微波传输中遇到阻挡的解决方案

韩秀红

（山西省广电局无管中心太原站，太原 030001）

在微波通信领域，微波信号需要实现直线传输，所以需要避免传输通道遭遇阻挡。但从实践情况来看，由于早期微波传输通道并未纳入到城市规划工作中，以至于微波传输容易遭遇高楼阻挡。伴随着城市化进程的不断推进，微波传输与城市建设之间的矛盾也日渐凸显。而作为重要的通信传输方式，微波传输问题需要得到有效解决。因此，还应对微波传输中遇到阻挡的问题进行思考，以便采取有效解决方法加强微波传输通道保护。

1 微波传输被阻挡事件

近年来，伴随着城市化进程的不断推进，太原微波站多次发生微波传输被高楼阻挡的事件，给微波传输通道带来了严重威胁。太原微波站地处太原市市中心，在广电大楼12层，海拔高780m，天线位于楼顶平台上。按照要求，微波站需要将广播电视信号传输到省内各个发射台。其中228发射台位于太原西山最高峰庙前山上，海拔高1865m，与太原微波站之间的直线距离达18km。2014年9月，太原微波站首次遭遇微波传输受威胁的情况。在距离太原微波站直线距离约500m 的位置，计划建立高32层的省委宿舍楼。在建设高度达到20层时，到庙前山228发射台的微波信号受到了阻挡。为避免广播电视信号无法传输，经协调工程暂停数月。最终，通过在广电大楼楼顶建设铁塔，使微波天线得以抬高至楼顶27m 位置解决了微波传输被阻挡的问题。2016年5月，太原微波站再次遭遇了微波传输被阻挡事件。距离微波站直线距离约800m 的位置建设52层的住宅楼，导致228发射台无法实现微波信号接收。最终经过太原市规划局协调，再次通过抬高天线位置至楼顶41m 的方法解决问题。伴随着城市的建设发展，越来越多的高楼得到了建设。2018年五一台到528方向再次遭遇高楼阻挡，已经无法通过抬高天线方法解决问题。五一台到528是作为太原站到528方向的广播的保护通道.具体路由是，一是太原站广播通过大微波到228台再到528台。二是太原站广播通过小微波到五一台再到五二八台。

2 微波传输中遭遇阻挡问题的思考

从原理上来看，微波作为频率超出1GHz 的电磁波，波长范围在毫米和厘米数量级之间，波长比无线电波要短，所以微波传输属于视距传输，传输的无线电波无法肉眼识别，并且通道在空中[1]。采用微波传输系统，需要实现点对点直线传输，确保发射天线和接收天线在可视范围内，中间不能存在阻挡物。五一台在最初建设的过程中，并未被纳入到当时城市规划工作中，微波通道保护问题也未能得到关注。早期五一台天线达到了一定的高度，对528方向传输不会受到任何阻挡，能够保证广播信号得到高质量传输。但528台迁新址后在城区规模不断扩大的情况下，高层建筑的数量不断增加，使得目前五一台天线被包围在众多高楼中，促使微波传输与城市规划建设矛盾日渐凸显。针对目前微波接力传输空间遭受的威胁，最初由城市规划管理部门出台协调方案，通过抬高天线位置的方式保留原来的微波传输通道，解决微波传输问题[2]。但随着周围建筑高度的不断增加，五一台的微波天线已经达到铁塔最高位置，难以再次提升，使得原本的微波传输通道无法得到保留。针对这一情况，还要采取有效措施对原本的微波传输通道进行改善，从而解决微波传输遭遇阻挡问题，确保广播信号得到顺利传输。

3 微波传输中遭遇阻挡问题的解决方案

3.1 解决问题的思路

结合以往经验来看，针对微波传输中遭遇阻挡的问题，通常采取铺设光缆或建立中继站的方案解决问题。通过在地下铺设光缆，可以消除地上建筑物对传输通道的阻碍。但是采取该种方案，光缆工程的设计、施工和维护都将消耗大量费用，方案实施的成本较高。从实际情况来看，两台站距离远，采用光缆传送方式不切实际，因此需要采用微波中继方式解决微波传输问题。从原理上来看，地球表面可视作球面，微波通信需要在视距范围内进行直线传输。在两个微波站点之间如果存在障碍物，可以通过在中间位置增设微波中继站继续进行直线传输。微波中继站包含两种，即有源中继站和无源中继站。其中，有源中继站由供电系统、天馈系统、放大器、分路系统和附属设备构成，需要达到供电和机房要求[3]。而无源中继站指的是不经过任何放大直接实现接收到的微波信号转发的中继站，只需要由室外无源设备构成的天馈系统即能实现微波转发。比较有源中继站和无源中继站可以发现，采用微波有源中继站能够对接收到的微波信号进行放大，对天线口径要求不高，但是需要解决供电问题和有源设备的可靠性问题，以免微波传输受到影响。采用无源中继站，能够实现微波设备费用、电源费用、机房费用等各种费用的节省，并且无需后期维护，能够使微波传输成本得到降低。但无源中继站的建设需要适当增加天线尺寸，并且做好站点的选择。如果没有合适的站点，将无法采用无源中继站实现微波传输。

