KOLOKACJA SYSTEMÓW BEZPRZEWODOWYCH NA OBIEKTACH MOBILNYCH Janusz ROMANIK, Kzysztof KOSMOWSKI, Edwad GOLAN, Adam KRAŚNIEWSKI Zakład Radiokomunikacji i Walki Elektonicznej Wojskowy Instytut Łączności 05-30 Zegze, ul. Waszawska A Steszczenie W efeacie pzedstawiono analizę, któej celem było zaplanowanie właściwego ozmieszczenia anten na pojeździe opancezonym, wyposażonym w adiostacje VHF, UHF, aday ozpoznania pola walki i zintegowane sieci sensoów. Obiektem, dla któego pzepowadzono ozważania był Wielosensoowy System Rozpoznania i Dozoowania (WSRiD), pzeznaczony do ozpoznawczego wspacia zadań ealizowanych pzez Gupy Bojowe w Polskich Kontyngentach Wojskowych (PKW). WSRiD został zbudowany na bazie KTO ROSOMAK i jest wyposażony w sensoy zintegowane bezpzewodowo. Do ealizacji swoich zadań, opócz śodków łączności adiowej, WSRiD został wyposażony w ada ozpoznania pola walki, system minibsp i wynośny system samoosłony. Łącznie na tym obiekcie znajdują się uządzenia nadawczo-odbiocze mogące wykozystywać 0 óżnych pasm częstotliwości. Aby zagwaantować kompatybilną pacę uządzeń, wykonano analizę źódeł zakłóceń oaz okeślono częstotliwości i moc sygnałów hamonicznych pokywających się z pasmami pacy innych uządzeń wchodzących w skład systemu. Na tej podstawie stwiedzono, że źódłem zakłóceń o największym wpływie na pozostałe uządzenia jest adiostacja VHF, pacująca w zakesie od 80 MHz do 87,75 MHz z maksymalną mocą 50 W. Bioąc pod uwagę ustaloną lokalizację anteny adiostacji VHF oaz wstępnie wybane lokalizacje anten sensoów okeślono ozkład natężenia pola elekto-magnetycznego. Pozwoliło to na oszacowanie poziomu pogoszenia czułości uządzeń odbioczych sensoów. W ezultacie okeślono docelowe lokalizacje anten, dobano pasma pacy uządzeń nadawczo-odbioczych sensoów oaz okeślono waunki stosowania łączności adiowej z wykozystaniem adiostacji VHF.. WSTĘP Powszechna tendencja wpowadzania systemów wykozystujących łączność bezpzewodową na coaz niższe szczeble dowodzenia skutkuje koniecznością montowania na pojazdach coaz większej liczby uządzeń nadawczo-odbioczych. Jeśli uządzenia te pacują w tych samych lub sąsiednich pasmach częstotliwości a ich anteny są oddalone na niewielką odległość, mogą występować wzajemne zakłócenia intefeencyjne lub blokowanie odbioników adiowych. Te niekozystne zjawiska są spowodowane nakładaniem się fal adiowych o óżnych częstotliwościach a pochodzących z óżnych źódeł i kieunków. W efekcie do odbionika dociea zaówno fala użyteczna jak i wiele fal niepożądanych, co powadzi do sytuacji, w któej mimo wystaczającego poziomu sygnału użytecznego (pzekoczenia wymaganej minimalnej watości natężenia pola elektycznego) w danym miejscu i czasie odbió nie jest możliwy wskutek silnych sygnałów zakłócających. Aby zminimalizować to zjawisko pzepowadza się analizę kompatybilności elektomagnetycznej, zwykle wspomaganą