1. PROPAGARA UNDLOR LCTROMAGNTIC Subiecte 1.1. Propagarea perturbaţiilor electrice în lungul firelor 1.. Producerea câmpului electromagnetic 1.3. Proprietăţi ale câmpului electromagnetic 1.4. Propagarea undelor radio în mediul real 1.4.1. fectul suprafeţei terestre asupra propagării 1.4.. fectul atmosferei asupra propagării 1.4.3. Modalităţi de propagare în funcţie de gama de frecvenţe valuare: 1. Răspunsuri la întrebările şi problemele finale. Discuţie pe tema: Propagarea undelor radio în mediul real 1.1.Propagarea perturbaţiilor electrice în lungul firelor Într-un punct, P, al unui fir metalic foarte lung se aduce o cantitate limitată de electricitate, atingându-l cu un conductor electrizat (fig.1.1). As tfel, local, ia naştere o variaţie bruscă a potenţialului faţă de pământ şi se formează două unde electrice care se propagă spre extremităţile firului, păstrându-şi (într -o primă aproximaţie) forma şi amplitudinea iniţiale (dacă rezistenţa firului este neglijabilă). P P Fig.1.1. Propagarea undei electrice într-un fir conductor 9
Introducând pe fir o bobină cuplată cu un circuit de curent alternativ (fig.1..a), în lungul firului iau naştere perturbaţii electrice sub formă de unde progresive sinusoidale. v...... v a. λ ~ λ i x (t) = I(x)sinωt... x l b. Fig.1.. Formarea undelor staţionare: a) propagarea undei progresive; b) reflexia undei la extremităţile firului Unda progresivă transportă printr-o secţiune dată a firului un curent electric la care intensitatea variază sinusoidal în timp, iar potenţialul în secţiune variază sinusoidal faţă de pământ. Spaţiul parcurs de undă în intervalul unei perioade de oscilaţie, T, reprezintă lungimea de undă, = v T. (1.1) Viteza de deplasare a undei electrice, v, depinde de proprietăţile electrice şi magnetice ale mediului în care este plasat firul conductor: 1 1 1 v c, (1.) ε μ ε μ ε μ ε μ 0 0 r r r r unde: 0 = 8,854 10-1 F/m este permitivitatea electrică a vidului; r este permitivitatea electrică relativă a mediului faţă de vid; = 0 r este permitivitatea electrică a mediului; 0 = 1,56610-6 H/m este permeabilitatea magnetică a vidului; 10
r este permeabilitatea magnetică relativă a mediului faţă de vid; = 0 r este permeabilitatea magnetică a mediului; c =,997910 8 m/s este viteza de propagare a luminii în vid. La extremităţile firului au loc reflexii ale undei (fig.1..b), deoarece propagarea sarcinilor electrice mai departe nu este posibilă şi curentul electric are valoare nulă. În lungul firului iau naştere unde staţionare, având funcţia de amplitudine a curentului: I( x) I sin x max (1.3) unde I max este dublul amplitudinii undei progresive de curent. În unda staţionară apar noduri de curent la distanţe egale cu multipli pari de sfert de lungime de undă ( 0, 4, 4/4,..., n/4, ) şi ventre de curent la distanţe egale cu multipli impari de sfert de lungime de undă ( 4, 34, 5/4,, (n+1)/4, ), faţă de extremităţile firului. Se poate da firului o lungime convenabilă, astfel încât în fir să apară un fenomen de rezonanţă electrică. În cazul cel mai simplu, de-a lungul firului conductor cu extremităţile libere apar două noduri de curent la capete şi un ventru de curent la mijloc, deci firul trebuie să aibă o lungime l = /. De care mărimi depinde viteza de deplasare a undei electrice, v Care este mecanismul de formare a undelor staţionare Pentru o lungime l = / a firului conductor, unde sunt amplasate nodurile şi ventrele de curent 1.. Producerea câmpului electromagnetic de radiaţie Conductoarele unui circuit închis parcurse de curent electric variabil se înconjoară cu linii de câmp ale unui câmp magnetic variabil. În cazul unei linii bifilare (fig.1.3.a), cele două conductoare, fiind parcurse de curenţi egali şi de sensuri opuse, generează câmpuri magnetice care se anulează reciproc 1a o distanţă, d, mare faţă de linia bifilară, deci nu se generează 11
radiaţie electromagnetică. La acelaşi rezultat se ajunge şi prin utilizarea unui cablu coaxial. Z s Zs d P a. ~ b. ~ Fig.1.3. Circuit a) fără proprietăţi radiante, b) cu proprietăţi radiante Se poate obţine un circuit cu proprietăţi radiante prin modificarea formei circuitului electric, plasând conductoarele sub un anumit unghi. Astfel, în fig.1.3.b se dă un exemplu de circuit radiant (antena rombică). Analizând circuitul deschis al unei linii bifilare din fig.1.4.a, se constată existenţa unui câmp electric variabil omogen în spaţiul dintre cele două fire conductoare paralele. Prin circuit trece un curent electric variabil, de conducţie în firele conductoare şi de convecţie în spaţiul dintre fire. Se poate obţine şi în acest caz un circuit cu proprietăţi radiante prin modificarea geometriei (fig.1.4.b, c), astfel încât să se producă o deformare spaţială a liniilor de câmp. Cele două conductoare din fig.1.4.c, plasate în lungul aceleiaşi axe, formează cel mai simplu element radiant, numit dipol. Circuitul electric echivalent al unui dipol se poate reprezenta (fig.1. 5) ţinând cont de existenţa unor inductivităţi elementare distribuite în lungul conductoarelor şi de forma liniilor de câmp electric cu simetrie circulară în jurul axei dipolului. 1
~ ~ a. b. ~ c. Fig.1.4. Obţinerea unui circuit cu proprietăţi radiante şi formarea liniilor de câmp electric: a) linie bifilară; b) modificare a geometriei liniei; c) dipol ~ ~ Fig.1.5. Circuitul electric echivalent al unui dipol 13
Similar cu producerea oscilaţiilor într-un circuit rezonant LC, un dipol în care se produce o diferenţă de potenţial între cele două conductoare şi apoi acestea se scurtcircuitează, oscilează liber pe frecvenţa de rezonanţă corespunzătoare condiţiei l = / (fig.1.6). Diferenţa de potenţial provocată la t = 0 iniţiază un curent electric de valoare maximă la centru şi nulă la extremităţile dipolului, care tinde să echilibreze densitatea de sarcină în lungul firului conductor. La momentul t = T/4 nu mai există variaţii ale densităţii de sarcină în lungul firului, iar curentul electric atinge valori maxime. Datorită inductivităţilor elementare distribuite în lungul firului electric, transportul de sarcină electrică continuă până ce se inversează sensul diferenţei de potenţial şi curentul devine din nou nul ş.a.m.d. + + + + V I = 0 + V I V = 0 I I + V + V t = 0 t = T/8 t = T/8 t = 3T/8 t = 4T/8 V = 0 + V I = 0 + V I I I I = 0 + V t = 5T/8 t = 6T/8 t = 7T/8 t = T Fig.1.6. Potenţialul (V - -) şi curentul electric (I ) într-un dipol care oscilează liber pe frecvenţa de rezonanţă Odată cu apariţia curentului electric, în dipol ia naştere un câmp magnetic variabil cu linii de câmp sub forma unor cercuri concentrice în planuri perpendiculare pe axa dipolului. Structura câmpului electric din jurul dipolului este legată de o excitaţie magnetică. Variaţia intensităţii câmpului magnetic 14
