ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΜΕΤΑΔΟΣΗΣ
4.1 Ασύρματες τεχνικές. Φαινόμενα διάδοσης
Στο προηγούμενο κεφάλαιο γνωρίσαμε την έννοια και τα βασικά χαρακτηριστικά του ηλεκτρομαγνητικού κύματος.
Στις ραδιοεπικοινωνίες το ηλεκτρομαγνητικό κύμα αποτελεί το μέσο μεταφοράς της πληροφορίας, που εκπέμπεται, ακτινοβολείται στο χώρο από την κεραία. Πολλές φορές το ηλεκτρομαγνητικό κύμα το ονομάζουμε ραδιοκύμα.
Η κεραία λήψης στο δέκτη πρέπει να δεχτεί ένα μικρό ποσοστό ενέργειας του ηλεκτρομαγνητικού κύματος, ώστε, αφού το ενισχύσει και το επεξεργαστεί κατάλληλα, να αποδώσει στην έξοδο του δέκτη το ωφέλιμο βασικό σήμα, δηλαδή την πληροφορία.
Η διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος στο χώρο και η πλήρης μαθηματική μελέτη του φαινομένου είναι από τα δυσκολότερα κεφάλαια της φυσικής και της ραδιοηλεκτρολογίας.
Κεραίες υπάρχουν πολλών ειδών και θα εξεταστούν σε επόμενο κεφάλαιο. Αν θεωρήσουμε μιά κεραία εκπομπής ως σημειακή πηγή ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας (μπορούμε να κάνουμε αυτή την υπόθεση σε αποστάσεις μακρινές από την κεραία), όταν δεν υπάρχουν εμπόδια, το κύμα διαδίδεται σφαιρικά όπως, τα κυκλικά κύματα της θάλασσας που παράγονται, όταν ρίξουμε ένα λιθαράκι στην επιφάνειά της.
Η όλη συμπεριφορά του κύματος θυμίζει τη συμπεριφορά του φωτός. Δηλαδή όταν συναντάει εμπόδια, ενδεχομένως ανακλάται ή άλλοτε υπόκειται σε διάθλαση, όταν αλλάζει η πυκνότητα ή τα χαρακτηριστικά του μέσου διάδοσης, απορροφάται από διάφορα υλικά και εξασθενίζει δημιουργώντας μικρές ή μεγάλες σκιάσεις (έχουμε δηλαδή απόσβεση της ισχύος του) κλπ.
Η συνολική μελέτη αυτής της συμπεριφοράς είναι πολύ δύσκολη. Στους υπολογισμούς πρέπει να λάβουμε υπόψη πολλές παραμέτρους, όπως, για παράδειγμα, ποια εμπόδια ελαττώνουν το ηλεκτρομαγνητικό κύμα, ποια υλικά το απορροφούν ελαττώνοντας την ισχύ του, ποιους δρόμους ακολουθεί στην πορεία του, και παράγοντες, όπως ποια είναι η μορφολογία και η αγωγιμότητα του εδάφους , αν μιλούμε για διάδοση στην ξηρά ή τη θάλασσα , τις μετεωρολογικές συνθήκες κ.α.
Αποδεικνύεται ότι βασικό μέγεθος που καθορίζει ουσιαστικά τη συμπεριφορά του ηλεκτρομαγνητικού κύματος είναι η συχνότητα του (f) και το μήκος κύματός του λ. Αυτός είναι ο λόγος που οι επιστήμονες διαχώρισαν και κατέταξαν τα ηλεκτρομαγνητικά κύματα σε φασματικές ζώνες με ιδιαίτερη ονομασία, ώστε να διευκολυνθεί η μελέτη της συμπεριφοράς τους. Με τη γνώση της συμπεριφοράς των κυμάτων προκύπτουν οι κανόνες αξιοποίησής τους στις τηλεπικοινωνίες και οι εφαρμογές τους.
Στη βιβλιογραφία αναφέρονται και θεωρητικά μοντέλα διάδοσης, αλλά και σημαντικά πειραματικά αποτελέσματα, με τα οποία μπορούμε μπορούμε να προβλέψουμε μιά σωστή ραδιοζεύξη (επικοινωνία) μεταξύ πομπού και δέκτη.