komputeowo, pozwalającą na dokonanie oceny pawdopodobieństwa wzajemnych zakłóceń w zależności od paametów poszczególnych uządzeń adiowych (lokalizacji, paametów nadajnika i odbionika, itp.). W wyniku takiej analizy można zapewnić kompatybilną pacę uządzeń i zapobiec powstawaniu zakłóceń intefeencyjnych lub je zminimalizować już na etapie pzygotowania czy oceny możliwości wykozystania danego pasma częstotliwości na potzeby pojektowanego systemu. W efeacie pzedstawiono analizę pzepowadzoną na potzeby Wielosensoowego Systemu Rozpoznania i Dozoowania (WSRiD), któy jako element mobilny pzeznaczony jest do ozpoznawczego wspacia zadań ealizowanych pzez Gupy Bojowe w Polskich Kontyngentach Wojskowych (PKW). Obiekt ten został wyposażony w śodki łączności adiowej, ada ozpoznania pola walki, system minibsp i wynośny system samoosłony. Łącznie na tym obiekcie
zabudowanym na bazie KTO ROSOMAK znajdują się uządzenia nadawczo-odbiocze mogące wykozystywać 0 óżnych pasm częstotliwości. W efeacie pzedstawiono analizę ozkładu natężenia pola elektomagnetycznego pochodzącego od anten śodków adiowych. Wyniki analizy posłużyły do zaplanowania właściwego ozmieszczenia anten adaów i sieci sensoów, dobou ich pasm pacy oaz okeślenia waunków stosowania łączności adiowej dla adiostacji VHF.. CHARAKTERYSTYKA ŚRODKÓW RADIOWYCH I MOŻLIWOŚCI ROZMIESZCZENIA ANTEN Do ealizacji swoich zadań WSRiD został wyposażony w następujące śodki ozpoznania i łączności pacujące, odpowiednio, w pasmach częstotliwości:. Uządzenie nadawczo-odbiocze mini BSP (stacja naziemna 4.4 5 GHz),. Uządzenia nadawczo-odbiocze wynośnej głowicy obsewacyjnej (PSH) i miniatuowego adau detekcji uchu (MRDR) (WLAN 80.g.40.48 GHz, 433.9 MHz oaz 434.4 MHz), 3. Uządzenie nadawczo-odbiocze systemu czujek akustosejsmicznych (SAS) (40 470 MHz, 868 870 MHz i 95 9 MHz), 4. Rada Rozpoznania Pola Walki (9.74 0.3 GHz), 5. Radiostacja RRC 930 AP (30 88 MHz), 6. Radiostacja osobista PNR-500 (400 450 MHz), 7. Odbionik GPS, Dodatkowo poducent KTO pzewidział możliwość zainstalowania na pojeździe uządzenia zakłócającego DUKE oaz adiostacji szeokopasmowej IP. Możliwości ozmieszczenia anten poszczególnych uządzeń są zatem oganiczone ze względu na konstukcję obiektu oaz lokalizacje anten dotychczas wykozystywanych, lub planowanych do wykozystania systemów łączności. Na Rys. koloem zielonym zaznaczono wyznaczone pzez poducenta KTO ROSOMAK stefy możliwej zabudowy. Rys. Stefy możliwej zabudowy (ys. WZM Siemianowice) Na potzeby analiz ozkładu natężenia pola elektomagnetycznego i oceny potencjalnego zakłócania się uządzeń, wstępnie pzyjęto ozmieszczenie anten zgodnie z Rys.. Koloem czewonym zaznaczono powiezchnie, na któych nie można ozmieścić anten oaz miejsca, w któych już pzewidziano montaż systemów antenowych. Koloem zielonym zaznaczono stefy, w któych można ozmieścić dodatkowe systemy antenowe.