provoacă un câmp turbionar electric care amplifică câmpul electric progresiv. În fig.1.7 se ilustrează modul de formare a liniilor închise ale câmpului electromagnetic. Liniile de câmp ale câmpului magnetic îşi păstrează forma circulară şi sensul cu care au plecat, mărindu-şi raza cu câte o lungime de undă în timpul unei perioade de oscilaţie a dipolului. Liniile de câmp ale câmpului electric suferă modificări de formă ceva mai complicată, conducând la formarea unor linii închise care se desprind de dipol. Mecanismul propagării undei electromagnetice constă în faptul că în planuri perpendiculare pe direcţia lui de variaţie, câmpul magnetic creează un câmp electric turbionar variabil, iar un câmp electric variabil generează un câmp magnetic turbionar variabil. I = 0 V = 0 t = 0 t = T/8 t = T/8 t = 3T/8 t = 4T/8 t = 7T/8 Fig.1.7. Formarea liniilor de câmp închise ale câmpului electromagnetic (linii de câmp electric şi magnetic - - - ) Descrierea cantitativă a legăturii dintre mărimile fizice ce caracterizează cele două câmpuri prin integrala unei mărimi pe un contur închis şi viteza de variaţie a fluxului celeilalte mărimi prin suprafaţa delimitată de contur, este conţinută în ecuaţiile lui Maxwel: 15
d B dl 0 0 dt (1.4) db dl dt scrise pentru un mediu cu parametrii electrici corespunzători vidului ( = 0, r = 1, r = 1). În apropierea dipolului radiant, componenta magnetică şi cea electrică se deplasează cu o diferenţă de drum egală cu λ/4. După ce s-au detaşat, e1e se propagă mai departe în fază. Pentru realizarea fizică a unui sistem care radiază în spaţiu unde electromagnetice, este necesară existenţa unei surse energetice de radiofrecvenţă şi a unui element radiant. Transportul energiei electrice la elementul radiant se poate realiza pe cablu coaxial. Având în vedere că simetria liniei electrice din fig.1.4.a elimină posibilitatea radiaţiei, sunt necesare alte metode de obţinere a unui sistem radiant: - modificarea geometriei liniei electrice (fig.1.8.a); ~ ~ ~ ~ a. b. c. ~ Fig.1.8. Sisteme radiante 16
- conectarea unei borne a sursei de radiofrecvenţă la pământ (fig.1.8.b); - parcurgerea conductorilor de către curenţi în fază pentru însumarea efectelor (fig.1.8.c), prin adăugarea unui segment în λ/ sau realizarea unui dipol închis. Ce proprietăţi are antena rombică Justificare. Care sunt evoluţiile curentului şi tensiunii într-un dipol care oscilează liber pe frecvenţa de rezonanţă, pe durata unei perioade Ce metode se pot utiliza pentru a realiza un sistem radiant 1.3. Proprietăţi ale câmpului electromagnetic În unda electromagnetică, vectorii intensitate a câmpului electric, şi intesitate a câmpului magnetic, H, sunt perpendiculari între ei şi perpendiculari pe direcţia de propagare a undei (fig.1.9). x _ y dipol r _ H v z Fig.1.9. Vectorii şi H în unda electromagnetică În orice punct din spaţiu situat la distanţă faţă de elementul radiant, vectorii şi H execută oscilaţii în fază, adică trec simultan prin valori maxime, respectiv minime. 17
xpresiile valorilor instantanee ale celor doi vectori într-un punct situat la distanţa r faţă de elementul radiant sunt: r t, r max cos t t k r v max cos (1.5) r H t, r H max cos t H t k r v max cos unde: v este viteza de propagare a undei, ω = πf este pulsaţia sursei de câmp electromagnetic, λ = v/f este lungimea de undă, k = π/λ este numărul de undă. La un moment de timp dat, între valorile lui şi H întrun punct din spaţiu există o relaţie de proporţionalitate. Coeficientul de proporţionalitate reprezintă o constantă de material specifică mediului în care are loc propagarea, numită impedanţă de undă, Z: Z. (1.6) H Din ecuaţiile lui Maxwell se poate deduce valoarea impedanţei de undă a mediului. Prin derivare în relaţia (1.4) şi apoi pe baza relaţiei (1.), se obţine: k max H max Z v Z r r 0 0 r r Z unde Z 0 este impedanţa de undă a vidului: Z 0 10 377. 0 0 0, (1.7) xemplu: pentru apă r = 81, r 1 şi rezultă Z apă = Z 0 9 4. O proprietate esenţială a undelor electromagnetice este transportul energetic. nergia ce trece prin unitatea de suprafaţă în unitatea de timp, transportată de unda electromagnetică, poate fi descrisă printr-o mărime vectorială numită vectorul Poynting, S: 18
S H. (1.8) Direcţia şi sensul lui S coincid cu direcţia şi sensul propagării undei electromagnetice (fig.1.10). Mărimea vectorilor şi H este dată de valorile instantanee în punctul considerat. x linie c. e. _ dipol _ S z P y linie c. m. _ H dz A Fig.1.10. Direcţia şi sensul vectorului Poynting nergia înmagazinată în vid în volumul elementar dv = Adz, în care A este o suprafaţă elementară normală la direcţia de propagare, se poate calcula prin însumarea valorilor densităţilor de energie ale câmpurilor electric şi magnetic: 1 1 dw 0 0 H dv ; deoarece dz/dt = c (viteza de propagare a undei în vid), rezultă: dw dw dz dw S c A dt A dz dt dv. (1.9) 1 1 0 0 H c 19
S exprimă intensitatea fluxului de energie electromagnetică sau fluxul de putere a undei electromagnetice. Valoarea intantanee a lui S este S = H sau, din relaţia (1.6): S = /Z 0. Valoarea medie a lui S se poate calcula în intervalul unei perioade de oscilaţie, T: T 1 t ef Smed dt T Z Z, (1.10) 0 0 unde ef / max 0 este valoarea efectivă a câmpului electric. Frontul de undă reprezintă locul geometric al punctelor sinfazice cele mai îndepărtate de sursă, atinse de unda progresivă la un moment dat. În cazul radiaţiei unui dipol, frontul de undă este o suprafaţă curbată. La o distanţă suficient de mare faţă de elementul radiant ( r ), frontul de undă poate fi considerat plan, iar unda electromagnetică o undă plană cu linii de câmp drepte şi paralele (fig.1.11). linie de câmp magnetic x _ linie de câmp electric plan de polarizare y _ H 0 _ S z Fig.1.11. Liniile de câmp ale undei plane 0
