Capitolul 2

Propagarea Undelor Radio

Obiective

• Structura undei electromagnetice si caracteristicile sursei izotrope punctiforme

• Mecanismele propagarii: reflexie, refractie si difractie.

• Propagarea undei terestre si a undei troposferice, efectul imaginilor multiple in cazul receptiei TV.

• Aproximarea orizontului radio pe baza inaltimii antenelor.

• Efectul ionosferei asupra propagarii undei spatiale

• Unghiul critic si zonea de tacere in cazul propagarii undei spatiale

• Aspecte importante ale comunicatiilor satelitare

• Analiza bugetului de putere al SATCOM si calculul puterii de receptie.

2 – 1. Undele electromagnetice

Campul electromagnetic consta din cele doua componente ale sale: campul electric si campul magnetic. Aceste campuri exista in toate circuitele electrice deoarece un conductor parcurs de curentul electric genereaza un camp magnetic in jurul sau, iar oricare doua puncte din circuit cu o diferenta de potential (tensiune) intre ele creaza un camp electric. Aceste doua campuri contin energie, dar in circuit aceasta energie este in general returnata insusi circuitului atunci cand campurile dispar. Daca campul nu reda in intregime energia sa circuitului, aceasta inseamna ca o parte din energie este radiata , sau transmisa in mod liber, de catre ciucuit in afara sa. Aceasta energie radiata este in general nedorita deoarece poate produce interferente cu alte echipamente electronice.

Interferenta de radio frecventa – RFI (radio-frequency interference) este produsa de radiatia nedorita provenita de la alte emitatoare.

Interferenta electromagnetica – EMI (electromagnetic interference) este produsa de catre alte surse.

In cazul unui emitator se doreste ca antena sa radieze in mod eficient energia undei. Ea este astfel proiectata sa nu permita ca energia sa revina inapoi in circuitul care a radiat-o.

Fig. 2 - 1 Unda electromagnetica.

Directiade

propagare

In Fig. 2-1, directia de propagare este perpendiculara pe amandoua campurile care sunt de asemenea perpendiculare intre ele. Unda este transversala deoarece oscilatiile sunt perpendiculare pe directie de propagare. Polarizarea undei electromagnetice este data de directia campului electric E. Orientarea antenei determina polarizarea, in acest caz polarizarea verticala este data de o antena verticala.

Frontul de unda. Daca o unda electromagnetica este radiata, in spatiul liber, in mod egal in toate directiile de catre o sursa punctiforma rezulta un front de unda sferic. O astfel de sursa se numeste sursa izotropa punctiforma – un punct din spatiu care radiaza energie electromagnetica in mod egal in toate directiile. Frontul de unda poate fi definit ca suprafata ce uneste toate punctele cu aceeasi faza (care oscileaza in faza).

Densitatea de putere, P (in wati pe m2), la nivelul frontului de unda este invers proportionala cu patratul distantei, r (in metri), de la sursa la front si direct proportionala cu puterea emisa, Pt .

24 r

Pt

P (2-1)

Orice sectiune a frontului de unda este curba, dar la o distanta apreciabila de sursa de radiatie sectiunile mici apar ca plane. Aceste sectiuni sunt considerate fronturi de unda plane, generand de fapt unda plana.

Fig. 2 - 2 Frontul undei generate de antena.

Frontul de unda 2

Frontul de unda 1

Sursapunctualaizotropica Raza

1

Raza 2

Impedanta caracteristica a spatiului liber. Intensitatea campului electric, E (in volti pe metru), la distanta r de sursa punctiforma este data de:

rE tP30

(2-2)

unde Pt este puterea emisa de sursa, in wati.Densitatea de putere P si intensitatea campului electric E sunt in aceeasi relatie cu impedanta ca si puterea si tensiunea din circuitele electrice. Asadar:

ZE

P2

(2-3)

unde Z este impedanta caracteristica a mediului prin care se propaga unda. In cazul spatiului liber, din Ec. (2-2) si Ec. (2-3) se obtine:

377120430 2

2

t

t

P

r

r

P

PE

Z2

(2-4)

Impedanta caracteristica a oricarui mediu este data de Ec. (2-5), unde μ este permeabilitatea magnetica, iar ε este permitivitatea electrica.

