• تلفن تماس : 02166952240

معـرفي طـيف کـامـل امــواج الکـترومغناطـيسـي و خواص آن

گروه شرکت های آ د پارس

معـرفي طـيف کـامـل امــواج الکـترومغناطـيسـي و خواص آن

 

 

1-1 مقدمه اي بر اصول انتشار امواج راديويي

بحث انتشار امواج راديويي و آنتن‌ها بطور كلي در ارتباط با مخابرات مطرح مي‌شود. بنابراين قبل از اينكه امواج الكترومغناطيسي و خصوصيات و چگونگي انتشار آن را مورد بررسي قرار مي‌دهيم، در ارتباط با مخابرات و تاريخچه آن مطالبي را ارائه خواهيم نمود.

فرستادن، دريافت و تغيير و تبديل پيام ها و اطلاعات با وسايل الكتريكي دانش مخابرات ناميده مي شود. اصولاً مخابرات علمي است كه از چگونگي انتقال خبر از يك نقطه به نقطه ديگر گفت و گو مي‌كند. به عنوان مثال هدف از برقراري يك ارتباط تلفني انتقال دو طرفه صوت از محلي به محل ديگراز طريق سيم (خط تلفن) مي باشد ، بدين ترتيب كه ارتعاشات صوتي صحبت كننده توسط ميكروفن تبديل به سيگنال الكتريكي با فركانس صوتي مي شود و در نتيجه صدا (صحبت) به گوش شنونده مي‌رسد. تاريخچه دانش مخابرات از اواسط قرن نوزدهم در حدود سال 1838 با اولين پيام تلگرافي توسط ساموئل مورث و پس از آن اختراع تلفن در سال 1876 توسط الكساندر گراهام بل آغاز شد. پيدايش تلگراف و تلفن اگرچه با استقبال بي سابقه اي روبرو شد، ولي چون انتقال پيام در مورس و تلفن در آن زمان بوسيله سيم صورت مي‌گرفت.

هزينه هنگفت سيم‌هاي ارتباطي در مسيرهاي طولاني و همچنين عدم ارتباط بين دو نقطه كه بين آنها درياها و اقيانوس موجود بود، از نقاط ضعف اين سيستم ارتباطي محسوب مي­شود. از اين رو متخصصان اين علم به اين فکرافتادند که از عوامل طبيعي از قبيل هوا، آب و زمين براي انتقال اطلاعات به جاهاي دوردست استفاده نموده و سيستم ارتباطي را از قيدوبند سيم هاي انتقال آزاد سازند. در اين سيستم ارتباطي جديد ، عامل انتقال اطلاعات ، عوامل طبيعي (محيط فضاي آزاد) بود، در نتيجه عمل انتقال بدون واسطه سيم­هاي هادي انجام گرفت که اين سيستم ارتباطي به نام مخابرات بي­سيم (wireless communication) معروف شد. يک چنين سيستم مخابراتي از قسمتهاي زير تشکيل يافته است که در شکل (1-1) نشان داده شده است.

 

شکل(1-1) شماي کلي يک فرستنده گيرنده ساده

 

در اين شکل دستگاه A در حال مخابره پيام و دستگاه B، در حال دريافت پيام است. در يک سيستم مخابراتي راديويي ، فرستنده و گيرنده به دستگاههاي الکتريکي اطلاق مي­شود که قابليت فرستادن و يا دريافت پيام را دارند و کانال انتقال ، به محيطي اطلاق مي­شود که امواج در آن انتشار مي يابند. در اين سيستم کانال انتقال فضاي آزاد است. فضا خاصيت انتقال امواج الکترومغناطيس را دارا مي­باشد. خط انتقال به کابلهايي گفته مي­شود که پيام را به صورت موج الکتريکي از فرستنده به آنتن و در محل گيرنده از آنتن به گيرنده انتقال مي­دهد. مهم ترين مسئله در ارتباط بي سيم فرستادن پيام از طريق امواج الکترومغناطيسي به فضا و گرفتن اين امواج از آن مي­باشد. بطور کلي دريافت و ارسال پيام از طريق امواج الکترومغناطيس توسط دستگاههاي الکتريکي گيرنده و فرستنده انجام مي شود. ولي دادن امواج الکترومغناطيس به فضا در محل فرستنده و گرفتن اين امواج از فضا در محل گيرنده به سيستم خاصي محتاج است که اين سيستم آنتن ناميده مي­شود. آنتن وسيله اي است که سيگنال الکتريکي مدوله شده در سيستم فرستنده را به امواج الکترومغناطيسي و امواج الکترومغناطيسي دريافتي از فرستنده را به سيگنال الکتريکي در سيستم گيرنده تبديل مي­نمايد. وظيفه آنتن، ارسال امواج به فضا و همچنين جذب امواج از فضا با بهره (Gain) مناسب مي­باشد. در سيستمهاي مخابراتي عموماً فرستنده و گيرنده در سيستم جدا از هم نيستند، بلکه هر سيستم به تنهايي خود هم فرستنده است و هم گيرنده. بنابراين آنتن هر دستگاه نيز به عنوان آنتن گيرنده و فرستنده بکار مي­رود.

