EngeeRadar.TwoRayChannel

Двухлучевой канал распространения – это следующий шаг по сложности после канала свободного пространства и простейший случай среды многолучевого распространения.

Канал свободного пространства моделирует луч прямой видимости из точки 1 в точку 2.

В двухлучевом канале среда задается как однородная, изотропная среда с отражающей плоской границей. Граница всегда устанавливается как .

Существует не более двух лучей, распространяющихся из точки 1 в точку 2. Первый луч распространяется по той же траектории прямой видимости, что и в канале свободного пространства. Путь прямой видимости часто называют прямым лучем. Второй луч отражается от границы, прежде чем попасть в точку 2. Согласно закону отражения, угол отражения равен углу падения. При симуляции ближнего радиуса действия, например, в системах сотовой связи или автомобильных радарах, можно предположить, что отражающая поверхность – земля или поверхность океана – плоская.

Системный объект EngeeRadar.TwoRayChannel моделирует временную задержку распространения, фазовый сдвиг, доплеровский сдвиг и эффекты потерь для обоих путей. Для отраженного пути эффекты потерь включают потери на отражение на границе.

На следующем рисунке показаны два пути распространения. Исходя из положения источника, , и положения приемника, , вы можете вычислить углы падения для обоих путей, и . Углы падения – это углы места и азимута приходящего излучения по отношению к локальной системе координат. В данном случае локальная система координат совпадает с глобальной системой координат.

Вы также можете вычислить углы распространения, и . В глобальных координатах угол отражения на границе совпадает с углами и . Угол отражения важно знать, когда вы используете данные о потерях на отражение, зависящие от угла.

Общая длина пути для траектории прямой видимости ,которая равна геометрическому расстоянию между источником и приемником, показана на рисунке.

Общая длина пути для отраженной траектории равна . Величина – это расстояние между источником и приемником.

Вы можете легко вывести точные формулы для длины пути и углов в терминах дальности до земли и высоты объектов в глобальной системе координат.

Затухание, или потери на пути прохождения в двухлучевом канале, являются произведением пяти компонентов , где

Каждый компонент указан в единицах величины, а не в дБ.

Потери возникают, когда сигнал отражается от границы. Вы можете получить простую модель потерь на отражение от земли, представив электромагнитное поле в виде скалярного поля. Этот подход также работает для акустических и гидролокационных систем.

Пусть – это скалярное электромагнитное поле свободного пространства с амплитудой на контрольном расстоянии от передатчика (например, один метр). Распространяющееся в свободном пространстве поле на расстоянии от излучателя имеет вид

для траектории прямой видимости.

Вы можете выразить отраженное от земли -поле как

где – расстояние отраженного пути.

Величина представляет собой потери, связанные с отражением от плоскости земли. Чтобы указать , используйте свойство GroundReflectionCoefficient. В общем случае зависит от угла падения поля. Общее поле в месте назначения представляет собой сумму полей прямой видимости и отраженного пути.

Для электромагнитных волн более сложная, но более реалистичная модель использует векторное представление поляризованного поля. Вы можете разложить падающее электрическое поле на две составляющие. Одна составляющая, , параллельна плоскости падения. Другой компонент, , перпендикулярен плоскости падения. Коэффициенты отражения от земли для этих компонентов различны и могут быть записаны в терминах проницаемости земли и угла падения.

где – импеданс среды. Поскольку магнитная проницаемость земли почти такая же, как у воздуха или свободного пространства, отношение импедансов зависит в первую очередь от отношения электрических проницаемостей

где величина – это относительная проницаемость земли, задаваемая свойством GroundRelativePermittivity. Угол – это угол падения, а угол – угол преломления на границе. Вы можете определить , используя закон преломления Снелла.

После отражения полное поле восстанавливается из параллельной и перпендикулярной составляющих. Полное затухание в плоскости земли, , представляет собой комбинацию и .

Когда точка отправления и точка назначения неподвижны относительно друг друга, вы можете записать выход Y объекта как . Величина – это задержка сигнала, а – потери на пути в свободном пространстве. Задержка задается . – это либо расстояние пути распространения в прямой видимости, либо расстояние пути отражения, а – скорость распространения. Потери на пути:

где – длина волны сигнала.

Эта модель рассчитывает затухание сигналов, распространяющихся через атмосферные газы.

Электромагнитные сигналы затухают при распространении через атмосферу. Этот эффект обусловлен главным образом резонансными линиями поглощения кислорода и водяного пара, меньший вклад вносит азот.

Модель также включает в себя непрерывный спектр поглощения ниже 10 ГГц.

Модель рассчитывает удельное затухание (затухание на километр) как функцию температуры, давления, плотности водяного пара и частоты сигнала. Модель атмосферных газов действительна для частот от 1-1000 ГГц и применима к поляризованным и неполяризованным полям.

Формула для удельного затухания на каждой частоте:

Величина является мнимой частью комплексной атмосферной преломляемости и состоит из компонента спектральной линии и непрерывного компонента:

Спектральная составляющая состоит из суммы дискретных спектральных членов, состоящих из локализованной функции полосы частот, , умноженной на силу спектральной линии, . Для атмосферного кислорода сила каждой спектральной линии равна:

Для атмосферного водяного пара сила каждой спектральной линии составляет:

это давление сухого воздуха, – парциальное давление водяного пара, а – температура окружающей среды. Единицы измерения давления – гектопаскали (гПа), а температуры – градусы Кельвина. Парциальное давление водяного пара, , связано с плотностью водяного пара, , следующим образом:

Полное атмосферное давление составляет + .

Для каждой линии кислорода зависит от двух параметров, и . Аналогично, каждая линия водяного пара зависит от двух параметров, и . В документации ITU, приведенной в конце этого раздела, содержатся таблицы этих параметров как функций частоты.

Функции локализованной полосы пропускания являются сложными функциями частоты, описанными в ссылках ITU, приведенных ниже. Эти функции зависят от эмпирических параметров модели, которые также приведены в ссылках.

Чтобы вычислить общее затухание для узкополосных сигналов на пути, функция умножает удельное затухание на длину пути, . Тогда общее затухание равно .

Вы можете применить модель затухания к широкополосным сигналам. Сначала разделите широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны и примените ослабление к каждому поддиапазону. Затем просуммируйте все ослабленные сигналы поддиапазонов в общий ослабленный сигнал.

Эта модель рассчитывает ослабление сигналов, распространяющихся через туман или облака.

Ослабление тумана и облаков – это одно и то же атмосферное явление. Используется модель МСЭ, Рекомендация МСЭ-R P.840-6: Затухание из-за облаков и тумана. Модель рассчитывает удельное ослабление (ослабление на километр) сигнала как функцию плотности жидкой воды, частоты сигнала и температуры. Модель применима к поляризованным и неполяризованным полям. Формула для удельного затухания на каждой частоте выглядит следующим образом

где – плотность жидкой воды в гм/м3. Величина представляет собой удельный коэффициент затухания и зависит от частоты. Модель затухания облаков и тумана действительна для частот 10-1000 ГГц. Единицы измерения удельного коэффициента затухания – (дБ/км)/(г/м3).

Чтобы вычислить общее затухание для узкополосных сигналов на пути, функция умножает удельное затухание на длину пути . Общее затухание равно .

Вы можете применить модель затухания к широкополосным сигналам. Сначала разделите широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны и примените узкополосное ослабление к каждому поддиапазону. Затем просуммируйте все ослабленные сигналы поддиапазонов в общий ослабленный сигнал.

Эта модель рассчитывает затухание сигналов, которые распространяются через регионы с осадками. Затухание при дожде является доминирующим механизмом затухания и может меняться от места к месту и от года к году.

Электромагнитные сигналы ослабляются при распространении через область осадков. Затухание при дожде рассчитывается в соответствии с моделью ITU для дождя "Рекомендация ITU-R P.838-3: Специфическая модель затухания для дождя для использования в методах прогнозирования". Модель рассчитывает удельное ослабление (ослабление на километр) сигнала как функцию интенсивности дождя, номинальной частоты сигнала, поляризации и угла места. Удельное затухание, , моделируется как степенной закон в зависимости от скорости дождя:

где – скорость дождя. Единицы измерения – мм/час. Параметр и экспонента зависят от частоты, состояния поляризации и угла возвышения на пути сигнала. Специфическая модель затухания действительна для частот от 1-1000 ГГц.

Чтобы вычислить общее затухание для узкополосных сигналов на пути, функция умножает удельное затухание на эффективное расстояние распространения, . Тогда общее затухание равно .

Эффективное расстояние – это геометрическое расстояние, , умноженное на масштабный коэффициент:

где – частота. В статье "Рекомендация ITU-R P.530-17 (12/2017): Данные о распространении и методы прогнозирования, необходимые для проектирования наземных систем прямой видимости" содержится полное описание вычисления затухания.

Скорость дождя, , используемая в этих расчетах, – это долгосрочная статистическая скорость дождя, . Это скорость дождя, которая превышается в 0.01% случаев. Расчет статистической нормы осадков рассматривается в "Рекомендации ITU-R P.837-7 (06/2017): Характеристики осадков для моделирования распространения". В этой статье также объясняется, как вычислить затухание для других процентов от значения 0.01%.

Вы можете применить модель затухания к широкополосным сигналам. Сначала разделите широкополосный сигнал на частотные поддиапазоны и примените ослабление к каждому поддиапазону. Затем просуммируйте все ослабленные сигналы поддиапазонов в общий ослабленный сигнал.