Κεραίες-Ραδιοζεύξεις-Ραντάρ

Transcript

1 ΕΛΛΗΝΙΚΗ ΔΗΜΟΚΡΑΤΙΑ Ανώτατο Εκπαιδευτικό Ίδρυμα Πειραιά Τεχνολογικού Τομέα Κεραίες-Ραδιοζεύξεις-Ραντάρ Ενότητα: Ραδιοζεύξεις - Ραντάρ Κεφάλαιο 1 Σαββαΐδης Στυλιανός Τμήμα Ηλεκτρονικών Μηχανικών Τ.Ε.

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο Πανεπιστήμιο Αθηνών» 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. 2

3 1.1. Εισαγωγή Μηχανισμοί Διάδοσης Ραδιοκυμάτων Διάδοση Ελεύθερου Χώρου Παράδειγμα Απώλειες Ελεύθερου Χώρου Ατμοσφαιρικά Φαινόμενα Εισαγωγή Ομαλή Ατμοσφαιρική Διάθλαση Παράδειγμα Ομαλή Ατμοσφαιρική Διάθλαση Ανώμαλη Ατμοσφαιρική Διάθλαση και Ανάκλαση Τροποσφαιρική Σκέδαση Απορρόφηση και Σκέδαση λόγω Αερίων και Υδρατμών Εισαγωγή Εξασθένηση λόγω υδρατμών Εξασθένηση λόγω Οξυγόνου Απορρόφηση και Σκέδαση λόγω Βροχής Παράδειγμα Εξασθένηση Βροχόπτωσης και διαθεσιμότητα Ζεύξης 99,99% Παράδειγμα Εξασθένηση Βροχόπτωσης και Διαθεσιμότητα Ζεύξης 99,999% Απορρόφηση και Σκέδαση λόγω Στερεών Σωματιδίων Φαινόμενα Εδάφους Εισαγωγή Περίθλαση Γενικά Περίθλαση από Σφαιρική Γη Περίθλαση από μεμονωμένο Αιχμηρό Διάφραγμα Περίθλαση από μεμονωμένο σφαιρικό εμπόδιο Περίθλαση από δέντρα και δάση Ζώνες Fresnel Παράδειγμα Ζώνη Fresnel και Απώλειες λόγω Περίθλασης Παράδειγμα Κατάλληλη τοποθέτηση των κεραιών για την αποφυγή απωλειών περίθλασης Ανακλάσεις Εδάφους Διαλείψεις Συστήματα Διαφορικής Λήψης

4 1.5. Ποιότητα και Διαθεσιμότητα Ζεύξης Εισαγωγή

5 1.1. Εισαγωγή Σε πολλές τηλεπικοινωνιακές εφαρμογές η ενσύρματη σύνδεση είναι τεχνικά ή/και οικονομικά ανέφικτη/ασύμφορη. Χαρακτηριστικά παραδείγματα αποτελούν οι συνδέσεις με κινητούς χρήστες-οχήματα, οι εκπομπές (broadcast) π.χ. στη ραδιοφωνία και τηλεόραση, η διασύνδεση γεωγραφικά απομονωμένων ή δύσβατων περιοχών (νησιά, ορεινές περιοχές). Σε όλες αυτές τις περιπτώσεις, οι ραδιοζεύξεις συνιστούν ένα εναλλακτικό τρόπο διασύνδεσης. Συγκρίνοντας τα συστήματα ραδιοζεύξεων με τα αντίστοιχα ενσύρματα, από την άποψη της μετάδοσης, είναι προφανές ότι διαφέρουν, στα ακόλουθα σημεία: Το καλώδιο μπορεί να θεωρηθεί σαν ένα μέσο με σαφώς καθορισμένα και σταθερά χαρακτηριστικά. Η επιδόσεις του ενσύρματου μέσου είναι ανεξάρτητες από το περιβάλλον (θέση, ατμοσφαιρικές συνθήκες, μορφολογία εδάφους κλπ) και μπορούν να υπολογισθούν με ασφάλεια, εφόσον είναι γνωστό το υλικό κατασκευής και το μήκος της γραμμής. Μια ραδιοζεύξη θέτει περιορισμούς πχ. οπτικής επαφής ή/και απόστασης μεταξύ πομπού και δέκτη. Παράλληλα, οι επιδόσεις και τα χαρακτηριστικά της μετάδοσης μπορούν να μεταβάλλονται στο χώρο και το χρόνο, ενώ σαφώς εξαρτώνται από την επιλογή τοποθέτησης πομπού-δέκτη, τον τύπο των κεραιών, τις ατμοσφαιρικές συνθήκες, τη μορφολογία του εδάφους και την παρουσία φυσικών εμποδίων. Η μελέτη της διάδοσης των ραδιοκυμάτων αποτελεί ένα από τα πλέον σύνθετα ηλεκτρομαγνητικά προβλήματα. Η διάδοση σε συνθήκες πραγματικού περιβάλλοντος αποτελεί ένα πολυπαραγοντικό σύστημα, το οποίο δεν επιδέχεται αναλυτική επίλυση. Η μελέτη, η κατανόηση και η δυνατότητα σχεδιαστικής παρέμβασης προϋποθέτει την ανάλυσή του σε επιμέρους παράγοντες-φαινόμενα. Η ανάλυση αυτή, δίνει τη δυνατότητα της σύνθεσης των επιμέρους παραγόντων-φαινόμενων, σε διαφορετικούς, κατά περίπτωση, συνδυασμούς στα πραγματικά προβλήματα ραδιοζεύξεων. Σε κάθε περίπτωση, αυτό που μας ενδιαφέρει είναι να μεταφέρεται επαρκής ισχύς από τον πομπό στο δέκτη, έτσι ώστε να είναι δυνατή η «ανάγνωση» του κάθε φορά λαμβανόμενου σήματος με τα λιγότερα δυνατά λάθη. Συνεπώς, ένα από τα πιο κρίσιμα ζητήματα είναι αυτό των αποσβέσεων-απωλειών και της παραμόρφωσης του σήματος, κατά τη διάρκεια της όδευσης από τον πομπό στο δέκτη. Επομένως, για κάθε επιμέρους παράγοντα, που επηρεάζει τη διάδοση ραδιοκυμάτων, είναι σημαντική η κατανόηση του τρόπου με τον οποίο συνεισφέρει είτε στη συσσώρευση των απωλειών είτε σε φαινόμενα παραμόρφωσης του σήματος. Το πλέον απλό μοντέλο μελέτης μιας ραδιοζεύξης, είναι αυτό της διάδοσης στον ελεύθερο χώρο δηλ. σε ένα χώρο άπειρης έκτασης, με ομοιογενή χαρακτηριστικά και μηδενικές απώλειες. Η διάδοση και οι απώλειες σύμφωνα με αυτό το μοντέλο ονομάζονται διάδοση ελεύθερου χώρου και απώλειες ελεύθερου χώρου, αντίστοιχα. Προφανώς, το προηγούμενο μοντέλο δεν είναι επαρκές για τη μελέτη των πραγματικών προβλημάτων, διότι: η γήινη ατμόσφαιρα, που είναι ο χώρος μετάδοσης των ραδιοκυμάτων, δεν είναι ομοιογενής. Για παράδειγμα, ανάλογα με τις μετεωρολογικές συνθήκες (θερμοκρασία, πίεση και υγρασία), παρουσιάζονται 5

6 διαφοροποιήσεις ως προς τη διηλεκτρική επιτρεπτότητα ε της ατμόσφαιρας. Το γεγονός αυτό έχει σαν αποτέλεσμα να παρουσιάζονται φαινόμενα διάθλασης και σε ειδικές περιπτώσεις ακόμη και ανάκλασης ή σκέδασης των ραδιοκυμάτων. Επιπλέον αυτού του γεγονότος, η ατμόσφαιρα περιέχει αέρια, υδρατμούς καθώς και στερεά σωματίδια που μπορούν να προκαλέσουν φαινόμενα εξασθένησης ή και σκέδασης των ραδιοκυμάτων. Επομένως, οι συνθήκες του ομοιογενή χώρου, χωρίς απώλειες, δεν πληρούνται στην πράξη. Κατ επέκταση, το μοντέλο του ελεύθερου χώρου χρήζει διορθώσεων, λαμβάνοντας υπόψη τα πραγματικά χαρακτηριστικά της γήϊνης ατμόσφαιρας και τον ειδικό τρόπο με τον οποίο αυτά επιδρούν στη διάδοση του ραδιοκύματος. ο χώρος διάδοσης κάθε άλλο παρά απεριόριστος είναι, εφόσον η διάδοση πραγματοποιείται πάνω από τη γήινη επιφάνεια, που παρουσιάζει διαφοροποιήσεις ως προς τη μορφολογία της (επίπεδο έδαφος, λόφοι, βουνά, νερό, κτήρια, δέντρα). Η ύπαρξη της γήινης επιφάνειας επιδρά στη διάδοση, διότι εμφανίζονται φαινόμενα ανακλάσεων και περιθλάσεων, που προκαλούν απώλειες και παρεμβολές στο λαμβανόμενο σήμα. Επομένως, το μοντέλο της ελεύθερης διάδοσης χρήζει μιας επιπλέον διόρθωσης, εφόσον ληφθεί υπόψη η επίδραση της γήινης επιφάνειας και των φυσικών ή τεχνικών εμποδίων πάνω της. Το Σχήμα 1.1., συνοψίζει την περιγραφή που προηγήθηκε, συμπεριλαμβάνοντας το βασικό μηχανισμό διάδοσης (διάδοση σε ελεύθερο χώρο), σε συνδυασμό με την επίδραση της ατμόσφαιρας και του εδάφους καθώς και των φαινόμενων που εγείρονται. 6

