数字微波链路设计需要考虑的几个问题

陈 波

（作者单位：四川省广播电视发射传输中心701监控中心）

数字微波传输技术广泛运用于我国的广播电视节目无线传输中。起源于上世纪90年代的数字微波传输系统是当今通信的主流方式之一。要建立优质的数字微波传输链路那就有必要对微波通信链路设计中的关键参数及关键技术进行分析。

数字微波链路设计中要考虑以下几个方面的问题：一是自由空间传播损耗；二是视距传播的大气效应；三是微波传输的地面效应。

1 自由空间传播损耗

1.1 什么是自由空间

真空状态下的理想空间我们称之为自由空间。电磁波在自由空间传播不会产生能量损耗的反射、折射、吸收和散射等物理现象。

1.2 自由空间传播的损耗计算

微波在自由空间传播时，会产生损耗，因为电磁波的能量会向空间各个方向扩散而衰减。

当微波频率f的单位是GHz时，传输距离d的单位是km时，其在自由空间传播损耗为：

式中，d为两个收发信天线间的距离；f为发信频率；LS的单位是dB。

1.3 收信电平在自由空间传播条件下的计算

设Gr(dB)，Gt(dB)(分别为收发天线增益；Lfr(dB),Lft((dB)分别为收发两端馈线系统损耗；(Lbr(dB)，Lbt(dB)分别为收发两端分路系统损耗。

微波接收机在自由空间传播条件下的输入电平为：

(1.2)其中，Pr为接收机输入电平，Pt为发信机输出电平，单位均为dBm。

2 视距传播的大气效应

大气层是微波的传输媒质，大气效应是指由于大气混合得不均匀，因此，存在对流、平流、湍流以及雨雾等大气现象，并且是随机产生的，这会使电磁波在地球大气层传输过程中产生散射、折射、吸收等现象。这里主要讨论大气折射、大气吸收衰减和雨雾衰减这三个方面。

2.1 大气折射

大气的成分、压强、湿度和温度都是随着高度而变化，因而地球大气层是不均匀的。这些变化因素引起大气折射率伴随着高度变化而变化，这将导致电磁波传输方向的改变，产生折射现象。

图1

所有频段上的折射现象都十分显著，而且折射效应的显著程度主要取决于传播路径上的折射指数变化梯度和电波射线初始仰角。在某些气象条件下，地球表面的电磁波受大气折射影响其传播轨迹向地面弯曲，当弯曲程度超过地球表面的曲率时，电磁波会有一部分沿着一定厚度的大气薄层内传播，这种传播现象被称为电磁波的大气波导传播。

大气折射率N是指电磁波在自由空间的传播速度C与电磁波在大气中传播速度U的比值：

以一定仰角发射的电磁波波束在标准大气条件下，将略微向下弯曲。通常折射指数的水平变化非常微小，相对于垂直变化可忽略，对流层低层的折射指数n大约在1.00025～1.0004，非常接近于1。

2.2 大气吸收衰减

各种带电粒子组成了自然界中的各种物体，这些带电粒子有着各自不同的固定电磁谐振频率。当电磁波频率接近这些粒子谐振频率时，电磁波通过这些粒子构成的物质时就会产生共振吸收。微波经过大气传输会产生衰减，它的能量会被大气中的气体分子和水分子吸收而衰减。

经过科学实验证明，电磁波在波长λ=0.5 cm时氧分子具有最大吸收峰，电磁波在波长λ=1.3 cm处水蒸气具有最大吸收峰。对于频率不太高的电磁波，站距在50 km以上时，可以忽略大气吸收产生的衰减，因为这种衰减相对对于自由空间产生的衰减是非常微弱的。

2.3 雨雾衰减

在雨雾中传输的微波会因为这些小水滴使之发生散射现象，从而造成电磁波能量的损失。频率越高的微波散射衰减越严重，10 GHz以上频率的微波衰减尤为严重，导致其传输距离迅速缩短。

