مقاله جامع انتشار امواج رادیویی

امواج رادیویی پس از ارسال از آنتن فرستنده تا هنگام دریافت توسط آنتن گیرنده تحت تاثیر عوامل گوناگون محیطی هستند.

مقدمه ای بر انتشار امواج رادیویی:

در سال 1865 میلادی جیمز کلارک ماکسول براساس روابط میدان های الکتریکی و مغناطیسی، وجود امواج الکترومغناطیسی که

با سرعت مشخصی قابلیت انتشار دارند را بیان نمود.

سرعت آنها در فضا برابر با سرعت انتشار نور و تقریباً معادل ۳‎×۱۰^۸  متر بر ثانیه می باشد.

چندین سال بعد از ماکسول، دانشمند آلمانی موسوم به هانریش رودلف هرتز نشان داد که

نوعی امواج نامرئی بوده و طیف پیوسته ای را  تشکیل می دهند.

 

در طول انتشار عوامل مختلف محیطی قرار دارند که شناخت این پدیده ها چگونگی تاثیرات و مقابله با آثار منفی آنها بسیار حائز اهمیت می باشد.

با توجه به اهمیت ارتباطات رادیویی، مطالعات وسیعی از جانب کارشناسان، دانشگاهها، مجامع تخصصی و بویژه

اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور ITU‏ پیرامون این مبحث انجام پذیرفته و همچنان نیز ادامه دارد.

نتایج مطالعات در سری ‎P‏ ‏توصیه های ‎ITU.R‏ تبلور یافته که مجموعه بسیار مفید و پرباری با مبانی قوی علمی

و پشتوانه عملی می باشد و طی ادوار مختلف این توصیه ها اصلاح و تکامل یافته اند.

کاربردها

از امواج رادیویی برای انتقال انواع مختلف اطلاعات صوتی، تصویری دیتا، کنترل و ناوبری

بهره گرفته می شود که برخی از این سرویس ها آنها عبارتند از:

ارتباطات سیار دریائی، هوائی و زمینی

ارتباطی ثابت با ظرفیت های مختلف

پخش همگانی صوتی و تصویری

‎تلمتری اسکادا و سنجش از راه دور

کنترل ترافیک دریائی، هوائی و زمینی

ویژه رادیویی برای کاربردهای صنعتی، علمی، تحقيقاتی و  اجتماعی

تعاریف پایه

اصولا تعاریف پایه اموری قراردادی می باشند که از طرف نهادهای تخصصی و بین المللی بنیانگذاری و عنوان می گردند

تا از پراکندگی و تفسیرهای متفاوت جلوگیری شود. درخصوص تعاریف مربوط به انتشار امواج رادیویی با در نظرگرفتن

جنبه بین المللی بخش رادیویی اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور، توصیه های این مرجع که در شماره ‎ITUR, Rec. P.310‏ عنوان گردیده اند ملاک عمل قرار گرفته است.

این تعاریف  در ۳ محور اصلی عنوان شده اند:

امواج رادیویی
اثرات زمین
اثرات تروپوسفر

لازم به ذکر است که تعاریف فوق همه موارد را شامل نبوده و کمبودهای آن با بیان تعاریف تکمیلی  متناسب با نیازها جبران خواهد شد.

تقسيم بندی  سیستم های رادیویی

برای تقسیم بندی سیستم های رادیویی روش کلی  وجود ندارد و در موارد
مختلف دسته بندی های متفاوتی از جمله مواردی که در ادامه آمد است تقسیم بندی میشوند:

تقسیم بندی براساس باند فرکانس

در این نوع تقسيم بندی، سیستم های رادیویی براساس باند فرکانس انتخابی، مانند ‎SHF, UHF, VHF, HF, MF/HF, MF‏ و ‎EHF‏ نام گذاری می گردند

البته برخی اوقات از باندهای فرکانس غیر کلاسیکی، مانند  SW یک دو  وسه نیز برای پخش رادیویی و یا کانال های تلویزیونی استفاده می شود.

همچنین باند مایکروویو برای ارتباطات ثابت و یا باندهای L ,C, ‎Ka ,Ku‏  برای ارتباطات  ماهواره ای و همچنین باندهای S,C,X برای سیستم های رادار استفاده می گردند.

