關于ITU-R P.526及多刃峰繞射研究

前言

　　電波在傳播過程中遇到尺寸和工作波長相近的障礙物時，會繞過障礙物向前傳播，這種現象叫做電波的繞射。
在電視、調頻廣播頻段（30MHz～1000MHz），由于其波長在米級及百米級范圍，在復雜地形、地物的地理條件下，電波容易發生繞射現象。

　　傳統的電波傳播預測模型ITU-RP.370以及ITU-RP.1546比較適用于開闊和低起伏的丘陵地區，而對于多山地區，其預測誤差相對較大。為此，國際電聯在1978年制訂了ITU-RP.526建議書——《Propagationbydiffraction》，主要描述了傳播中的繞射影響及其場強的預測方法，在預測中除了考慮崎嶇地形所造成的繞射外，還涉及地球球形表面對傳播的繞射影響。但是該建議書只提供了單刃峰、雙刃峰和單圓形峰情況下的繞射算法，并沒有針對復雜地形提出一般的解決方法。本文試圖結合Bullington法、Epstein-Peterson法討論ITU-RP.526及多刃峰繞射的計算和實際應用情形。

　　ITU-RP.526的算法

　　單個障礙物的形狀比較復雜時，難以給出精確的解析解。只有兩種形狀的單個障礙物可以給出完備的解析解:一種是厚度可以忽略的刃峰（knife-edge），參見圖1及圖2;一種是表面光滑的圓柱體障礙物，參見圖3。


圖1 單刃峰示意圖一


圖2 單刃峰示意圖二


圖3 單圓形峰示意圖

　　在單刃峰情況下，傳播路徑上只有一個障礙物對傳播造成了損耗。可根據下面兩個公式來計算由該障礙物所產生的影響。



　　公式中各參數含義見圖1和圖2。

　　在單圓形峰情況下，傳播路徑上只有一個圓形的障礙物對傳播有影響，在計算損耗的過程中要加上一個修正因子，該修正因子由下式提供:

　　T(m,n)=kmb ③。

　　其中k=8.2+12.0n，b=0.73+0.27[1-exp(-1.43n)]，

，。

　　公式中各參數含義見圖3。

　　多峰繞射

　　最簡單的多峰繞射問題是雙刃峰繞射。由雙重障礙物產生的雙重刃形繞射可以通過對菲涅爾公式的雙重積分得到，但是計算量巨大。而Bullington法、Epstein-Peterson法利用等效方法較好地解決了這個問題。

　　在Bullington法中（見圖4），A、B和C點的障礙物被交界處D點的一個等效刃形障礙物替代，這時A點和B點的障礙物可以忽略。


圖4 Bullington法示意圖

　　在Epstein-Peterson法中（見圖5），a、b、h′1和b、c、h′2可以分別構成單刃峰。先利用公式求出a、b、h′1之間的繞射損耗L1，然后求出b、c、h′2之間的繞射損耗L2，在求出L1和L2之后需要再加上一個修正因子Lc，其計算公式如下:

④。


圖5 Epstein-Peterson法示意圖

　　那么總的繞射損耗為:

　　L=L1+L2+LC ⑤。

　　在對山區的傳播預測計算中，傳播路徑一般存在多個障礙物。在這種情況下，必須將多重刃峰等效成單刃峰或者雙刃峰才能求得繞射損耗。可依次利用Bullington法將多個刃峰逐次等效，最后成為等效單刃峰，從而計算出總的傳播損耗，也可利用Epstein-Peterson法依次等效。但是應注意Epstein-Peterson提供的雙刃峰處理方法中，當障礙物距離d較大時，得到的結果比較準確。當障礙物距離d較小時，得到的結果誤差較大。因此在構造刃峰的時候，必須限制刃峰的數量，盡量考慮對繞射影響較大的刃峰。

　　實際應用

　　在廣播電視行業中廣播場強的預測（主要指電視和調頻廣播）所依據的電波傳播模型主要是1951年國際電聯制定的ITU-R P.370建議書中的模型——《VHF and UHF propagation curves for the frequency range from 30 MHz to 1000MHz》。盡管2001年國際電聯研究制訂了新的電波傳播場強預測標準ITU-R P.1546——《Method for point-to-area predictions for terrestrial services in the frequency range 30MHz to 3000MHz》，并用該標準替代了長期使用的ITU-R P.370標準，但是在廣播場強預測方面，我國的國標仍然采用的是ITU-R P.370標準。

　　盡管與ITU-R P.370相比，ITU-R P.1546在預測精度和使用范圍上都有所提高，但是這兩個建議書均未考慮障礙物的繞射影響。因此，在多山地區，當繞射影響成為傳播預測的主要因素時，這兩個傳播模型的預測誤差就明顯地增大了，例如，中國粵港邊界地區就是一個典型的例子。

　　為了提高電波傳播預測的準確性，人們一方面在理論計算上試圖找到繞射問題的精確的解析解，另一方面，如同ITU-R P.370和ITU-R P.1546那樣，試圖通過大量的實際觀測數據總結出繞射問題的規律性的傳播預測曲線。這兩方面的成果基本上已經體現在了ITU-R P.526建議書中。

　　在實際應用ITU-R P.526處理多峰繞射的過程中，必須結合電子地圖才能充分發揮出其預測精準的特點。而在電子地圖中，構造和提取各種計算所需要的地理信息參數則是十分專業的問題。其中第一菲涅爾區是否被阻擋以及阻擋的程度、刃峰的構造、判別以及等效是處理該問題的核心。粵港邊界地區廣播電視頻率規劃協調的實際證明，在處理復雜的多山地區的電波傳播預測問題時，ITU-R P.526模型更接近于實測值。

　　應該注意到，在電視、調頻廣播頻段（30 MHz～1000 MHz）內應用ITU-R P.526建議書時，主要考慮的障礙物一般為山峰或丘陵等地形障礙，對于高大建筑物的影響一般并不涉及。如何應用ITU-R P.526建議書計算預測高大建筑物的繞射影響，還需要業內專家進一步探討。