Rádióhullámok terjedése Infokomunikációs hálózatok Rádióhullámok terjedése

Rádióhullámok terjedése

Rádióhullámok terjedése Antenna nyereség fogalma Antenna nyereség:Az antenna az úgynevezett antenna nyereséggel (G) és az iránykarakterisztikával jellemezhető. A csak elméletileg létező izotróp antenna a tér minden irányába azonosan sugározza ki a rádióhullámokat (gömbsugárzó), ezért ezt viszonyítási alapnak használják: a P teljesítmény gömbszimmetrikus kisugárzása során r távolságban mérhető teljesítménysűrűség: Az S1 a vizsgált antenna esetében mért, felületegységen áthaladó teljesítménysűrűség, a fő sugárzási irányban. G (dB) = 10 lg G

Rádióhullámok terjedése Szabad téri csillapítás számítása PA A V PV d izotrop antenna által előállított teljesítménysűrűség antenna nyereség S0 – G – Teljesítménysűrűség: A – hatásos felület

Rádióhullámok terjedése Szabad téri csillapítás számítása (folyt.) vagy Különösen fontos URH és mikrohullámú pont-pont összeköttetéseknél. Ha G=1 (izotrop ant.): szabad téri csillapítás Az antennaegység által csökkentett csillapítást szakaszcsillapítás-nak nevezzük.

Rádióhullámok terjedése Általános hullámterjedési megfontolások A műholdon a lehető legkisebb adóteljesítményt célszerű használni (műszaki okok, műhold méret, ill. a hordozó rakéta teljesítőképessége, különböző földi rendszerekre interferencia hatás) A föld-műhold összeköttetést befolyásoló hullámterjedési jelenségek Atmoszférikus abszorpció Hydrometeorok által okozott abszorpció Törésmutató időbeli változása következtében létrejövő elektromágneses hullám pályaváltozás Amplitudó- és fázis- szintilláció Faraday féle forgatás Depolarizáció Doppler effektus

Rádióhullámok terjedése A légkőr felső rétege (60-400 km magasság) az ionoszféra Ionizáció nappal a nap sugárzási energiája révén (ionok, szabad elektronok) D réteg (60-90km) N, O, és ózon keletkezik az ibolyántúli sugárzás hatására, valamennyi gáz ionizációja lágy röntgensugárzás hatására. Éjszaka a réteg eltünik. E réteg(95-120km) valamennyi gáz ionizációja lágy röntgensugárzás útján. Éjszaka az elektron és ionkoncentráció csökken, de nem tűnik el . F1 réteg (180-240km) oxigén ionizáció. Éjszaka a réteg eltünik. F2 réteg (230-400km) oxigén ionizációja ultraibolya, röntgen és korpuszkuláris sugárzás hatására. (télen nappal a legerősebb). Naplemente után rekombináció: Ionizált molekulák visszaalakulnak nem ionizált molekulákká.

Rádióhullámok terjedése Atmoszférikus abszorpció Nedves levegő csillapítása egyes frekvenciákon nagyobb. Az Oxigén gáz első elnyelési vonala 60 GHz-en van (első harmonikus 120 GHz) A vízgőz elnyelési vonala 22 GHz-en van. Léteznek ablakok amely frekvenciákon a csillapítás viszonylag kicsi. 10 GHz alatt a csillapítás gyakorlatilag független a frekvenciától. Az atmoszférikus abszorpció hatása annál jelentősebb, minél kisebb az EM sugárzás behatolási szöge (a sűrübb troposzférán belül nagyobb a befutott út, és így a csillapítás )

Rádióhullámok terjedése Hydrometeorok által okozott abszorpció A hydrometeorok (eső, jégeső, hó, köd, felhő) Föld-föld kapcsolatban problematikusabb. Föld-műhold kapcsolatban főleg 10 GHz felett okoz problémát az idő kis százalékában. Helyi jellegűek ezért valamilyen diversity vétellel nehéz javítani az összeköttetést. A csillapítás a kezdeti behatolási szög csökkenésével növekszik (lásd. előző dia) Pl. Köd csillapítása (-8 C fok, 20 gr/m3 abszolút páratartalom mellett 5.5 GHz-en a csillapítás növekedés 1dB/km, 50 GHz-en 50dB/km.