‎ تقسيم بندی براساس نوع سرویس/ سیستم

در این مدل تقسیم بندی براساس نوع تجهیزات کاربردها و سرویس های قابل ارائه صورت می گیرد۔

این تقسیم بندی عموماً از طرف ‎ITU‏ و یا کاربران مورد استفاده بوده که از جمله آنها مي توان انواع زیر را نام برد:

‏ سیستم های رادیویی کمک ناوبری (دریائی و هوائی) ، پخش همگانی (رادیویی و تلویزیونی) ، ماهواره ای ،رادیو سیار ‎، رادار ،بی سیم ، رادیویی ویژه ،راديو آماتور ،رادیو ثابت و سرویس های ناوبری تجسس و نجات و سرویس های ماهواره ای

عموماً هر یک از سیستم های فوق دارای زیر مجموعه های متعدد و متنوعی می باشند، مثلاً درخصوص سیستم های ماهواره ای می توان به موارد زیر اشاره نمود:

ثابت از جمله ‎Intelsat‏ و ‎Eutelsat‏

متحرك از جمله ‎Inmarsat‏

‏ هواشناسی ‎Meteosat‏

اکتشاف منابع زمین

رادیو و تلویزیونی

سنجش از راه دور

کمک ناوبری و تعيين موقعیت

نظامی و جاسوسی

ملی و منطقه ای

‎VSAT‏

محیط انتشار امواج رادیویی

بطور کلی محیط انتشار امواج رادیویی در برگیرنده کلیه مسیرهای امواج رادیویی

مابین فرستنده و گیرنده بوده و شامل یک ویا ترکیبی از چند مورد اصلی زیر می باشند:

فضای آزاد
جو زمین
سطح زمین و مجاور آن
داخل بخشهای خشک زمین
آب دریاها و اقیانوسها و امثال آن

از میان موارد فوق، ۳ بخش اول حائز اهمیت بوده و مهمترین چالش بشر را درخصوص توسعه ارتباطات رادیویی در دهه های اخیر تشکیل داده است.

مشخصات محیط

اصولاً امواج رادیویی در فضای آزاد و یا هوا به خوبی و باتضعیف قابل قبول قادر به انتشار می باشند

در حالیکه انرژی آنها هنگام عبور از آبها و یا بخشهای خشکی زمین به شدت جذب گردیده

و بسرعت تضعیف می شوند و بویژه این موضوع با افزایش فرکانس شدت می یابد.

هر محیط از نظر امواج الکترومغناطیسی با ۳ پارامتر به شرح زیر مشخص می گردد:
ضریب گذردهی الکتریکی که با ‎ εنمایش داده شده و واحد آن برحسب فاراد بر متر  (F/M)می باشد.
نفوذ پذیری مغناطیسی که با μ نمایش داده شده و واحد آن برحسب هانری بر متر ‎(H/M)‏ می باشد.
ضریب هدایت الکتریکی که با σ‎ ‏ نمایش داده شده و واحد آن برحسب زیمنس بر متر ‎(S/M)‏ می باشد.

پارامترهای محیط انتشار امواج رادیویی

پارامترهای مهم انتشار امواج رادیویی عبارتند از:
‏ امپدانس مشخصه محیط η ، ثابت تضعیف α ، ثابت فاز β ، عدد موج k ، ثابت انتشار γ و ضریب شکست n
‏

عمق نفوذ

هنگام برخورد و انتشار امواج در یک محیط با پارامترهای معین، دامنه آنها دچار تضعیف گردیده

و درصورت قابل ملاحظه بودن نرخ تضعیف سریعاً میرا می گردند. لایه های فضا با توجه به مواد و گازهای

موجود در جو زمین و تحت تأثیر خورشید، لایه های مختلفی تشکیل می گردند۔ لایه های مهم جو زمين عبارتند از:

تروپوسفر
استراتسفر
یونسفر
مگنتوسفر
یونسفر متشکل از ۳ لایه فرعی D,E,F می باشد که بحش فرعی F‏  در روز و شب به جزئی F1 و F2  تقسیم می گردد

اصولا درخصوص ارتفاع اتمسفر زمین در منابع مختلف مقادیر متفاوتی عنوان می شود همچنین ارتفاع این لایه ها در نواحی استوا و یا قطب زمین فرق می کند.

لایه تروپوسفر

این لایه که از سطح زمین تا ارتفاع حدود ‎20 کیاومتر را پوشش می دهد دارای مشخصات زبر می باشد ،

ذرات آب دار عموماً در این لایه قرار داشته و شامل موارد زیر می باشند:
باران ، برف ، تگرگ و ابر

عوامل اصلی مربوط به هوا عبارتند از:

باد
طوفان
جریان هوا

هنگام برخورد موج با عوامل فوق پدیده هانی نظیر موارد زبر اتفاق می افند:

جذب و یا تضعیف
بازتاب
تغییر پولاریزاسیون و پراکندگی

از خواص اصلی ذرات آب دار تضعیف است که وابستگی به فرکانس موج دارد.

