Френель аймағы: Тарату және қабылдау антенналары арасындағы кеңістік

Кіріспе

Таратушы және қабылдағыш антенналар арасындағы кеңістік аймағы.

Френель аймағы (/lang//f//r//eɪ/'/n//ɛ//l/ frayNEL'), физик Августин Жан Френельдің есімімен аталып, таратушы мен қабылдағыш арасында және олардың төңірегінде орналасқан конфокалды сопақ эллипсоидты кеңістік аймақтарының бірі болып табылады. Бастапқы толқын таратушыдан қабылдағышқа салыстырмалы түрде түзу сызықпен жетеді. Бір мезгілде таратылатын радио, дыбыс немесе жарық толқындары қабылдағышқа жеткенше сәл өзгеше жолдармен жүруі мүмкін, әсіресе егер екеуінің арасында кедергілер немесе жолдан бұратын заттар болса. Екі толқын қабылдағышқа сәл әртүрлі уақытта жете алады, ал бұрмаланған толқын жол ұзындығының айырмасынан бастапқы толқынмен фазадан шығуы мүмкін. Екі толқын арасындағы фазалық айырманың мөлшеріне байланысты толқындар құрылымдық немесе бұзушылық араласуға түсуі мүмкін. Таратушы мен қабылдағыштан кез келген белгілі бір қашықтықта есептелген Френель аймағының мөлшері, жол бойындағы кедергілердің немесе үзілістердің маңызды кедергі тудыруын болжауға көмектеседі.

Маңыздылығы

Кез келген толқын тарату арқылы берілісінде, бергіш пен қабылдағыш арасында, сәулеленген толқынның бір бөлігі осінен ауытқып (бергіш пен қабылдағыш арасындағы тікелей көру сызығында емес) таралады. Бұл толқын объектілерге соғылып, одан қабылдағышқа жете алады. Дегенмен, тікелей жолмен келген толқын мен соғылып келген толқын фазада қарама-қарсы болуы мүмкін, бұл фаза айырмашылығы толқын периодының жартысынан кем емес, тақ санға тең болғанда, деструктивті интерференцияға (өшіруге) әкеледі. N-ші Френель аймағы – бұл 3D кеңістіктегі нүктелердің орны, мұнда бергіштен қабылдағышқа дейінгі және осы аймақтың бетінен соғылған екі кезеңдік жол, тікелей жолмен n-1 және n жарты толқын ұзындығы арасында фазада қарама-қарсы болады. Осы аймақтардың шекаралары бергіш пен қабылдағышты ошақтары етіп алған эллипсоидтар болып табылады. Интерференцияны шектеу үшін, мұндай тарату жолдары Френель аймағын талдау арқылы анықталатын белгілі бір арақашықтықпен жобаланады. Радио бергіш немесе қабылдағыш қозғалғанда интерференцияның арақашықтыққа тәуелділігі, қосқанда тік төмен қозғалғанда, сигнал күшінің жоғары және төмен аймақтары қабылдағыштың кесу шегінен жоғары немесе төмен болатын «қоршау» әсеріне себеп болады. Қабылдағыштағы сигнал күшінің күрт өзгеруі байланыс желісінің үзілуіне немесе сигналдың қабылдануын толығымен болдырмауына әкелуі мүмкін. Френель аймақтары оптикада, радиобайланыста, электродинамикада, сейсмологияда, акустикада, гравитациялық сәулеленуде және толқындардың таралуы мен көп жолды таралуына байланысты басқа да жағдайларда кездеседі. Френель аймағын есептеулер микротолқынды параболалық антенна жүйелері сияқты жоғары бағытталған жүйелерді жобалау кезінде қажетті кедергілерді болжау үшін қолданылады. Бергіш пен қабылдағыш арасында тікелей көру сызығының ғана күшті антенна жүйесі үшін жеткілікті көрінуі мүмкін болғанымен, радио толқындарының күрделі табиғатынан туындайтын, бірінші Френель аймағындағы кедергілер, тіпті көзге көрінетін сигнал жолын бұзбаса да, айтарлықтай әлсіздікке әкелуі мүмкін. Сондықтан, берілген антенна жүйесі үшін 1-ші немесе негізгі Френель аймағының мөлшерін есептеу маңызды. Бұл антеннаны орнатушыға ағаш сияқты кедергінің сигнал күшіне елеулі әсер ететінін анықтауға көмектеседі. Басты ереже бойынша, негізгі Френель аймағы кедергілерден кемінде 80% таза болуы керек, бірақ кемінде 60% таза болуы тиіс.

