L'onda è un disturbo che trasferisce energia attraverso il mezzo o lo spazio con un trasferimento di massa trascurabile o nullo. Esistono vari tipi di onde che rendono molti diversi tipi di servizi. Onde elettromagnetiche sono ampiamente utilizzati in applicazioni ingegneristiche . Usiamo le forme d'onda in vari tipi di applicazioni come il wireless comunicazione , Radar, Esplorazione spaziale , Marina, Radionavigazione, Telerilevamento, ecc ... Tra queste applicazioni, alcune utilizzano il mezzo guidato per inviare onde mentre altre fanno uso del mezzo non guidato. In questo articolo, sapremmo come le proprietà del mezzo influenzano la propagazione delle onde e vari modi in cui un'onda si propaga.

Cos'è la propagazione delle onde? - Definizione

Le onde elettromagnetiche sono generate dalla potenza irradiata dalla corrente che trasporta conducente . Nei conduttori, una parte del potenza generata fuoriesce e si propaga nello spazio libero sotto forma di Onda elettromagnetica , che ha un campo elettrico variabile nel tempo, un campo magnetico e una direzione di propagazione ortogonali tra loro.

Irradiato da un trasmettitore isotropo, queste onde viaggiano attraverso percorsi diversi per raggiungere il ricevitore. Il percorso intrapreso dall'onda per viaggiare dal trasmettitore e raggiungere il ricevitore è noto come Propagazione delle onde.

Propagazione elettromagnetica (EM) o onde radio

Quando il radiatore isotropo è usato per trasmissione delle onde EM otteniamo fronti d'onda sferici come mostrato nella figura perché irradia onde EM in modo uniforme e uguale in tutte le direzioni. Qui il centro della sfera è il radiatore mentre il raggio della sfera è R. Chiaramente, tutti i punti alla distanza R, giacenti sulla superficie della sfera, hanno densità di potenza uguali.

Fronte d'onda sferico

Le onde E viaggiano nello spazio libero con la velocità della luce, cioè. c = Ma EM le onde viaggiano attraverso un altro mezzo la velocità si riduce. La velocità delle onde EM in qualsiasi mezzo diverso dallo spazio libero è data da,

dove c è la velocità della luce ed è la permittività relativa del mezzo.

Le onde EM trasmettono energia per assorbimento e riemissione dell'energia ondosa da parte degli atomi nel mezzo. Gli atomi assorbono l'energia dell'onda, subiscono vibrazioni e trasmettono l'energia per riemissione di EM della stessa frequenza. La densità ottica del mezzo influenza la propagazione delle onde EM.

Equazione di propagazione delle onde

Le onde prendono molti percorsi nel loro cammino per raggiungere il ricevitore. Molti parametri decidono il percorso intrapreso dall'onda come l'altezza della trasmissione e della ricezione antenne , l'angolo di lancio alla fine della trasmissione, la frequenza di funzionamento polarizzazione eccetera…

Molte delle proprietà delle onde vengono modificate durante la propagazione come riflessione, rifrazione, diffrazione ecc… a causa della variazione dei parametri dei mezzi di propagazione come conduttività, permettività, permeabilità e caratteristiche degli oggetti che ostruiscono.

Generalmente, quando la potenza viene irradiata nello spazio libero, l'energia dell'onda può essere irradiata o assorbita dagli oggetti nel mezzo. Quindi durante la trasmissione di un'onda attraverso un mezzo è essenziale calcolare la perdita che può essere causata all'onda. Questa perdita è chiamata Perdita di trasmissione radio , che si basa su legge del quadrato inverso dell'ottica ed è calcolato come il rapporto tra la potenza irradiata e la potenza ricevuta.

Circuito radio Friis Free Space

Come sappiamo che quando viene utilizzato un trasmettitore isotropo, la potenza è distribuita equamente, la potenza media può essere espressa in termini di potenza irradiata come,

La direttività di un'antenna di prova è data da

Supponiamo che l'antenna ricevente riceva tutta la potenza generata dalle onde radio senza alcuna perdita. Sia la potenza massima ricevuta dall'antenna del ricevitore in una condizione di carico corrispondente. Quando è l'apertura effettiva dell'antenna ricevente, possiamo scrivere come,

“filtro passa alto o passa basso ”

In generale, la direttività ed efficace apertura l'area per qualsiasi antenna è correlata come

Sia la direttività dell'antenna ricevente. Poi,

Sostituendo il valore in (3) otteniamo,

Questa equazione è nota come Equazione fondamentale per la propagazione dello spazio libero, nota anche come Fresco equazione dello spazio libero. Il fattore ( λ / 4πr)^Due si chiama perdita del percorso dello spazio libero che indica la perdita del segnale. La perdita di percorso può essere espressa come

Possiamo esprimere l'equazione (6) in dB come,

La potenza ricevuta può essere espressa come

Che, sulla semplificazione, è dato come,

Qui la distanza r è espressa in chilometri mentre la frequenza f è espressa in MHz . Ciò indica una perdita dovuta alla diffusione dell'onda che si verifica quando si propaga fuori dalla sorgente.

Tipi di propagazione delle onde

La propagazione delle onde elettromagnetiche o delle onde radio, che attraversano l'ambiente terrestre, dipende non solo dalle proprietà di se stesse ma anche dalle proprietà dell'ambiente. Esistono diversi percorsi di propagazione attraverso i quali le onde trasmesse possono raggiungere il ricevitore. Tutte queste modalità dipendono dalla frequenza di funzionamento, dalla distanza tra trasmettitore e ricevitore ecc ...