7 Διάδοση Ελεύθερου Χώρου Επίδραση της Ατμόσφαιράς Διαφοροποιήσεις στο Δείκτη Διάθλασης Διάθλαση Ανάκλαση Σκέδαση Ατμοσφαιρικά Αέρια και Υδρατμοί Απορρόφηση Σκέδαση Στερεά Σωματίδια στην Ατμόσφαιρα Βροχή, Άμμος & Χιόνι Απορρόφηση Σκέδαση Επίδραση του Εδάφους Επιφανειακά Εμπόδια Επιφάνεια Περίθλαση Ανάκλαση/Σκέδαση Σχήμα 1.1. Βασικοί μηχανισμοί και φαινόμενα κατά την διάδοση των ραδιοκυμάτων 1.2. Μηχανισμοί Διάδοσης Ραδιοκυμάτων Διάδοση Ελεύθερου Χώρου Όπως ήδη έχει επισημανθεί, η μελέτη των ραδιοζεύξεων θα εξετασθεί αρχικά στο πλαίσιο της διάδοσης στον ελεύθερο χώρο. Στην πραγματικότητα, το μοντέλο του ελεύθερου χώρου αποτελεί την αφετηρία και στην πορεία θα «διορθώνεται», λαμβάνοντας υπόψη τις επιπλέον συνθήκες διάδοσης. Η μετάδοση ελεύθερου χώρου, είναι αυτή κατά την οποία μεταξύ πομπού και δέκτη δεν μεσολαβεί τίποτε άλλο, ενώ ο ενδιάμεσος χώρος είναι απεριόριστος, διηλεκτρικά ομογενής και δεν παρουσιάζει απώλειες. Οι απώλειες που παρουσιάζονται σε αυτό το μοντέλο είναι οι λιγότερες δυνατές για οποιαδήποτε ζεύξη, και συνήθως ονομάζονται απώλειες ελεύθερου χώρου (free space loss) ή βασικές απώλειες (basic loss). 7

8 Δεδομένου, ότι η μελέτη επικεντρώνεται αποκλειστικά στις απώλειες διάδοσης, ο τύπος της κεραίας είναι αδιάφορος. Με άλλα λόγια, για οποιονδήποτε τύπο κεραίας, οι απώλειες ελεύθερου χώρου είναι ίδιες. Συνεπώς, για λόγους ευκολίας και χωρίς να ακυρώνεται η γενική ισχύς των αποτελεσμάτων, ο πομπός και ο δέκτης θεωρούνται ισοτροπικοί ακτινοβολητές, που λειτουργούν σε συχνότητα f και απέχουν απόσταση d μεταξύ τους. Εάν η κεραία πομπός τροφοδοτείται με ισχύ W t, η ισχύς που λαμβάνει ο δέκτης θα ισούται με το γινόμενο του διανύσματος Poynting (S) στη θέση του δέκτη και της ενεργής επιφάνειάς (Α) του W 2 t λ Wr = S A= (1.1) 2 4πd 4π Ο λόγος της ισχύος του δέκτη και του πομπού δίνει τις απώλειες W d 2 L= = ( 4π ) Wt λ r (1.2) Η έκφραση των απωλειών σε db δίνεται από την ακόλουθη έκφραση L( db ) = 92, 45 20log f ( GHz ) 20logd( km ) (1.3) όπου το μήκος κύματος λ έχει αντικατασταθεί με λ=c/f (c =3x10 8 m/s είναι η ταχύτητα διάδοσης στο κενό ), η συχνότητα f εκφράζεται σε GHz και η απόσταση d σε Km Παράδειγμα Απώλειες Ελεύθερου Χώρου Έστω ραδιοζεύξη μήκους 8 km. Να υπολογιστούν και να συγκριθούν οι απώλειες ελεύθερου χώρου για τις συχνότητες των 10 GHz, 24 GHz, 28 GHz, 38 GHz. Σύμφωνα με τη σχέση (2.3) οι απώλειες ελεύθερου χώρου σε db εκφράζονται ως εξής: Α. 10 GHz L( db ) = 92, 45 20log f ( GHz ) 20log d( km ) = 92, 45 20log10 20log8= = 92, , 06= 130, 51dB B. 24 GHz Γ. 28 GHz Δ. 38 GHz L( db ) = 92, 45 20log 24 20log8= 92, 45 27, 60 18, 06= 138, 11dB L( db ) = 92, 45 20log28 20log8= 92, 45 28, 94 18, 06= 139, 45 db L( db ) = 92, 45 20log38 20log8= 92, 45 31, 6 18, 06= 142, 11dB 8

9 Απώλειες ελεύθερου χώρου συναρτήσει της απόστασης, για συχνότητες f=10, 24, 28, 38 GHz (Alcatel, 2001) Ατμοσφαιρικά Φαινόμενα Εισαγωγή Σε αυτή την ενότητα θα επιχειρηθεί η πρώτη διόρθωση-προσαρμογή του μοντέλου της ελεύθερης διάδοσης, λαμβάνοντας υπόψη τις πραγματικές συνθήκες σε ότι αφορά την ατμόσφαιρα. Στην πραγματικότητα η γήινη ατμόσφαιρα δεν είναι ένας ομογενής διηλεκτρικός χώρος. Η διηλεκτρική επιτρεπτότητα ε=ε ο ε r και πιο συγκεκριμένα η σχετική διηλεκτρική σταθερά ε r, μεταβάλλεται συναρτήσει της πίεσης, της υγρασίας και της θερμοκρασίας. Οι ατμοσφαιρικές συνθήκες και οι παράγοντες αυτοί τροποποιούνται, τόσο στη διάρκεια του χρόνου, όσο και με τη μεταβολή του υψόμετρου. Επομένως, κατά τη διάρκεια της όδευσης, το ραδιοκύμα αντιλαμβάνεται συνεχείς μεταβολές της διηλεκτρικής επιτρεπτότητας. Οι αλλαγές αυτές προκαλούν μια συνεχή διάθλαση του κύματος, που καλείται Ομαλή Ατμοσφαιρική Διάθλαση. Εάν το ραδιοκύμα διαδιδόταν στον ελεύθερο χώρο η τροχιά του θα ήταν μια ευθεία γραμμή που θα ταυτιζόταν με τη γεωμετρική ευθεία μεταξύ πομπού και δέκτη. Στην πράξη, οι συνεχείς μεταβολές της διηλεκτρικής επιτρεπτότητας και οι συνεχείς διαθλάσεις που υφίσταται, προκαλούν καμπύλωση της τροχιάς του. Υπό ορισμένες συνθήκες, αντί των συνεχών μικρών μεταβολών της διηλεκτρικής επιτρεπτότητας, μπορούν να παρατηρηθούν απότομες αλλαγές, που έχουν ως αποτέλεσμα την ανάκλαση των κυμάτων ή και την παγίδευση τους, σε μια ιδιόμορφη περίπτωση ατμοσφαιρικής κυματοδήγησης. Τα ακραίο αυτό φαινόμενο καλείται Ανώμαλη Ατμοσφαιρική Ανάκλαση /Σκέδαση και Διάθλαση. Οι ανομοιογένειες της ατμόσφαιρας, όπως έχουν περιγραφεί παραπάνω, μπορούν να αποτελέσουν το φυσικό μηχανισμό υποστήριξης ζεύξεων πέραν του ορίζοντα. Σε αυτή την περίπτωση, η τροπόσφαιρα χρησιμοποιείται ως 9

10 σκεδαστής, που συνδέει αμοιβαία δύο κεραίες, ακόμη κι αν δεν υπάρχει οπτική επαφή. Το φαινόμενο αυτό καλείται Τροποσφαιρική Σκέδαση. Μάλιστα σε υψηλότερα ακόμη στρώματα της ατμόσφαιρας λόγω ιονισμού των αερίων η λεγόμενη Ιονόσφαιρα λειτουργεί επίσης ανακλαστικά αποτελώντας το φυσικό μηχανισμό υποστήριξης ζεύξεων μεγάλων αποστάσεων (Ιονοσφαιρικές Ζεύξεις). Στην γήινη ατμόσφαιρα υπάρχουν αέρια (Οξυγόνο Ο 2 ) και υδρατμοί, που ανάλογα με τη συχνότητα του κύματος, απορροφούν και σκεδάζουν μικρότερο ή μεγαλύτερο μέρος της μεταφερόμενης ενέργειας. Το ίδιο συμβαίνει όταν κατά μήκος του ράδιο-μονοπατιού παρατηρούνται βροχοπτώσεις, χιονοπτώσεις, ομίχλες ή αμμοθύελλες. Κατά τη διάρκεια αυτών των φαινόμενων, το κύμα αλληλεπιδρά με αυτά τα υδάτινα ή στερεά σωματίδια, με τέτοιο τρόπο ώστε να απορροφάται και να σκεδάζεται μέρος της ενέργειας του. Σε κάθε περίπτωση τα φαινόμενα που οφείλονται, είτε στην παρουσία αεριών, είτε στην παρουσία υδάτινων και στερεών σωματιδίων, γίνονται αντιληπτά στον δέκτη ως απώλειες. Οι απώλειες αυτές πρέπει να λαμβάνονται υπόψη έτσι ώστε να εξασφαλίζεται μια ελάχιστη στάθμη του σήματος στο δέκτη Ομαλή Ατμοσφαιρική Διάθλαση Καθώς τα ραδιοκύματα διαδίδονται στην ατμόσφαιρα δεν αντιλαμβάνονται ένα ομοιογενή χώρο, αλλά αντίθετα ένα χώρο στον οποίο παρουσιάζονται σημαντικές διαφοροποιήσεις ως προς τη διηλεκτρική επιτρεπτότητα. ε = ε ο ε r (1.4) όπου ε ο είναι η διηλεκτρική επιτρεπτότητα στον κενό χώρο και ε r η σχετική διηλεκτρική σταθερά. Στην περιγραφή που ακολουθεί, αντί της διηλεκτρικής επιτρεπτότητας ε, θα υιοθετηθεί, όπως συνηθίζεται στη διεθνή βιβλιογραφία, η χρήση του δείκτη διάθλασης n= εr και της διαθλαστικότητας Ν=(n-1) Η μεταβολή του δείκτη διάθλασης n οφείλεται στα μετεωρολογικά δεδομένα τα οποία χαρακτηρίζουν τη γήινη ατμόσφαιρα. Η ατμοσφαιρική πίεση, η θερμοκρασία και η υγρασία μειώνονται με την αύξηση του υψόμετρου και γενικά μεταβάλλονται στη διάρκεια του χώρου αλλά και ανάλογα με τη γεωγραφική θέση. Η τιμή του δείκτη διάθλασης εκφράζει την επίδραση αυτών των τριών ατμοσφαιρικών παραμέτρων. Όταν ο δείκτης διάθλασης μειώνεται συνεχώς και σταθερά, με την αύξηση του υψόμετρου, η αλληλεπίδραση του κύματος με την ατμόσφαιρα είναι σχετικά ήπια και παρατηρούνται φαινόμενα διάθλασης (και όχι σκέδασης ή ανάκλασης). Υπό αυτή την έννοια η βαθμιαία μεταβολής του n και το φαινόμενο της διάθλασης του κύματος ονομάζεται Ομαλή Ατμοσφαιρική Διάθλαση. Η παραδοχή της σταθερής γραμμικής μεταβολής του δείκτη διάθλασης αποτελεί ικανοποιητική προσέγγιση για τα χαμηλότερα στρώματα της ατμόσφαιρας (περίπου κάτω από τα 1000 μέτρα). Σε μεγαλύτερα ύψη, η μεταβολή του n παρουσιάζει εξάρτηση εκθετικού τύπου. Στην παρούσα 10