Planul format de direcţa unei linii de câmp electric şi direcţia de propagare într-o undă plană se numeşte plan de polarizare. O măsură a intensităţii câmpului electromagnetic o constituie intensitatea câmpului electric,, exprimată prin diferenţa de potenţial pe unitatea de lungime, de-a lungul unei linii de câmp electric. Unitatea de măsură a intensităţii câmpului electric este V/m, sau, mai adecvată semnalelor radio de nivel mic, μv/m. De care caracteristici ale mediului de propagare depinde impedanţa de undă Ce exprimă vectorul Poynting Ce este planul de polarizare 1.4. Propagarea undelor radio în mediul real Mediul ideal de propagare a undelor electromagnetice îl constituie spaţiul liber, infinit, caracterizat prin conductivitate nulă şi proprietăţi dielectrice şi magnetice corespunzătoare vidului, adică absenţa oricăror materiale conductoare, dielectrice sau magnetice. În aceste condiţii, unda electromagnetică se propagă în linie dreaptă între sursă şi destinaţie cu viteza c = 310 8 m/s. Având în vedere că, de regulă, partenerii radiocomunicaţiei se află pe suprafaţa terestră, mediul real de propagare diferă substanţial de acest model prin doi factori: - pe de o parte, undele radio străbat atmosfera terestră cu conţinut de substanţe gazoase şi activitate electrică stratificată; - pe de altă parte, propagarea are loc peste suprafaţa terestră convexă şi neregulată, care din punct de vedere electric nu se comportă nici ca un conductor perfect, nici ca un dielectric perfect. Aceşti doi factori influenţează decisiv propagarea undelor radio şi acţionează în mod diferit pentru diverse frecvenţe utilizate. Clasificarea undelor radio în diferite benzi de frecvenţă este în mod esenţial impusă de caracteristicile lor distincte de propagare. 1
1.4.1. fectul suprafeţei terestre asupra propagării Unda terestră este acea componentă a undei electromagnetice, care suferă influenţa pământului şi care ar transporta întreaga energie la recepţie, dacă nu ar exista undele ionosferice şi undele troposferice. Unda terestră are la rândul ei două componente: - unda de suprafaţă, care se propagă de-a lungu1 suprafeţei pământului; - unda spaţială, care este rezultatul însumării a două componente: unda directă şi unda reflectată. În cazul în care antenele de emisie şi de recepţie se află la sol, unda directă şi unda reflectată vor fi egale între ele ca valoare, însă opuse ca fază, astfel că acţiunile lor se anihilează reciproc şi singura componentă a undei terestre rămâne unda de suprafaţă (ea determină raz a de acţiune a staţiilor de radiodifuziune în timpul zilei). Suprafaţa terestră intervine asupra propagării undelor radio prin geometrie (convexitate, neregularităţi) şi prin proprietăţi electrice. Curbura pământului Convexitatea suprafeţei terestre nu permite realizarea unei legături radio în linie dreaptă între două puncte îndepărtate, situate pe scoarţa terestră. xemplu : dacă distanţa între punctele A şi B este d = 50 Km şi se consideră raza pământului R = 6400 Km (fig.1.l), atunci rezultă săgeata h 1 Km. h A B R Fig.1.1. Convexitatea suprafeţei terestre Soluţia actuală de rezolvare a comunicaţiilor la mare distanţă, cu acoperirea unor zone întinse, o constituie sateliţii de telecomunicaţii geostaţionari. d
O altă soluţie o constituie utilizarea unor frecvenţe pentru care se constituie şi alte căi de propagre decât linia dreaptă între sursă şi destinaţie. Pentru acoperirea unor distanţe de ordinul zecilor de kilometri, se practică înălţarea antenelor faţă de sol (fig.1.l3). Înălţarea antenei A cu h asigură o suprafaţă de acoperire cu raza: R d R arccos R h. (1.11) R h Dacă se consideră R = 6370 Km şi h se exprimă în metri, rezultă: d 3, 57 h [Km]. d A h R Fig.1.13. Înălţarea antenei Conductivitatea finită a solului În descrierea propagării undelor în lungul suprafeţei terestre, trebuie luate în considerare proprietăţile dielectrice ale acesteia, diferite de cele ale conductorului ideal. Propagarea câmpului electromagnetic în vecinătatea unui mediu conductor ideal are loc astfel încât la suprafaţa acestuia nu există componentă orizontală a câmpului electric (altfel ar lua naştere curenţi de conducţie cu valoare infinită). Considerând o antenă A plasată vertical la sol şi care radiază 3
câmp electromagnetic, ia naştere o undă de suprafaţă cu linii ale câmpului electric orientate normal la suprafaţa conductoare (fig.1.14). Câmpul electromagnetic nu pătrunde în volumul conductor ideal. A Fig.1.14. Undă de suprafaţă În realitate, suprafaţa terestră are o conductivitate finită. Câmpul electromagnetic pătrunde în sol şi generează curenţi de conducţie, care provoacă disiparea termică a unei părţi din energia undei radio. Forma liniilor de câmp se modifică treptat, astfel că vectorul primeşte o înclinaţie înspre sensul de propagare a undei (fig.1.15). v S _ o a. = b. finit _ S Fig.1.l5. Vectorii şi S la suprafaţa: a) conductorului ideal; b) solului Raza de acţiune a undelor de suprafaţă depinde de frecvenţă. La creşterea frecvenţei, adâncimea de pătrundere a câmpului electric în scoarţa terestră descreşte ( efect de suprafaţă ), deci se micşorează suprafaţa efectivă alocată în 4
sol pentru liniile de curent. Înclinaţia vectorului creşte şi unda de suprafaţă este atenuată pe distanţe mai mici. La joasă frecvenţă, pământul poate fi considerat ca o rezistenţă şuntată de o capacitate cu influenţă neglijabilă, deci impedanţa lui este rezistivă. În această situaţie, atenuarea undei terestre se determină în principiu cu ajutorul factorului f /. Astfel, dacă se lucrează cu frecvenţe joase şi pământul are conductivitate mare, se obţin semnale puternice, la distanţe mari, cu unda terestră. La frecvenţe mai mari de 10 MHz, în condiţii obişnuite, impedanţa pământului are un caracter capacitiv. În acest caz, atenuarea undei terestre la o distanţă dată se determină cu ajutorul factorului f/(1+ r ). Astfel, dacă se lucrează cu frecvenţe joase şi constanta dielectrică este mare, atenuarea se micşorează. xemplu : la distanţa d = 1000 Km de emiţător, atenuarea undelor de suprafaţă este de 15 db pentru o frecvenţă de 150 KHz, 0 db pentru 300 KHz, 55 db