Fala to zaburzenie, które przenosi energia przez medium lub przestrzeń z pomijalnym lub zerowym transferem masy. Istnieją różne rodzaje fal, które świadczą wiele różnych rodzajów usług. Fale elektromagnetyczne są szeroko stosowane w aplikacje inżynierskie . Używamy przebiegów w różnych typach aplikacji, takich jak bezprzewodowe Komunikacja , Radar, Eksploracja kosmosu , Morski, radionawigacja, teledetekcja itp. Niektóre z tych zastosowań wykorzystują medium sterowane do wysyłania fal, podczas gdy inne wykorzystują medium niekierowane. W tym artykule dowiedzielibyśmy się, jak właściwości ośrodka wpływają na rozchodzenie się fal i na różne sposoby propagacji fali.

Co to jest propagacja fal? - Definicja

Fale elektromagnetyczne są generowane przez moc wypromieniowaną z przepływu prądu kierowca . W przewodnikach część generowana moc ucieka i rozprzestrzenia się w wolną przestrzeń w postaci Fala elektromagnetyczna , który ma zmienne w czasie pole elektryczne, pole magnetyczne i kierunek propagacji prostopadle względem siebie.

Promieniował z nadajnik izotropowy, fala ta wędruje różnymi drogami, aby dotrzeć do odbiornika. Ścieżka pokonana przez falę, aby przejść od nadajnika i dotrzeć do odbiornika, jest znana jako Propagacja fal.

Propagacja fal elektromagnetycznych (EM) lub radiowych

Kiedy grzejnik izotropowy jest używany do przenoszenie fal EM otrzymujemy sferyczne czoła falowe, jak pokazano na rysunku, ponieważ promieniuje one falami EM równomiernie i jednakowo we wszystkich kierunkach. Tutaj środkiem kuli jest promiennik, a promień kuli R. Oczywiście wszystkie punkty w odległości R leżące na powierzchni kuli mają równe gęstości mocy.

Sferyczny Wavefront

Fale E poruszają się w wolnej przestrzeni z prędkością światła, tj. c = Ale EM fale przechodzą przez inne medium, którego prędkość zmniejsza się. Prędkość fal EM w jakimkolwiek ośrodku innym niż wolna przestrzeń jest określona wzorem,

gdzie c to prędkość światła i względna przenikalność medium.

Fale EM przekazują energię poprzez pochłanianie i reemisję energii fal przez atomy w ośrodku. Atomy pochłaniają energię fal, ulegają drganiom i przekazują energię poprzez reemisję EM o tej samej częstotliwości. Gęstość optyczna ośrodka wpływa na propagację fal elektromagnetycznych.

Równanie propagacji fal

Fale pokonują wiele tras, aby dotrzeć do odbiornika. Wiele parametrów decyduje o ścieżce, jaką przebywa fala, np. Wysokość nadawania i odbioru anteny , kąt startu na końcu nadawczym, częstotliwość pracy polaryzacja itp…

Wiele właściwości fal ulega modyfikacji podczas propagacji, takich jak odbicie, załamanie, dyfrakcja, itp., Z powodu zmian parametrów propagujących mediów, takich jak przewodnictwo, przenikalność, przepuszczalność i właściwości obiektów przeszkadzających.

Generalnie, gdy energia jest wypromieniowywana w wolnej przestrzeni, energia fal może być wypromieniowywana lub absorbowana przez obiekty w ośrodku. Tak więc podczas przesyłania fali przez medium istotne jest, aby obliczyć straty, jakie może spowodować fala. Ta strata nazywa się Utrata transmisji radiowej , który jest oparty na odwrotne prawo kwadratowe optyki i jest obliczany jako stosunek mocy wypromieniowanej do mocy odebranej.

Obwód radiowy Friis Free Space

Ponieważ wiemy, że gdy używany jest nadajnik izotropowy, moc rozkłada się równomiernie, średnią moc można wyrazić w postaci mocy promieniowanej jako:

Kierunkowość anteny testowej jest określona wzorem

Załóżmy, że antena odbiorcza odbiera całą generowaną moc z fal radiowych bez żadnych strat. Niech będzie maksymalną mocą odbieraną przez antenę odbiornika w warunkach dopasowanego obciążenia. Kiedy jest efektywna apertura anteny odbiorczej, możemy napisać jako:

“co to jest technologia bluetooth i jak działa ”

Ogólnie rzecz biorąc, kierunkowość i skuteczność otwór obszar dla każdej anteny jest powiązany jako

Niech będzie kierunkowością anteny odbiorczej. Następnie,

Podstawiając wartość w (3) otrzymujemy,

To równanie jest znane jako podstawowe równanie propagacji w wolnej przestrzeni, znane również jako Świeży równanie wolnej przestrzeni. Czynnik ( λ / 4πr)^dwa nazywana jest utratą ścieżki wolnej przestrzeni, która wskazuje na utratę sygnału. Utratę ścieżki można wyrazić jako

Możemy wyrazić równanie (6) w dB jako,

Otrzymaną moc można wyrazić jako

Który w uproszczeniu podaje się jako:

Tutaj odległość r jest wyrażona w kilometrach, podczas gdy częstotliwość f jest wyrażona w MHz . Wskazuje to na stratę spowodowaną rozprzestrzenianiem się fali, która ma miejsce, gdy rozchodzi się ze źródła.

Rodzaje propagacji fal

Rozchodzenie się fal elektromagnetycznych lub fal radiowych przechodzących przez środowisko ziemi zależy nie tylko od ich właściwości, ale także od właściwości środowiska. Istnieją różne ścieżki propagacji, którymi transmitowane fale mogą dotrzeć do odbiornika. Wszystkie te tryby zależą od częstotliwości pracy, odległości między nadajnikiem a odbiornikiem itp.