 

2-1 طيف کامل امواج الکترومغناطيسي

در شکل (2-1) محدوده طيف کامل امواج الکترومغناطيسي را مشاهده مي­کنيد، امواج راديويي که بي­سيم­ها در اين طيف فرکانس طراحي و ساخته مي­شوند فقط يک نوع از انرژي الکترومغناطيس مي­باشند.

 

شکل(2-1) طيف کامل امواج الکترومغناطيسي

 

انرژي هاي ديگر بصورت امواج مادون قرمز (حرارتي) امواج نوراني (طيف مرئي) ، امواج ماوراء بنفش ، اشعه X ، پرتوهاي گاما، اشعه کيهاني مي­باشند. با آنکه سرعت همه آنها در خلاء يکي است ولي خواص آنها متفاوت است. به عنوان مثال، چشم انسان نمي­تواند همه امواج الکترومغناطيس را ببيند، بلکه قسمت کوچکي از آن با چشم ديده مي­شود. بعضي از نواحي طيف روي هم همپوشاني دارند و نامگذاري آنها بستگي به اين دارد که چگونه توليد مي­شوند و بيشتر کدام خواص را از خود نشان مي دهند.

انرژي اين امواج بستگي به فرکانس آنها دارد ، امواجي که ما پيرامون آن بحث خواهيم کرد، قسمت کوچکي از اين طيف عريض را اشغال کرده اند که در حقيقت درقسمت پايين اين طيف بنام باند فرکانسهاي راديويي آورده شده که بي­سيمها و تجهيزات راديويي در اين باند ساخته مي­شوند ]9،11،12[

1-2-1 طيف فرکانس هاي صوتي (AF)

امواج صوتي از نوع موج­هاي مکانيکي هستند که در اثر ارتعاش اجسام کشسان توليد مي­شوند و در گازها و مايعات و جامدات منتشر مي گردد. در اينجا ما صوت را به صورت موج و يا يک حرکت ارتعاشي در نظر مي­گيريم، با خواص موجي آن مانند فرکانس، طول موج ، سرعت انتشار و غيره آشنا مي شويم.

حدود باند امواج صوتي که توسط گوش انسان قابل شنيدن هستند ، داراي فرکانسهايي بين 20Hz تا 20KHz مي باشند که اصطلاحاً به آن فرکانس صوتي يا صدا(Audio Frequency) گفته مي­شود.

معمولاً فرکانسهاي از 10Hz تا 100KHz را طيف امواج صوتي در نظر مي­گيرند و فرکانس هاي بالاتر از 20KHz که توسط گوش انسان شنيده نمي شود ، ماوراء صوت نامند.

صوتي که از يک منبع مولد توليد مي شود فوراً به گوش نمي رسد بلکه با سرعتي که از سرعت نور به مراتب کوچکتر است ، در محيط منتشر مي گردد. انتشار صوت در واقع انتشار حرکت ارتعاشي منبع مولد صوت است که به صورت طولي در مسير خود ، مولکولهاي محيط را در راستاي انتشار به ارتعاش در مي­آورد. امواج صوتي در محيط با سرعت بين 330m/s تا340m/s حرکت مي کند که توسط جابجايي مولکولهاي هوا انتقال مي­يابند. سرعت صوت در يک محيط (سيال) به فشار، جرم حجمي، جرم مولکولي و دماي سيال بستگي دارد. بنابراين سرعت امواج صوتي از محيطي به محيط ديگر متفاوت خواهد بود. باند فرکانسي مولدهاي صوتي و کاربرد آنها در جدول (1-1) آمده است ]9،11،12[ .

 

 

جدول (1-1)

2-2-1 طيف فرکانس­هاي راديويي (RF)

باند فرکانس راديويي داراي فركانس هايي بين KHz3 تا GHz 1000 است كه به آن باند امواج- راديويي (RF )گفته مي شود. در مقايسه با امواج صوتي از فركانس KHz 20 به بالا با گوش انسان قابل شنيدن نيست و تقريباٌ با سرعت نور 108*3 متربر ثانيه در محيط(فضاي آزاد)حركت مي كند.

فركانس هاي امواج راديويي و فركانسهاي بيشتر بر خلاف طيف امواج صوتي قادرند در محيط بدون هوا (خلاء)منتشر شوند. يك موج راديويي توسط نوسان­ساز قوي و تقويت كننده قدرت فرستنده ها توليد و توسط آنتن منتشر مي گردد. امواج راديويي مجموعه اي از بردارهاي الكتريكي (E ) و مغناطيسي (H) هستند كه در فضا با يكديگر زاويه (90) درجه ايجاد كرده و هر دو در جهت انتشار ، عمود مي­باشند. نصف انرژي امواج راديويي شامل انرژي الكتريكي و نصف ديگر آن انرژي مغناطيسي است. به همين دليل اين امواج ، امواج الكترومغناطيسي نيز گفته مي شود ]9،11،12[ .

باندهاي فرکانس راديويي

توسط­كميته اي به­نام مقررات راديويي بين المللي IRR(International Radio Regulation ) استاندارد باندهاي فرکانسي انجام مي­گيرند.

باند­هاي فركانس راديويي كه در سيستم هاي ارتباطات راديويي مطرح مي باشد، در جدول (2-1) مشاهده مي­كنيد.

