AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA

Transkriptio

1 1 AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA Miten aallot käyttäytyvät väliaineissa & esteissä? Mitä ovat Maxwellin yhtälöt?

2 HUYGENSIN PERIAATE 2 Aaltoa voidaan pitää jokaisesta aallon jo läpäisemästä väliaineen pisteestä lähteneiden alkeisaaltojen (wavelets) summana. Tämä näkökulma ymmärtämään useita aaltoliikkeen ilmiöitä kuten diffraktiota (taipuminen). Periaatteen avulla voidaan selittää ja laskea myös taittuminen ja heijastuminen.

3 HUYGENSIN PERIAATE 3 Kun vedessä kulkevat aallot osuvat rakoon, havaitaan toisella puolella reiästä lähteviä aaltoja jotka interferoivat muodostaen uuden rintaman. Samaa ilmiö kahden huoneen välissä on oviaukossa. Jos ääniaalto lähtee liikkeelle huoneen etäisimmästä nurkasta, toisessa huoneessa oleva henkilö kuulee äänen ikään kuin se tulisi ovesta. Oviaukossa värähtelevä ilma on äänen lähde.

4 VEITSENTERÄDIFFRAKTIO 4 Esiintyy myös SM-aalloilla, kun esimerkiksi rakennuksen tai vuoren reuna varjostaa etenevää aaltorintamaa (puhelin siirtyy tukiaseman suorasta näköyhteydestä rakennuksen reunan katveeseen). Katveessa signaali vaimenee (häipyy hitaasti) reunan jälkeisen sekundäärisen aaltorintaman taipuessa, kun reunan takana syntyy alkeisaaltojen (aallokkeiden) interferenssi.

5 5 VEITSENTERÄDIFFRAKTIO (S) A Tietoliikennetekniikka I Osa 6 Kari Kärkkäinen

6 KAHDEN RAON DIFFRAKTIOKOE (S) 6 Koherentti monokromaattinen (yksi aallonpituus) aalto siroaa yhden tai useamman aukon tai esteen sisältävästä hilasta siten, että hilan takana olevalle havaintotasolle tulee interferenssin vuoksi intensiteetti-maksimeja ja -minimejä. d sinθm λ m

7 SM-AALTOLIIKEOPPI (S) 7 SM-aallon etenemistä väliaineessa, sekä heijastumista ja läpäisyä kahden erilaisen dielektrisen väliaineen rajapinnassa (erilaiset permittiivisyydet ε ja permealibiliteetit µ) voidaan tarkastella fysiikan SM-aaltoliikeoppien perusteella. Michael Faraday ( ), Andre-Marie Ampere ( ), ja James Clerck Maxwell ( ) SM-teorian pioneereja. Differentiaalimuotoiset Maxwellin yhtälöt (1864) voidaan summata periaatetasolla seuraavasti: Sähkökenttä muodostuu ajan suhteen muuttuvasta magneettikentästä (dynamo generoi sähköä) Magneettikenttä muodostuu ajan suhteen muuttuvasta sähkökentästä tai virrasta (virta pyörittää magneettikentän välityksellä roottoria). Sähkökenttäviivat joko lähtevät varauksesta tai tulevat varaukseen ja ovat jatkuvia (ovat avoimia). Magneettikenttäviivat ovat jatkuvia ja suljettuja (magneettinen dipoli).

8 MAXWELLIN YHTÄLÖT (S) 8 D sähkövuon tiheys, ρ varaustiheys, B magneettiv. tiheys E sähkökentän voimakkuus, H magneettikentän voimakkuus J virran tiheys, σ johtavuus (tyhjiössä, johteessa ) Yleisesti: ρ Tyhjiössä: D B B E t D H J + t E B E B B t E µ ε, c t D εe J B µ H 1 µ ε σe

