Линия связи с поляризационным разделением каналов работает безупречно в ясную погоду. Две станции на одной частоте, одна с горизонтальной поляризацией, другая с вертикальной, и они не мешают друг другу, потому что антенны разделяют их по плоскости колебаний. Но стоит на трассе встать грозовому фронту, как в горизонтальном канале начинает просачиваться вертикальный сигнал, развязка между каналами тает, и системы, рассчитанные на чистое разделение, захлёбываются взаимными помехами. Дождь кончился, фронт ушёл, и развязка вернулась.
Причина в деполяризации. Грозовой фронт наполнен не круглыми каплями и хаотичным льдом, а упорядоченными частицами: сплюснутыми падающими каплями и ледяными кристаллами, выстроенными вдоль силовых линий мощного электрического поля грозы. Такая упорядоченная среда анизотропна, она по-разному действует на две ортогональные поляризации, и волна, прошедшая сквозь неё, поворачивает плоскость колебаний, обзаводясь паразитной составляющей в ортогональном канале. Разберём, почему капли и лёд деполяризуют волну, при чём тут электрическое поле грозы, какими цифрами описывается развязка и как с этим борются.
Почему капля и кристалл по-разному пропускают две поляризации
Падающая дождевая капля это не шарик. Сопротивление воздуха сплющивает её, и крупная капля принимает форму приплюснутого снизу эллипсоида, более широкого по горизонтали, чем по вертикали. Такая капля по-разному взаимодействует с горизонтально и вертикально поляризованной волной, потому что вдоль её широкой горизонтальной оси воды больше, чем вдоль узкой вертикальной.
Это различие порождает два эффекта сразу. Во-первых, дифференциальное затухание: горизонтальная составляющая, идущая вдоль длинной оси капли, поглощается сильнее вертикальной, потому что встречает больше воды. Во-вторых, дифференциальный фазовый сдвиг: две составляющие распространяются с чуть разной скоростью, потому что показатель преломления среды для них различен, и набирают разную фазу. Среда, по-разному действующая на две ортогональные поляризации, называется анизотропной, и именно анизотропия дождя из сплюснутых капель и есть механизм деполяризации.
Ледяные кристаллы добавляют свою долю, но иначе. У сухого льда мнимая часть показателя преломления мала, поэтому лёд почти не поглощает волну, в отличие от воды. Зато реальная часть значима, и потому ледяные кристаллы вносят преимущественно дифференциальный фазовый сдвиг без заметного затухания. Поэтому чисто ледяная деполяризация коварна: она ухудшает развязку каналов, почти не ослабляя полезный сигнал, и её труднее заметить по падению уровня.
Откуда берётся поворот плоскости и при чём тут угол наклона частиц
Если бы все капли были ориентированы строго вертикально, а их оси совпадали с осями поляризации антенн, анизотропия меняла бы только амплитуду и фазу каждого канала по отдельности, но не перемешивала бы их. Перемешивание возникает, когда оси частиц наклонены относительно осей поляризации. Этот наклон называют углом наклона частицы.
Капли наклоняются от вертикали под действием ветра и аэродинамических сил, покачиваясь и принимая ориентацию, отличную от строго вертикальной. Когда длинная ось капли повёрнута относительно плоскости поляризации волны, волна проецируется на оси капли, по-разному изменяется вдоль каждой из них, а затем при выходе из капли складывается обратно уже с повёрнутой плоскостью. Появляется составляющая в ортогональной поляризации, которой во входной волне не было. Именно ненулевой средний угол наклона частиц на трассе и переливает энергию из одного поляризационного канала в другой.
Здесь и вступает в игру гроза особым образом. В грозовом облаке существует мощное электрическое поле, и оно ориентирует анизотропные ледяные кристаллы вдоль своих силовых линий. Вне грозы кристаллы под силой тяжести и аэродинамики стремятся к горизонтальной ориентации, но сильное вертикальное электрическое поле грозы разворачивает их к вертикали. Когда средняя ориентация кристаллов становится почти вертикальной из-за поля, характер деполяризации резко меняется, и это наблюдается радарами как смена знака дифференциального фазового параметра выше уровня замерзания в грозовых ячейках. Гроза не просто добавляет рассеивателей, она упорядочивает их своим полем, и оттого деполяризация в грозовом фронте сильнее и капризнее, чем в обычном дожде.
