Wave Propagation คืออะไร? นิยามสมการและประเภทของมัน

คลื่นรบกวนที่โอน พลังงาน ผ่านสื่อหรืออวกาศที่มีการถ่ายเทมวลน้อยหรือไม่มีเลย คลื่นมีหลายประเภทที่ให้บริการหลายประเภท คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า มีการใช้กันอย่างแพร่หลายใน การใช้งานทางวิศวกรรม . เราใช้รูปคลื่นในการใช้งานประเภทต่างๆเช่นไร้สาย การสื่อสาร , เรดาร์, การสำรวจอวกาศ , ทางทะเล, การนำทางด้วยวิทยุ, การตรวจจับระยะไกล ฯลฯ ... ในบรรดาแอปพลิเคชั่นเหล่านี้บางตัวใช้สื่อนำในการส่งคลื่นในขณะที่บางตัวใช้สื่อที่ไม่มีไกด์ ในบทความนี้เราจะได้ทราบว่าคุณสมบัติของตัวกลางมีผลต่อการแพร่กระจายของคลื่นอย่างไรและวิธีต่างๆในการแพร่กระจายของคลื่น

Wave Propagation คืออะไร? - คำจำกัดความ

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าถูกสร้างขึ้นโดยพลังงานที่แผ่ออกมาจากกระแสไฟฟ้า คนขับ . ในตัวนำเป็นส่วนหนึ่งของ พลังที่สร้างขึ้น หลบหนีและแพร่กระจายไปยังพื้นที่ว่างในรูปแบบของ คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้า ซึ่งมีสนามไฟฟ้าสนามแม่เหล็กและทิศทางการแพร่กระจายที่แตกต่างกันตามเวลา

แผ่ออกมาจาก เครื่องส่งสัญญาณ isotropic, คลื่นเหล่านี้เดินทางผ่านเส้นทางต่าง ๆ เพื่อไปยังเครื่องรับ เส้นทางที่คลื่นเดินทางจากเครื่องส่งและไปถึงเครื่องรับเรียกว่า การแพร่กระจายคลื่น

แม่เหล็กไฟฟ้า (EM) หรือการแพร่กระจายคลื่นวิทยุ

เมื่อ หม้อน้ำ isotropic ใช้สำหรับ การแพร่เชื้อ ของคลื่น EM เราจะได้คลื่นทรงกลมดังแสดงในรูปเพราะมันแผ่คลื่น EM ออกมาอย่างสม่ำเสมอและเท่ากันในทุกทิศทาง ตรงนี้ตรงกลางของทรงกลมคือหม้อน้ำในขณะที่รัศมีของทรงกลมคือ R เห็นได้ชัดว่าทุกจุดในระยะ R ที่อยู่บนพื้นผิวของทรงกลมมีความหนาแน่นของกำลังเท่ากัน

Wavefront ทรงกลม

คลื่น E เดินทางไปในอวกาศด้วยความเร็วแสงเช่น. c = แต่ EM คลื่นเดินทางผ่านสื่ออื่นความเร็วจะลดลง ความเร็วของคลื่น EM ในสื่ออื่น ๆ ที่ไม่ใช่พื้นที่ว่างจะได้รับจาก

โดยที่ c คือความเร็วของแสงและเป็นค่าเผื่อสัมพัทธ์ของตัวกลาง

คลื่น EM ส่งพลังงานโดยการดูดซับและปล่อยพลังงานคลื่นออกมาอีกครั้งโดยอะตอมในตัวกลาง อะตอมจะดูดซับพลังงานคลื่นรับการสั่นสะเทือนและส่งผ่านพลังงานโดยการปล่อย EM ที่มีความถี่เดียวกันอีกครั้ง ความหนาแน่นของแสงของตัวกลางมีผลต่อการแพร่กระจายของคลื่น EM

สมการการแพร่กระจายคลื่น

Waves ใช้เส้นทางหลายเส้นทางเพื่อไปยังเครื่องรับ พารามิเตอร์หลายตัวกำหนดเส้นทางที่ถ่ายโดยคลื่นเช่นความสูงของการส่งและรับ เสาอากาศ , มุมของการเปิดตัวเมื่อสิ้นสุดการส่งสัญญาณ, ความถี่ของการทำงาน โพลาไรซ์ ฯลฯ …

