ΗΜ & Διάδοση ΗΜ Κυμάτων

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα ΗΜ & Διάδοση ΗΜ Κυμάτων Ενότητα 3: Μηχανισμοί Διάδοσης ΗΜ Κυμάτων Σαββαΐδης Στυλιανός Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creatve Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς.

3 Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα» έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 3

4 Σκοποί ενότητας Επισκόπηση των Μηχανισμών Διάδοσης Ηλεκτρομαγνητικών Κυμάτων Ανάκλαση και Διάδοση από επίπεδη διαχωριστική επιφάνεια Περίθλαση και Ζώνες Fresnell Ραδιοζεύξεις και Φαινόμενα Διάδοσης 4

5 Περιεχόμενα ενότητας Μηχανισμοί Διάδοσης Ανάκλαση/Διάθλαση-Μετάδοση Επιπέδου Κύματος Ανάκλαση/Διάθλαση-Μετάδοση Ανάκλαση/Διάθλαση-Μετάδοση Επ. Κύματος (Διηλεκτρικά Μέσα) Ανάκλαση Επιπέδων Κύματος από το έδαφος (Αέρας-Έδαφος) Αρχή του Huygen s για την Περίθλαση Παραδείγματα Περίθλασης Απώλειες Περίθλασης Περίθλαση από μεμονωμένο Αιχμηρό Διάφραγμα Ζώνη Fresnel Απώλειες Περίθλασης 5

6 Μηχανισμοί Διάδοσης ΗΜ Κυμάτων

7 Μηχανισμοί Διάδοσης Διάδοση Ελεύθερου Χώρου (Free Space Propagaton):Διάδοση ενός ΗΜ κύματος σε ένα ομοιογενές, χωρίς απώλειες και άπειρων διαστάσεων μέσο Ανάκλαση (Reflecton):Πρόσπτωση ενός ΗΜ κύματος σε μια ηλεκτρομαγνητικά «μεγάλη» και επίπεδη επιφάνεια και Ανάκλαση σε μια συγκεκριμένη κατεύθυνση (specular drecton) Σκέδαση (Scatterng):Πρόσπτωση ενός ΗΜ κύματος σε μια ηλεκτρομαγνητικά τραχεία επιφάνεια ή ένα αντικείμενο πεπερασμένων διαστάσεων και διάχυση της ΗΜ ισχύος σε περισσότερες από μία κατευθύνσεις Διάθλαση/Σκέδαση (Refracton/Transmsson):Πρόσπτωση ενός ΗΜ κύματος σε μια διαχωριστική επιφάνεια ανάμεσα σε δύο μέσα και Διάδοση και Μετάδοση πέραν της διαχωριστικής επιφάνειας Περίθλαση (Dffracton):Η αλληλεπίδραση ενός ΗΜ κύματος με τις ακμές ή τις κορυφές αντικειμένων 7

8 Ανάκλαση/Διάθλαση-Μετάδοση Επιπέδου Κύματος Το φαινόμενο της Ανάκλασης/ Διάθλασης-Μετάδοσης ενός Επίπεδου Κύματος από μία διαχωριστική επιφάνεια χαρακτηρίζεται από: την Πόλωση του ΗΜ πεδίου τη γωνία πρόσπτωσης τους δείκτες διάθλασης τη συχνότητα E N E P θ θr r E P r E N Δείκτης Διάθλασης n 1 Πρόσπτωση Επιπέδου Κύματος σε Επίπεδη Διαχωριστική Επιφάνεια θ t t E N t E P Δείκτης Διάθλασης n 8

9 Ανάκλαση/Διάθλαση-Μετάδοση Τα χαρακτηριστικά της ανάκλασης και της διάθλασης αποτυπώνονται στους Συντελεστές Ανάκλασης και Διάθλασης και τις αντίστοιχες κατευθύνσεις διάδοσης: R = N E E r N N E R P = E θ = θ, sn( θ ) = r r P P t T = το E αναπαριστά την εν γένει μιγαδική τιμή της έντασης του ηλεκτρικού πεδίου, οι εκθέτες, r, και t το προσπίπτων, ανακλώμενο και διαθλώμενο-μεταδιδόμενο ηλεκτρικό πεδίο. οι εκθέτες N και P αναπαριστούν τα ΗΜ πεδία των οποίων το διάνυσμα του ηλεκτρικού πεδίου είναι κάθετο και παράλληλο στο επίπεδο πρόσπτωσης (=επίπεδο που ορίζεται από την κάθετη στο σημείο πρόσπτωσης και την διαχωριστική επιφάνεια). n n N 1 E E t N N sn( θ ) T = P E E t P P 9

