WPROWADZENIE DO TELEKOMUNIKACJI

WPROWADZENIE DO TELEKOMUNIKACJI Część II Dr inż. Małgorzata Langer

Transmisja bezprzewodowa Emisje sygnałów radiowych i telewizyjnych Telewizja satelitarna Telefonia komórkowa Układy lokalizacji Systemy oparte na technice laserowej lub podczerwieni (najczęściej wymagają widoczności optycznej)

Fale elektromagnetyczne Zaburzenie pola elektromagnetycznego rozchodzące się w przestrzeni ze skończoną prędkością. Są to fale poprzeczne - w każdym punkcie pola wektor natężenia pola elektrycznego E i wektor indukcji magnetycznej B są prostopadłe do kierunku rozchodzenia się fal elektromagnetycznych i do siebie, a ich prędkość rozchodzenia się w próżni c 3 10⁸m/s. Właściwości, warunki powstawania i rozprzestrzeniania się fal elektromagnetycznych opisują równania falowe wynikające z równań Maxwella

Równania Maxwella: w przestrzeni nie zawierającej ładunków (w próżni) 2 2 E = µ H = µε E 2 t t 2 2 H = µε H 2 t gdzie H -natężenie pola magnetycznego, E - natężenie pola elektrycznego Fala rozchodzi się z prędkością: 1 µε

Interpretacja fizyczna I równania

Interpretacja fizyczna II równania

Polaryzacja elektryczna i magnetyczna W środowisku nieprzewodzącym natężenie pola elektrycznego pochodzącego od ładunku punktowego jest ε r razy mniejsze niż w próżni. W momencie pojawienia się pola zewnętrznego dielektryk polaryzuje się a jego stopień polaryzacji opisuje wektor polaryzacji P e = ε χ 0 e Gdzie χ e jest podatnością elektryczną dielektryka E

Przenikalność elektryczna W przypadku pól szybkozmiennych ma charakter zespolony: ε = ε -jε Część urojona odpowiada za straty cieplne Wektorowe prawo Ohma: J = σ E Wzór na powierzchniową gęstość prądu przewodzenia; σ - konduktywność materiału

Wypadkowa konduktywność efektywna ośrodka ωε +σ Tangens kąta stratności tg δ = ωε '' + ωε ' σ Dla małych częstotliwości: tgδ~σ/ωε

Podatność magnetyczna Analogicznie, jak dla pola elektrycznego: Polaryzacja magnetyczna: P m P = χ m m H Gdzie χ m jest podatnością magnetyczną

Zasada zachowania energii dla pola elektromagnetycznego

Wektor Poyntinga Wskazuje kierunek przepływu mocy fali elektromagnetycznej (w ośrodku izotropowym zawsze zgodny z kierunkiem wektora propagacji). Oznacza to, że kierunek przepływu mocy jest zgodny z kierunkiem najszybszej zmiany fazy

Dla próżni: Z 0 =120π ~377 Ω

Fala płaska - jest to fala, której powierzchnie falowe (powierzchnie o jednakowej fazie) tworzą równoległe do siebie linie proste, gdy fala rozchodzi się po powierzchni lub płaszczyzny, gdy rozchodzi się w przestrzeni Fala płaska

Fala typu TEM Transverse Electromagnetic wave Wektory natężenia pola elektrycznego i magnetycznego są do siebie wzajemnie prostopadłe Trójka wektorów (E, H oraz k wersor kierunku prostopadły do płaszczyzny ewkwifazowej wyznacza kierunek rozchodzenia się fali) jest prawoskrętna (jak układ współrzędnych xyz)

Fala TEM w dielektryku bezstratnym (próżni) oraz w ośrodku stratnym α jest współczynnikiem tłumienia