 

 

نام باند

کاربردها

حدود فرکانس

طول موج

محيط انتقال

فرکانس خيلي کم

VHF

تلفن، تلگراف و مخابرات دريايي

KHz30-3

موج بلند

خط دو سيم

فرکانس کمLF

امواج راديويي براي هدايت هواپيما و کشتي ها ، مخابرات بين قاره­اي و مخابرات زير دريايي

KHz300-30

موج بلند

خط دو سيم

فرکانس متوسطMF

هواپيمايي- راديو AM

KHz3000-300

موج متوسط

کابل کواکسيال

فرکانس زيادHF

تجارتي و نظامي ، راديوهاي آماتوري باندهاي شهري بين المللي

MHz30-3

موج کوتاه

کابل کواکسيال

فرکانس خيلي زياد

VHF

بي سيم-باندVHF تلويؤيون-FM

MHz300-30

موج متري

کابل کواکسيال

فرکانس ماوراء زياد

UHF

هواپيمايي و بي سيمها-باندUHF

MHz3000-300

موج سانتيمتري

کابل کواکسيال

فرکانس فوق­العاده زيادSHF

ميکرويو-ارتباط زمين به ماهواره-رادار-فضانوردي

GHz30-3

موج سانتيمتري

کابل کواکسيال

فرکانس باندVHF

ارتباط ماهواره­اي-آزمايش ونجوم راديويي دريانوردي

GHz300-30

موج ميليمتري

کابل کواکسيال

جدول (2-1)

 

در جدول فوق وقتي گفته مي شود باند VHF مقصود امواجي است كه فركانس آنها بين MHZ 30 تاMHZ 300 مي باشد. امواج راديويي بر حسب فركانس , مصارف و كاربردهاي بخصوصي در مخابرات دارند. در جدول (3-1) حدود كاربرد هريك بيان شده است ]9،11،12[ .

مصارف

فرکانس

نام باند

موج بلند- براي مخابرات دريايي

KHz 500- 10

LW

موج متوسط- براي فرستنده­هاي درون مرزي

KHz1605 - 535

MW

موج کوتاه- براي فرستنده­هاي برون مرزي

MHz27 - 3

SW

مخابرات دولتي- پليس ، آتش نشاني

MHz47 - 27

باند شهري C.B

باند پايين کانالهاي (2و4) تلويزيون

MHz68 - 47

VHF-1

راديوهايFM

MHz110- 88

VHF

هواپيمايي، هواشنناسي و مصارف تجاري، نظامي پليس­،شهري و مخابرات دريايي

MHz174- 108

VHF

باند بالاي VHF کانالهاي تلويزيون (12-5)

MHz230- 174

VHF-II

مصارف طبي- راداري

MHz470 - 230

VHF-UHF

جدول (3-1)

3-1 چگونگي توليد و انتشار امواج الكترومغناطيسي

يك مدار الكتريكي متشكل از سيم­پيچ با خود القاي L ، خازن با ظرفيت C كه طرح ساده اي از آن در شكل (3-1) نمايش داده شده است. مدار نوسان كننده اي است به نام " LC " كه قبلاٌ در دروس مدار الكتريكي مورد بررسي قرار گرفته است و در آن تخليه بار الكتريكي خازن به صورت نوسانات سينوسي ميرا (مستهلك شونده) انجام مي گيرد.

 

شكل(3-1)

اگر مدار LC را با مجموعه اي از قطعات ديگر الكترونيكي و منبع تغذيه كنار هم قرار دهيم به طوري كه تشكيل يك مدارنوسان ساز را بدهند. فركانس جريان نوسانات ايجاد شده از فرمول (1-1) محاسبه مي شود.

فرمول(1-1)

در اين فرمول f فركانس نوسانات برحسب هرتز( HZ )و L خودالقا با اندوكتانس برحسب هانري (H )و C ظرفيت خازن برحسب فاراد (F) مي باشد. دراين حالت مدار به تشديد (رزونانس) درمي آيد كه با تغييرL و C فركانس مدار LC تغيير خواهد كرد، معمولاً L را انتخاب و براي انتخاب فركانس مورد نظر C را تغيير مي­دهند.

براي درك صحيح چگونگي توليد و انتشار امواج الكترومغناطيسي كه قصدداريم در اين قسمت مطرح كنيم اصول تئوري آقاي ماكسول درباره امواج الكترومغناطيسي را بيان مي كنيم. او اظهارداشت تئوري الكترومغناطيس از چهار اصل زير مايه گرفته است :

- جريان الكتريكي دريك هادي ميدان مغناطيسي توليد مي كند كه خطوط ميدان در اطراف هادي دور مي­زنند.

- حركت هادي در يك ميدان مغناطيسي كه منجر به قطع خطوط ميدان مغناطيسي شود, جريان الكتريكي در آن القا مي كند.

- تغيير ميدان الكتريكي در فضا سبب ايجاد ميدان مغناطيسي مي شود.

- تغيير ميدان مغناطيسي درفضا سبب ايجاد ميدان الكتريكي مي شود.

ماكسول از صورت معادلات رياضي كه روابط ميان ميدانهاي الكتريكي و مغناطيسي را آشكار مي كرد نتيجه گرفت دو ميدان الكتريكي (E) و ميدان مغناطيسي (H) در هر نقطه از فضا برهم عمودند و هردو ميدان ، عمود برجهت انتشار مي­باشند كه با سرعت نور در محيط منتشر مي شوند . بنابراين مي توان نتيجه گرفت كه نور هم قاعدتاٌ بايد از جنس امواج الكترومغناطيس باشد.