9 SM-AALTOLIIKEOPPI (S) Z aaltoimpedanssi (tyhjiölle 377 Ω), k aaltoluku, Poyntingin vektori S kuvaa aallon tehotiheyttä pisteessä z, [S] [W/m2] Tyhjiölle: 9 1 r r ε µ ( ) ( ) ( ) ( ) m F m F m H s m c v f f v k v z H E S H E S Z H E H E H E y z k t j H H y z k t H H x z k t j E E x z k t E E freespace r r average y x ,854, ,,, 1 ˆ 2 1, ˆ cos ˆ, cos ˆ cos ˆ, cos π ε π µ ε µ πω λ ε ε ε µ µ µ µε ω ε µ ω ω ω ω r r r r r r

10 1 ANTENNIT KYTKENTÄPIIRI RADIOKANAVAAN Mikä on antennin toimintaperiaate? Mitkä ovat tärkeimmät antenniparametrit? Millaisia antenneja on olemassa?

11 ANTENNIN TOIMINTAPERIAATE 11 Idea: kiihtyvässä liikkeessä oleva varaus johtimessa indusoi ympärilleen dielektriseen väliaineeseen SM-kentän, joka koostuu toisiaan vastaan kotisuorassa olevista sähkökenttä- (E) ja magneettikenttävektoreista (H). Antennin syöttösignaalina analogisesti tai digitaalisesti kantoaaltomoduloitu sinimuotoinen signaali. Varaus ei kiihdy ei säteile Varaus kiihtyy Säteilee (b), (c) ja (d) -kuvissa

12 ANTENNIN TOIMINTAPERIAATE 12 SM-aaltorintama etenee Poyntingin vektorin S suuntaan. S kuvaa säteilyn tehotiheyttä [W/m 2 ]. S E H Antenni on siirtymäalue (liityntäpiiri) 1D-johtimen ja vapaan tilan 3Daallon välillä. Esim. dipoliantenni.

13 ANTENNIN SÄTEILYKUVIO 13 Ideaalinen antenni on isotrooppinnen säteilijä: generoi täysin pallomuotoisen säteilykuvion ja 3D-aaltorintaman dielektriseen väliaineeseen. Käytännössä sellaista ei pystytä synnyttämään. Ympärisäteilevän antennin kuvio vakio horisontaalisesti, mutta voi vaihdella vertikaalisesti. Lähimmäksi sitä päästään dipoliantennilla. Säteilykuvio 3-ulott. Atsimuutti- (φ) ja elevaatiokulman (θ) funktio.

14 ANTENNIN SÄTEILYKUVIO 14 Antennin tyyppi vaikuttaa säteilykuvion muodostumiseen ja suuntaavuuteen D(θ,φ), eli tehon jakautumiseen 3D-avaruuteen. Antennivahvistus: G(θ,φ) e D(θ,φ) G(θ,φ) ilmaistaan usein suhteessa isotrooppiseen säteilijään G[dBi]. e tehokkuus on antennin säteilemän ja siihen syötetyn tehon suhde. [ ] 1 log1[ D( θ, φ) ] [ ] 1 log [ G( θ, φ) ] D dbi G dbi Dipoliantennilla D 3/2, eli D[dBi] 1,8 dbi 1

15 ANTENNIN SÄTEILYKUVIO 15 Nollakohtia vastaaviin avaruuskulmiin ei mene tehoa, vaan se keskittyy pää- ja sivu- ja takakeiloihin. HPBW puolen tehon keilan leveys suuntaavudelle D(θ,φ). Etu-taka-suhde pää ja taka-keilan maksimiamplitudien suhde. Sivukeilataso suurimman sivukeilan huippuamplitudi (ilmaistaan desibeleissä suhteessa pääkeilaan.

16 ANTENNIN LÄHI- JA KAUKOKENTTÄ 16 Rakenne vaikuttaa antennin kaistanleveyteen, eli kuinka leveäkaistaisia signaaleja voidaan lähettää. Lähi- ja kaukokenttä kuvaavat SM-kenttien muotoutumista antennin lähistöllä ja siitä kauempana. Lähikentässä sekä reaktiiviista (vrt. loisteho) että säteilevää energiaa. Kaukokentässä vain säteilevää. Reaktanssi säilöö muttei hävitä energiaa. Kaukokentässä reaktiivinen kenttä vähäinen. Kaukokentässä aalto palloaaltomainen.

