微波工程设计常用知识手册.docx
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1、微波工程设计常用知识手册(V1.0 版)TKM-NWP-304微波规划设计手册目录目 录第1章 关于微波工程设计的一般方法31.1 现场假定:31.2 微波中继电路的设计办法如下31.2.1 中继电路传输剖面图的制作方法41.2.2 电路站距的计算公式51.2.3 自由空间衰减的计算(注:以下都以平面直角坐标的情况来计算.) 51.2.4 确定天线高度和中继电路与余隙61.2.5 空间分集的间距H的计算 91.2.6 天线方位角的计算101.2.7 微波天线的俯仰角的计算111.2.8 信号衰落与频率、降雨的关系曲线111.2.9 电路各段的频率和极化的选择121.2.10 微波频率的分配13
2、1.2.11 电路设计的质量指标的分配141.2.12 实际电路质量指标的计算方法151.2.13 微波天线辐射卫生标准17第2章 常用数据182.1 微波设备参数182.2 常用微波天线参数292.3 用馈线参数362.4 常用电缆参数452.5 避雷针的保护范围2-492.6 防雷接地电阻的计算方法和常用数据2-512.7 用材料的比重2-672.8 美国对微波频段的细分2-68第3章 微波电路设计计算举例3-703.1 分别计算两个中继段的必要参数:3-723.2 天线的俯仰角的计算:3-763.2.1 计算各端天线的通信方位角:3-773.2.2 计算各站的天线通信方位角3-783.2
3、.3 在计算各站天线真北方位角3-783.3 计算整条馈线的损耗3-833.4 计算各中继段的自由空间损耗3-843.5 计算各中继段的接收电平3-843.6 计算中继电路的衰落储备电平3-853.7 计算中继电路在考虑衰落储备时中断概率3-873.8 再考虑其他因素的影响时电路中断概率的计算3-883.9 计算按照国际电信联盟ITU-RS建议的要求计算本电路的要求指标3-883.10 结论3-89微波规划设计手册目录微波工程设计常用知识手册编写的目的:为从事涉及微波通信工程的设计人员和管理人员,用于一般微波工程的设计指导和管理参考。为了方便工程使用文中尽量简化,以直接应用方便为目的。关于涉及
4、的原理请看微波勘测设计指导书的介绍,这里不在叙述。适用范围:本资料重点在于通过它可以应用于一般GSM 工程配套的小容量微波传输工程设计。通过它可以了解一般工程的主要内容。编写版本:本资料为第一次编写。所以版本代号为V1.0 版第1章 关于微波工程设计的一般方法这里就通常应用于 GSM 工程组网中的微波传输工程设计方法做一个介绍。其文中内容排定顺序基本以实际工程中发生工作的先后为介绍顺序,这样更便于查找和应用。1.1 现场假定:由于工程现场的情况多种多样,为了计算方便假定我们的设计人员已从现场了解到如下的情况1) 、设计区域内所采用的微波频率与周边已建的微波频段无关。2) 、选定微波站点无任何占
5、用位置争端问题。3) 、通过与局方的沟通,微波系统容量仅为中小容量以下(34Mb/s 或 480 路以下)。1.2 微波中继电路的设计办法如下在工程设计任务确定以后,就必须根据任务的要求,在五万分之一或更大的比例图上选出工程的几个(一般至少2 个到 3 个)可行的路由方案,定出各点的初选位置以后,工程路由在理论上是否满足要求,就将从以下的设计工作中确定,最后从设计的结果中选出既合符设计质量要求、工程量合理、经济的技术方案这就是我们最终设计目的。方案要通过现场勘测,作进一步确定、修改补充以后将提3微波规划设计手册目录交正式的审批方案,批准后,将作为工程的最终建设方案。下面就是我们在地图上选定出任
6、何一个方案后必须要作的设计工作,现详细介绍如下。1.2.1 中继电路传输剖面图的制作方法、在设置微波站址区域的 1/5 万(或 1/2 万 5 或更大比例)地形图上,先确定出准确的基站位置(准确的说应该是设置微波天线的平面座标位置),将需要建立微波中继站的两点作出标记,再用直线连接。从此两点中的任意一点开始(可认 为是发端为T,其对端为收端 R),从起始点 T 开始向终点沿标记直线,依顺序按适当的间隔(0.2-3km 或更长的距离视情况决定),依次记录沿线每一点(包括起点)的地面海拔高度(m)(包括建筑物或树的高度)和本点距起始点的距离(km), 一直重复记录,直到终点的站距和海拔高度),本段