اولين تجربه در رابطه با توليد عملي امواج الكترومغناطيس درآزمايش توسط دانشمند جوان ايتاليايي بنام ماركوني انجام گرفت كه در جريان آن توانست امواج الكترومغناطيسي را توليد و آشكار سازد و علاوه برآن هرتز دانشمند آلماني ضمن تكرار آزمايش ماركوني توانست بعضي از خواص مهم اين امواج مانند انعكاس و تداخل را نشان دهد. شكل (4-1) آزمايش هرتز را نشان مي دهد كه در آن فرستنده و گيرنده امواج ديده مي شود.

 

 

 

 

 

 

 

شكل (4-1)

 

دستگاه فرستنده هرتز از دو ميله فلزي مستقيمM و N تشكيل شده كه به يك سر هركدام يک کره بزرگ باردار بنام Q1 و Q و به سر ديگر آنها يك كره كوچك نصب شده است. اگر اين دو ميله به ثانويه بوبين القاي T وصل شود, در دهانه S جرقه توليد شده و يك جريان نوساني بين M و N برقرار مي شود. علت ايجاد جريان نوساني اين است كه مجموعه دو كره و ميله مانند يك مدار نوسان كننده الكتريكي است. كره هاي Q1 و Q مانند صفحات خازن و ميله هاي M و N مشابه اندوكتانس عمل مي كنند. گيرنده هرتز از يك حلقه ساده با شكاف R مخصوص جرقه زدن تشكيل شده است، هرتز با استفاده از اين فرستنده و گيرنده ساده خود توانست علائم الكتريكي (راديويي) را به فاصله چندصد متري ارسال و دريافت كند. او ضمن آزمايش هاي جالب خود متوجه شد كه امواج ارسال شده از فرستنده در اثر برخورد با صفحات بزرگ فلزي منعكس مي شوند و اگر امواج در امتداد عمود برصفحه فلزي ارسال شوند پس از برخورد به مانع منعكس شده و با امواج تابش تداخل پيدا كرده و توليد گره و شكم مي كند.

هرتز , سرعت انتشار اين امواج را اندازه گرفت و دريافت نتيجه همان است كه ماكسول پيشگويي كرده بود. يعني در آزمايش هاي خود نتيجه­گرفت كه اين امواج تمام خواص نور را(بازتابش, تفرق و تداخل) دارا مي باشند.

حال شرح نحوه عملكرد مدار نوسان كننده هرتز را بررسي مي كنيم. فرض كنيد ميله هاي M و N و كره هاي Q1 و Q قبلاٌ باردار شده اند (در يك نيم سيكل موج از فرستندهT) بطوريكه Q1 داراي بار منفي و Q داراي بار مثبت است , اين دو كره باردار در فضاي اطراف خود ميدان الكتزيكي (E) خواهند داشت كه مي­توان اثر آن را برروي بار مثبت آزمون در امتداد خط عمود بر M و N دريافت كرد. وقتي در دهانه S جرقه زده شود نوسان الكتريكي بين دو كره Q1 و Q شروع مي شود. در نيم پريود بعدالكترونها از فاصله S عبور مي كنند و Q1 منفي و Q مثبت مي گردد و در نتيجه شدت ميدان الكتريكي در يك نقطه نسبت به نيم پريود قبلي (180 درجه عوض مي شود. بطور كلي در اثر نوسان الكترون ها بين دو كره Q1 و Q ) ميدان الكتريكي متناوب در اطراف آنها ايجاد مي شود كه دامنه آن با دور شدن از ميله M و N كاهش مي يابد.

علاوه بر ميدان الكتريكي در اثر حركت نوساني الكترون ها, ميدان مغناطيسي متناوب H در اطراف مسيرحركت الكترون ها ايجاد مي شود كه امتداد آن عمود بر صفحه كتاب مي باشد.دامنه اين ميدان نيزبا دور شدن از ميله M و N كاهش مي­يابد. موج الكترومغناطيس نوسان كننده هرتز به صورت شكل (5-1) مي­باشد.

 

 

 

 

 

شكل (5-1)

 

اگر در فاصله S يك سري جرقه به طور متناوب ايجاد شود , هر جرقه يك دسته نوسان ميرا در MN ايجاد مي كند كه اين نوسان به نوبه خود يك موج الكترومغناطيسي ميرا به فضا مي فرستد. چنانچه يك هادي كه داراي بار الكتريكي مثبت و منفي مي باشد در مسير اين امواج قرار گيرد (مانند يك سيم هادي كه به عنوان آنتن گيرنده عمل مي كند) بارهاي الكتريكي در اثر نيروي وارد از امواج شروع به نوسان مي كنند. اگر هادي (آنتن گيرنده) مورد نظر مدار نوسان كننده اي باشد كه فركانس طبيعي آن (فركانس تشديد) با فركانس امواج يكي باشد تشديد حاصل مي شود و الكترون ها در مدار شروع به نوسان مي كنند (نظير اين وضع در حلقه هرتز پيش مي آيد و در شكاف R جرقه مي زند) بديهي است با تنظيم عرض شكافي R (در گيرنده ها با تنظيم يا محاسبه طول آنتن) مي توان حالت تشديد را به وجود آورد.