Επανερχόμαστε στην σφαιρική, χωρίς εμπόδια, διάδοση του ηλεκτρομαγνητικού κύματος. Η κεραία εκπομπής θεωρείται σημειακή πηγή της εκπεμπόμενης ενέργειας, που εκπέμπει σφαιρικά και ομοιόμορφα, όπως φαίνεται στο σχήμα.
Σε απόσταση R από την κεραία εκπομπής η ισχύς ανά μονάδα επιφανείας είναι:
ρ = Pε / S ,
όπου Pε η ισχύς εκπομπής στην κεραία σε Watt (Βατ),
S= 4πR2 η επιφάνεια της σφαίρας ακτίνας R σε m2 ή km2 .
Άρα : ρ = Pε / 4πR2 (1)
Το μέγεθος ρ μετριέται σε Watt / m2 ή Watt / km2
Συνδυάζοντας το αποτέλεσμα με τη σχέση ρ = Ε2/120π , που γνωρίσαμε στο προηγούμενο κεφάλαιο, όπου Ε η ένταση του ηλεκτρικού πεδίου του κύματος , τότε:
Pε / 4πR2 = Ε2 /120π
Τελικά το ηλεκτρικό πεδίο Eπου δημιουργείται σε απόσταση Rαπό την κεραία και μετριέται σε Volt/mυπολογίζεται από τη σχέση:
E = (√30Pε ) / R (2)
Αποδεικνύεται επίσης ότι μια κεραία λήψης (όμοια με αυτή της εκπομπής) που βρίσκεται σε απόσταση Rαπό την κεραία εκπομπής λαμβάνει μέρος της ηλεκτρομαγνητικής ενέργειας του κύματος, που δίνεται από την σχέση:
Pλ = (λ2 / 4π) . ρ = (λ2 . Pε) / (4π.R)2 = (c2.Pε ) / (4π.f.R)2
Για να υπολογίσουμε τις απώλειες του κύματος στον ελεύθερο χώρο κατά τη διάδοσή του από την κεραία εκπομπής στην κεραία λήψης σε dB, έχουμε:
α = 10log(Pε / Pλ )
Αντικαθιστώντας βρίσκουμε:
α = (20logR) + (20logf) + 32,5 (3)
όπου Rη απόσταση εκφρασμένη σε km,
f η συχνότητα εκφρασμένη σε MHz. Η σταθερά 32,5 προκύπτει μέσω του λογαρίθμου από τις μονάδες που χρησιμοποιήσαμε (km και MHz ).
Υπογραμμίζεται ότι η παραπάνω σχέση ισχύει για διάδοση στον ελεύθερο χώρο χωρίς κανένα εμπόδιο, δηλαδή όταν οι κεραίες είναι τοποθετημένες πολύ ψηλά και έχουν οπτική επαφή μεταξύ τους.
Εφαρμογή 1: Η ισχύς εκπομπής μιας κεραίας που ακτινοβολεί σφαιρικά είναι 1000 W. Να προσδιοριστεί η ισχύς ανά μονάδα επιφανείας του σήματος σε απόσταση R = 100 kmαπό την κεραία.
Λύση: Από τη σχέση ρ = Ρε / 4πR2 αντικαθιστώντας σε Wκαι m λαμβάνουμε ρ = 80 . 10-10 W/m2.
Εφαρμογή 2: Να υπολογιστεί για τις ίδιες τιμές ισχύος και απόστασης από την κεραία το ηλεκτρικό πεδίο Ε.
Λύση: Από τη σχέση (2) αντικαθιστώντας βρίσκουμε:
Ε = 1,73 . 10-3 Volt/m = 1,73 mV/m
Εφαρμογή 3: Να υπολογιστούν σε dB οι απώλειες ραδιοκύματος από την κεραία εκπομπής έως την κεραία λήψης, όταν η συχνότητά του είναι f = 10 MHzκαι η απόσταση των κεραιών περίπου 40 km.
