韓秀紅

（山西省廣電局無(wú)管中心太原站，太原 030001）

在微波通信領(lǐng)域，微波信號(hào)需要實(shí)現(xiàn)直線傳輸，所以需要避免傳輸通道遭遇阻擋。但從實(shí)踐情況來(lái)看，由于早期微波傳輸通道并未納入到城市規(guī)劃工作中，以至于微波傳輸容易遭遇高樓阻擋。伴隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，微波傳輸與城市建設(shè)之間的矛盾也日漸凸顯。而作為重要的通信傳輸方式，微波傳輸問(wèn)題需要得到有效解決。因此，還應(yīng)對(duì)微波傳輸中遇到阻擋的問(wèn)題進(jìn)行思考，以便采取有效解決方法加強(qiáng)微波傳輸通道保護(hù)。

1 微波傳輸被阻擋事件

近年來(lái)，伴隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，太原微波站多次發(fā)生微波傳輸被高樓阻擋的事件，給微波傳輸通道帶來(lái)了嚴(yán)重威脅。太原微波站地處太原市市中心，在廣電大樓12層，海拔高780m，天線位于樓頂平臺(tái)上。按照要求，微波站需要將廣播電視信號(hào)傳輸?shù)绞?nèi)各個(gè)發(fā)射臺(tái)。其中228發(fā)射臺(tái)位于太原西山最高峰廟前山上，海拔高1865m，與太原微波站之間的直線距離達(dá)18km。2014年9月，太原微波站首次遭遇微波傳輸受威脅的情況。在距離太原微波站直線距離約500m 的位置，計(jì)劃建立高32層的省委宿舍樓。在建設(shè)高度達(dá)到20層時(shí)，到廟前山228發(fā)射臺(tái)的微波信號(hào)受到了阻擋。為避免廣播電視信號(hào)無(wú)法傳輸，經(jīng)協(xié)調(diào)工程暫停數(shù)月。最終，通過(guò)在廣電大樓樓頂建設(shè)鐵塔，使微波天線得以抬高至樓頂27m 位置解決了微波傳輸被阻擋的問(wèn)題。2016年5月，太原微波站再次遭遇了微波傳輸被阻擋事件。距離微波站直線距離約800m 的位置建設(shè)52層的住宅樓，導(dǎo)致228發(fā)射臺(tái)無(wú)法實(shí)現(xiàn)微波信號(hào)接收。最終經(jīng)過(guò)太原市規(guī)劃局協(xié)調(diào)，再次通過(guò)抬高天線位置至樓頂41m 的方法解決問(wèn)題。伴隨著城市的建設(shè)發(fā)展，越來(lái)越多的高樓得到了建設(shè)。2018年五一臺(tái)到528方向再次遭遇高樓阻擋，已經(jīng)無(wú)法通過(guò)抬高天線方法解決問(wèn)題。五一臺(tái)到528是作為太原站到528方向的廣播的保護(hù)通道.具體路由是，一是太原站廣播通過(guò)大微波到228臺(tái)再到528臺(tái)。二是太原站廣播通過(guò)小微波到五一臺(tái)再到五二八臺(tái)。

