الموجة اضطراب ينتقل طاقة من خلال الوسط أو الفضاء مع قدر ضئيل أو معدوم من نقل الكتلة. هناك أنواع مختلفة من الموجات التي تقدم العديد من أنواع الخدمات المختلفة. موجات كهرومغناطيسية تستخدم على نطاق واسع في التطبيقات الهندسية . نستخدم أشكال الموجات في أنواع مختلفة من التطبيقات مثل اللاسلكي تواصل رادار استكشاف الفضاء ، الملاحة البحرية ، الملاحة الراديوية ، الاستشعار عن بعد ، إلخ ... من بين هذه التطبيقات ، تستخدم بعض الوسائط الموجهة لإرسال الموجات بينما يستخدم البعض الآخر الوسيط غير الموجه. في هذه المقالة ، سنعرف كيف تؤثر خصائص الوسط على انتشار الموجات والطرق المختلفة التي تنتشر بها الموجة.

ما هو انتشار الموجة؟ - تعريف

يتم إنشاء الموجات الكهرومغناطيسية بواسطة الطاقة المشعة من التيار الحامل سائق . في الموصلات ، جزء من توليد الطاقة يهرب وينتشر في الفضاء الحر في شكل موجه كهرومغناطيسية ، والتي لها مجال كهربائي متغير بمرور الوقت ، ومجال مغناطيسي ، واتجاه انتشار متعامد مع بعضها البعض.

يشع من أ مرسل موحد الخواص تنتقل هذه الموجة عبر مسارات مختلفة للوصول إلى المستقبل. يُعرف المسار الذي تسلكه الموجة للانتقال من جهاز الإرسال والوصول إلى المستقبل باسم انتشار الموجات.

الكهرومغناطيسية (EM) أو انتشار الموجات الراديوية

عندما المبرد الخواص يستخدم في انتقال من الموجات الكهرومغناطيسية نحصل على جبهات موجة كروية كما هو موضح في الشكل لأنها تشع موجات EM بشكل موحد ومتساو في جميع الاتجاهات. هنا مركز الكرة هو الرادياتير بينما نصف قطر الكرة هو R. من الواضح أن جميع النقاط على المسافة R والموجودة على سطح الكرة لها كثافة طاقة متساوية.

واجهة الموجة الكروية

تنتقل موجات E في الفضاء الحر بسرعة الضوء. ج = لكن م تنتقل الموجات عبر وسط آخر تقل سرعته. يتم إعطاء سرعة الموجات الكهرومغناطيسية في أي وسيط غير المساحة الحرة ،

حيث c هي سرعة الضوء والسماحية النسبية للوسط.

تنقل الموجات الكهرومغناطيسية الطاقة عن طريق امتصاص وإعادة انبعاث طاقة الموجة بواسطة الذرات الموجودة في الوسط. تمتص الذرات طاقة الموجة وتخضع للاهتزازات وتمرر الطاقة عن طريق إعادة انبعاث EM من نفس التردد. تؤثر الكثافة الضوئية للوسط على انتشار الموجات الكهرومغناطيسية.

معادلة انتشار الموجة

تأخذ الأمواج العديد من الطرق في طريقها للوصول إلى جهاز الاستقبال. تحدد العديد من المعلمات المسار الذي تسلكه الموجة مثل ارتفاعات الإرسال والاستقبال الهوائيات ، زاوية الانطلاق عند نهاية الإرسال ، وتيرة العملية الاستقطاب إلخ…

يتم تعديل العديد من خصائص الموجات أثناء الانتشار مثل الانعكاس والانكسار والحيود وما إلى ذلك ... بسبب اختلاف معلمات وسائط الانتشار مثل التوصيلية والسماحية والنفاذية وخصائص الأجسام المعوقة.

بشكل عام ، عندما تشع القدرة في الفضاء الحر ، قد تشع طاقة الموجة أو تمتصها الأجسام الموجودة في الوسط. لذلك أثناء إرسال الموجة عبر وسط ما ، من الضروري حساب الخسارة التي يمكن أن تسببها الموجة. هذه الخسارة تسمى فقدان الإرسال اللاسلكي ، الذي يعتمد على قانون التربيع العكسي للبصريات وتحسب كنسبة القدرة المشعة إلى القدرة المستقبلة.