In any wave propagated transmission between a transmitter and receiver, some amount of the radiated wave propagates off axis (not on the line of sight path between transmitter and receiver). This can then deflect off objects and then radiate to the receiver. However, the direct path wave and the deflected path wave may arrive out of phase, leading to destructive interference when the phase difference is half an odd integer multiple of the period. The n th Fresnel zone is defined as the locus of points in 3D space such that a 2 segment path from the transmitter to the receiver that deflects off a point on that surface will be between n 1 and n half wavelengths out of phase with the straight line path. The boundaries of these zones will be ellipsoids with foci at the transmitter and receiver. In order to ensure limited interference, such transmission paths are designed with a certain clearance distance determined by a Fresnel zone analysis. The dependence on the interference on clearance is the cause of the picket fencing effect when either the radio transmitter or receiver is moving, and the high and low signal strength zones are above and below the receiver's cut off threshold. The extreme variations of signal strength at the receiver can cause interruptions in the communications link, or even prevent a signal from being received at all. Fresnel zones are seen in optics, radio communications, electrodynamics, seismology, acoustics, gravitational radiation, and other situations involving the radiation of waves and multipath propagation. Fresnel zone computations are used to anticipate obstacle clearances required when designing highly directive systems such as microwave parabolic antenna systems. Although intuitively, clear line of sight between transmitter and receiver may seem to be all that is required for a strong antenna system, but because of the complex nature of radio waves, obstructions within the first Fresnel zone can cause significant weakness, even if those obstructions are not blocking the apparent line of sight signal path. For this reason, it is valuable to do a calculation of the size of the 1st, or primary, Fresnel zone for a given antenna system. Doing this will enable the antenna installer to decide if an obstacle, such as a tree, is going to make a significant impact on signal strength. The rule of thumb is that the primary Fresnel zone would ideally be 80% clear of obstacles, but must be at least 60% clear.

Ғарыштық құрылым

Френель аймақтары – тікелей тарату жолының сызығы (суреттегі АВ жолы) төңірегінде орналасқан кеңістіктегі конфокалды сопақ эллипсоид пішіндес аймақтар (мысалы, 1, 2, 3). Бірінші аймаққа тікелей көру сызығы бойынша сигнал өтетін эллипсоидтық кеңістік кіреді. Егер жіберілген сигналдың шағылысқан бөлігі осы аймақтағы объектіден секіріп, содан кейін қабылдау антеннасына жетсе, фазалық ығысу толқын ұзындығының төрттен бір бөлігінен немесе 90° ығысудан кем болады (суреттегі ACB жолы). Фазалық ығысудың әсері минимал болады. Сондықтан, бұл шағылысқан сигнал қабылдағышқа оң әсер ете алуы мүмкін, себебі ол бұрмаланбаған сигналға қарағанда күштірек сигнал алады, ал қосымша сигнал көбінесе фазада болады. Дегенмен, бұл шағылыстың оң қасиеттері объектіге қатысты сигналдың поляризациясына да байланысты. 2-ші аймақ 1-ші аймақты қоршап тұр, бірақ оны қамтымайды. Егер шағылыстыратын объект 2-ші аймақта орналасқан болса, осы объектіден секіріп, қабылдағышпен ұсталған шағылысқан синусоидтық толқын жол ұзындығының артуына байланысты 90°-тан артық, бірақ 270°-тан кем ығысады және фазадан тыс қабылдануы мүмкін. Бұл әдетте жағымсыз. Бірақ бұл да поляризацияға байланысты. Екі шетінде де бірдей дөңгелек поляризацияны (мысалы, оң) қолдану, бірнеше рет шағылысуды (соның ішінде бір рет) жояды. 3-ші аймақ 2-ші аймақты қоршап тұрады және қабылдағыш ұстаған шағылысқан толқындар 1-ші аймақтағы толқын сияқты әсер етеді. Яғни, синусоидтық толқын 270°-тан артық, бірақ 450°-тан кем ығысады (идеал жағдайда 360° ығысу болуы керек) және сондықтан 1-ші аймақтан келген сигнал сияқты ығысумен қабылдағышқа жетеді. Бұл аймақтан шағылысқан толқын қабылдаушы антеннаға жеткен кезде тікелей көру сызығымен дәл синхронды болу үшін бір толқын ұзындығына ығыстырылуы мүмкін. 4-ші аймақ 3-ші аймақты қоршап тұрады және 2-ші аймаққа ұқсас. және т.б. Егер кедергі болмаса және орта ең жақсы болса, радио толқындары хабар таратушыдан қабылдағышқа салыстырмалы түрде түзу сызықпен жетеді. Бірақ егер су беттері, тегіс жерлер, үйлердің шатырлары, ғимараттардың қабырғалары сияқты шағылысқан толқынмен өзара әрекеттесетін шағылыстыратын беттер болса, осы беттерден шағылысқан радио толқындары тікелей қабылдағышқа жететін сигналдармен фазада немесе фазадан тыс келуі мүмкін. Кейде бұл антеннаның биіктігін төмендету қабылдағышта сигналдың шуға қатынасын арттыратынын көрсетеді. Радио толқындары әдетте түзу сызықпен жүрсе де, тұман және ылғал белгілі бір жиіліктердегі сигналдың қабылдағышқа жеткенше шашырауына немесе бұрылуына себеп болуы мүмкін. Бұл көру сызығынан тыс орналасқан объектілердің де сигналдың кейбір бөліктерін тоқтатуы мүмкін екенін білдіреді. Сигналдың күшін барынша арттыру үшін кедергінің әсерін азайту қажет, осы үшін тікелей радиожиіліктік көру сызығынан (RF LoS) және сонымен қатар оны қоршаған аймақтан, соның ішінде бірінші Френель аймағынан кедергілерді жою керек. Ең күшті сигналдар жіберуші мен қабылдағыш арасындағы тікелей сызықта болады және әрқашан бірінші Френель аймағында орналасады. 19 ғасырдың басында француз ғалымы Огюстен Жан Френель аймақтардың қайда орналасқанын есептеу әдісін жасады, яғни берілген кедергінің сигналдың фазасына қалай әсер ететінін анықтауға болады.

