دانلود مقاله انتقال موج رادیو

انتقال موج رادیو

مقدمه

مطالعه انتقال انرژی در بسامد رادیو از یک نقطه (انتقال دهنده) به نقطه دیگر( در یافت کننده) انتقال موج رادیو نامیده می شود. امواج رادیویی بخشی از طیف الکترومغناطیسی وسیعی هستند که ازبسامدهای خیلی پایین توسعه می یابند این بسامدها بوسیله قدرت الکتریکی تولید می شود و براحتی با بسامدهای  بینهایت زیاد پرتوی منظم افزایش می یابند. بین این دو نقطه بی انتها باندهای بسامد برای استفاده های روزانه وجود دارد. بسامدهای رادیو در سیستم هایی برای تولید صداهای شنیدنی. بسامدهای رادیو- نور مادون قرمز و ماوراء بنفش و اشعه x استفاده می شود.

تمام امواج الکترومغناطیس بدون توجه به بسامد با همان سرعت منتقل می شوند. نور در موج الکترومغناطیسی و سرعت انتقال به سرعت نور اشاره دارد (C) سرعت نور در خلأ 108×3m/sec است.سرعت هر موج به فاصله متوسط آن بستگی دارد اما برای سادگی معمولاً سرعت در خلأ را در نظر می گیرند. بسامد موج با تعداد چرخشی در هر ثانیه یا هرتز(HZ)تعریف می شودکه به طول موج X ارتباط دارد و به این صورت بیان می شود. c/x=f. شکل 1- 1. 2

ردیف هایی با باندهای مختلف با طیف الکترومغناطیسی در بسامد و طول موج را نشان می دهد.

معمولاً بسامد رادیو در بخش زیری طیف الکترو مغناطیسی بسامدهای اشعه ماوراء بنفش قرار         می گیرد. در حال حاضر حد بالایی بسامدهای رادیویی تقریباً GHZ100 است . در طیف بسامد رادیو باندهایی از بسامد وجود دارد که به منظور انتقال رادیویی اختصاص دارد. روش ها و          بخش های زیر در باندهای طیف بسامد رادیو بکار می روند.

تقسیمات بسامد باند AM شامل بسامد متوسط (MF) KHZ300 تا 3 MHZ است. بسامدهای  باند FM و بخش باند TV حاوی باند VHF است که از 30MHZ به 300MHZ توسعه           می یابد. بقای تقسیمات TV شامل باند UHF از MHZ300 به GHZ3 است. تقسیمات برای خدمات کمکی انتشار رادیویی مثل دستگاه انتقال صدای گرامافون متحرک- استادیو یا اتحالات انتقال دهنده- ایستگاه تقویت ITES, MDS- intercity که با باندهای SHF, UHF-VHF-MF(بیشترین بسامد بالا) پراکنده می شوند. نمودار 1-1. 2 بعضی از تقسیمات طراحی اند.  را در منطقه انتقال رادیویی نشان می دهد. برای خدمات کمکی تقسیمات از یک زمان به زمان دیگر تغییر می کنند  همانطور که نیازهای مختلف مناطق برای بسامدهای رادیویی تغییر می کند و تکنولوژی برای تجهیزات اصلاح می شود.

انتقال کمیت: انرژی که در یک انتقال دهنده ساتع می شود ممکن است مسافتهای مختلفی را طی کرده باشد تا ما آن را دریافت کنیم. مسیر موج رادیو به چند عامل بستگی دارد این عوامل شامل : بسامد – نوع آنتن و ارتفاع آن- شرایط جوی زمین. امواج زمینی همان امواج رادیویی هستند که فقط از سطح زمین انتقال می یابند. گرچه تمام امواج رادیویی چند موج زمینی ترکیب کننده دارند چون زمین به طور متوسط یک محیط قابل انتقال است ولی آن شدیداً امواج رادیویی را تضعیف می کند (نازک می کند). این تضعیف با بسامد افزایش می یابد پس این نوع انتقال فقط برای بسامدهای زیر MHZ30 مفید است . جو زمین برای انجام یک فاصله کافی زمین را ترجیح می دهد چون زمین یک مخابره واسطه است. همانطور که در شکل 2-1. 2 توضیح داده شده جو شامل چند لایه مختلف است.