pentru 3MHz. La suprafaţa mărilor şi oceanelor, propagarea undelor de suprafaţă este favorizată datorită conductibilităţii mai mari a apei sărate faţă de scoarţa terestră. Pe de altă parte, înclinaţia lui face posibilă recepţia cu un fir conductor orientat oblic sau chiar orizontal în lungul liniei de câmp pe direcţia de propagare a undei. De obicei, componenta orizontală şi cea verticală sunt defazate, astfel încât unda este polarizată eliptic. Fenomene de reflexie pe suprafaţa terestră Reflexia undei electromagnetice la sol se datorează proprietăţilor electrice ale solului. Unda pune în mişcare sarcinile electrice din sol, care radiază la rândul lor energie înapoi în atmosferă sub un unghi de reflexie r egal cu unghiul de incidenţă i (fig.1.16.a). Pentru ca prin reflexia undei plane să rezulte tot o undă plană (reflexie oglindă, fig.1.16.a), adâncimea medie a neregularităţilor suprafeţei reflectante trebuie să fie substanţial mai mică decât lungimea de undă a radiaţiei incidente. Dacă această condiţie nu este îndeplinită, se produce o reflexie difuză şi radiaţia incidentă este împrăştiată (fig.1.16.b). 5
front incident front reflectat i r a. front incident reflexie difuză b. Fig.1.16. Reflexia undei plane: a) "oglindă"; b) difuză O altă condiţie pentru reflexia oglindă este ca dimensiunea suprafeţei pe care se produce reflexia să fie mult mai mare decât lungimea de undă, în caz contrar are loc o reflexie difuză. Suprafaţa terestră şi obstacolele de pe sol produc reflexii oglindă sau difuze ale undelor radio în funcţie de frecvenţa acestora şi de caracteristicile suprafeţelor întâlnite. La frecvenţe ridicate, reflexia la suprafaţa solului poate afecta recepţia prin interferenţă între unda directă şi unda reflectată. Diferenţa de fază între cele două unde care se suprapun în punctul de recepţie, poate să creeze maxime sau minime ale intensităţii câmpului electric recepţionat. În fig.1.l7.a se prezintă geometria unei transmisii în care apare interferenţa la recepţie (interferenţă Lloyd). miţătorul este plasat la înălţimea h, iar receptorul R la înălţimea h R. Intensitatea câmpului electric la recepţie depinde de diferenţa de drum între traseele celor două unde şi de modul în care reflexia afectează amplitudinea şi faza undei reflectate. 6
7 Fig.1.17. Interferenţa cu reflexie la sol: a) traseele undei directe şi undei reflectate; b) nivelul de câmp la recepţie Prin reflexia undei la sol, având în vedere că acesta este un mediu mai dens decât aerul ( n > 1), unda reflectată este deplasată cu faţă de unda incidentă, defazaj echivalent cu o diferenţă de drum /. Diferenţa de drum geometrică, d, a celor două unde se poate calcula considerând că înălţimile h, h R sunt mici faţă de distanţa D dintre emiţător şi receptor: D h h D h h 1 1 D h h 1 1 D D h h 1 D D h h 1 D h h D h h D d d d R R R R R R R 1 (1.1) Dacă unul din punctele de emisie sau recepţie se află pe suprafaţa pământului, unda spaţială rezultată va fi egală cu zero. La înălţimi mijlocii ale celor două puncte, unda de suprafaţă şi unda spaţială vor fi comparabile ca mărime şi câmpul rezultant va fi exprimat printr-un vector egal cu suma vectorilor undei spaţiale şi a celei de suprafaţă. Dacă însă antenele se ridică mai sus, intensitatea undei de suprafaţă se poate neglija şi se consideră numai unda spaţială. b. R h R a. h D R h R d 1 d
Pentru recepţie la nivelul solului ( h R = 0), se produce un minim de interferenţă. Punând condiţia ca diferenţa de drum să fie un număr par de / se obţin maxime pentru valori: D D 3 D n 1 hr,,...,. h h h Intensitatea undei reflectate depinde de polarizarea undei incidente. Considerând că la recepţie amplitudinea celor două unde este aceeaşi, variaţia intensităţii câmpului electric funcţie de înălţimea de recepţie are forma din fig.1.17.b. Fenomene de difracţie În general, termenul de difracţie se referă la existenţa unui număr mare de surse ale căror efecte se suprapun la recepţie, în timp ce termenul de interferenţă se referă la câteva astfel de surse (de regulă două). Practic, difracţia se manifestă prin prezenţa unui câmp electromagnetic în spatele obstacolelor întâlnite de unda radio. xplicarea acestui fenomen nu se poate face pe baza modelului undei plane (concluzia ar fi absenţa câmpului în spatele obstacolelor). Conform principiului Huygens - Fresnel, fiecare punct al unei suprafeţe de undă devine o sursă elementară care radiază unde sferice. După un interval de timp t, ca rezultat al propagării, suprafaţa de undă se obţine prin însumarea undelor elementare, adică luând în considerare înfăşurătoarea acestora. Înfăşurătoarele unei unde plane sunt suprafeţe plane, iar înfăşurătoarele unei unde sferice sunt suprafeţe sferice (fig.1.18.a, b). se i se 1 se... se 1 se... se j a. b. c. Fig.1.18. Formarea suprafeţei de undă: a) undă plană; b) undă sferică; c) undă în spatele unui obstacol 8
În spatele unui obstacol, câmpul electromagnetic se obţine prin însumarea contribuţiilor surselor elementare de pe suprafaţa de undă care depăşeşte obstacolul (fig.1.l8.c). Fenomenul de difracţie se produce dacă dimensiunile obstacolelor întâlnite de undă sunt comparabile cu lungimea de undă. Astfel, undele cu frecvenţe foarte joase sunt capabile să urmărească curbura pământului (fig.1.19). Distanţa propagării prin difracţie nu depăşeşte 3000 Km 4000 Km pentru undele foarte lungi. La frecvenţe mai înalte se produc fenomene de difracţie pe obstacole de dimensiuni mai mici, spre exemplu pe crestele masivelor muntoase (fig.1.0). Fig.1.19. Undă de difracţie Fig.1.0. Undă de suprafaţă Ce influenţă are curbura pământului asupra propagării undelor radio şi ce soluţii se pot adopta pentru creşterea distanţei de acoperire Ce influenţă are conductivitatea finită a solului asupra propagării Ce influenţă are conductivitatea finită a solului asupra propagării Ce înălţime trebuie să aibă antena de recepţie pentru a obţine un nivel de câmp recepţionat maxim Cum se explică fenomenul de difracţie 1.4.. fectul atmosferei asupra propagării Atmosfera terestră este un înveliş gazos al pământului, extins de la suprafaţa terestră până la 000 Km 3000 Km înălţime. 9
