Jan Petersson (SM0EU), 1983-03-15

VÅGUTBREDNING
Radiolänk VHF-EHF

Innehåll

• Trådlösa överföringssystem
• Allmänt om vågutbredning och radiospektrum
• Normala vågutbredningsförhållanden
• Vågutbredningsanomalier
• Reflekterande ytor
• Korrektiva metoder

TRÅDLÖSA ÖVERFÖRINGSSYSTEM

Vid utbyggnaden av telekommunikationssystem där trådlös överföring av information förekommer ställs man inför många problem som har sin grund i att vågutbredningsförhållandena är svåra att behandla. Detta beror inte bara på rent matematiska problem utan även på att det är svårt att exakt beskriva utbredningsmedierna (troposfären, jonosfären, jordytan).

Man måste i regel göra en kompromiss som innebär att man uppqkattar medelförhållanden för systemets vågutbredning (t ex systemförlustens medianvärde under en viss tidrymd). Utbredningsningsmediernas karaktär varierar med avseende på tiden (t ex varierande skiktning i troposfären) vilket gör att man med utgångspunkt från dessa medelförhållanden måste dimensionera systemet så att det innehåller tillräckliga marginaler för att kunna fungera även under mer ogynnsamma vågutbredningsbetingelser, eller utforma systemet så att inverkan av de variabla förhållandena elimineras.

Utvecklingen i fråga om metoder för att på optimalt sätt utnyttja den trådlösa överföringskanalen har på senare tid gått mycket snabbt. Bland de metoder som används för att minska inverkan av dess variabilitet kan nämnas användningen av felkorrigerande koder, optimering av informationens frekvensinnehåll med hänsyn till överföringqkanalens karaktar samt användning av adaptiva system, dvs system som automatiskt rättar sig efter existerande vågutbredningsförhållanden.

ALLMÄNT OM VÅGUTBREDNING OCH RADIOSPEKTRUM

Radiovågor och ljusvågor är av samma natur. Båda är elektromagnetiska vågrörelser. Speciellt då det gäller utbredningen av radiovågor med mycket kort våglängd (millimeter-, centimeter- och decimetervågor) har man ofta nytta av att använda optiska synsätt på vågutbredningsproblemen.

Radiovågorna alstras av snabba växelströmmar i antenner. De utbreder sig i vakuum med en hastighet av nära 300.000 km/s och i andra medier med en hastighet som är beroende av respektive mediums brytningsindex. De viktigaste storheterna som kännetecknar en radiovåg är dess frekvens, våglängd och utbredningshastighet.

En officiell indelning av radiospektrum i olika frekvensband är fastställd av ITU i internationella radioreglementet. Den huvudindelning som gjorts framgår av nedanstående tabell där även de olika bandens engelska namn anges.

I stället för dessa beteckningar och benämningar som är grundade på frekvensbegreppet används ofta även beteckningar som är grundade på våglängdsbegreppet:

Vågutbredningsförhållandena inom de olika frekvensområdena uppvisar väsentliga olikheter vilket också medfört att de teletekniska tillämpningarna är av olika slag. Man utnyttjar exempelvis inom kortvågsbanden radiovågornas avböjning genom refraktion i olika skikt i jonosfären till att erhålla världsomspännande radioförbindelser.

På liknande sätt som radiovågen bryts genom refraktion i jonosraren så bryts den också i troposfären. Även denna brytning kan orsaka att vågen utbreder sig betydligt längre an om jorden saknat brytande atmosfär. Bildningen av skikt i atmosfären kan t ex ibland även ge upphov till en så kallad ledskiktsutbredning vilket kan liknas vid vågutbredningen i en vågledare. På så sätt kan ibland avsevärda överräckvidder uppkomma.

Atmosfären inverkar således på radiovågornas utbredning på flera olika sätt. Variationer i framför allt fuktighet och temperatur ger upphov till variationer i brytningsindex som medför att radiovågorna bryts, sprids och reflekteras. Inom den högfrekventa delen av UHF-området samt inom SHF- och EHF-områdena blir vågutbredningen i ökande grad beroende av meteorologiska faktorer och de dominerande typerna av vågor (direktvåg + markreflekterad våg) påverkas starkt av de varierande meteorologiska förhållandena i troposfären. Vid de tillämpningar (t ex bredbandig radiolänk) där stor pålitlighet krävs, måste man därför noggrant projektera förbindelserna så att de upprätthålls även under de mest ogynnsamma väderleksförhållandena.

