Embedded Files
Elektromagnetilised lained
Elektromagnetilised lained
Raadiotehnika on tehnikateaduse valdkond, mis põhineb elektromagnetiliste lainete kasutamisele. Elektromagnetilised lained on looduses esinev nähtus, mille olemust tutvustatakse üldhariduskooli füüsika kursuses.
Elektromagnetvälja teooriale pani aluse 19. sajandi keskel šoti füüsik ja matemaatik James Clerk Maxwell (1831 – 1879), kes kirjeldas oma töödes, kuidas elektri- ja magnetväli levivad ruumis valguse kiirusega. Teooriat luues tugines Maxwell mitmete teadlaste eksperimentide tulemustele. Maxwell võttis oma teooria seisukohad kokku aastatel 1861–1862 koostatud neljas võrrandis, kus on üldistatud ja matemaatiliselt modelleeritud Gaussi teoreemid elektri- ja magnetvälja kohta, Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus ja Amperi koguvoolu seadus.
Kaks esimest võrrandit seovad omavahel elektrilisi ja magnetilisi nähtusi, elektri- ja magnetvälja. Vahelduv magnetväli H tekitab elektrivälja E ja muutuv elektriväli E tekitab omakorda magnetvälja H. Selline väljade omavaheline vastastikune mõjutamine ongi aluseks elektromagnetilise laine energia levimisele erinevates keskkondades.
Kolmas ja neljas võrrand seovad elektri- ja magnetvälja nende allikatega: elektrivälja allikaks on laengu ruumiline tihedus ρ, aga magnetväljal ei ole sellist elementaarset allikat ja sellest tuleneb, et magnetvälja jõujooned on alati kinnised (sulguvad).
Elektromagnetiliste lainete levimise kiirus
Elektromagnetiliste lainete levimise kiirus
Elektromagnetilise laine elektrilise energia edastamise kiirust nimetatakse grupikiiruseks νgr . Laine faasi muutumise kiirust ruumis nimetatakse laine faasikiiruseks νf . Maxwelli võrranditest on laine grupikiirus määratav järgneva avaldisega
νgr = 1/ (εaμa)½ ,
kus εa – levi keskkonna absoluutne dielektriline läbitavus, mida saab avaldada keskkonna suhtelise dielektrilise läbitavuse ε ja füüsikalise konstandi, vaakumi dielektrilise läbitavuse ε0 kaudu:
εa = εε0 , kus ε0 = 10-9/36π F/m,
μa – levikeskkonna absoluutne magnetiline läbitavus, mida saab avaldada keskkonna suhtelise magnetilise läbitavuse μ ja füüsikalise konstandi, vaakumi magnetilise läbitavuse μ0 kaudu:
μa = μμ0 , kus μ0 = 4π·10-7 H/m.
Vaakumis on laine grupi- ja faasikiirus ühesugune ja on määratud valemiga νf = νgr = 1/(ε0μ0)½ .
Pannes viimasesse avaldisse vastavate füüsikaliste konstantide väärtused, saab arvutada valguse kiiruse vaakumis c0:
c0 = νf = νgr = 300 000 000 m/s = 300 000 km/s = 162 000 miili/s.
Lennunduses on rahvusvahelise kokkuleppe järgi teepikkuse ühikuks 1 miil ehk meremiil (ingl nautical mile) – 1852 m.
Mistahes teises keskkonnas on elektromagnetilise laine energia levimise kiirus määratav avaldisega
νgr = c0/ (εμ)½ .
Kuna erinevate ainete dielektrilised ja magnetilised läbitavused võivad olla oluliselt erinevad, siis signaali levimise kiirus neis võib olla samuti oluliselt erinev.
Lainepikkus ja sagedus
Lainepikkus ja sagedus
Joonis 1. Elektromagnetilise laine lainepikkus
Elektromagnetilise laine omadused ja levimise iseärasused on määratud põhiliselt laine pikkuse ja sellele vastava sagedusega f. Lainepikkus λ on määratud kui lühim kaugus kahe võrdses olekus lainepunkti vahel (joonis 1).
Elektromagnetiliste lainete lainepikkuse saab määrata koolifüüsika õpikutes toodud valemist
c0 = f λ
kus lainepikkus λ (m) ja sagedus f (Hz), valguse kiirus vaakumis c0 = 3·108 (m/s).
Lainepikkus avaldub viimasest valemist
λ = 3·108 / f .