คุณสมบัติหลายอย่างของคลื่นได้รับการปรับเปลี่ยนในระหว่างการแพร่กระจายเช่นการสะท้อนการหักเหการเลี้ยวเบน ฯลฯ ... เนื่องจากความแปรผันของพารามิเตอร์ของสื่อแพร่กระจายเช่นการนำไฟฟ้าการอนุญาตการซึมผ่านและลักษณะของวัตถุกีดขวาง

โดยทั่วไปเมื่อพลังงานถูกแผ่ออกไปในพื้นที่ว่างพลังงานคลื่นอาจถูกแผ่ออกหรือดูดซับโดยวัตถุที่อยู่ในตัวกลาง ดังนั้นในขณะที่ส่งคลื่นผ่านตัวกลางจำเป็นอย่างยิ่งที่จะต้องคำนวณการสูญเสียที่อาจเกิดกับคลื่น การสูญเสียนี้เรียกว่า การสูญเสียการส่งวิทยุ ซึ่งขึ้นอยู่กับ กฎกำลังสองผกผันของทัศนศาสตร์ และคำนวณเป็นอัตราส่วนของกำลังที่แผ่ออกไปกับกำลังรับ

Friis Free Space Radio Circuit

ดังที่เราทราบกันดีว่าเมื่อใช้เครื่องส่งสัญญาณแบบไอโซทรอปิกพลังงานจะถูกกระจายอย่างเท่าเทียมกันกำลังเฉลี่ยสามารถแสดงในรูปของกำลังแผ่เป็น

ทิศทางของเสาอากาศทดสอบกำหนดโดย

สมมติว่าเสาอากาศรับกำลังรับพลังงานที่สร้างขึ้นทั้งหมดจากคลื่นวิทยุโดยไม่มีการสูญเสียใด ๆ อนุญาตให้เป็นพลังงานสูงสุดที่เสาอากาศรับได้รับภายใต้สภาวะโหลดที่ตรงกัน เมื่อใดที่รูรับแสงที่ใช้งานจริงของเสาอากาศรับเราสามารถเขียนเป็น

โดยทั่วไปทิศทางและมีประสิทธิภาพ รูรับแสง พื้นที่สำหรับเสาอากาศใด ๆ ที่เกี่ยวข้องกับ

ให้เป็นทิศทางของเสาอากาศรับสัญญาณ จากนั้น

แทนที่ค่าใน (3) ที่เราได้รับ

สมการนี้เรียกว่าสมการพื้นฐานสำหรับการขยายพื้นที่ว่างหรือที่เรียกว่า สด สมการพื้นที่ว่าง ปัจจัย ( λ / 4πr)^สอง เรียกว่าการสูญเสียเส้นทางพื้นที่ว่างซึ่งบ่งบอกถึงการสูญเสียสัญญาณ การสูญเสียเส้นทางสามารถแสดงเป็น

เราสามารถแสดงสมการ (6) ใน dB เป็น

พลังที่ได้รับสามารถแสดงเป็น

ซึ่งในการทำให้เข้าใจง่ายจะได้รับเป็น

ที่นี่ระยะทาง r แสดงเป็นกิโลเมตรในขณะที่ความถี่ f แสดงเป็น เมกะเฮิรตซ์ . สิ่งนี้บ่งชี้ถึงการสูญเสียเนื่องจากการแพร่กระจายของคลื่นที่เกิดขึ้นเมื่อแพร่กระจายออกจากแหล่งกำเนิด

ประเภทของการแพร่กระจายคลื่น

คลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าหรือการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุผ่านสภาพแวดล้อมของโลกไม่เพียงขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวมันเอง แต่ยังขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของสิ่งแวดล้อมด้วย มีเส้นทางการแพร่กระจายที่แตกต่างกันซึ่งคลื่นที่ส่งสามารถเข้าถึงเครื่องรับได้ โหมดทั้งหมดนี้ขึ้นอยู่กับความถี่ของการทำงานระยะห่างระหว่างเครื่องส่งและเครื่องรับ ฯลฯ ...

