CURSUL 02A

PROPAGAREA UNDELOR RADIO

(Notiuni de baz)

II.1 Atmosfera Pmntului

Este format din mai multe straturi, a cror descriere sumar este prezentat n cele ce urmeaz:

Exosfera

Este stratul ultim al atmosferei terestre. n aceast zon foarte rarefiat, atomii i moleculele existente pot evada n spaiu iar sateliii orbiteaz Pmntul

Termosfera

Acest strat este caracterizat de mari fluctuaii de temperatur (de unde i denumirea) i conine mai puin de 0.01% din toat cantitatea de aer din atmosfer.

Radiaiile ultraviolete i X, de mare energie, de la Soare sunt absorbite de moleculele din acest strat, ceea ce cauzeaz creterea temperaturii (n staturile superioare poate depi 20000C).

Aceste radiaii sunt responsabile pentru crearea Ionosferei, strat format din gaze ionizate, localizat n termosfer, ntr- o inel aflat ntre 60 300 km deprtare de Pmnt.

El este divizat n 3 regiuni sau straturi: F, E i D; n timpul zilei stratul F se divide n dou straturi care se recombin noaptea.

Toate cele trei straturi devin mai dense pe timpul zilei si descresc n timpul nopii (stratul D practic dispare).

Mezosfera

Dei gazele (inclusiv moleculele de oxigen) din aceast zon sunt n continuare putin dense, ele reuesc s ncetineasc viteza meteoriilor care intr i se dezintegreaz n atmosfer. Temperatura variaz ntre -150C i 1200C.

Stratosfera

Acest strat reprezint cca. 19% din gazele atmosferice dar foarte puini vapori de ap. Temperatura crete cu nalimea (-600C -150 C) pe msur ce moleculele de oxigen absorb radiaia incident ceea ce conduce la formarea ozonului.

TroposferaEste zona n care vieuim.Aproapte toate fenomenle atmosferice au loc aici. Densitatea gazelor descrete cu nalimea ca, de altfel, i temperatura (+170 C -510C). II.2 Factori de influenPropagarea undelor radio ntre antena de emisie i cea de recepie este influenat de suprafaa Pmntului, atmosfer, precipitaii, etc. Influena acestor factori este puternic dependent de frecvena undei, de direcia de propagare i de gradul de apropiere a antenelor de suprafaa Pmntului. Natura fizic a cii de propagare are, deasemenea, un efect semnificativ, propagarea deasupra unui luciu de ap fiind cu totul diferit de cea realizat deasupra unui sol uscat sau deasupra unui sol cu vegetaie bogat. Efecte specifice de propagare apar n zonele urbane unde cldirile nalte produc numeroase efecte de mprtiere i difracie a undelor.

Evaluarea unei linii de comunicaii trebuie fcut lund n consideraie toate efectele de propagare. n cazurile n care propagarea este puternic influenat de variaia indicelui de refracie al atmosferei sau n zona respectiv frecvena precipitaiilor este mare, evaluarea trebuie fcut n sens statistic. Trebuie asigurat o rezerv a raportului semnal/zgomot la recepie suficient de mare pentru ca timpul de recepie imposibil sau n condiii inacceptabile s reprezinte o fraciune extrem de mic din timpul total de recepie. Limita acceptabil depinde de tipul sistemului de comunicaii.

Performanele unui sistem de comunicaii pot fi estimate pe baza caracteristicilor cunoscute sau presupuse ale cii de propagare.

n funcie de caracteristica ce influeneaz cel mai puternic propagarea undelor, frecvena, prezentm, mai jos, o clasificare generic a undelor radio dup calea lor de propagare:

Analiza de mai jos descrie succint, modul de propagare a undelor radio funcie de principalele benzi de frecven utilizate:

1.Frecvene extrem de joase (Extremely low frequency ELF) f < 3 kHz.

