A rádiócstr Az elektrágeses spektru felsztás és felhszálás Az 1.1. Tábláztb beuttjuk rádiótechikáb felhszált elektrágeses spektru jelelegi felsztását és z egyes frekvecisávk tipikus lklzási területeit (COLLIN 1985) : 1.1. Táblázt Frekvecisáv Tipikus lklzási terület 3 30 khz Nvigáció, szár 30 300 khz Rádió iráydók vigáció 300 3000 khz Középhulláú AM űsrszórás, tegeri rádiózás, iráyérés 3 30 MHz Rövidhulláú űsrszórás, tőr rádiózás, 30 300 MHz Televíziós és FM űsrszórás, légiközlekedés iráyítás, bil rádió, vigáció 300 3000 MHz Televíziós űsrszórás, bil rádió, űhlds összeköttetések, 3 30 GHz Légi rdr, ikrhulláú összeköttetések, bil rádió, űhlds összeköttetések, űsrszórás, 30 300 GHz Rdr, kísérleti célk 1. A rádiócstr A rádiócstr defiíciójáhz előbb tekitsük z teák defiícióját. Az te elektrágeses hullák kisugárzásár és vételére szlgáló eszköz. Az te redszertechikilg tápvl és szbdtér közötti trszfrátr, ely tápvl hzzávezetett eergiát kisugárztt elektrágeses hullák (dóte), z teár beeső elektrágeses hullát pedig vezetett hulláá lkítj (vevőte). A rádiócstr lpvetőe z közeg, ely z dó- és vevőte között terjedő rádióhullák ftsbb tuljdságit (plitudó, fázis, plrizáció, spektru) eghtárzz. Redszertechiki szeptból rádiócstr z dóte beeete és vevőte kieete közötti égypólus (1. ábr). Adóte evőte 1. ábr Rádiócstr E égypólus csillpítás szkszcsillpítás, elyek defiíciój következő: Pbe sz = 10lg, Pki db (1) hl P be P be z dóteáb betáplált teljesítéy, P R vevőteából kivehető xiális htáss teljesíéy P ki. Hulláterjedési ódk
Mit z előző fejezetbe ráutttuk, rádiócstr htárzz eg z dó- és vevőte között terjedő rádióhullák ftsbb tuljdságit. A következőkbe egvizsgáljuk, hgy ilye echizusk útjá vlósulht eg hullák terjedése. Az 1. ábrá összefglltuk főbb hulláterjedési ódkt. (Ábr köyv 9.4. ábráj) 1. ábr Főbb hulláterjedési ódk A 1. ábrá beutttt főbb hulláterjedési ódk következők - közvetle vgy direkt - reflektált - felületi - trpszférikus szórássl egvlósuló - iszférikus hulláterjedés. (A fiziki htásk közül beszélek ég reflexió, refrkció jeleségekről diffrkcióról és Fresel ellipszidról) Szbdtéri terjedés Kilkulásák feltétele, hgy z dó- és vevôte között terjedés kdálytlul, szbd térbe jöjjö létre. Akdálytlk tekitjük terjedést, h hulláfrtk z része terjed kdálytlul, ely z eergi gybb részét (98-99%-át) szállítj. (Fresel zóák) A G A yereségű dóteáb P A teljesítéyt betáplálv z te áltl szbd térbe elôállíttt teljesítéysûrûség z teától r távlságb S PA G = 4 π r A (.1) Mivel z te távlterébe hullá síkhullák tekithetô, ezért z elektrs és ágeses térerôsség vektri itt egyásr és terjedés iráyár erôlegesek és fázisb vk. Ekkr teljesítéysûrûség következôképpe írhtó fel S csú cs = E 40π A (.1) és (.) képletekbôl z elektrs térerôsség plitudój E csúcs (.) PA GA = 60 (.3) r Az S teljesítéysűrűség vevőteár jut, ely htáss felületével ráys teljesítéyt juttt kieetére. A vevőteából xiális kivehető htáss teljesítéy így: Pki = Ah S A vevőte htáss felülete felírhtó yereségével és z üzei hulláhsszl: λ A h = G 4π λ PAG A Pki = Ah S = G 4π 4πr A szbdtéri csillpítás pedig így