لایه استراتسفر

این لایه در بالای لایه تروپوسفر قرار دارد و تا ارتفاع حدود ۵۰ کیلومتری از سطح زمین امتداد می یابد.

از خواص اصلی این لایه می توان به موارد زیر اشاره نمود:

درصد بسیار بالائی از گازهای اطراف زمین در این لایه قرار دارند۔
تغییرات درجه حرارت برحسب فاصله چندان زیاد نیست۔

‎ لایه یونسفر

این لایه در بالای لایه استراتسفر قرار گرفته و تا حدود ۳۰۰ کیلومتری سطح زمین امتداد می یابد که در

برخی منابع ارتفاع آن را تا ۱۰۰۰ کیلومتر نیز ذکر نموده اند۔ این لابه که دارای اثرات مهمی در انتشار امواج می باشد

از ۳ لایه فرعی ‎D , E , F با‏ خواص مندرج در ذیل تشکیل می گردد:

‎لایه D

‏ در طول روز دارای ارتفاع تا حدود ۷۰ کیلومتر از سطح زمین می باشد۔ چگالی الکترون در آن ستقیماً به فعالیت های خورشید بستگی دارد.

فعالیت آن در طول روز بیش از شب بوده و در ظهر ماکزیمم و در غروب می نیمم و حتی از بین می رود در تابستان نسبت به زمستان شدت بیشتری دارد.

جذب انرژی این لایه در فرکانس های پایین ‎HF‏ باشد۔

‎لایه E

بالای لایه D قرار داشته و در طول روز ارتفاع آن تا حدود 100 کیلومتر از سطح زمین فاصله دارد.

پایین ترین لایه ای است که می تواند عمل شکست/ بازتاب امواج را انجام دهد. فعالیت آن در طول روز بیش از شب بوده و

در ظهر ماکزیمم و در غروب به می نیمم می رسد و در تابستان نسبت به زمستان شدت بیشتری دارد.

با توجه به ماهیت شکست، ارتباطاتی تا فاصله حدود 2000 کیلومتر در سطح زمین را پوشش می دهد۔

لايه F‏

‏بالای لایه ‎E‏ قرار داشته و تا حدود 1000 ~ 300 کیلومتر را تشکیل می دهد۔ فواصل طولانی ارتباطات باند ‎HF‏ توسط این لایه صورت می گیرد۔

در طول روز (به دلیل تغییر چگالی الکترون) به ۲ لایه F1 , F2  تقسیم می شود۔ در طول شب و زمستان مجدداً یک لایه می شود.

لایه ‎F  تقریباً مشابه لایه ‎E‏ عمل می کند. لایه F2‏ بالاترین شدت چگالی یونیزاسیون را در جو زمین داراست

این لایه ‎فاصله ارتباطی تا حدود 4000 کیلومتر را پوشش می دهد.

‎ لایه مگنتوسفر

این لایه حدود 500 تا 150000 کیلومتری سطح زمین را تشکیل میدهد و بصورت پوشش مغناطیسی قوی کره زمین را در بر می گیرد.

طیف امواج الکترومغناطیسی

جیمز کلارک ماکسول با روابط ریاضی ثابت نمود امواج الکترومغناطیسی که متشکل از میدانهای متغیر الکتریکی و مغناطیسی هستند قابلیت انتشار در محیط را دارند.

این امواج دارای تغییرات سینوسی با فرکانس می باشند.

سرعت انتشار این امواج مستقل از فرکانس بوده و به پارامترهای محیط بستگی دارند.

امواج الکترومفناطیسی گستره وسیعی از فرکانس را شامل می گردند و همانطوریکه در شکل ‎ نشان داده شده

همه امواج مادون ‎رادیو،رادیو، ماورا رادیو؛ مادون قرمز, لیزر, نور مرئی، ماوراء بنفش, اشعه ایکس و اشعه ‎گاما را در بر دارند.

‎
طیف امواج رادیویی

طیف امواج رادیویی براساس ماده ۵ نسخه سال ۲۰۰۵ مقررات رادیویی ‎ITU‏فرکانس ‎9KHz تا ‎275GHz را شامل است.