Inom de högre frekvensområdena (VHF - EHF) tränger radiovågorna igenom jonosfären och de dämpas därför snabbt bortom den radiooptiska horisonten. På grund av radiovågornas diffraktion bildar radiohorisonten ingen skarp gräns för deras utbredning. Även inne i skuggzonen kan signalerna från en sändare avlyssnas med hjälp av en känslig mottagare. Då man kommer tillräckligt långt in i skuggzonen börjar signalerna avtaga mindre snabbt med avståndet från sändaren än då man ligger nära dess radiohorisont. Detta kan förklaras av att troposfären är ett relativt inhomogent medium fyllt av bubblor och skikt med från omgivningen avvikande brytningsindex. Dessa sprider och reflekterar radiostrålning som träffar dem i olika riktningar även bortom radiohorisonten. Härigenom kan signaler från en stark mikrovågssändare nå 100-tals km bortom dess radiooptiska horisont, ett faktum som utnyttjas vid så kallad Troposcatter eller troposfärspridningsradiolänkförbindelser.

För att på ett relativt enkelt sätt kunna erhålla en referens för beräkningar har man uppskattat medelförhållandena i troposfären och pa så sätt skapat en så kallad "normalatmosfär" där exempelvis brytningsindex avtar linjärt med avseende på höjden över marken. I en sådan atmosfär kommer radiovågorna att böja av mot jordytan något kraftigare än ljusvågornas motsvarande avbojning och på grund av denna refraktion kommer således radiohorisonten på en slät jordyta att befinna sig på längre avstånd (ungefär 15 %) än den optiska horisonten. En normalatmosfär är dock ett fenomen som är relativt sällsynt i sinnevärlden.

NORMALA VÅGUTBREDNINGSFÖRHÅLLANDEN

Frirymddutbrednin och Fresnelzoner

Vid vågutbredningsberäkningar använder man ofta utbredning i fritt rum som referens. Det är under sådana förhållanden lätt att beräkna fältstyrkan och transmissionsförlusten. Den frekvensberoende sträckdämpningen i fritt rum framgår av figur 3.1 samt nomogrammet i figur 3.2.

För att kunna veta när man kan räkna med okorrigerad fri-rymddämpning är det väsentligt att kunna ange hur radiovågen från en sändarantenn sammansätts till ett elektromagnetiskt fält vid mottagarantennen:

Från sändarantennen i figur 3.3 utgår en vågfront, som enligt Huygens princip kan uppdelas i de elementarvågor som så småningom sammansätts vid mottagarantennen. Figuren visar att det blir olika gångväg för olika elementarvågor. Sådana vars gångvägsskillnad är en jämn multipel av halva våglangden kommer att ha samma fasläge vid mottagarantennen och således samverka under det att de vars gångsvägsskillnad är en udda multipel kommer att ha sådan fasskillnad att de motverkar varandra. Geometriska orten för alla de elementarvågor på alla förekommande vågfronter vars gångvägsskillnad är en heltalsmultipel av halva våglängden kommer att för varje multipel begränsa en cigarrliknande volym, en så kallad rotationsellipsoid.

Dessa ellipsoider benämns "Fresnel-zoner" och anges med ett ordningstal, lika med antalet multipler av halva våglängden i gångvägsskillnad jämfört med den direkta utbredningen. Första fresnel-zonen har således gångvägsskillnaden en halv våglängd och får således också den minsta volymen men trots det innehåller den huvuddelen av den energi som överförs mellan antennerna. Det har erfarenhetsmässigt visat sig att denna zon är av mycket stor betydelse bland annat vid hinderfrihetsberäkningar. Den används som måttenhet för samtliga de frekvenser som är aktuella för radiolänkförbindelser.

