Anteny i propagacja fal radiowych
Propagacja fal radiowych
Zagadnienia podstawowe
SÅ‚awomir Jerzy Ambroziak
POLITECHNIKA GDAC
SKA
Wydział Elektroniki, Telekomunikacji i Informatyki
Katedra Systemów i Sieci Radiokomunikacyjnych
80-233 GDAC
SK ul. Narutowicza 11/12
tel. [phone]
fax [phone]
www.eti.pg.gda.pl/katedry/kssr
Literatura
1. Katulski R.J.:  Propagacja fal radiowych w telekomunikacji
bezprzewodowej , Wydawnictwa Komunikacji i A
ączności,
Warszawa, 2009.
2. Bem D.J.:  Anteny i rozchodzenie siÄ™ fal radiowych ,
Wydawnictwo Naukowo-Techniczne, Warszawa, 1973.
3. ITU-R V.431-7:  Nomenclature of the frequency and
wavelength bands used in telecommunications , 2000.
Zagadnienia do rozważenia
- Propagacja fal radiowych w idealnym środowisku dielektrycznym
- Polaryzacja fali radiowej
- Wolna przestrzeń propagacyjna
- Efektywna przestrzeń propagacyjna  pierwsza strefa Fresnela
- Równanie radiokomunikacyjne
- Rodzaje fal radiowych
- Podział fal radiowych na zakresy
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
Parametry charakteryzujące dowolne środowisko propagacyjne
pod względem właściwości elektromagnetycznych:
F
îÅ‚ Å‚Å‚
- przenikalność elektryczna  µ
ïÅ‚m śł
ðÅ‚ ûÅ‚
H
îÅ‚ Å‚Å‚
- przenikalność magnetyczna  µ
ïÅ‚m śł
ðÅ‚ ûÅ‚
1
îÅ‚ Å‚Å‚
Ã
- elektryczna przewodność właściwa 
ïÅ‚&!Å" m śł
ðÅ‚ ûÅ‚
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
Próżnia  idealny dielektryk
1 F
µ0 = Å"10-9 îÅ‚ Å‚Å‚
- przenikalność elektryczna próżni:
ïÅ‚ śł
36Ä„ m
ðÅ‚ ûÅ‚
H
µ0 = 4Ä„ Å"10-7 îÅ‚ Å‚Å‚
- przenikalność magnetyczna próżni:
ïÅ‚ śł
m
ðÅ‚ ûÅ‚
à = 0
- elektryczna przewodność właściwa próżni:
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
W warunkach rzeczywistych często stosowane są względne
wartości przenikalności elektrycznej i magnetycznej:
µ
µw =
- względna przenikalność elektryczna:
µ0
µ
µw =
- względna przenikalność magnetyczna:
µ0
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
Idealne, jednorodne środowisko dielektryczne to taki obszar,
w którym dla każdego z możliwych punktów obserwacji:
µw = const
-
- µw = 1
- Ã = 0
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
Zjawisko rozchodzenia siÄ™ (propagacji) fali elektromagnetycznej
(radiowej) od z
ródła, jakim jest antena nadawcza ma lokalnie
charakter fali płaskiej  zbiór punktów stałej fazy składowych tej
fali leży na płaszczyz
nie.
Wektor Poytinga
W V A
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
S = E × H
ïÅ‚m2 śł ïÅ‚m śł ïÅ‚ śł
m
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
Wektor Poytinga
W V A
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
S = E × H
ïÅ‚m2 śł ïÅ‚m śł ïÅ‚ śł
m
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
V A
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
E = Z &! Å" H
[ ]
f
ïÅ‚m śł ïÅ‚ śł
m
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
Prędkość rozchodzenia się
Impedancja falowa fali radiowej
120Ä„
m 1 c
îÅ‚ Å‚Å‚
Z = &!
v = =
[ ]
f
ïÅ‚ śł
s
µw µ Å" µ0 µw
ðÅ‚ ûÅ‚
Impedancja falowa próżni Prędkość fali e-m w próżni
? ?