Z (2-5)

In spatiul liber, μ = 1,26 × 10-6 H/m iar ε = 8,85 × 10-12 F/m.

2 – 2. Propagarea undelor in medii care nu corespund spatiului liber

Reflexia. Undele radio sunt reflectate de diferite medii pe care le intalnesc in drumul lor. Conform legii reflexiei unghiul de incidenta este egal cu unghiul de reflexie, Fig. 2-3. De mentionat ca reflexia implica o schimbare de faza ce are ca rezultat o modificare a polarizarii. Unda incidenta si unda reflectata sunt defazate cu 180° . Coeficientul de reflexie (ρ), este raportul dintre intensitatea campului electric reflectat si intensitatea campului electric incident. In cazul reflexiei complete ρ = 1, suprafata reflectanta fiind un conductor perfect. In situatiile practice ρ < 1 deoarece o parte din energia undei incidente este absorbita de suprafata reflectanta care nu este un conductor perfect, iar o alta parte se propaga prin acest corp partial reflectant. Aceste consideratii sunt valabile daca campul electric nu este normal la suprafata reflectanta. Daca campul electric este in schimb paralel cu suprafata reflectanta conductor perfect, atunci campul electric este scurtcircuitat si intreaga energie electromagnetica este disipata sub forma curentilor superficiali in acest conductor.

Refractia. Refractia ia nastere atunci cand undele trec dintr-un mediu cu o anume densitate intr-un al doilea mediu cu o densitate diferita, Fig. 2-4. Unghiul de incidenta, θ1 , si unghiul de refractie, θ2 , sunt legate prin legea lui Snell:

2211 sinsin nn (2-6)

Fig. 2 - 3 Reflectia frontului de unda.

Undaincidenta

Polarizarea

Suprafatareflectanta

Unghiul de incidenta

Unghiul de reflexie

Unda reflectata

Fig. 2 - 4 Reflexia si refractia undei.

Unda reflectata

Unghiul de reflexie Unghiul de incidenta

Aer

Apa

Unghiul derefractie

Unda incidenta

Unda reflectata

unde n1 este indicele de refractie al mediului incident, iar n2 este indicele de refractie al mediului refractiv. Indicele de refractie al vidului este 1 si aproximativ 1 pentru atmosfera, apa are indicele 1,33, iar sticla 1,5.

Difractia. Difractia este fenomenul prin care undele ce se propaga in linie dreapta se curbeaza in jurul unui obstacol (ocolesc obstacolul). Acest efect se bazeaza pe principiul lui Huygens care spune ca fiecare punct de pe un front de unde sferic poate fi considerat ca sursa a unui front de unda sferic secundar. Acest concept este foarte important deoarece explica receptia radio in spatele muntilor sau a cladirilor inalte. Fig. 2-5 prezinta fenomenul de difractie ce permite receptia in spatele unui sistem muntos, cu exceptia unei mici zone denumita zona de umbra. Frontul de unda direct, de indata ce trece de obstacol, devine sursa unor fronturi de unda secundare care ocupa spatiul din spatele obstacolului, cu exceptia zone finite de umbra electromagnetica. Cu cat este mai joasa frecventa undei cu atat zona de umbra este mai restransa.

Fig. 2 - 5 Difractia in jurul unui obstacol.

ReceptorEmitatorZona deumbra

UmbraZona deumbra

(a) Vedere de sus

(b) Vedere lateralaEmitator Receptor

2 – 3. Propagarea undei terestre si a undei spatialeUnda radio se poate propaga de la antena de emisie la cea de receptie sub urmatoarele patru forme:

1.Unda terestra sau unda de suprafata2.Unda spatiala3.Unda ionosferica4.Legaturile radio satelitare