Man brukar beteckna första fresnelzonen med F1 och om man betraktar ett exempel där man successivt skärmar av första fresnelzonen med ett ensamt hinder så erhåller man den kurva över sträckdämpningens förändring vilken visas i figuren 3.4. Ur denna kurva ser vi att något väsentligt dämpningstillskott inte erhålls förrän förhållandet mellan hinderfriheten och den första fresnelzonens radie är mindre än ca 0,6 dvs knivseggen kan skärma av upp till 40 % av första fresnelzonens radie utan att egentligen påverka dämpnigen. Annorlunda uttryckt innebär detta att vi kan räkna med fri-rymddämpning så länge förekommande hinder inte skärmar av den undre hälften av första fresnelzonen med mer än 40 %.

Det måste här påpekas att en stabil utbredningsväg endast förekommer under helt stabila meteorologiska förhållanden, dvs något som är rätt sällan förekommande. Man måste alltså räkna med större säkerhetsmarginaler än en frizon av 60 % av första fresnelzonens radie vid en verklig radiolänkförbindelse.

Man kan beräkna första fresnelzonens radie (r F1) i meter med hjälp av formeln: r F1 = 17,3 gånger roten ur ( d1 gånger d2 delat med f gånger D ) där d1 och d2 är avståndet i km till respektive antenn, D är avståndet i km mellan de två antennerna och f är den använda frekvensen i GHz.

Som ett exempel på storleksordningen på första fresnelzonens radie mitt på en sträcka kan följande tabell vara till viss hjälp:

Refraktion och K-faktor

Som tidigare nämnts bedrivs den för oss aktuella radiolänktrafiken på så hög frekvens att räckvidden i stort sett bestäms av antennernas gemensamma horisont. På grund av vågutbredningsfenomenen är det möjligt att få något större räckvidd än den som ges av den gemensamma optiska horisonten. Detta beror på att atmosfärens brytningsindex normalt minskar med ökande höjd, varvid alltså den räckviddsbestämmande strålgången inte blir en rät linje utan i stället en kurva som böjer av mot jordytan och således ger en radioräckvidd som i normalfallet överstiger den optiska med ca 15 %.

Eftersom det vid projektering av en radiolänkförbindelse är mer komplicerat att arbeta med krökta strålgångar så brukar man ta hänsyn till atmosfärens brytningsindex genom att vid uppritandet av sträckans terrängprofil använda en fiktiv jorddiameter, kD, som med en faktor k avviker från jordens verkliga diameter D. Faktorn k brukar kallas "jordradiefaktor". Figur 3.5.

Atmosfärens brytningsindex beror på ett komplicerat sätt av höjden, varför man vid vågutbredningsberäkningar ofta refererar till en normalatmosfär i vilken brytningsindex avtar linjärt med höjden så att jordradiefaktorn k blir lika med 4/3. Finessen med begreppet jordradiefaktor ligger således i att man med dess hjälp tar hänsyn till höjdberoendet för atmosfärens brytningsindex (med i allmänhet god noggrannhet), samtidigt som strålgången över den nu atmosfärlösa fiktiva jorden med diametern kD kan behandlas som rätlinjig.

Man måste dock observera att jordradiefaktorn k=4/3 har erhållits ur hur normalatmosfärens brytningsindex varierar med höjden - om brytningsindex har ett annorlunda höjdberoende erhålls ett annat värde på jordradiefaktorn. Vilket värde som erhålls beror på atmosfärens egenskaper och kan vara olika vid olika tider på dygnet, olika årstider, olika vädertyper osv. I Europa kan man bortsett från kusttrakter räkna med k=4/3 som medianvärde över året.

Det kan vara intressant att studera fördelningen för k-faktorn i höjdskiktet upp till 100 m över land för svenska förhållaoden, figur 3.6. Procenttalet anger den del av tiden motsvarande k-värde underskrids. Vi ser att 50 %-värdet nära ansluter till k=4/3. Normalatmosfären representerar sålunda ett genomsnitt för strålbrytningen i atmosfären. Rent allmänt kan sägas att i regel är k mindre än 4/3 under vinterhalvåret och k större än 4/3 under sommarhalvåret.