Rádióhullámok terjedése A törésmutató időbeli megváltozása során létrejövő hullámpálya változás A sugárpálya változás a törésmutató és a törésmutató gradiens megváltozása miatt csillapítás-fading jön létre. A sugárpálya alakja megváltozik, a keskeny főnyalábbal rendelkező antennák esetén pótlólagos csillapítás áll elő. Főld- műhold kapcsolatban itt is annál nagyobb a törésmutató változás hatása, minél kisebb a kezdeti találkozási szög. Pl. Föld-föld kapcsolatban 50 km hosszú RF szakaszon a sugárpálya 0.25-1 fok változást is mutathat a vevőantennára történő beesési szöget illetően. Ezért a föld-föld kapcsolatban max. 45-48 dB nyereségű antennát alkalmaznak.

Rádióhullámok terjedése Amplitúdó- és fázis szcintilláció műhold-Föld közötti összeköttetés esetén A sugárkévén belüli a törésmutató magasság függésének időbeli viszonylag kis mértékű változása gyors amplitúdó és fázis szcintillációt okoz. Korlátozza a követő rendszer pontosságát (ma már ritkán fordul elő műhold követő megoldás) 20 GHz alatt és nagy kezdeti találkozási szögnél a jelenség elhanyagolható hatású. Magasabb frekvenciákon azonban bizonyos meteorológiai körülmények között ennek hatása jelentős lehet. A fading értéke 45 fok találkozási szögnél 100 - 35 Ghz esetén elérheti a +/- 4 - 2 dB-t. a fázis differencia pedig 40 – 15 fokot. 10 fok körüli találkozási szög esetén a fading csúcsértéke 100 – 35 GHz esetén +/- 12 – 6 dB is lehet, míg a fázis differencia 80 – 30 fok is lehet. Hatása analóg átvitel esetén jelentősebb.

Rádióhullámok terjedése Faraday effektus A földi mágneses térerősségnek és az ionoszférában levő szabad elektronok kölcsönhatása következtében a lineárisan polarizált elektromágneses hullám polarizációja elfordul. Hatása 10 Ghz felett elhanyagolható, de pl. 1 GHz-en kb. 12 fok (4 GHz –en már csak 0.75 fok) Mivel a DBS műholdak kőrpolarizációval dolgoznak (és 10 GHz felett), ezért ennek a jelenségnek a műholdakon keresztül történő közvetlen műsorszórásra gyakorlatilag nincs kihatása.

Rádióhullámok terjedése Depolarizáció 1 GHz felett a mikrohullámú jel Föld – műhold esetén depolarizációt szenvedhet, ami a nem gömb-alakú és nem függőleges pályán haladó esőcseppek következménye. Ennek az lehet a káros hatása, hogy két mikrohullámú eredetileg egymásra merőlegesen lineárisan polározott hullám közötti polarizációs elválasztás csökken (a mikrohullámú áthallás nő. A depolarizáció szöge növekszik a frekvenciával, mivel a depolarizáció az esőcseppben létrejövő kapacitív áramtól függ és ez pedig növekszik a frekvencia növelésével. Védekezés út-diversitivel: Az információ a földi állomásra két úton (két különböző műholdon keresztül) jut el. Kőrpolarizáció esetén ennek nincs jelentősége.