 تروپوسفر لایه ای است که از سطح زمین تا Km16 بالای زمین ادامه دارد. این لایه روش اصلی انتقال بسامدهای بالای MHZ30 است و انتقال از طریق این لایه به شرایط آب و هوایی بستگی دارد. لایه بعدی استراتوسفر است که تا 40 Km بالای زمین ادامه دارد این لایه اثر زیادی روی انتقال امواج رادیویی ندارد. یونسفرتاKm400 بالای سطح زمین ادامه دارد. این منطقه مسئول محیطی است که هوا به اندازه کافی یونیزه شده است. بیشتر به وسیله اشعه ماوراء بنفش خورشید امواج رادیویی زیر MHZ30 را منعکس یا جذب می کنند. یونوسفر دائماً تغییر می کند و معمولاً حاوی لایه های جزئی زیر است.

1) لایه O . این لایه در ارتفاع km 50 تا km 90 وجود دارد و در طول ساعات روشن روز بوجود می آید . تراکم الکترون مستقیماً به بزرگی زاویه خورشید بستگر دارد. این لایه امواجی که بسامدهای بالا و متوسطی دارند را جذب می کند.

 2) لایه E. این لایه در ارتفاع km110 وجود دارد و برای انتقال امواج با بسامد متوسط در زمان شب مهم است. یونیزاسیون این لاتیه کاملاً به زاویه بزرگی خورشید بستگی دارد. در زمانهای       بی نظم خاصی مثل زمانهای ابری ممکن است یونیزاسیون زیاد اتفاق نیفتد. این مناطق به عنوان sporqrdic E معروف است و گاهی اوقات مانع از امواجی که به لایه E نفوذ کرده اند و           می خواهندلایه های بالاتربروند می شوند.لایه sporqrdic E در طول تابستان و زمستان رایج است. این لایه در طول تابستان در طولانی ترین زمان تشکیل می شود از ماه می تا آگوست و در زمستان فقط در ماه دسامبر وجود داردر ماه های میانه تابستان زمانی که تراکم الکترون در بالاترین سطح آن است نشانه های TV در باند VHF در مسافت های بیش از 100 یا 1000 کیلیومتری منتقل     می شود.

3) لایه 1F . این لایه در ارتفاع 175 تا 200 کیلومتری و فقط در طول روز به وجود می آید امواجی که به لایه E نفوذ می کنند به این لایه نیز نفوذ می کنند و با لایه 2F منعکس می شوند. این لایه جذب اضافی امواج را شروع می کند.

4) لایه 2 F. این لایه در بالای مرزهای جو (250 تا 400 km) و درتمام مدت وجود دارد. گرچه ارتفاع و تراکم الکترون با تغییر شب و روز- فصل ها و چرخه های لکه های خورشیدی تغییر              می کند. در طول شب لایه 1F با 2F واقع در 300 کیلو متری ترکیب می شود. علاوه بر این کاهش لایه های D,E در شب باعث می شود که تراکم و صدا بیشتر از روز باشد.

انتقال فضای آزاد

برای ارزیابی و مقایسه انتقال امواج رادیویی در شرایط مختلف موسوم است که یک استاندارد مرجع بوجود آوریم. این استاندارد اتلاف امواج منتقل شده در فضای آزاد بین دو آنتن دلخواه را محاسبه می کند . ساده ترین حالت ارزیابی تابش ساتع شده از یک منبع ایزوتروپیک است: یک انتن دلخواه انرژی را با تراکم یک نواختدر تمام مسیر ها می تاباند. آنتن ایزوتروپیک  به منبع نور مثل شمع شباهت دارد. تراکم انرژی به طور متناسبی با تراکم  مربع فاصله از منبع متفاوت است. قدرت تغییر هر واحد( 2w/m ) Pa دریک فاصله (m)d ازاتلاف آنتن ایزو تروپیک آزاد وتابش قدرت Pt(w) به این روش بدست می آید:    1)                                      2 d π4Pa = Pt/