11 ενότητα, θα εξετασθεί η πρώτη περίπτωση, διότι αυτή αποτελεί καλή προσέγγιση για επίγειες ζεύξεις. Εφόσον τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα διαδίδονται ταχύτερα σε μέσα με χαμηλότερη δείκτη διάθλασης, το τμήμα του μετώπου του κύματος στην «αραιότερη» περιοχή (χαμηλότερο n) έχει την τάση να κινείται με μεγαλύτερη ταχύτητα, από ότι το τμήμα που βρίσκεται στην «πυκνότερη» περιοχή (υψηλότερο n). Το γεγονός αυτό προκαλεί μια κάμψη της πορείας του κύματος από τα αραιότερα προς τα πυκνότερα στρώματα. Στο ίδιο συμπέρασμα μπορεί κανείς να καταλήξει, αν υποθέσει ότι η ατμόσφαιρα αποτελείται από στρώματα με σταθερό δείκτη διάθλασης στην οριζόντια κατεύθυνση και γραμμική μεταβολή κατά την κατακόρυφη κατεύθυνση. Λόγω της βαθμιαίας αυτής μεταβολής του n, το κύμα υφίσταται συνεχείς διαθλάσεις, σύμφωνα με το νόμο του Snell. Συνεπώς, παρουσιάζει την τάση να απομακρύνεται από την περιοχή της αραιότερης ατμόσφαιρας προς την πυκνότερη, ακολουθώντας τελικά μια καμπύλη τροχιά αντί της ευθύγραμμης. Α Β Σχήμα 1.2. Καμπύλωση της τροχιάς λόγω ομαλής ατμοσφαιρικής διάθλασης (Eurocom, 1998) Πλέον είναι φανερό ότι η οπτική επαφή κατά μήκος της γεωμετρικής ευθείας μεταξύ πομπού και δέκτη, δεν ταυτίζεται με την πραγματική τροχιά του κύματος. Το γεγονός αυτό πρέπει να ληφθεί υπόψη, διότι λόγω της κάμψης τα αντικείμενα που βρίσκονται κοντά στην ευθεία της οπτικής επαφής μπορούν να πλησιάσουν επηρεάζοντας την ζεύξη δημιουργώντας, είτε φαινόμενα περίθλασης (Σχήμα 1.2. (Α)) είτε μπλοκαρίσματος (Σχήμα 1.2. (Β)). Είναι προφανές ότι η καμπύλωση μπορεί να λειτουργήσει και ευνοϊκά, απομακρύνοντας τα εμπόδια από την τροχιά διάδοσης του κύματος, διευρύνοντας έτσι το ραδιοηλεκτρικό ορίζοντα της ζεύξης. Προκειμένου να αποφευχθούν τέτοιου είδους φαινόμενα, που οδηγούν σε εξασθένηση ή μηδενισμό του σήματος στο δέκτη, είναι αναγκαίος ο προσδιορισμός της καμπύλης τροχιάς του κύματος. Εάν υποτεθεί, ότι η καμπύλη τροχιά του κύματος αποτελεί τόξο ενός νοητού κύκλου με ακτίνα ρ, τότε αυτή η ακτίνα (ρ) ονομάζεται καμπυλότητα της τροχιάς. Εάν, τέλος, η γήινη ατμόσφαιρας χωριστεί σε επάλληλα ομόκεντρα σφαιρικά στρώματα, που απέχουν απόσταση dh και ο δείκτης διάθλασης τους διαφέρει κατά dn, μπορεί να αποδειχθεί ότι η καμπυλότητα ρ δίνεται προσεγγιστικά από τον ακόλουθο τύπο: 1 ρ (1.5) ( dn / dh ) Ο δείκτης διάθλασης n δίνεται από τον ακόλουθο τύπο 11

12 6 = 1+ N 10 n (1.6) όπου Ν είναι η διαθλαστικότητα και εκφράζεται συναρτήσει της ατμοσφαιρικής πίεσης P (mb), της απόλυτης θερμοκρασίας T σε ο Κ (=273+ ο C) και της υγρασίας e (μb) e N = P T T (1.7) Η παράγωγος dn/dh μπορεί να υπολογιστεί από τις σχέσεις (1.6) και (1.7). Συνήθως οι υπολογισμοί γίνονται για την αποκαλούμενη πρότυπη ατμόσφαιρα, όπου dn/dh είναι σταθερή και επομένως ο δείκτης διάθλασης μεταβάλλεται γραμμικά με το ύψος h. H τιμή της παραγώγου για μια σειρά από μέσες τιμές των ατμοσφαιρικών παραμέτρων (P, Τ και e) είναι dn m dh (1.8) Αντικαθιστώντας την σχέση (1.8) στην σχέση (1.5) προκύπτει η καμπυλότητα της τροχιάς ρ όπου α=6, είναι η ακτίνα της γής. 6 ρ = m 4α (1.9) Σε αυτό το σημείο πρέπει να σημειωθεί ότι η καμπυλότητα ρ αλλάζει τόσο στη διάρκεια του μέρας, του μήνα κλπ όσο και ανάλογα με τη τοποθεσία. Η τιμή που υπολογίστηκε στη σχέση (1.9), είναι μια μέση τιμή, που αντιστοιχεί σε στατιστικές μέσες τιμές για τις ατμοσφαιρικές παραμέτρους. Από αυτή την άποψη η πλήρης μελέτη μιας ραδιοζεύξης προϋποθέτει τη συλλογή στατιστικών στοιχείων για τις τιμές του δείκτη διάθλασης n και της παράγωγου του dn/dh. Τα στοιχεία αυτά δίνονται συνήθως στο όνομα της διαθλαστικότητας Ν και της παραγώγου του dn/dh μέσω εμπειρικών τύπων και στατιστικών μετρήσεων για τις διάφορες γεωγραφικές ζώνες (Σχήμα 1.3.). Σχήμα 1.3. Τιμές της παραγώγου dn/dh συναρτήσει της χρονικής πιθανότητας να παρουσιαστούν (Eurocom, 1998). Είναι προφανές ότι ο σχεδιασμός της καμπύλης τροχιάς του κύματος δεν είναι ιδιαίτερα εύχρηστη προσέγγιση, προκειμένου να ελεγχθεί η παρεμβολή εμποδίων κλπ. Στην κατεύθυνση της απλοποίησης των υπολογισμών, 12