การแพร่กระจายคลื่น

• คลื่นที่แพร่กระจายใกล้พื้นผิวโลกเรียกว่า คลื่นพื้นดิน การแพร่กระจายประเภทนี้เกิดขึ้นได้เมื่อเสาอากาศส่งและรับสัญญาณทั้งสองอยู่ใกล้กับพื้นผิวโลก
• คลื่นพื้นซึ่งเดินทางโดยไม่มีการสะท้อนใด ๆ เรียกว่าคลื่นตรงหรือคลื่นอวกาศ
• คลื่นพื้นซึ่งแพร่กระจายไปยังเสาอากาศรับสัญญาณผ่านการสะท้อนจากพื้นผิวโลกเรียกว่าคลื่นสะท้อนพื้นหรือคลื่นผิวน้ำ
• คลื่นที่มาถึงเสาอากาศรับสัญญาณเนื่องจากการกระจายและการสะท้อนโดยไอออไนเซชันในบรรยากาศชั้นบนเรียกว่า Skywaves
• คลื่นที่สะท้อนหรือกระจัดกระจายในโทรโพสเฟียร์ก่อนถึงเสาอากาศเรียกว่าคลื่นโทรโพสเฟียร์

การแพร่กระจายคลื่นพื้นหรือคลื่นผิวน้ำ

คลื่นพื้นเดินทางไปตามพื้นผิวโลก คลื่นเหล่านี้มีขั้วในแนวตั้ง ดังนั้นเสาอากาศแนวตั้งจึงมีประโยชน์สำหรับคลื่นเหล่านี้ หากคลื่นโพลาไรซ์ในแนวนอนแพร่กระจายเป็นคลื่นพื้นเนื่องจากการนำไฟฟ้าของโลกสนามไฟฟ้าของคลื่นจะลัดวงจร

เมื่อคลื่นกราวด์เคลื่อนที่ออกไปจากเสาอากาศส่งสัญญาณก็จะถูกลดทอนลง เพื่อลดการสูญเสียนี้เส้นทางการส่งจะต้องอยู่เหนือพื้นดินที่มีการนำไฟฟ้าสูง ในส่วนที่เกี่ยวกับเงื่อนไขนี้น้ำทะเลควรเป็นตัวนำที่ดีที่สุด แต่พบว่าการกักเก็บน้ำจำนวนมากในบ่อดินทรายหรือหินแสดงการสูญเสียสูงสุด

ดังนั้นเครื่องส่งความถี่ต่ำกำลังสูงโดยใช้การแพร่กระจายของคลื่นพื้นจึงควรตั้งอยู่บริเวณแนวมหาสมุทร เนื่องจากการสูญเสียภาคพื้นดินเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามความถี่การแพร่กระจายนี้จะใช้กับสัญญาณที่มีความถี่สูงสุด 2 MHz เท่านั้น

สำหรับการออกอากาศคลื่นกลางแม้ว่าคลื่นพื้นดินจะต้องการพลังงานบางส่วนก็ถูกส่งไปยังชั้นบรรยากาศ แต่ในเวลากลางวันพลังงานจะถูกดูดซับโดยไอโอโนสเฟียร์อย่างสมบูรณ์และในช่วงเวลากลางคืนไอโอโนสเฟียร์จะสะท้อนพลังงานกลับมายังโลก ดังนั้นสัญญาณออกอากาศทั้งหมดที่ได้รับในช่วงกลางวันจึงเป็นเพราะคลื่นพื้นเท่านั้น

ช่วงสูงสุดของการแพร่กระจายคลื่นพื้นไม่เพียงขึ้นอยู่กับความถี่ แต่ยังขึ้นอยู่กับกำลังของเครื่องส่งด้วย เมื่อคลื่นพื้นผ่านพื้นผิวโลกจะเรียกว่าคลื่นผิวน้ำ