2 d π4 سطح دایره درفاصله d(m) از منبع است. قدرت موجود ازاتلاف آنتن آزاد Pr از قدرت متغییر هر واحد(Pa ) ومنطقه روزنه مؤثر آنتن دریافت (Ae ) تولید می شود. این منطقه به استفاده از آنتن ارتباط دارد وبه این طریق بیان می شود.   2)                                         π 4/2Ae= Gλ منطقه روزنه وفواید آن برای آنتن مخصوص درچاپ ششم کتاب جیبی مهندسی MAB صفحه 121 دیده می شود. دراتلاف آنتن ایزوتروپیک آزاد 1= G اتلاف انتقال فضای آزاد اصلی اینگونه تعریف می شود:  3)                                                                      2(λ/2 d π4 Lbf = Pt / Pr = (           

Dو λهمان واحد های قبلی هستند این معادله درشکل عادی تر دوباره نوشته شده است.

4)                                                                               log(d)     20+ log(F)20+44/32Lbf =

F بسامد مگاهرتز وd فاصله بین آنتن ها درکیلومتر است. درمعادله بالا اتلاف آنتن آزاد دلخواه مورد نطر است. درسیستم های واقعی جهانی استفاده از آنتن یک عامل مهم است. اتلاف انتقال L با استفادده ازآنتن ترکیب می شود وبه این صورت تعریف می شود.

5)                                                                                           L=Lbf – (Gt – Gr + Ld)  

دراین معادله Gt وGr آنتن فضای آزاد هستند که با توجه به ایزو تروپیک به ترتیب برای انتقال ودریافت آنتن مورد استفاده قرارمی گیرند. Ld روزنه اتلاف اتصال واسطه یا اتلاف اتصال دو قطبی بین آنها ست . مقدار Db,Ld o صفر است.    

درزمان انتقال ودریافت آنتن همان دو قطبی را دارد.

با توجه به منطقه اصلی پوشش ایستگاه انتقال رادیویی معیارها را بیشتر با واحدهایی ازمیدان قوی بیان می کنند. میدان قوی (RMS ) مربع متوسط ریشه (v/m)E درجایی که تراکم قدرت موج را (w/m2 )Pa داریم به این طریق بدست می آید.  6)                                  dPaπ E=   12.

π 12 impedence فضای آزاد است. میدان قوی به قدرت موجود از اتلاف آنتن ایزوتروپیک آزاد ارتباط دارد با ترکیب معادله 1-3و6 این معادله را بدست می آید.

7)                                                                               Pr/λ2                        2π.E= 48  

نوع مفید تر میدان فضای آزاد با واحدهای لگاریتمی بالای یک میکروولت در متر بیان می شود دراین حالت F درمگاهرتزو2P بیشتر ازkm 1 است.

8)                                                                   E=(dBu)= 1.7/2+Pr+2.log(F)dBu  

میدان الکتریکی با انتقال قدرت تابیده شده(w) Pt درفاصله d(m) درفضایی آزاد تولیدمی شود که از معادلات 1-3و6 مشتق شده است.  9)                                                     E= 3.p+/d2

درواحدهای لگاریتمی 1p دردسیبل بالای یک کیلو وات (dBk ) بیان می شود d درکیلومتر است  وآنتن انتقال دردسیبل های ایزومتروپیک بیشتر ازGt استفاده می کند.

10)                                                                   E(dBu)=1.5+Pt+G1-20log(d)

با استفاده ازهمان واحدها میدان قوی E(dBu) برای محیط های بدون فضای آزاد به انتقال اصلی ارتباط دارد.  11)                                                              137+20log(f)+Pt+Gt-E=Lb(Db)

این معادلات برای توصیف خصوصیات انتقال شکل گرفته اند. گرچه آنها درعوامل دنیای واقعی محاسبه نمی شوند. به اندازه کافی سیستم رادیویی واقعی توضیح داده شده است. اتلاف اضافی باید معادلات مشتق شده فضای آزاد بالا اضافه شود.