Man kan vid studium av en radiolänkförbindelse konstatera att den verkliga sträckdämpningen visar sig vara något olika vid olika tillfällen. Detta är framför allt beroende på variationer i brytningsindex. Man kan gardera sig mot inverkan av dessa variationer genom att göra en sträckdämpningsberäkning med lägre jordradiefaktor än vad som normalt förväntas. Vid t ex förbindelser över land är k mindre än 0,8 mycket ovanligt och ofta anses dimensionering för k = 1 vara tillräckligt säker (vid förbindelser över land är k större än 1 under typiskt 99 % av tiden).

Värdet på k-faktorn kan även anta negativa värden vilka den uppnår asymptotiskt när k går mot oändligheten vilket motsvarar en helt plan jordyta. Värdet på k större än 0 innebär en konvex jordyta, och k mindre än 0 en konkav jordyta. Figur 3.7.

Hinder

För radiovågor i de lägre frekvensbanden inverkar markens topografi och växtlighet endast i ringa grad på vågutbredningen. De radiofrekvenser som är aktuella för en radiolänkförbindelse, dvs frekvenser i mikrovågsområdet, påverkas däremot i hög grad av såväl markytan som av träd och övrig växtlighet. Inverkan ökar med ökande frekvens och vid exempelvis 10 GHz kan man räkna med praktiskt taget fullständig absorption och spridning av radiovågorna när de träffar exempelvis en skog eller annan beväxt yta. Vid undersökningen av hinder bör man således speciellt uppmärksamma risken att uppväxande skog i framtiden kan inverka på den beräknade frizonen.

Som tidigare nämnts kan man även i skuggzonen i viss grad påvisa mikrovågsstrålning från en skymd sändare. Strålningsintensiteten är dels beroende av hur högt det skymmande hindret är men även av vilken utformning hindret har. I gynnsammaste fallet, där det är fråga om ett enstaka hinder med en markerad kant är det möjligt att genom så kallad kniveggsdiffraktion erhålla en betydligt större strålningsintensitet än om det är fråga om ett jämt rundat hinder. De fysiska måtten hos hindret måste naturligtvis även här ställas i förhållande till den använda våglängden. Se även figuren 3.4.

VÅGUTBREDNINGSANOMALIER

Fädning

Även för länkhopp med normal längd och tillräckliga antennhöjder kan styrkan hos den mottagna signalen tillfälligt sjunka kraftigt med otillåten försämring av överföringskvaliteten som följd. Detta vågutbredningsfenomen benämns fädning. Vanligaste orsakerna är

• Flervägsutbredning
• Onormal avböjning
• Dämpning på grund av nederbörd

Flervägsutbredning

Merparten av fädningen vid frekvenser under 10 GHz hänför sig till flervägsutbredning och uppstår genom interferens mellan två eller flera skilda signalvägar i atmosfären. För en radiolänkförbindelse med normala hopplängder och utan betydande mark- och vattenreflexion inträffar sådan fädning under mycket liten del av tiden, vanligtvis nattetid under sommar och tidig höst. Se figur 4.1.

För en radiolänkförbindelse är den direkta strålens väg den för vilken den tid det tar för vågen att utbreda sig från sändarantennen till mottagarantennen är minimum. Med andra ord fasvridningen är minimum. Om nu den från sändarantennen utstrålade vågen kan ta sig fram till mottagarantennen även på andra vägar än den direkta vägen uppstår på grund av amplitud- och fasskillnaden en mer eller mindre stark interferens. Fasskillnaden beror på vägdifferensen. Vid reflexion mot markytan kan det dessutom förekomma ett ytterligare fassprång av 180°. Se även figur 5.5.1. En sådan så kallad flervägsutbredning kan uppstå både genom reflexion mot jämn yta och genom oregelbundenheter i atmosfären. Normal svensk terräng är emellertid inte särskilt reflekterande och reflexion från vattenytor kan som regel undvikas genom val av lämplig sträckning.

Sannolikheten för djup fädning (mer än 15 dB) på grund av flervägsutbredning kan för en normal radiolänkförbindelse med försumbar markreflexion beräknas enligt formeln:

--- FÄDNINGSFORMELN ---

där d = hopplängden i km, f= frekvensen i GHz, Wo= mottagen effekt under fädningsfri tid samt Pr (W) = sannolikheten för att den mottagna effekten är mindre W.

