מה זה התפשטות גל? הגדרה, משוואה וסוגיה

גל הוא הפרעה שמעבירה אֵנֶרְגִיָה דרך מדיום או שטח עם העברה המונית זניחה או ללא כמות. ישנם סוגים שונים של גלים אשר מעניקים סוגים רבים ושונים של שירותים. גלים אלקטרומגנטיים נמצאים בשימוש נרחב ב יישומים הנדסיים . אנו משתמשים בצורות גל בסוגים שונים של יישומים כגון אלחוטי תִקשׁוֹרֶת , מכ'ם, חקר חלל , ימי, ניווט רדיו, חישה מרחוק וכו '... בין יישומים אלה, יש המשתמשים במדיום מודרך לשליחת גלים ואילו יש המשתמשים במדיום הבלתי מונחה. במאמר זה נדע כיצד תכונות המדיום משפיעות על התפשטות הגלים ועל דרכים שונות בהן גל מתפשט.

מה זה התפשטות גל? - הגדרה

גלים אלקטרומגנטיים נוצרים על ידי הכוח המוקרן מהנשא הנוכחי נהג . במנצחים, חלק מה- כוח שנוצר בורח ומתפשט למרחב פנוי בצורה של גל אלקטרומגנטי , שיש לו שדה חשמלי משתנה בזמן, שדה מגנטי וכיוון התפשטות אורתוגונאלי זה לזה.

הקרין מ- משדר איזוטרופי, גל זה עובר בדרכים שונות כדי להגיע למקלט. הנתיב שעבר הגל לנסוע מהמשדר ולהגיע למקלט מכונה התפשטות גל.

התפשטות גל אלקטרומגנטית (EM) או רדיו

כאשר רדיאטור איזוטרופי משמש ל הפצה של גלי EM אנו מקבלים חזיתות גל כדוריות כפי שמוצג באיור מכיוון שהוא מקרין גלי EM באופן אחיד ושווה לכל הכיוונים. כאן מרכז הכדור הוא הרדיאטור ואילו רדיוס הכדור הוא R. ברור שלכל הנקודות במרחק R, השוכבות על פני הכדור יש צפיפות כוח שווה.

חזית גל כדורית

גלי ה- E נעים בחלל הפנוי במהירות האור. כלומר. c = אבל EM גלים עוברים דרך מדיום אחר המהירות מפחיתה. מהירות גלי EM בכל מדיום שאינו שטח פנוי ניתנת על ידי,

כאשר c היא מהירות האור והיא היתירות יחסית של המדיום.

גלי EM מעבירים אנרגיה על ידי קליטה ופליטה מחודשת של אנרגיית הגל על ​​ידי האטומים במדיום. האטומים סופגים את אנרגיית הגל, עוברים רעידות ומעבירים את האנרגיה על ידי פליטה מחודשת של EM באותו תדר. הצפיפות האופטית של המדיום משפיעה על התפשטות גלי EM.

משוואת התפשטות הגלים

גלים עוברים מסלולים רבים בדרכם להגיע למקלט. פרמטרים רבים קובעים את המסלול שעובר הגל כגון גבהים של השידור והקבלה אנטנות , זווית ההשקה בסוף השידור, תדירות הפעולה קיטוב וכו…

רבים מהתכונות של הגלים משתנים במהלך התפשטות כמו השתקפות, שבירה, עקיפה וכו '... בגלל השונות של פרמטרים של אמצעי התפשטות כמו מוליכות, חדירות, חדירות ומאפיינים של חסימת עצמים.

באופן כללי, כאשר כוח מוקרן במרחב הפנוי, אנרגיית הגל עשויה להיות מקרינה או נספגת על ידי האובייקטים במדיום. לכן בזמן העברת גל דרך מדיום, חיוני לחשב את האובדן שיכול להיגרם לגל. הפסד זה נקרא אובדן שידור רדיו , אשר מבוסס על חוק אופטי מרובע הפוך ומחושב כיחס הכוח המוקרן לעוצמה שהתקבלה.