3 7 8 480 533 560 40 4 6 5 30 00 785 000 360 3400 3688 Rys. Potencjalne stefy zabudowy anten Lokalizacja 5 adiostacja VHF, Lokalizacja 6 adiostacja PNR, Lokalizacja 7 dla anteny DUKE, Lokalizacja 8 pzewidywane miejsce montażu adiostacji szeokopasmowej. 3. IDENTYFIKACJA CZYNNIKÓW ZAKŁÓCAJĄCYCH Dla zidentyfikowania czynników zakłócających wzięto pod uwagę: częstotliwości, na któych może pacować więcej niż jedna adiostacja, częstotliwości hamoniczne, któe mogą zakłócać kanały pacy innych adiostacji, zakłócenia sąsiednio-kanałowe. Piewszym etapem była identyfikacja częstotliwości, na któych może pacować kilka uządzeń. Z analizy danych technicznych śodków adiowych wynika, że w paśmie częstotliwości 400 470 MHz pacują następujące uządzenia nadawczo-odbiocze UHF: systemu PSH i MRDR (433.9 MHz i 434.4 MHz), czujek SAS (40 470 MHz) oaz adiostacja osobista PNR-500 (400 450 MHz). Kolejnym kokiem była identyfikacja częstotliwości hamonicznych, któe mogą zakłócać kanały pacy innych adiostacji. Po analizie danych założono możliwość wpływu hamonicznych adiostacji VHF z zakesu 80 88 MHz na pacę uządzeń w paśmie 40 470 MHz. Ponadto piewsza hamoniczna częstotliwości pacy adiostacji PNR-500 może mieć negatywny wpływ na pacę odbionika SAS w paśmie 868 870 MHz. Możliwy jest ównież wpływ hamonicznych adiostacji PNR-500 i uządzenia nadawczo-odbioczego czujek SAS (40 470 MHz) na pacę śodków pacujących w paśmie.4.48 GHz (WLAN). W pocesie identyfikacji czynników zakłócających należało także pzeanalizować wpływ zakłóceń sąsiedniokanałowych. Zgodnie z [7] i [8] 99% całkowitej śedniej emitowanej mocy uządzeń nadawczych VHF powinna być zawata w paśmie 5kHz. Moc jakiejkolwiek emisji ubocznej nie powinna być większa od -40dBc w zakesie częstotliwości 5kHz wokół częstotliwości nośnej ani nie powinna być większa od -60dBc dla częstotliwości znajdujących się w odległości od 5kHz do 6,5kHz od częstotliwości nośnej. 3
Zgodnie z [5] oaz [6] w pzypadku uządzeń nadawczych UHF 99% całkowitej śedniej emitowanej mocy powinno być zawate w paśmie 5kHz. Moc jakiejkolwiek emisji ubocznej nie powinna być większa od -40dBc w zakesie częstotliwości 00kHz wokół częstotliwości nośnej oaz nie powinna być większa od -60dBc dla każdej innej częstotliwości. Zakładając, że uządzenia adiowe montowane na KTO ROSOMAK spełniają wymagania ww. nom w piewszym pzybliżeniu można pzyjąć, że wpływ zakłóceń sąsiedniokanałowych jest pomijalny. Założono zatem, że podstawowym źódłem ewentualnych zakłóceń mogą być częstotliwości hamoniczne. Ze względu na dużą moc z jaką nadaje adiostacja VHF czynnikiem zakłócającym pacę uządzeń w paśmie 40 470 MHz mogą być jej częstotliwości hamoniczne zakesu 80 88 MHz. Zmiezone poziomy tych hamonicznych zamieszczono w tabeli poniżej. Tabela Poziom hamonicznych adiostacji VHF Częstotliwość 4-ta ham. 5-ta ham. dst. VHF Częstotliwość Częstotliwość Poziom [dbm] [MHz] [MHz] [MHz] Poziom [dbm] 8 405 -------- 486 --------- 8 40 -------- 49 --------- 83 45-68.9 498 --------- 84 40-65 504 --------- 85 45-5 50-53.6 86 430-35,7 56-45. 