13 συνήθως, χρησιμοποιείται ένας μετασχηματισμός, που επιτρέπει να θεωρηθεί η τροχιά του κύματος ευθύγραμμη. Ο εν λόγω μετασχηματισμός υποκαθιστά την κάμψη της τροχιάς του κύματος, με την ισοδύναμη τροποποίηση την καμπυλότητα της γης (ενεργός γη), έτσι ώστε η τροχιά του κύματος να φαίνεται ευθύγραμμη (Σχήμα 1.4). Το νέο δεδομένο που εισάγει ο μετασχηματισμός είναι ότι αλλάζοντας την καμπυλότητα της γης αλλάζει και το ύψος το ενδιάμεσων εμποδίων. Αν μειώνεται η καμπυλότητα της ενεργής γης, τότε τα ενδιάμεσα εμπόδια «βυθίζονται» και απομακρύνονται από την ευθύγραμμη τροχιά. Αντίθετα, όταν αυξάνεται η καμπυλότητα της ενεργής γης, τότε τα ενδιάμεσα εμπόδια «ανυψώνονται» και πλησιάζουν την ευθύγραμμη τροχιά. Συνοψίζοντας λοιπόν, αντί να πλησιάζει/απομακρύνεται η καμπύλη τροχιά στα εμπόδια, σύμφωνα με το μετασχηματισμό, πλησιάζει/απομακρύνεται η ενεργή γη και τα εμπόδια πάνω σε αυτή, στην ευθύγραμμη πλέον τροχιά. Σχήμα 1.4. Μετασχηματισμός Ενεργούς Γής (α) καμπύλη τροχιά πάνω από την πραγματική γή (ακτίνα Ro) μεταξύ πομπού-δέκτη που απέχουν απόσταση d (μήκος κυκλικού τόξου γής) (β) ισοδύναμη ευθύγραμμη τροχιά, πάνω από την ενεργό γή (ακτίνας Re), όπου πομπός και δέκτης απέχουν απόσταση d (μήκος κυκλικού τόξου ενεργού γής) (γ) ισοδύναμη ευθύγραμμη τροχιά, πάνω από ισοδύναμη γη, όπου ο πομπός και δέκτης απέχουν οριζόντια απόσταση d (Eurocom, 1998). Το ερώτημα που τίθεται σε αυτό το σημείο είναι: ο προσδιορισμός της σχέσης ανάμεσα στην καμπυλότητα 1/ρ=-1/(dn/dh) της τροχιάς του κύματος και την καμπυλότητα 1/R e της ενεργής γης. Εφόσον, ο δείκτης διάθλασης έχει σταθερή γραμμική εξάρτηση από το ύψος μπορούμε να θεωρήσουμε μια υποθετική γη με ενεργό ακτίνα R e =kα για την οποία ισχύει ότι: dn 1 = = + = (1.10) kα α ρ α dh όπου k είναι ο συντελεστής της ενεργής ακτίνας της γης. Ουσιαστικά η (1.10) αποτελεί τη συνθήκη, έτσι ώστε ένα κύμα που διαδίδεται σε καμπύλη τροχιά πάνω από τη γη ακτίνας α, να είναι ισοδύναμο R e 13

14 με ένα κύμα που διαδίδεται ευθύγραμμα πάνω από μια υποθετική γη ακτίνας kα. Λύνοντας την (1.10) ως προς τον συντελεστή k προκύπτει η ακόλουθη σχέση 1 1 k = = (1.11) dn α 1+ α 1 dh ρ Για συνθήκες πρότυπης ατμόσφαιρας δηλ. ρ=4α, ο συντελεστής k έχει την τιμή 4/3 και η ακτίνα της ενεργής γης είναι R e =kα=(4/3)α. Για k=1, η ενεργή ακτίνα της γης είναι ίση με την πραγματική και επομένως η πραγματική τροχιά του κύματος είναι ευθύγραμμη. Για k>1, η καμπυλότητα της ενεργής γης είναι μικρότερη της πραγματικής γεγονός που υποδεικνύει ότι η καμπύλωση της πραγματικής τροχιάς έχει καθοδική φορά πλησιάζοντας τον δέκτη. Για k=, η γη γίνεται επίπεδη και αυτό αντιστοιχεί σε μια φυσική τροχιά παράλληλη με το (καμπύλο) έδαφος. Τέλος, για k<1, η καμπυλότητα της ενεργής γης είναι μεγαλύτερη της πραγματικής γεγονός που υποδεικνύει, ότι η καμπύλωση της πραγματικής τροχιάς έχει ανοδική φορά πλησιάζοντας προς τον δέκτη (Σχήμα 1.5). Usual Δh Ideal Abnormal but not impossible Σχήμα 1.5. Καμπύλωση της τροχιάς του κύματος συναρτήσει του παράγοντα k (Eurocom, 1998) Όπως ήδη έχει επισημανθεί, ο μετασχηματισμός της ενεργής γης (ακτίνας R e =kα) τροποποιεί την καμπυλότητα της γης και κατ επέκταση βυθίζει ή ανυψώνει τα εμπόδια που βρίσκονται ανάμεσα στον πομπό και το δέκτη. Συνεπώς, κατά τη σχεδίαση μιας ραδιοζεύξης, είναι κρίσιμο να προσδιορισθεί η καμπυλότητα της ενεργού γης και κατ επέκταση η υψομετρική θέση του κάθε εμποδίου επάνω σε αυτή. Σύμφωνα με το Σχήμα 1.6. η ανύψωση d της ενεργού γης από την «επίπεδη γη», σε οριζόντια απόσταση d 1 (d 2 ) από τον πομπό (δέκτη), δίνεται από τη σχέση 0,078d d d( d d 1 2 1, 2) = (1.12) k όπου d 1 και d 2 υπολογίζονται σε χιλιόμετρα (km) ενώ το d σε μέτρα (m). Προφανώς για k=1, η ανύψωση d ( d1, d2) = 0, 078d1d 2 αντιστοιχεί στη φυσική καμπύλωση της γης. Αυτή ακριβώς η φυσική καμπύλωση τροποποιείται λόγω ατμοσφαιρικής διάθλασης, όπως δείχνει η σχέση (1.12). Συνεπώς, εάν ένα εμπόδιο βρίσκεται σε ύψος h εμπ από την επιφάνεια της θάλασσας (γής) τότε το ύψος του με σημείο αναφοράς την «επίπεδη γη» είναι 0,078d d h( k) = h εµπ (1.13) k 14

15 Επομένως όταν ο συντελεστής k λαμβάνει τιμές διαφορετικές του k=1 (ευθύγραμμη διάδοση) η τροχιά του κύματος ή ισοδύναμα το ύψος των εμποδίων μεταξύ πομπού και δέκτη μεταβάλλονται κατά. 1 1 h( τροχιας ) = 0,078d1d 2 1 h( εµποδίου) = 0,078d1d 2 1 (1.14) k k Για k>1, η μεταβολή σύμφωνα με τη σχέση (1.13) είναι Δh>0 δηλ. η τροχιά ανυψώνεται. Ισοδύναμα, αυτό σημαίνει ότι τα εμπόδια απομακρύνονται από τη γεωμετρική ευθεία πομπού-δέκτη δηλ. η μεταβολή του υψομέτρου των εμποδίων είναι Δh<0 και συνεπώς αυτά βυθίζονται. Συνοψίζοντας, για k>1, ο ραδιοηλεκτρικός ορίζοντας επεκτείνεται και η οπτική επαφή βελτιώνεται, σε ότι αφορά τα ενδιάμεσα εμπόδια. Για k<1, η μεταβολή είναι Δh<0 δηλ. η τροχιά κάμπτεται προς τα κάτω. Ισοδύναμα αυτό σημαίνει ότι τα εμπόδια πλησιάζουν τη γεωμετρική ευθεία πομπού-δέκτη δηλ. η μεταβολή του υψομέτρου των εμποδίων είναι Δh>0 και συνεπώς αυτά ανυψώνονται. Σε αυτή την περίπτωση, ο ραδιοηλεκτρικός ορίζοντας μειώνεται και η οπτική επαφή επιβαρύνεται σε ότι αφορά τα ενδιάμεσα εμπόδια. Σχήμα 1.6. Καμπυλότητα Ενεργού Γης (Eurocom, 1998) Παράδειγμα Ομαλή Ατμοσφαιρική Διάθλαση Έστω ραδιοζεύξη σε απόσταση 30 Km, με τις κεραίες πομπού και δέκτη τοποθετημένες σε υψόμετρο 100 και 150 μέτρων (από την επιφάνεια της θάλασσας), αντίστοιχα. Σε απόσταση 25 Km υπάρχει φυσικό εμπόδιο ύψους 120 μέτρων. Να διερευνηθεί η πιθανότητα αλληλεπίδρασης του εμποδίου με το οδεύον κύμα για τις εξής τιμές του παράγοντα k. Α. k=4/3 που θεωρείται μια μέση φυσιολογική τιμή. Σύμφωνα με την προσέγγιση της ενεργής γης, για k=4/3, το ύψος του εμποδίου ως προς την επίπεδη γη θα είναι 0,078d ( ) ( ) 1 d h επ ίπεδη γη = h θάλασσα + 2 = ,33 = 127,33 μέτρα k Η ευθεία γραμμή που ενώνει τον πομπό και τον δέκτη έχει κλίση που ορίζεται από την εφαπτομένη της γωνίας θ ( ύψοςδέκτη) ( ύψοςποµπού) 50 3 εφθ = = = 1,67 10 ( µ ήκος ζεύξης )

16 Επομένως σε απόσταση d=25 km η ευθεία που ενώνει πομπό και δέκτη θα βρίσκεται σε υψόμετρο 3 h = h( ποµπού) + εφθ συγκριτικά με την επίπεδη γη. 3 3 = , = 141,67 μέτρα. Σχήμα 1.7. Ισοδύναμο Ραδιομονοπάτι για ενεργή γη με k=4/3. Το Σχήμα 1.7 αναπαριστά γραφικά τους υπολογισμούς που προηγήθηκαν, σύμφωνα με την προσέγγιση της ενεργής γης. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, η όδευση του κύματος θεωρείται ευθύγραμμη Το Σχήμα 1.8. αναπαριστά γραφικά μια εναλλακτική αλλά ισοδύναμη προσέγγιση. Σύμφωνα με αυτή την προσέγγιση, σχεδιάζεται η καμπύλωση στην όδευση του κύματος, ενώ ως προς το ύψος των εμποδίων λαμβάνεται υπόψη μόνο η φυσική καμπυλότητα της γης ( d = 0,078d1d 2 ). Αξίζει να σημειωθεί ότι, για k=4/3>1, η τροχιά του ραδιοκύματος καμπυλώνει προς τα πάνω. Σχήμα 1.8. Φυσική τροχιά ραδιοκύματος για k=4/3. Η αλληλεπίδραση που παρουσιάζει το κύμα με διάφορα φυσικά εμπόδια, δεν περιορίζεται μόνο στην ακραία περίπτωση, όπου το εμπόδιο παρεμβάλλεται στην τροχιά. Ακόμη και όταν το φυσικό εμπόδιο δεν παρεμβάλλεται στην γραμμή οπτικής επαφής αλλά βρίσκεται πολύ κοντά σε αυτή, παρουσιάζονται φαινόμενα αλληλεπίδρασης και απώλειες. Τα φαινόμενα της αλληλεπίδρασης περιλαμβάνονται στον φαινόμενο της περίθλασης και το εύρος των απωλειών εξαρτάται από τη συχνότητα της ραδιοζεύξης. Το φαινόμενο της περίθλασης θα μελετηθεί εκτενώς στην ενότητα