30 Capitolul 1 Structura şi caracteristicile atmosferei Atmosfera terestră se compune din punct de vedere meteorologic din mai multe straturi, numite: troposferă, stratosferă, ionosferă. Troposfera reprezintă porţiunea joasă a atmosferei, de la sol până la o altitudine de aproximativ 11 Km (9 Km în regiunile polare, 17 Km la tropice). Conţine gaze în stare moleculară: 78% azot, 1% oxigen. În straturile joase ale troposferei sunt prezenţi şi vapori de apă. Trei factori importanţi, care caracterizează starea şi proprietăţile troposferei şi care afectează propagarea undelor radio sunt: densitatea aerului, temperatura şi umiditatea. Densitatea troposferei la o anumită altitudine este proporţională cu presiunea straturilor de aer. Presiunea este maximă la sol şi scade cu altitudinea (1/4 din presiunea la sol la altitudinea de 10 Km). Temperatura troposferei scade cu altitudinea. Straturile joase de aer sunt încălzite prin convecţie de suprafaţa pământului, care absoarbe energie termică din radiaţia solară. Apare o circulaţie verticală de curent de aer, proprietate cunoscută sub denumirea de turbulenţă. Temperatura scade până la 40C 50C spre limita superioară a troposferei (fig.1.1). Umiditatea reprezintă conţinutul de vapori de apă din aer în unităţi procentuale şi se modifică în funcţie de climă şi condiţiile meteorologice. În troposferă, discontinuităţile determinate de presiune, temperatură şi umiditate produc fenomene de absorbţie, refracţie şi chiar reflexie. Stratosfera reprezintă pătura situată între 11 Km 80 Km altitudine. În zona sa inferioară temperatura se menţine aproximativ constantă, între 40C 50C. Aici se găseşte stratul de ozon (cu o grosime maximă de 5 Km). Acesta absoarbe o mare parte din radiaţia solară în ultraviolet. Ionosfera reprezintă porţiunea atmosferei situată la altitudini de peste 80 Km. Între 80 Km şi 300 Km 400 Km se află ionosfera inferioară, iar peste aceste altitudini, ionosfera
superioară. Ionosfera este compusă din gaze în cantitate mică şi o concentraţie de ioni pozitivi, ioni negativi şi electroni liberi, datorită procesului de ionizare suferit de molecule şi atomi sub acţiunea radiaţiilor X şi ultraviolete. h [Km] 600 400 00 100 60 40 0 10 6 4 tropopauza ionosferă stratosferă troposferă -60-40 -0 0 +0 +40 +60 T[C] Fig.1.1. Variaţia temperaturii atmosferei cu înălţimea Gradul de ionizare a unui gaz se exprimă prin densitatea de ionizare (număr de electroni liberi în unitatea de volum). Gradul de ionizare variază cu altitudinea, depinzând de densitatea locală a gazului şi de intensitatea radiaţiilor X şi ultraviolete. La sol această intensitate este minimă, iar în ionosfera superioară gazul este rarefiat. Astfel, densitatea de ionizare este mai mare la altitudini intermediare. În ionosfera inferioară se constată existenţa mai multor maxime ale densităţii de ionizare în funcţie de înălţime, cunoscute sub denumirea de straturile D,, F 1 şi F (fig.1.). În timpul nopţii, acţiunea ionizantă a radiaţiei solare încetează şi are loc o recombinare a electronilor liberi cu ioni, astfel că există numai straturile şi F (fig.1.3). 31
h [Km] 600 500 400 300 00 100 F F 1 F F 1 D D F zi de vară zi de iarnă noapte Fig.1.. Straturile ionosferei h [Km] 600 500 noapte zi de iarnă 400 300 F F 00 100 D F 1 10 1 10 10 3 10 4 10 5 10 6 Fig.1.3. Densitatea de ionizare în ionosferă N[e/cm 3 ] 3
În ceea ce priveşte ionosfera superioară, la altitudini de peste l000 Km, densitatea electronică scade la 10 electroni / cm 3... 10 3 electroni / cm 3. Particule încărcate generate de explozii solare, radiaţie cosmică, pătrund în câmpul magnetic al pământului şi descriu traiectorii spirale spre polii magnetici, formând centura de radiaţie a pământului. În acelaşi timp, aceste particule provoacă o modificare a densităţii de ionizare în regiunea F, fenomene numite furtuni magnetice sau ionosferice. Ionosfera afectează propagarea undelor radio prin starea de ionizare şi prin neomogenităţile acesteia. Fenomene de propagare troposferică Troposfera se caracterizează prin discontinuităţi determinate de temperatură sau presiune, care provoacă o mult mai rapidă creştere a indicelui de refracţie al aerului cu altitudinea faţă de situaţia normală. Unda radio se refractă succesiv pe straturi de aer mai puţin dense şi apare fenomenul de superrefracţie troposferică (refracţie pe stratul de inversiune I 1 ), cu consecinţa întoarcerii undei radio spre sol. Prin reflexie la sol, unda este întoarsă din nou spre stratul de inversiune sau unda este întoarsă între două straturi de inversiune situate la altitudini diferite (I 1 şi I ), având astfel loc propagarea la distanţă a undei radio în ghid de undă troposferic (fig.1.4). I 1 I radiaţie difuză Fig.1.4. Moduri de propagare troposferică Fig.1.5. Propagare prin undă de difuzie O altă modalitate de propagare la distanţă o constituie producerea de unde de difuzie la impactul undei radio cu 33
neomogenităţi ale troposferei datorate circulaţiei turbulente a aerului la altitudini între 3 Km 5 Km sau vaporilor de apă (nori) (fig.1.5). Fenomene de propagare ionosferică La trecerea undei radio printr-un mediu ionizat, câmpul electromagnetic pune în mişcare sarcinile electrice libere. Interacţiunea între câmp şi sarcinile în mişcare produce o modificare a direcţiei de propagare, fenomen cunoscut sub denumirea de refracţie. Se poate studia refracţia pe următorul model: la suprafaţa plană ce separă un gaz inert de un gaz ionizat, unda incidentă sub un unghi 1 faţă de normala la suprafaţă suferă la trecerea din mediul neutru în cel ionizat o deviaţie cu un unghi (fig.1.6). gaz ionizat gaz neutru 1 Fig.1.6. Refracţia undei radio Raportul între sinusul unghiului de incidenţă şi sinusul unghiului de refracţie este o constantă, numită indice de refracţie, n: sin 1 n. (1.13) sin Indicele de refracţie depinde de viteza de propagare a undei în cele două medii. Conform relaţiei (1.): n v v 1. (1.14) 1 1 34