Som framgår av formeln avtar alltså sannolikheten for fädning på grund av flervägsutbredning mycket snabbt med minskande hopplängd.

Ledskiktsutbredning och avböjning

Allmänt gäller för troposfärens lägre delar att luftens brytningsindex i en normalatmosfär avtar linjärt med höjden.

Avvikelser från de genomsnittliga värdena för brytningsindexgradienten förekommer emellertid ofta inom delar av troposfären och då speciellt sommartid. Det kan bildas tunna skikt med markant avvikelse, ofta med en tjocklek av mindre än 100 m, som är av mycket stor betydelse för vågutbredningen. Avtar luftens brytningsindex tillräckligt kraftigt finns nämligen förutsättningar för s k ledskiktsutbredning. Se figur 4.2.

För att ett ledskikt skall uppkomma fordras att främst luftens temperatur och fuktighet har en onormal vertikal struktur med avseende på höjden. Dessa villkor är uppfyllda om temperaturen ökar med höjden och/eller fuktigheten avtar med höjden.

En så kallad temperaturinversion är gynnsam för uppkomsten av ledskikt. En inversion är nämligen ett skikt inom vilket det normala temperaturavtagandet med avseende på ökad höjd har avbrutits och ersatts med en temperaturstegring. En uppåtgående varm luftmängd ("termik") kommer därför att berövas sin drivkraft och således bromsas upp. Figur 4.3.

Det är luftfuktigheten som är den dominerande faktorn vid bildandet av ett ledskikt. Indirekt är således temperaturinversioner på höjd gynnsamma för uppkomsten av ledskikt genom att de bildar spärrskikt som hindrar vertikaltransporten av vattenånga. Det är alltså mycket vanligt att man vid en inversion har fuktig luft strax under med en markerad övergång till ofta mycket torr luft över inversionen.

Det förekommer även två slags markbundna inversioner med en fuktighetsfördelning som är gynnsam för uppkomsten av ledskikt. Den i dessa sammanhang helt dominerande typen är den som under en stor del av året förekommer över den kalla havsytan upp till en höjd av några tiotal eller ibland upp till hundra meter. Det är denna typ av inversion som är orsak till mer än 90 % av ledskiktsfallen inom troposfären. Den har i regel en mycket homogen struktur över stora havsytor.

Den andra typen av markbunden inversion är den så kallade strålningsinversionen. Den uppstår under den mörka delen av dygnet när utstrålningen medför en kraftigt avkylning av markytan. En strålningsinversion förekommer således endast inom ett relativt tunnt skikt närmast markytan och kan endast bildas över land.

Luftens brytningsindex för radiovågor varierar således med höjden över marken. Dess gradient är beroende av luftens temperatur, tryck och framför allt fuktighet. Normalt avtar brytningsindex med höjden, vilket innebär att radiovågorna successivt kröker nedåt längs jordytan och når en bit bortom den optiska horisonten. Gradienten hos brytningsindex ändras emellertid från tid till annan. Refraktionen kan därför vid sällsynta tillfällen bli sådan att fri radiooptisk sikt inte längre föreligger mellan stationerna eller att särskilda ledskikt bildas t ex vid stark värmeutstrålning nattetid från under dagen uppvärmda luftlager nära marken. I båda dessa fall dämpas den i mottagarantennen mottagna signalen kraftigt.

Spridning

Spridning innebär en sekundärstrålning som uppkommer då en radiovåg infaller mot ett icke homogent medium. Det förekommer troposfärspridning, som orsakas av oregelbundenheter i troposfärens brytningsindex samt spridning på grund av partiklar av olika slag, huvudsakligen i form av nederbörd.

Troposfärspridning uppträder ständigt även om andra fenomen normalt ger det dominerande bidraget till den mottagna signalen.Man har utnyttjat troposfärspridningen genom så kallade troposcatterlänkar eller troposfärspridningsförbindelseradiolänkar där två från varandra skymda radiolänkantenner belyser en gemensam högt belägen luftvolym. Troposfärens heterogena sammansättning inom den av de båda antennloberna bildade gemensamma volymen möjliggör att signalerna sprids och således kan tas emot långt bortom horisonten. Se figur 4.4.

