微波傳輸中遇到阻擋的解決方案

韓秀紅

（山西省廣電局無管中心太原站，太原 030001）

在微波通信領(lǐng)域，微波信號需要實現(xiàn)直線傳輸，所以需要避免傳輸通道遭遇阻擋。但從實踐情況來看，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，微波傳輸問題需要得到有效解決。因此，還應(yīng)對微波傳輸中遇到阻擋的問題進(jìn)行思考，以便采取有效解決方法加強微波傳輸通道保護(hù)。

1 微波傳輸被阻擋事件

近年來，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，天線位于樓頂平臺上。按照要求，微波站需要將廣播電視信號傳輸?shù)绞?nèi)各個發(fā)射臺。其中228發(fā)射臺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，計劃建立高32層的省委宿舍樓。在建設(shè)高度達(dá)到20層時，到廟前山228發(fā)射臺的微波信號受到了阻擋。為避免廣播電視信號無法傳輸，經(jīng)協(xié)調(diào)工程暫停數(shù)月。最終，通過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)射臺無法實現(xiàn)微波信號接收。最終經(jīng)過太原市規(guī)劃局協(xié)調(diào)，再次通過抬高天線位置至樓頂41m 的方法解決問題。伴隨著城市的建設(shè)發(fā)展，越來越多的高樓得到了建設(shè)。2018年五一臺到528方向再次遭遇高樓阻擋，已經(jīng)無法通過抬高天線方法解決問題。五一臺到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大微波到228臺再到528臺。二是太原站廣播通過小微波到五一臺再到五二八臺。

2 微波傳輸中遭遇阻擋問題的思考

從原理上來看，微波作為頻率超出1GHz 的電磁波，波長范圍在毫米和厘米數(shù)量級之間，波長比無線電波要短，所以微波傳輸屬于視距傳輸，傳輸?shù)臒o線電波無法肉眼識別，并且通道在空中[1]。采用微波傳輸系統(tǒng)，需要實現(xiàn)點對點直線傳輸，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。五一臺在最初建設(shè)的過程中，并未被納入到當(dāng)時城市規(guī)劃工作中，微波通道保護(hù)問題也未能得到關(guān)注。早期五一臺天線達(dá)到了一定的高度，對528方向傳輸不會受到任何阻擋，能夠保證廣播信號得到高質(zhì)量傳輸。但528臺遷新址后在城區(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)劃管理部門出臺協(xié)調(diào)方案，通過抬高天線位置的方式保留原來的微波傳輸通道，解決微波傳輸問題[2]。但隨著周圍建筑高度的不斷增加，五一臺的微波天線已經(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法得到保留。針對這一情況，還要采取有效措施對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題，確保廣播信號得到順利傳輸。

3 微波傳輸中遭遇阻擋問題的解決方案

3.1 解決問題的思路

結(jié)合以往經(jīng)驗來看，針對微波傳輸中遭遇阻擋的問題，通常采取鋪設(shè)光纜或建立中繼站的方案解決問題。通過在地下鋪設(shè)光纜，可以消除地上建筑物對傳輸通道的阻礙。但是采取該種方案，光纜工程的設(shè)計、施工和維護(hù)都將消耗大量費用，方案實施的成本較高。從實際情況來看，兩臺站距離遠(yuǎn)，采用光纜傳送方式不切實際，因此需要采用微波中繼方式解決微波傳輸問題。從原理上來看，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。在兩個微波站點之間如果存在障礙物，可以通過在中間位置增設(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)到供電和機房要求[3]。而無源中繼站指的是不經(jīng)過任何放大直接實現(xiàn)接收到的微波信號轉(zhuǎn)發(fā)的中繼站，只需要由室外無源設(shè)備構(gòu)成的天饋系統(tǒng)即能實現(xiàn)微波轉(zhuǎn)發(fā)。比較有源中繼站和無源中繼站可以發(fā)現(xiàn)，采用微波有源中繼站能夠?qū)邮盏降奈⒉ㄐ盘栠M(jìn)行放大，對天線口徑要求不高，但是需要解決供電問題和有源設(shè)備的可靠性問題，以免微波傳輸受到影響。采用無源中繼站，能夠?qū)崿F(xiàn)微波設(shè)備費用、電源費用、機房費用等各種費用的節(jié)省，并且無需后期維護(hù)，能夠使微波傳輸成本得到降低。但無源中繼站的建設(shè)需要適當(dāng)增加天線尺寸，并且做好站點的選擇。如果沒有合適的站點，將無法采用無源中繼站實現(xiàn)微波傳輸。