3.2 问题的解决方案

通过上述分析可以发现，如果采用有源中继站解决五一台到528台微波传输问题，需要在二者之间新增一个微波中继站，完成机房、供电系统等系列设施的建设，将产生较高成本。采用无源中继站，无需进行电力线路的架设，同时后期也无需对相关设备进行监测和维护，因此能够使微波传输遭遇阻挡的问题得到解决。在五一台被周围高层建筑包围的情况下，无源中继站解决方案的优势能够得到突出体现。相较于有源中继站，其能节省约60%的建设费用。现阶段，无源中继站主要包含三种，即折射型、反射型和绕射型。其中，折射型采用短波折射原理，可以改变电波射出方向实现微波信号转发。反射型采用金属板或网实现入射电波反射，可作为近场区馈线使用。绕射型能够利用屏蔽网或透过型绕射网对电波的绕射能力进行增强，从而实现电波顺利转发。

五一台微波采用卡塞格伦天线，需要采用背靠背天线无源中继站传输方案解决微波传输问题。采用该方法，能够利用短波导背对背连接两个抛物面天线，能够大角度的改变电波射出方向。在微波频率范围内，由于天线尺寸将大于波长，因此可以从抛物面使天线辐射功率向前传播。在一定距离内，电波可以象光线一样直射，超出该范围后象球面波一样辐射发散，与距离成反比。远场区电磁波落在平面内，可以看做平面波。利用与原天线相同反射器对辐射功率方向进行改变，可以实现微波折射，减少微波传输损耗。具体来讲，就是在在临近五一台1km 处的高层楼顶进行两副卡塞格伦天线的架设，利用波导管连接后然后分别对准微波收发站，达到绕过高楼阻碍的目标。受天线天馈源照射效率限制，中继站天线增益有限。在8GHz 频段条件下，采用二副3.2m 天线背靠背连接增益仅9dB，无法满足五一台到528微波传输需求。但微波发信机发信功率能够达到33dBm，从而对增益低的缺陷进行弥补，因此可以采用现成天线进行微波传输。采取该种方案，由于增益已知，能够轻松实现传输链路计算，为天线架设提供科学指导。

3.3 方案的具体实施

在方案实施阶段，想要使微波接收功率得到提高，还要使发射机的输出功率和微波天线增益得到增加，并且使各部分馈线损耗和路径自由空间损耗得到减小。所谓的天线增益，其实就是输入功率相等时，空间同一点实际天线与理想辐射单元产生信号的功率密度比，能够对天线输入功率集中辐射程度进行描述，与天线方向密切相关。实际采用天线背对背方式进行微波传输，将会产生背对背干扰，需要通过增大电路转折角实现预防，使天线间的转折角保持90°到160°之间。如图1所示，为背靠背天线无源中继链路示意图。图中，d1和d2分别为A 站和B 站到C 站的距离，L1和L2为两站到C 站的自由空间损耗，Lcr 则是背靠背天线间的接头和馈线损耗。在馈线长度为5m 的情况下，Lcr 损耗可以取1dB。Gt 和Gr 分别为发射端和接收端天线增益，G1r和G2r 为无源中继站天线增益。

图1 背靠背天线无源中继链路示意图

对系统附加损耗进行计算，需要假设有源站A 和C 在自由空间传播时产生的空间损耗为Ld=92.4+20lgf+20lgd。其中，d 指的是A 和C 间距离，f 为波段中心频率，L 则是自由空间衰耗。采用无源中继站传输方案进行微波折射，产生的损耗Ld=Ld1+ld2-（G1r+G2r）=2×92.4+40Lgf+20Lgd1d2-G1r-G2r。因此可以得到附加损耗增加量L=92.4+20Lgf+20Lgd1d2-G1r-G2r。通过分析可以发现，在d1d2较大时，产生的损耗较大。相反的，d1d2较小则电波传输产生的附加损耗则较小。使无源中继站尽量靠近五一台或528台，能使d1或d2减小，继而达到减少附加损耗的目标。结合以往经验，近端站距一般不超出3km，实际可以使保持1～2km。天线增益为4面天线增益之和，因此还应通过提高频率获得更高天线增益。如果频率达到10GHz 以上，容易出现雨衰问题，因此通常在6GHz 到8GHz 之间。

结合上述分析进行方案实施，选用的微波设备为NECSDH数字微波，传输容量达155MB，使用频率为8GHz，设备发信功率达33dBm，门限电平为-72dBm。而五一台至无源中继站站距1 千米，无源中继站至528 台25 千米，天线口径3.2m，增益45.3dB。按照上述方法进行天线自由空间损耗计算：

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

五二八台的接收电平Pr 需要根据五一台发射功率Pt 计算：

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

由于电平衰落储备为接收电平和收信机门限电平的差值，计算可得为38.34dB。由此可见，在微波传输期间将产生2-3dB 的损耗，比理论值低2～3dB，电平衰落储备约35dB，能够满足微波传输要求。

4 结论

从长远发展角度来看，还应将已经建立的微波空中传输通道纳入到城乡管理规划要素中，对其在城市坐标系统中的位置进行定位，以便在城市规划建设中加强微波传输通道的保护。针对微波传输遭遇阻挡的情况，还应由管理部门出台协调方案，尽量保留原来的微波传输通道。在无法保留原来通道的情况下，可以采用无源中继站实现微波中转，对原本的传输通道进行改善，继而确保广播电视信号得到顺利传输。