數字微波鏈路設計需要考慮的幾個問題

陳 波

（作者單位：四川省廣播電視發射傳輸中心701監控中心）

數字微波傳輸技術廣泛運用于我國的廣播電視節目無線傳輸中。起源于上世紀90年代的數字微波傳輸系統是當今通信的主流方式之一。要建立優質的數字微波傳輸鏈路那就有必要對微波通信鏈路設計中的關鍵參數及關鍵技術進行分析。

數字微波鏈路設計中要考慮以下幾個方面的問題：一是自由空間傳播損耗；二是視距傳播的大氣效應；三是微波傳輸的地面效應。

1 自由空間傳播損耗

1.1 什么是自由空間

真空狀態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產生能量損耗的反射、折射、吸收和散射等物理現象。

1.2 自由空間傳播的損耗計算

微波在自由空間傳播時，會產生損耗，因為電磁波的能量會向空間各個方向擴散而衰減。

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

式中，d為兩個收發信天線間的距離；f為發信頻率；LS的單位是dB。

1.3 收信電平在自由空間傳播條件下的計算

設Gr(dB)，Gt(dB)(分別為收發天線增益；Lfr(dB),Lft((dB)分別為收發兩端饋線系統損耗；(Lbr(dB)，Lbt(dB)分別為收發兩端分路系統損耗。

微波接收機在自由空間傳播條件下的輸入電平為：

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

2 視距傳播的大氣效應

大氣層是微波的傳輸媒質，大氣效應是指由于大氣混合得不均勻，因此，存在對流、平流、湍流以及雨霧等大氣現象，并且是隨機產生的，這會使電磁波在地球大氣層傳輸過程中產生散射、折射、吸收等現象。這里主要討論大氣折射、大氣吸收衰減和雨霧衰減這三個方面。

2.1 大氣折射

大氣的成分、壓強、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，這將導致電磁波傳輸方向的改變，產生折射現象。

圖1

所有頻段上的折射現象都十分顯著，而且折射效應的顯著程度主要取決于傳播路徑上的折射指數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，當彎曲程度超過地球表面的曲率時，電磁波會有一部分沿著一定厚度的大氣薄層內傳播，這種傳播現象被稱為電磁波的大氣波導傳播。

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：

以一定仰角發射的電磁波波束在標準大氣條件下，將略微向下彎曲。通常折射指數的水平變化非常微小，相對于垂直變化可忽略，對流層低層的折射指數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。當電磁波頻率接近這些粒子諧振頻率時，電磁波通過這些粒子構成的物質時就會產生共振吸收。微波經過大氣傳輸會產生衰減，它的能量會被大氣中的氣體分子和水分子吸收而衰減。

經過科學實驗證明，電磁波在波長λ=0.5 cm時氧分子具有最大吸收峰，電磁波在波長λ=1.3 cm處水蒸氣具有最大吸收峰。對于頻率不太高的電磁波，站距在50 km以上時，可以忽略大氣吸收產生的衰減，因為這種衰減相對對于自由空間產生的衰減是非常微弱的。

2.3 雨霧衰減

在雨霧中傳輸的微波會因為這些小水滴使之發生散射現象，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重，10 GHz以上頻率的微波衰減尤為嚴重，導致其傳輸距離迅速縮短。

3 微波傳輸的地面效應

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

當微波傳輸中經過平滑的地面或水面時，電磁波傳播經由直射波和反射波以不同路徑到達接收端，當兩個信號疊加在一起時，可能會發生相互抵消的情況，從而產生電磁波的能量損耗。

由惠更斯-費涅耳原理我們可以知道，在電磁波的傳輸過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的波陣面上的每個點都當作一個會進行二次輻射的球面波的波源。

封閉曲面上各個點的二次波源離接收點的遠近不同，接收點的信號場強也會因此發生變化，這是因為空間任一點的輻射場都是由包圍波面的任意封閉曲面上各個點的二次波源發出的波在該點相互干涉，相互疊加后的結果。

引入費涅耳區的概念來分析研究這種變化。

圖2

按照以上理論，當微波傳輸中經過平滑的地面或水面時，電磁波傳播經直射波和反射波以不同的傳輸路徑到達接收端，若是直射波和反射波行程差Δr是半波長的偶數倍長時，直射波與反射波在該點產生場強反向相加，其結果是合成場強最小，會產生衰減。

3.2 地面障礙物的阻擋

微波傳播過程中會因為各種阻擋而增加損耗。這些阻擋物包括地面上的建筑、樹林、山頭或地面的其它障礙物等。

當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，如果障礙物的最高點剛好在兩個相鄰微波站天線之間的連線上，傳輸的微波信號就會增加6dB的電平損耗；當障礙物的最高點超出連線時，電平損耗將迅速增加。在數字微波鏈路設計中應當規避出現這種情況，避免嚴重的衰減發生。如果出現這種情況，可以通過增高微波天線，或者改動微波傳輸線路，比如增加微波中繼站等方式來改善傳輸特性。

對第一菲涅爾區的半徑F1（以m為單位）進行計算就可以知道阻擋物不能超過多高才能滿足傳播條件。

計算方法為：

式中：d表示收發間距離，單位：km；λ表示所傳輸微波信號的波長，單位：m；d1、d2分別為收發站間某點與收發站點的距離，單位：km。

圖3

為避免障礙物阻擋產生的損耗過大，在鏈路設計時，應該將所有障礙物都排除第一菲涅爾區。在地面障礙物高度不變的情況下，頻率越低，繞射能力越強；頻率越高，繞射能力越弱。

根據國家無線電管理委員會有關規定，分配給廣播電視微波傳輸的頻點為8GHz附近。由此易得：

在具體設計時，可以根據google earth等軟件的地理信息確定兩收發站間的有關參數。以下我們舉例說明，假定需要設計的微波鏈路A站、B站間的距離為29.3 km，即：

d=29.3(km)

所以，第一菲涅爾區的半徑：

如果以A站、B站這兩點的連線為軸心，半徑89.64 m的圓柱型空間內沒有高山，高層建筑等任何遮擋物體。那么，根據以上計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圓柱型空間內的。也就是說A站、B站天線平臺之間頻率8 GHz的微波傳輸是沒有阻擋的，可以視為自由空間傳播。這兩點之間完全可以建設微波線路。

當兩個基站或者整個區塊的站點被高山或者高層建筑等障礙物遮擋，且不能夠通過調整基站位置來滿足第一菲涅爾區的半徑的要求，這時候就需要在兩個基站中間較高位置設計微波中繼站。

4 結語

在廣播電視信號傳輸領域廣泛地使用數字微波通信技術。在數字微波鏈路設計時，要全面考慮數字微波通信的各種不利因素，對于關鍵技術參數要進行準確計算。在鏈路設計過程中，通過google earth等軟件可以快速地確定微波傳輸站點間的空間地理情況，便捷地做出微波鏈路網絡的規劃，可有效避免微波鏈路設計中地理信息的盲點，大大提高微波通信鏈路設計的有效性，進一步保證微波通信的品質。