2 微波傳輸中遭遇阻擋問(wèn)題的思考

從原理上來(lái)看，微波作為頻率超出1GHz 的電磁波，波長(zhǎng)范圍在毫米和厘米數(shù)量級(jí)之間，波長(zhǎng)比無(wú)線電波要短，所以微波傳輸屬于視距傳輸，傳輸?shù)臒o(wú)線電波無(wú)法肉眼識(shí)別，并且通道在空中[1]。采用微波傳輸系統(tǒng)，需要實(shí)現(xiàn)點(diǎn)對(duì)點(diǎn)直線傳輸，確保發(fā)射天線和接收天線在可視范圍內(nèi)，中間不能存在阻擋物。五一臺(tái)在最初建設(shè)的過(guò)程中，并未被納入到當(dāng)時(shí)城市規(guī)劃工作中，微波通道保護(hù)問(wèn)題也未能得到關(guān)注。早期五一臺(tái)天線達(dá)到了一定的高度，對(duì)528方向傳輸不會(huì)受到任何阻擋，能夠保證廣播信號(hào)得到高質(zhì)量傳輸。但528臺(tái)遷新址后在城區(qū)規(guī)模不斷擴(kuò)大的情況下，高層建筑的數(shù)量不斷增加，使得目前五一臺(tái)天線被包圍在眾多高樓中，促使微波傳輸與城市規(guī)劃建設(shè)矛盾日漸凸顯。針對(duì)目前微波接力傳輸空間遭受的威脅，最初由城市規(guī)劃管理部門出臺(tái)協(xié)調(diào)方案，通過(guò)抬高天線位置的方式保留原來(lái)的微波傳輸通道，解決微波傳輸問(wèn)題[2]。但隨著周圍建筑高度的不斷增加，五一臺(tái)的微波天線已經(jīng)達(dá)到鐵塔最高位置，難以再次提升，使得原本的微波傳輸通道無(wú)法得到保留。針對(duì)這一情況，還要采取有效措施對(duì)原本的微波傳輸通道進(jìn)行改善，從而解決微波傳輸遭遇阻擋問(wèn)題，確保廣播信號(hào)得到順利傳輸。

3 微波傳輸中遭遇阻擋問(wèn)題的解決方案

3.1 解決問(wèn)題的思路

結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)看，針對(duì)微波傳輸中遭遇阻擋的問(wèn)題，通常采取鋪設(shè)光纜或建立中繼站的方案解決問(wèn)題。通過(guò)在地下鋪設(shè)光纜，可以消除地上建筑物對(duì)傳輸通道的阻礙。但是采取該種方案，光纜工程的設(shè)計(jì)、施工和維護(hù)都將消耗大量費(fèi)用，方案實(shí)施的成本較高。從實(shí)際情況來(lái)看，兩臺(tái)站距離遠(yuǎn)，采用光纜傳送方式不切實(shí)際，因此需要采用微波中繼方式解決微波傳輸問(wèn)題。從原理上來(lái)看，地球表面可視作球面，微波通信需要在視距范圍內(nèi)進(jìn)行直線傳輸。在兩個(gè)微波站點(diǎn)之間如果存在障礙物，可以通過(guò)在中間位置增設(shè)微波中繼站繼續(xù)進(jìn)行直線傳輸。微波中繼站包含兩種，即有源中繼站和無(wú)源中繼站。其中，有源中繼站由供電系統(tǒng)、天饋系統(tǒng)、放大器、分路系統(tǒng)和附屬設(shè)備構(gòu)成，需要達(dá)到供電和機(jī)房要求[3]。而無(wú)源中繼站指的是不經(jīng)過(guò)任何放大直接實(shí)現(xiàn)接收到的微波信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)的中繼站，只需要由室外無(wú)源設(shè)備構(gòu)成的天饋系統(tǒng)即能實(shí)現(xiàn)微波轉(zhuǎn)發(fā)。比較有源中繼站和無(wú)源中繼站可以發(fā)現(xiàn)，采用微波有源中繼站能夠?qū)邮盏降奈⒉ㄐ盘?hào)進(jìn)行放大，對(duì)天線口徑要求不高，但是需要解決供電問(wèn)題和有源設(shè)備的可靠性問(wèn)題，以免微波傳輸受到影響。采用無(wú)源中繼站，能夠?qū)崿F(xiàn)微波設(shè)備費(fèi)用、電源費(fèi)用、機(jī)房費(fèi)用等各種費(fèi)用的節(jié)省，并且無(wú)需后期維護(hù)，能夠使微波傳輸成本得到降低。但無(wú)源中繼站的建設(shè)需要適當(dāng)增加天線尺寸，并且做好站點(diǎn)的選擇。如果沒(méi)有合適的站點(diǎn)，將無(wú)法采用無(wú)源中繼站實(shí)現(xiàn)微波傳輸。