Rádióhullámok terjedése Doppler effektus A doppler effektus a műhold és a földi állomás relatív mozgása következtében előálló frekvencia változás. Geostacionárius műhold esetén az effektus nem lép fel azaz a közvetlen TV műsorszórásra nincs kihatása. Nem geostacioner műhold esetén a hatás különböző jelátvitelekre más és más. A hatás földi körülmények között jelentősebb lehet pl. gyorsan mozgó mobil telefon és a bázis állomás kommunikációjában. Pl.: f=1GHz, Vr (radiális irányú sebesség) = 50 m/sec (180 km/óra), c (fénysebesség) = 3*10ad8 m/sec. fdoppler = f * Vr / c = 10 ad9 * 50 / 3*10ad8 = 167 Hz

Rádióhullámok terjedése Felszíni hullámok csillapítása (véges vezetőképességű sík föld felett) Csak függőleges polarizációban A föld véges vezetőképességű r föld  15 (sík vidék) r hegyvidék  5 Bonyolult matematika (Sommerfeld) A térerősséget a távoltérben az antenna közvetlen sugárzása és az antenna erőterétől a földben keletkező áramok sugárzása okozza. A két sugárzás a távolság növekedésével egymással ellentétes fázisba fordul és egymást kezdik kioltani.

Rádióhullámok terjedése Felszíni hullámok csillapítása (véges vezetőképességű sík föld felett) Csillapítási tényező felszíni hullámokra a numerikus távolság függvényében Adott numerikus távolsághoz azonos csillapítási tényező tartozik, amellyel a tökéletes vezető föld felett számított térerősségét megszorozva, a tényleges térerősséget kapjuk. A numerikus távolság a következőktől függ: , föld vezetőképesség, föld r , távolság

Rádióhullámok terjedése Felszíni hullámok csillapítása (véges vezetőképességű sík föld felett) Példa: Példa: Ez az érték kb. 2500-szor nagyobb, mint az 1. példában URH tartományban összeköttetés felszíni hullámokkal nem megvalósítható.

Rádióhullámok terjedése A föld görbültségének hatása Homogén közegben egyenes vonalú terjedés (URH és mikro-hullám) A pontból az adó csak a B pontig tudja a vevő antennát megvilágítani. D0 – optikai látóhatár, r0 – földsugár ahol h/2r0 << 1, és elhanyagolható:

Rádióhullámok terjedése A föld görbültségének hatása Példa: Az alkalmazott összefüggés akkor volna érvényes, ha a hullámok egyenes vonalban terjednének. A troposzférában azonban a levegő törésmutatója nem állandó, és ezért a lapos szögek alatt kisugárzott hullámok görbe pályán terjednek, és a föld felé hajolnak el, ami által az optikai látóhatár messzebbre kerül.

Rádióhullámok terjedése A légkör törésének a hatása Tapasztalati összefüggés a nedves légkör törésmutatójára: ahol a törésmutató, p a légnyomás millibarban, e a víz-gőz parciális nyomása millibarban, T az abszolút hőmérséklet. Ez frekvencia független!! A légkör normális állapotában a nyomás és a vízgőztartalom csökken a magassággal, és a legalsó néhány km-ben a törésmutató a magassággal arányosan csökken.

Rádióhullámok terjedése A légkör törésének a hatása Snell törvény: A légkörben a törésmutató folyamatosan változik és ezért a hirtelen irányváltozás helyett a sugár görbe pályán halad. Kiszámítható, hogy a föld felé hajlás miatt a látóhatár távolabb kerül. Ezt úgy vehetjük figyelembe, hogy a föld sugár 4/3-szorosával számolunk a tényleges helyett (8500 km).

Rádióhullámok terjedése A légkör törésének a hatása Gyakori eset pont-pont összeköttetés.