Nederbördsdämpning och absorption

Radiovågornas dämpning i nederbörd beror av dels att strålningen sprids och dels att den absorberas. Dämpningen tilltar markant när radiovåglängden ej längre kan anses vara stor i förhållande till partikelstorleken och det innebär att hänsyn måste tas till nederbördsdämpning vid frekvenser över ca 10 GHz. Vid lägre frekvenser är effekten i regel försumbar. Droppstorleken vid nederbörd är beroende av nederbördsintensiteten och meteorologisk statistik över denna kan således visa i vilken omfattning en viss radiolänkförbindelse kan komma att påverkas av nederbördsdämpningen. Resultat från beräkning av dämpning i olika nederbördsintensiteter som funktion av frekvens visas i figur 4.5. Man ser här att dämpningen ökar med ökande frekvens upp till ett maximumvärde varefter den är konstant eller avtar svagt.

Nederbörd i form av torr snö påverkar endast marginellt vågutbredningen eftersom det är nederbördens fuktinnehåll som är avgörande för dämpningen av radiovågorna.

Atmosfären verkar även utan nederbörd onormalt dämpande på radiovågor inom vissa begränsade frekvensband. Det frekvensband som befinner sig närmast de frekvenser vi idag utnyttjar för radiolänk är frekvenserna runt 22 GHz där resonansfenomen hos luftens syre och vattenmolekyler orsakar en kraftig tillskottsdämpning. Figur 4.6.

Depolarisation

Depolarisation av radiovågor i nederbörd är av betydelse eftersom man för att öka överföringskapaciteten i ett radiolänknät samtidigt vill utnyttja kanaler med olika polarisation.

Depolarisationen orsakas av att nederbörden består av ej helt sfäriska droppar varför det uppstår en vridning av polarisationsriktningen under radiovågens passage genom nederbördsområdet.

Figuren 4.7 anger isolationen mellan två ortogonala polarisationsriktningar som en funktion av överföringsavstånd, nederbördsintensitet och frekvensband.

Selektiv fädning

Vanligtvis känner man igen fädning på att den mottagna signaleffekten varierar. Ofta dämpas därvid alla frekvenserna hos den överförda signalen lika mycket och man talar då om flat fädning. Men ibland varierar fädningens djup också med frekvensen inom det mottagna bandet. Då föreligger så kallad selektiv fadning. Den uppstar på grund av tids- och amplitudskillnader mellan olika överföringsvägar vid flervägsutbredning. Selektiv fädning visar sig som en amplitud och grupplöptidsdistorsion hos den överförda signalen.

För digitala radiolänksystem medför den selektiva karaktären hos fädningen att bitfelstätheten blir större än vid enbart flat fädning av motsvarande djup. Differensen mellan flat och selektiv fädning ökar med ökande bithastighet. Undersökningar har visat att det främst är interfererande signaler med kort tidsfördröjning (mindre än 3 nanosekunder) men med hög amplitud som är orsaken till den större delen bitfel i digitala högkapacitetsradiolänksystem vilka ej är försedda med korrektiva hjälpmedel. Denna typ av flervägsutbredning uppträder även på väl optimerade men långa radiolänkhopp. I många fall måste därför korrektiva metoder användas där det är fråga om så långa hopplängder att risken för flervägsutbredning blir oacceptabelt hög. Sådana korrektiva metoder kan vara adaptiva utjämnare som vid behov kompletteras med rumsdiversitet. Den effektivaste metoden är dock att vid högkapacitetssystem om möjligt ej använda alltför långa hopplängder.

Analoga radiolänksystem är tåliga mot interferens där fördröjningen är mycket kort. Däremot kan interfererande signalvägar med lång fördröjning orsaka fädning eller enbart en ökad distorsion inom främst de högre basbandsfrekvenserna hos ett analogt system. Ett digitalt system är däremot mycket tåligt mot sådan typ av interferens.

Interfererande signaler med kort fördröjning orsakas främst av atmosfäriska oregelbundenheter medan längre signalfördröjningar ofta är tecken på signalvägar via olika reflekterande föremål.