Równania fali biegnącej Dla fali płaskiej (natężenia pól o tej samej fazie znajdują się zawsze w jednej płaszczyźnie), rozchodzącej się w kierunku x: 2π E( x, t) = E0 sin(2πυt x) λ 2π H ( x, t) = H 0 sin(2πυt x) λ Gdzie E 0 ; H 0 amplitudy natężenia elektrycznego i magnetycznego; λ -długość fali; ν -częstotliwość

Foton kwant energii Im mniejsza długość fali (większa częstotliwość), tym bardziej ujawnia się dwoista cząsteczkowa natura promieniowania elektromagnetycznego Energia fotonu: E=hc/λ Gdzie h = 6,626 0693 (11) 10-34 J. s= 4,135 667 443 (35) 10-15 ev. s

Fale elektromagnetyczne

Rodzaj fali Długość fali [m] Częstotliwość [Hz] Radiowe Podczerwień Światło widzialne Ultrafiolet Promienie Roentgena Promienie Gamma > 10 ⁴ 5 10 ⁴ 8 10 ⁷ 8 10 4 10 ⁷ 4 10 ⁷ 10 ⁹ 7,5 10 ⁹ 6 10 ¹² < 10 ¹⁰ < 3 10¹² 6 10¹¹ 3,7 10¹⁴ 3,7 10¹⁴ 7,5 10¹⁴ 10¹⁴ 3 10¹⁷ 1,5 10¹⁷ 5 10¹⁹ > 10¹⁸

PROMIENNIKI (źródła promieniowania) Źródłami fal elektromagnetycznych są kable i przewody z prądem przemiennym, kineskopowe ekrany telewizorów i monitorów, przełączalne układy elektroniczne, silniki, kuchenki mikrofalowe, telefony komórkowe i przenośne, piloty do sprzętu audio video, ale również Słońce, gwiazdy Szczególnie zakłócającymi środowisko są częstotliwości 50 Hz i jej wielokrotności, wynikające z przyjętego systemu zasilania w Europie (w USA 60 Hz)

FALE RADIOWE Fale elektromagnetyczne o częstotliwości mniejszej od 3 10¹² Hz (długości większej od 0,1 mm). Wynalezienie radia: ~ 1897-1900 Guglielmo Marconi

Fale radiowe - zalety Charakterystyka promieniowania (dookólna lub kierunkowa) może być kształtowana elastycznie ANTENY Łączność może być ustanawiana bez zapewnienia widzialności optycznej (fale elektromagnetyczne są odbijane i tylko częściowo tłumione przez ściany, drzewa, chmury, itp.) Istnieje obszar fal radiowych przeznaczony do nielicencjonowanego wykorzystania

Zakresy częstotliwości do nielicencjonowanego wykorzystania 27 MHz głównie CB radio 433MHz i 686 MHz systemy alarmowe, automatyka, sprzęt powszechnego użytku 2,4GHz i 5GHz bezprzewodowe sieci komputerowe, połączenia urządzeń multimedialnych, peryferyjnych, medycznych, itd. (Wi-Fi; Bluetooth; GPRS; ZigBee; M2M, )

Tory radiowe - RADIOLINIE Tor telekomunikacyjny - układ umożliwiający ruch fal elektromagnetycznych w kanale przestrzennym w taki sposób, że energia tych fal zostaje skupiona w umyślnym walcu o dostatecznie małym promieniu Linia radiowa = tory radiowe + urządzenia pośredniczące

Podział torów radiowych Tory proste Tory łamane (odbicie, rozproszenie, ugięcie) Linia horyzontowa

Granica dwóch ośrodków Fala radiowa doznaje odbić od różnych przeszkód terenowych, od powierzchni ziemi i wody, od jonosfery Dyfrakcji czyli uginania się czoła fali na krawędzi przeszkody Refrakcji załamania, przechodząc przez warstwy powietrza o różnych parametrach elektrycznych

Fala padająca prostopadle na granicę dwóch ośrodków jest poddana odbiciu (r) oraz transmisji (t)