7、的剖面记录才算结束。为了便于其他参数的计算,在读取剖面数据时同时记录本点的:图名、图号、所属管区地名、各站的坐标(平面的和经纬度的都读)、本图的座标北与真北和与磁北的偏角,并注明它的偏移方向;同时记录下以站点为中心,按本站的需要占用范围内,标有磁北方向的等高线地形图,以备设计时考虑站址的总平面之用。d、利用下式完成中继剖面坐标图的制作:1321式中:H=(d )/(2aK)(1-5)12H-先假定有一个站距为 d(=d +d )的中继段(如选用 d=80 公里等),对要作断面选定合适的等效地球半径系数K 值,作出的断面就反映出地面上的传输空间, 由于气象变化而产生的等效地面突起的高度(米)即H
8、。在正常传输情况下 K 取 4/3,如果要作 KMIN 时的剖面,取 K=2/3 作出断面即可。式中的 d1 为断面中的障碍点(或对平地而言就是指反射点)到起始点(站)的距离;d2 即为中继段的另一端到障碍点的距离(公里)。a为地球半径;一般取a=6370 公里。K-为等效地球半径系数;如果作正常传输时的剖面图就用K =4/3,作最坏气象传输分析剖面时就用K =2/3;说明前述所指相邻点间的“适当距离”是指:从前一点向下一点推进,地面的坡度(不论变化率是正或负)变化高差不大时(小于 10 米左右),可以延伸到较远距离记录一点,一般此点选择在坡度性质()的改变点;坡度变化率较快(慢) 时相邻点间
9、的距离取 0.2km(取至 3KM 或更长)左右记录一点;以上记录就是各中继段的原始记录。根据这一记录就可以在微波中继剖面图上,作出本中继段的传输剖面图。按此同样的做法,可以作出工程全部各段剖面图。剖面图在工程中也常称为断面图。、中继段剖面起始点的海拔标高即为微波站铁塔(或铁架所在楼房)的地面标高。剖面图纸中的最高和最低点,由记录的剖面数据中的考虑增设铁塔以后的高度为 最高,以剖面记录中的最低为图纸的最低点考虑,这样以保证剖面数据全都反映 在图中。1.2.2 电路站距的计算公式设:中继段的两端发收两点的代号分别为T 站和R 站; T 站和R 站间的站距为L(km)情况一:当各点的座标(在 1/
10、5 万地形图上的平面直角坐标,座标单位为km;) 分别为:T 站YT、XT、;B 站YR、XR、时的计算公式为:LT-R(km)= (YR-YT)2+( XR- XT)21/2(1-1)TTRR情况二:当各点的座标(在1/5 万地形图上的经纬度坐标,坐标单位为度;)分别为:T 站Y、, 、X 、;R 站Y 、X 、时的计算公式为:RTRTLT-R(km)= COS-1COS(Y -Y)COS( X - X) 6370/180(1-2)TTTT式中:Y 、X 、-表示 T 点在平面直角坐标系中的横坐标和纵座标。Y、 、X 、-表示T 点在平面直角坐标系中的经度坐标和纬度座标。1.2.3 自由空间
11、衰减的计算(注:以下都以平面直角坐标的情况来计算)即点对点的自由空间衰减的计算公式:LTR=20lg(4L/)(1-3)上式中:LTR-为任意两个可直接视通点T 和R 间的自由空间衰减(单位为dB)。L为视通点T 和R 间的距离。(单位为Km)*为传播电波的波长(单位为米)。它对应的频率为(单位为Hz)上式(1)常改写为LTR=32.5+20lgfMHz+20lgLkm=92.5+20lgfGHZ+20lgLkm(1-4)上式中:ZZfMHz, fGHZ-这里的频率单位分别为MH 、和 GH L这里的站距单位为km1.2.4 确定天线高度和中继电路与余隙非平滑或水网地带情况的计算:A、计算中继
12、电路余隙根据在当地了解的城市建设发展规划情况,对微波的收发天线各试探性的假定一个高度hT 和 hR代入下面的余隙公式计算,1H=(hTd2+hRd1)/d-hs-(d d2)/2ak(1-6)式中:H为中继剖面中,发收两点间射线中心线在障碍点上方的传播余隙;单位为米。hT为中继剖面中,发端天线T 中心的海拔高度;单位为米。hR为中继剖面中,收端天线R 中心的海拔高度;单位为米。d1为中继剖面中,发端天线T 至障碍点的水平距离;单位为米。d2为中继剖面中,收端天线R 至障碍点的水平距离;单位为米。dd=d1+d2.a为地球等效半径,单位为米。k为地球等效半径系数,正常传播情况下k=4/3。hs为
13、微波中继剖面中,障碍点顶端的海拔标高;一般在图中无树木的地方要考虑另加 3 米灌木杂草高度的余量;有树时也要根据出图日期,考虑一定的生长余量;单位为米。说明剖面中的障碍点HS (在天线高度尚未定出之前,可以粗略的选择在天线开口的近区(以天线开口处起计在大于17.1D2/入的距离以外)的任何地方(前式中:D为天线开口直径,入为微波信道中心频率对应的工作波长,都以米计),使电路传输余隙最小的海拔最高点,即为中继段剖面上的障碍点,其海拔标高以 hs 表示,(单位以米计)。B、余隙的标准余隙要求K 值障碍物类型KMIN4/3说明刃型H0HH0K:等效地球半径系数;平滑地面及其他H0.5HH (6m-5