REFLEKTERANDE YTOR

Liksom ljuset reflekteras radiovågorna bättre eller sämre av olika ytor. Vid reflexion mot en jämn, plan yta koncentreras den reflekterade vågens energi i en riktning, spegelreflektionsriktningen. När ytan är ojämn, sprids vågen i olika riktningar. Ju ojämnare en yta är, desto sämre blir alltså dess reflekterande förmåga. Men ojämnheternas storlek måste ställas i relation till våglängden varför reflexionsförmågan blir frekvensberoende dvs en viss typ av mark kan vara mycket ojämn vid en våglängd medan den kan betraktas som jämn vid en annan. Vid höga frekvenser gäller att mark (ej vatten) endast är diffust reflekterande. Vidare inverkar ytans elektriska egenskaper och vågens bestrykningsvinkel och polarisation. (Det infallande strålknippets bestrykningsvinkel är lika med det reflekterade strålknippets elevationsvinkel.)

Reflexionsfaktor

Reflexionsfaktorn anger förhållandet mellan det reflekterade och det infallande elektriska fältet. Det är både amplitud och fas på den infallande vågen som ändras vid reflexion mot en yta.

Reflexionsfaktorns polarisationsberoende

Figur 5.1 visar reflexionsfaktorn för havsvatten och genomsnittsmark. Det är som synes en markant skillnad mellan vertikal och horisontal polarisation. Den vinkel för vilken vertikala polarisationens reflexionsfaktor har sitt minimum motsvarar den så kallade Brewster-vinkeln eller inom optiken polarisationsvinkeln. Det innebär att vertikalt polariserade radisvågor som i denna vinkel infaller mot ett förlustfritt dielektrikum får ingen reflexion utan all vågenergi som träffar ytan övergår till det undre mediet. Men jordytan är emellertid inte förlustfri, varför reflexionsfaktorn följaktligen inte blir noll utan enbart får ett minimivärde.

Horisontellt polariserade radiovågor uppvisar däremot en hög reflexionsfaktor som är tämligen oberoende av bestrykningsvinkeln. Polarisationens inverkan vid reflexioner är en egenskap som har speciell betydelse där man av någon anledning är tvungen att passera ett terrängavsnitt där onormala reflexionsrisker föreligger. Polarisationsriktningen bör där väljas vertikal och där så är möjligt bör bestrykningsvinkeln förläggas i närheten av Brewster-vinkelns värde.

Avlänkningsspeglar

Genom att utnyttja reflexion av radiovågor på ett kontrollerat och önskat sätt kan man uppnå kostnadsbesparingar vid dimensioneringen av en radiolänkförbindelse.

Den mest uppenbara användningen av reflektorer för radiovågor är den i den vanliga typen av mikrovågsantenn ingående paraboliska reflektorn. Den koncentrerar genom reflexion strålningen från vågledarmynningen till en mycket smal strålningslob med upp till 10 000 gånger större strålningsintensitet i den önskade riktningen jämfört med icke önskade riktningar. En vinst som ej är möjlig att uppnå på annat sätt.

På liknande sätt är det möjligt att med helt passiva speglande metallytor länka av en mikrovågsstråle till en ny önskad riktning. Man anordnar med andra ord en passiv repeterarstation med vars hjälp man exempelvis kan passera ett hinder i den direkta strålvägen mellan två terminalstationer.

De begränsande faktorerna för en passiv repeterarstation är att den begränsar möjligheterna till att optimalt använda de tillgängliga frekvenskanalerna i området samt att kravet på en acceptabel verkningsgrad gör att avlänkningsspeglarna måste ha en viss minsta yta samt vara placerade nära en av terminalstationerna. Rätt använda är dock de passiva repeterarna bra hjälpmedel för att nå otillgängligt belägna terminalstationer. Figur 5.2.

Vilken utformning av den passiva repeterarstationen som man väljer är beroende på de topografiska förutsättningarna i området i fråga. Den bästa och enklaste utformningen är med hjälp av en eller i vissa fall två plana reflektorer men det är även möjligt att använda två kopplade vanliga parabolantenner.