3.2 問題的解決方案

通過上述分析可以發(fā)現(xiàn)，如果采用有源中繼站解決五一臺到528臺微波傳輸問題，需要在二者之間新增一個微波中繼站，完成機房、供電系統(tǒng)等系列設(shè)施的建設(shè)，將產(chǎn)生較高成本。采用無源中繼站，無需進(jìn)行電力線路的架設(shè)，同時后期也無需對相關(guān)設(shè)備進(jìn)行監(jiān)測和維護(hù)，因此能夠使微波傳輸遭遇阻擋的問題得到解決。在五一臺被周圍高層建筑包圍的情況下，無源中繼站解決方案的優(yōu)勢能夠得到突出體現(xiàn)。相較于有源中繼站，其能節(jié)省約60%的建設(shè)費用?，F(xiàn)階段，無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)微波信號轉(zhuǎn)發(fā)。反射型采用金屬板或網(wǎng)實現(xiàn)入射電波反射，可作為近場區(qū)饋線使用。繞射型能夠利用屏蔽網(wǎng)或透過型繞射網(wǎng)對電波的繞射能力進(jìn)行增強，從而實現(xiàn)電波順利轉(zhuǎn)發(fā)。

五一臺微波采用卡塞格倫天線，需要采用背靠背天線無源中繼站傳輸方案解決微波傳輸問題。采用該方法，能夠利用短波導(dǎo)背對背連接兩個拋物面天線，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，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輻射功率方向進(jìn)行改變，可以實現(xiàn)微波折射，減少微波傳輸損耗。具體來講，就是在在臨近五一臺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準(zhǔn)微波收發(fā)站，達(dá)到繞過高樓阻礙的目標(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，無法滿足五一臺到528微波傳輸需求。但微波發(fā)信機發(fā)信功率能夠達(dá)到33dBm，從而對增益低的缺陷進(jìn)行彌補，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，能夠輕松實現(xiàn)傳輸鏈路計算，為天線架設(shè)提供科學(xué)指導(dǎo)。

3.3 方案的具體實施

在方案實施階段，想要使微波接收功率得到提高，還要使發(fā)射機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，其實就是輸入功率相等時，空間同一點實際天線與理想輻射單元產(chǎn)生信號的功率密度比，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)。實際采用天線背對背方式進(jìn)行微波傳輸，將會產(chǎn)生背對背干擾，需要通過增大電路轉(zhuǎn)折角實現(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 為無源中繼站天線增益。

圖1 背靠背天線無源中繼鏈路示意圖

對系統(tǒng)附加損耗進(jìn)行計算，需要假設(shè)有源站A 和C 在自由空間傳播時產(chǎn)生的空間損耗為Ld=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。通過分析可以發(fā)現(xiàn)，在d1d2較大時，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。使無源中繼站盡量靠近五一臺或528臺，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，近端站距一般不超出3km，實際可以使保持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)雨衰問題，因此通常在6GHz 到8GHz 之間。

結(jié)合上述分析進(jìn)行方案實施，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。而五一臺至無源中繼站站距1 千米，無源中繼站至528 臺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

五二八臺的接收電平Pr 需要根據(jù)五一臺發(fā)射功率Pt 計算：

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

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

4 結(jié)論

從長遠(yuǎn)發(fā)展角度來看，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)中加強微波傳輸通道的保護(hù)。針對微波傳輸遭遇阻擋的情況，還應(yīng)由管理部門出臺協(xié)調(diào)方案，盡量保留原來的微波傳輸通道。在無法保留原來通道的情況下，可以采用無源中繼站實現(xiàn)微波中轉(zhuǎn)，對原本的傳輸通道進(jìn)行改善，繼而確保廣播電視信號得到順利傳輸。