Lungimea de und mai mare de 100 Km din aceast band face ca antenele s fie de dimensiuni mari i, n mod necesar, apropiate de sol (uneori chiar ngropate n sol). Spaiul Pmnt Ionosfer are nlime comparabil cu lungimea de und i se comport ca un ghid de und favoriznd propagarea pe distane mari. Frecvenele din acest band se utilizeaz, n special, n comunicaii subacvatice, deoarece atenuarea produs de apa srat a mrilor i oceanelor se pstreaz nc la valori acceptabile pentru aceste frecvene, ea crescnd la valori foarte mari pentru frecvene de peste 3 KHz.

2. Frecvene foarte joase (Very low frequency - VLF) f = 3 30 kHz;

Lungimi de und de asemenea mari; datorit variaiei diurne a stratului ionosferic D , nlimea ghidului de und Pmnt Ionosfer variaz ,influennd propagarea. Se utilizeaz n special n telegrafie i sisteme de navigaie.

3. Frecvene joase (Low frequency LF) f = 30 300 kHz i Frecvene medii (Medium frequency MF) f = 300 kHz 3 MHz

n aceste domenii predomin propagarea prin unde terestre , caracteristica de radiaie fiind puternic influenat de prezena Pmntului. n domeniu LF componenta de suprafa a undei terestre este utilizat pentru comunicaii la mare distan i n navigaie. Antenele au nc dimensiuni mari iar emitoarele sunt de mare putere.

Creterea benzii de frecven disponibile n MF permite utilizarea acestei benzi n radiodifuziune i dei atenuarea undei de suprafa este mai mare ca n LF , distana de propagare poate atinge cteva sute de km, indeosebi pe timp de zi. Noaptea, propagarea undelor cosmice prin intermediul stratului ionosferic D este posibil, ceea ce poate conduce la interferene dintre unda direct i unda reflectat pe stratul D, astfel c, la recepie, funcie de faza undelor, semnalul rezultat poate fi mai slab sau mai tare, dnd astfel natere fenomenului de fading.

4. Frecvene nalte (High frequency HF) f = 3 30 MHz

Propagarea prin unde terestre mai exist dar, predominant, devine propagarea prin unde cosmice sau ionosferice. Aceste frecvene sunt reflectate de ionosfer i sunt utilizate pentru transmisii la mari distane (mii de Km). Specific acestor sisteme de transmisie este existena unei "zone de tcere" n care nu se recepioneaz nici unda de suprafa, care este atenuat de suprafaa Pmntului, nici unda reflectat de ionosfer, care ajunge la nivelul solului la distan mult mai mare de emitor fa de distana la care nivelul undei de suprafa scade sub un prag admisibil. Exemplul tipic al acestui tip de transmisie este radiodifuziunea pe unde scurte, caz n care se renun n mod deliberat la utilizarea undei de suprafa, emisia realizndu-se direct ctre ionosfer. Reflexia este influenat de densitatea de electroni liberi a ionosferei i de nlimea ionosferei fa de suprafaa Pmntului, parametri ce variaz de-a lungul unei zile, de la un anotimp la altul precum i n funcie de activitatea solar. Transmisiile ionosferice sunt afectate de fading5. Frecvenele foarte nalte (Very high frequency VHF) f = 30 300MHz i Frecvenele ultra nalte (Ultra High frequency UHF) f = 300 MHz 3 GHz.

Aceste frecvene sunt prea nalte pentru propagare ionosferic (pierderi foarte mari prin absorbia undei de ctre ionosfer), astfel nct comunicaiile au loc prin transmisii directe (la vedere) i prin componentele reflectate de Pmnt ale undelor spaiale. Antenele sunt relativ mici ca dimensiuni fizice i pot fi montate pe piloni la cteva lungimi de und deasupra Pmntului. n aceste condiii, undele spaiale sunt predominante. Banda de frecvene disponibil este suficient pentru a permite emisiuni FM i TV de calitate, dar propagarea este n mod natural restricionat la zone aflate n orizontul radio i acoperirea este esenialmente local. Analiza propagrii undelor spaiale n VHF i UHF trebuie s in cont i de problemele cauzate de reflexiile de sol respectiv de obstacolele realizate de om (cldiri, construcii, etc.). Trebuiesc luate n calcul de asemenea, difracia pe obstacole i cldiri i refracia n atmosfer. La frecvene de peste 1 GHz atenurile sunt foarte mari datorit absorbiei gazoase i apar fenomene multiple de difracie i mprtiere a undelor.