3 微波传输的地面效应

微波在地球表面的传播必须要考虑到地面建筑和山峰等等的阻挡，还必须考虑平滑地面、水面的反射波与折射波的抵消等等情况。

3.1 平滑地面水面的反射

当微波传输中经过平滑的地面或水面时，电磁波传播经由直射波和反射波以不同路径到达接收端，当两个信号叠加在一起时，可能会发生相互抵消的情况，从而产生电磁波的能量损耗。

由惠更斯-费涅耳原理我们可以知道，在电磁波的传输过程中有一种波源被称之为二次波源，这种被称作二次波源的是把由微波传输的波阵面上的每个点都当作一个会进行二次辐射的球面波的波源。

封闭曲面上各个点的二次波源离接收点的远近不同，接收点的信号场强也会因此发生变化，这是因为空间任一点的辐射场都是由包围波面的任意封闭曲面上各个点的二次波源发出的波在该点相互干涉，相互叠加后的结果。

引入费涅耳区的概念来分析研究这种变化。

图2

按照以上理论，当微波传输中经过平滑的地面或水面时，电磁波传播经直射波和反射波以不同的传输路径到达接收端，若是直射波和反射波行程差Δr是半波长的偶数倍长时，直射波与反射波在该点产生场强反向相加，其结果是合成场强最小，会产生衰减。

3.2 地面障碍物的阻挡

微波传播过程中会因为各种阻挡而增加损耗。这些阻挡物包括地面上的建筑、树林、山头或地面的其它障碍物等。

当微波传输路径上有山峰或者其它人为修筑的建筑物阻挡时，如果障碍物的最高点刚好在两个相邻微波站天线之间的连线上，传输的微波信号就会增加6dB的电平损耗；当障碍物的最高点超出连线时，电平损耗将迅速增加。在数字微波链路设计中应当规避出现这种情况，避免严重的衰减发生。如果出现这种情况，可以通过增高微波天线，或者改动微波传输线路，比如增加微波中继站等方式来改善传输特性。

对第一菲涅尔区的半径F1（以m为单位）进行计算就可以知道阻挡物不能超过多高才能满足传播条件。

计算方法为：

式中：d表示收发间距离，单位：km；λ表示所传输微波信号的波长，单位：m；d1、d2分别为收发站间某点与收发站点的距离，单位：km。

图3

为避免障碍物阻挡产生的损耗过大，在链路设计时，应该将所有障碍物都排除第一菲涅尔区。在地面障碍物高度不变的情况下，频率越低，绕射能力越强；频率越高，绕射能力越弱。

根据国家无线电管理委员会有关规定，分配给广播电视微波传输的频点为8GHz附近。由此易得：

在具体设计时，可以根据google earth等软件的地理信息确定两收发站间的有关参数。以下我们举例说明，假定需要设计的微波链路A站、B站间的距离为29.3 km，即：

d=29.3(km)

所以，第一菲涅尔区的半径：

如果以A站、B站这两点的连线为轴心，半径89.64 m的圆柱型空间内没有高山，高层建筑等任何遮挡物体。那么，根据以上计算得出的第一菲涅尔半径，可知第一菲涅尔椭球体是完全包含在这个圆柱型空间内的。也就是说A站、B站天线平台之间频率8 GHz的微波传输是没有阻挡的，可以视为自由空间传播。这两点之间完全可以建设微波线路。

当两个基站或者整个区块的站点被高山或者高层建筑等障碍物遮挡，且不能够通过调整基站位置来满足第一菲涅尔区的半径的要求，这时候就需要在两个基站中间较高位置设计微波中继站。

4 结语

在广播电视信号传输领域广泛地使用数字微波通信技术。在数字微波链路设计时，要全面考虑数字微波通信的各种不利因素，对于关键技术参数要进行准确计算。在链路设计过程中，通过google earth等软件可以快速地确定微波传输站点间的空间地理情况，便捷地做出微波链路网络的规划，可有效避免微波链路设计中地理信息的盲点，大大提高微波通信链路设计的有效性，进一步保证微波通信的品质。