Dacă mediul neutru are proprietăţile electrice ale vidului ( 1 = 0, 1 = 0 ) şi mediul ionizat are = 0, atunci:, n r. GI unde r.gi este permitivitatea relativă a gazului ionizat. În general, indicele de refracţie al unui mediu se poate exprima în funcţie de parametrii oscilatorilor elementari din compoziţia mediului, care interacţionează cu unda: N qe n 1, (1.15) me 0 j 0 unde: m e = 9,10910-31 Kg este masa electronului; q e = 1,6010-19 C este sarcina electrică a electronului; N este densitatea volumică a oscilatorilor elementari; 0 este pulsaţia de rezonanţă a oscilatorilor elementari ai mediului. Neglijând absorbţia energiei în mediul ionizat dată de termenul complex, i şi punând condiţia existenţei sarcinii libere în mediul ionizat, 0 = 0, rezultă expresia indicelui de refracţie al mediului ionizat: e 0 e N q n 1. (1.16) m Se observă că n < 1, deci 1. Dacă dispare ionizarea gazului, adică N 0, atunci n 1 şi = 1, deci nu se mai produce refracţie. Calculând coeficientul de sub radical, se poate utiliza următoarea relaţie aproximativă: N n 1 81, (1.17) f unde N este densitatea electronică în gazul ionizat măsurată în [nr. electroni / cm 3 ] şi f este frecvenţa undei radio măsurată în [KHz]. Având în vedere că 1, există un unghi limită de incidenţă pentru care 90, unda radio suferă o reflexie totală pe stratul ionizat şi se întoarce spre pământ. Punând condiţia: sin = 1, 35
36 Capitolul 1 rezultă: 1.min = arcsin (n). Indicele de refracţie n este dependent de frecvenţa undei radio (scade la creşterea frecvenţei). Se poate calcula o frecvenţă critică, f c, pentru care indicele de refracţie se anulează: f c 1 N q m e e 0 81 N. (1.18) Frecvenţa critică are semnificaţia frecvenţei naturale de oscilaţie a densităţii electronilor liberi în plasmă şi poate fi utilizată pentru a caracteriza stratul ionizat. xemplu: pentru stratul, frecvenţa critică are valoarea: 6 f c 81 10 13000KHz 13MHz în timpul zilei şi valoarea: 5 f c 81 10 4000KHz 4MHz în timpul nopţii. Indicele de refracţie se poate exprima în funcţie de f c : c f n 1. (1.19) f Se constată că pentru valori f > f c, indicele de refracţie are valori reale, cu atât mai apropiate de valoarea 1 cu cât frecvenţa creşte. Stratul ionizat este transparent la unda radio. Unda penetrează stratul şi se produce un fenomen de refracţie la suprafaţa de discontinuitate. În acelaşi timp, o parte din energia undei se întoarce în mediul neionizat, prin reflexie la suprafaţa de discontinuitate. Coeficientul de reflexie, R, definit ca intensitate a undei reflectate, I r, raportată la intensitatea undei incidente, I i, depinde de polarizarea undei. Astfel, dacă este normal la planul de incidenţă: I r sin 1 R, (1.0) I sin i 1 respectiv dacă este paralel cu planul de incidenţă: tan 1 R, (1.1) tan 1 relaţii cunoscute sub denumirea de coeficienţi Fresnel.
Pentru incidenţă normală, evident independentă de polarizare: I r 1 n. (1.) I i 1 n Pentru valori ale frecvenţei undei radio f < f c, indicele de refracţie are valori imaginare. Stratul ionizat este opac la unda radio. Se produce reflexia undei la suprafaţa de discontinuitate şi unda se întoarce în mediul neionizat sub un unghi de reflexie egal cu unghiul de incidenţă. De fapt, unda pătrunde în mediul ionizat şi este atenuată pe o distanţă măsurată prin adâncimea de pătrundere. Frecvenţele radio utilizabile pentru producerea reflexiei ionosferice Acestea rezultă analizând condiţiile de reflexie a undei pe straturi ionizate. Astfel, indiferent de unghiul de incidenţă, unda se reflectă pentru f < f c. Dacă f > f c, stratul ionizat este transparent, dar există posibilitatea producerii unei reflexii totale. Punând condiţia: sin 1 = n, rezultă: sin sau: 1 1 f c f f c cos 1, (1.3) f deci se pot utiliza frecvenţe cu valori f < f c / cos 1. Considerând unghiul de înclinaţie faţă de orizontală (unghiul de elevaţie),, sub care se emite unda radio, condiţia (1.3) se poate scrie ca valoare maximă utilizabilă a frecvenţei acesteia, numită limită superioară a frecvenţelor utilizabile ( maximum usable frequency ), f MUF, în funcţie de distanţa D dintre emiţător şi receptor şi înălţimea h la care se află stratul ionizat (fig.1.7): f MUF f c sin f c D 1 4 h. (1.4) 37
strat ionizat h D Fig.1.7. Reflexia ionosferică a undei radio xemplu: dacă stratul ionizat se află la o înălţime h = 400 Km şi este caracterizat de f c = 7 MHz, atunci, pentru a asigura o 1egătură la D = 800 Km, rezultă un unghi de elevaţie = 45 şi f MUF = 7 9, 9 MHz. Pentru = 90 nu se poate produce reflexie totală şi f MUF = f c. Pe de altă parte, există şi o limită inferioară a frecvenţelor utilizabile ( lowest utilisable frequency ) f LUF, datorită absorbţiei ionosferice, preponderentă la frecvenţe joase. Absorbţia are loc datorită faptului că unda electromagnetică aduce în oscilaţie electronii şi ionii din atmosferă, pierzând astfel din energie. Cele două limite de frecvenţă suferă de-a lungul zilei variaţii conform fig.1.8. f 40 30 0 10 [MHz] MUF 5 4 3 1 LUF 0 4 8 1 16 18 4 ora Fig.1.8. Variaţiile f MUF şi f LUF de-a lungul zilei 38
Deoarece ionizarea atmosferei nu este uniformă şi permitivitatea ei scade la creşterea altitudinii, undele radio suferă mai multe refracţii succesive. Unghiul de incidenţă creşte succesiv până când depăşeşte limita corespunzătoare refracţiei totale; atunci se produce o reflexie şi prin refracţii succesive, undele radio se întorc spre pământ (fig.1.9). 3 1 0 R 0 1 3 Fig.1.9. Refracţii succesive ale undei radio Traiectoria parcursă de undă în ionosferă depinde în realitate de modul în care se modifică indicele de refracţie de-a lungul drumului de propagare. Variaţia indicelui de refracţie cu înălţimea determină curbarea traiectoriei undei, cu atât mai mult cu cât gradientul vertical al indicelui de refracţie este mai mare. Se poate calcula raza de curbură locală, R, de-a lungul drumului de propagare, conform fig.1.30. Considerând că unda trece dintr-o zonă cu indicele de refracţie ( n) într-o zonă cu indicele de refracţie (n dn), pe înălţimea dh drumul de propagare este deviat cu d, conform relaţiei: n 1 R. (1.5) sin dn dh Dacă gradientul indicelui de refracţie are valoarea dn / dh = 0, atunci R şi unda se propagă rectiliniu. 39