87 435 -.5 5-33.7 Jak pokazują dane zamieszczone w tabeli, poziomy niektóych hamonicznych są badzo wysokie. Zatem w pzypadku wykozystywania pzez adiostację VHF zakesu częstotliwości 83 88 MHz należy liczyć się z możliwymi zakłóceniami w paśmie 45 MHz 435 MHz, w któym pzewidywana jest paca uządzeń nadawczo-odbioczych UHF systemu PSH i MRDR, czujek SAS oaz adiostacji PNR-500. 4. WYZNACZENIE NATĘŻENIA POLA ELEKTRYCZNEGO DLA SYGNAŁÓW NIEPOŻĄDANYCH Zgodnie z pzepowadzonymi wcześniej ozważaniami, największy wpływ na pacę pozostałych systemów mogą mieć częstotliwości hamoniczne adiostacji VHF. Z tego względu w piewszej kolejności okeślono odległości w jakich powinny zostać ozmieszczone anteny potencjalnie zakłócanych systemów, aby pacująca adiostacja VHF nie pogaszała ich czułości. 4.. Okeślenie obszaów o poziomach sygnałów hamonicznych mogących powodować pogoszenie czułości odbioników UHF Dla okeślenia, w jakiej odległości od anteny adiostacji VHF powinny zostać ozmieszczone anteny uządzeń UHF pzyjęto szeeg założeń. Na podstawie wcześniej wykonywanych pomiaów śodków adiowych pzyjęto, że czułość śodowiskowa (czułość odbionika zainstalowanego na pojeździe z dołączoną anteną) zazwyczaj jest gosza o około 0dB od czułości użytkowej uzyskiwanej w pomiaach laboatoyjnych. Pzyjęto ównież, że pomiezone hamoniczne podlegają 3dB statom w układzie fide - antena nadawcza (nie bieze się pod uwagę niedopasowania i VSWR). 4
Zgodnie z [4] maksymalny zasięg występowania obszau o watościach natężenia pola wyższych od dopuszczalnych dany jest wzoem: gdzie: E dop - dopuszczalny poziom natężenia pola [V/m]; P p - moc pomieniowana [W]; max 30PpG, () E dop G zysk anteny. Znając czułość użytkową uządzeń nadawczo-odbioczych i pzyjmując, że została ona okeślona standadowo - dla SINAD db - można na tej podstawie okeślić, jaki jest poziom sygnałów zakłócających, pzy któym została zmiezona. Pzekształcając zależność Psyg Pszum Pint SINAD 0log Pszum Pint poziom sygnałów zakłócających (szum+intefeencje) dany jest wzoem: P P 4,84 () syg szum Pint (3) Watość napięcia na dopasowanym obciążeniu anteny odbioczej [], [4]: U E R 0 G i, (4) gdzie: U - skuteczna watość napięcia na dopasowanym obciążeniu anteny R, [V]; E - skuteczna watość natężenia pola odbieanej fali e-m, [V/m]; λ - długość fali [m]; R - dopasowana oponość obciążenia anteny, [Ω] G i - zysk anteny względem źódła izotopowego [W/W], (dla dipola półfalowego G i =,64 W/W). Dla anteny o impedancji 50 Ω wzó ten pzyjmuje postać: U 0.83 E (5) Pzeliczając (3) na watość napięcia i pzekształcając (5), zależność na natężenie pola elektycznego sygnału zakłócającego ma postać: E U /0. 83 (6) Maksymalny zasięg występowania obszau o watościach natężenia pola wyższych od dopuszczalnych obliczono dla danych: czułość odbionika SAS -dbm; czułość odbionika PSH i MRDR -00dBm; pogoszenie czułości 0dB w waunkach zeczywistych; 3dB zmniejszenie poziomu syg. hamonicznych (staty na złączach i dopasowania); zamieszczono w tabelach i 3. 5