14、)1/2H00H (6m-1)1/20KMIN:0.1%所对应的统计 K 值;H0:自由空间余隙;说明:m=1,2,3为干涉瓣号,满足K=KMIN 余隙条件下,m 应取可能的最小值,以尽量避免在K=4/3 时工作在高次瓣;H0=(1/3)1/2(d1d2/d)1/2=(d1d2/3d)1/2=(1/3)1/2F1 (式中 F1 即为中继电路的第一费涅尔区半径)。这里提到的干涉瓣是指在微波传输的过程中,发端发出的电波信号经过地面或大气中的不均匀层反射后,在接收端收到的信号将随天线的接收高度的逐步升高,接收信号点平将周期性的变化,这个周期性随高天线度变化用曲线作出,将是依高度有规律的干涉瓣,按干涉
15、瓣依高低由低到高给它分别编定一个代号这就是这里的m=1,2,3干涉瓣号。C、计算结果当计算结果的H 满足上述的余隙标准要求时,中继电路的传播空隙就合符设计要求;此时假定的天线高即为需要的天线高度。当 H 不满足上述的余隙标准要求时,将重新假定 hT 和 hR,重新假定中继剖面两端的天线高度,再重新按上述公式计算,直到H 满足上述标准为止,此时采用的 hT 和 hR 即为所求的天线高度。(2)、按平滑或水网地带情况计算R此种情况的计算思路是:反复假定天线的高度 hT 和 h ,同时控制天线的高度使电波在K=KMIN 和 K=4/3 时,使在地面的反射点位置在 KMIN 至 4/3 的变化过程中,
16、 始终落在靠近中继段较低天线一端的地面上,从而达到减少地面的反射,使接收电平变化很小,达到稳定接收点平的目的。在具体的电路中站距仅有仅有几公里时,根据经验可以不作此计算,可以仅仅考虑有足够的余隙即可满足设计要求。具体计算反射点的办法如下。利用下面的公式和“求反射点参数的图表”计算TC=(hT-hR)/(hT+hR)(假定 h hR).(1-7)M=d2/(4ak)(hT+hR)(1-8)式中:C 和m 为中间参数hT,hR 为收发天线的海拔高度(单位为米) C 和m,查“求反射点参数的图表”得b利用下式得d1 或d2 d1=d(1b)2.(1-9)d2=dd1(1-10)c参数1.00.9 0
17、.80.70.60.90.50.80.40.70.6b0.3参数b0.50.40.20.30.20.10.100.10.20.30.40.50.60.70.80.91.0求反射点参数的图表m参数当反射点的位置在 K=KMIN 和 K=4/3 时,假定的天线高度满足余隙的要求时此天线高度即为所求。当前述办法假定的天线仅能满足K=KMIN 的条件时,就必须考虑采用空间分集来克服由于地面的反射给中继电路带来的不稳定性。空间分集的天线间距的计算方法将在下面介绍。1.2.5 空间分集的间距H 的计算当传输的中继电路地面为多水网湖泊地面,其反射系数0.7 时,电路要考虑采用空间分集,其计算办法如下:(1)
18、、计算K=Kmin 时的天线高度按一般电路计算在保证K=Kmin 时,在电路障碍点或反射点处,保证有足够余隙前提下计算出的对应天线高度hT 和 hR (单位为米)(2)、考虑此段的衰落类型分别计算以克服K 型衰落时a) K=4/3 时: hR=(75d)/(f(hT-hS-d2/17)(m)(1-11)T-反b) K=时:hR=127d/(f(hT-hS)(m)(1-12)c)选(a)和(b)hT 较小值为分集间距hRK。上式中:反hS-为反射点处的海拔标高(米) dR- -为发射端到反射点间的距离(米)f-为本工程采用工作的中心频率(GH )Z其它符号含义同前.B、以克服波导型衰落时=exp
19、 0.0021hf0.4d(1-13)波导上式中:为上下天线分集的相关系数;一般在考虑分集效果和建设投资综和因数后折中取 0.6 计算求出h波导。其他符号含义同前;(3) 根据电路可能产生深衰落的主要原因,决定采用何种分集最小分集间距hR(米)(4) 按同法,可以计算另一方向的分集最小分集间距hT(米)T(5) 工程中天线高度的采用:一般采用 hT 和 hR 为主用天线;而(hT-h )和R(hR-h )为相应的空间分集天线位置。1.2.6 天线方位角的计算T R设:T 站对R 站的真北方位角RT情况一:当各点的座标在 1/5 万地形图上的平面直角坐标(X 为南北纵座标、Y 为东西横坐标),座
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