نتيجه اي كه از اين بحث و آزمايش هرتز مي توان گرفت اين است كه هرتز در واقع با اين آزمايش نشان داد, آنتن ها نيز كه در مباحث آينده مورد بحث قرار خواهند گرفت از يك مدار نوسان كننده LC درست شده اند كه فرستنده با اعمال جريان متناوب با فركانس برروي آنتن به حالت تشديد در مي آيد, آنتن فرستنده كه با فركانس f محاسبه شد به حالت تشديد درآمده و نوسان مي كند و امواج را به فضا انتشار مي دهد. اگر آنتن گيرنده نيز با فركانس تشديد f محاسبه شود و در مسير امواج منتشر شده توسط آنتن فرستنده قرار گيرد امواج را دريافت و به حالت تشديد (نوسان) در مي آيد و در گيرنده آشكار خواهد شد.

آنتن گيرنده نيز با فركانس تشديد f محاسبه مي­شود و در معرض امواج انتشارداده شده توسط آنتن فرستنده قرار گيرد، امواج را دريافت و به حالت تشديد (نوسان) در مي‌آيد و در گيرنده آشكار خواهد شد ]11 [.

 

4-1 سرعت امواج الكترومغناطيسي در محيط هاي مختلف

بنا به تئوري ماكسول هرگاه از يك سيم هادي جريان متناوب عبور نمايد ، مقداري از انرژي الكتريكي در سيم به صورت انرژي الكترومغناطيسي از اطراف به خارج منتشر مي شود . اگر چه اين انرژي تشعشعي در فركانسهاي پايين خيلي كم است اما در فركانسهاي بالامقدار آن قابل ملاحظه خواهد بود. انرژي الكترومغناطيسي منتشرشده از يك سيم به صورت ميدان الكتريكي(E) و ميدان مغناطيسي(H) در فضا منتشر مي‌شود عامل انتقال اين انرژي فوتون ها هستند. مقدار انرژي اين فوتونها بستگي به فركانس نوسانات در سيم دارد. به اين معنا كه هرچه فركانس جريان در سيم حامل جريان بيشتر باشد، انرژي فوتونها بيشتر خواهد بود. گفتيم امواج الكترومغناطيسي نوساناتي هستند كه در فضاي آزادبا سرعت نور( m/sمتر بر ثانيه) حركت مي كنند، از طرفي بين فركانس و طول موج و سرعت انتشار آن در محيط فرمول (2-1 ) برقرار است.

فرمول (2-1) =

V : سرعت موج در محيط انتشار بر حسب متر بر ثانيه ( m/s ) كه اغلب با C نمايش داده مي شود .

f : فركانس موج برحسب هرتز و يا سيكل بر ثانيه (C/S)

: طول موج بر حسب متر(m )و آن عبارت است از مسافتي كه موج در يك سيكل كامل موج راديويي طي مي كند .

مسأله : طول موج فركانس گيگا هرتز چقدر است؟

جواب: =

بنابراين يك موج با سرعت انتشار معين هرچه فركانس آن بيشتر باشد طول موج آن كمترخواهد شد و هرچه فركانس امواج الكترومغناطيس بيشتر شود خواص آن به خواص نور نزديكترمي‌گردد.سرعت انتشارامواج الكترومغناطيس دريك محيطي كه ضريب‌شكست آن نسبت به هوا (خلأ) n باشداز فرمول (3-1) محاسبه مي‌شود .

فرمول (3-1) V=

سرعت موج در يك محيط با ضريب شكست n، V سرعت موج در محيط بر حسب متر بر ثانيه ، c سرعت نور در خلأ بر حسب متر بر ثانيه ، n ضريب شكست محيط، ثابت دي‌الكتريك محيط كه براي خلأ ، برابر واحد و براي هواي آزادنيز تقريباًبرابر واحد در نظرمي گيرند. هدف از مطرح كردن اين فرمول اين است كه نشان بدهيم وقتي نور از هوا وارد محيط شفاف مثل آب يا شيشه مي شود سرعتش كاهش مي يابد و در نتيجه شكست حاصل مي شود. بنابراين علت شكست امواج در موقع انتشار آن از محيطي به محيط ديگر، تغيير ضريب شکست و در نتيجه تغيير سرعت آن مي باشد. در فرمول (3-1)،ثابت دي‌الكتريك براي هر محيط متفاوت بوده لذا سرعت انتشار موج در يك محيط به جنس آن محيط بستگي دارد. محيطي كه موج در آن انتشار مي‌يابد، داراي يك امپدانس مشخصه است كه از نسبت ميدان الكتريكي() به‌ميدان مغناطيسي (H )در محيط محاسبه مي شود .

فرمول (4-1)

Z امپدانس مشخصه محيط انتشار موج برحسب اهم().E، مؤلفه ميدان‌الكتريكي موج منتشره در محيط بر حسب ولت بر متر ( v/m) . H، مؤلفه ميدان مغناطيسي موج منتشره در محيط بر حسب آمپربر متر ( A/M ). ، ضريب نفوذ مغناطيسي محيط . ، ثابت دي‌الكتريك محيط. هردو به جنس محيط بستگي دارند.