Tabela Odbionik systemu PSH i MRDR (pasmo 433,9MHz lub 434,4MHz) Częst. ham. [MHz] Poziom ham. [dbm] _max [m] 45-68.9,985 40-65 4,6758 45-5 3,4343 430-35,7 47,8607 435 -,5 63,534 Tabela 3 Odbionik czujek SAS (pasmo 40-470 MHz) Częst. ham. [MHz] Poziom ham. [dbm] _max [m] 45-68.9 9,8437 40-65 46,7577 45-5 34,3434 430-35,7 364, 435 -,5 635, Pzyjmując nawet 0-kotne pzeszacowanie zasięgu zakłóceń należy liczyć się ze znacznym pogoszeniem czułości śodowiskowej odbioników dla wszystkich dostępnych lokalizacji anten. 4.. Oszacowanie pogoszenia czułości odbioników na podstawie zależności analitycznych Ponieważ żadna z dostępnych lokalizacji nie zapewnia odpowiedniej sepaacji anten, aby zapewnić wyeliminowanie wpływu zakłóceń hamonicznych adiostacji VHF, w sposób analityczny dokonano oceny pogoszenia czułości odbioników zakłócanych systemów. Wzoy analityczne, na podstawie, któych zbudowano model symulacyjny ozkładu pola elektycznego wokół anteny uwzględniając stefę bliską i pośednią, pzedstawiono poniżej [] 0 ji 0Z f a jka jk cos jk( 0.5L) a jka jk cos jk( 0.5 ) L E 3 b e b 3 e 4k0 sin (7) ji Z E 4k La jkla 3 0.5 jkl e 0.5L) La jkla 0. 5 jkl 3 e 0 f jk( jk( 0.5L) 0 - odległość punktu w pzestzeni od śodka anteny, - odległość punktu w pzestzeni od końców anteny L długość anteny; Zf - impedancja falowa pzestzeni k - liczba falowa (8) 0 y z (9) 0 L L0 cos, 0 L L0 cos 4 4 a cos 0. 5L, a cos 0. 5L (0) 0 0 0.5L 0 0 0.5L b cos, b cos 6
Wypadkowe pole elektyczne E E () E W tabeli 4 pzedstawiono, jaka jest czułość odbionika zakłócanego za pomocą częstotliwości hamonicznych adiostacji VHF pzy założeniu watości współczynnika SINAD db. Pzykładowe wyniki ozkładu natężenia pola dla częstotliwości 430 MHz pzedstawia ysunek 3. Tabela 4 Natężenie pola i czułość odbionika w obecności sygnału zakłócającego dla lokalizacji 4. dla lokalizacji 3 dla lokalizacji 4 dla lokalizacji 3 dla lokalizacji 4 dla lokalizacji 3 4-ta hamoniczna częstotliwości 86 MHz Natężenie pola dla ozważanych lokalizacji Watość napięcia sygnału zakł. na dopasowanym obciążeniu anteny odbioczej Czułość odbionika w obecności sygnału zakłócającego dla SINAD 3 0 [ V / m] 9,5 μv -44,7dBm 4 4.5 0 [V / m] 4,468 μv -5,dBm 4-ta hamoniczna częstotliwości 87 MHz 3 4. 0 [V / m] 383,63 μv -3,9dBm 3.9 0 [V / m] 73, μv -38,8dBm 4-ta hamoniczna częstotliwości 83 MHz 5.35 0 [V / m],4 μv -76,5dBm 9.55 0 6 [V / m] 0,9 μv -84,36dBm Rys. 3 Rozkład natężenia pola dla częstotliwości hamonicznej 430MHz 7