db db ( A ) 4π r = 0lg G + G λ (.4) Mit (.3) és (.4) képletekbôl látszik, z elektrs térerôsség plitudój z dóteától ért távlsággl frdíttt, szkszcsillpítás pedig távlság égyzetével egyeese ráys. Kétuts terjedés Az dóteát és vevôteát sík földtôl h A és h gsságb elhelyezve z elektrágeses hullák két te között.3. ábr lpjá közvetle és földfelszírôl reflektált út jutk el. A vételi térerôsség két kplex plitudó összege vevôte helyé. R 1 h A R h ϑ d ϑ.3. ábr Kétuts terjedés Mivel gykrltb elôfrduló összeköttetésekél ϑ 5, ezért.. ábrák lpjá földreflexiós téyezô értéke bárely plrizáció ellett, tetszôleges üzei frekveciá jó közelítéssel -1 értékûek tekithetô, így tvábbikb Γ f = 1 (.10) A vételi térerôsség közvetle és földrôl reflektált hullá térerôsségösszegekét írhtó fel hl E = E + E E + E Γ e d r f j β R (.11) R = R R 1 közvetle és reflektált hullá úthsszák külöbsége Az úthsszk tükrözési tétel értelébe.4. ábr lpjá ( ) R = d + h h (.1) 1 A ( ) A R = d + h + h (.13)
R 1 h A R h R h.4. ábr Közvetle és reflektált utk A (.1 és (.13) képleteket z 1+ x 1+ 1 x ; x 1 (.14) srfejtés elsô két tgják felhszálásávl z lábbi lkb írhtjuk fel. R 1 h h h = d 1+ d 1 1 + d A A h d (.15) R h + h h = d 1+ d 1 1 + d Ie z úthsszkülöbség ha h R = R R1 d A A + h d A (.10), (.17) képleteket (.11)-b helyettesítve vételi térerôsség j β R j β h h d ( ) ( ) A 1 1 (.16) (.17) / E E e E e (.18) j β h h h A h / d A E = E e j si β (.19) d Mivel térerôsség bszlut értékét érjük és felhszálás szeptjából ez fts, ezért fázistéyezôket tvábbikb e vesszük figyelebe. E = E si π λ ha h d (.0) izsgáljuk eg tvábbikb térerôsség váltzását zgó és álldóhelyû összeköttetésekre. Mzgó rádióösszeköttetés térerőssége Az E térerôsséget ábrázljuk d szksztávlság függvéyébe.
.5. ábr Kétuts rádióösszeköttetés térerôssége A rádiósszkszk z álldóhelyû te és d it távlság közötti részét iterfereci zóák evezzük, hl it z.5. ábrá jól láthtó, térerősség iiu és xiuhelyei váltv követik egyást. Az iterfereci zóá kívül térerősség 1/ d -tel ráys, szebe szbdtéri rádióösszeköttetés 1/d-vel ráys térerôsségével. Kétuts terjedés szkszcsillpítás A szkszcsillpítás levezetéséhez iduljuk ki szkszcsillpítás defiíciójából sz PA = 10lg (.4) P A P htáss teljesítéyt, ely vevôteából xiális kivehetô, vételi térerôsségbôl írjuk fel. hl E ha h ha h = E si β P = 4P si β (.5) d d P htáss teljesítéyt, ely vevôteából xiális kivehetô szbdtéri terjedés ellett A (.5) összefüggést (.4)-b helyettesítve és felhszálv, hgy PA = 10lg (.6) P kétuts hulláterjedés szkszcsillpítását szbdtéri csillpítássl tudjuk kifejezi. sz ha h = 0lg si β d (.7) Az iterfereci zóá kívül sziuszfüggvéy rguetuávl helyettesíthetô és szbdtéri csillpítás (.9) képletét felhszálv 4π d ha h = 0lg ( G + G ) 0lg β λ d sz A