Числовая прикидка кросс-поляризационной развязки
Переведём в цифры главный показатель, кросс-поляризационную развязку, отношение полезного сигнала в своём канале к паразитному просочившемуся в ортогональный. Развязку выражают в децибелах, и чем она больше, тем чище разделение. В ясную погоду хорошая антенная система даёт развязку в тридцать с лишним децибел. Деполяризация в осадках её снижает.
Связь развязки с поворотом плоскости поляризации при малом угле приближённо такая. Если волна повернулась на угол tau, то отношение паразитной составляющей к полезной равно тангенсу этого угла, а развязка в децибелах
XPD = -20 * log(tan(tau))
Прикинем. Пусть деполяризующая среда повернула плоскость всего на один градус. Тангенс одного градуса около 0.0175, и развязка
XPD = -20 log(0.0175) = -20 (-1.76) = 35 децибел
Тридцать пять децибел это ещё приемлемо. А если поворот вырос до пяти градусов, тангенс около 0.0875, и развязка падает
XPD = -20 log(0.0875) = -20 (-1.06) = 21 децибел
Двадцать один децибел уже мало для систем с поляризационным уплотнением, паразитный канал поднимается настолько, что мешает работе. Видно, что развязка очень чувствительна к углу поворота: рост поворота с одного до пяти градусов съедает четырнадцать децибел развязки. А поворот напрямую задаётся анизотропией осадков и средним углом наклона частиц, которые в грозовом фронте достигают максимума.
Полезна и связь развязки с затуханием в основном канале. Чем сильнее дождь ослабляет полезный сигнал, тем сильнее он же его деполяризует, и эти беды идут рука об руку. Для оценки используют установленную опытом связь, по которой каждым децибелам затухания в основном канале соответствует определённое падение развязки. Например, при затухании всего десять-пятнадцать децибел в основном канале для волны круговой поляризации развязка может упасть до уровня, при котором паразитный канал уже ощутимо мешает. Поэтому в дождливых зонах поляризационное уплотнение закладывают с большим запасом по развязке.
Почему круговая поляризация страдает особенно и где это важно
Стоит различать линейную и круговую поляризацию по их стойкости к деполяризации. Линейная поляризация, чьи оси совпадают с осями симметрии падающих капель, то есть строго вертикальная или строго горизонтальная, относительно устойчива, потому что совпадает с естественной ориентацией сплюснутых капель и слабо поворачивается. Наклонная линейная и круговая поляризации страдают сильнее, потому что их оси заведомо не совпадают с осями капель, и анизотропия сразу перемешивает составляющие.
Круговая поляризация, которую любят за независимость от взаимного поворота антенн, оказывается особенно чувствительной к деполяризации в осадках. Она представляется как сумма двух ортогональных линейных составляющих со сдвигом фазы, и дифференциальный фазовый сдвиг в осадках нарушает этот баланс, превращая круговую поляризацию в эллиптическую и порождая заметную составляющую противоположного вращения. Поэтому в спутниковых линиях с круговой поляризацией, проходящих сквозь дождь и облака, деполяризация это серьёзный фактор, и системы поляризационного уплотнения там проектируют с оглядкой на грозовые фронты на трассе.
Стоит держать в уме и геометрию трассы. Наклонная спутниковая трасса проходит сквозь большую толщу осадков под углом, и набег деполяризации по ней велик. Приземная горизонтальная трасса между двумя станциями набирает деполяризацию по всей длине дождевой ячейки. В обоих случаях именно протяжённость пути сквозь анизотропную упорядоченную среду грозы определяет накопленный поворот плоскости и итоговую развязку.