امپدانس مشخصه فضاي آزاد برابر است با :

فرمول (5-1) 377 7/376

اين امپدانس با امپدانس مدار الكتريكي فرق مي كند . چون در مدار الكتريكي، امپدانس به مقدار و نوع المان آن بستگي دارد، ولي اين امپدانس با هر E و H كه در محيطي منتشر شود ، در تمام محيط(فضا)يكي است و اگر موج منتشره در محيط(و) تغيير كند ، باز امپدانس محيط تغيير نمي كند . امپدانس مشخصه محيط عامل تلفات نيست، فقط نسبت مي‌باشد به‌خاطر اينكه اگرنسبتبهرا محاسبه كنيم، واحد آن اهم مي‌شود و ما مي‌دانيم واحد اهم را براي امپدانس در نظر مي گيرند ]11 [.

فرمول (6-1)

5-1 انكسار موج (شكست موج)

وقتي كه به آب درون يك استخر نگاه مي كنيم، عمق آب را به ظاهر كمتر از آنچه هست مي بينيم. هنگامي كه قسمتي از يك قطعه چوب را بطور مايل در آب فرومي‌بريم و به آن نگاه مي كنيم، چوب را در محل فرورفتن در آب شكسته مي‌بينيم و اين به دليل شكست نور است، وقتي از هوا وارد آب مي شود . شكست نور عبارت است از انحراف ناگهاني مسيرپرتوهاي نور (الكترومغناطيس)كه بطور مايل از يك محيط شفاف مانند هوا وارد محيط شفاف ديگري مانند آب يا شيشه بشود به عبارت ديگر اگر موج يا نوراز محيطي به محيط ديگر وارد شود ، بعلت تغيير سرعت در سطح جدايي دو محيط تغيير مسير مي دهد كه اين پديده را شكست موج گويند . اگر يك موج به طور عمودي بر سطح يك محيط بتابد ، بدون شكست در همان راستايي كه تابيده(عمود) وارد محيط دوم مي شود . شكل (6-1) مسير پرتوي را نشان مي دهد كه از هوا (با ضريب شكست كمترna)وارد شيشه(با ضريب شكست بيشتر nb)مي شود ودر محل ورودبه شيشه شكست مي‌يابد . بايد به اين نكته توجه كنيم وقتي موج از هوا يا خلأ وارد ماده چگالتري مانند شيشه يا آب مي شود (nb > na ) طوري مي‌شكند كه پرتو شكست به خط عمود نزديكتر مي شود. برعكس هنگامي كه موج از ماده اي چگالتر از هوا (مانند شيشه يا آب) وارد هوا مي شود ، پرتو شكست از خط عمود دور مي گردد. مقدار موج شكست يا موج انتشاريافته به محيط دوم به ضريب انتشار محيط بستگي دارد. لازم به تذكر است كه مقداري از موج تابش پس از برخورد به سطح مشترك و محيط، منعكس شده و به محيط اول برمي گردد كه در جاي خود راجع به آن بحث خواهيم كرد.
قانون شكست موج توسط اسنل و دكارت مطرح شدكه براي يادآوري آنهارا بيان‌مي‌كنيم.

- پرتو تابش پرتو شكست و خط عمود بر سطح جداكنندة دو محيط در نقطه تابش ، هرسه در يك صفحه هستند .

- براي دو محيط شفاف معين، نسبت سينوس زاوية تابش به سينوس زاوية شكست مقداري ثابت است .

اين مقدار ثابت را ضريب شكست محيط (يعني محيطي كه موج شكست در آن قرار دارد)نسبت به محيط اول (يعني محيطي كه موج تابش در آن واقع است) مي‌نامند. سرعت موج تابش پس از برخورد به سطح مشترك كه مرز دو محيط غير همگن (غير همسان)است ازVAبهVB تغييرمي يابد. بنابراين، قانون دوم شكست موج به صورت فرمول (7-1) نوشته مي شود .

فرمول (7-1)

ضريب شكست محيط دوم (B) نسبت به محيط اول (A)،VB و B به ترتيب سرعت موج و طول موج در محيط دوم و VA و A به ترتيب سرعت موج و طول موج در محيط اول مي باشد . حال به حالتهاي مختلفي كه در انتشار موج از محيطي به محيط ديگر ممكن است اتفاق بيفتد توجه مي‌كنيم .

محيط اول هوا (خلأ) و محيط دوم يك هادي باشد، در اين صورت مقدار كمي از موج در هادي جاري و تقريباً مقدار زيادي از آن منعكس مي شود. بنابراين اگر محيط دوم يك هادي خالص(فلزات هادي مانند مس) باشد، آنگاه تمام موج تابش منعكس شده و موج انتشاري به داخل هادي نخواهيم داشت. به‌خاطرهمين‌خاصيت از فلزات هادي بعنوان منعكس كنندة امواج‌الكترومغناطيس استفاده مي كنند . اگرراديو را در فضايي كه از فلز پوشيده‌ شده روشن كنيم، به دليل اينكه امواج در برخوردبه پوشش فلزي تماماً منعكس شده و به داخل انتشار نمي يابد ، راديو موجي از ايستگاه‌هاي موجود را دريافت نخواهد كرد .

محيط اول يك هادي (مثلاً آنتن) و محيط دوم هوا (خلأ)باشد، براي يك موج كه يك محيط هادي (آنتن)را ترك مي كند شدت ميدان الكتريكي در مرز تقريباً دوبرابر مي شود و دامنة شدت ميدان الكتريكي‌موج انعكاس باموج انتشار (موج اصلي)تقريباً برابر مي شود و اين معرف يك موج ساكن در محيط اول (آنتن)مي باشد .