17 Τα σχήματα του παραδείγματος έχουν σχεδιαστεί για τη συχνότητα λειτουργίας των 5 GHz, και η ελλειψοειδής ζώνη (ζώνη Fresnel) που σχεδιάζεται ορίζει την περιοχή της αλληλεπίδρασης. Στην περίπτωση του k=4/3 φυσικό εμπόδιο βρίσκεται στο όριο της ζώνης Fresnel και επομένως η αλληλεπίδραση είναι αμελητέα. Β. k=2/3 που θεωρείται μια τυπική δυσμενής τιμή. Όταν ο παράγοντας k λαμβάνει την τιμή 2/3, η μεταβολή του ύψους του εμποδίου, συγκριτικά με την επίπεδη γη, δίνεται από τη σχέση (1.12). 0,078d1 d2 0, d = = = 14,6 μέτρα k 2/3 Συνεπώς η μεταβολή του ύψους του εμποδίου είναι διπλάσια συγκριτικά με την περίπτωση, όπου το k λαμβάνει την τιμή 4/3. Το ύψος του εμποδίου ως προς την επίπεδη γη είναι 134,6 μέτρα. Τα Σχήματα είναι τα αντίστοιχα των Σχημάτων , αλλά για k=2/3. Αξίζει δε να σημειωθεί, ότι η τροχιά του ραδιοκύματος καμπυλώνει ελαφρά προς τα κάτω. Σχήμα 1.9. Ισοδύναμο Ραδιομονοπάτι για ενεργή γη με k=2/3. Σχήμα Φυσική τροχιά ραδιοκύματος για k=2/3. Σύμφωνα με τα Σχήματα , η κορυφή του εμποδίου βρίσκεται πολύ κοντά στην τροχιά του κύματος και εντός της ζώνης αλληλεπίδρασης. Συνεπώς, εάν δεν τροποποιηθούν τα δεδομένα της ζεύξης (πχ. να αλλάξουν τα ύψη του πομπού και του δέκτη) η ζεύξη θα παρουσιάζει απώλειες λόγω περίθλασης. Οι εν λόγω απώλειες πρέπει να συνυπολογιστούν, έτσι ώστε να εξασφαλισθεί ένα επαρκές επίπεδο λαμβανόμενης ισχύος στο δέκτη. Γ. k=1/3 που θεωρείται μια εξαιρετικά δυσμενής τιμή 17

18 Στην περίπτωση κατά την οποία ο παράγοντας k λαμβάνει την τιμή 0,33, η μεταβολή του ύψους του εμποδίου είναι σημαντική και δυσμενής. Πρέπει όμως να σημειωθεί ότι η τιμή k=0,33, είναι εξαιρετικά σπάνια και δεν χρησιμοποιείται στην πράξη. Το Σχήμα 2.3 δίνει πρακτικά μηδενική πιθανότητα εμφάνισης αυτής της τιμής. Στο συγκεκριμένο παράδειγμα εξετάζεται για καθαρά εκπαιδευτικούς σκοπούς. Η μεταβολή του ύψους του εμποδίου, συγκριτικά με την επίπεδη γη, δίνεται από τη σχέση (1.12). 0,078d1 d2 0, d = = = 29,2 m k 1/ 3 Η ραδιοηλεκτρική μεταβολή του ύψους του εμποδίου είναι τριπλάσια, συγκριτικά με την ατμόσφαιρα k=4/3, και το συνολικό του ύψος 149,2 μέτρα. Στην περίπτωση αυτή το φυσικό εμπόδιο παρεμβάλλεται στην γραμμή οπτικής επαφής. Τα Σχήματα είναι τα αντίστοιχα των Σχημάτων Αξίζει να παρατηρηθεί, ότι για k=1/3<1 η τροχιά του ραδιοκύματος καμπυλώνει έντονα προς τα κάτω. Στην περίπτωση του k=1/3 παρουσιάζεται η ακραία περίπτωση της απώλειας της οπτικής επαφής που ισοδυναμεί με ένα απαγορευτικό ύψος απωλειών για υψίσυχνα κύματα. Σχήμα Ισοδύναμο Ραδιομονοπάτι για ενεργή γη με k=1/3. Σχήμα Φυσική τροχιά ραδιοκύματος για k=1/ Ανώμαλη Ατμοσφαιρική Διάθλαση και Ανάκλαση 18

19 Κάτω από ορισμένες προϋποθέσεις, οι τιμές του δείκτη διάθλασης παρουσιάζουν απότομες μεταβολές, καθώς παρουσιάζονται διαταραχές κατά τις οποίες αραιότερα στρώματα (χαμηλός δείκτης διάθλασης) εμφανίζονται σε χαμηλά ύψη κάτω από πυκνότερα (υψηλός δείκτης διάθλασης). Οι διαταραχές αυτές οφείλονται σε αντίστοιχες μετεωρολογικές διαταραχές, οι οποίες προκαλούν αναστροφές στη θερμοκρασία και την υγρασία. Αυτού του είδους τα φαινόμενα αποτελούν την αιτία για μια σειρά σύνθετων φαινόμενων διάδοσης όπως η πολύοδη διάδοση (multipath propagation), η αποεστίαση του κύματος (defocusing) και κυματοδήγηση (ducting). Τα φαινόμενα αυτά, στο σύνολο τους, συμπεριλαμβάνονται στον όρο Ανώμαλη Ατμοσφαιρική Διάθλαση και Ανάκλαση. Αξίζει να σημειωθεί, ότι στην προηγούμενη ενότητα, όπου μελετήθηκε η ομαλή ατμοσφαιρική διάθλαση, είχαμε υποθέσει μια ομαλή και συνεχή μείωση του δείκτη διάθλασης καθώς αυξάνει το υψόμετρο. Προκειμένου να μελετηθούν τα φαινόμενα της ανώμαλης ατμοσφαιρικής διάθλασης/ανάκλασης, αντί του δείκτη διάθλασης n ή της διαθλαστικότητας Ν, χρησιμοποιείται μια συγγενής βοηθητική παράμετρος που καλείται τροποποιημένη διαθλαστικότητα Μ(h) M ( h) = N( h) + 157h (1.15) Η τροποποιημένη διαθλαστικότητα, στην περίπτωση της ομαλής διάθλασης, μειώνεται (k>1) ή αυξάνεται (k<1, σπάνιο αλλά δυνατό), με την αύξηση του ύψους και επομένως αναπαρίσταται ως μια ευθεία με αρνητική ή θετική κλίση, αντίστοιχα. Στο Σχήμα 1.13 περιγράφονται τα φαινόμενα που παρατηρούνται όταν η τροποποιημένη διαθλαστικότητα M(h) αποκλίνει από το απλό γραμμικό προφίλ. Τα φαινόμενα κατηγοριοποιούνται ως εξής (α) Παγίδευση ή Κυματοδήγηση (trapping, duct propagation): Σε αυτή την περίπτωση, ο συνδυασμός πυκνότερων και αραιότερων στρωμάτων μπορεί να παγιδεύσει το κύμα. Αυτό συμβαίνει, διότι το κύμα μέσω διαδοχικών ανακλάσεων στα όρια του πυκνού στρώματος, παρουσιάζει τα χαρακτηριστικά μιας ιδιόμορφης κυματοδήγησης. Εάν αυτή η παγίδευση, κατά τη διεύθυνση του στρώματος, δεν οδηγεί στον δεκτή είναι προφανές ότι ο τελευταίος αντιλαμβάνεται μηδενισμό του σήματος. Το φαινόμενο της παγίδευσης μπορεί να είναι και επιφανειακό (surface ducting) δηλ μπορεί να παρατηρηθεί παγίδευση με διαδοχικές ανακλάσεις μεταξύ ενός ατμοσφαιρικού στρώματος και της επιφάνειας της γης. (β)(γ)(δ) Πολύοδη Διάδοση (multipath propagation): Σε αυτή την περίπτωση, ανάλογα με την διεύθυνση διάδοσης των «ακτινών» του κύματος και την αλληλεπίδραση με ατμοσφαιρικά στρώματα τα οποία χαρακτηρίζονται από σημαντικές μεταβολές της τροποποιημένης διαθλαστικότητας, προκύπτουν διαφορετικές καμπύλες τροχιές. Υπό συνθήκες, ο δέκτης μπορεί να λάβει σήμα μέσω πολλών οδών διάδοσης. Το φαινόμενο είναι σημαντικό, διότι λόγω του διαφορετικού μήκους όδευσης, τα επιμέρους σήματα μπορούν να φτάνουν με διαφορά φάσης και με μια χρονική υστέρηση, ώστε να παρουσιάζονται 19