Λύση: Αντικαθιστώντας στη σχέση (3) βρίσκουμε:
α =20log40 + 20log10 + 32,5 = 84,5 dB
4.2 Τρόποι Διάδοσης του ηλεκτρομαγνητικού κύματος
4.2.1 Γενικά
Στην πράξη κατά τη διάδοση του ραδιοκύματος παρεμβάλλονται εμπόδια. Ένα από τα συνηθέστερα είναι η ίδια η καμπυλότητα της γης. Στα επόμενα σχήματα και για διευκόλυνση στην κατανόηση των φαινομένων της διάδοσης συμβολίζουμε το διαδιδόμενο κύμα μόνο με την ακτίνα διάδοσής του.
Δύο βασικούς τρόπους εξετάζουμε για τη διάδοση των κυμάτων, οι οποίοι φαίνονται απλοποιημένα στα σχήματα 4.2.1 και 4.2.2.
Ο πρώτος τρόπος αφορά την κυματική διάδοση, υποθέτοντας ότι το κύμα δεν απομακρύνεται πολύ από την επιφάνεια του εδάφους της γης.
Ο δεύτερος τρόπος αφορά την κυματική διάδοση, που στηρίζεται στην υπόθεση ότι το κύμα απομακρυνόμενο από την επιφάνεια του εδάφους ξαναεπιστρέφει σε αυτό, αφού υποστεί ανάκλαση (σκέδαση) στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας, που ονομάζονται ‘ιονόσφαιρα’ λόγω της μεγάλης περιεκτικότητας ιονισμένων ατόμων, δηλαδή ηλεκτρικών φορτίων.
Η φυσική προβλέπει ότι ένα ηλεκτρομαγνητικό κύμα, όταν βρεθεί σε ατμόσφαιρα ηλεκτρικών φορτίων, υφίσταται εξασθένηση, η ακτίνα διάδοσής του διαθλάται (κάμπτεται) και κάτω από ορισμένες συνθήκες ανακλάται πάλι προς τη γή (αλλάζει πορεία).
4.2.2 Κύματα εδάφους
Στην περίπτωση των κυμάτων εδάφους η ζεύξη κεραίας εκπομπής και κεραίας λήψης επιτυγχάνεται με τρεις τρόπους:
Με το απ’ ευθείας κύμα, του οποίου η ακτίνα διάδοσης δεν εμποδίζεται από την καμπυλότητα της γής (1). Αυτή η κυματική ακτίνα μοιάζει να διαδίδεται στο κενό χωρίς εμπόδια. Επηρεάζεται μόνο από την απόσταση και τη διάχυση μέσα στην ατμόσφαιρα.
- Κύμα από ανάκλαση στο έδαφος (2).
Η διαδρομή αυτής της κυματικής ακτίνας πρός την κεραία λήψης είναι σαφώς μεγαλύτερη. Στην κεραία λήψης έχουμε τη συμβολή των κυματικών ακτίνων του άμεσου και του από ανάκλαση στο έδαφος σήματος. Καθώς το κύμα είναι διανυσματικό μέγεθος , η συμβολή είναι διανυσματική, με αποτέλεσμα την αύξηση η ελάττωση της έντασης του σήματος ανάλογα με την σχετική διαφορά των δύο δρόμων (διαφορά φάσης των κυμάτων)
- Σημαντικό αποδεικνύεται το κύμα επιφανείας (3). Πρόκειται για μέρος του ηλεκτρομαγνητικού κύματος που διαδίδεται σχεδόν εφαπτομενικά με το έδαφος. Το κύμα αυτό είναι σημαντικό, ιδιαίτερα όταν το έδαφος είναι αγώγιμο, και ακολουθεί την καμπυλότητα της γης. Εξασφαλίζει ζεύξη μεταξύ κεραιών όπου το απ’ ευθείας κύμα δεν μπορεί να φτάσει λόγω εμποδίων.
Τα πειράματα έχουν δείξει ότι η διάδοση των κυμάτων εδάφους εξαρτάται σημαντικά από τη συχνότητα και η ολική απόσταση κάλυψης εξαρτάται από τη μορφολογία και την αγωγιμότητα του εδάφους. Πράγματι, με μετρήσεις διαπιστώνεται ότι οι αποστάσεις ραδιοζεύξεων με κύματα εδάφους είναι πολύ
μεγαλύτερες στην έπιφάνεια της θάλασσας (το νερό έχει μεγαλύτερη αγωγιμότητα) απ’ ό,τι στην ξηρά.
