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 cH"310x m/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
"2E = - "H = E
"t "t2
"2
"2H = H
"t2
gdzie
H - natężenie pola magnetycznego,
E - natężenie pola elektrycznego
Fala rozchodzi się z prędkością:
1
Interpretacja fizyczna I równania
Interpretacja fizyczna II równania
Polaryzacja elektryczna i
magnetyczna
" W środowisku
nieprzewodzącym
natężenie pola
elektrycznego
pochodzącego od
ładunku punktowego jest
r razy mniejsze niż w
Pe = 0e E
próżni.
W momencie pojawienia
się pola zewnętrznego
dielektryk polaryzuje się a
Gdzie e jest podatnością
jego stopień polaryzacji
opisuje wektor polaryzacji
elektryczną dielektryka
Przenikalność elektryczna
" W przypadku pól
szybkozmiennych ma
charakter zespolony:
= - j
" Część urojona
odpowiada za straty
cieplne
" Wektorowe prawo
Ohma:
J = E
Wzór na powierzchniową gęstość prądu
przewodzenia; - konduktywność materiału
Wypadkowa konduktywność
efektywna ośrodka
+
Tangens kąta stratności
''+
tg =
'
Dla małych częstotliwości: tg~/
Podatność magnetyczna
" Analogicznie, jak dla pola elektrycznego:
Polaryzacja magnetyczna:
Pm
Pm = m H
Gdzie 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: Z0=120Ą ~377 &!
Fala płaska
" 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 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
ą jest
współczynnikiem
tłumienia
Równania fali biegnącej
" Dla fali płaskiej (natężenia pól o tej samej fazie znajdują się
zawsze w jednej płaszczyznie), rozchodzącej się
w kierunku x:
2Ą
E(x,t) = E0 sin(2Ąt - x)
2Ą
H (x,t) = H0 sin(2Ąt - x)
Gdzie E0; H0 amplitudy natężenia elektrycznego i
magnetycznego; - długość fali;
- częstotliwość
Foton kwant energii
" Im mniejsza długość fali (większa
częstotliwość), tym bardziej ujawnia się
dwoista cząsteczkowa natura
promieniowania elektromagnetycznego
" Energia fotonu: E=hc/
" 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 < 3" 10ą
> 10{ t
Podczerwień 510{ t 810{ w 610ąą 3,710ąt
Światło 810{ 410{ w 3,710ąt 7,510ąt
widzialne
Ultrafiolet 410{ w 10{ y 7,5 10ąt 310ąw
Promienie 10{ y 610{ ą 1,5' 10ąw 510ąy
Roentgena
Promienie < 10{ ąp > 10ąx
Gamma
PROMIENNIKI (zródła
promieniowania)
" yródłami 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' 10ą 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
" Aączność 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)
L
i
n
i
a
h
o
r
y
z
o
n
t
o
w
a
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 Ć układu
współrzędnych kulistych. F(r,Ć) - BRYAA
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
opóznieniu (zmiana prędkości w czasie)
staje się zródłem 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 płaszczyznie 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
" Zwe=Rwe + jXwe
" Rozdzielając moc na cieplne straty i promieniowanie:
Pwe = Ppr + Pstr = 0,5(Rpr|Iwe|2 + Rstr|Iwe|2)
gdzie Iwe amplituda prądu na zaciskach anteny
Sprawność energetyczna anteny
" = Ppr/Pwe *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 zródłem szumów
" Dla odbiornika antena odbiorcza jest
zródłem 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
" Rwe = Rg oraz Xwe = -Xg
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 <0,1m i dla miedzi
wynosi przykładowo:
6,6 *10-7m
" 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
teoretyczne
" Antena
jednobiegunowa
zródło, które emituje falę
jednakowo (izotropowo)
we wszystkich
kierunkach. Najprostszym
przykładem jest kula,
której promień
naprzemiennie,
sinusoidalnie zwiększa
się i zmniejsza.
" Pole ang. biegun
c.d.
Wzorzec kierunkowości
zródła
jednobiegunowego
Przykład antena dookólna
Satelita Vanguard 1 anteny dookólne (prętowe)
Dipole anteny dwubiegunowe
" Dipol składa się z
dwóch zródeł
jednobiegunowych o
jednakowej sile
(mocy) ale przeciwnej
fazie i oddzielonych
od siebie o odległość
porównywalną
z długością fali
c.d.
Wzorzec
kierunkowości zródła
dipolowego
Dipol idealny
" Dwa ładunki znajdują się bardzo blisko
siebie ("z 0 lub "z <<) 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 zródłem 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 << ) 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 zródła, 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
" yródło dipolowe promieniuje w dwóch
obszarach bardzo dobrze, a w dwóch
promieniowanie się znosi (prawie do 0)
" Przykłady animacji zródeł 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=hsk|E|
" Wartość hsk [m] wysokość skuteczna anteny
L
1
hsk =
+"| I(z) | dz
| Imaks |
0
Gdzie Imaks maksymalna wartość prądu w antenie, I(z) rozkład prądu, L
fizyczna długość anteny
Długość skuteczna dipola
półfalowego wynosi /Ą
" 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
Wyszukiwarka
Podobne podstrony:
WYKŁAD 1 Wprowadzenie do biotechnologii farmaceutycznej03 Wyklad 1 (wprowadzenie do BM)Wyklad 1 Wprowadzenie do tematyki?z?nychWyklad 1 Wprowadzenie do finansow przedsiebiorstwaWykład 1 Wprowadzenie do promocji zdrowiaWyklad 1 Wprowadzenie do zzl, modele zzlWykład 13 Optymalizacja zapytań część IIwyklad wprowadzenie do pedagogikiWprowadzenie do Mathcada część 1Wykład 1 wprowadzenie do ekonomiiwykład 9 wprowadzenie do modeli dla zero jedynkowych zmi ennych objasnianych2 wykład wprowadzenie do nowotworówWprowadzenie do telekomunikacji file No 2Wykład 1 Wprowadzenie do zasad obrotu nieruchomościamiWykład 1 Wprowadzenie do układów automatycznego sterowaniaW drodze do?NA Czesc II wccna2Wprowadzenie do telekomunikacji w3 komórki mgrwięcej podobnych podstron