PROPAGAREA UNDELOR RADIO
(Notiuni de bază) II.1 Atmosfera Pământului
Este formată din mai multe straturi, a căror descriere sumară este prezentată în cele ce urmează: Exosfera
Este stratul ultim al atmosferei terestre. În această zonă foarte rarefiată, atomii şi moleculele existente pot “eada! în spa"iu iar sateli"ii orbitează #ăm$ntul Termosfera
%cest strat este caracterizat de mari fluctua"ii de temperatură (de unde şi denumirea) şi con"ine mai pu"in de &.&' din toată cantitatea de aer din atmosferă. adia"iile ultraiolete şi *, de mare ener+ie, de la oare sunt absorbite de moleculele din acest strat, ceea ce cauzează creşterea temăperaturii (în staturile superioare poate depăşi -&&& &). %ceste radia"ii sunt responsabile pentru crearea Ionosferei, strat format din +aze ionizate, localizat în termosferă, într/ o “inel! aflat între 0& 1 2&& 3m depărtare de #ăm$nt. El este diizat în 2 re+iuni sau straturi: F, E şi şi D4 în timpul zilei stratul F se diide în două straturi care se recombină noaptea. 5oate cele trei straturi dein mai dense pe timpul zilei si descresc în timpul nop"ii (stratul D practic dispare). Mezosfera
6eşi +azele (inclusi moleculele de oxi+en) din această zonă sunt în continuare putin dense, ele reuşesc să încetinească iteza meteori"ilor care intră şi se dezinte+rează în atmosferă. 5emperatura ariază între /'7 & şi 1 '-&&.
Stratosfera
%cest strat reprezintă cca. '8 din +azele atmosferice dar foarte pu"ini apori de apă. 5emperatura creşte cu înal"imea (/0&& 9 /'7& ) pe măsură ce moleculele de oxi+en absorb radia"ia incidentă ceea ce conduce la formarea ozonului. Troposfera
Este zona în care ie"uim.%proapte toate fenomenle atmosferice au loc aici. 6ensitatea +azelor descreşte cu înal"imea ca, de altfel, şi temperatura (';& 9 /7'&). '
II.2 Factori e influen!ă
#ropa+area undelor radio între antena de emisie şi cea de recep"ie este influen"ată de suprafaţa Pământului, atmosferă, precipitaţii, etc. imita acceptabilă depinde de tipul sistemului de comunica"ii. #erforman"ele unui sistem de comunica"ii pot fi estimate pe baza caracteristicilor cunoscute sau presupuse ale căii de propa+are. În func"ie de caracteristica ce influen"ează cel mai puternic propa+area undelor, frecvenţa, prezentăm, mai ?os, o clasificare generică a undelor radio după calea lor de propa+are:
%naliza de mai ?os descrie succint, modul de propa+are a undelor radio func"ie de principalele benzi de frecen"ă utilizate: -
1.Frecvenţe extrem de joase (Extremel lo! fre"#enc $ E%F& → f < 3 kHz.