Raadiolainete polarisatsioon
Raadiolainete polarisatsioon
Joonis 2. Laine levimise suund on määratud kruvireegliga
Raadiolaine levimise suund sõltub sellest, kuidas on omavahel orienteeritud elektrivälja E ja magnetvälja H vektorid ning on määratud kruvireegliga nagu näidatud joonisel 2. Kui kruvi pikitelg on risti vektorite E ja H tasapinnaga ja pöörata teda suunaga vektorilt E vektori H poole, siis kruvi liikumise suund näitab laine levimise suunda. Laine liikumise suuna vektorit S nimetatakse Pointingi vektoriks ja selle vektori pikkus näitab laine energia tihedust ehk laine intensiivsust, mille mõõtühikuks on W/m2. Seega Pointingi vektor näitab raadiolaine energia levimise suunda.
Eeltoodust järeldub, et kolm omavahel risti olevad vektorid E, H ja S on tihedas omavahelises seoses. Kui neist kahe suund on teada, siis saab määrata ka kolmanda vektori suuna.
Joonis 3. Raadiolaine vertikaalne polarisatsioon, E vektor on risti maapinnaga.
Raadiosides on oluline teada, kuidas E ja H vektorid on orienteeritud maapinna suhtes, selle määrab ära laine polarisatsioon. On kokku lepitud, et laine polarisatsiooni määrab ära elektrivälja vektori orientatsioon. Kui E vektor on risti maapinnaga ja magnetvälja H vektor rööbiti, nagu joonisel 3, siis on raadiolaine vertikaalselt polariseeritud. Raadiosaatja vertikaalselt paigaldatud varrasantenn kiirgab vertikaalselt polariseerutud laineid, horisontaalne antenn kiirgab horisontaalselt polariseerutud laineid. Seepärast peab vastuvõtja antenn olema suunatud selliselt nagu saatja antenn.
Kui elektrivälja vektor võngub ühes kindlas polarisatsiooni tasandis, nagu joonisel 3, siis on tegemist lineaarse polarisatsiooniga. Elliptilise polarisatsiooni korral moodustavad elektrivälja vektori otspunktide projektsioonid laine levimisega risti oleval pinnal ellipsi, erijuhtum on ringpolarisatsioon. Eristatakse kahesuunalist ringpolarisatsiooni: päripoolne, mil väli pöörleb kellaosuti liikumise suunas ja vastassuunaline, mil väli pöörleb vastu kellaosuti liikumise suunda. Ringpolarisatsiooni korral koosnevad lained kahest võrdsest komponendist – vertikaalselt polariseeritud komponendist ja horisontaalselt polariseerutud komponendist. Kui saatja kiirgab välja ringpolariseeritud laineid, aga vastuvõtja antenni polarisatsioon on kas horisontaalne või vertikaalne, siis võetakse vastu ainult 50% signaalist (signaali kaod on 3 dB). Viimastel aastatel on välja töötatud saatjate ringpolarisatsiooni antennid, mille signaale võib vastu võtta nii vertikaalse kui horisontaalse polarisatsiooniga antenniga.
Joonis 4. Vertikaalselt polariseeritud tasapinnaline laine
Lainepind ehk lainefront on pind, millel lainete faasid on võrdsed. Kui raadiolaine muutus on kirjeldatav siinuselise funktsiooniga
A = Amsin(ωt + φ) ,
siis suurus φ määrab ära laine faasi ruumis. Kui laine levib kolmemõõtmelises ruumis x- telje suunas, siis selle laine faas y-z tasapinnal (mis on risti x-teljega) on konstantne. Seepärast nimetatakse sellise funktsiooni järgi muutuvat raadiolainet tasapinnaliseks laineks. Tasapinnalise laine levi maapinna kohal on kujutatud joonisel 4.
Joonis 5. Kiirguri sfäärilisi laineid võib pidada küllaldasel kaugusel tasapinnalisteks laineteks
Peale tasapinnalise laine võib esineda sfääriline, silindriline või muud tüüpi pinnaga laine. Kui aga võtta vaatluse alla mingi väike osa mistahes tüüpi raadiolainest, mis on oluliselt kaugel kiirgurist, siis võib seda lainet pidada tasapinnaliseks laineks. Joonisel 5 on kujutatud isotroopne kiirgur K, mis kiirgab välja igas suunas võrdsel hulgal sfäärilise lainefrondiga raadiolaineid (keralained), küllalt kaugel saatjast, kus asub vastuvõtja antenn, võib seda raadiolainet pidada tasapinnaliseks laineks.