Współczynnik fali stojącej (stosunek amplitudy maksymalnej do minimalnej) = 1 pełne odbicie; - brak odbicia Współczynnik transmisji mocy do drugiego ośrodka (stosunek gęstości mocy fali przechodzącej do gęstości mocy fali padającej)

ANTENA urządzenie służące do zamiany fal elektromagnetycznych na sygnał elektryczny i odwrotnie Charakterystyka promieniowania - jest to rozkład gęstości mocy wypromieniowanej przez antenę w zależności od kierunku danego przez kątowe współrzędne r i φ układu współrzędnych kulistych. F(r,φ) - BRYŁA

Schemat zastępczy anteny Rstrat Rprom

Antena obszar przejściowy między falą prowadzoną w linii transmisyjnej i falą w wolnej przestrzeni

Antena Jeżeli ładunek ulegnie przyśpieszeniu lub opóźnieniu (zmiana prędkości w czasie) staje się źródłem fali elektromagnetycznej

Dipol krótki Antena symetryczna zasilana przebiegiem okresowym Dipol krótki to antena prętowa o długości znacznie mniejszej niż długość fali

Charakterystyka promieniowania Do opisu charakterystyki promieniowania anteny wystarczą dwa rozkłady: - charakterystyka biegunowa w płaszczyźnie biegunów - charakterystyka równikowa prostopadła do biegunowej

Typowa charakterystyka promieniowania z zaznaczonymi parametrami

IMPEDANCJA WEJŚCIOWA Dla generującego drgania nadajnika antena nadawcza jest obciążeniem o danej impedancji wejściowej. IMPEDANCJA WIDZIANA NA ZACISKACH ANTENY (trzeba zawsze określić położenie zacisków) Energia odebrana z niego przez antenę nadawczą wydzielana jest w drobnej części w postaci ciepła, a w większości wypromieniowywana Z we =R we + jx we Rozdzielając moc na cieplne straty i promieniowanie: P we = P pr + P str = 0,5(R pr I we 2 + R str I we 2 ) gdzie I we amplituda prądu na zaciskach anteny

Sprawność energetyczna anteny η = P pr /P we *100 [%] Dla wielu anten sprawność jest bliska 100% Dla anten elektrycznie krótkich sprawność jest bardzo mała (np. dla miedzianego dipola o długości 1 m będzie poniżej 10%) Sprawność rośnie wraz z wydłużaniem anteny Rezystancja strat jest źródłem szumów

Dla odbiornika antena odbiorcza jest źródłem napięciowym, którego SEM jest określona przez wektor natężenia pola elektrycznego fali padającej oraz parametry anteny Aby nastąpiło maksymalne przeniesienie mocy z nadajnika do anteny (lub z anteny do odbiornika) musi być spełniony warunek dopasowania impedancyjnego

Warunek dopasowania impedancyjnego R we = R g oraz X we = -X g

Zjawisko naskórkowości Prąd przewodzenia o dużej częstotliwości nie płynie pełnym przekrojem przewodnika, lecz po jego powierzchni, w warstwie o skończonej grubości. Dla 10 GHz głębokość wnikania dla przewodników wynosi <0,1µm i dla miedzi wynosi przykładowo: 6,6 *10-7 m

Im większa konduktancja i przenikalność magnetyczna i im większa częstotliwość prądu, tym bardziej uwidacznia się zjawisko naskórkowości Naskórkowość powoduje wzrost rezystancji a więc strat cieplnych Nierówna powierzchnia przewodnika zwiększa jeszcze rezystancję (wydłuża drogę, po której płynie prąd)

Wpływ nierówności powierzchni na długość drogi prądu

Anteny dwu- i jednobiegunowe [dipole i monopole] modele Antena jednobiegunowa źródło, które emituje falę jednakowo (izotropowo) we wszystkich kierunkach. Najprostszym przykładem jest kula, której promień naprzemiennie, sinusoidalnie zwiększa się i zmniejsza. Pole ang. biegun teoretyczne

c.d. Wzorzec kierunkowości źródła jednobiegunowego

Przykład antena dookólna Satelita Vanguard 1 anteny dookólne (prętowe)

