МСЭ 05 июня 1995 года).

Полученные в диссертационной работе результаты могут быть использованы при решении вопросов электромагнитной совместимости, экранирования помещений для защиты от проникновения электромагнитного поля, защиты биологических объектов от воздействия на них электромагнитного излучения, а также при решении задач специальных видов

связи на дальние расстояния при приеме ДКМВ в условиях города.

ПУБЛИКАЦИИ

Полученные в работе результаты отражены в следующих публикациях:

1. Короленков A.B. 'Исследования величины ослабления поля радиоволн КВ диапазона при прохождении их через городские здания// Труды НИИР. -1975. -№ 4.-С. 65-71.

2. Короленков A.B. Определение функции распределения напряженности поля декаметровых волн в условиях города//Труды НИИР.-1977.-№ 4.-С. 83-87.

3. Короленков A.B. .Влияние железобетонных стен городских зданий на прохождение радиоволн//Труды НИИР.-1979.-№ 2.-С. 74-77.

4. Короленков А.В. Ослабление поля радиоволн железобетонным препятствием с прямоугольным отверстием//Радиотехника.-1981.-№ 36. -С. 67-70.

5. Короленков A.B. Определение коэфициентов прохождения декаметровых волн через железобетонную стену с отверстием//Радиотехни-<а. -1990. -№ З.-С. 5-7.

6. Короленков А.В. Ослабление декаметровых волн в городе//Тру-1ы НИИР. -1988:-№ 4.-С. 59-60.

7. Короленков A.B. Экспериментальные диаграммы направленности 5 горизонтальной плоскости штыревых антенн при приеме декаметрового $ещания в городе//Труды НИИР.-1990.-№ 4.-С. 33-35.

8. Короленков A.B. О влиянии архитектуры города на действующую ушну антенн радиослушателей в ВЧ диапазоне// Труды НИИР.-1991.-

47-еГ15-17. ....... "

9. Исаев А.Н., Короленков A.B.. Сергеев О.И. О надежности прима ВЧ радиовещания в условиях крупного города//Труды НИИР.-1991.. -[° 4.-С. 10-13.

10. Короленков A.B. Экспериментальное определение функции ав-■окорреляции уровня сигнала декаметровых волн, принимаемых в городе /Радиотехника.-1991.-И0 5.-С. 86-88.

И. Короленков A.B. Диаграмма направленности в вертикальной лоскости антенн при приеме ВЧ вещания в городе//Радиотехника.-991. -№ 9.-С. 83-85.

Подписано в печать 22.09.95. Формат 60x84/16. Печать офсетная. Объем 1,1 усл. п. л. Тираж 100 экз. Заказ 315. Бесплатна.

ОШ МП "Инйормсвязьизцат". Москва, ул. Авиамоторная, 8.