מעגל רדיו שטח חופשי של פריס

כפי שאנו יודעים שכאשר משתמשים במשדר איזוטרופי, הכוח מחולק באופן שווה, הספק ממוצע יכול לבוא לידי ביטוי במונחים של הספק מוקרן כמו,

ההנחיה של אנטנת בדיקה ניתנת על ידי

נניח כי האנטנה המקבלת מקבלת את כל הכוח שנוצר מגלי הרדיו ללא כל הפסד. תן להיות ההספק המרבי שמקבלת אנטנת המקלט בתנאי עומס תואמים. מתי הצמצם היעיל של האנטנה המקבלת, נוכל לכתוב כ,

באופן כללי, ישירות ויעילה צוֹהַר אזור לכל אנטנה קשור כ

בואו תהיה ההכוונה של האנטנה המקבלת. לאחר מכן,

החלפת הערך ב- (3) שנקבל,

משוואה זו ידועה בשם המשוואה היסודית להפצת שטח פנוי, המכונה גם טָרִי משוואת שטח פנוי. הגורם ( λ / 4πr)^שתיים נקרא אובדן נתיב שטח פנוי המציין את אובדן האות. אובדן נתיב יכול לבוא לידי ביטוי כ

אנו יכולים לבטא את המשוואה (6) ב- dB כ,

כוח המתקבל יכול לבוא לידי ביטוי כ

אשר, על הפשט ניתנת כ,

כאן המרחק r מתבטא בקילומטר ואילו התדר f מתבטא ב MHz . זה מצביע על אובדן עקב התפשטות הגלים המתרחשת כאשר הוא מתפשט מחוץ למקור.

סוגי התפשטות הגלים

הגלים האלקטרומגנטיים או התפשטות גלי הרדיו, העוברים בסביבת כדור הארץ, תלויים לא רק בתכונות של עצמם אלא גם בתכונות של הסביבה. ישנם מסלולי התפשטות שונים שבאמצעותם הגלים המועברים יכולים להגיע למקלט. כל המצבים הללו תלויים בתדירות הפעולה, המרחק בין המשדר למקלט וכו '...

התפשטות גל

• הגלים שמתפשטים ליד פני האדמה נקראים גלי קרקע. סוג זה של התפשטות אפשרי כאשר האנטנה המשדרת והמקבלת שניהם סגורים לפני האדמה.
• גלי הקרקע הנעים ללא השתקפות נקראים גלים ישירים או גלי חלל.
• גלי הקרקע המתפשטים לאנטנה המקבלת דרך ההשתקפות מעל פני האדמה נקראים גלים מוחזרי קרקע או גלי שטח.
• הגלים שמגיעים לאנטנה הקולטת בגלל פיזור והשתקפות על ידי יינון באטמוספירה העליונה נקראים גלי גלים.
• הגלים המשתקפים או מפוזרים בטרופוספירה לפני שהגיעו לאנטנה נקראים גלי טרופוספירה.

התפשטות גל קרקע או גל שטח

גל קרקע נע לאורך פני האדמה. גלים אלה מקוטבים אנכית. אז אנטנות אנכיות שימושיות עבור גלים אלה. אם גל מקוטב אופקי מופץ כגל קרקע, בגלל מוליכות כדור הארץ, השדה החשמלי של הגל מקבל קצר.

כאשר גל הקרקע מתרחק מהאנטנה המשדרת הוא מוחלש. כדי למזער אובדן זה על נתיב ההולכה להיות על פני הקרקע עם מוליכות גבוהה. ביחס למצב זה, מי ים צריכים להיות המוליכים הטובים ביותר אך נצפה כי אגירה גדולה של מים בבריכות, באדמה חולית או סלעית מציגה הפסדים מרביים.