Propagacja w idealnym środowisku dielektrycznym
Wektor Poytinga
W V A
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
S = E × H
ïÅ‚m2 śł ïÅ‚m śł ïÅ‚ śł
m
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
V A
îÅ‚ Å‚Å‚ îÅ‚ Å‚Å‚
E = Z &! Å" H
[ ]
f
ïÅ‚m śł ïÅ‚ śł
m
ðÅ‚ ûÅ‚ ðÅ‚ ûÅ‚
Prędkość rozchodzenia się
Impedancja falowa fali radiowej
120Ä„
m 1 c
îÅ‚ Å‚Å‚
Z = &!
v = =
[ ]
f
ïÅ‚ śł
s
µw µ Å" µ0 µw
ðÅ‚ ûÅ‚
Impedancja falowa próżni Prędkość fali e-m w próżni
m
Z = 120Ä„ &!
c = 3Å"108 îÅ‚ Å‚Å‚
[ ]
f
ïÅ‚ śł
s
ðÅ‚ ûÅ‚
Polaryzacja fali radiowej
Polaryzacja fali radiowej  zjawisko opisujące zmiany położenia
i wartości wektora natężenia pola elektrycznego.
E = E Å"iE
W praktyce radiokomunikacyjnej mamy do czynienia z trzema
rodzajami polaryzacji fali radiowej:
- polaryzacja linowa,
- polaryzacja kołowa,
- polaryzacja eliptyczna.
Polaryzacja fali radiowej
Polaryzacja linowa  wektor pola elektrycznego zmienia wartość,
lecz nie zmienia położenia, w rezultacie czego jego koniec kreśli
linię prostą, co można zapisać:
E `" const )" iE = const
Polaryzacja fali radiowej
Polaryzacja linowa pionowa  wektor
pola elektrycznego jest położony
prostopadle względem podłoża
Polaryzacja linowa pozioma  wektor
pola elektrycznego jest położony
równolegle względem podłoża
Polaryzacja linowa ukośna  wektor
pola elektrycznego jest położony
ukośnie względem podłoża
Polaryzacja fali radiowej
Polaryzacja kołowa  wartość wektora pola elektrycznego jest
stała, lecz zmienia on swoje położenie, tzn. wiruje względem
swojego punktu początkowego, co można zapisać:
E = const )" iE `" const
Polaryzacja fali radiowej
Polaryzacja eliptyczna  wektor pola elektrycznego zmienia
wartość i położenie (wiruje), w rezultacie czego jego koniec kreśli
elipsę, co można zapisać:
E `" const )" iE `" const
Polaryzacja fali radiowej
Polaryzacja kołowa/eliptyczna lewoskrętna
- LHC  Left-Hand Circular
- LHE  Left-Hand Elliptical
Polaryzacja kołowa/eliptyczna prawoskrętna
- RHC  Right-Hand Circular
- RHE  Right-Hand Elliptical
Wolna przestrzeń propagacyjna
Wolna przestrzeń propagacyjna:
- idealne środowisko propagacyjne
- otwarte i wolne od jakichkolwiek przeszkód
- brak wpływu podłoża na rozchodzenie się fali radiowej
- środowisko całkowicie jednorodne i nie absorbujące energii
pola elektromagnetycznego
- µw =1
-
µw = 1
m
-
v = c = 3Å"108 îÅ‚ Å‚Å‚
ïÅ‚ śł
s
ðÅ‚ ûÅ‚
Wolna przestrzeń propagacyjna
Przypadek izotropowej anteny nadawczej
Powierzchniowa gęstość mocy fali radiowej
P W
W [ ]
îÅ‚ Å‚Å‚
S =
2
ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
4Ä„ Å" d m
( [ ]
)
Natężenie pola elektrycznego
?