Rádióhullámok terjedése Terjedés diffrakció (elhajlás) útján A diffrakció mértéke különböző paraméterektől függ, azonban az elhajlás annál inkább érvényesül, minél hosszabb a hullám. Térerősségek 1 kW sugárzó teljesítményre (rövid antenna) a földgörbültség figyelembe vételével. mezőgazdasági sík terület

Rádióhullámok terjedése Nagy talajcsillapítás, ezért felszíni hullámokkal összeköttetés nem létesíthető. Térhullámú összeköttetés Kevéssé tud az URH (és mikroh.) elhajolni, ezért optikai átlátás szükséges Többutas terjedés terjedési út különbség

Rádióhullámok terjedése Az r2 pályán haladó hullám fáziskésése a nagyobb úthossz miatt: Ha a közvetlen hullám térerőssége E0, a föld felszínén visszavert hullámé Er, akkor az eredő térerősség:

Rádióhullámok terjedése Legyen visszaverődéskor a villamos tér kb.  fázisugrást szenved (kis -nál), ezért

Rádióhullámok terjedése kicsiny argumentum A sík föld feletti térerősségét úgy számítjuk ki, hogy előbb kiszámítjuk a szabad téri térerősséget d távolságra (E0) és ezt az F csillapítási tényezővel megszorozzuk. Pl.: Fading jelenség Esetleg még szorozható Fdiffrakciós tényezővel (kevéssé számít).

Rádióhullámok terjedése Fading hatás kivédése Fading tartalék (5-50 dB) Térdiversity vétel (több antenna) Frekvencia diversity vétel (több vivőfrekv.) Polarizáció diversity (két egymásra merőleges polarizáció) Egyéb csillapítások: Abszorpció (csapadék 10 GHz-től, gázok 20 GHz-től) Szcintilláció (A légkör bizonyos rétegeiben - egyes felhőkben, felszíni határrétegekben - turbulens áramlás lép fel. Ennek következtében véletlenszerűen ingadozik a levegő törésmutatója, ami a hullámok amplitúdójának, fázisának és beesési irányának ingadozását okozza) Csillapító közegek, tárgyak Tereptárgyak változása Doppler hatás

Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével Rádióhullámok terjedése Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével Nap  ionizáció  több vezetőréteg Az ionizáció mechanizmusa: A Nap ibolyántúli sugárzása a gázok molekuláiról elektronokat szakít ki, és így a magas légkörben szabad elektronok és ionok keletkeznek. Ez meghatározott hullámhosszúságú sugárzás elnyelésével jár. A réteg magassága tehát attól függ, hogy az ionizációhoz rendelkezésre álló sugárzás milyen mélyen tud a légkörbe behatolni. A szabad ionok vonzzák az elektronokat, és ha a közelükbe kerülnek, újból elfogják azokat (rekombináció).

Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével Rádióhullámok terjedése Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével A szabad töltéshordozók változása a magasság függvényében

Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével Rádióhullámok terjedése Hullámterjedés az ionoszféra közvetítésével A szabad töltéshordozók változása a magasság függvényében A 3–25 MHz-es (12–100 m hullámhossz) sávban kizárólag az ionizált rétegek közvetítésével történő nagytávolságú összeköttetések létesíthetők.

URH és mikrohullámú összeköttetés horizonton túl Rádióhullámok terjedése URH és mikrohullámú összeköttetés horizonton túl Terjedés troposzférikus szórás felhasználásával A szóródást a troposzféra dielektromos állandójának kisebb változásai okozzák, ami a troposzféra rétegződése és turbulens mozgása folytán áll elő. A troposzférikus szórással való átvitel 100 MHz-től több GHz-ig lehetséges. A vétel helyén a térerősség erősen ingadozik (fading).

Műholdas összeköttetések Rádióhullámok terjedése Műholdas összeköttetések műhold orbitális pálya (alacsonyabb magasság, nagyobb sebesség) egyenlítő légkörből kilépés feltétele:  szög ne legyen nagy (különben elhajlás) műhold légkör Föld  Műholdak közötti kommunikáció

Műholdas összeköttetések Rádióhullámok terjedése Műholdas összeköttetések A műhold periódusideje (egy föld körüli fordulat ideje) és a műholdpálya magassága közötti összefüggés: ahol T a periódusidő órában, r=R+H km-ben, GM=g0R2= =5,17·1012 km3/h2 a gravitációs állandó földfelszíni értékének és a földsugár négyzetének szorzata. R+H=42253.21 km

Rádióhullámok terjedése Terjedési összefoglaló