6.Frecvene super nalte (Super high frequency SHF) f = 3 30 GHz

Aceste frecvene sunt denumite n general microunde, termenul putnd fi utilizat i pentru frecvenele din UHF de peste 1.5 GHz. ntre emitor i antena de recepie trebuie s exsiste vizibilitate direct deoarece pierderile n atmosfer la aceaste frecvene sunt foarte mari.Antenele devin compacte, cu ctig mare, de tip reflector care concentreaz radiaia n direcia dorit. Frecvenele din aceast band sunt utilizate pentru comunicaii prin satelit, link-uri terestre punct la punct, radare i sisteme de comunicaii de raz scurt de aciune (telecomenzi, n interiorul cldirilor, etc.).Pe lng absena interferenei cu alte sisteme de comunicaii, transmisiile pe frecvene de peste 20 GHz asigur i o protecie total a informaiei transmise, tocmai din cauz c unda nu poate fi recepionat la distan mare. Pentru comunicaiile ntre satelii se aleg frecvene ce coincid cu liniile spectrale ale oxigenului sau azotului, cu coeficient de absorbie extrem de mare, astfel c unda este absorbit de atmosfera Pmntului nc din poriunea ei superioar, foarte rarefiat.

7. Frecvene extra nalte (Extra high frequency EHF) f = 30 300 GHz.

Frecvenele din aceast band sunt adesea denumite unde milimetrice. n comparaie cu benzile frecvenelor joase, n aceast band sunt disponibile benzi de frecven pentru semnale foarte mari.

Propagarea n linie dreapta (vedere direct) este predominant i dei interferenele cu undele reflectate de Pmnt sunt posibile ele sunt neglijabile. Atenuarea Pmntului este neglijabil deoarece rugozitatea solului este acum mai mare ca lungimea de und a semnalului. Numai cnd solul este neted sau este prezent un luciu de ap reflexia undelor poate juca un rol important. n banda undelor milimetrice cele mai importante efecte care trebuiesc luate n considerare sunt mprtierea care are loc n timpul precipitaiilor (ploaie, ninsoare) i, la anumite frecvene, absorbia de ctre cea, vapori de ap (la 22 GHz) i alte gaze atmosferice (absorbia de ctre oxigen la 60 GHz). Totui ntre aceste linii de absorbii exist ferestre cu atenuare mai mic care pot fi exploatate pentru realizarea comunicaiilor (ex. sisteme microcelulare, comunicaii securizate pe distane scurte).

n figura II.1 avem o prezentare grafic simpl a diverselor moduri de propagare a undelor radio.

n tabelul II.1 este prezentat o sintetez a celor discutate pn acum i precizez recomandrile ITU privitoare la diverse modele de propagare (unele le vom aminti i n cele ce urmeaz).

Fig.II.1 Tabelul II.1BandaFrecvenaMod de propagareDistana acoperitExemple de utilizareRec. ITU-R

VLF3 30 kHzGhid de undn x 1000 kmRadionavigaie

RadiocomunicaiiP.684

LF30 300 kHzUnde terestre

Unde cosmicen x 1000 kmRadionavigaie

RadiocomunicaiiP.368

P.1147

MF0.3 3 MHzUnde terestre

Unde cosmiceCiteva mii de kmDistane medii punct la punct, radiodifuziune, mobil maritimP.368

P.1147

HF3 30 MHzUnde cosmicePn la 1000 kmDistane scurte i lungi punt la punct, radiodifuziune mobilP.533

VHF30 300 MHzUnde spaiale

mprtiere troposfericPn la cteva sute de kmDistane medii i scurte punct la punct, com. mobile, LAN, radiodifuziune (sunet i TV)P.1546,