 

محيط اول يك خط انتقال و محيط دوم امپدانس بينهايت باشد(خط انتقال باز)

 

 

شكل( 6-1) خط انتقال باز

 

در اين حالت همه موج ارسالي در خط انتقال منعكس مي شود ، به همين علت در سيستمهاي راديويي بي سيم به افرادي كه با دستگاه كار مي‌كنند تأكيد مي شود دستگاه را بدون اتصال آنتن به خروجي به حالت ارسال نبرند ، زيرا خروجي بي سيم بدون اتصال آنتن مانند خط انتقال باز عمل نموده همه توان ارسالي به دستگاه برمي گردد و احتمالاًبه آن صدمه وارد خواهد شد.

اگر محيط اول و دوم يكسان باشد مانند يك خط انتقال پيوسته و امپدانس مشخصه يكنواخت و ياماننددو محيط با امپدانس مشخصه مساوي، در اين حالت تمام موج ارسال شده به محيط اول تماماً وارد محيط دوم مي شود، انتشار آن به محيط دوم انتشار كامل بدون انعكاس و برگشتي مي باشد. به همين منظور ، انتقال تمام موج از خط انتقال به آنتن بايد امپدانس مشخصه آنتن و خط انتقال يكي بوده و توجه كرد كه تطبيق امپدانس صورت گرفته باشد، در انتشار امواج راديويي هر قدر فركانس موج بيشتر شود، شباهت آن به امواج نوراني بيشتر مي گردد. بر اثر پديدة انكسار امواج شروع به خم شدن(شكستن)مي كنند. شكل (7-1) را مشاهده كنيد.

 

 

 

VHF-High band/UHF

VHF- Low band

 

شكل (7-1) انكسار

در اينجا چگونگي پنهان شدن آنتن گيرنده از آنتن فرستنده ديده مي شود . (a ) در فركانسهاي پايين نظير پايين باند VHF، امكان رسيدن مقداري انرژي به آنتن گيرنده وجود دارد. (b )در فركانسهاي بالا نظير بالاي باند VHFبخصوص باند UHF با وجود خم شدن امواج سيگنالي به آنتن گيرنده نمي رسد.

در اينجا آنتن گيرنده از آنتن فرستنده توسط تپه بزرگي پنهان شده است، با وجود اين، آنتن گيرنده مقداري از موج راديويي را توسط پديدة خم شدن امواج(در اثر شكستن در حين برخورد به لبه‌هاي محيط دوم كه تپه است) در فركانسهاي پايين دريافت مي­کند. در فركانسهاي بالاتر، اثر انكسار كم مي گردد. شكل (7-1) b در اين شكل ، آنتن گيرنده هيچ موجي را دريافت نمي كند ، چون امواج به قدر كافي خم نمي شود براي غلبه بر اين اشكال، آنتن گيرنده را بايددر بالاي تپه گذاشت و توسط خط انتقال(كابل هم محور)با افت كم به دستگاه که در پايين مي­باشد وصل نمود و يا با نصب يك تكراركننده در بالاي تپه موج راديويي را به گيرنده تغذيه نمود، نقاطي كه امواج بدينصورت به آنها نمي رسدبه نقاط سايه معروفند. نواحي سايه در UHF بيشتر از VHF است ، همچنين ساختمانها و درختها، امواج UHF را به مقدار زياد تضعيف مي كنند ]5 ،6،11[ .

 

6-1 انعكاس موج (برگشت موج)

مقداري از امواج الكترومغناطيس پس از برخورد به مانع منعكس مي گردد. قوانين انعكاس امواج نيز مشابه قوانين انعكاس امواج نوراني است. زاوية تابش با زاويه انعكاس برابرو هر دو اشعه و خط عمودبر سطح در يك صفحه قرار دارند . بيشتراجسام نور(امواج الكترومغناطيس) را منعكس مي كنند.در معمولي‌ترين نوع انعكاس كه پخش نور ناميده مي شود،نور در تمام جهات منعكس مي شود . كتابي كه روي يك ميزدراتاق قرار دارد، بوسيله يك نور، نقطه اي روشن شده است از هر گوشة اتاق مي‌توان آنرا ديد. اين نوع انعكاس وقتي اتفاق مي افتد كه زبري جسم كه نوررا منعكس مي‌كند نسبت به طول موج نور (طول موج امواج الكترومغناطيسي)منعكس شده داراي ابعاد بزرگتري باشد. در نوع ديگر انعكاس كه انعكاس منظم مي‌باشد، يك دسته اشعه باريك نور (موج)در يك امتداد فقط منعكس مي شود. اين نوع انعكاس در سطح صاف كه زبري آن نسبت به طول موج منعكس شده كوچك است ، اتفاق مي‌افتد. براي مثال، انعكاس نور روي كاغذ، نوررا پخش مي‌كند در صورتي كه انعكاس نور در آينه پخش‌ نمي‌شود.به هرحال انعكاس توسط سطح ناصاف در جهات مختلف صورت مي گيرد ، شكل (8-1) را ببينيد.