การขยายพันธุ์ SkyWave

การสื่อสารทางวิทยุยาว ๆ ที่มีความถี่ปานกลางและความถี่สูงจะดำเนินการโดยใช้การแพร่กระจายคลื่นฟ้า ในโหมดนี้การสะท้อนของคลื่น EM จากบริเวณที่แตกตัวเป็นไอออนในส่วนบนของบรรยากาศของโลกจะใช้สำหรับการส่งคลื่นไปยังระยะทางที่ไกลขึ้น

บรรยากาศส่วนนี้เรียกว่าไอโอโนสเฟียร์ซึ่งมีความสูงประมาณ 70-400 กม. ไอโอโนสเฟียร์สะท้อนกลับคลื่น EM หากความถี่อยู่ระหว่าง 2 ถึง 30 MHz ดังนั้นโหมดการแพร่กระจายนี้จึงเรียกอีกอย่างว่าการแพร่กระจายคลื่นสั้น

การใช้การแพร่กระจายคลื่นท้องฟ้าชี้ไปยังการสื่อสารในระยะทางไกลเป็นไปได้ ด้วยการสะท้อนของคลื่นท้องฟ้าหลายครั้งการสื่อสารทั่วโลกในระยะทางไกลมากเป็นไปได้

แต่ข้อเสียเปรียบคือสัญญาณที่ได้รับที่เครื่องรับนั้นจางลงเนื่องจากคลื่นจำนวนมากตามเส้นทางต่าง ๆ จำนวนมากเพื่อไปยังจุดรับสัญญาณ

การแพร่กระจายคลื่นอวกาศ

เมื่อเราจัดการกับคลื่น EM ที่มีความถี่ระหว่าง 30 MHz ถึง 300 MHz การแพร่กระจายคลื่นอวกาศจึงมีประโยชน์ นี่คือคุณสมบัติของ โทรโพสเฟียร์ ใช้สำหรับการส่งผ่าน

เมื่อทำงานในโหมดการแพร่กระจายคลื่นอวกาศคลื่นจะมาถึงเสาอากาศรับสัญญาณโดยตรงจากเครื่องส่งหรือหลังจากการสะท้อนจากโทรโพสเฟียร์ซึ่งอยู่เหนือพื้นผิวโลกประมาณ 16 กม. ดังนั้นโหมดคลื่นอวกาศจึงประกอบด้วยสอง ส่วนประกอบ . เช่น. คลื่นตรง และ คลื่นทางอ้อม .

แม้ว่าส่วนประกอบเหล่านี้จะถูกส่งในเวลาเดียวกันด้วยเฟสเดียวกัน แต่ก็อาจไปถึงภายในเฟสหรือนอกเฟสซึ่งกันและกันที่ปลายเครื่องรับขึ้นอยู่กับความยาวเส้นทางที่แตกต่างกัน ดังนั้นที่ความแรงของสัญญาณฝั่งผู้รับคือผลรวมเวกเตอร์ของจุดแข็งของคลื่นทางตรงและทางอ้อม

พื้นที่ การแพร่กระจายคลื่น โหมดนี้ใช้สำหรับการแพร่กระจายของความถี่สูงมาก

การขยายพันธุ์ใดที่ใช้สำหรับการแพร่ภาพคลื่นสั้น

การแพร่ภาพคลื่นสั้นมักเกิดขึ้นในช่วงความถี่ 1.7 - 30 MHz ดังที่เราได้เห็นข้างต้นความถี่ในช่วงนี้จะแพร่กระจายผ่านโหมดการแพร่กระจายของ Skywave

ขึ้นอยู่กับความถี่หรือความยาวคลื่นคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าก่อให้เกิดผลกระทบที่แตกต่างกันในวัสดุและอุปกรณ์ต่างๆ ดังนั้นส่วนต่างๆของไฟล์ สเปกตรัมแม่เหล็กไฟฟ้า ใช้สำหรับแอพพลิเคชั่นต่างๆ การแพร่กระจายคลื่นใดที่ทำให้คุณสนใจ? การประยุกต์ใช้โหมดการเผยแผ่ใดที่คุณพบว่าท้าทาย