20 φαινόμενα εξασθένησης (multipath fading, Πολύοδη Διάλειψη) ή και παραμόρφωσης του σήματος (Signal Distortion). (ε) (στ) Αποεστίαση (Defocusing or Black out phenomenon): Σε αυτή την περίπτωση η ύπαρξη ενός αραιότερου στρώματος πάνω από ένα πυκνότερο στρώμα έχει την τάση να αλλάζει απότομα τη διεύθυνση διάδοσης του (αντί της βαθμιαίας μεταβολής που έχει συζητηθεί έως αυτό το σημείο). Σε αυτή την περίπτωση, το κύμα αποεστιάζεται από τη κατεύθυνση που βρίσκεται ο δέκτης. Συνεπώς για όσο χρονικό διάστημα διατηρούνται αυτού του τύπου οι ατμοσφαιρικές συνθήκες ο δέκτης δεν λαμβάνει σήμα από τον πομπό. α β γ δ ε στ Σχήμα Φαινόμενα Ανώμαλης Διάθλασης συναρτήσει της τροποποιημένης διαθλαστικότητας Μ(h) (α) παγίδευση ή κυματοδήγηση (β)(γ)(δ) Πολύοδη Διάδοση (ε)(στ) Αποεστίαση (Eurocom, 1998) Τροποσφαιρική Σκέδαση Στην περιοχή της τροπόσφαιρας παρουσιάζονται στρώματα, πάχους κάποιων δεκάδων μέτρων και μήκους κάποιων χιλιομέτρων, των οποίων ο δείκτης διάθλασης διαφέρει σημαντικά από τον υπόλοιπο χώρο. Η απότομη μεταβολή του δείκτη διάθλασης, στα όρια αυτών των στρωμάτων, τους προσδίδει σημαντικές ανακλαστικές ιδιότητες. Αυτού του τύπου η ανομοιογένεια του δείκτη διάθλασης, δημιουργεί κέντρα σκέδασης της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στην ατμόσφαιρα. Εφόσον, αυτοί οι τρισδιάστατοι σκεδαστές, βρεθούν εντός του κοινού όγκου που ορίζουν οι δέσμες εκπομπής και λήψης δύο κεραιών (Σχήμα 1.14), είναι δυνατή η πέραν του ορίζοντα ζεύξη, μέσω του μηχανισμού της σκέδασης (scattering). Το φαινόμενο καλείται τροποσφαιρική σκέδαση (tropospheric scattering) και μπορεί να υποστηρίξει ζεύξεις σε αποστάσεις έως και km 20

21 Σχήμα Τροποσφαιρική Σκέδαση (Eurocom, 1998) Μια προσέγγιση της ισχύος του λαμβανόμενου σήματος δίνει μείωση ανάλογη με την 7 η ή 8 η δύναμη της απόστασης. Ένας άλλος προσεγγιστικός τύπος για τη μείωση είναι ο εξής: σε απόσταση 150 km, η μείωση είναι περίπου 57 db κάτω από τις απώλειες του ελεύθερου χώρου ενώ για αποστάσεις πάνω από 150 km οι απώλειες αυξάνουν 0,08 db/km. Οι προηγούμενες διαπιστώσεις δίνουν απλώς μια ποιοτική περιγραφή των απωλειών, διότι στην πραγματικότητα, εκτός της απόστασης, υπάρχουν και άλλοι οι παράμετροι που επηρεάζουν τις απώλειες. Συνοπτικά μπορούν να αναφερθούν οι εξής παράμετροι: Η διαφορά του δείκτη διάθλασης Δn, ανάμεσα στο ατμοσφαιρικό στρώμα που λειτουργεί σαν σκεδαστής και τον υπόλοιπο χώρο. Είναι προφανές, ότι όσο πιο μεγάλη τιμή λαμβάνει το Δn, τόσο πιο ισχυρά ανακλαστικά λειτουργεί το τροποσφαιρικό στρώμα και επομένως, τόσο πιο μεγάλο τμήμα της εκπεμπόμενης ισχύος σκεδάζεται προς το δέκτη. Η εξάρτηση από τον δείκτη διάθλασης εξηγεί τις εποχιακές διακυμάνσεις στη στάθμη του σήματος καθώς και τις τυχαίες διαλείψεις. Η συχνότητα λειτουργίας της τροποσφαιρικής ζεύξης f. Οι απώλειες αυξάνουν με την αύξηση της συχνότητας και από αυτή την άποψη, η πλέον χρήσιμη ζώνη φαίνεται να περιλαμβάνει συχνότητες μεταξύ 100 MHz έως και 10 GHz. Το κέρδος G των κεραιών εκπομπής και λήψης. Συνήθως, χρησιμοποιούνται κεραίες υψηλού κέρδους/κατευθυντικότητας με παραβολικά κάτοπτρα διαμέτρου έως και 50 λ. Η εμφάνιση «βαθιών» διαλείψεων (deep fading), με επιλεκτικότητα ως προς τη συχνότητα (selective fading) καθιστά αναγκαία τη χρήση συστημάτων διαφορικής λήψης (ενότητα ). Λόγω του επιλεκτικού χαρακτήρα της διάλειψης, ως προς τη συχνότητα, η διαφορική λήψη συχνότητας (frequency diversity) είναι συνηθισμένη. Τέλος, εάν τίθενται ζητήματα οικονομίας στο διαθέσιμο φάσμα συχνοτήτων, μπορούν να χρησιμοποιηθούν και άλλες τεχνικές διαφορικής λήψης, όπως η διαφορική λήψη χώρου, πόλωσης, χρόνου κλπ. Συνοψίζοντας, για ζεύξεις πέραν του ορίζοντα, όπου υπάρχουν φυσικά εμπόδια και δεν είναι επιθυμητή ή δυνατή η χρήση αναμεταδοτών, η τροποσφαιρική σκέδαση μπορεί να χρησιμοποιηθεί ως μια εναλλακτική αλλά ιδιαίτερα απαιτητική επιλογή. 21

22 Απορρόφηση και Σκέδαση λόγω Αερίων και Υδρατμών Εισαγωγή Σε συχνότητες πάνω από τα 20GHz, η διάδοση των ραδιοκυμάτων στη γήινη ατμόσφαιρα επηρεάζεται αισθητά, παρουσιάζοντας απώλειες ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας. Οι απώλειες αυτές οφείλονται στην απορρόφηση ενέργειας λόγω συντονισμού με μόρια υδρατμών και οξυγόνου. Όπως είναι γνωστό, η σύνθεση της ατμόσφαιρας, σε συνθήκες ξηρού αέρα, αποτελείται κατά 99% από Άζωτο (N 2 ) και οξυγόνο (O 2 ). Το υπόλοιπο 1% αποτελείται από διοξείδιο του άνθρακα (CO 2 ) και ένα αριθμό άλλων σπάνιων στοιχείων. Από όλα τα παραπάνω στοιχεία, μόνο το οξυγόνο επηρεάζει τα ραδιοκύματα, και επομένως, από ραδιοηλεκτρική άποψη, η ατμόσφαιρα αποτελείται μόνο από οξυγόνο. Η απόκλιση από τις συνθήκες του ξηρού αέρα δηλ. η παρουσία υδρατμών (Η 2 Ο), έχει ως αποτέλεσμα την εμφάνιση επιπλέον απωλειών, λόγω της απορρόφηση της ηλεκτρομαγνητικής ενέργεια από τα μόρια του νερού. Σχήμα Απώλειες (db) συναρτήσει της συχνότητας (GHz) λόγω παρουσίας του Ο2 και Η2Ο στην ατμόσφαιρα (Eurocom, 1998). Η εξασθένηση λόγω του Ο 2 παρουσιάζει μία κορύφωση για συχνότητες μεταξύ 50 GHz και 70 GHz, με ένα μέγιστο περίπου στα 60 GHz (Σχήμα 1.15). Δεδομένου ότι η ποσότητα του οξυγόνου δεν μεταβάλλεται σημαντικά σε διαφορετικά σημεία της ατμόσφαιρας, η εξασθένηση αυτή θεωρείται σταθερή Η εξασθένηση λόγω υδρατμών (Η 2 Ο) παρουσιάζει μία κορύφωση περίπου στα 23 GHz, ενώ αυξάνει όσο αυξάνει η συχνότητα πάνω από τα 31 GHz (Σχήμα 1.14). Η ποσότητα των υδρατμών μεταβάλλεται από περιοχή σε περιοχή, ανάλογα με τις τοπικές μετεωρολογικές συνθήκες. Επομένως, η γνώση της θερμοκρασίας, της πίεσης και της υγρασίας, είναι απαραίτητη για να υπολογιστεί η εξασθένηση λόγω υδρατμών. 22