Propagarea undei terestre. Unda terestra este unda radio care se propaga inimediata apropiere a scoartei terestre, fiind cunoscuta si ca unda de suprafata.Unda terestra presupune caracteristici si conditii specifice de existenta sipropagare:•Unda trebuie sa fie polarizata vertical, deoarece suprafata Pamantului ar putea scurtcircuita campul electric orientat orizontal.•Morfologia terenului influenteaza profund unda terestra.•Atenuarea undei terestre depinde de impedanta suprafetei Pamantului, care la randul ei este o functie de conductivitate si frecventa, prin urmare o suprafata cu mare conductivitate presupune o atenuare redusa. Asadar unda terestra se propaga mult mai bine deasupra apelor (in special sarate) decat in zonele desertice.•Pierderile la nivelul solului cresc rapid cu frecventa, din acest motiv utilizarea undelor terestre nu este eficienta peste 2 MHz. Totusi, comunicatiile pe unde

terestre sunt foarte fiabile, receptia nefiind afectata de variatii zilnice sau sezoniere, precum in cazul undelor ionosferice

• Unda de suprafata este singura modalitate de a comunica cu submarineleaflate in imersiune. Sunt utilizate frecventele extrem de joase (ELF) cu domeniul 30 Hz - 300 Hz, la frecventa tipica utilizata de 100 Hz atenuarea fiind de 0,3 dB/m. De remarcat ca acesta atenuare creste dramatic cufrecventa ajungand la 1 GHz sa fie 1000 dB/m.

Propagarea undei spatiale. Cele doua tipuri principale ale undei spatiale sunt unda directa si unda refrectata de catre sol, Fig. 2-6.• Unda directa, des utilizata pentru comunicatii radio, se propaga direct de la

antena de emisie la cea de receptie, nu se deplaseaza de-a lungul solului si deci, in principiu, nu sufera atenuari din partea suprafetei Pamantului.

• Unda spatiala directa este conditionata de propagarea in vizibilitate directa – LOS (line-of-sight). Astfel, inaltimea antenelor si curbura Pamantului suntfactorii esentiali ai indeplinirii acestei conditi.

• Orizontul radio real este de aproximativ 4/3 ori mai mare decat cel geometric al vizibilitatii directe (LOS) datorita difractiei si este in mod empiric dat de:

unde d = orizontul radio (km) h1 = inaltimea antenei de emisie (m) h2 = inaltimea antenei de receptie (m)

rt hhd 22 (2-7)

Fig. 2 - 6 Unda spatiala directa si unda spatiala reflectata de sol.

Emitator Receptor Unda spatiala directa

Pamant

UndaUnda spatiala

reflectata

Fig. 2 - 7 Orizontul radio pentru undele spatiale directe.

Antena de emisie Antena de receptie

d in [km], ht si hr in [m]

Difractia produce curbarea undei spatiale directe in vecinatatea scoartei terestre si apropierea ei de sol, Fig. 2-7.

Unda spatiala reflectata, Fig. 2-6, influenteaza calitatea receptiei semnalului. Daca faza celor doua componente receptionate (unda spatiala directa si unda spatiala reflectata) difera, semnalul receptionat este afectat de fading si de distorsiuni. Aceasta se poate intampla si atunci cand unda spatiala directa si cea terestra sunt receptionate simultan sau exista multiple cai prin care semnalul ajunge de la emisie la receptie. Un caz special al acestor fenomene este urmatorul:Receptia TV multipla (imagini fantoma). Orice obstacol masiv poate obstructiona unda spatiala ceea ce duce la difractie (cu zona de umbra aferenta) si la reflexii. In cazul transmisiilor Tv, de exemplu, semnalul receptionat poate fi rezultanta undei spatiale directe si a celei reflectate, Fig. 2-8. In aceste conditii apare imaginea fantoma, ce consta in aparitia unei dubluri a imaginii originale. Aceasta se datoreaza sosirii la receptor, la momente de timp diferite, a celor doua semnale identice. Unda reflectata are de parcurs un drum mai lung si are amplitudinea mai mica, pe de o parte conform Ec. (2-1) si pe de alta parte datorita pierderilor provocate de reflexie.

Fig. 2 - 8 Interferenta tip fantoma.