10 Ανάκλαση/Διάθλαση-Μετάδοση Επ. Κύματος (Διηλεκτρικά Μέσα) Οι Συντελεστές Ανάκλασης και Διάθλασης δίνονται από τις ακόλουθες σχέσεις: R N = cosθ cosθ + ( η η ) 1 sn θ ( ) η η1 sn θ R P = ( η η ) cosθ ( η η ) ( η η ) cosθ + ( η η ) sn θ sn θ T N = R N + 1, T P = ( 1 R ) P cos( θ ) cos( θ ) t 10

11 Ανάκλαση Επιπέδων Κύματος από το έδαφος (Αέρας-Έδαφος) Ο συντελεστής Ανάκλασης από το έδαφος δίνεται από την ακόλουθη σχέση: R N = cosθ η sn cosθ + η sn θ θ R P cosθ = cosθ + η η sn sn n είναι ο μιγαδικός συντελεστής διάθλασης του εδάφους θ είναι η γωνία πρόσπτωσης θ / η θ / η 11

12 Αρχή του Huygen s για την Περίθλαση Φαινόμενο Περίθλασης 1

13 Παραδείγματα Περίθλασης Η Περίθλαση ως παράγοντας Απωλειών Η Περίθλαση ως μηχανισμός διάδοσης σε συνθήκες μη οπτικής επαφής (non Lne of Sght, nlos) 13

14 Απώλειες Περίθλασης Το μέγεθος των απωλειών κοντά και πίσω από τα εμπόδια εξαρτάται από: Το ραδιοηλεκτρικό μέγεθος των εμποδίων: όσο πιο μικρό είναι το μήκος κύματος συγκριτικά με τις φυσικές διαστάσεις του εμποδίου, τόσο πιο μεγάλες είναι οι απώλειες περίθλασης. Τη θέση του εμποδίου σχετικά με το ευθεία οπτικής επαφής, ανάμεσα στον πομπό και το δείκτη. Όσο πιο έντονα παρεμβάλλεται το εμπόδιο στην ευθεία οπτικής επαφής τόσο πιο μεγάλες είναι οι απώλειες και ο δείκτης μετακινείται σε περιοχές πιο έντονης ραδιοσκίασης. 14

15 Περίθλαση από μεμονωμένο Αιχμηρό Διάφραγμα Το μοντέλο του μεμονωμένου αιχμηρού διαφράγματος μπορεί να χρησιμοποιηθεί σαν μια μορφή αναπαράστασης εμποδίων, όπως μια στενή γέφυρα, κτήρια κλπ. Όταν οι απώλειες γίνονται σημαντικές (πάνω από 1 db) και μονότονα αυξανόμενες (ν>-0.7), περιγράφονται από τον εξής εμπειρικό τύπο (ITU-R P. 56): όπου η παράμετρος ν ορίζεται ως εξής: J ( ν) = log( ( ν 0.1) ν 0.1)dB Εναλλακτικές Τοπολογίες για την Περίθλαση από μεμονωμένο Αιχμηρό Διάφραγμα ν = h 1 λ d d 15

16 Ζώνη Fresnel O ενδιάμεσος χώρος κυματικής διάδοσης ανάμεσα στον πομπό (Τ) και τον δέκτη (R), μπορεί να υποδιαιρεθεί σε μια οικογένεια ομόκεντρων ελλειψοειδών, που ονομάζονται ελλειψοειδή Fresnel. Κάθε ελλειψοειδές Fresnel έχει εστιακά σημεία T και R, ενώ κάθε σημείο Μ στην επιφάνεια του ικανοποιεί τη σχέση: TM + MR = TR + λ n Γεωμετρική Αναπαράσταση Ζώνης Fresnel 16

17 Απώλειες Περίθλασης Ο πρακτικός κανόνας που χρησιμοποιείται στη σχεδίαση των ραδιοζεύξεων, προκειμένου να αποφευχθούν οι απώλειες περίθλασης, είναι η απουσία εμποδίων στο χώρο που ορίζει η 1η ζώνη Fresnel ή τουλάχιστον το 0.6 της 1ης ζώνης Οι απώλειες για εμπόδια διαφορετικής καμπυλότητας, και για διαφορετικές αποστάσεις του εμποδίου από την οδό διάδοσης. Το R είναι παράγοντας καμπυλότητας δηλ. το R=0 αντιστοιχεί σε ένα αιχμηρό εμπόδιο, ενώ το R=1 σε ένα τέλειο σφαιρικό εμπόδιο. +10 Fresnel Zone Numbers Loss (db) R=0 R=0.3 R= Clearance / Frst Fresnel Zone Απώλειες Περίθλασης 17

18 Τέλος Ενότητας