البته طبق توصیه های شماره 1621 و 1622سری ‎  ITU-R, P‏نیز در باند فرکانسی ۲۰ تا ۳۷۵ تراهرنز جهت ارتباطات فضائی انجام پذیرفته است.

موج الکترومغناطیسی کمتر از فرکانس ‎9KHz بعلت محدودیت شدید در ‎انتقال‏ ‏اطلاعات با نرخ مناسب

همچنین نیاز به آنتن های بسیار بزرگ (با ابعاد بزرگتر از ‎ 1000 کیلومتر) با توجه به طول موج زیاد آنها

عملاً در انتقال اطلاعات بیسیم مورد بهره برداری واقع نشده اند.

امواج ماوراء رادیویی نیز بعلل زیر در ارتباطات رادیویی مورد استفاده نمی باشند:
افت زیاد فضای آزاد
تلفات زیاد به علت جذب توسط ذرات و ملکولهای موجود در جو زمین
دشواری ساخت تجهیزات در فرکانس های بسیار بالا
در مخایرات نوری از در باند پایین مرئی و در پنجره هائی با طول موج های ‎850 ،‏ 1310 و 1550 نانومتری (حدودا معادل353، 230 و 195 تراهرتز)

بهره گیری شده که جهت انتفال آنها از کابل های فیبرنوری استفاده می شود.

پولاریزاسیون امواج

قطبی شدگی یا پلاریزاسیون موج در واقع رفتار تغییر پذیر با زمان بردار شدت ‎میدان الکتریکی در نقطه ای در فضا را توصیف می کند

برای تعیین این مورد نیازی به توصیف جداگانه میدان مغناطیسی نمی باشد؛ زیرا بصورت معینی به جهت E وابسته است درصورتی که

بردار  همیشه افقی باشد پولاریزاسیون موج افقی ودر صورتی که‏ ‏همیشه عمودی باشد عمودی خواهد بود.

درحالیکه مکان تصویر انتهای بردار E روی صفحه عمود بر راستای انتشار موج نسبت به زمانی که دایره باشد

موج با قطبی شدگی دایره ای و در صورتیکه بیضی باشد موج با بیضوی خواهد بود.

‎ ‏انواع اصلی پولاریزاسیون

انواع اصلی پولاریزاسیون مورد استفاده در سیستم های رادیویی به ۲ نوع اصلی خطی و غیر خطی با تقسیم بندی زیر تفکیک می گردند:

نمودار انواع پولاریزاسیون اصلی

در قطبی شدگی خطی جهت بردار میدان الکتریکی ثابت بوده که با توجه به راستای آن می تواند افقی ، عمودی و مایل باشد.

در پولاریزاسیون دایره ای اندازه بردار E ثابت ولی جهت آن تغییر می نماید. به عبارت دیگر مکان هندسی تصویر انتهای بردار ‎E‏ روی

صفحه عمود بر راستای حرکت موج؛ یک دایره بوده و در حالیکه گردش انتهای بردار یاد شده در جهت عقربه های ساعت باشد

راستگرد” و خلاف جهت آن را چیگرد” می نامند. درصورتیکه مکان هندسی انتهای بردارمیدان الکتریکی روی صفحه عمود بر امتداد

حرکت بیضی باشد پولاریزاسیون موج را بیضوی نامیده و همان قرارداد منظور شده برای امواج دایر ای درخصوص راستگردی و یا چپگردی در اینجا نیز صادق می باشد.

امواج رادیویی

امواج رادیویی طیفی از امواج الکترومغناطیسی را شامل می باشند که در امر ارتباطات بصورت حامل اطلاعات مابین فرستنده و گیرنده بکار می روند.

این امواج برای انتقال، در مسیرهای مختلفی انتشار یافته و تحت تاثیر عوامل و پدیده های گوناگونی قرار می گیرند.

تقسيم بندی کلی

اصول تقسیم بندی امواج الکترومغناطیسی براساس یکی از موارد اصلی زیر قرار دارد:

باند فركانس يا طول موج نظير امواج ‎SHF, UHF, VHF, HF, MF, LF‏ و ‎BHF‏ و یا باند متوسط کوتاه کاربرد

عملی امواج در سیستم های رادیویی مختلف نظیر امواج مایکروویو‏  رادیو ‎UHF‏  ماهواره ای، رادیو پخش، رادار،تلویزیونی

محیط اصلی و یا پدیده غالب انتشار امواج نظیر  یونسفری، تروپوسفری، فضائی، زمینی و با دید مستقیم رادیویی.