شكل (8-1) نحوة انعكاس امواج از سطوح مختلف اجسام

 

همانطور كه در بحث انكسار امواج مطرح شد مقداري از امواج بعداز برخورد به يك محيط منعكس مي شود كه شدت يا مقدار انعكاس به ضريب انعكاس محيط بستگي دارد. شكل (9-1)

 

موج انعكاسي

زاويه تابش i

خط عمود بر سطح

 

nA

زاويه شكست

موج تابش

زاويه بازتابش i

N

موج شكست

nB

r

 

 

 

 

 

 

 

شكل (9-1) انعكاس موج

 

حال انعكاس در محيطهاي مختلف را بررسي مي كنيم:

1) بطور كلي اگر موج راديويي از يك محيط با ضريب شكست nA به محيط دوم باضريب شكست nB وارد شود در مرز دومحيط مقداري از موج تابش منعكس شده كه مقدار آن به ضريب انعكاس محيط (جنس و ابعاد محيط)بستگي دارد .

2) اگر محيط دوم يك هادي(مثل فلزات) باشدتقريباً اكثر موج تابش منعكس شده و اگرهادي يك هادي خالص باشد تمام موج كه به سطح آن برخورد مي كند، منعكس مي‌شود و همانطور كه در بحث شكست موج مطرح شد، به اين دليل از فلزات هادي بعنوان انعكاس كنندة امواج‌الكترومغناطيس استفاده مي شود كه در انتشار امواج كاربرد زيادي دارد.

امواج بافركانس كم مشخصه هاي متفاوتي با اشعه نوراني خواهندداشت. امواج با فركانس كم (LF ) متوسط(MF) و زياد(HF ) به آساني از داخل موانع بزرگ جامدعبور مي‌كنند، به اين علت که ضريب نفوذ آنها زياد است. امواج با فركانس خيلي زياد (VHF و UHF )به بالا به سختي از داخل موانع عبوركرده و در نتيجه از طرف مانع به طرف منبع موج منعكس مي‌گردد، به اين علت که ضريب انعكاس باافزايش فركانس زياد مي شود. بطور كلي هر جسمي كه بزرگتر از نصف طول موج باشد، مي تواند امواج را منعكس كند. البته انعكاس در مورد اجسام فلزي بيشتر است. با وجود اين، اجسام طبيعي مانند تپه ها و كوهها، در انعكاس امواج تأثير زيادي دارند . بعضي اوقات حتي ابرها نيزامواج را منعكس مي‌كنند. انعكانس در فركانسهاي بالاتر بيشتر مي شود، مثلاً انعكاس در باند UHF بيشتر از باند VHF است.

 

 

شكل (10-1) انعكاس امواج از موانع

در شكل (10-1) حالات انعكاس امواج از موانع ديده مي‌شود . در اينجا آنتن گيرنده مستقيماً سيگنال را از آنتن فرستنده و همچنين در مسير انعكاس از موانع مختلف دريافت مي كند، البته سيگنال منعكسه مسير طويل‌تري نسبت به مسير مستقيم طي كرده و به اين دليل كمي ديرتر به گيرنده خواهد رسيد ]5 ،6،11[ .

 

7-1 پخش (تفرق) امواج

امواج نوري (الكترومغناطيسي) در اثر عبور از يك دريچه، با برخورد به لبه‌هاي اجسام از مسير راست خود منحرف و به اطراف پخش مي‌شوند. كه به اين پديده تفرق مي‌گويند.نحوه پخش امواج به طول موج و قطر دريچه بستگي دارد. به شكل(11-1 )نگاه كنيد. اين حالت هنگامي كه موج از كنار يك مانع عبور كند نيز اتفاق مي‌افتد. در اين حالت تفرقه در جهت مانع است. امواج با فركانس بالا پس از برخورد به مانع متفرق شده و به همة جهات پخش مي‌شوند. از اين خاصيت تفرق براي ارسال امواج مايكروويو به نقاط دور دست استفاده مي‌شود. آنتن‌هاي مايكروويو به اين صورت عمل مي‌كنند. ]5 ،6،11[ .

 

 

 

شكل (11-1) پخش موج پس از عبور از يك دريچه

8-1 پلاريزاسيون موج

انرژي امواج الكترومغناطيسي شامل دو قسمت است: ميدان الكتريكي(E) و ميدان مغناطيسي (H)، كه در فضا دو ميدان فوق برهم عمودند و جهت انتشار امواج در جهت عمود بر صفحة شامل هر دو ميدان مي‌باشد. چنانچه ميدان الكتريكي موجي افقي باشد، موج داراي پلاريزاسيون افقي است و اگر ميدان الكتريكي عمود باشد موج داراي پلاريزاسيون عمودي است. آنتني كه بطور عمودي قرار دارد موجي با پلاريزاسيون عمودي منتشر مي‌كند و اگر آنتن بصورت افقي باشد موجي با پلاريزاسيون افقي منتشر مي‌سازد. در عمل امواج با پلاريزاسيون افقي و عمودي در فضا به علت چرخش ميدانهاي آن بصورت پلاريزاسيون دايره‌اي يا بيضوي در مي‌آيد.

 

اشتراک بگذارید

Submit to DeliciousSubmit to DiggSubmit to FacebookSubmit to Google PlusSubmit to StumbleuponSubmit to TechnoratiSubmit to TwitterSubmit to LinkedIn
گروه شرکت های آ د پارس