3.2 問(wèn)題的解決方案

通過(guò)上述分析可以發(fā)現(xiàn)，如果采用有源中繼站解決五一臺(tái)到528臺(tái)微波傳輸問(wèn)題，需要在二者之間新增一個(gè)微波中繼站，完成機(jī)房、供電系統(tǒng)等系列設(shè)施的建設(shè)，將產(chǎn)生較高成本。采用無(wú)源中繼站，無(wú)需進(jìn)行電力線路的架設(shè)，同時(shí)后期也無(wú)需對(duì)相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)，因此能夠使微波傳輸遭遇阻擋的問(wèn)題得到解決。在五一臺(tái)被周圍高層建筑包圍的情況下，無(wú)源中繼站解決方案的優(yōu)勢(shì)能夠得到突出體現(xiàn)。相較于有源中繼站，其能節(jié)省約60%的建設(shè)費(fèi)用?，F(xiàn)階段，無(wú)源中繼站主要包含三種，即折射型、反射型和繞射型。其中，折射型采用短波折射原理，可以改變電波射出方向?qū)崿F(xiàn)微波信號(hào)轉(zhuǎn)發(fā)。反射型采用金屬板或網(wǎng)實(shí)現(xiàn)入射電波反射，可作為近場(chǎng)區(qū)饋線使用。繞射型能夠利用屏蔽網(wǎng)或透過(guò)型繞射網(wǎng)對(duì)電波的繞射能力進(jìn)行增強(qiáng)，從而實(shí)現(xiàn)電波順利轉(zhuǎn)發(fā)。

五一臺(tái)微波采用卡塞格倫天線，需要采用背靠背天線無(wú)源中繼站傳輸方案解決微波傳輸問(wèn)題。采用該方法，能夠利用短波導(dǎo)背對(duì)背連接兩個(gè)拋物面天線，能夠大角度的改變電波射出方向。在微波頻率范圍內(nèi)，由于天線尺寸將大于波長(zhǎng)，因此可以從拋物面使天線輻射功率向前傳播。在一定距離內(nèi)，電波可以象光線一樣直射，超出該范圍后象球面波一樣輻射發(fā)散，與距離成反比。遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)電磁波落在平面內(nèi)，可以看做平面波。利用與原天線相同反射器對(duì)輻射功率方向進(jìn)行改變，可以實(shí)現(xiàn)微波折射，減少微波傳輸損耗。具體來(lái)講，就是在在臨近五一臺(tái)1km 處的高層樓頂進(jìn)行兩副卡塞格倫天線的架設(shè)，利用波導(dǎo)管連接后然后分別對(duì)準(zhǔn)微波收發(fā)站，達(dá)到繞過(guò)高樓阻礙的目標(biāo)。受天線天饋源照射效率限制，中繼站天線增益有限。在8GHz 頻段條件下，采用二副3.2m 天線背靠背連接增益僅9dB，無(wú)法滿足五一臺(tái)到528微波傳輸需求。但微波發(fā)信機(jī)發(fā)信功率能夠達(dá)到33dBm，從而對(duì)增益低的缺陷進(jìn)行彌補(bǔ)，因此可以采用現(xiàn)成天線進(jìn)行微波傳輸。采取該種方案，由于增益已知，能夠輕松實(shí)現(xiàn)傳輸鏈路計(jì)算，為天線架設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

3.3 方案的具體實(shí)施

在方案實(shí)施階段，想要使微波接收功率得到提高，還要使發(fā)射機(jī)的輸出功率和微波天線增益得到增加，并且使各部分饋線損耗和路徑自由空間損耗得到減小。所謂的天線增益，其實(shí)就是輸入功率相等時(shí)，空間同一點(diǎn)實(shí)際天線與理想輻射單元產(chǎn)生信號(hào)的功率密度比，能夠?qū)μ炀€輸入功率集中輻射程度進(jìn)行描述，與天線方向密切相關(guān)。實(shí)際采用天線背對(duì)背方式進(jìn)行微波傳輸，將會(huì)產(chǎn)生背對(duì)背干擾，需要通過(guò)增大電路轉(zhuǎn)折角實(shí)現(xiàn)預(yù)防，使天線間的轉(zhuǎn)折角保持90°到160°之間。如圖1所示，為背靠背天線無(wú)源中繼鏈路示意圖。圖中，d1和d2分別為A 站和B 站到C 站的距離，L1和L2為兩站到C 站的自由空間損耗，Lcr 則是背靠背天線間的接頭和饋線損耗。在饋線長(zhǎng)度為5m 的情況下，Lcr 損耗可以取1dB。Gt 和Gr 分別為發(fā)射端和接收端天線增益，G1r和G2r 為無(wú)源中繼站天線增益。