فريس حلبة راديو الفضاء الحر

كما نعلم أنه عند استخدام مرسل متناحٍ ، يتم توزيع القدرة بالتساوي ، ويمكن التعبير عن متوسط القدرة من حيث القدرة المشعة على النحو التالي ،

يتم إعطاء اتجاهية هوائي الاختبار بواسطة

افترض أن هوائي الاستقبال يتلقى كل الطاقة المولدة من موجات الراديو دون أي خسارة. اسمح أن تكون القدرة القصوى التي يستقبلها هوائي المستقبل تحت ظروف تحميل مطابقة. عندما تكون الفتحة الفعالة لهوائي الاستقبال ، يمكننا أن نكتب ،

“المضي قدما adder vs ripple حمل adder ”

بشكل عام ، التوجيهية والفعالة فتحة منطقة أي هوائي مرتبطة

اسمحوا أن يكون اتجاهية هوائي الاستقبال. ثم،

استبدال القيمة في (3) نحصل عليها ،

تُعرف هذه المعادلة بالمعادلة الأساسية لانتشار الفضاء الحر ، والمعروفة أيضًا باسم طازج معادلة المساحة الحرة. العامل ( λ / 4πr)^اثنين يسمى خسارة مسار الفضاء الحر الذي يشير إلى فقدان الإشارة. يمكن التعبير عن خسارة المسار كـ

يمكننا التعبير عن المعادلة (6) بوحدة ديسيبل ،

يمكن التعبير عن الطاقة المستلمة كـ

والتي ، عند التبسيط ،

هنا يتم التعبير عن المسافة r بالكيلومتر بينما يتم التعبير عن التردد f بـ ميغا هيرتز . يشير هذا إلى الخسارة بسبب انتشار الموجة الذي يحدث عندما ينتشر خارج المصدر.

أنواع انتشار الموجة

لا تعتمد الموجات الكهرومغناطيسية أو انتشار الموجات الراديوية التي تمر عبر بيئة الأرض على خصائصها فحسب ، بل تعتمد أيضًا على خصائص البيئة. هناك مسارات مختلفة للانتشار يمكن من خلالها للموجات المرسلة أن تصل إلى المستقبل. تعتمد كل هذه الأوضاع على تردد التشغيل ، والمسافة بين المرسل والمستقبل ، إلخ ...

انتشار الموجات

تسمى الموجات التي تنتشر بالقرب من سطح الأرض موجات الأرض. يكون هذا النوع من الانتشار ممكنًا عندما يكون هوائي الإرسال والاستقبال مغلقًا على سطح الأرض.
تسمى الموجات الأرضية التي تنتقل دون أي انعكاس موجات مباشرة أو موجات فضائية.
تسمى الموجات الأرضية التي تنتشر إلى هوائي الاستقبال من خلال الانعكاس من سطح الأرض موجات انعكاس الأرض أو الموجات السطحية.
تسمى الموجات التي تصل إلى هوائي الاستقبال بسبب الانتثار والانعكاس بالتأين في الغلاف الجوي العلوي بالموجات السماوية.
تسمى الموجات التي تنعكس أو تنتشر في طبقة التروبوسفير قبل الوصول إلى الهوائي موجات التروبوسفير.

الموجة الأرضية أو انتشار الموجة السطحية

تنتقل الموجة الأرضية على طول سطح الأرض. هذه الموجات مستقطبة رأسياً. لذلك ، الهوائيات العمودية مفيدة لهذه الموجات. إذا تم نشر موجة مستقطبة أفقيًا على شكل موجة أرضية ، بسبب توصيل الأرض ، فإن المجال الكهربائي للموجة يصبح قصير الدائرة.

عندما تتحرك الموجة الأرضية بعيدًا عن هوائي الإرسال ، فإنها تضعف. لتقليل هذه الخسارة ، يجب أن يكون مسار النقل فوق الأرض بموصلية عالية. فيما يتعلق بهذه الحالة ، يجب أن تكون مياه البحر هي أفضل موصل ولكن لوحظ أن التخزين الكبير للمياه في البرك أو التربة الرملية أو الصخرية يظهر أقصى خسائر.

ومن ثم ، يُفضل أن تكون أجهزة الإرسال منخفضة التردد عالية القدرة ، التي تستخدم انتشار الموجات الأرضية ، موجودة على جبهات المحيط. مع زيادة الخسائر الأرضية بسرعة مع التردد ، يتم استخدام هذا الانتشار عمليًا للإشارات حتى التردد 2 MHz فقط.