>un+imea de undă mai mare de '&& @m din această bandă face ca antenele să fie de dimensiuni mari şi, în mod necesar, apropiate de sol (uneori cAiar în+ropate în sol). pa"iul #ăm$nt 1
>un+imi de undă de asemenea mari4 datorită aria"iei diurne a stratului ionosferic 6 , înăl"imea +Aidului de undă #ămînt 1
În aceste domenii predomină propa+area prin #nde terestre , caracteristica de radia"ie fiind puternic influen"ată de prezen"a #ăm$ntului. În domeniu %F componenta de suprafa"ă a #ndei terestre este utilizată pentru comunica"ii la mare distan"ă şi în nai+a"ie. %ntenele au încă dimensiuni mari iar emi"ătoarele sunt de mare putere. reşterea benzii de frecen"ă disponibile în MF permite utilizarea acestei benzi în radiodifuziune şi deşi atenuarea #ndei de s#prafaţă este mai mare ca în %F , distan"a de propa+are poate atin+e cîtea sute de 3m, indeosebi pe timp de zi. Noaptea, propa+area #ndelor cosmice prin intermediul stratului ionosferic 6 este posibilă, ceea ce poate conduce la interferen"e dintre unda directă şi unda reflectată pe stratul 6, astfel că, la recep"ie, func"ie de faza undelor, semnalul rezultat poate fi mai slab sau mai tare, dînd astfel naştere fenomenului de fadin 2 Frecvenţe 3nalte (/i4 fre"#enc $ /F& → f + $ +- M/z
#ropa+area prin #nde terestre mai există dar, predominantă, deine propa+area prin #nde cosmice sa# ionosferice. %ceste frecen"e sunt reflectate de ionosferă şi sunt utilizate pentru transmisii la mari distan"e (mii de @m). pecific acestor sisteme de transmisie este existen"a unei Dzone de tăcereD în care nu se recep"ionează nici unda de suprafa"ă, care este atenuată de suprafa"a #ăm$ntului, nici unda reflectată de ionosferă, care a?un+e la nielul solului la distan"ă mult mai mare de emi"ător fa"ă de distan"a la care nielul undei de suprafa"ă scade sub un pra+ admisibil. Exemplul tipic al acestui tip de transmisie este radiodifuziunea pe unde scurte, caz în care se renun"ă în mod deliberat la utilizarea undei de suprafa"ă, emisia realiz$ndu/se direct către ionosferă. eflexia este influen"ată de densitatea de electroni liberi a ionosferei şi de înăl"imea ionosferei fa"ă de suprafa"a #ăm$ntului, parametri ce ariază de/a lun+ul unei zile, de la un anotimp la altul precum şi în func"ie de actiitatea solară. 5ransmisiile ionosferice sunt afectate de fading 2
5 Frecvenţele foarte 3nalte ()er 4i4 fre"#enc $ )/F& → f +- $ +--M/z 0i Frecvenţele #ltra 3nalte (6ltra /i4 fre"#enc $ 6/F& → f +-- M/z $ + 7/z
%ceste frecen"e sunt prea înalte pentru propa+are ionosferică (pierderi foarte mari prin absorb"ia undei de către ionosferă), astfel încît comunica"iile au loc prin transmisii directe (la edere!) şi prin componentele reflectate de #ăm$nt ale #ndelor spaţiale %ntenele sunt relati mici ca dimensiuni fizice şi pot fi montate pe piloni la cîtea lun+imi de undă deasupra #ăm$ntului. În aceste condi"ii, #ndele spaţiale sunt predominante. Fanda de frecen"e disponibilă este suficientă pentru a permite emisiuni BG şi 5H de calitate, dar propa+area este în mod natural restric"ionată la zone aflate în orizontul radio şi acoperirea! este esen"ialmente locală. %naliza propa+ării #ndelor spaţiale în HCB şi ICB trebuie să "ină cont şi de problemele cauzate de reflexiile de sol respecti de obstacolele realizate de om (clădiri, construc"ii, etc.). 5rebuiesc luate în calcul de asemenea, difrac"ia pe obstacole şi clădiri şi refrac"ia în atmosferă. >a frecen"e de peste ' JCz atenuările sunt foarte mari datorită absorb"iei +azoase şi apar fenomene multiple de difrac"ie şi împrăştiere a undelor. 8Frecvenţe s#per 3nalte (S#per 4i4 fre"#enc $ S/F& → f + $ +- 7/z