Dipole anteny dwubiegunowe Dipol składa się z dwóch źródeł jednobiegunowych o jednakowej sile (mocy) ale przeciwnej fazie i oddzielonych od siebie o odległość porównywalną z długością fali

c.d. Wzorzec kierunkowości źródła dipolowego

Dipol idealny Dwa ładunki znajdują się bardzo blisko siebie ( z 0 lub z <<λ) i są połączone nieskończenie cienkim przewodem Rezystancja strat dipola krótkiego wynosi 1/3 strat dipola idealnego; rezystancja promieniowania dipola krótkiego 1/4 dla dipola idealnego Rezystancja strat jest źródłem szumów

Rozkład prądu w dipolu idealnym krótkim Dipol idealny nie istnieje! Zbliżona do jednorodnego przebiegu prądu będzie antena dipolowa z dodatkowymi prętami na końcach

Struktura pola elektromagnetycznego wokół dipola Strefa bliska (strefa indukcji) bardzo blisko dipola (r << λ) energia jest magazynowana w polu elektrycznym i magnetycznym Strefa pośrednia (Fresnela) wektor Poyntinga przyjmuje wartości niezerowe pojawia się promieniowanie Strefa promieniowania (daleka lub Fraunhofera) im dalej od źródła, tym bardziej lokalnie mamy falę płaską typu TEM

Dipole Kształt emitowanych fal jest kulą o sinusoidalnie zwiększającym się i zmniejszającym promieniu, która przesuwa się do przodu i do tyłu Źródło dipolowe promieniuje w dwóch obszarach bardzo dobrze, a w dwóch promieniowanie się znosi (prawie do 0)

Przykłady animacji źródeł jedno, dwu-, czterobiegunowych na stronie: http://www.kettering.edu/~drussell/demos/ rad2/mdq.html

Polaryzacja anteny (polarization) Informuje użytkownika o zmianie położenia końca wektora natężenia pola elektrycznego. Możliwa jest polaryzacja kołowa (eliptyczna) prawo- albo lewoskrętna i liniowa pionowa albo pozioma. Anteny o polaryzacji prawoskrętnej i lewoskrętnej oraz pionowej i poziomej są parami ortogonalnymi i nie będą ze sobą współpracowały

Anteny Ze względu na polaryzację możemy anteny podzielić na: liniowe (pionowa, pozioma, +45, -45 ) eliptyczne lewoskrętną prawoskrętną Każdą falę spolaryzowaną liniowo można przedstawić jako superpozycję dwóch fal eliptycznych o przeciwnych skrętnościach

Szczególnym przypadkiem polaryzacji eliptycznej jest polaryzacja kołowa. Współczynnik osiowy polaryzacji (AR) jest stosunkiem wzajemnie prostopadłych składowych pola elektrycznego. AR=1 (polaryzacja kołowa) AR = (polaryzacja liniowa)

Długość skuteczna Jeżeli umieścimy dowolną antenę w jednorodnym polu elektrycznym o natężeniu wektora E, to na jej otwartych zaciskach pojawi się napięcie U=h sk E Wartość h sk [m] wysokość skuteczna anteny h sk = I 1 maks L 0 I ( z) dz Gdzie I maks maksymalna wartość prądu w antenie, I(z) rozkład prądu, L fizyczna długość anteny

Długość skuteczna dipola półfalowego wynosi λ/π Napięcie indukowane w nim np. w paśmie fal ultrakrótkich jest mniejsze niż dla krótkich przy tym samym natężeniu pola elektrycznego w punkcie odbioru Wniosek: konieczność stosowania anten o większym zysku energetycznym dla dużych częstotliwości

Fizyczna interpretacja długości skutecznej dla unipola