Was ist Wellenausbreitung? Definition, Gleichung und ihre Typen

Welle ist eine Störung, die überträgt Energie durch Medium oder Raum mit vernachlässigbarem oder keinem Stoffübergang. Es gibt verschiedene Arten von Wellen, die viele verschiedene Arten von Diensten erbringen. Elektromagnetische Wellen sind weit verbreitet in technische Anwendungen . Wir verwenden Wellenformen in verschiedenen Arten von Anwendungen, z. B. drahtlos Kommunikation , Radar, Weltraumforschung , Marine, Funknavigation, Fernerkundung usw. Unter diesen Anwendungen verwenden einige geführte Medien zum Senden von Wellen, während andere das ungeleitete Medium verwenden. In diesem Artikel würden wir wissen, wie sich die Eigenschaften des Mediums auf die Ausbreitung von Wellen und auf verschiedene Arten der Ausbreitung einer Welle auswirken.

Was ist Wellenausbreitung? - Definition

Elektromagnetische Wellen werden durch die Strahlungsleistung des stromführenden Stroms erzeugt Treiber . Bei Dirigenten ist ein Teil der erzeugte Energie entkommt und breitet sich in Form von in den freien Raum aus Elektromagnetische Welle , die ein zeitlich veränderliches elektrisches Feld, Magnetfeld und Ausbreitungsrichtung orthogonal zueinander hat.

Ausgestrahlt von einem isotroper Sender, Diese Welle bewegt sich auf verschiedenen Wegen, um den Empfänger zu erreichen. Der Weg, den die Welle nimmt, um vom Sender zum Empfänger zu gelangen, ist bekannt als Wellenausbreitung.

Elektromagnetische (EM) oder Funkwellenausbreitung

Wenn die isotroper Strahler wird verwendet für Übertragung von EM-Wellen erhalten wir sphärische Wellenfronten, wie in der Abbildung gezeigt, da sie EM-Wellen gleichmäßig und gleichmäßig in alle Richtungen ausstrahlen. Hier ist der Mittelpunkt der Kugel der Strahler, während der Radius der Kugel R ist. Es ist klar, dass alle Punkte im Abstand R, die auf der Oberfläche der Kugel liegen, gleiche Leistungsdichten haben.

Sphärische Wellenfront

Die E-Wellen bewegen sich im freien Raum mit der Lichtgeschwindigkeit .i.e. c = Aber EM Wellen bewegen sich durch ein anderes Medium, die Geschwindigkeit verringert sich. Die Geschwindigkeit von EM-Wellen in einem anderen Medium als dem freien Raum ist gegeben durch:

Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit und die relative Permittivität des Mediums.

EM-Wellen übertragen Energie durch Absorption und Reemission von Wellenenergie durch die Atome im Medium. Die Atome absorbieren die Wellenenergie, unterliegen Schwingungen und leiten die Energie durch Reemission von EM derselben Frequenz weiter. Die optische Dichte des Mediums beeinflusst die Ausbreitung von EM-Wellen.

Wellenausbreitungsgleichung

Wellen nehmen auf ihrem Weg zum Empfänger viele Wege. Viele Parameter bestimmen den Weg der Welle, wie z. B. die Höhe des Sendens und Empfangens Antennen , der Startwinkel am Sendeende, die Betriebsfrequenz Polarisation usw…

Viele der Eigenschaften der Wellen werden während der Ausbreitung verändert, wie z. B. Reflexion, Brechung, Beugung usw., aufgrund der Variation von Parametern der Ausbreitungsmedien wie Leitfähigkeit, Permittivität, Permeabilität und Eigenschaften behindernder Objekte.

Wenn Energie im freien Raum abgestrahlt wird, kann die Wellenenergie im Allgemeinen von den Objekten im Medium abgestrahlt oder absorbiert werden. Während der Übertragung einer Welle durch ein Medium ist es daher wichtig, den Verlust zu berechnen, der für die Welle verursacht werden kann. Dieser Verlust wird genannt Funkübertragungsverlust , die auf basiert inverses Quadratgesetz der Optik und wird als das Verhältnis der abgestrahlten Leistung zur empfangenen Leistung berechnet.