圖1 背靠背天線無(wú)源中繼鏈路示意圖

對(duì)系統(tǒng)附加損耗進(jìn)行計(jì)算，需要假設(shè)有源站A 和C 在自由空間傳播時(shí)產(chǎn)生的空間損耗為L(zhǎng)d=92.4+20lgf+20lgd。其中，d 指的是A 和C 間距離，f 為波段中心頻率，L 則是自由空間衰耗。采用無(wú)源中繼站傳輸方案進(jìn)行微波折射，產(chǎn)生的損耗Ld=Ld1+ld2-（G1r+G2r）=2×92.4+40Lgf+20Lgd1d2-G1r-G2r。因此可以得到附加損耗增加量L=92.4+20Lgf+20Lgd1d2-G1r-G2r。通過(guò)分析可以發(fā)現(xiàn)，在d1d2較大時(shí)，產(chǎn)生的損耗較大。相反的，d1d2較小則電波傳輸產(chǎn)生的附加損耗則較小。使無(wú)源中繼站盡量靠近五一臺(tái)或528臺(tái)，能使d1或d2減小，繼而達(dá)到減少附加損耗的目標(biāo)。結(jié)合以往經(jīng)驗(yàn)，近端站距一般不超出3km，實(shí)際可以使保持1～2km。天線增益為4面天線增益之和，因此還應(yīng)通過(guò)提高頻率獲得更高天線增益。如果頻率達(dá)到10GHz 以上，容易出現(xiàn)雨衰問(wèn)題，因此通常在6GHz 到8GHz 之間。

結(jié)合上述分析進(jìn)行方案實(shí)施，選用的微波設(shè)備為NECSDH數(shù)字微波，傳輸容量達(dá)155MB，使用頻率為8GHz，設(shè)備發(fā)信功率達(dá)33dBm，門限電平為-72dBm。而五一臺(tái)至無(wú)源中繼站站距1 千米，無(wú)源中繼站至528 臺(tái)25 千米，天線口徑3.2m，增益45.3dB。按照上述方法進(jìn)行天線自由空間損耗計(jì)算：

L1=92.4+20lg8+20lg1=110.46dB

L2=92.4+20lg8+20lg25=136.4dB

L=L1+L2+Lcr-G1r-G2r=110.46+136.4+1-45.3-45.3=157.26dB

五二八臺(tái)的接收電平Pr 需要根據(jù)五一臺(tái)發(fā)射功率Pt 計(jì)算：

Pr=Pt-L1-L2-Lcr+Gt+Gr+G1r+G2r=33-110.46-136.4-1+45.3+45.3+45.3+45.3=-33.66

由于電平衰落儲(chǔ)備為接收電平和收信機(jī)門限電平的差值，計(jì)算可得為38.34dB。由此可見(jiàn)，在微波傳輸期間將產(chǎn)生2-3dB 的損耗，比理論值低2～3dB，電平衰落儲(chǔ)備約35dB，能夠滿足微波傳輸要求。

4 結(jié)論

從長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展角度來(lái)看，還應(yīng)將已經(jīng)建立的微波空中傳輸通道納入到城鄉(xiāng)管理規(guī)劃要素中，對(duì)其在城市坐標(biāo)系統(tǒng)中的位置進(jìn)行定位，以便在城市規(guī)劃建設(shè)中加強(qiáng)微波傳輸通道的保護(hù)。針對(duì)微波傳輸遭遇阻擋的情況，還應(yīng)由管理部門出臺(tái)協(xié)調(diào)方案，盡量保留原來(lái)的微波傳輸通道。在無(wú)法保留原來(lái)通道的情況下，可以采用無(wú)源中繼站實(shí)現(xiàn)微波中轉(zhuǎn)，對(duì)原本的傳輸通道進(jìn)行改善，繼而確保廣播電視信號(hào)得到順利傳輸。