وجود زمین: زمانی که آنتن های دریافت و انتقال روی زمین قرار می گیرند انتقال امواج رادیویی از مدلهای فضای آزاد موجود در بالای زمین تغییر می کند. امواج رادیویی که به زمین نفوذ کردند بخش از آنها جذب می شود و بخشی از آنها منعکس شده یا جذب شده به بسامد و پایداری زمین بستگی دارد: انتقال و نفوذ پذیری الکتریکی.

انتقال روی سطح زمین

در شکل 3-1. 2

 موقعیت هندسی انتقال دلخواه بین دو آنتن روی سطح زمین نشان داده شده است. این هندسه برای آنتن هایی که بدقت تعیین محل شده اند معتبر است تا جاییکه منحنی زمین یک عامل نیست حتی آنقدر از هم دور هستند که انرژی ممکن است به عنوان یک سطح موج شرح داده شودو نظریه پرتو به کار برده می شود. مجموع پرتوهای کوچک Φ معتبر است و شایسته چند توضیح اضافی است. واحد Ed میدان الکتریکی فضای آزاد استکه در فاصله d(m) با پرتو مستقیم تولید می شود. [R]وR Φ بزرگ و مرحله ای از امواج رادیویی – موج دو قطبی و انحنای زمین دارد. بزرگی ضریب انعکاس بین 1+و1- متغیر است. ضریب انعکاس و تأثیرات طراحی شده متغیرهای تغییر یافته از معادله مشتق می شود و خاننده برای مطالعه بعدی به این اشاره می کند.          ∆Φ  مرحله تأخیر به دلیل راه طولانی تر است که باید بوسیله موج منعکس شده گرفته شود.

13)                                                                                                                      dλ/2h1hπ4= ∆Φ 

فرض کنید زمین به سطح صاف بزرگی نزدیک می شود که به این طریق بیان می شود:

14)                                                                                                    ( dλ/2h1hπ2Ed sin(2E=

چند حالت خاص از این معادله گرفته می شود.

حالت1)                                                                                         E=0             2/ λ   h1h2=d                     

حالت 2)                    E=2Ed                                                   4/ λ   h1h2=d

حالت 3)                                                                          E=Ed          12/ λ   h1h2=d           

بنابراین با توجه به ارتفاع آنتن فاصله وطول موج ممکن است میدان دریافت کننده کاملاً حذف شود یا بزرگی موج دو برابر قدرت میدان شود تا بتواند از میدان فضای آزاد انجام شود. تنوع یک قدرت به دلیل تأثیرات چند مسیری درعملکرد های یک نقطه به نقطه دیگر به حداقل مقدار خود می رسد این کار با استفاده از آنتن هایی با عرض پرتو باریک انجام می شود.

زمانی که به حالتی از آنتن VHF نزدیک زمین توجه می کنیم ارتفاع آنتن مؤثر hr(m) , ht(m) باید جایگزین h2,h1 معامله 14 شوند. برای تأثیراتی که به وسیله نفوذپذیری الکتریکی 2E وانتقال S از زمین بوجود می آید ارتفاعات آنتن جدید hr,ht مجاز هستند. ارتفاعات آنتن موثر به ارتفاعات آنتن فیزیکی بالای زمین ارتباط دارند.                ‌‌(1. 15)              2 ht =  h12+h.

(2. 15)      hr = h22+h.2  .         h. بستگی به نوع دوقطبی دارد.

 دوقطبی عمودی    (1. 16)                                   ‍[(E2+1)2+(60λδ)2]1/4  ( π h.=(λ/2

دوقطبی افقی         (1. 16)                                      ‍[(E2-1)2+(60λδ)2]-1  ( π h.=(λ/2

نمودار2-201 برای انتقال نفوذپذیری الکتریکی درشرایط مختلف خاک مقادیری بیان شده است. برای مثال فرض کنید که یک آنتن در 3 متری یک زمین ساحلی پهن – ماسه ای خشک قراردارد.