Αλλες πειραματικές διαπιστώσεις είναι ότι όσο μικρότερη είναι η συχνότητα f του κύματος εδάφους (μεγαλύτερο μήκος κύματος) τόσο μικρότερη εξασθένηση υφίσταται λόγω απορρόφησης ενέργειας από το έδαφος και έχει καλύτερη συμπεριφορά προσαρμογής στη μορφολογία του εδάφους. Συμπερασματικά, αναφέρουμε ότι η διάδοση κυμάτων εδάφους με τους τρεις τρόπους, σε μεγάλες αποστάσεις απαιτεί μεγάλη σχετικά ισχύ εκπομπής.
4.2.3 Κύματα χώρου ή Ιονοσφαιρικά κύματα
Κύματα χώρου ή ιονοσφαιρικά κύματα είναι εκείνα, των οποίων οι κυματικές ακτίνες, αφού απομακρυνθούν από το έδαφος, ανακλώνται στα ανώτερα στρώματα της ατμόσφαιρας (την ιονόσφαιρα) και επιστρέφουν, όπως φαίνεται και στο σχήμα 4.2.2, προς τη γη. Αυτά τα κύματα επιτρέπουν κάλυψη μεγάλων αποστάσεων.
Η ιονόσφαιρα περιλαμβάνει τα στρώματα της γήϊνης ατμόσφαιρας που καταλαμβάνουν ύψη από 70 km από την επιφάνεια της γής έως και 400 km. Το όνομά της η ιονόσφαιρα το οφείλει στο γεγονός ότι αποτελείται από πολύ αγώγιμα ατμοσφαιρικά στρώματα λόγω της μεγάλης πυκνότητας ‘ιόντων’ (φορτισμένων σωματιδίων) που περιέχουν. Τα φορτία αυτά οφείλονται στον ιονισμό των ατόμων από την ηλιακή ενέργεια.
Τα στρώματα της ιονόσφαιρας με τα σχετικά ύψη τους φαίνονται στο σχήμα 4.2.4.
Τα υψηλότερα στρώματα έχουν μεγαλύτερη πυκνότητα ιονισμού. Το ύψος και το πάχος κάθε στρώματος επηρεάζονται σημαντικά από την ποσότητα της ηλιακής ενέργειας που τα ιονίζει. Γι’ αυτό παρουσιάζουν σημαντικές μεταβολές μεταξύ ημέρας και νύχτας, (τη νύχτα εξασθενούν), ανάλογα με τις εποχές του έτους, χειμώνα, καλοκαίρι κλπ. Εξαρτώνται επίσης από τις ηλιακές μεταβολές (ηλιακές κηλίδες, καταιγίδες) και επηρεάζονται από μεταβολές του μαγνητικού πεδίου της γης.
Είναι προφανές ότι οι μεταβολές αυτές των στρωμάτων της ιονόσφαιρας επηρεάζουν με τη σειρά τους σημαντικά το φαινόμενο της ανάκλασης των ραδιοκυμάτων σ’ αυτά.
Καθώς το ηλεκτρομαγνητικό κύμα εισέρχεται στην ιονόσφαιρα, η ακτίνα διαδοσής του κυρτώνει (διαθλάται) όλο και περισσότερο όσο η πυκνότητα ιονισμού του στρώματος μεγαλώνει και κάτω από ορισμένες συνθήκες η κύρτωση της κυματικής ακτίνας είναι τέτοια, που τελικά το ραδιοκύμα επιστρέφει προς τη γη. Οι μελέτες και τα πειράματα έχουν δείξει ότι το φαινόμενο διευκολύνεται όσο μεγαλύτερη είναι η πυκνότητα ιονισμού του στρώματος και όσο μεγαλύτερο είναι το μήκος κύματος λ (μικρότερη συχνότητα).
Αυτά τα συμπεράσματα επιβεβαιώνονται στο σχήμα 4.2.5.