d n-dn n dh Fig.1.30. Traiectoria undei în ionosferăr Fig.1.30. Traiectoria undei în ionosferă Dacă se ia în considerare şi influenţa câmpului magnetic asupra propagării în ionosferă, se constată că asupra electronilor în mişcare acţionează în plus forţa magnetică Lorentz, perpendicular pe direcţia de mişcare. Se defineşte frecvenţa giromagnetică ca fiind frecvenţa mişcării pe o traiectorie circulară a electronilor, considerând doar prezenţa câmpului magnetic terestru, f G 1 MHz. Dacă unda radio are o frecvenţă mai mare decât frecvenţa giromagnetică, electronii descriu orbite cu axa mare pe direcţia câmpului electric al undei. Polarizarea undei se modifică. De asemenea, în prezenţa câmpului magnetic, unda se împarte în două componente care diferă prin drumuri de propagare, viteze de fază, polarizare şi atenuare, fenomen cunoscut sub denumirea de birefringenţă. Se mai pot lua în considerare ciocnirile între particulele din ionosferă, având ca rezultat o disipare de energie a undei electromagnetice, care depinde de presiunea gazului şi de viteza medie de oscilaţie a electronilor. Care sunt straturile ce alcătuiesc atmosfera Ce fenomene apar la propagarea troposferică Cum se defineşte indicele de refracţie Care este relaţia aproximativă de calcul a acestuia Ce semnifică frecvenţa critică Care este relaţia aproximativă de calcul a acesteia 40
Ce reprezintă f LUF şi f MUF Ce semnifică frecvenţa giromagnetică Care este valoarea aproximativă a acesteia 1.4.3. Modalităţi de propagare în funcţie de gama de frecvenţe radio fectele suprafeţei terestre şi ale atmosferei asupra propagării sunt dependente de frecvenţa undei radio. Astfel, în anumite intervale de frecvenţă, propagarea se realizează în acelaşi fel, conducând la împărţirea domeniului frecvenţelor radio în benzi de frecvenţă. Undele lungi (UL) Undele lungi ( VLF şi LF) se caracterizează prin frecvenţe f 300KHz (lungimi de undă 1Km ). Având în vedere că o frecvenţă critică f c = 300 KHz corespunde unei concentraţii de electroni N = 10 3 electroni/cm 3, rezultă că undele spaţiale sunt reflectate de straturile D şi ale ionosferei sub orice unghi de incidenţă. De asemenea, sunt reflectate de suprafaţa mărilor şi oceanelor, propagarea putând avea loc prin ghidare între stratul D şi pământ cu reflexii multiple pe distanţe foarte mari. Undele lungi se propagă şi prin unde de suprafaţă datorită difracţiei pe scoarţa terestră, urmărind curbura pământului. Se pot asigura legături la distanţe de până la 0.000 Km (la antipozi), cu condiţia compensării atenuării de propagare de valoare mare prin utilizarea unui emiţător de mare putere ( sute mii de KW). Undele lungi au proprietatea de a-şi menţine relativ constant nivelul de intensitate a câmpului la recepţie de-a lungul zilei, anului sau chiar pe intervale mai mari de timp, datorită stabilităţii stratului pe care se produce reflexia undelor. Astfel, perturbaţiile ionosferice care apar în zonele superioare ale ionosferei (deasupra stratului ) nu influenţează recepţia. Un dezavantaj al utilizării lor se datoreşte acţiunii electricităţii prin descărcările electrostatice, care constituie sursa primară de zgomot la recepţie. O consecinţă a utilizării 41
frecvenţelor purtătoare de valoare scăzută este şi limitarea severă a benzii de frecvenţă transmise. Undele medii (UM) Undele medii ( MF) se caracterizează prin frecvenţe 300KHz f 3MHz (lungimi de undă 1Km 100m ). Analizând concentraţia de electroni a stratului, se constată că ziua este îndeplinită condiţia de reflexie sub orice unghi de incidenţă, în timp ce noaptea poate apare reflexie numai pentru o anumită incidenţă oblică. Ziua se manifestă pregnant absorbţia undelor medii în stratul D a1 ionosferei, penetrat într-un sens de unda incidentă şi în sens opus de unda reflectată pe stratul, astfel încât propagarea se face aproape exclusiv prin unde de suprafaţă. În cursul nopţii stratul D dispare şi, pentru unghiuri de incidenţă suficient de mari, se produce reflexia undelor medii pe stratul, mărindu-se substanţial distanţa de propagare. În timpul nopţii, datorită proprietăţilor de propagare a undelor medii se manifestă fenomenul de fading, adică schimbări rapide în intensitatea undei la recepţie. În punctul de recepţie, unda de suprafaţă se suprapune cu unda reflectată de ionosferă. Dacă cele două unde sunt în fază, câmpul rezultant este maxim (fig.1.31). strat undă de suprafaţă undă spaţială 4 Fig.1.31. Producerea fenomenului de fading la recepţie Datorită modificărilor în radiaţia ionizantă provenită de la Soare precum şi datorită curenţilor atmosferici, gradul de ionizare al stratului se modifică aleator şi adâncimea de
pătrundere a undei radio în strat nu se menţine constantă. Apare o fluctuaţie în timp a diferenţei de drum între cele două unde, deci un defazaj la recepţie, care micşorează intensitatea câmpului rezultant. Schimbările sunt mai rapide pentru lungimi de undă mai mici. Se poate asigura recepţie stabilă în timp pe o rază de câteva sute de kilometri în jurul antenei de emisie cu o putere de ordinul a sute de KW. Undele scurte Undele scurte, US ( high frequency HF), se caracterizează prin frecvenţe 3MHz f 30MHz (lungimi de undă 100m 10m ). Sunt atenuate de suprafaţa pământului şi propagarea prin unde de suprafaţă nu depăşeşte câteva zeci de kilometri. Undele spaţiale sunt în mare parte absorbite de straturile D şi, rezultând o atenuare substanţială, iar un fenomen de reflexie a undelor se produce în principal în stratul F. În timpul zilei, se pot utiliza unde scurte cu lungimi de undă în intervalul 10 m... 5 m, cu condiţia unor puteri suficiente la emisie pentru a compensa atenuarea de absorbţie. În timpul nopţii, stratul D dispare şi concentraţia stratului F scade, făcând posibilă reflexia undelor scurte cu lungimi de undă în intervalul 35 m 100 m. Se pot obţine astfel radiolegături pe distanţe mari (4000 Km) cu puteri relativ mici de emisie. Dimineaţa şi seara se lucrează pe frecvenţe care corespund lungimilor de undă 5 m... 35 m. Astfel, staţiile de emisie trebuie să fie capabile să lucreze pe mai multe frecvenţe, pentru a se adapta la modificările condiţiilor de propagare între zi şi noapte. Într-o anumită regiune în jurul unei antene de emisie apare, mai ales noaptea, o zonă de tăcere care se datorează faptului că acolo nu pătrunde nici unda directă, nici undele reflectate în ionosferă (fig.1.3). Distanţa maximă de recepţie se obţine pentru o emisie sub un unghi de elevaţie = 0 (tangenţial la suprafaţa pământului). Pentru o elevaţie mai mare decât o valoare limită, undele scurte nu se mai reflectă. Prin reflexii multiple, la recepţie se pot întâlni mai multe unde 43