بالنسبة لبث الموجة المتوسطة ، على الرغم من تفضيل الموجات الأرضية ، يتم إرسال بعض الطاقة إلى طبقة الأيونوسفير. ولكن خلال النهار يتم امتصاص الطاقة بالكامل بواسطة طبقة الأيونوسفير وخلال الليل يعكس الغلاف المتأين الطاقة مرة أخرى إلى الأرض. لذا فإن جميع إشارات البث المستلمة خلال النهار ترجع إلى الموجة الأرضية فقط.

لا يعتمد المدى الأقصى لانتشار الموجة الأرضية على التردد فحسب ، بل يعتمد أيضًا على قدرة المرسل. عندما تمر الموجات الأرضية فوق سطح الأرض ، يطلق عليها أيضًا الموجة السطحية.

انتشار SkyWave

يتم إجراء كل اتصال لاسلكي طويل من الترددات المتوسطة والعالية باستخدام انتشار الموجات الأيونوسفيرية. في هذا الوضع ، يتم استخدام انعكاس الموجات الكهرومغناطيسية من المنطقة المتأينة في الجزء العلوي من الغلاف الجوي للأرض لنقل الموجات إلى مسافات أطول.

يسمى هذا الجزء من الغلاف الجوي الغلاف الجوي المتأين الذي يبلغ ارتفاعه حوالي 70-400 كم. يعكس الأيونوسفير موجات EM إذا كان التردد بين 2 إلى 30 ميجاهرتز. ومن ثم ، يُطلق على وضع الانتشار هذا أيضًا اسم انتشار الموجة القصيرة.

من الممكن استخدام نقطة انتشار الموجة الأيونوسفيرية لتوجيه الاتصال عبر مسافات طويلة. مع الانعكاسات المتعددة لموجات السماء ، أصبح الاتصال العالمي عبر مسافات طويلة للغاية ممكنًا.

لكن العيب هو أن الإشارة المستقبلة على جهاز الاستقبال قد تلاشت بسبب عدد كبير من الموجات التي تتبع عددًا كبيرًا من المسارات المختلفة للوصول إلى نقطة الاستقبال.

انتشار الموجة الفضائية

عندما نتعامل مع موجات كهرومغناطيسية ذات تردد بين 30 ميجاهرتز إلى 300 ميجاهرتز ، فإن انتشار الموجات الفضائية مفيد. هنا خصائص تروبوسفير تستخدم للإرسال.

عند العمل في وضع انتشار الموجة الفضائية ، تصل الموجة إلى هوائي الاستقبال مباشرة من المرسل أو بعد الانعكاس من طبقة التروبوسفير الموجودة على ارتفاع حوالي 16 كم فوق سطح الأرض. ومن ثم يتكون وضع الموجة الفضائية من اثنين عناصر .بمعنى آخر. موجة مباشرة و موجة غير مباشرة .

على الرغم من أن هذه المكونات يتم إرسالها في نفس الوقت بنفس المرحلة ، إلا أنها قد تصل داخل الطور أو خارج الطور مع بعضها البعض عند طرف المستقبل اعتمادًا على أطوال المسار المختلفة. وبالتالي ، فإن قوة الإشارة في جانب المستقبِل هي مجموع القوة المتجهية للموجات المباشرة وغير المباشرة.

الفضاء انتشار الموجات يستخدم الوضع لنشر ترددات عالية جدًا.

أي من هذا الانتشار يستخدم للإذاعة على الموجات القصيرة

يحدث البث على الموجة القصيرة عادة في نطاق تردد يتراوح بين 1.7 و 30 ميجاهرتز. كما رأينا أعلاه ، فإن الترددات في هذا النطاق تنتشر من خلال وضع انتشار Skywave.

اعتمادًا على التردد أو الطول الموجي ، تنتج الموجات الكهرومغناطيسية المختلفة المتأثرة في المواد والأجهزة المختلفة. ومن ثم ، فإن الأجزاء المختلفة من المجال الكهرومغناطيسي تستخدم في تطبيقات مختلفة. أي من انتشار الموجة يثير اهتمامك؟ تطبيق أي وضع من أوضاع الانتشار تجده صعبًا.