17 DIPOLIANTENNI 17 L dipolin kokonaispituus vaikuttaa säteilykuvion muotoon. L I ( z) I() sin k z 2

18 MONOPOLIANTENNI 18 Lukeutuu heijastinantenneihin. Monopolissa johtava maataso, jonka suhteen virran peilikuva muodostuu. Esim. auton antenni pellin päällä. Toimii kuten dipoli, mutta vain puolella säteilykuviolla.

19 KULMAHEIJASTINANTENNI 19 Monopolin ideaa laajennettu kahdelle heijastintasolle. Useampi ohjaavan elementin kuva ja siten lisääntynyt vahvistus & suuntaavuus monopoliin verrattuna. Säteilysuunta

20 PARAPOLOIDILAUTASANTENNI 2 Syöttöpiste polttopisteessä. Vrt. kovera optinen peili. Lukuisia elementin kuvia. Hyvä suuntaavuus (kapea keila) ja suuri antennivahvistus G(θ,φ), johon peilin halkaisija aallonpituuksissa vaikuttaa. Soveltuu suurille etäisyyksille kiinteään suuntaan (esim. satelliitit ja radiolinkit).

21 YAGIANTENNI 21 Hyvä suuntaavuus. Takana heijastin, jonka jälkeen säteilevä dipolisilmukkaelementti. Syöttöpisteeseen kytkeytymättömät arasiittiset elementit suuntaavat keilaa. Parasiitteihin indusoituu virta. Kun parasiittien pituus ja paikka on valittu sopivasti, ne vahvistavat konstruktiivisen interferenssin mukaisesti kenttää haluttuun suuntaan. Suuntaajien määrän lisääminen kasvattaa vahvistusta. Vahvistus neljällä parasiitilla 12 dbi. VHF- ja UHF-antenni maanpäällisten (terrestial) TV-lähetysten ottoon.

22 SILMUKKA-ANTENNI 22 Käytetään kompakteissa sovelluksissa (esim. hakulaitteet).

23 HELIX-ANTENNI 23 Silmukka-antennin yleistys useammalle luupille. Suurempi vahvistus kuin yhdellä silmukalla (suuntaavampi). Johtava maataso toimii heijastimena.

24 TORVIANTENNI 24 Antennin idea parhaiten ymmärrettävissä. Liitetty yleensä aaltoputkeen. Aaltoputken dimensiot riippuvat aallonpituudesta. Vaatii suuren käyttötaajuuden (GHz alueella), jotta aalto mahtuu putkeen.

25 MIKROLIUSKA-ANTENNI 25 Valmistetaan eristävän dielektrisen eristävän materiaalin päälle. Kompakti ja halpa rakenne. Voidaan valmistaa laitteen sisälle. Materiaalin muoto ja dimensiot määrittelevät keilan. Tunnettava hyvin SM-teoria. Mallinnus ohjelmistoilla. L tyypillisesi < λ/2. Monia muotoja, esim. suorakaide, ympyrä, liuska. Käytetään vaiheistettujen antenniryhmien elementteinä.

26 VAIHEISTETTU ANTENNIRYHMÄ 26 Syöttöelementtien viivästystä (vaiheistusta) muuttamalla, keilaa voidaan suunnata. Keila muodostuu yksittäisten elementtien tuottamien vaiheistettujen aaltojen interferenssisummana. Voidaan toteuttaa kapeita keiloja. Sähköisesti ohjattavat älykkäät antenniryhmät (smart antennas) solukkojärjestelmiin intensiivisen tutkimuksen kohteena.

27 SPACE-DIVISION MULTIPLE-ACCESS (S) 27

28 SPACE-DIVISION MULTIPLE-ACCESS (S) 28 Nykytilanne

29 SPACE-DIVISION MULTIPLE-ACCESS (S) 29