Wolna przestrzeń propagacyjna
Przypadek izotropowej anteny nadawczej
Powierzchniowa gęstość mocy fali radiowej
P W
W [ ]
îÅ‚ Å‚Å‚
S =
2
ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
4Ä„ Å" d m
( [ ]
)
Natężenie pola elektrycznego
30Å" P W
[ ]
V
Esk îÅ‚ Å‚Å‚ =
ïÅ‚m śł
d m
[ ]
ðÅ‚ ûÅ‚
Wolna przestrzeń propagacyjna
Przypadek rzeczywistej anteny nadawczej
Powierzchniowa gęstość mocy fali radiowej
P W
W [ ]
S ¸,Ć = Å" g Å" fp ¸,Ć
( )îÅ‚m Å‚Å‚ ( )
2 2
ïÅ‚ śł
ðÅ‚ ûÅ‚
4Ä„ Å" d m
( [ ]
)
P W
W [ ]
Smaks îÅ‚ Å‚Å‚ = Å" g
2
ïÅ‚m2 śł
ðÅ‚ ûÅ‚
4Ä„ Å" d m
( [ ]
)
Natężenie pola elektrycznego
Przestrzenna charakterytystyka kierunkowa:
30Å" P W Å" g
[ ]
V
E ¸,Ć = Å" fu ¸,Ć
( )îÅ‚m Å‚Å‚ ( )
fu ¸,Ć
( )-napięciowa
ïÅ‚ śł
d m
[ ]
ðÅ‚ ûÅ‚
fp ¸,Ć
( )-mocowa
30Å" P W Å" g
[ ]
V
Eskmaks îÅ‚ Å‚Å‚ =
ïÅ‚m śł
f ¸,Ć = fu2 ¸ ,Ć
( ) ( )
p
d m
[ ]
ðÅ‚ ûÅ‚
Wolna przestrzeń propagacyjna
Tłumienie wolnej przestrzeni (tłumienie podstawowe):
- tłumienie fali radiowej w warunkach wolnej przestrzeni
propagacyjnej
- określa ile razy zmaleje moc fali radiowej odebranej przez
antenę izotropową w określonej odległości od z
ródła
izotropowego, w porównaniu do mocy wypromieniowanej
przez to z
ródło do wolnej przestrzeni propagacyjnej
d
L0 = 4Ä„

d
ëÅ‚ öÅ‚
L0 dB = 20log 4Ä„ = ?
[ ]
ìÅ‚ ÷Å‚

íÅ‚ Å‚Å‚
Wolna przestrzeń propagacyjna
Tłumienie wolnej przestrzeni (tłumienie podstawowe):
- tłumienie fali radiowej w warunkach wolnej przestrzeni
propagacyjnej
- określa ile razy zmaleje moc fali radiowej odebranej przez
antenę izotropową w określonej odległości od z
ródła
izotropowego, w porównaniu do mocy wypromieniowanej
przez to z
ródło do wolnej przestrzeni propagacyjnej
d
L0 = 4Ä„

d
ëÅ‚ öÅ‚
L0 dB = 20log 4Ä„ = 32,4 + 20log f MHz + 20log d km
[ ] [ ] [ ]
ìÅ‚ ÷Å‚

íÅ‚ Å‚Å‚
Wolna przestrzeń propagacyjna
Rzeczywiste tłumienie propagacyjne:
- z reguły większe od tłumienia podstawowego
- wpływ rzeczywistych warunków propagacyjnych
Lr dB = L0 dB + Ldod dB
[ ] [ ] [ ]
Efektywna przestrzeń propagacyjna
Pierwsza strefa Fresnela
Pierwsza strefa Fresnela  efektywna przestrzeń
propagacyjna uczestniczÄ…ca w rozchodzeniu siÄ™ fali
radiowej między dwoma punktami, będącymi miejscami
położenia anteny nadawczej i odbiorczej łącza radiowego.
