简介

作为替代能源的潜力来源之一，风力涡轮机被认为是一个新兴的行业，并已在美国以及世界各地的许多地方矗立起来。风力涡轮机的工作原理是从风能转化为机械能的动能转换过程，然后用来发电。一大批风力发电机组被称为风力发电场，它可能影响无线电通信系统，包括广播电台、气象雷达、机场雷达、地面微波点对点系统。

 在任何时候，身处荒凉区域的正在设计一个新的微波链路的工程师们都应该调查是否存在和靠近风力涡轮机。在这篇简短的文章中，我们将讨论和总结一些工程师在微波网络设计过程中必须解决的问题，以确保微波链路和风力涡轮机的和平共处。相同的结论也适用于可能会考虑在现有微波链路区域建设新的风力发电场的项目。

 风力涡轮机和风力发电场

 为了保证风力涡轮机的效率，1.5 MW的涡轮机可能是一个非常大的结构，有直径超过67米（220英尺）的叶片和高度超过55米（180英尺）的塔架[[1]]。风力发电场考虑的问题包括：它们是由高度反光材料组成，可能高达400英尺以上，而且转速高达200英里的叶尖有很大的雷达截面（RCS）；在一个相对较小的区域里，风力发电场可能有数百个这样的高大结构[[2]]。

简单地说，RCS测量的是在雷达接收机的方向反射雷达信号的目标能力，接收机可能会也可能不会配置雷达发射机。虽然，计算风力涡轮机实际的RCS几乎是不可能的，但一些测量结果表明，其测量值可能接近巨型喷气飞机的RCS。这很容易得出结论，一个大型风力发电场可能引起附近机场雷达屏幕的误报（或在覆盖的情况下出现被雷达忽略的空穴），所以有可能无法检测到飞越风力发电场的飞机。

风力发电场通常设在隆起和空旷的区域，在那里设备可以畅通无阻地接触到风。这种类型的环境也是固定电信设施（如微波站）的首选。有关这一主题的研究很少，不过，随着越来越多的风力发电场的建设，这个话题正变得越来越引人关注。一般来说，微波工程师应该认真考虑三个标准，即可能导致射频通信系统性能降级的三个方面：近场、衍射和反射/散射。

 近场和远场

 远场和近场术语描述的是天线周围的场，或者更通俗地讲，是任何电磁辐射源周围的场。顾名思义，天线周围存在两个边界区域。其实，存在多达三个区域和两个边界，而重要的是要注意这些边界是不固定的空间（图1）。

图1：天线的辐射场

图字：无功近场；辐射近场；辐射远场；抛物面天线；馈源；

通常情况下，可使用两个或三个区域模型。在近场，场强度并不一定随天线的距离稳步减少，而是可能会出现振荡特性，因此很难预测该区域的天线增益和辐射模式[[3]]。

执行微波链路工程，包括菲涅尔余隙（Fresnel’s clearance）和路径分析（path profile）的工程师，都是基于微波天线位于远场区的假设，即，它们之间的距离足够大。任何大型物体（反光或不反光），包括风力涡轮机，在天线的近场都可能会扭曲天线的辐射模式，因此应该予以避免。

菲涅耳区的概念

菲涅尔区的概念是地面微波点对点链路设计的一个组成部分。一个剖面图（profile plot）上的菲涅尔区信息最常见的用途是检查经过该区域的障碍物，并计算出可能的衍射。

菲涅尔区指定采用一个对应于半波长的倍数数目的序号，以表示直接路径与无线电波传播路径的差异。因此，第一菲涅尔区是一个椭圆体，其表面相当于一个半波长的路径差异，并代表所有其他菲涅尔区的最小体积（图2）。

图2菲涅尔区

图字：第一菲涅尔区；第二菲涅尔区；地球表面

在微波工程中，第一菲涅尔区的半径是当前用来建立来自不同类型障碍的链路的适当间隙的参数。通式（假设 ）可计算第n个菲涅尔区半径近似为：

在这个公式中， 是波长，R是菲涅尔区的半径，d1和d2是从天线到要测试点的距离，d是微波链路长度。

这里给出了以英里表示距离、以GHz表示频率的更实用公式，计算以英尺表示的第一菲涅尔区半径的公式是：

衍射理论表明，发射机和接收机之间的直接路径需要至少有第一菲涅尔区到自由空间传播条件半径的60％的间隙。

如果路径的几何形状是这样，一个偶数菲涅尔区恰好与一个良好的反射面（例如，一个湖泊、公路，或平坦的沙漠区域，或是这种情况下的风力发电机组）相切，会发生信号抵消，导致直接和间接（反射）信号路径之间的干扰。

本次讨论没有包括的是不恒定的大气折射特性，以及大气折射指数（以地球半径因子k表示）的变化，这些可能会影响复杂地形，全部或部分拦截菲涅尔区。关于气候对净空要求影响的更详细的讨论由[3]给出。

风力涡轮机附近的微波链路工程

也许是最危险的情况是风力发电机组阻挡或碰到第一菲涅尔区。由于大型叶片以约32 rpm的速度旋转（通常有两个或三个叶片），衍射（障碍物）或风力涡轮机的无线电波反射可能影响点对点微波链路。因此，任何重大的干扰信号，如延迟的多路径组件，都将使信号电平上下波动约1.0至1.5 Hz [[4]]。

基于一些测量，随着高达18 GHz的频率，一台涡轮机的微波链路可能会衰减2-3 dB。如果是在菲涅尔区内，一个只有17台涡轮机的风力发电场可能产生高达20 dB的衰减。考虑到微波链路衰减余量一般为30~35 dB，这是一种非常显著的信号损失[[5]]。

重要的是要记住，水平轴的叶片旋转是根据风向来改变方位的，所以它不是像一棵树或建筑物那样静态障碍物。虽然通常为60％的第一菲涅尔区间隙足以保证微波链路的性能不受干扰，但在这种情况下，建议完全保持第一菲涅尔区100％无阻挡（clear）。此外，甚至无阻挡的第一菲涅尔区可能还是不够，所以应该遵守更严格的规定，应该保持第二菲涅尔区无阻挡。

来自涡轮机物理结构的信号反射可传播到微波接收机，可能导致接收机阈值的降级，从而导致链路要求的C/I（载波干扰比，通常以分贝表示，取决于调制和编码方案）大幅增加。

应该小心可能来自风力发电场个别涡轮机的多重反射。与微波链路平行的一长串运行的风力涡轮机可能尤其不利。

结论

设计靠近风力涡轮机的微波链路的流程可遵循微波工程一贯的良好做法——避免天线的近场附近的障碍，保持第一（在这种情况下是第二）菲涅尔区没有障碍物，而且要特别注意，当运行的微波链路与一大串风力涡轮机平行时的反射；在某些特殊情况下，还可能需要空间分集或一些其他方法来降低多径效应和改善微波链路的可靠性。

作者简介

Harvey Lehpamer持有加拿大安大略省经授权的专业工程师电子工程硕士学位。他目前是位于加利福尼亚州圣迭戈的“HL Telecom Consulting”的所有人兼首席工程师。

Harvey Lehpamer是一些技术文章和书籍的作者，包括“传输系统无线网络设计手册”，Artech House，2002年；“微波传输网络——规划、设计和部署”，McGraw-Hill，2004年及2010年第二版。第三本书是“RFID设计原理”，Artech House 2008年出版。

除了为客户提供技术服务，Harvey Lehpamer还在美国加州大学圣地亚哥分校教授微波传输工程课程。

联系：HL_2@Hotmail.com或HarveyLehpamer@HLTelecomConsulting.com

参考文献