sz d = 0lg ( GA + G ) (.8) h h A Mit (.8) képletből látszik, kétuts terjedés szkszcsillpítás z iterfereci zóá kívül függetle z üzei frekveciától és távlság egyedik htváyávl ráys. Felületi hulláú terjedés A felületi hullák jól vezető föld, és levegő htárfelülete eté lkulk ki, hulláhsszhz képest lcsy tegsságk eseté, ivel ekkr közvetle és reflektált hullá kiltj egyást. A tlj jó vezetőképességû közegek áltláb éháy khz-től éháy MHz-ig tekithető így felületi hullák ebbe frekvecisávb tekithető elsődleges terjedési ódk. A rádiócstr csillpítás ekkr közelítőleg ráys szksztávlság egyedik htváyávl. A gykrltb hszálts szksztávlság éháy száz kiléter. Trpszférikus szórás A földi légkör törésuttój (hgy refrkció jeleségéél beutttuk) hsszú idő átlgáb jól leírhtó ód szbálys váltzik. Eellett levegő törésuttójáb idig előfrdulk diszktiuitásk is, elyek k levegő pártrtlák, hőérsékletéek és légyásák hely szeriti gyrs váltzás. Ezek váltzásk csekélyek, de gy dóteljesítéy ellett jeletős szórt teljesítéyt eredéyezek. A trpszférikus összeköttetések 00 MHz-től 10 GHzig ûködek. Alcsybb frekveciák hszálták szükséges gy yereségû teák jeletős érete szb htárt, gsbb frekveciák pedig szkszcsillpítás válik túl ggyá. A trpszférikus összeköttetések jellegzetessége vételi térerősség jeletős igdzás. Az összeköttetések tipikus távlság éháy száz kiléter, redszerit e több, it 800 k. A trpszféráb redszerit 10 k ltt jö létre z összeköttetések egvlósulásáhz szükséges gyságú szórás. Iszférikus hulláterjedés Az iszfár légkör 40-100 k-es földfelszí feletti gsságig terjedô rétegét képezi, elybe gyszáú iizált gázrészecske tlálhtó. Az iizáció fô frrás p iblyátúli és részecskesugárzás illetve légkörbe jutó eteritk izáló htás. Mivel z iizációt fôképp p kzz ezért z iszfér állpt szrs összefügg ptevékeységgel. Az iszférikus rétegeket térfgtegységre esô szbd elektrk száávl jellezik. Az elektrsûrûség helyi xiui ill. iflexiós ptji lpjá D, E, F rétegeket külöböztetük eg. Az F réteg pközbe két rétegre F1 és F-re szkd, éjszk viszt csk z F réteg jeletkezik. A rádióhullák közeg törésuttóják váltzás itt föld felé törek. Mide réteghez trtzik egy xiális frekveci, ely rétegrôl ég éppe visszverôdik és ezt z dtt réteg kritikus frekveciáják evezzük. Az dtt réteg htárfrekveciáj z frekveci, elyél kisugárztt ipulzusk 50 %- verôdik vissz. 3. A bil rádiócstr
A földi bil hírközlő redszerek leggybb része 30 és 1000 MHz közötti (URH) sávb üzeel. Mgyrrszág plgári célr 80 MHz, 160 MHz, 450 MHz, 900 MHz és 1800 MHz körüli frekveciák hszáltsk. Az teából kilépő hullát terjedése srá szás fiziki htás éri. A legftsbb hár htást z lábbikb fglljuk össze. Többuts terjedés 3.1. ábr Többuts terjedés A többuts terjedést hullák dbkról, hegyekről, kieelkedő épületekről törtéő visszverődése vgy diffrkciój kzz, elyek következtébe többféle út, jeletős plitudó- és futási idő eltéréssel érkezek bil készülék teájáhz. A vett jel időfüggvéye eze diszkrét dell felhszálásávl: y ( t) = ( τ ) x( t τ ) H τ függvéyébe -et ábrázljuk, kkr futási idő prfilt kpjuk. 3.. ábr Futási idő prfil A futási idő prfil leggykribb közelítése egtív expeciális függvéyel törtéik.