provenind de la aceeaşi sursă. Apare astfel un fading de mare distanţă, caracteristic undelor scurte. Fenomenul de fading este mult mai accentuat în domeniul undelor scurte decât pentru undele medii. ionosferă R zona de tăcere 44 Fig.1.3. Trasee de propagare a US scurte funcţie de elevaţie Sursa cea mai importantă de zgomot pentru unde scurte este interferenţa radio a staţiilor de emisie care lucrează pe frecvenţe apropiate. O altă sursă de zgomot, pentru regiunile polare, o constituie perturbaţiile stratului F (chiar dispariţia acestuia pentru câteva ore). Undele ultrascurte Undele ultrascurte, UUS ( very high frequency VHF), se caracterizează prin frecvenţe 30MHz f 300MHz (lungimi de undă 10m 1m ). Se propagă în principal prin unda directă şi unda spaţială reflectată de troposferă. Se asigură o legătură stabilă în limitele vizibilităţii directe dintre antena de emisie şi antena de recepţie. Distanţa maximă de vizibilitate directă se poate calcula în funcţie de înălţimile la care sunt plasate cele două antene şi de raza pământului, conform relaţiei (1.11):
Dmax R h h R (1.6) sau, înlocuind R = 6370 Km: Dmax 3, 57 h h R [Km], unde h, h R sunt date în metri. xemplu: pentru o înălţare a celor două antene cu 5 m faţă de sol, rezultă D max = 35,7 Km. În realitate, orizontul radio este ceva mai mare decât orizontul geometric, datorită indicelui de refracţie supraunitar al troposferei: D radio 1, 15 D max. (1.7) Acest mod de propagare explică plasarea antenelor de emisie pentru programe de televiziune sau radio în banda de unde ultrascurte pe piloni înalţi sau turnuri de televiziune (cu înălţimi chiar de 500 m). Microundele Microundele, U, se caracterizează prin frecvenţe 0, 3GHz f 300GHz (lungimi de undă 1m 1mm ). Propagarea acestora nu face obiectul acestui modul. Care sunt caracteristicile propagării undelor lungi Care este intervalul de frecvenţe pentru undele medii Care bandă de frecvenţe este afectată puternic de fading Ce variante de propagare a undelor scurte pot să apară, funcţie de unghiul de elevaţie Ce reprezintă zona de tăcere Care este relaţia de legătură între orizontul radio şi înălţimile antenelor de emisie / recepţie 45
Rezumat O perturbaţie electrică apărută într-un punct al unui fir conductor se poate propaga spre extremităţile firului, cu viteză finită, sub formă de undă progresivă. La extremităţile firului apar reflexii ale undei. În lungul firului iau naştere unde staţionare, caracterizate prin noduri şi ventre de curent. Conductoarele unui circuit închis parcurse de curent electric variabil se înconjoară cu un câmp magnetic variabil. În cazul unei linii bifilare, cele două conductoare generează câmpuri magnetice care se anulează reciproc la o distanţă mare de linia bifilară, deci nu se generează radiaţie electromagnetică. Prin modificarea geometriei liniei sau cu alte metode, se poate obţine un circuit care radiază unde electromagnetice în spaţiu. Cel mai simplu circuit radiant, dipolul, se obţine prin plasarea conductoarelor în lungul aceleiaşi axe. Mediul în care se propagă unda electromagnetică se caracterizează prin impedanţa de undă. Transportul energetic realizat de unda electromagnetică poate fi descris de vectorul Poynting. În mediul real, propagarea undelor radio este afectată semnificativ de suprafaţa terestră şi de atmosferă. Datorită suprafeţei terestre apar fenomene de modificare a propagării undelor radio faţă de cazul ideal, fenomene determinate în principal de: curbura pământului, conductivitatea finită a solului, conductivitatea mărilor şi oceanelor, geometria suprafeţei terestre. Astfel, convexitatea pământului reduce lungimea legăturii radio în linie dreaptă; conductivitatea finită a solului provoacă apariţia efectului de suprafaţă ; proprietăţile electrice ale solului permit apariţia fenomenelor de reflexie şi difracţie. 46
Datorită atmosferei apar fenomene de modificare a propagării undelor radio faţă de cazul ideal, fenomene determinate de caracteristicile straturilor acesteia: superrefracţie troposferică, refracţie ionosferică, reflexie totală ionosferică, birefringenţă. Modul de propagare al undelor radio depinde de frecvenţa acestora. Aceasta a determinat împărţirea spectrului de frecvenţe în benzi: unde lungi, unde medii, unde scurte, unde ultrascurte, (microunde), fiecare bandă având anumite particularităţi de propagare. ÎNTRBĂRI ŞI PROBLM 1. Calculaţi viteza de propagare a undei electrice, v, pentru un fir conductor plasat în apă ( r = 81, r = 1).. xplicaţi formarea liniilor de câmp închise ale câmpului electromagnetic pe durata primei perioade. 3. Care sunt expresiile valorilor instantanee ale vectorilor intensitate a câmpului electric şi intensitate a câmpului magnetic într-un punct situat la distanţa r de elementul radiant? xplicaţi semnificaţia mărimilor ce intervin. 4. Ce reprezintă frontul de undă? În ce condiţii acesta poate fi considerat plan? 5. Ce înălţime ar trebui să aibă o antenă de emisie localizată în Timişoara pentru a asigura includerea Aradului în suprafaţa de acoperire (se consideră o legătură radio în linie dreaptă, distanţa Timişoara Arad de 60 Km, se are în vedere doar curbura pământului). 6. Care este comportarea stratului ionizat faţă de unda radio, funcţie de frecvenţa acesteia? 7. Care este domeniul de frecvenţe pentru undele lungi? Ce avantaje şi ce dezavantaje prezintă utilizarea acestora? 47
8. Care este domeniul de frecvenţe pentru undele medii? Prin ce se caracterizează propagarea acestora? 9. Ce subgame de unde scurte se recomandă pentru a fi folosite pe parcursul zilei / nopţii. xplicaţi de ce. 10. Care este domeniul de lungimi de undă pentru undele ultrascurte? De ce pentru aceste unde se înalţă antenele de emisie pe piloni sau turnuri de televiziune? TMĂ: rori şi incertitudini de măsurare - fectul convexităţii suprafeţei terestre - Fenomene de reflexie pe suprafaţa terestră - Fenomene de difracţie la suprafaţa terestră - Structura şi caracteristicile atmosferei - Fenomene de propagare troposferică - Fenomene de propagare ionosferică; frecvenţe radio utilizabile pentru producerea reflexiei ionosferice - Modalităţi de propagare în funcţie de gama de frecvenţe radio 48