Propagacja fal

Nazywa się to falami rozchodzącymi się w pobliżu powierzchni ziemi FALE GRUNTOWE. Ten rodzaj propagacji jest możliwy, gdy zarówno antena nadawcza, jak i odbiorcza są blisko powierzchni ziemi.
Fale naziemne, które przemieszczają się bez odbicia, nazywane są falami bezpośrednimi lub falami kosmicznymi.
Fale naziemne, które rozchodzą się do anteny odbiorczej poprzez odbicie od powierzchni ziemi, nazywane są falami odbiciowymi od ziemi lub falami powierzchniowymi.
Fale, które docierają do anteny odbiorczej w wyniku rozpraszania i odbicia w wyniku jonizacji w górnych warstwach atmosfery, nazywane są falami nieba.
Fale, które są odbijane lub rozpraszane w troposferze przed dotarciem do anteny, nazywane są falami troposferycznymi.

Propagacja fali naziemnej lub powierzchniowej

Fala naziemna przemieszcza się po powierzchni ziemi. Fale te są spolaryzowane pionowo. Tak więc anteny pionowe są przydatne dla tych fal. Jeśli fala spolaryzowana poziomo jest propagowana jako fala gruntowa, ze względu na przewodnictwo ziemi, pole elektryczne fali ulega zwarciu.

Gdy fala naziemna oddala się od anteny nadawczej, zostaje osłabiona. Aby zminimalizować tę stratę, ścieżka transmisji musi przebiegać nad ziemią i mieć wysoką przewodność. Biorąc pod uwagę ten stan, najlepszym przewodnikiem powinna być woda morska, ale zaobserwowano, że duże nagromadzenie wody w stawach, glebie piaszczystej lub kamienistej wykazuje maksymalne straty.

W związku z tym nadajniki o niskiej częstotliwości o dużej mocy, wykorzystujące propagację fal naziemnych, są najlepiej umieszczane na frontach oceanów. Ponieważ straty gruntu rosną szybko wraz z częstotliwością, propagacja ta jest stosowana praktycznie tylko dla sygnałów o częstotliwości do 2 MHz.

W przypadku transmisji na falach średnich, chociaż preferowane są fale naziemne, pewna ilość energii jest przekazywana do jonosfery. Ale w ciągu dnia energia jest całkowicie pochłaniana przez jonosferę, aw nocy jonosfera odbija energię z powrotem na ziemię. Zatem cały sygnał nadawany w ciągu dnia pochodzi wyłącznie z fali naziemnej.

Maksymalny zasięg propagacji fali naziemnej zależy nie tylko od częstotliwości, ale także od mocy nadajnika. Gdy fale naziemne przechodzą przez powierzchnię ziemi, nazywane są również falami powierzchniowymi.

Propagacja SkyWave

Każda długa komunikacja radiowa średnich i wysokich częstotliwości jest prowadzona z wykorzystaniem propagacji fal nieba. W tym trybie odbicie fal elektromagnetycznych ze zjonizowanego obszaru w górnej części atmosfery ziemskiej jest wykorzystywane do transmisji fal na większe odległości.

Ta część atmosfery nazywana jest jonosferą, która znajduje się na wysokości około 70-400 km. Jonosfera odbija fale elektromagnetyczne, jeśli ich częstotliwość mieści się w zakresie od 2 do 30 MHz. Stąd ten sposób propagacji jest również nazywany propagacją fal krótkich.

Możliwe jest wykorzystanie punktu propagacji fali nieba do komunikacji punktowej na duże odległości. Dzięki wielokrotnym odbiciom fal na niebie możliwa jest globalna komunikacja na bardzo duże odległości.

Wadą jest jednak to, że sygnał odbierany przez odbiornik zanika z powodu dużej liczby fal podążających dużą liczbą różnych ścieżek, aby dotrzeć do punktu odbioru.

Propagacja fal kosmicznych

Gdy mamy do czynienia z falami EM o częstotliwości od 30 MHz do 300 MHz, przydatna jest propagacja fal kosmicznych. Tutaj właściwości Troposfera są używane do transmisji.

Działając w trybie propagacji fal kosmicznych, fala dociera do anteny odbiorczej bezpośrednio z nadajnika lub po odbiciu od troposfery, która znajduje się około 16 km nad powierzchnią ziemi. Stąd tryb fal kosmicznych składa się z dwóch składniki .to znaczy. fala bezpośrednia i fala pośrednia .

Chociaż te składowe są transmitowane w tym samym czasie z tą samą fazą, mogą osiągnąć w fazie lub poza fazą ze sobą na końcu odbiornika w zależności od różnych długości ścieżki. Zatem siła sygnału po stronie odbiornika jest wektorową sumą sił fal bezpośrednich i pośrednich.

Przestrzeń propagacja fal tryb jest używany do propagacji bardzo wysokich częstotliwości.

Które z propagacji jest używane w nadawaniu na falach krótkich

Nadawanie na falach krótkich odbywa się zwykle w zakresie częstotliwości 1,7 - 30 MHz. Jak widzieliśmy powyżej, częstotliwości w tym zakresie są propagowane w trybie propagacji Skywave.

W zależności od częstotliwości lub długości fali fale elektromagnetyczne wytwarzają różne wpływy w różnych materiałach i urządzeniach. Stąd różne części widmo elektromagnetyczne są wykorzystywane do różnych zastosowań. Która z propagacji fal Cię intryguje? Zastosowanie którego z trybów propagacji uważasz za trudne.