Antena deemisie

Antena dereceptie

Latimeafantomei

Unda directaUnda directa Unda reflectata

2 – 4. Propagarea undei ionosfericeUndele ionosferice sunt undele radiate de catre antena de emisie a caror directie de propagare formeaza un unghi semnificativ cu suprafata terestra. Undele ionosferice au proprietatea de a fi reflectate de catre ionosfera inapoi spre Pamant, aici sufera o noua reflexie spre ionosfera si asa mai departe. Reflexia aceasta multipla intre ionosfera si suprafata solului (la fel ca intr-un ghid de unda) se numeste si skipping, Fig. 2-9. Procesele de reflexie mentionate sunt conditionate de compozitia atmosferei si de factorii care o afecteaza. Atmosfera consta in trei straturi principale: troposfera, stratosfera si ionosfera.• troposfera troposfera se intinde de la suprafata Pamantului pana la

aproximativ 10 Km. Aici au loc majoritatea fenomenelor meteorologice.• stratosfera se intinde de la limita superioara a troposferei pana la aproximativ

37 Km. In stratosfera temperatura este considerata constanta si prin urmare nu sunt posibile inversiuni de temperatura care sa produca refractii. Avand temperatura constanta stratosfera se mai numeste si izosfera sau regiuneizotermala.

• ionosfera se intinde de la limita superioara a stratosferei pana la aproximativ400 km. Dincolo de ionosfera este spatiul liber. Ionosfera este alcatuita in principal din particule ionozate, densitatea ei fiind extrem de scazuta la limita superioara si crescand treptat spre Pamant. In zona superioara a ionosferei cu toate ca densitatea moleculelor din aer este foarte scazuta, radiatia solara extrem de intensa (mai ales in spectrul ultraviolet), desface aceste molecule

Fig. 2 - 9 Unda ionosferica.

Emitator

Pamant

Receptor

Ionosfera

in electroni liberi, ioni pozitivi si ioni negativi. Procesul de ionizare scade treptat in intensitate odata cu coborarea spre limita inferioara a ionosferei.

Straturile ionosferei. Ionosfera este compusa din trei straturi principale D, E si F, stratul F fiind divizat in doua substraturi F1 si F2. Prezenta sau absenta acestor straturi in cadrul ionosferei si inaltimea lor deasupra solului variaza cu pozitia soarelui. Deoarece pozitia soarelui in raport cu un anumit punct de pe suprafata terestra variaza zilnic, lunar, anual, caracteristicile straturilor sunt extrem de greu de prezis. Totusi, pot fi mentionate urmatoarele considerente generale:

1.Stratul D se intinde intre 40 km si 90 km. Gradul de ionizare in stratul D este scazut fiind pozitionat cel mai departe de Soare. Semnalele de joasa frecventa sunt atenuate de catre acest strat, in schimb cele de inalta frecventa il strabat suferind o partiala atenuare. La apus stratul D dispare, ionii recombinandu-se.2. Stratul E se desfasoara intre 90 km si 150 km. Rata de recombinare a ionilor este destul de rapida dupa apus si este completa pe la miezul noptii. Acest strat refracta semnalele pana la frecvente de 20 MHz.3.Stratul F are ca limite 150 km si 400 Km. Ziua acest strat se separa in cele doua substraturi F1 si F2 a caror grad de ionizare este relativ inalt si variaza in functie de ora, la amiaza gradul de ionizare fiind maxim. La aceasta altitudine atmosfera este rarefiata asadar recombinarea dupa apusul soarelui este redusa ramanand permanent un strat relativ constant ionizat. Refractia apare pana in jurul frecventei de 30 MHz.

Distributia relativa a straturilor ionosferei este prezentata in Fig. 2-10. Deoarece straturile D si E dispar in timpul noptii semnalele in mod moemal refractate de catre aceste straturi vor fi refractate de straturi mai inalte deci va creste distanta dintre punctele succesive de refractie. Straturile care formeaza ionosfera sufera variatii considerabile in altitudine, densitate si grosime in principal datorita activitatii solare, cel mai afectat fiind stratul F2 .