KORREKTIVA METODER

Kravet på tillförlitlighet är avgörande för dimensioneringen aY en radiolänkförbindelse. På grund av vågutbredningskanalens variabla egenskaper kan det dock vara mycket kostsamt att med normala metoder kompensera en mycket sällan förekommande kvalitetsförsämring. Exempelvis att använda 1000 gånger större uteffekt för att kompensera en försämring av systemförlusten med 30 dB under kanske endast 0,1 % av tiden.

Man kan istället utnyttja det faktum att vågutbredningskanalen är ständigt variabel och alltså ej beter sig identiskt lika på olika platser i rummet. Genom att då utnyttja två eller flera skilda överföringsvägar, dvs man ger förbindelsen diversitet, kan man försäkra sig om en god förbindelseväg trots att den andra vägen satts ur funktion genom exempelvis fädning. I de fall då diversitet ej är tillräcklig kan man dessutom utnyttja felkorrigerande utrustningsdelar, exempelvis adaptiva utjämnare vid kraftig selektiv fädning. Figur 6.1.

Diversiteten kan anordnas antingen som en rums- eller en frekvensdiversitet och kan ge betydande förbättringar i tillförlitlighet till en rimlig kostnadsökning.

Rumsdiversitet

Rumsdiversitet anordnas genom att mot en viss sändare placera två sinsemellan åtskilda mottagarantenner med tillhörande mottagare. Dessutom erfordras en omkopplings- eller kombineringsenhet där den bästa förbindelsevägen väljs ut i varje ögonblick. För att undvika att de två mottagarantennerna påverkas samtidigt av en och samma störning har erfarenheten visat att de bör placeras med ett inbördes avstånd av minst 100 våglängder.

Frekvensdiversitet

Frekvensdiversiteten utnyttjar den egenskap hos vågutbredningskanalen som gör att två olika överföringsfrekvenser ej påverkas på identiskt lika sätt. Genom att anordna två överföringskanaler med olika bärvågsfrekvenser kan man med en omkopplingsutrustning välja den för varje ögonblick bästa överföringsvägen. Eftersom samtliga parallella radiokanaler i ett radiolänkstråk arbetar med sinsemellan olika frekvenser och således påverkas olika av fading är det ofta tillräckligt med en gemensam diversitetskanal eller som man då säger, reservkanal.

Skyddsverkan genom frekvensdiversitet blir dock mindre ju mindre frekvensavstånd man har mellan reservkanalen och respektive ordinarie kanal. Sträckningsdiversitet

Denna är en form av rumsdiversitet som idag ej utnyttjas hos oss men som kan bli aktuell om längre radiolänkförbindelser i framtiden anordnas i de högre frekvensbanden där nederbördsdämpningen är av betydelse. Nederbördsdämpningen ar direkt beroende av nederbördens intensitet. Meteorologiska undersökningar har visat att en mycket hög nederbördsintensitet med tillhörande ökad överföringsdämpning uppträder normalt inom mycket begränsade luftvolymer och relativt sällan. Man kan således genom två, med ett lämpligt avstånd åtskilda, sträckningar undvika att båda samtidigt drabbas av fädning på grund av nederbörd, och således kan hopplängderna ökas till nära nog det dubbla.

Adaptiv utjämning

Vid selektiv fädning uppstår en amplitud och grupplöptidsdistorsion hos den överförda signalen vilket orsakar en onormal bitfelstäthet vid digitala radiolänksystem. Systemens känslighet för denna störning ökar med ökande bandbredd och med mer komplexa modulationsmetoder och följdaktligen är högkapacitetssystemen speciellt känsliga för denna typ av störning.

En viss förbättring kan erhållas med diversitet liksom med användning av så kallade adaptiva utjämnare vilka återställer den mottagna signalen i en omfattning som beror på graden av förvrängning.

Vid en samtidig användning av både rymddiversitet och adaptiva utjämnare erhålles en avsevärd förbättring av tåligheten mot selektiv fädning, betydligt större än respektive metod var för sig, vilket ger en möjlighet att utnyttja stora hopplängder även för digitala högkapacitetssystem. Vid nyanläggning av en förbindelse är dock den bästa metoden mot selektiv fädning att utnyttja måttliga avstånd mellan länkstationerna.

Slutligen en liten historia: