С точки зрения теории электромагнитных волн, излучающий кабель в основном характеризуется погонным затуханием (в дБ/100 м) и передаточными потерями (в дБ). Погонное затухание – это мера затухания сигнала, распространяющегося вдоль кабеля. Оно измеряется в дБ на единицу длины (обычно в дБ на 100м) по следующей формуле: , где Pin- мощность на входе в кабель, Pout – мощность на выходе из кабеля. Погонное затухание вызывается потерями в проводниках и диэлектрике, а так же количеством уже излученной кабелем энергии. Погонные потери увеличиваются с ростом частоты и уменьшаются с ростом диаметра кабеля. Кроме того, на погонное затухание влияет взаимное положение излучающего кабеля и окружающих предметов. Передаточные потери(CL) характеризуют связь энергии, распространяющейся по кабелю и принимаемой внешней антенной. Они определяются соотношением мощности сигнала, принятого антенной, и мощности сигнала в кабеле. Например, если мощность сигнала в кабеле составляет 0 дБм, а мощность принятого антенной сигнала равна -60 дБм, то говорят, что CL= 60 дБм. В технических описаниях приводится значения CL при удалении антенны от кабеля на 2 м. Локальное значение CL определяется формулой: , где Pcable – мощность сигнала в кабеле, в сечении, ближайшем к антенне, Pantenna – мощность сигнала, на выходе антенны. Рисунок 1. Определение уровней CL50% и CL95%. Обычно, в техническом описании на излучающий кабель указывают параметры CL50% и CL95%. Физический смысл этих величин поясняется на рисунке 1. Кривая представляет собой зависимость мощности сигнала на выходе антенны от ее пространственного положения. Антенна перемещается вдоль оси кабеля, находясь на расстоянии около 2 м от кабеля. Горизонтальная линия в верхней части графика представляет собой мощность сигнала внутри кабеля. Расстояние в дБ между кривой и этой начальной линией, отмеренное по вертикали, и определяет значение CL в данной точке кабеля. Горизонтальная линия на рисунке, соответствующая значению CL50%, обозначает, что половина измеренных значений CL находится выше этой линии. Горизонтальная линия на рисунке, соответствующая значению CL95%, обозначает, что 95% измеренных значений CL находится выше этой линии, или, меньше по абсолютной величине, чем значение CL95%. Передаточные потери Процесс проведения измерений Процедура измерения величины CL определяется стандартом IEC 61196-4. Допускаются два способа измерений: метод заземленной плоскости и метод открытого пространства. Две эти методики часто могут давать совершенно различные результаты. Это не удивительно, поскольку хорошо известно, что окружающее пространство оказывает влияние на эффективность работы излучающего кабеля. Как объясняется в этом разделе, условия метода заземленной плоскости более близки к действительному состоянию окружающей обстановки в тоннелях. В добавление, стандарт позволяет указывать величину CL, рассчитанную как для одной из трех ориентаций приемной антенны, так и среднее ее значение, посчитанное с помощью специальной формулы. Таким образом, стандарты IEC не исключают неточностей, особенно при попытках сравнения характеристик изделий, представленных в технических описаниях различных производителей. Далее даны некоторые пояснения, чтобы помочь радиоинженерам более точно рассчитать энергетический баланс линии связи. Сравнение методов свободного пространства и метода заземленной плоскости Два варианта взаимного расположения излучающего кабеля и поверхности тоннеля детально рассмотрены в приложении B к стандарту IEC 61196-4 (§B1.1 и §B1.2) и показаны на рисунках 2 и 3, соответственно. Рисунок 2. Взаимное положение кабеля и приемной антенны в методе заземленной полскости. Рисунок 3. Взаимное положение кабеля и приемной антенны в методе заземленной полскости. В методе заземленной плоскости излучающий кабель проложен на расстоянии от 10 до 12 см над уровнем бетона. Центр приемной антенны расположен на расстоянии 2 м по вертикали от излучающего кабеля. Напряженность поля измеряется, когда антенна двигается вдоль оси кабеля. В методе свободного пространства излучающий кабель подвешен на изолирующих элементах на высоте от 1.5 до 2 м. Центр антенны находится на расстоянии 2 м от излучающего кабеля и на такой же высоте. Измерение напряженности поля так же происходит при движении антенны вдоль оси кабеля. Рисунки 8 и 9 так же определяют три пространственных положения приемной антенны: - радиальное: диполь находится в плоскости, проходящей через кабель, и образует прямой угол с осью кабеля; - ортогональное: диполь составляет прямой угол с плоскостью, содержащей кабель; - параллельное: диполь параллелен кабелю. Метод заземленной плоскости и метод открытого пространства иногда дают сильно различающиеся результаты. Для объяснения этих отличий излучающий и связанный режимы должны быть проанализированы отдельно друг от друга. Связанный режим работы кабеля Различие между величинами CL, измеренными двумя методами, может быть весьма существенным и иногда превышает 10 дБ. В общем, метод заземленной плоскости дает более низкое значение CL; это не удивительно, поскольку поверхность, которая находится ближе к излучающему кабелю, эффективно отражает волны в сторону антенны. В случае измерения величин CL методом открытого пространства поверхность отнесена от кабеля на 2 м, а слишком далеко для надлежащей поддержки связанного режима работы излучающего кабеля. Необходимо напомнить, что излучающие кабели работают в связанном режиме на частотах ниже частоты передачи (которая зависит от конструкции кабеля). Следовательно, все выше сделанные замечания применимы к этим излучающим кабелям, когда они используются на частотах ниже их частоты передачи. Излучающий режим работы кабеля Для кабелей, работающих в излучающем режиме, величина CL, измеренная двумя различными методами, отличается на 2 или 3 дБ, но изредка превышает 6 или 7 дБ. Отличие может быть как положительным, так и отрицательным, в зависимости от конструкции излучающего кабеля и частоты. Различия в уровне CL вызваны, в основном, эффектом отражения от окружающей кабель поверхности. На самом деле, в варианте метода заземленной плоскости, отражения, образованные поверхностью бетона, расположенного на расстоянии 10 - 12 см от излучающего кабеля, оказывают довольно существенное влияние. Механизм отражения показан на рисунке 4, где для простоты рассмотрена только одна уединенная излучающая щель A на кабеле. В любой точке P в окрестности излучающего кабеля напряженность поля является векторной суммой поля, излученного щелью А (в дальнейшем – прямая волна), и поля, отраженного от точки R на стене тоннеля. Рисунок 4. Отражение волны в методе заземленной плоскости. Величина напряженности результирующего поля будет зависеть: - от напряженности отраженного поля. Она определяется проводимостью отражающей поверхности. Коэффициент отражения может изменяться от 0 (отсутствие отражения) до 1 для идеально проводящей поверхности. - от разности фаз прямой и отраженной волн. Прямая и отраженная волны проходят различные пути, вследствие этого между ними возникает сдвиг фаз. Его значение (в градусах) выражается формулой 360°х(AR+RP-AP)/λ, где λ – длина волны в воздухе. Рисунок 5. Сложение векторов падающего и отраженного полей. К тому же, возможно изменение фазы и в точке отражения R. Это изменение зависит от ориентации вектора напряженности электрического поля и от электрических свойств отражающей поверхности. В случае идеально проводящей поверхности сдвиг фаз отсутствует для компонент электрического поля, у которых вектор напряженности ортогонален поверхности. Напротив, компоненты электрического поля, параллельные поверхности, испытывают изменение фазы на 180°. Рисунок 5 показывает, как отражение воздействует на величину CL. На этом рисунке Ed, Er и E обозначают в точке P векторы электрического поля прямой волны, отраженной волны и суммарной волны, соответственно. На левой части рисунка показан случай, когда векторы, соответствующие прямой Ed и отраженной Er волнам, почти синфазны. Длина вектора напряженности суммарного поля больше, чем у падающего поля, так как отраженная волна усиливает прямую волну, и, следовательно, величина CL уменьшается. И напротив, правая часть рисунка 5 показывает ситуацию, когда векторы напряженности полей прямой и отраженной волн почти противонаправлены. Соответственно, напряженность результирующего поля меньше, чем прямого поля, а значит, величина CL повышается. Хотя на рисунке 5 предположено, что коэффициент отражения от внутренней поверхности тоннеля меньше 1 (вектор Er короче, чем Ed), очевидно, что все приведенные выше заключения справедливы для любого значения напряженности поля отраженной волны. В случае применения широкополосных излучающих кабелей сложно поддерживать совпадение (или почти совпадение) фазовых набегов векторов напряженности полей прямой и отраженной волн во всем диапазоне рабочих частот, так как сдвиг фаз зависит от длины волны. Рисунок 6. Отражение волны в методе свободного пространства. В наиболее благоприятной ситуации, т.е. когда имеет место полное отражение (коэффициент отражения равен 1), когда фазы прямой и отраженной волн совпадают, суммарное поле имеет вид E=2 x Ed, следовательно, величина CL уменьшается на 6 дБ. Наоборот, самый худший вариант развития событий возникает, когда вектор напряженности поля отраженной волны противоположен по направлению вектору поля прямой волны, из-за чего результирующее поле резко ослабляется, а это означает, что величина CL возрастает. Однако, из практики известно, что результирующее поле не исчезает полностью и величина роста CL не превышает 20 дБ. В сравнении с рассмотрением отсутствия отражения в тоннеле, конфигурация с близко расположенными стенами может приводить как к уменьшению CL на 6 дБ, так и к увеличению этого параметра на величину, не превышающую 20 дБ. Когда применяется подход открытого пространства, то так же присутствует отражение от стен, потолка и пола тоннеля, но влияние отраженной волны здесь существенно меньше, как показано на рисунке 6. Конечно, если излучающий кабель находится на высоте 2 м над уровнем пола, то отраженную волну можно рассмотреть, как излученную воображаемым изображением кабеля, расположенным приблизительно в 4.5 м от антенны. Так как напряженность электрического поля обратно пропорциональна расстоянию от кабеля, то напряженность поля отраженной волны составляет 0.44 от напряженности поля прямой волны (0.44=2/4.5) при коэффициенте отражения равном 1. Это приводит к тому, что если прямая и отраженная волны синфазны, то величина CL уменьшается на 3.2 дБ (20Log (1+ 0.44) = 3.2 дБ). И напротив, если они противофазны, то величина CL увеличивается на 5 дБ (20Log (1- 0.44) = -5 дБ). Если же коэффициент отражения меньше 1, то напряженность поля отраженной волны уменьшается вместе с ее влиянием на величину CL. В результате можно сделать вывод, что влияние отраженной волны менее заметно в случае метода открытого пространства, нежели метода заземленной плоскости, где прямая и отраженная волны проходят практически одинаковые расстояния до сложения в точке приема. Эти заключения распространяются на любые значения коэффициента отражения. Выбор метода измерения В большинстве применений, излучающий кабель подвешен достаточно близко от отражающей поверхности (стен или потолка), которая может привести как к улучшению, так и к ухудшению CL. Очевидно, что метод заземленной плоскости более близок к ситуациям, встречающимся на практике. По этой причине метод заземленной плоскости кажется наиболее предпочтительным. Радиоизлучающие кабели Eupen Линейка излучающих кабелей Eupen разработана, чтобы использовать положительный эффект явления отражения, по крайней мере, в большинстве частотных диапазонов, назначенных для работы в системах мобильной связи. Это достигается путем выбора высоты крепления кабеля таким образом, чтобы фазовые различия между прямой и отраженной волнами были бы минимальными. Все технические описания излучающих кабелей Eupen указывают значения CL (по уровням 50% и 95%), измеренные при условиях наличия плоскости заземленной плоскости. Однако, описания со значениями CL, измеренными методом открытого пространства, так же доступны для большинства излучающих кабелей Eupen. Передаточные потери и ориентация антенны Определение передаточных потерь в соответствии со стандартом Стандарт IEC позволяет указывать значения CL, измеренные как при одной ориентации приемной антенны (радиальной, ортогональной или параллельной), так и среднее значение CL, вычисленное по особой формуле, приведенной дальше. Рисунки 8 и 9 показывают три ориентации приемной антенны в случае наличия заземляющей поверхности и открытого пространства, соответственно. Рисунок 7. Отклик полуволнового диполя. Результаты измерений показывают, что различия между худшей (наивысшее значение CL) и лучшей (наинизшее значение CL) ориентацией приемной антенны может превышать10 или даже, в особых случаях, 15 дБ. Объяснение этого эффекта дается на рисунке 7, где предполагается, что вертикально поляризованная электромагнитная волна распространяется слева направо, как показывает вектор V. Три рассмотренные ориентации приемной антенны обозначены на рисунке буквами a, b и c. Если вибраторы антенны ориентированы горизонтально и параллельны направлению распространения (a), то отклик антенны должен быть теоретически нулевым, потому что главный лепесток диаграммы направленности приемной антенны расположен в вертикальной плоскости. Если вибраторы антенны ориентированы горизонтально и параллельны направлению вектора магнитного поля (b), то, хотя диаграмма направленности и нацелена главным максимумом на источник поля, но отклик антенны все равно должен быть теоретически нулевым, потому что вибраторы ортогональны векторам электрического поля. Максимальный принимаемый сигнал получается, если антенные вибраторы расположены вертикально (c). В самом деле, главный максимум диаграммы направленности антенны ориентирован на источник поля, а ее проводники параллельны вектору электрического поля. Тот факт, что волна, генерируемая в пространстве излучающим кабелем, поляризована, объясняет сильное влияние ориентации приемной антенны на значение CL. Так как различие в значениях CL, вызванное ориентацией приемной антенны, может превышать 10 дБ и даже 15 дБ в худших случаях, то для точного расчета энергетического баланса линии связи и при сравнении характеристик излучающих кабелей разных производителей, требуется правильное понимание влияния пространственного положения антенны. Стандарт IEC определяет среднее значение CL с помощью следующей формулы: Эта особая формула отличается от обычных выражений для вычисления среднего арифметического и среднего геометрического. Для понимания ее физического смысла рассмотрим питание излучающего кабеля сигналом мощностью 1 мВт (0 дБм). Величина в описанной выше формуле относится к мощности (в мВт) сигнала, принятого дипольной антенной, ориентированной в радиальном направлении. Аналогично, величины и относятся к мощностям сигналов, принятыми антенной, ориентированной в ортогональном и параллельном направлениях, соответственно. Следовательно, величина представляет собой мощность (выраженную в мВт) сигнала, принятого дипольной антенной, усредненную по трем различным ориентациям этой антенны. Получается, что приведенная выше формула на самом деле дает значение CL относительно среднего уровня мощности сигналов, принятых в условиях радиального, ортогонального и параллельного положения приемной антенны. Чтобы понять смысл этого определения, рассмотрим простой случай, когда электромагнитное поле поляризовано строго в одном направлении, например, в параллельном. Это приводит к тому, что только величина Clp имеет определенное значение, тогда как Clr и Clo стремятся к отрицательной бесконечности. Так как 10-∞ = 0 и , то в итоге получим: CLmean = 4.8 + CLp Однако, в реальной ситуации электромагнитное поле почти никогда не бывает поляризовано исключительно в одном направлении (то есть не существует направления ориентации приемной антенны, для которого мощность принятого сигнала равнялась бы нулю). Например, если Clr = 60 дБ, Clo = 70 дБ и Clp = 70 дБ, то получается, что CLmean = 64 дБ. Другие численные примеры подтверждают, что среднее значение величины CL в общем случае примерно на 4 дБ больше чем наименьшее из CL для отдельных направлений измерения. В итоге, для практических применений может быть использована следующая приближенная формула: Где символ “min” означает наименьшее из трех значений, размещенных в скобках. Хотя стандарт и предписывает указывать ориентацию измерительной антенны, эта информация отсутствует во многих технических описаниях. Соответственно, сравнение характеристик излучающих кабелей иногда сопряжено с трудностями, из-за того, что величина CL, указанная в описании кабеля, может быть как средним значением, так и быть измеренной в каком либо одном, неизвестном направлении. Ориентация антенны и энергетический баланс линии связи Как утверждалось ранее, значение величины CL, измеренное в наименее благоприятных условиях может быть на 10-15 дБ выше значения, полученного в наилучших условиях для измерений. Это вызвано тем фактом, что измерительная антенна представляет собой полуволновый диполь, обладающий свойствами направленности. Действительно, диаграмма направленности вертикального диполя имеет тороидальную форму с нулевым откликом вдоль оси тора. Соответственно, значение CL зависит как от направления распространения волны, излученной кабелем, так и от ориентации вектора напряженности электрического поля, как показано на рис. 7. На практике, однако, ориентация приемной антенны почти никогда не бывает строго параллельной, ортогональной или радиальной, а представляет собой комбинацию этих трех возможностей. На самом деле, антенна мобильного устройства чаще всего наклонена вниз и редко находится в плоскости излучающего кабеля. Это замечание так же применимо и для переносных устройств (мобильных телефонов и т.д.). Более того, их антенны, как правило, имеют менее выраженную направленность, чем полуволновый диполь. Это означает, что их диаграмма направленности более изотропная, и, следовательно, в этом случае величина CL менее чувствительна к ориентации приемной антенны. Таким образом, величина CLmean может быть рекомендована для вычисления энергетического баланса линии связи с мобильными телефонами. Кроме того, необходимо напомнить, что антенны мобильных телефонов имеют существенно более низкий коэффициент усиления, чем антенна в виде полуволнового диполя. По этим причинам, технические описания на радиоизлучающие кабели Eupen указывают средние значения величин CL50% и CL95%. Детализированные отчеты об измерениях величин CL для трех различных ориентаций приемной антенны доступны по требованию заказчика.