23 Εξασθένηση λόγω υδρατμών Σύμφωνα με τις διεθνείς συστάσεις (ITU-R P.840), η εξασθένηση γ w (dβ/km) λόγω υδρατμών, για συχνότητες κάτω από 350 GHz, υπολογίζεται από τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο: ρr = + t 4 0,5 3,79 γ w 3,27 10 rt 1, ,7 10 f + + r 2 2 p ( f 22235) + 9,81rp rt 11.73r 4, t r + t f r prt ( f 18331) + 11,85rprt ( f ) rprt ρ (1.16) όπου γ w η εξασθένηση σε db/km, f είναι η συχνότητα σε GHz, r p =p/1013 είναι ο συντελεστής πίεσης (p είναι η πίεση σε hpa), r t =288/(273+t) είναι θερμοκρασιακός συντελεστής (t είναι η θερμοκρασία σε o C), και ρ είναι η πυκνότητα των υδρατμών σε g/m Εξασθένηση λόγω Οξυγόνου Σύμφωνα με τις διεθνείς συστάσεις (ITU-R P.640) η εξασθένηση γ Ο (dβ/km) λόγω της παρουσίας Ο 2 στην ατμόσφαιρα, δίνεται από τους ακόλουθους εμπειρικούς τύπους: Εξασθένηση λόγω Ο 2 για συχνότητες κάτω από τα 57 GHz: 7,27r 7, = t r + t Ο f r prt ( 57) 2,44 f + rprt f + rprt γ (1.17) Εξασθένηση λόγω Ο 2 για συχνότητες μεταξύ 57GHz and 63GHz: ( f 60)( f 63) 2 8, 5 γο = γο (57) 1,66rp rt ( f 18 57)( f ( f 63) + 57)( f 18 Εξασθένηση λόγω Ο 2 για συχνότητες μεταξύ 63GHz και 350GHz: γ 60) γο (63) (1.18) 2 4 1,5 5 1,5 4 0,28r ) t O = 2 10 rt (1 1,2 f + + f r p rt ( 63) 1,5 ( 11875) 2,84 f + rp rt f + rp rt (1.19) όπου γ Ο είναι η εξασθένηση σε db/km, f είναι η συχνότητα σε GHz, r p =p/1013 είναι συντελεστής πίεσης (p είναι η πίεση σε hpa), και r t =288/(273+t) είναι θερμοκρασιακός συντελεστής (t είναι η θερμοκρασία σε o C) Απορρόφηση και Σκέδαση λόγω Βροχής Όταν ένα ραδιοκύμα αλληλεπιδρά με αντικείμενα τα οποία έχουν διαφορετικές διηλεκτρικές ιδιότητες από το περιβάλλοντα χώρο και μέγεθος συγκρίσιμο με το μήκος κύματος -στη προκείμενη περίπτωση σταγόνες βροχής- τμήμα της ενέργειάς του απορροφάται και σκεδάζεται. Σύμφωνα με αυτή τη γενική περιγραφή ερμηνεύεται το γεγονός της σημαντικής εξασθένησης των ραδιοκυμάτων, όταν παρατηρούνται δυνατές 23

24 βροχοπτώσεις. Ο βαθμός της επίδρασης της βροχόπτωσης σε ένα ραδιοκύμα εξαρτάται από Τη συχνότητα f: Όταν αυξάνει η συχνότητα f και το μήκος κύματος γίνεται συγκρίσιμο με τις διαστάσεις της σταγόνας, το κύμα αντιλαμβάνεται τις σταγόνες ως ευμεγέθεις σκεδαστές (εμπόδια). Επομένως, όσο αυξάνει η συχνότητα και το ραδιοηλεκτρικό μέγεθος των σταγόνων, τόσο αυξάνουν και οι αποσβέσεις λόγω βροχής. Το ύψος της βροχόπτωσης: Όταν αυξάνει το ύψος της βροχόπτωσης και κατ επέκταση η πυκνότητα των σταγόνων, το κύμα αλληλεπιδρά με ένα αυξανόμενο αριθμό σκεδαστών. Επομένως, όσο αυξάνει το ύψος της βροχόπτωσης, τόσο πιο έντονες είναι οι απώλειες που παρατηρούνται. Σχήμα Γεωμετρία σταγόνας και πόλωση κύματος(eurocom,1998) Το είδος της πόλωσης: Η οριζόντια πόλωση είναι πιο επιρρεπής στις αποσβέσεις από ότι η κατακόρυφη. Το γεγονός αυτό εξηγείται από το σχήμα που παίρνουν οι σταγόνες καθώς πέφτουν. Συγκεκριμένα, κατά τη διάρκεια της πτώσης, παραμορφώνονται παρουσιάζοντας την τάση να κατανείμουν τον όγκο τους, κύρια κατά μήκος της διεύθυνσης του οριζόντια πολωμένου ηλεκτρικού πεδίου. Από αυτή την άποψη, η αλληλεπίδραση του πεδίου με τη σταγόνα, είναι πιο σημαντική στην οριζόντια πόλωση από ότι στην κατακόρυφη. Οι προαναφερόμενες παρατηρήσεις αναπαρίστανται γραφικά στα Σχήμα Σχήμα Εξασθένηση λόγω βροχόπτωσης συναρτήσει του ύψους της βροχόπτωσης (Alcatel, 2001) Σύμφωνα με τις διεθνείς συστάσεις (ITU-R P. 837) η εξασθένηση του σήματος γ R λόγω βροχής (σε db/km), με ύψος βροχόπτωσης R (mm/hr), δίνεται από τον ακόλουθο εμπειρικό τύπο: 24

25 Frequency α KR γ R = (db/km) (1.20) Οι συντελεστές Κ και α, είναι συναρτήσεις της συχνότητας και της πόλωσης και ορίζονται σύμφωνα με τις διεθνείς συστάσεις (Πίνακας 1, ITU-R P.525). Το ύψος της βροχόπτωσης προκύπτει, είτε από τοπικά μετεωρολογικά δεδομένα, είτε από τη από τη διεθνώς αποδεκτή κατηγοριοποίηση του κόσμου σε ζώνες με συγκεκριμένα ύψη βροχόπτωσης (ITU-R P. 837). Ο υπολογισμός των αποσβέσεων λόγω βροχής, είναι κατά τι πιο πολύπλοκος από ότι υπαινίσσεται η σχέση (1.20). Τα δύο παραδείγματα, που ακολουθούν επιδεικνύουν τις λεπτομέρειες του υπολογισμού των αποσβέσεων λόγω βροχής. K H , , K V a H a V Πίνακας 1. Συντελεστές απόσβεσης Κ & α λόγω βροχόπτωσης Παράδειγμα Εξασθένηση Βροχόπτωσης και διαθεσιμότητα Ζεύξης 99,99%. Μια ραδιοζεύξη μήκους 5 Κm, λειτουργεί στα 30 GHz, με απαίτηση να είναι διαθέσιμη το 99,99% του χρόνου. Εφόσον, η απαίτηση της διαθεσιμότητας για τη ζεύξη είναι 99,99%, πρέπει να εξασφαλιστεί, ότι οι απώλειες που προκύπτουν από τους (έστω και σπάνιους αλλά με πιθανότητα εμφάνισης που να ξεπερνά το 0,01% του χρόνου) υψηλούς ρυθμούς βροχόπτωσης, δεν θα επηρεάσουν τη ζεύξη. 25

26 Η απαίτηση για διαθεσιμότητα 99,99% είναι ισοδύναμη με την απαίτηση, η μη διαθεσιμότητα να περιορίζεται στο 0,01% του χρόνου. Από αυτή την άποψη τα ύψη της βροχόπτωσης, που παρουσιάζονται λιγότερο από το 0,01% του χρόνου μπορούν να αμεληθούν. Εάν σύμφωνα με τα τοπικά μετεωρολογικά δεδομένα ο ρυθμός βροχόπτωση είναι R 60 mm/hr για το 0,01% του χρόνου, οι υπολογισμοί πρέπει να καλύψουν ως δυσμενέστερη περίπτωση αυτή των 60 mm/hr, που αποτελεί το κατώφλι για την περιοχή, όπου τα ύψη βροχόπτωσης αμελούνται. Απώλειες ανά Km: γ R0,01 Οριζόντια Πόλωση Σύμφωνα με τον Πίνακα 1 οι συντελεστές K και α, στα 30 GHz, λαμβάνουν τις ακόλουθες τιμές Κ=0,187, α=1,021 Σύμφωνα με τη σχέση (1.20) οι απώλειες ανά Κm είναι H α 1,021 γ = K H R0,01 = 0, = 12,23 (db/km) R0,01 Κατακόρυφη Πόλωση Με ανάλογο τρόπο υπολογίζονται οι απώλειες, στην περίπτωση της κατακόρυφης πόλωσης. V α 1 γ R = K R = 0, = 10,02 0,01 V (db/km) 0,01 Σε αυτό το σημείο, αξίζει να επισημανθεί η διαφορά στις αποσβέσεις, ανάλογα με το είδος της πόλωσης: όπως ήδη έχει εξηγηθεί και επιβεβαιώνεται από τα παραπάνω αποτελέσματα, η οριζόντια πόλωση είναι περισσότερο ευάλωτη στα φαινόμενα των βροχοπτώσεων. Σύνολο Απωλειών κατά μήκος του ραδιομονοπατιού των 5 Km. Το σύνολο των απωλειών θα μπορούσε να προκύψει εύκολα, εφόσον είναι γνωστές οι απώλειες ανά Km και το μήκος του ράδιο-μονοπατιού. Αυτού του είδους η προσέγγιση θα οδηγούσε σε μια υπερεκτίμηση των απωλειών, διότι στη φύση οι έντονες βροχοπτώσεις παρουσιάζονται κυρίως τοπικά. Επομένως, δεν είναι λογικό να υποθέσει κανείς ότι το ραδιοκύμα συναντά σε όλο το μήκος της όδευσης της ίδιας έντασης μετεωρολογικά φαινόμενα. Με αυτό το σκεπτικό εισάγεται η έννοια του ενεργού μονοπατιού d eff, το οποίο είναι μικρότερο από το πραγματικό, έτσι ώστε να ληφθεί υπόψη η ανομοιομορφία των μετεωρολογικών φαινομένων. Πιο συγκεκριμένα, το ενεργό μονοπάτι είναι το στατιστικά «ισοδύναμο» μονοπάτι, κατά μήκος του οποίου, η ένταση της βροχόπτωσης είναι ομοιόμορφη και παρουσιάζει ένα δεδομένο ύψος βροχόπτωσης. Ενεργό μονοπάτι Το ενεργό μονοπάτι προκύπτει πολλαπλασιάζοντας το πραγματικό, με ένα παράγοντας μείωσης r, ο οποίος υπολογίζεται ως εξής: 26