مسیرهای ارتباط رادیویی

مسیرهای مختلفی جهت ارتباط مابین فرستنده و گیرنده رادیویی وجود دارد که عمده ترین آنها عبارتند از:

امواج زمینی که در سیستم های پخش ‎AM‏ کمک ناوبری و امواج کوتاه رادیویی کاربرد دارد.

انعکاسی که معمولا باعث ارتباطات مسیر چندگانه شده و همراه با امواج مستقیم در ارتباطات UHF و مایکروویو و همچنین پخش امواج FM و تلویزیونی حادث می گردد.

دید مستقیم رادیویی که بیشتر در ارتباطات راديو مایکروویو، رادیو UHF و ارتباطات راداری کاربرد دارد.

تروپوسفری که در ارتباطات نقطه په نقطه و با حجم ترافیک متوسط با انعکاس امواج از لایه تروپوسفر مانند

تروپواسکاترها استفاده می شود. یونسفری که در ارتباطات دور برد و با انعکاس امواج از لایه های یونسفر مانند

ارتباطاتMF و HF یا پخش رادیوهمگانی استفاده می شود.

ماهوارهای که برای ارتباطات مابین پایانه های زمینی و ایستگاههای ماهواره ای در حال گردش در فضا در فواصل

صدها کیلومتری ‎تا 36000 کیلومتری نظیر انواع ماهواره های ارتباطی بکار می رود.

امواج فضائی نیز جهت ارتباط مابین پایانه های زمینی با ایستگاههای فضائی با فواصل بسیار زیاد بکار می رود.

پدیده های انتشار امواج

پدیده هائی که امواج الکترومغناطیس را درمحیط انتشارتحت تأثیر قرارمی دهند عبارتنداز:

بازتاب و مسیرهای چندگانه

شکست و انحنای مسیر امواج و داکت

پراش و ارتباطات پشت موانع

تضعیف امواج در فضای آزاد و ناشی از مواد موجود در محیط

پراکندگی

تغيير پولاریزاسيون

لکه های خورشیدی و طوفان های مغناطیسی

افت فضای آزاد

فضای آزاد یک حالت ایده آلی است که در آن امواج رادیویی به خط مستقیم حرکت نموده و هیچگونه

تلفاتی ناشی از جذب انرژی و همچنین سایر پدیده های منفی انتشار امواج در آن وجود ندارد.

‏شکل ارتباط رادیویی بین فرستنده و گیرنده

‎
‏با توجه به این شکل هنگام انتشار موج از آنتن فرستنده بفرض آنکه هیچگونه‎ ‏جذبی وجود نداشته،

بعلت توزیع توان موج روی سطحی که با مجذور فاصله رابطه‎ ‏دارد چگالی توان موج کاهش خواهد یافت و می توان آن را در حالت بدون بهره آنتن  زیر بیان نمود.

افت اصلی انتقال

‎امواج رادیویی در حد فاصل آنتن های فرستنده و گیرنده، علاوه بر افت فضای آزاد متحمل تلفات اضافی دیگری ناشی از

پدیده های مختلف در هوا می گردند که به مجموع افت فضای آزاد و تلفات ناشی از عوامل فوق “افت اصلی انتقال اطلاق میگردد

در حالیکه افت فضای آزاد تنها تابعی از فرکانس و فاصله مابین فرستنده و گیرنده می باشد ولی افتاصلی انتقال عادوه بر آن تابعی از شرایط جوی و ساختار محیط انتقال نیز می باشد.

نتیجه گیری

همانطور که گفتیم  در طول انتشار عوامل مختلف محیطی قرار دارند که شناخت این پدیده ها چگونگی تاثیرات و مقابله

با آثار منفی آنها بسیار حائز اهمیت می باشد. با شناخت محیط اطراف و با توجه به هدف ما میتوانیم بهترین نتیجه

را در انتشار امواج رادیویی دریافت کنیم. با توجه به اهمیت ارتباطات رادیویی، مطالعات وسیعی از جانب کارشناسان،

دانشگاهها، مجامع تخصصی و بویژه اتحادیه بین المللی ارتباطات راه دور ITU‏ پیرامون این مبحث انجام پذیرفته و

همچنان نیز ادامه دارد. نتایج مطالعات در سری ‎P‏ ‏توصیه های ‎ITU.R‏ ارائه میگردد که مجموعه بسیار مفید و

پرباری با مبانی قوی علمی و پشتوانه عملی می باشد و طی ادوار مختلف این توصیه ها اصلاح و تکامل یافته اند.