%ceste frecen"e sunt denumite în +eneral microunde, termenul putînd fi utilizat şi pentru frecen"ele din ICB de peste '.7 JCz. Între emi"ător şi antena de recep"ie trebuie să exsiste izibilitate directă deoarece pierderile în atmosferă la aceaste frecen"e sunt foarte mari. %ntenele dein compacte, cu cîşti+ mare, de tip reflector care concentrează radia"ia în direc"ia dorită. Brecen"ele din această bandă sunt utilizate pentru comunica"ii prin satelit, lin3/ uri terestre punct la punct, radare şi sisteme de comunica"ii de rază scurtă de ac"iune (telecomenzi, în interiorul clădirilor, etc.). #e l$n+ă absen"a interferen"ei cu alte sisteme de comunica"ii, transmisiile pe frecen"e de peste -& JCz asi+ură şi o protec"ie totală a informa"iei transmise, tocmai din cauză că unda nu poate fi recep"ionată la distan"ă mare. #entru comunica"iile între sateli"i se ale+ frecen"e ce coincid cu liniile spectrale ale oxi+enului sau azotului, cu coeficient de absorb"ie extrem de mare, astfel că unda este absorbită de atmosfera #ăm$ntului încă din por"iunea ei superioară, foarte rarefiată. 9 Frecvenţe extra 3nalte (Extra 4i4 fre"#enc $ E/F& → f +- $ +-- 7/z
Brecen"ele din această bandă sunt adesea denumite „unde milimetrice”. În compara"ie cu benzile frecen"elor ?oase, în această bandă sunt disponibile benzi de frecen"ă pentru semnale foarte mari. #ropa+area în linie dreapta (edere directă) este predominantă şi deşi interferen"ele cu undele reflectate de #ăm$nt sunt posibile ele sunt ne+li?abile. %tenuarea #ăm$ntului este ne+li?abilă deoarece ru+ozitatea solului este acum mai mare ca lun+imea de undă a semnalului. Numai cînd solul este neted sau este prezent un luciu de apă reflexia undelor poate ?uca un rol important. În banda undelor milimetrice cele mai importante efecte care trebuiesc luate în considerare sunt împrăştierea care are loc în timpul precipita"iilor (ploaie, ninsoare) şi, la anumite frecen"e, absorb"ia de către cea"ă, apori de apă (la -- JCz) şi alte +aze atmosferice (absorb"ia de către oxi+en la 0& JCz). 5otuşi între aceste linii de absorb"ii există ferestre cu atenuare mai mică care pot fi exploatate pentru realizarea comunica"iilor (ex. sisteme microcelulare, comunica$ii securizate pe distan"e scurte). K
În fi+ura <<.' aem o prezentare +rafică simplă a dierselor moduri de propa+are a undelor radio. În tabelul <<.' este prezentată o sinteteză a celor discutate pînă acum şi precizez recomandările <5I priitoare la dierse modele de propa+are (unele le om aminti şi în cele ce urmează).
FiII1 Ta:el#l II1 "ana
Frec#en!a
$o e %ro%a&are
Distan!a aco%erită
E'em%le e utili(are
Rec. I)U*R
H>B
2 1 2& 3Cz
JAid de undă
n x '&&& 3m
#.0LK
>B
2& 1 2&& 3Cz
n x '&&& 3m
GB
&.2 1 2 GCz
CB
2 1 2& GCz
Inde terestre Inde cosmice Inde terestre Inde cosmice Inde cosmice
HCB
2& 1 2&& GCz
ICB
&.2 1 2 JCz
CB
2 1 2& JCz
Inde spa"iale Împrăştiere troposferică Inde spa"iale Împrăştiere troposferică 6ifrac"ie, 6irect 6irect (la edere)
adionai+a"ie adiocomunica"ii adionai+a"ie adiocomunica"ii 6istan"e medii punct la punct, radiodifuziune, mobil maritim 6istan"e scurte şi lun+i punt la punct, radiodifuziune mobilă 6istan"e medii şi scurte punct la punct, com. mobile, >%N, radiodifuziune (sunet şi 5H) 6istan"e medii şi scurte punct la punct, com. mobile, >%N, radiodifuziune (sunet şi 5H)
ECB
2& 1 2&& JCz
6irect (la edere)
itea mii de 3m #înă la '&&& 3m #înă la cîtea sute de 3m Gai pu"in ca '&& 3m Gai pu"in ca 2& 3m Gai pu"in ca -& 3m
6istan"e scurte punct la punct,com. mobile, >%N, radiodifuziune (sunet şi 5H)/ satelit, radionai+a"ie 6istan"e scurte punct la punct,microcelule, >%N, com. satelit
#.20L #.''K; #.20L #.''K; #.722 #.'7K0, #.0'; #.'7K0 #.72&, #.0';, #0'L, #.K7-, #.'-2L, #.'K'' #.72&, #.0'L #.K7-, #.'K'& #.'K'' #.0'L, #'-2L #.'K'&, #.'K''
7
II.+ Piereri e %ro%a&are
6atorită propa+ării pe distan"a dintre emi"ător şi receptor şi a interac"iunilor cu obstacolele din mediu undele electroma+netice îşi micşorează puterea. Ealuarea acestei micşorări se realizează prin pierderile de propagare (patA loss), definite ca raportul dintre puterea recep"ionată şi cea emisă: L
=
P r
(-.')