Elektromagnetiliste lainete spekter. Raadiolainete klassifikatsioon
Elektromagnetiliste lainete spekter. Raadiolainete klassifikatsioon
Elektromagnetiliste lainete sageduslik spekter (vt joonis 6a ) hõlmab väga laia sageduste diapasooni, kuhu kuuluvad peale raadiolainete veel gammakiirgus, röntgenkiirgus, infrapunane ja ultravioletne kiirgus ning kitsa sagedusliku spektriga silmaga nähtav valgus (joonis 6b). Nähtava valguse lühema lainepikkusega ossa jääb violetne valgus, millest lühema lainepikkusega on mittenähtav ultravioletkiirgus, mis hõlmab lainepikkuste ala 100 – 380 nm. Ultravioletsest kiirgusest lühema lainepikkusega on röntgenkiirgus.
Joonis 6. a) elektromagnetiliste lainete spekter; b) nähtava valguse spekter
Violetsest valguskiirgusest suurema lainepikkusega on sinine valgus, millele järgnevad lainepikkuse suurenedes roheline, kollane ja punane valguskiirgus. Punane kiirgus piirneb mittenähtava infrapunase kiirgusega, mis algab lainepikkusega 760 nm ja ulatub kuni lühemate raadiolaineteni 1 nm.
Raadiosideks, raadionavigatsiooni ja -seiresüsteemide tööks kasutatakse laineid vahemikus 10 kHz kuni 100 GHz. Raadiolainete lai sageduslik spekter on tinglikult jaotatud üksikuteks sagedusvahemikeks või lainealadeks nende leviomaduste järgi. Tabelis Raadiolainete liigitus on toodud rahvusvaheliselt kasutatav lainealade liigitus koos ingliskeelsete sagedusalade nimetustega ja lühenditega ning lühidalt märgitud lainealade kasutamist. Toodud liigitust kasutatakse Euroopas, USA-s on jaotus erinev lühemate lainete osas, kus detsimeeterlained kuni sageduseni 1 GHz määratletakse kui ultra high frequency, UHF (ultra kõrgsagedus), suuremad kui 1 GHz määratletakse kui microwave (mikrolained).
Tsiviillennunduses toimub raadioside meeterlaine (VHF) sagedusalas 117,975 – 137 MHz, kanali sagedusriba on 8, 33 kHz (varasemalt 25 kHz). Teatud pikematel trassidel (ülelennul ookeanidest jms) kasutatakse lühilaineid (HF) sagedusalas 2,85 - 23,35 MHz. Tänapäeval kõige intensiivsemalt kasutusel olev sagedusala jääb vahemikku 30 MHz – 10 GHz.
Raadiolaineid vahemikus 10m – 1mm (30 MHz – 300GHz) nimetatakse ultralühilaineteks. Need on lained, mis levivad otsenähtavuse piires ja ei peegeldu tagasi ionosfäärist, vaid läbivad selle. Ultralühilaineala jaguneb järgnevateks alajaotusteks: meeter-, detsimeeter-, sentimeeter- ja millimeeterlained, milledel on küll omad spetsiifilised levi iseärasused, kuid neil kõigil on ultralühilainete ühised põhiomadused.
Sidesatelliitidele on kindlaks määratud sagedusalad, mida tähistatakse ladina tähega. Näiteks, navigatsioonisüsteem GPS töötab detsimeeterlainealas (UHF) sagedustel 1575,42 MHz, mida nimetatakse L1 sagedusalaks ja 1227,60 MHz (sagedusala L2). Satelliitsidesüsteemid töötavad peamiselt sagedustel 1–30 GHz detsimeeter alas (UHF) ja sentimeeterlainealas (SHF).
Millimeeterlaineala (EHF) kasutatakse kosmosesideks ning raadioastronoomias, lennunduses kasutatakse seda sagedusala lennuvälja pinnal toimuva jälgimiseks spetsiaalse suure eraldusvõimega radariga ASDR (ingl Airport Surface Detection Radar).
Raadiolainete liigitus
Raadiolainete liigitus
Kontrolli oma teadmisi
Kontrolli oma teadmisi
Page updated
Report abuse