Efektywna przestrzeń propagacyjna
Pierwsza strefa Fresnela
dnad Å" dodb Å"
r =
d
1
rmax = d Å"
2
LOS (Line of Sight) / NLOS (Non Line of Sight)
Równanie radiokomunikacyjne
Bilans energetyczny Å‚Ä…cza radiowego
Podb dBW = Pnad dBW + Gnad dBi - Lprop dB + Godb dBi
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
Podbmin dBW = Pnad dBW + Gnad dBi - Lprop dB + Godb dBi
[ ] [ ] [ ] [ ] [ ]
Równanie radiokomunikacyjne
Bilans energetyczny Å‚Ä…cza radiowego
Zastępcza moc promieniowania izotropowego Pzast
(EIRP  Equivalent Isotropic Radiated Power)  fikcyjna wartość
mocy, jaką należałoby dostarczyć do izotropowej anteny
nadawczej, aby uzyskać taki sam efekt energetyczny, jaki ma
miejsce na głównym kierunku promieniowania w przypadku
stosowania rzeczywistej anteny kierunkowej.
Pzast = Pnad Å" g
Pzast dBW = Pnad dBW + Gnad dBi
[ ] [ ] [ ]
Rodzaje fal radiowych
Ogólna klasyfikacja fal radiowych:
- fale przyziemne, rozchodzące się w pobliżu podłoża
ziemskiego, których mechanizm propagacyjny zależy od
właściwości elektrycznych podłoża,
- fale troposferyczne, których mechanizm propagacyjny
zależy od właściwości troposfery,
- fale jonosferyczne, których mechanizm propagacyjny zależy
od właściwości jonosfery.
Podział fal radiowych na zakresy
Podział tradycyjny
- fale bardzo długie:  > 20 km f < 15 kHz
- fale długie:  " (3; 20) km f " (15; 100) kHz
- fale średnie:  " (200; 3000) m f " (100; 1500) kHz
- fale pośrednie:  " (100; 200) m f " (1,5; 3) MHz
- fale krótkie:  " (10; 100) m f " (3; 30) MHz
- fale ultrakrótkie:  " (1; 10) m f " (30; 300) MHz
- mikrofale:  < 1 m f > 300 MHz
Podział fal radiowych na zakresy
Podział wg ITU-R V.431-7
- fale hektokilometrowe  ULF (Ultra Low Frequency)
 " (100; 1000) km f " (300; 3000) Hz
- fale myriametrowe  VLF (Very Low Frequency)
 " (10; 100) km f " (3; 30) kHz
- fale kilometrowe  LF (Low Frequency)
 " (1; 10) km f " (30; 300) kHz
- fale hektometrowe  MF (Medium Frequency)
 " (100; 1000) m f " (300; 3000) kHz
Podział fal radiowych na zakresy
- fale dekametrowe  HF (High Frequency)
 " (10; 100) m f " (3; 30) MHz
- fale metrowe  VHF (Very High Frequency)
 " (1; 10) m f " (30; 300) MHz
- fale decymetrowe  UHF (Ultra High Frequency)
 " (10; 100) cm f " (300; 3000) MHz
- fale centymetrowe  SHF (Super High Frequency)
 " (1; 10) cm f " (3; 30) GHz
- fale milimetrowe  EHF (Extremely High Frequency)
 " (1; 10) mm f " (30; 300) GHz
Podział fal radiowych na zakresy
ITU zaleca także oznaczanie wybranych zakresów częstotliwościowych
- zakres L : f " (1; 2) GHz
- zakres S : f " (2; 4) GHz
- zakres C : f " (4; 8) GHz
- zakres X : f " (8; 12) GHz
- zakres Ku : f " (12; 18) GHz
- zakres K : f " (18; 27) GHz
- zakres Ka : f " (27; 40) GHz
- zakres V : f > 40 GHz