P.617

UHF0.3 3 GHzUnde spaiale

mprtiere troposferic

Difracie, DirectMai puin ca 100 kmDistane medii i scurte punct la punct, com. mobile, LAN, radiodifuziune (sunet i TV)P.1546

P.530, P.617,

P618, P.452,

P.1238, P.1411

SHF3 30 GHzDirect (la vedere)Mai puin ca 30 kmDistane scurte punct la

punct,com. mobile, LAN, radiodifuziune (sunet i TV)- satelit, radionavigaieP.530, P.618

P.452, P.1410

P.1411

EHF30 300 GHzDirect (la vedere)Mai puin ca 20 kmDistane scurte punct la

punct,microcelule, LAN, com. satelitP.618, P1238

P.1410, P.1411

II.3 Pierderi de propagare

Datorit propagrii pe distana dintre emitor i receptor i a interaciunilor cu obstacolele din mediu undele electromagnetice i micoreaz puterea. Evaluarea acestei micorri se realizeaz prin pierderile de propagare (path loss), definite ca raportul dintre puterea recepionat i cea emis:

(2.1)

sau:

(2.2)

Raportul de mai sus este totdeauna subunitar (negativ n dB).

II.3.1 Fenomene asociate propagrii undelor radio

Fenomenele fizice prin care undele electromagnetice se propag n mediu se pot grupa n trei mari categorii: reflexie, difracie i transmisie.

Reflexia const n schimbarea direciei de propagare a undei la ntlnirea unei suprafee cu dimensiuni mai mari ca lungimea ei de und, are loc cu respectarea legilor de reflexie a luminii (Snell) i este asociat cu pierderea unei fraciuni importante din puterea incident.

Difracia este fenomenul prin care unda electromagnetic i schimba direcia de propagare la ntlnirea unor muchii sau vrfuri ascuite, pierderile de difracie fiind mult mai mari ca cele de reflexie. Un corp, prin suprafeele i muchiile lui, produce numeroase unde reflectate i difractate atunci cnd se constituie ca un obstacol n calea undei electromagnetice. Cnd unda electromagnetic ntlnete un grup de obstacole cu dimensiuni comparabile sau mai mici ca lungimea de und au loc numeroase fenomene de reflexie i difracie ce alctuiesc mpreun fenomenul denumit mprtiere (scattering). Este cazul de exemplu, al zonelor verzi din aglomeraiile urbane, al pdurilor i terenurilor cultivate care, n urma fenomenelor de mprtiere, produc o atenuare semnificativ a undei electromagnetice.

Transmisia este fenomenul echivalent refraciei undelor luminoase i const n propagarea undei electromagnetice prin perei dielectrici permind, de exemplu, acoperirea cu cmp electromagnetic a spaiilor din interiorul cldirilor. Pierderile de transmisie depind de natura dielectricului, de grosimea peretelui i de unghiul de inciden a undei.

II.3.2 Pierderi de propagare n aer liber

n situaia ideal n care antena receptoare primete numai unda direct, pierderile de propagare se datoreaz numai repartizrii puterii emise pe aria n continu cretere a suprafeei frontului de und. Aceste pierderi se numesc pierderi n aer liber i reprezint valoarea minim a pierderilor de propagare ntre dou puncte date. n situaii reale propagarea este nsoit de fenomene de reflexie / difracie / transmisie care conduc la creterea valorii pierderilor de propagare.

Dac Pe este puterea de intrare n antena de emisie i Ge este ctigul acesteia n direcia antenei de recepie, atunci intensitatea radiaiei (adic puterea radiat n unghiul solid de 1 radian) pe aceast direcie este:

(2.3)

Corespunztor distanei d ce separ cele dou antene unitatea de unghi solid subntinde o suprafa numeric egal cu d2, astfel c densitatea de putere (adic puterea recepionat pe o suprafa de 1 m2) la locul de recepie este:

(2.4)

iar puterea recepionat de o anten cu ctigul Gr n direcia antenei de emisie este:

(2.5)unde c = 3 x 108 m/s reprezint viteza luminii n vid, iar reprezint suprafaa efectiv a unei antene de recepie ce are ctigul n direcia din care vine unda radio.