Friis Free Space Radio Circuit

Da wir wissen, dass bei Verwendung eines isotropen Senders die Leistung gleichmäßig verteilt wird, kann die durchschnittliche Leistung als Strahlungsleistung ausgedrückt werden als:

Die Richtwirkung einer Testantenne ist gegeben durch

Angenommen, die Empfangsantenne empfängt den gesamten von den Funkwellen erzeugten Strom ohne Verlust. Sei die maximale Leistung, die von der Empfängerantenne unter einer angepassten Lastbedingung empfangen wird. Wann ist die effektive Apertur der Empfangsantenne, wir können schreiben als,

Im Allgemeinen ist die Richtwirkung und Wirksamkeit Öffnung Bereich für jede Antenne ist verwandt als

Sei die Richtwirkung der Empfangsantenne. Dann,

Wenn wir den Wert in (3) einsetzen, erhalten wir:

Diese Gleichung ist als Grundgleichung für die Ausbreitung des freien Raums bekannt, auch bekannt als Frisch Freiraumgleichung. Der Faktor ( λ / 4πr)^zwei wird als Verlust des freien Speicherplatzes bezeichnet, der den Verlust des Signals anzeigt. Pfadverlust kann ausgedrückt werden als

Wir können die Gleichung (6) in dB ausdrücken als:

Die empfangene Leistung kann ausgedrückt werden als

Was zur Vereinfachung gegeben ist als:

Hier wird der Abstand r in Kilometer ausgedrückt, während die Frequenz f in ausgedrückt wird MHz . Dies zeigt einen Verlust aufgrund einer Wellenausbreitung an, die auftritt, wenn sie sich aus der Quelle ausbreitet.

Arten der Wellenausbreitung

Die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen oder Radiowellen durch die Umwelt der Erde hängt nicht nur von ihren Eigenschaften ab, sondern auch von den Eigenschaften der Umwelt. Es gibt verschiedene Ausbreitungswege, über die die gesendeten Wellen den Empfänger erreichen können. Alle diese Modi hängen von der Betriebsfrequenz, der Entfernung zwischen Sender und Empfänger usw. ab.

Wellenausbreitung

• Die Wellen, die sich in der Nähe der Erdoberfläche ausbreiten, werden genannt BODENWELLEN. Diese Art der Ausbreitung ist möglich, wenn sowohl die Sende- als auch die Empfangsantenne zur Erdoberfläche hin geschlossen sind.
• Die Bodenwellen, die sich ohne Reflexion ausbreiten, werden Direktwellen oder Raumwellen genannt.
• Die Bodenwellen, die sich durch Reflexion von der Erdoberfläche zur Empfangsantenne ausbreiten, werden als Bodenreflexionswellen oder Oberflächenwellen bezeichnet.
• Die Wellen, die aufgrund von Streuung und Reflexion durch die Ionisation in der oberen Atmosphäre die Empfangsantenne erreichen, werden als Skywaves bezeichnet.
• Die Wellen, die in der Troposphäre reflektiert oder gestreut werden, bevor sie die Antenne erreichen, werden Troposphärenwellen genannt.

Ausbreitung von Grundwellen oder Oberflächenwellen

Eine Bodenwelle bewegt sich entlang der Erdoberfläche. Diese Wellen sind vertikal polarisiert. Vertikale Antennen sind also für diese Wellen nützlich. Wenn sich eine horizontal polarisierte Welle aufgrund der Leitfähigkeit der Erde als Grundwelle ausbreitet, wird das elektrische Feld der Welle kurzgeschlossen.

Wenn sich die Bodenwelle von der Sendeantenne wegbewegt, wird sie gedämpft. Um diesen Verlust zu minimieren, muss der Übertragungsweg mit hoher Leitfähigkeit über dem Boden liegen. In Bezug auf diesen Zustand sollte Meerwasser der beste Leiter sein, es wurde jedoch beobachtet, dass eine große Wasserspeicherung in Teichen, sandigen oder felsigen Böden maximale Verluste aufweist.