27 1 r = d 1+ d o (1.21) όπου d είναι το πραγματικό μήκος και d o ορίζεται ως εξής: do 0,015R e == -1,5 35 0, R0,01 < 100 mm/hr R0, mm/hr (1.22) Στην περίπτωση του παρόντος παραδείγματος, το ύψος της βροχόπτωσης είναι 60 mm/hr, οπότε το d o λαμβάνει την ακόλουθη τιμή: d o = 35e 0, = 35 0,41 = 14,35 Συνεπώς ο συντελεστής μείωσης r υπολογίζεται ως εξής: 1 r = ,35 = 0,74 Τέλος, το μήκος του ενεργού μονοπατιού δίνεται από τη σχέση: d eff = r d = 0,74 5 = 3, 7 Km Σύνολο απωλειών Το σύνολο των απωλειών, κατά μήκος του ενεργού μονοπατιού, υπολογίζεται από την ακόλουθη σχέση: Οριζόντια Πόλωση L H R0,01 H = γ deff = 12,23 3,7 = 45,25 db R0,01 Κατακόρυφη Πόλωση Με ανάλογο τρόπο υπολογίζονται οι απώλειες στην περίπτωση της κατακόρυφης πόλωσης. L V R0,01 V = γ deff = 10,02 3,7 = 37,074 (db/km) R0, Παράδειγμα Εξασθένηση Βροχόπτωσης και Διαθεσιμότητα Ζεύξης 99,999%. Έστω η ζεύξη του προηγούμενου παραδείγματος, με μόνη διαφορά την αύξηση της απαίτησης για τη διαθεσιμότητα, από 99,99% σε 99,999%. Στην περίπτωση, όπου η μη διαθεσιμότητα p είναι διαφορετική του 0,01%, δεν χρειάζεται να επαναληφθούν οι υπολογισμοί του προηγούμενου παραδείγματος. Συγκεκριμένα, όταν η υπό μελέτη γεωγραφική περιοχή βρίσκεται πάνω από το 30 ο παράλληλο (βόρειο ή νότιο), ισχύει ο ακόλουθος εμπειρικός τύπος 27

28 H ( V ) LRp H ( V ) LR0,01 ( 0,546+ 0,043log p = 0,12 p ) (1.23) Ο τύπος έχει προσδιοριστεί έτσι ώστε όταν το p λαμβάνει τιμές 1%, 0,1%, 0,01% και 0,001% ο λόγος να ισούται με 0,12, 0,39, 1 και 2,14, αντίστοιχα. Αντίθετα, όταν η υπό μελέτη γεωγραφική περιοχή βρίσκεται κάτω από το 30 ο παράλληλο (βόρειο ή νότιο), ισχύει η σχέση H ( V ) LRp H ( V ) LR0,01 ( 0,855+ 0,139log p = 0,07 p ) (1.24) Ο τύπος έχει προσδιοριστεί έτσι ώστε όταν το p λαμβάνει τιμές 1%, 0,1%, 0,01% και 0,001% ο λόγος να ισούται με 0,07, 0,36, 1 και 1,44, αντίστοιχα. Σύμφωνα με την παραπάνω παραδοχή και λαμβάνοντας υπόψη ότι η Ελλάδα βρίσκεται πάνω από τον 30 ο παράλληλο, οι αναμενόμενες απώλειες, όταν απαιτείται διαθεσιμότητα της ζεύξης 99,999%, υπολογίζονται ως εξής: Οριζόντια Πόλωση ( ) ( 0,546+ 0,043log 0,001 0,001 ) = 2,14 L = 2,14 45,25 96, db L H H H Rp = L R 0,01 0,12 R 0, 01 = 83 Κατακόρυφη Πόλωση ( ) ( 0,855+ 0,139log 0,001 ) V 0,001 = 1,44 L = 1,44 37,07 53, db V V LRp = LR0,01 0,07 R0, 01 = 38 Συνοψίζοντας, ο υπολογισμός τυχαίων ποσοστών διαθεσιμότητας p, στο διάστημα 1% έως 0,001%, επιτυγχάνεται σε πρώτη φάση με τον υπολογισμό της πιθανότητας 0,01% και στη συνέχεια με τον υπολογισμό της πιθανότητας p σύμφωνα με τις σχέσεις (1.23)-(1.24) Απορρόφηση και Σκέδαση λόγω Στερεών Σωματιδίων Γενικότερα, τα υγρά σωματίδια της ατμόσφαιρας, με διάμετρο μικρότερη από 0,01 cm, θεωρούνται σαν ομίχλη, ενώ με διάμετρο μεγαλύτερη από 0,01 cm σαν βροχή. Λόγω του μικρότερου μεγέθους αναμένεται να είναι μικρότερες και οι εξασθενήσεις στη διάδοση του κύματος. Για παράδειγμα, η συνηθισμένη ομίχλη επιφέρει εξασθένηση περίπου 0,1 dβ/κm για συχνότητα 35 GHz και επομένως μπορεί να αμεληθεί. Η αγνόηση της εξασθένησης αυτής δεν είναι σημαντική και για ένα επιπλέον λόγο. Είναι λογικό να υποθέσει κανείς ότι η βροχή δεν συμβαίνει παράλληλα με χιονόπτωση/ομίχλη/αμμοθύελλα. Με άλλα λόγια, εάν βρέχει δεν υπάρχει την ίδια στιγμή ομίχλη ή χιονόπτωση. Αποδεχόμενοι αυτή την υπόθεση και λαμβάνοντας υπόψη ότι οι απώλειες λόγω βροχόπτωσης είναι γενικά μεγαλύτερες από τις αντίστοιχες του χιονιού κλπ, προκύπτει ότι εάν υπολογίσουμε τις απώλειες λόγω βροχής υπερκαλύπτουμε τις απώλειες λόγω χιονόπτωσης/αμμοθύελλας/ομίχλης Φαινόμενα Εδάφους Εισαγωγή 28

29 Σε αυτή την ενότητα θα επιχειρηθεί η δεύτερη σημαντική διόρθωση του μοντέλου της ελεύθερης διάδοσης διότι θα ληφθεί υπόψη η αλληλεπίδραση του κύματος με την επιφάνεια της γης αλλά και με τα διάφορα φυσικά ή τεχνητά εμπόδια που βρίσκονται επάνω της. Τα φαινόμενα που θα εξεταστούν σε αυτή την ενότητα είναι: Η Περίθλαση (Diffraction), η οποία περιγράφει την επίδραση της παρεμβολής ενός εμποδίου μεταξύ πομπού και δέκτη. Το φαινόμενο ομοιάζει με αυτό της πρόσπτωσης του φωτός σε εμπόδια, που έχει σαν αποτέλεσμα τη δημιουργία τελείως σκοτεινών, ενδιάμεσων και τελείως φωτεινών περιοχών. Οι ενδιάμεσα σκιασμένες περιοχές αποτελούν αποτέλεσμα της περίθλασης στην κορυφή του εμποδίου. Το ραδιοκύμα παρουσιάζει αντίστοιχα φαινόμενα σκίασης υπό τη μορφή εμφάνισης απωλειών. Συνεπώς το ραδιοκύμα είναι σε θέση να «υπερπηδά» διάφορα εμπόδια με αντίτιμο κάποιες απώλειες. Σε κάθε περίπτωση, μας ενδιαφέρει να προσδιοριστεί το μέγεθος των απωλειών περίθλασης, όταν διάφορα εμπόδια βρίσκονται κοντά ή και πάνω στη τροχιά του κύματος. Η Ανάκλαση (Reflection) από το έδαφος ή από άλλα κοντινά αντικείμενα. Στην περίπτωση των ραδιοζεύξεων, οι ανακλάσεις μελετούνται για την περίπτωση όπου ένας δέκτης λαμβάνει ένα κατευθείαν σήμα από τον πομπό και ενδεχομένως ένα ή περισσότερα σήματα μέσω ανακλάσεων. Δεδομένου ότι τα σήματα λαμβάνονται μέσω διαφορετικών οδεύσεων υπάρχει ενδεχόμενο να έχουν μια τέτοια διαφορά φάσεων ώστε να αναιρούνται μεταξύ τους. Το φαινόμενο αυτό ονομάζεται Πολύοδη Διάλειψη (multipath fading) και είναι ο λόγος για τον οποίο μας ενδιαφέρει να μελετήσουμε το ζήτημα των ανακλάσεων Περίθλαση Γενικά Η Περίθλαση περιγράφει τα φαινόμενα, που παρατηρούνται όταν ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα προσπίπτει ή αλληλεπιδρά με ένα εμπόδιο. Τα οπτικά κύματα όταν προσπίπτουν σε ένα εμπόδιο δημιουργούν διακριτές φωτεινές και σκιασμένες περιοχές. Τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα ανάλογα με τη συχνότητα, το ραδιοηλεκτρικό μέγεθος του εμποδίου (σχέση μήκος κύματος με διαστάσεις) αλλά και τη γωνία πρόσπτωσης σε αυτό, μπορούν να «υπερπηδήσουν» το εμπόδιο με αντίτιμο την εμφάνιση απωλειών, που ονομάζονται Απώλειες Περίθλασης (Diffraction Losses). Ο μηχανισμός με τον οποίο το ραδιοκύμα διαδίδεται πάνω και πίσω εμπόδια βασίζεται στην αρχή του Huygen. Σύμφωνα με την εν λόγω αρχή, κάθε σημείο ενός επίπεδου κύματος λειτουργεί σαν μια σημειακή πηγή σφαιρικής ακτινοβολίας. Συνεπώς, τμήμα του κύματος που προσπίπτει στην κορυφή ενός εμποδίου λειτουργεί σαν δευτερογενής πηγή ακτινοβολίας που επιτρέπει την ακτινοβολία και πίσω από το εμπόδιο (Σχήμα 1.18.). 29