ФИЗИЧЕСКИЕ ОСОБЕННОСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ И ЗАТУХАНИЯ ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫХ ВОЛН ДИАПАЗОНОВ 2,4 ГГЦ И 5 ГГЦ ВНУТРИ ЗДАНИЙ

АННОТАЦИЯ

В статье исследованы электродинамические механизмы ослабления радиоволн частотных диапазонов 2,4 ГГц и 5 ГГц при распространении внутри капитальных зданий. Выполнен расчет коэффициентов погонного диэлектрического поглощения, граничного френелевского отражения, дифракционных потерь и уровня мощности сигнала при прохождении через типовые строительные конструкции.

Ключевые слова: электромагнитные волны; диэлектрическая проницаемость; тангенс угла потерь; дифракция Френеля; затухание сигнала.

Проектирование внутриобъектовых беспроводных сетей связи требует строгого учета взаимодействия сверхвысокочастотного (СВЧ) излучения с неоднородными диэлектрическими и проводящими средами стен и межэтажных перекрытий [1, с. 214]. При переходе от центральной частоты первого рассматриваемого диапазона ГГц (длина волны в вакууме см) к частоте второго диапазона ГГц ( см) существенно изменяются условия дифракции на кромках препятствий, глубина проникновения поля в толщу материала и доля энергии, теряемой на релаксационную поляризацию молекул влаги. В свободном пространстве без учета отражающих поверхностей ослабление мощности сигнала (в децибелах) на дистанции (в метрах) определяется сферическим расхождением волнового фронта согласно уравнению передачи Фрииса (1) [2, с. 88]:

                                                         (1)

где — рабочая частота электромагнитной волны, Гц;

— расстояние между передающей и приемной антеннами, м.

Из выражения (1) следует, что даже в отсутствие преград на одинаковом удалении от излучателя волна частотой 5,25 ГГц затухает в воздухе сильнее сигнала 2,45 ГГц на величину дБ. Физически это означает падение плотности потока мощности на приемной апертуре в 4,59 раза за счет уменьшения эффективной площади сбора энергии укороченного полуволнового вибратора (пропорциональной ).

При прохождении волны сквозь внутренние перегородки и капитальные стены (бетон, кирпич, гипсокартон, древесина, стекло) среда ведет себя как несовершенный диэлектрик с комплексной относительной проницаемостью , где — действительная часть диэлектрической проницаемости, определяющая фазовую скорость волны в материале, а — тангенс угла диэлектрических потерь [3, с. 312]. В капиллярно-пористых строительных конструкциях (бетон, кирпичная кладка) всегда удерживается от 3 % до 7 % адсорбированной влаги. Поскольку частота ориентационной релаксации Дебая для полярных молекул свободной воды при комнатной температуре лежит вблизи 18–20 ГГц, повышение несущей частоты от 2,45 ГГц до 5,25 ГГц приближает рабочую точку к пику релаксационного поглощения и вызывает заметный рост [4, с. 142].

Ослабление сигнала при преодолении плоского слоя диэлектрика толщиной складывается из френелевского отражения от передней и задней границ раздела «воздух-стена» и экспоненциального поглощения энергии внутри самого слоя по закону Бугера — Ламберта. При нормальном падении волны на границу раздела модуль амплитудного коэффициента отражения и коэффициент погонного затухания (в Нп/м) определяются соотношениями (2) и (3) [3, с. 319]:

                                                                           (2)

                                                                            (3)

где — действительная часть относительной диэлектрической проницаемости преграды;

— тангенс угла диэлектрических потерь материала стены;

— скорость распространения электромагнитной волны в вакууме, м/с.

Результаты расчетов коэффициента погонного затухания , суммарных потерь в преграде , а также уровня мощности на входе приемника при выходной мощности передатчика дБм представлены в таблице 1.

Таблица 1.

Параметры диэлектрических потерь в преградах и уровень сигнала на приемнике

В сценариях 1–3 таблицы 1 полное ослабление радиосигнала на трассе определялось по многостеновой логарифмической модели распространения внутри зданий (4) [5, с. 54; 6, с. 124]:

                                            (4)

где — эталонные потери на дистанции 1 м (40,23 дБ для 2,45 ГГц и 46,85 дБ для 5,25 ГГц);

— показатель затухания среды с учетом рассеяния на предметах интерьера ( для 2,45 ГГц и для 5,25 ГГц);

— количество пересекаемых преград -го типа с потерями , дБ.

При огибании дверных проемов и углов коридоров дифракционная проникающая способность волны в область геометрической тени определяется радиусом первой зоны Френеля (где и — расстояния от передатчика и приемника до дифракционного ребра) [1, с. 268]. Поскольку пропорционален , для частоты 5,25 ГГц эффективная зона переноса энергии в раза уже, чем для 2,45 ГГц, что увеличивает дифракционные потери за углами капитальных стен на 3,5–4,5 дБ [6, с. 119].

Анализ данных таблицы 1 показывает, что легкие перегородки из гипсокартона и древесины ослабляют оба диапазона почти одинаково (разница не превышает 0,7 дБ), так как потери в них определяются преимущественно граничным френелевским отражением. Напротив, в массивных преградах доминирует объемное тепловое поглощение: одна железобетонная стена (20 см) гасит сигнал 2,45 ГГц на 12,40 дБ (по мощности в 17,4 раза), тогда как на частоте 5,25 ГГц потери достигают 27,85 дБ (падение мощности более чем в 600 раз). При прохождении через железобетонную и кирпичную стены на дистанции 16 м (сценарий 3) мощность сигнала 5,25 ГГц падает до −96,55 дБм, что ниже порога чувствительности приемника (−85 дБм) и приводит к обрыву связи, в то время как волна 2,45 ГГц сохраняет рабочий уровень −64,79 дБм, достаточный для устойчивой демодуляции квадратурных схем 64-QAM [5, с. 57]. Таким образом, быстрое затухание радиоволн диапазона 5 ГГц внутри зданий обусловлено совокупным действием трех физических факторов: уменьшением эффективной площади приемной антенны (6,62 дБ), более чем двукратным ростом коэффициента погонного поглощения в капиллярной влаге бетона и сужением первой зоны Френеля в 1,46 раза.

Список литературы:

1. Никольский В.В., Никольская Т.И. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие. – М.: Альянс, 2014. – 543 с.
2. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн: учеб. для вузов. – М.: Высш. шк., 1975. – 280 с.
3. Сивухин Д.В. Общий курс физики. В 5 т. Т. 3. Электричество. – М.: Физматлит, 2015. – 656 с.
4. Поплавко Ю.М. Физика диэлектриков: учеб. пособие для вузов. – Киев: Вища шк., 1980. – 400 с.
5. Фейзуллаев Ф.С., Попов В.И. Распространение радиоволн в системах мобильной и беспроводной связи внутри помещений // Телекоммуникации. – 2018. – № 6. – С. 51⁠–⁠58.
6. Кубанов В.П. Влияние препятствий на распространение радиоволн: учеб. пособие. – Самара: ПГУТИ, 2013. – 144 с.