Propagazione delle onde

Vengono chiamate le onde che si propagano vicino alla superficie terrestre ONDE DI TERRA. Questo tipo di propagazione è possibile quando l'antenna trasmittente e quella ricevente sono entrambe vicine alla superficie terrestre.
Le onde di terra che viaggiano senza alcuna riflessione sono chiamate onde dirette o onde spaziali.
Le onde di massa che si propagano all'antenna ricevente attraverso il riflesso dalla superficie terrestre sono chiamate onde riflesse dal suolo o onde di superficie.
Le onde che raggiungono l'antenna ricevente a causa dello scattering e della riflessione della ionizzazione nell'atmosfera superiore sono chiamate Skywaves.
Le onde che vengono riflesse o diffuse nella troposfera prima di raggiungere l'antenna sono chiamate onde della troposfera.

Propagazione delle onde di terra o delle onde di superficie

Un'onda di terra viaggia lungo la superficie della terra. Queste onde sono polarizzate verticalmente. Quindi, le antenne verticali sono utili per queste onde. Se un'onda polarizzata orizzontalmente si propaga come onda di terra, a causa della conduttività della terra, il campo elettrico dell'onda viene cortocircuitato.

Quando l'onda di terra si allontana dall'antenna trasmittente, si attenua. Per ridurre al minimo questa perdita, il percorso di trasmissione deve essere a terra con elevata conduttività. Rispetto a questa condizione l'acqua di mare dovrebbe essere il miglior conduttore ma è stato osservato che grandi accumuli di acqua in stagni, terreni sabbiosi o rocciosi mostrano le massime perdite.

Pertanto, i trasmettitori a bassa frequenza ad alta potenza, che utilizzano propagazioni di onde di terra, sono preferibilmente situati sui fronti oceanici. Poiché le perdite di massa aumentano rapidamente con la frequenza, questa propagazione viene utilizzata praticamente solo per segnali fino alla frequenza di 2 MHz.

Per la trasmissione a onde medie, sebbene siano preferite le onde di terra, una certa energia viene trasmessa alla ionosfera. Ma durante il giorno l'energia viene completamente assorbita dalla ionosfera e durante la notte la ionosfera riflette l'energia sulla terra. Quindi tutto il segnale di trasmissione ricevuto durante il giorno è dovuto solo all'onda di terra.

La gamma massima di propagazione dell'onda di terra non dipende solo dalla frequenza ma anche dalla potenza del trasmettitore. Quando le onde di terra passano sulla superficie della terra, vengono anche chiamate onde di superficie.

Propagazione SkyWave

Ogni lunga comunicazione radio di medie e alte frequenze viene condotta utilizzando la propagazione delle onde del cielo. In questa modalità la riflessione delle onde EM dalla regione ionizzata nella parte superiore dell'atmosfera terrestre viene utilizzata per la trasmissione delle onde a distanze maggiori.

Questa parte dell'atmosfera è chiamata ionosfera che si trova a circa 70-400 km di altezza. La ionosfera riflette le onde EM se la frequenza è compresa tra 2 e 30 MHz. Quindi, questa modalità di propagazione è anche chiamata propagazione delle onde corte.

È possibile utilizzare la propagazione delle onde del cielo da punto a punto per la comunicazione su lunghe distanze. Con i molteplici riflessi delle onde del cielo, è possibile una comunicazione globale su distanze estremamente lunghe.

Ma uno svantaggio è che il segnale ricevuto al ricevitore è sbiadito a causa di un gran numero di onde che seguono un gran numero di percorsi diversi per raggiungere il punto di ricezione.

Propagazione delle onde spaziali

Quando abbiamo a che fare con onde EM di frequenza compresa tra 30 MHz e 300 MHz, la propagazione delle onde spaziali è utile. Qui proprietà di Troposfera sono utilizzati per la trasmissione.

Quando si opera in modalità di propagazione delle onde spaziali, l'onda raggiunge l'antenna ricevente direttamente dal trasmettitore o dopo la riflessione dalla troposfera che è presente a circa 16 km sopra la superficie terrestre. Quindi la modalità onda spaziale è composta da due componenti .i.e. onda diretta e onda indiretta .

Sebbene questi componenti siano trasmessi allo stesso tempo con la stessa fase, possono raggiungere all'interno della fase o fuori fase l'uno con l'altro all'estremità del ricevitore a seconda delle diverse lunghezze del percorso. Pertanto, sul lato del ricevitore la forza del segnale è la somma vettoriale delle forze delle onde dirette e indirette.

Lo spazio propagazione delle onde la modalità viene utilizzata per la propagazione di frequenze molto alte.

Quale della propagazione viene utilizzata per la trasmissione a onde corte

La trasmissione a onde corte di solito avviene nella gamma di frequenza di 1,7 - 30 MHz. Come abbiamo visto sopra, le frequenze in questo intervallo vengono propagate attraverso la modalità di propagazione Skywave.

A seconda della frequenza o della lunghezza d'onda le onde elettromagnetiche producono diversi effetti nei vari materiali e dispositivi. Quindi, le diverse parti di spettro elettromagnetico sono utilizzati per varie applicazioni. Quale delle propagazioni delle onde ti incuriosisce? Applicazione di quale modalità di propagazione trovi impegnativa.