Как бороться с деполяризацией в осадках
Из механики явления вытекают практические меры, которые применяют в системах с поляризационным разделением. Перечислим основные приёмы противодействия деполяризации. Вот они:
- закладывать большой запас по развязке при проектировании, чтобы падение в осадках не выводило систему за допустимый предел;
- предпочитать строго вертикальную или горизонтальную линейную поляризацию наклонной и круговой там, где деполяризация критична;
- применять адаптивную поляризационную компенсацию, когда приёмник измеряет просочившуюся составляющую и вычитает её из своего канала;
- снижать рабочую загрузку поляризационного уплотнения в сильный дождь, временно переходя на один канал;
- учитывать прогноз гроз на трассе при планировании ответственных сеансов поляризационно уплотнённой связи.
Самый мощный метод это адаптивная компенсация кросс-поляризации. Поскольку деполяризация это линейное преобразование, поворачивающее плоскость, его можно обратить, измерив просочившуюся составляющую и подмешав её обратно с нужным знаком и фазой, восстанавливая чистоту каналов. Современные системы делают это автоматически, отслеживая медленно меняющуюся деполяризацию по мере движения фронта. Метод не всесилен, потому что деполяризация в грозе быстро флуктуирует из-за турбулентного движения частиц, и компенсатор не всегда поспевает, но среднюю деполяризацию он убирает хорошо. Там, где компенсация не справляется, остаётся запас по развязке и готовность временно пожертвовать вторым каналом, пока фронт не пройдёт.
Числовая прикидка накопления фазового сдвига по трассе
Полезно оценить, как поворот плоскости накапливается с длиной пути сквозь осадки, потому что именно это связывает интенсивность грозы с итоговой развязкой. Дифференциальный фазовый сдвиг между двумя поляризациями нарастает пропорционально пройденному в анизотропной среде расстоянию. Удельный дифференциальный фазовый сдвиг, набираемый на каждом километре пути, обозначим как заданную осадками величину в градусах на километр, и полный сдвиг есть произведение её на длину:
Phi = K * L
где K это удельный дифференциальный фазовый сдвиг, L длина пути сквозь осадки. В сильном грозовом дожде удельный сдвиг на сантиметровых волнах достигает нескольких градусов на километр. Возьмём для оценки 3 градуса на километр и протяжённость ливневой ячейки на трассе 5 километров. Полный дифференциальный фазовый сдвиг
Phi = 3 * 5 = 15 градусов
Пятнадцать градусов дифференциального сдвига между составляющими это уже значительное превращение поляризации, способное у круговой волны породить заметную составляющую обратного вращения и обрушить развязку. Чем интенсивнее гроза и чем длиннее путь сквозь её ядро, тем больше накопленный сдвиг, и потому фронт с протяжённой полосой сильного дождя деполяризует особенно сильно.
Этот расчёт объясняет и динамику явления во времени. Пока ливневое ядро только надвигается на трассу, длина пути сквозь сильный дождь мала, и развязка падает слабо. Когда ядро накрывает большую часть трассы, накопленный сдвиг достигает максимума, и развязка проседает глубже всего. После прохождения ядра путь сквозь сильный дождь снова сокращается, и развязка восстанавливается. Поэтому деполяризация в грозовом фронте имеет характерный временной профиль с провалом в момент прохождения ядра, по которому её и опознают на фоне прочих помех.
Что из этого следует держать в голове
Деполяризация в грозовом фронте рождается из упорядоченности его частиц: сплюснутые капли и ориентированные электрическим полем грозы ледяные кристаллы образуют анизотропную среду, по-разному действующую на две ортогональные поляризации. Эта анизотропия поворачивает плоскость поляризации волны, переливая энергию в ортогональный канал и обрушивая развязку систем поляризационного разделения. Лёд при этом портит развязку, почти не ослабляя сигнал, оттого ледяная деполяризация особенно незаметна.
Понимание этого меняет проектирование линий с поляризационным уплотнением. Полагаться на ясную погоду нельзя, потому что грозовой фронт способен за минуты обрушить развязку с тридцати с лишним децибел до едва приемлемых двадцати. Запас по развязке, выбор устойчивой поляризации, адаптивная компенсация и оглядка на прогноз гроз вместе удерживают каналы раздельными даже сквозь дождь и лёд. Надёжная поляризационно уплотнённая линия узнаётся не по красивой развязке в ясный день, а по тому, выдерживает ли она грозовой фронт, который рано или поздно встанет на её трассе.
Канал сайта в Telegram
Канал сайта на YouTube