לפיכך, משדרים בתדרים נמוכים בעלי הספק גבוה, המשתמשים בהתפשטות גלי קרקע, רצוי להימצא בחזיתות האוקיינוס. מכיוון שאובדן קרקע גדל במהירות עם תדר, התפשטות זו משמשת כמעט לאותות עד תדר 2 מגה-הרץ בלבד.

עבור שידור גל בינוני, אם כי עדיף גלי קרקע מועברת אנרגיה מסוימת ליונוספירה. אבל בשעות היום האנרגיה נקלטת לחלוטין על ידי היונוספירה ובזמן הלילה היונוספירה משקפת אנרגיה חזרה לכדור הארץ. כך שכל אות השידור המתקבל במהלך היום נובע מגל קרקע בלבד.

הטווח המרבי של התפשטות גלי הקרקע תלוי לא רק בתדר, אלא גם בכוחו של המשדר. כאשר גלי קרקע עוברים מעל פני האדמה הם נקראים גם גל פני השטח.

התפשטות SkyWave

כל תקשורת רדיו ארוכה בתדרים בינוניים וגבוהים מתבצעת באמצעות התפשטות גלי שמים. במצב זה השתקפות גלי EM מהאזור המיונן בחלקה העליון של האטמוספירה של כדור הארץ משמשת להעברת גלים למרחקים ארוכים יותר.

חלק זה של האטמוספירה נקרא יונוספירה שנמצאת בגובה 70-400 ק'מ. היונוספירה משקפת את גלי ה- EM בחזרה אם התדר הוא בין 2 ל -30 מגה-הרץ. לפיכך, אופן התפשטות זה מכונה גם התפשטות גל קצר.

שימוש בתפוצת נקודת התפשטות גלי שמים אפשרית למרחקים ארוכים. עם ההשתקפויות המרובות של גלי השמים, אפשרית תקשורת גלובלית למרחקים ארוכים במיוחד.

אך חסרון הוא שהאות שהתקבל במקלט דעך בגלל מספר רב של גלים שעוקבים אחר מספר רב של נתיבים שונים כדי להגיע לנקודת הקבלה.

התפשטות גלי החלל

כאשר אנו מתמודדים עם גלי EM בתדר שבין 30 מגה הרץ ל -300 מגה הרץ, התפשטות גלי החלל שימושית. כאן תכונות של טרופוספירה משמשים להעברה.

כאשר אנו פועלים במצב התפשטות גלי חלל, הגל מגיע לאנטנה המקבלת ישירות מהמשדר או לאחר השתקפות מהטרופוספירה שנמצאת בערך 16 ק'מ מעל פני האדמה. מכאן שמצב גלי החלל מורכב משניים רכיבים .כְּלוֹמַר. גל ישיר ו גל עקיף .

למרות שרכיבים אלה מועברים בו זמנית עם אותו שלב הם עשויים להגיע בתוך השלב או מחוץ לשלב זה עם זה בקצה המקלט, תלוי באורכי הנתיב השונים. לפיכך, בצד המקלט עוצמת האות היא סכום הווקטור של עוצמות הגלים הישירים והעקיפים.

החלל התפשטות גלים מצב משמש להפצה של תדרים גבוהים מאוד.

איזה מההפצה משמש לשידור גל קצר

שידור גל קצר מתקיים בדרך כלל בטווח התדרים של 1.7 - 30 מגה הרץ. כפי שראינו לעיל התדרים בטווח זה מועברים דרך מצב התפשטות Skywave.

בהתאם לתדירות או אורך הגל הגלים האלקטרומגנטיים מייצרים מושפעים שונים בחומרים והתקנים שונים. מכאן, החלקים השונים של הספקטרום האלקטרומגנטי משמשים ליישומים שונים. איזה מהתפשטות הגלים מסקרן אותך? יישום של איזה מצב התפשטות אתה מוצא מאתגר.