Στα σχήματα 4.2.6 (α) και (β) σημειώνεται η διαφορά που υπάρχει μεταξύ ημέρας και νύχτας αντίστοιχα, όταν η πυκνότητα ιονισμού (λόγω έλλειψης ηλιακής ενέργειας) είναι μικρότερη.
Με αντίστροφο συλλογισμό καταλήγουμε στο συμπέρασμα ότι η ανάκλαση ραδιοκυμάτων μεγαλύτερης συχνότητας απαιτεί μεγαλύτερη πυκνότητα ιονισμού. Στα ανώτερα στρώματα της ιονόσφαιρας ανακλώνται ραδιοκύματα υψηλότερων συχνοτήτων. Στα κατώτερα στρώματα ανακλώνται οι χαμηλότερες συχνότητες.
Αν το ραδιοκύμα δεν υποστεί ανάκλαση στην ιονόσφαιρα, διέρχεται από αυτήν και καθώς αποσβήνεται χάνεται προς το άπειρο.
Η γωνία πρόσπτωσης θ της κυματικής ακτίνας (σχήμα 4.2.7) επίσης επηρεάζει το φαινόμενο της ανάκλασης. Αποδεικνύεται ότι όσο μεγαλύτερη είναι η γωνία πρόσπτωσης, τόσο διευκολύνεται το φαινόμενο.
Για δεδομένη πυκνότητα ιονισμού ως οριακή συχνότητα fc, που χαρακτηρίζει το αντίστοιχο ιονοσφαιρικό στρώμα, θεωρείται η μέγιστη συχνότητα κύματος που προσπίπτωντας κάθετα στην ιονόσφαιρα μπορεί να ανακλαστεί. Αν η συχνότητα του προσπίπτοντος κύματος είναι μεγαλύτερη από την οριακή, το κύμα δεν ανακλάται, αλλά προσπερνά το αντίστοιχο στρώμα.
Ο συνδυασμός της συχνότητας του κύματος και της γωνίας πρόσπτωσης θ της ακτίνας οδηγούν στον ορισμό της μέγιστης χρήσιμης συχνότητας και της ελάχιστης οριακής απόστασης κάλυψης. Για δεδομένη συχνότητα εκπομπής, όταν η γωνία πρόσπτωσης είναι μικρότερη από μιά οριακή γωνία θc το ηλεκτρομαγνητικό κύμα δεν ανακλάται και χάνεται (σχήμα 4.2.8).
Με αντίστοιχο συλλογισμό, όταν μας ενδιαφέρει η ζεύξη μεταξύ δύο σημείων Α και Β (Α: κεραία εκπομπής, Β: κεραία λήψης), τότε δεδομένης της απόστασης ΑΒ υπάρχει μιά μέγιστη συχνότητα ΜUFπου μπορεί να χρησιμοποιηθεί (MUF: MaximunUsableFrequency) και πέρα από την οποία δεν μπορούμε να πετύχουμε ραδιοεπικοινωνία σε μικρότερη απόσταση.
Δηλαδή: f < MUF (4)
Η απόσταση που αντιστοιχεί στην τιμή της συχνότητας MUF ονομάζεται ελάχιστη οριακή απόσταση ζεύξης. Κυματικές ακτίνες , άρα κάλυψη, συναντούμε μακρύτερα από αυτή την απόσταση.
Το ραδιοκύμα κατά την διαδρομή του στα ιονοσφαιρικά στρώματα υφίσταται σημαντική εξασθένηση. Η εξασθένηση είναι μεγαλύτερη, όταν ο ιονισμός των στρωμάτων είναι μεγαλύτερος (για παράδειγμα, την ημέρα) και όσο η συχνότητα του κύματος είναι μικρότερη. Αυτή η παρατήρηση οδηγεί στον ορισμό της ελάχιστης συχνότητας εκπομπής (LUF : LowestUsableFrequency) που μπορεί να χρησιμοποιηθεί κατά την εκπομπή, ώστε το κύμα να μην απορροφηθεί (αποσβεστεί) τελείως από την ιονόσφαιρα.
Μια ραδιοζεύξη με ιονοσφαιρικό κύμα είναι λοιπόν δυνατή για συχνότητες εκπομπής μεταξύ των τιμών LUF και MUF.