Efectele ionosferei asupra undei ionosferice. Capacitatea ionosferei de a reintoarce undele spre Pamant depinde de densitatea ionilor, de frecventa undei radio, de unghiul de transmisie. Refractivitatea ionosferei creste cu gradul de ionizare, acesta fiind mai puternic vara si in timpul zilei, decat iarna si pe timpul noptii. Densitati anormal de ridicate ale ionosferei apar pe durata maximelor activitatii solare.Frecventa critica. Daca frecventa unei unde radio emisa vertical este crescuta treptat se ajunge la o anumita valoare pentru care nu mai este refractata suficient pentru a se reintoarce pe Pamant si se propaga pana la stratul ionosferic urmator unde refractia continua. In cazul in care frecventa este suficient de inalta semnalul strabate intreaga ionosfera si se propaga in spatiul liber. Ce mai inalta frecventa la care semnalul transmis vertical mai este returnat catre sol, in conditii date ale ionosferei se numeste frecventa critica. Unghiul critic. In general cu cat frecventa este mai joasa cu atat mai usor semnalul este refractat spre sol si invers cu cat este mai inalta frecventa cu atat este mai dificil procesul de refractie si curbare a traseului undei, Fig. 2-11.

Fig. 2 - 10 Straturile ionosferei.

Unghiul de radiatie are un rol important in determinarea reintoarcerii catre sol a unei unde de o anumita frecventa, prin refractie pe ionosfera. Peste o anumita frecventa, undele emise vertical continua sa se propage in spatiu liber strabatand ionosfera. Totusi, daca unghiul de propagare este micsorat treptat (de la verticala) se poate obtine o valoare a sa de la care undele cu frecventa sub cea critica sunt reintoarse spre Pamant. Cea mai mare valoare a unghiului la care o unda de o anumita frecventa se propaga si mai este refrectata (returnata spre sol) de catre ionosfera se numeste unghiul critic pentru acea frecventa particulara. Unghiul critic este cel format de directia frontului de unda cu raza Pamantului prin punctul de emisie, Fig. 2-11. Frecventa maxima utilizabila – MUF (maximum usable frequency). Poate fi identificata cea mai potrivita frecventa pentru comunicatii optime intre doua puncte in conditii specifice ale ionosferei, Fig. 2-12. Distanta dintre antena de emisie si punctul in care unda refractata atinge solul depinde de unghiul de propagare care la randul sau este limitat de frecventa. Cea mai inalta frecventa care este intoarsa spre Pamant la o distanta data se numeste frecventa maxima utilizabila si prezinta o valoare medie lunara pentru o anumita perioada a anului. Frecventa optima de lucru este acea frecventa care asigura cele mai stabile conditii pentru comunicatie si ca urmare este cea mai potrivita pentru a fi utilizata. In transmisiile utilizand substratul F2 frecventa optima de lucru este 85% din MUF, in timp ce propagarea via stratul E are frecventa optima de lucru langa MUF. Deoarece atenuarea ionosferica este invers proportionala cu frecventa, utilizand MUF se obtine maximumum intensitatii de semnal.

Fig. 2 - 11 Relatia dintre frecventa undei si refractia in ionosfera.

Ionosfera

Unghiulcriticpentru20MHz

21MHz

Unghiul deradiatie

20MH

z

1 MH

z

Fig. 2 - 12 Relatia dintre frecventa undei si unghiul critic.

Ionosfera

Punctul A

20 MHz 21 MHz

20 MHz

Frecventa utilizabila maxima pentru punctul A

Fig. 13 - 13 Zona de tacere (moarta).

Unda de sol

Ionosfera

Unghiul critic

Prima receptiea undeiionosferice

ionosferic

a

Unda

Zona de tacereDistanta de salt

Fig. 13 - 14 Fading.

(a) Fadingul provocat de sosirea in antifaza in acelasi acelasi punct din spatiu a undei de sol si a undei ionosferice

(b) Fadingul provocat de sosirea in antifaza in acelasi acelasi punct din spatiu a doua unde ionosferice

Ionosfera

Ionosfera

Unda de sol

Unda ionosferica

Fig. 13 - 15 Dispersie troposferica.

ReceptorEmitator

Distanta

Altitudine

Unghiul de dispersie

Volumulde dispersie

Imprastiereinainte

Pierderi deimprastiere

Pierderi deimprastiere

Fig. 13 - 16 Satelitul Intelsat III. (Prin amabilitatea TRW. Reprodus cu permisiune.)

Figure 13-17 Satellite footprint and multiple communications.

Figure 13-18 TDMA illustration.

Figure 13-19 VSAT network.

Figure 13-20 The geostationary and inclined orbital patterns for satellites.

Figure 13-21 The apogee and perigee of a satellites orbit

Figure 13-22 Antenna pattern.