Daher befinden sich Hochleistungs-Niederfrequenzsender, die Bodenwellenausbreitungen verwenden, vorzugsweise an Ozeanfronten. Da die Bodenverluste mit der Frequenz schnell zunehmen, wird diese Ausbreitung praktisch nur für Signale bis zu einer Frequenz von 2 MHz verwendet.

Für Mittelwellensendungen wird, obwohl Bodenwellen bevorzugt werden, etwas Energie an die Ionosphäre übertragen. Tagsüber wird die Energie jedoch vollständig von der Ionosphäre absorbiert und nachts reflektiert die Ionosphäre die Energie zurück zur Erde. Das gesamte tagsüber empfangene Sendesignal ist also nur auf die Bodenwelle zurückzuführen.

Der maximale Bereich der Bodenwellenausbreitung hängt nicht nur von der Frequenz, sondern auch von der Leistung des Senders ab. Wenn Bodenwellen über die Erdoberfläche laufen, werden sie auch als Oberflächenwelle bezeichnet.

SkyWave-Ausbreitung

Jede lange Funkkommunikation mittlerer und hoher Frequenzen wird unter Verwendung von Skywave-Ausbreitung durchgeführt. In diesem Modus wird die Reflexion von EM-Wellen aus dem ionisierten Bereich im oberen Teil der Erdatmosphäre zur Übertragung von Wellen auf größere Entfernungen verwendet.

Dieser Teil der Atmosphäre wird Ionosphäre genannt und befindet sich in einer Höhe von etwa 70 bis 400 km. Die Ionosphäre reflektiert die EM-Wellen zurück, wenn die Frequenz zwischen 2 und 30 MHz liegt. Daher wird diese Ausbreitungsart auch als Kurzwellenausbreitung bezeichnet.

Die Verwendung der Punktwelle von Himmel zu Punktkommunikation über große Entfernungen ist möglich. Mit den Mehrfachreflexionen von Himmelswellen ist eine globale Kommunikation über extrem große Entfernungen möglich.

Ein Nachteil ist jedoch, dass das am Empfänger empfangene Signal aufgrund einer großen Anzahl von Wellen, die einer großen Anzahl verschiedener Pfade folgen, um den Empfangspunkt zu erreichen, verblasst ist.

Raumwellenausbreitung

Wenn es sich um EM-Wellen mit einer Frequenz zwischen 30 MHz und 300 MHz handelt, ist die Ausbreitung von Raumwellen nützlich. Hier Eigenschaften von Troposphäre werden zur Übertragung verwendet.

Beim Betrieb im Raumwellenausbreitungsmodus erreicht die Welle die Empfangsantenne direkt vom Sender oder nach Reflexion von der Troposphäre, die sich etwa 16 km über der Erdoberfläche befindet. Daher besteht der Raumwellenmodus aus zwei Komponenten .i.e. direkte Welle und indirekte Welle .

Obwohl diese Komponenten zur gleichen Zeit mit der gleichen Phase übertragen werden, können sie je nach den unterschiedlichen Weglängen innerhalb der Phase oder außer Phase am Empfängerseite zueinander erreichen. Somit ist auf der empfängerseitigen Signalstärke die Vektorsumme der Stärken direkter und indirekter Wellen.

Der Raum Wellenausbreitung Modus wird zur Ausbreitung sehr hoher Frequenzen verwendet.

Welche der Ausbreitungen wird für Kurzwellenübertragungen verwendet?

Kurzwellenrundfunk findet üblicherweise im Frequenzbereich von 1,7 - 30 MHz statt. Wie wir oben gesehen haben, breiten sich die Frequenzen in diesem Bereich durch den Skywave-Ausbreitungsmodus aus.

Je nach Frequenz oder Wellenlänge erzeugen die elektromagnetischen Wellen in verschiedenen Materialien und Geräten unterschiedliche Auswirkungen. Daher die verschiedenen Teile der elektromagnetisches Spektrum werden für verschiedene Anwendungen eingesetzt. Welche Wellenausbreitung fasziniert Sie? Die Anwendung des Ausbreitungsmodus ist für Sie eine Herausforderung.