Οι διεθνείς οργανισμοί ραδιοεπικοινωνιών προσδιορίζουν και ανακοινώνουν τις τιμές των συχνοτήτων LUFκαι MUFμε βάση τα ιονοσφαιρικά δεδομένα που επικρατούν κάθε φορά και που, όπως αναφέρθηκε πιό πάνω, έχουν σημαντική εξάρτηση από την ώρα, την εποχή, την ηλιακή δραστηριότητα και άλλους παράγοντες. Οσο και
να φαίνεται περίεργο, κάτω από ορισμένες ιονοσφαιρικές συνθήκες συμβαίνει η προσδιοριζόμενη συχνότητα LUF να είναι μεγαλύτερη από τη συχνότητα MUF. Σ’ αυτή την περίπτωση η συνθήκη (4) δεν μπορεί να ικανοποιηθεί και η ραδιοζεύξη με ιονοσφαιρικά κύματα είναι εντελώς αδύνατη.
Συμπερασματικά, συγκεντρώνοντας στο σχήμα 4.2.9 τα φαινόμενα διάδοσης του κύματος εδάφους και του ιονοσφαιρικού κύματος ή κύματος χώρου οδηγούμαστε σε δύο σημαντικές παρατηρήσεις:
Αν η ελάχιστη οριακή απόσταση πέρα από την οποία έχουμε κάλυψη με ιονοσφαιρικό κύμα είναι μεγαλύτερη από την μέγιστη κάλυψη από το κύμα εδάφους, τότε υπάρχει ‘μια ζώνη σιγής’ όπου δεν φτάνει το εκπεμπόμενο από τον πομπό σήμα (σχήμα 4.2.9α). Είναι πράγματι σύνηθες το φαινόμενο ένας πομπός ραδιοεπικοινωνίας να λαμβάνεται πολύ μακριά και να μην υπάρχει καθόλου λήψη σε ενδιάμεσες θέσεις.
- Αν η ελάχιστη οριακή απόσταση της ιονοσφαιρικής ζεύξης είναι της ίδιας τάξης μεγέθους με την απόσταση κάλυψης του κύματος εδάφους (σχήμα 4.2.9β), τότε στην κεραία λήψης έχουμε τη συμβολή των δύο κυμάτων που ακολούθησαν διαφορετικούς δρόμους. Επειδή, όπως σημειώσαμε και με άλλη ευκαιρία, η συμβολή είναι διανυσματική, το αποτέλεσμα εξαρτάται από τη σχετική φάση των δύο σημάτων. Μπορεί να είναι αθροιστικό (εντονότερο σήμα) ή αφαιρετικό (ελττωμένο σήμα). Είναι το φαινόμενο των ‘διαλείψεων του σήματος (Fading)’. Οι διαλείψεις δεν είναι σταθερό φαινόμενο, αλλά εξελίσσεται συνεχώς. Εξαρτάται από τους δρόμους των σημάτων, την κατάσταση της ιονόσφαιρας, από δευτερογενείς ενδεχομένως ανακλάσεις του κύματος σε εμπόδια, από τις μετεωρολογικές συνθήκες κ.α.
Εφαρμογή 1: Έχει ανακοινωθεί από την αρμόδια υπηρεσία ότι οι συχνότητες MUFκαι LUFείναι 22 MHzκαι 12 MHz αντίστοιχα. Ποια ή ποιες από τις παρακάτω συχνότητες μπορούμε να επιλέξουμε για ραδιοζεύξη με ιονοσφαιρικό κύμα .
(10 MHz, 8 MHz, 16 MHz, 25 MHz, 19 MHz)
Λύση: Μπορούμε να επιλέξουμε τις 16 MHzκαι 19 MHz, που επαληθεύουν τη σχέση (4)
Εφαρμογή 2: Κύμα συχνότητας f1=20 MHzή f2=28 MHzανακλάται ευκολότερα στην ιονόσφαιρα; Υποθέτουμε ότι και oi δύο συχνότητες ικανοποιούν τη συνθήκη (4).
Λύση: Το κύμα με συχνότητα 20 MHz (μεγαλύτερο μήκος κύματος).