5. PODSUMOWANIE Anteny adiostacji systemu PSH i MRDR oaz antena uządzenia SAS powinny zostać ozmieszczone w lokalizacjach 3 i 4. Pozwoli to na maksymalne oddalenie ww. anten od anteny adiostacji PNR 500 (lokalizacja 6). Niestety, żadna z nich nie jest dostatecznie oddalona od miejsca zamontowania anteny adiostacji VHF. Pzy niekozystnym zapogamowaniu częstotliwości pacy adiostacji VHF, jej częstotliwości hamoniczne mogą pokywać się z kanałami pacy ww. adiostacji i pogaszać ich czułość, co wiąże się ze zmniejszeniem zasięgów łączności. Stopień pogoszenia czułości odbionika oszacowany na podstawie pzepowadzonych ozważań analitycznych pzedstawiono w tabeli poniżej. Tabela 5 Pogoszenie czułości odbionika w obecności sygnału zakłócającego Częstotliwość hamoniczna PSH i MDR: 433. 9MHz oaz 434.4MHz Czułość użytkowa: -00dBm Pogoszenie czułości lokalizacja 3 Pogoszenie czułości lokalizacja 4 SAS: 40-470 MHz Czułość użytkowa: -dbm; Pogoszenie czułości lokalizacja 3 Pogoszenie czułości lokalizacja 4 45MHz --------- ---------- 36,64dB 44,5dB 430MHz 48,8dB 55,73dB 69,8dB 76,73dB 435MHz 6,dB 68,dB 8,dB 89,dB Poponowane ozmieszczenie anten adiostacji PSH i MRDR (kanał alamowy) oaz anten adiostacji SAS: LOKALIZACJA 3: Antena adiostacji czujek SAS Bioąc pod uwagę, że odbionik adiostacji SAS ma większą czułość, zapoponwano umnieszczenie go w lokalizacji 3. Dodatkowym czynnikiem pzemawiającym za tym ozwiązaniem jest fakt, iż w pzypadku wykozystywania kanałów pacy w zakesie 868-870MHz mogą być one zakłócane pzez I hamoniczną częstotliwości pacy PNR-500. Co więcej, jest to jedyny śodek łączności z czujkami SAS. Ponadto nadajnik czujek SAS nadaje z mniejszą mocą (00 mw) niż nadajnik systemu PSH i MRDR. LOKALIZACJA 4:Antena systemu PSH i MRDR (kanał alamowy) Odbionik systemu PSH i MRDR ma mniejszą czułość niż odbionik czujek SAS, w związku z tym niewielkie sygnały zakłócające nie mają aż tak wielkiego wpływu na jego pacę, jak ma to miejsce w pzypadku odbionika SAS. Dodatkowo, PSH i MRDR nadają z mocą 500 mw (SAS tylko 00 mw), zatem nawet w pzypadku pogoszenia czułości odbionika sygnały docieające do niego będą miały wyższy poziom niż w pzypadku odbionika SAS. Poponowane ozmieszczenie anten WLAN systemu PSH i MRDR oaz uządzenia nadawczo-odbioczego mini BSP: LOKALIZACJA : Antena systemu PSH i MRDR (WLAN) Anteny uządzenia nadawczo-odbioczego WLAN dla systemu PSH i MRDR powinny zostać umieszczone w lokalizacji. W pzypadku tego uządzenia możliwy jest wpływ hamonicznych adiostacji PNR-500 i adiostacji systemu czujek SAS (04 074MHz) na pacę w paśmie.4.48 GHz. Uwzględniając fakt, że uządzenia WLAN posiadają wiele 8
kałów pacy któe można dowolnie wybać, należy pzyjąć iż wpływ tych hamonicznych nie będzie miał znaczenia. 6. BIBLIOGRAFIA. R. Kubacki, Anteny Mikofalowe. Technika i śodowisko, WKŁ, 009;. K. Fujimoto and J. R. James, Mobile Antenna Systems Handbook, Atech House, 994; 3. D. J. Bem, Anteny i ozchodzenie się fal adiowych, WNT, 973; 4. C. Rothe, E. Spindle, Technika Antenowa, WKŁ, 967; 5. NO-58-A04 Jednokanałowe uządzenia adiowe VHF(UKF)/UHF - Wymagania dotyczące inteopeacyjności ; 6. STANAG 405 (Edition 3) Technical standads fo single channel UHF adio equipment ; 7. NO-58-A03 Jednokanałowe uządzenia adiowe UKF(VHF) - Wymagania dotyczące inteopeacyjności ; 8. STANAG 404 (Edition 3) Technical Standads fo Single Channel VHF Radio Equipment ; 9