Fresnel zones are confocal prolate ellipsoidal shaped regions in space (e. g. 1, 2, 3), centered around the line of the direct transmission path (path AB on the diagram). The first region includes the ellipsoidal space which the direct line of sight signal passes through. If a stray component of the transmitted signal bounces off an object within this region and then arrives at the receiving antenna, the phase shift will be something less than a quarter length wave, or less than a 90º shift (path ACB on the diagram). The effect regarding phase shift alone will be minimal. Therefore, this bounced signal can potentially result in having a positive impact on the receiver, as it is receiving a stronger signal than it would have without the deflection, and the additional signal will potentially be mostly in phase. However, the positive attributes of this deflection also depends on the polarization of the signal relative to the object. The 2nd region surrounds the 1st region but excludes it. If a reflective object is located in the 2nd region, the stray sine wave which has bounced from this object and has been captured by the receiver will be shifted more than 90º but less than 270º because of the increased path length, and will potentially be received out of phase. Generally this is unfavorable. But again, this depends on polarization. Use of same circular polarization (e. g. right) in both ends, will eliminate odd number of reflections (including one). The 3rd region surrounds the 2nd region and deflected waves captured by the receiver will have the same effect as a wave in the 1st region. That is, the sine wave will have shifted more than 270º but less than 450º (ideally it would be a 360º shift) and will therefore arrive at the receiver with the same shift as a signal might arrive from the 1st region. A wave deflected from this region has the potential to be shifted precisely one wavelength so that it is exactly in sync with the line of sight wave when it arrives at the receiving antenna. The 4th region surrounds the 3rd region and is similar to the 2nd region. And so on. If unobstructed and in a perfect environment, radio waves will travel in a relatively straight line from the transmitter to the receiver. But if there are reflective surfaces that interact with a stray transmitted wave, such as bodies of water, smooth terrain, roof tops, sides of buildings, etc., the radio waves deflecting off those surfaces may arrive either out of phase or in phase with the signals that travel directly to the receiver. Sometimes this results in the counter intuitive finding that reducing the height of an antenna increases the signal to noise ratio at the receiver. Although radio waves generally travel in a relative straight line, fog and even humidity can cause some of the signal in certain frequencies to scatter or bend before reaching the receiver. This means objects which are clear of the line of sight path will still potentially block parts of the signal. To maximize signal strength, one needs to minimize the effect of obstruction loss by removing obstacles from both the direct radio frequency line of sight (RF LoS) line and also the area around it within the primary Fresnel zone. The strongest signals are on the direct line between transmitter and receiver and always lie in the first Fresnel zone. In the early 19th century, French scientist Augustin Jean Fresnel created a method to calculate where the zones are — that is, whether a given obstacle will cause mostly in phase or mostly out of phase deflections between the transmitter and the receiver.

Клиренсті есептеу

Френель аймағының бос кеңістігін радио сәуле жолына жақын орналасқан кедергілердің әсерін талдау үшін пайдалануға болады. Радио қабылдауға кедергі келтірмеу үшін бірінші аймақ көбінесе кедергілерден таза болуы керек. Дегенмен, Френель аймақтарының белгілі бір бөлігінде кедергіге рұқсат етуге болады. Қағида бойынша, рұқсат етілетін максималды кедергі 40% құрайды, бірақ ұсынылатын кедергі 20% немесе одан да аз болуы тиіс. Френель аймақтарын анықтау үшін, ең алдымен радиожиіліктік көру сызығын (RF LoS) анықтау қажет, ол – таратушы және қабылдаушы антенналар арасындағы тікелей сызық. RF LoS-тің айналасындағы кеңістік Френель аймағы деп аталады. Әр Френель аймағының қима радиусы RF LoS-тің ортасында ең үлкен болып келеді және антенналардың артындағы әрбір нүктеде нөлге дейін тарылады.