3.3. ábr A GSM redszer egyik teszt futási idő prfilj Egyes esetekbe viszt (lásd fet) e így közelítik. Szóródás A ásdik htás bil állás közelébe lévő épületekről, járűvekről, övéyzetről szóródó hullák htás. Eek z következéye, hgy vevőteár vízszites sík ide iráyából véletle beérkezési szögelszlássl, fázis- és plitudó elszlássl hullácsgk érkezek. Eze hulláösszetevők hzzájárulás vett jelhez következőképp írhtó: hl [ ] j ω c r( t e t u( t) = Re ) r( t) = A( t) e( t) A( t) = N = 1 c e jθ e(t) kisugárztt jel kplex burklój c hullá -edik szórt kpese Θ szórt kpes fázis ω c vivő körfrekveci égezzük el következő felbtást, tvábbá tételezzük fel, hgy beeső hullák közel zs plitudójúk, fázisuk egyeletes elszlású π-, és N gy. jω ct jθ Re e c e = csωct c csθ siωct c si Θ = csωct I siωct Q Az előző feltételek lpjá I és Q rális elszlásúk, σ = E{ c } sűrűségfüggvéyük pedig 1 p ( x) = e σ π x σ A vett jel plitudój pedig r ( t) = I ( t) + Q ( t) lpjá Ryleigh elszlású,
r σ r p r ( r) = e σ sűrűségfüggvéyel. Az előző eredéyeket kkr kpjuk, h bil állás és bázisállás közötti átlátás e vlósul eg, ekkr ugyis ics beérkező hullákpesek között diás. H z átlátás egvlósul, kkr z előző Ryleigh elszlás helyett Rice elszlás írj le bil állás vett jeléek plitudó elszlását. A többuts terjedés és szóródás együttes htás következtébe bil állás jele (térerősség z teáál) következőképp lkul bil zgás következtébe. Dppler htás 3.4. ábr Térerősség távlság függvéyébe A hrdik htás bil állás zgáskr fellépő Dppler htás. A Dppler frekvecieltlódás: vbil f D = fc csα = fd x csα c Mivel beépített köryezetbe bil állás teájár ide iráyból érkezek hullák, ezért Dppler htás eredéyekét kisugárztt f c frekveciájú vivő f Dx szélességű flyts sávvá szélesedik. A bil állás vett jele így hár htás eredőjekét: [ ] j ω c r( t e t u( t) = Re ) r ( t) = A ( t) e( t τ ) A ( t) = N c = 1 e j [ Θ + ω t ] ω Dppler körfrekveci eltlódás Zj Egy T bszlút hőérsékletű psszív hálózt kpcspárjá kivehető zjteljesítéy sűrűség (Plck törvéy)
hf hf S( f ) = kt hf hf = kt e 1 + 1 kt A közelítés rádiófrekveciás trtáyb érvéyes. A kivehető zjteljesítéy B zjsávszélességgel P zj = ktb Átviteli redszer jellezése A G teljesítéyerősítésű átviteli redszer kieeti jel és zjteljesítéye P = GP + GP + P ki jelbe zjbe zj hl P zj z átviteli redszer áltl terelt zjteljesítéy. A kifejezés felírásáál függetle jel- és zjfrráskt tételezük fel. H z átviteli redszer beeeti zjteljesítéyét egy psszív ele szlgálttj, kkr Pzj Pki = GPjelbe + GkTB + Pzj = GPjelbe + GkB T + GkB Az átviteli redszer áltl terelt zj htását beeetre redukált zjhőérséklettel (T red ) vesszük figyelebe. P = GP + GkB T + T ki jelbe ( ) red A beeetre redukált zjteljesítéy zjtéyezővel is egdhtó, ely kieő és beeő zjteljesítéy ráyát jeleti T =90K beeeti zjfrrás hőérséklet ellett. F P zjki red = = = 1 GP zjbe T GkB( T + T GkBT T + T Srb kpcslt átviteli redszer eredő zjtéyezője (A köyv lpjá) Összetett zjfrrás ekvivles zjhőérséklete (A köyv lpjá) ) red