P e
sau: L M dN
P = '& ×lo+ ÷ = P M dN − P M dN P r
r
e
(-.-)
e
aportul de mai sus este totdeauna subunitar (ne+ati în dF). II.+.1 Fenomene asociate %ro%a&ării unelor raio
Benomenele fizice prin care undele electroma+netice se propa+ă în mediu se pot +rupa în trei mari cate+orii: refle!ie, difracţie şi transmisie. • "efle!ia constă în scAimbarea direc"iei de propa+are a undei la înt$lnirea unei suprafe"e cu dimensiuni mai mari ca lun+imea ei de undă, are loc cu respectarea le+ilor de reflexie a luminii (nell) şi este asociată cu pierderea unei frac"iuni importante din puterea incidentă. • #ifracţia este fenomenul prin care unda electroma+netică îşi scAimba direc"ia de propa+are la înt$lnirea unor mucAii sau $rfuri ascu"ite, pierderile de difrac"ie fiind mult mai mari ca cele de reflexie. In corp, prin suprafe"ele şi mucAiile lui, produce numeroase unde reflectate şi difractate atunci c$nd se constituie ca un obstacol în calea undei electroma+netice. $nd unda electroma+netică înt$lneşte un +rup de obstacole cu dimensiuni comparabile sau mai mici ca lun+imea de undă au loc numeroase fenomene de reflexie şi difrac"ie ce alcătuiesc împreună fenomenul denumit $mprăştiere (scatterin+). Este cazul de exemplu, al zonelor erzi din a+lomera"iile urbane, al pădurilor şi terenurilor cultiate care, în urma fenomenelor de împrăştiere, produc o atenuare semnificatiă a undei electroma+netice. • %ransmisia este fenomenul ecAialent refrac"iei undelor luminoase şi constă în propa+area undei electroma+netice prin pere"i dielectrici permi"$nd, de exemplu, acoperirea cu c$mp electroma+netic a spa"iilor din interiorul clădirilor. #ierderile de transmisie depind de natura dielectricului, de +rosimea peretelui şi de un+Aiul de inciden"ă a undei. II.+.2 Piereri e %ro%a&are ,n aer li-er
În situa"ia ideală în care antena receptoare primeşte numai unda directă, pierderile de propa+are se datorează numai repartizării puterii emise pe aria în continuă creştere a suprafe"ei frontului de undă. %ceste pierderi se numesc pierderi $n aer li&er şi reprezintă aloarea minimă a pierderilor de propa+are între două puncte date. În situa"ii reale propa+area este înso"ită de 0
fenomene de reflexie = difrac"ie = transmisie care conduc la creşterea alorii pierderilor de propa+are. 6acă P e este puterea de intrare în antena de emisie şi 'e este c$şti+ul acesteia în direc"ia antenei de recep"ie, atunci intensitatea radiaţiei (adică puterea radiată în un+Aiul solid de ' radian) pe această direc"ie este:
(-.2)
orespunzător distan"ei d ce separă cele două antene unitatea de un+Ai solid subîntinde o suprafa"ă numeric e+ală cu d (, astfel că densitatea de p#tere (adică puterea recep"ionată pe o suprafa"ă de ' m -) la locul de recep"ie este:
(-.K) iar puterea recep"ionată de o antenă cu c$şti+ul 'r în direc"ia antenei de emisie este:
(-.7)
unde c O 2 x '& L m=s reprezintă iteza luminii în id, iar reprezintă s#prafaţa efectivă a unei antene de recep"ie ce are c$şti+ul în direc"ia din care ine unda radio. 6in rela"ia de mai sus rezultă că pierderile de propaare 3n aer li:er au expresia:
(-.0) rela"ie cunoscută ca relaţia f#ndamentală de propaare 3n spaţi#l li:er sau ec#aţia Friis Exprimată în dF, rela"ia deine: (-.;) sau: (-.L)
de propa+are în aer liber cresc liniar cu o pantă de -& dF=decadă at$t cu lo+aritmul frecen"ei, c$t şi cu cel al distan"ei dintre antena de emisie şi cea recep"ie. În re+iunea de radia"ie a oricărei antene c$mpul electroma+netic este o undă radio plană ce se propa+ă transersal, adică ectorii E şi sunt perpendiculari între ei şi am$ndoi sunt perpendiculari pe direc"ia de propa+are (fi+. <<.-):
FiII' Densitatea de enerie (ener+ia pe unitate de olum 1 P=m 2) a undelor EG:
1 2
w = ε E2 +
1 2
0
1 2 B 2μ0 1 2
(-.8)
w = ε E2 + μ H2 0
6in rela"iile: B=
0
E =ε μ0 E 0 sau H= c
ε0 E μ0
, rezultă:
/ 0 ε E2 =μ H 2 0
0
(-.'&)
expresie care eiden"iază faptul că, 3ntr*o #ndă electromanetică, densitatea de enerie asociată c3mp#l#i E este eală c# cea a c3mp#l#i / e poate scrie de asemenea:
μ0 E =( 120π)Ω = 377Ω , care este im%ean!a #iului. = ε 0
(-.'')
L
6eoarece c$mpurile E şi F înaintează în timp spre re+iuni în care ini"ial nu erau cîmpuri , este clar că unda transportă ener+ie dintr/o re+iune în alta. %ceastă ener+ie este de fapt o enerie transmisă 3n #nitatea de timp pe #nitatea de arie, suprafa"ă situată perpendicular pe direc"ia de propa+are a undei, ceea ce în termeni teAnici numim densitate de p#tere; aceasta se notează cu sau PD, fiind descrisă de rela"ia ( [ P # ] ) [ * ] ·m +s)[ε ]·[ - ( ]·m +s)+m ·/ ( +m( ·m ⁄ ]·[ ] 2 : s)0 ⁄ m ·/ ⁄ m)[ - 1 S = P D
=
ε0 2 E2 E = E ×H= , μ0 377 V A
W
(-.'-)
J
S = E H = m m = m2 = s m2 ×
iar S=E×H se numeşte vector#l
)iteza #ndelor electromnetice 3n vid este=
,
,>52 x 1- *1' F?m [ε - ] F ? m @·s ?)
× H ×
/
există #n raport :ine precizat 3ntre E 0i = E = c ×B= cμ
/
#ndele se propaă c# viteză finită 0i constantă= c
0
6in rela"iile (-.K) şi (-.'-) se poate determina aloarea efectiă a componentei electrice a c$mpului electroma+netic considerat cu aria"ie armonică în timp:
(-.'2) ombinîn rela"iile (-.7) cu (-.'-) putem ob"ine o altă rela"ie pentru puterea maximă utilizabilă la recep"ie: (-.'K) Este deseori utilă particularizarea expresiei pierderilor L în cazul antenelor izotropice (radiază uniform în toate direc"iile, adică JO'), rezultînd formula pentru pierderile de bază L : 8
(-.'7) În fi+urile <<.2 şi <<.K sunt prezentate +raficele pentru pierderile de propa+are în spa"iul liber func"ie de distan"ă cu frecen"a parametru (reprezentare liniară respecti lo+aritmică)
Fi
II+
Fi II2
'&