Din relaia de mai sus rezult c pierderile de propagare n aer liber au expresia:

(2.6)

relaie cunoscut ca relaia fundamental de propagare n spaiul liber sau ecuaia Friis.Exprimat n dB, relaia devine:

(2.7)sau:

(2.8)Indicii simbolurilor pentru frecvena f i distana d reprezint unitile de msur ce au fost folosite pentru acestea, astfel c, nlocuind i valoarea cunoscut a vitezei luminii n vid c, rezult valoarea de 32,44 pentru constanta numeric din relaie.

Relaiile de mai sus indic o cretere a pierderilor de propagare n aer liber proporional cu puterea a doua att a frecvenei, ct i a distanei (2.6). Echivalent, n decibeli (2.8), pierderile de propagare n aer liber cresc liniar cu o pant de 20 dB/decad att cu logaritmul frecvenei, ct i cu cel al distanei dintre antena de emisie i cea recepie.

n regiunea de radiaie a oricrei antene cmpul electromagnetic este o und radio plan ce se propag transversal, adic vectorii E i H sunt perpendiculari ntre ei i amndoi sunt perpendiculari pe direcia de propagare (fig. II.2):

Fig.II.2

Densitatea de energie (energia pe unitate de volum W/m3) a undelor EM:

(2.9) Din relaiile: , rezult:

(2.10)expresie care evideniaz faptul c, ntr-o und electromagnetic, densitatea de energie asociat cmpului E este egal cu cea a cmpului H. Se poate scrie de asemenea:

, care este impedana vidului.

(2.11)

Deoarece cmpurile E i B nainteaz n timp spre regiuni n care iniial nu erau cmpuri , este clar c unda transport energie dintr-o regiune n alta. Aceast energie este de fapt o energie transmis n unitatea de timp pe unitatea de arie, suprafa situat perpendicular pe direcia de propagare a undei, ceea ce n termeni tehnici numim densitate de putere; aceasta se noteaz cu S sau PD, fiind descris de relaia ( [PD]= [w] m /s=[0][E2]m /s=F/m V2/m2 m s=A m V m=[E][H] ) :

(2.12)

iar se numete vectorul Poynting, direcia lui coinciznd cu direcia de propagare a undei.

Viteza undelor electromgnetice n vid este: ,

Permitivitatea electric : 0 = 8,854 x 10-12 F/m [0 ]= F / m = As /V

Permiabilitatea magnetic: 0 = 410-7 N / A [0]= N / A2

Caracteristici importante ale undelor electromagnetice (EM):

undele sunt transversale (E i H sunt perpendiculare pe direcia de propagare a undelor i perpendiculare unul pe cellalt),

exist un raport bine precizat ntre E i B:

undele se propag cu vitez finit i constant: c

Din relaiile (2.4) i (2.12) se poate determina valoarea efectiv a componentei electrice a cmpului electromagnetic considerat cu variaie armonic n timp:

(2.13)

Combinn relaiile (2.5) cu (2.12) putem obine o alt relaie pentru puterea maxim utilizabil la recepie:

(2.14)

Este deseori util particularizarea expresiei pierderilor L n cazul antenelor izotropice (radiaz uniform n toate direciile, adic G=1), rezultnd formula pentru pierderile de baz LB:

(2.15)

n figurile II.3 i II.4 sunt prezentate graficele pentru pierderile de propagare n spaiul liber funcie de distan cu frecvena parametru (reprezentare liniar respectiv logaritmic)

Fig.II.3 Fig. II.41

_1319868433.unknown

_1319868435.unknown

_1319868436.unknown

_1319868434.unknown

_1319868431.unknown

_1319868432.unknown

_1319868429.unknown

_1319868430.unknown

_1319868428.unknown