AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA

Esitys aiheesta: "AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA"— Esityksen transkriptio:

1 AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA
Kevät 2015 AALTOLIIKEOPPIA FYSIIKASSA Miten aallot käyttäytyvät väliaineissa & esteissä? Mitä ovat Maxwellin yhtälöt? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

2 Huygensin periaate 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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

3 Huygensin periaate 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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

4 veitsenterädiffraktio
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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

5 Veitsenterädiffraktio (S)
521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

6 Kahden raon diffraktiokoe (s)
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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

7 SM-aaltoliikeoppi (S)
SM-aallon etenemistä väliaineessa, sekä heijastumista ja läpäisyä kahden erilaisen dielektrisen väliaineen rajapinnassa (erilaiset permittiivisyydet  ja permealibiliteetit ) 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). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

8 Maxwellin yhtälöt (S) D = sähkövuon tiheys,  = varaustiheys, B = magneettiv. tiheys E = sähkökentän voimakkuus, H = magneettikentän voimakkuus J = virran tiheys,  = johtavuus (tyhjiössä = 0, johteessa = ) Yleisesti: Tyhjiössä: 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

9 SM-aaltoliikeoppi (S)
Z = aaltoimpedanssi (tyhjiölle 377 ), k = aaltoluku, Poyntingin vektori S kuvaa aallon tehotiheyttä pisteessä z, [S] = [W/m2] Tyhjiölle: 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

10 ANTENNIT KYTKENTÄPIIRI RADIOKANAVAAN
Mikä on antennin toimintaperiaate? Mitkä ovat tärkeimmät antenniparametrit? Millaisia antenneja on olemassa? 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

11 Antennin toimintaperiaate
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 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

12 Antennin toimintaperiaate
SM-aaltorintama etenee Poyntingin vektorin S suuntaan. S kuvaa säteilyn tehotiheyttä [W/m2]. Antenni on siirtymäalue (liityntäpiiri) 1D-johtimen ja vapaan tilan 3D-aallon välillä. Esim. dipoliantenni. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

13 Antennin säteilykuvio
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- () ja elevaatiokulman () funktio. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

14 Antennin säteilykuvio
Antennin tyyppi vaikuttaa säteilykuvion muodostumiseen ja suuntaavuuteen D(,), eli tehon jakautumiseen 3D-avaruuteen. Antennivahvistus: G(,) = e∙D(,) G(,) ilmaistaan usein suhteessa isotrooppiseen säteilijään G[dBi]. e = tehokkuus on antennin säteilemän ja siihen syötetyn tehon suhde. Dipoliantennilla D = 3/2, eli D[dBi] = 1,8 dBi 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

15 Antennin säteilykuvio
Nollakohtia vastaaviin avaruuskulmiin ei mene tehoa, vaan se keskittyy pää- ja sivu- ja takakeiloihin. HPBW = puolen tehon keilan leveys suuntaavudelle D(,). Etu-taka-suhde = pää ja taka-keilan maksimiamplitudien suhde. Sivukeilataso = suurimman sivukeilan huippuamplitudi (ilmaistaan desibeleissä suhteessa pääkeilaan. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

16 Antennin lähi- ja kaukokenttä
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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

17 dipoliantenni L = dipolin kokonaispituus vaikuttaa säteilykuvion muotoon. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

18 Monopoliantenni Lukeutuu heijastinantenneihin. Monopolissa johtava maataso, jonka suhteen virran peilikuva muodostuu. Esim. auton antenni pellin päällä. Toimii kuten dipoli, mutta vain puolella säteilykuviolla. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

19 Kulmaheijastinantenni
Monopolin ideaa laajennettu kahdelle heijastintasolle. Useampi ohjaavan elementin kuva ja siten lisääntynyt vahvistus & suuntaavuus monopoliin verrattuna. Säteilysuunta 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

20 Parapoloidilautasantenni
Syöttöpiste polttopisteessä. Vrt. kovera optinen peili. Lukuisia elementin kuvia. Hyvä suuntaavuus (kapea keila) ja suuri antennivahvistus G(,), johon peilin halkaisija aallonpituuksissa vaikuttaa. Soveltuu suurille etäisyyksille kiinteään suuntaan (esim. satelliitit ja radiolinkit). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

21 Yagiantenni 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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

22 Silmukka-antenni Käytetään kompakteissa sovelluksissa (esim. hakulaitteet). 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

23 Helix-antenni Silmukka-antennin yleistys useammalle luupille. Suurempi vahvistus kuin yhdellä silmukalla (suuntaavampi). Johtava maataso toimii heijastimena. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

24 Torviantenni Antennin idea parhaiten ymmärrettävissä. Liitetty yleensä aaltoputkeen. Aaltoputken dimensiot riippuvat aallonpituudesta. Vaatii suuren käyttötaajuuden (GHz alueella), jotta aalto mahtuu putkeen. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

25 Mikroliuska-antenni 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 < /2. Monia muotoja, esim. suorakaide, ympyrä, liuska. Käytetään vaiheistettujen antenniryhmien elementteinä. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

26 Vaiheistettu antenniryhmä
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. 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

27 Space-Division Multiple-Access (S)
521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

28 Space-Division Multiple-Access (S)
Nykytilanne 521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015

29 Space-Division Multiple-Access (S)
521357A Tietoliikennetekniikka I Osa Kari Kärkkäinen Kevät 2015