Зоны Френеля: Пространство между передатчиком и приемником

Введение

Область пространства между передающей и принимающей антенной.

Зона Френеля (/lang//f//r//eɪ/'/n//ɛ//l/ frayNEL'), названная в честь физика Огюстена Жана Френеля, представляет собой одну из серии кофокальных вытянутых эллипсоидальных областей пространства между и вокруг передатчика и приемника. Основная волна распространяется от передатчика к приемнику по относительно прямой линии. Паразитные радио-, звуковые или световые волны, передаваемые одновременно, могут следовать немного отличающимися траекториями, прежде чем достичь приемника, особенно если между ними находятся препятствия или отражающие объекты. Эти две волны могут прибыть к приемнику с небольшой разницей во времени, и паразитная волна может прибыть в противофазе с основной волной из-за разницы в длине пути. В зависимости от величины разности фаз между двумя волнами, волны могут интерферировать конструктивно или деструктивно. Размер вычисленной зоны Френеля на определенном расстоянии от передатчика и приемника может помочь предсказать, вызовут ли препятствия или неоднородности на пути значительные помехи.

Значение

При передаче любой волны между передатчиком и приемником некоторая часть излучаемой волны распространяется вне оси (не по прямой видимости между передатчиком и приемником). Эта волна может отражаться от объектов и затем достигать приемника. Однако волна, идущая прямым путем, и волна, отраженная от объекта, могут приходить в противофазе, что приводит к деструктивной интерференции, когда разность фаз составляет половину нечетного числа длин волн. n-я зона Френеля определяется как геометрическое место точек в трехмерном пространстве, для которых путь из двух отрезков от передатчика к приемнику, отраженный от точки на этой поверхности, будет отличаться по фазе от прямого пути на величину от n-1 до n полудлин волн. Границы этих зон представляют собой эллипсоиды, фокусами которых являются передатчик и приемник. Для обеспечения минимальных помех такие пути передачи проектируются с определенным зазором, определяемым анализом зоны Френеля. Зависимость интерференции от зазора является причиной эффекта "забора" (picket fencing effect), возникающего при движении радиопередатчика или приемника, когда зоны с высокой и низкой силой сигнала чередуются выше и ниже порога чувствительности приемника. Резкие колебания силы сигнала на приемнике могут приводить к прерываниям связи или даже к полной невозможности приема сигнала. Зоны Френеля наблюдаются в оптике, радиосвязи, электродинамике, сейсмологии, акустике, гравитационном излучении и других областях, связанных с распространением волн и многолучевым распространением. Вычисления зон Френеля используются для определения необходимых зазоров для препятствий при проектировании высоконаправленных систем, таких как микроволновые параболические антенны. Хотя интуитивно может показаться, что для обеспечения сильного сигнала антенной системы достаточно прямой видимости между передатчиком и приемником, из-за сложной природы радиоволн препятствия в первой зоне Френеля могут значительно ослаблять сигнал, даже если они не перекрывают видимую линию прямой видимости. Поэтому полезно рассчитать размер первой, или основной, зоны Френеля для конкретной антенной системы. Это позволит установщику антенны оценить, окажет ли препятствие, например, дерево, существенное влияние на силу сигнала. Обычно рекомендуется, чтобы основная зона Френеля была свободна от препятствий как минимум на 60%, а в идеале – на 80%.

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.

Пространственная структура

Зоны Френеля — это конфокальные пролатные эллипсоиды в пространстве (например, 1, 2, 3), центрированные вокруг линии прямого распространения сигнала (путь AB на диаграмме). Первая зона включает эллипсоидальное пространство, через которое проходит прямая видимость сигнала. Если отклоняющаяся компонента переданного сигнала отражается от объекта в этой зоне и затем достигает приемной антенны, фазовый сдвиг будет меньше четверти длины волны, или менее 90º (путь ACB на диаграмме). Влияние только фазового сдвига будет минимальным. Следовательно, этот отраженный сигнал потенциально может оказать положительное влияние на приемник, поскольку он принимает более сильный сигнал, чем без отклонения, и дополнительный сигнал потенциально будет в основном в фазе. Однако положительные характеристики этого отклонения также зависят от поляризации сигнала относительно объекта. Вторая зона окружает первую, но не включает ее. Если отражающий объект находится во второй зоне, отклонившаяся синусоидальная волна, отраженная от этого объекта и принятая приемником, будет сдвинута более чем на 90º, но менее чем на 270º из-за увеличенной длины пути, и потенциально будет принята вне фазы. Обычно это нежелательно. Но опять же, это зависит от поляризации. Использование одинаковой круговой поляризации (например, правой) на обоих концах устранит нечетное количество отражений (включая одно). Третья зона окружает вторую, и отклоненные волны, принятые приемником, будут иметь тот же эффект, что и волна в первой зоне. То есть синусоидальная волна будет сдвинута более чем на 270º, но менее чем на 450º (в идеале – на 360º) и, следовательно, достигнет приемника с тем же сдвигом, что и сигнал из первой зоны. Волна, отклоненная из этой зоны, может быть сдвинута ровно на одну длину волны, чтобы она точно синхронизировалась с волной прямой видимости при прибытии к приемной антенне. Четвертая зона окружает третью и аналогична второй. И так далее. Если нет препятствий и условия идеальны, радиоволны будут распространяться относительно прямолинейно от передатчика к приемнику. Но если есть отражающие поверхности, взаимодействующие с отклонившейся переданной волной, такие как водоемы, ровная местность, крыши, стены зданий и т. д., радиоволны, отраженные от этих поверхностей, могут прибывать либо вне фазы, либо в фазе с сигналами, идущими непосредственно к приемнику. Иногда это приводит к контринтуитивному выводу, что уменьшение высоты антенны увеличивает отношение сигнал/шум на приемнике. Хотя радиоволны обычно распространяются относительно прямолинейно, туман и даже влажность могут вызывать рассеяние или изгиб части сигнала на определенных частотах до достижения приемника. Это означает, что объекты, не находящиеся на прямой видимости, все равно могут блокировать часть сигнала. Для максимизации силы сигнала необходимо минимизировать эффект потерь от препятствий, устраняя препятствия как на прямой линии радиочастотной видимости (RF LoS), так и в области вокруг нее в пределах первичной зоны Френеля. Самые сильные сигналы находятся на прямой линии между передатчиком и приемником и всегда лежат в первой зоне Френеля. В начале 19 века французский ученый Огюстен Жан Френель разработал метод расчета положения зон, то есть, вызовет ли данное препятствие преимущественно фазовые или преимущественно противофазовые отклонения между передатчиком и приемником.

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.

Расчет расчетной площади

Концепция обеспечения габарита зоны Френеля может быть использована для анализа влияния препятствий, расположенных вблизи траектории радиолуча, на распространение сигнала. Первая зона должна оставаться преимущественно свободной от препятствий, чтобы избежать помех при радиоприеме. Однако, определенное перекрытие зон Френеля часто допустимо. Как эмпирическое правило, максимально допустимое перекрытие составляет 40%, но рекомендуется, чтобы оно не превышало 20%. Для определения зон Френеля сначала необходимо установить радиолинию видимости (RF LoS), которая, по сути, представляет собой прямую линию между передающей и принимающей антеннами. Зона, окружающая радиолинию видимости, и называется зоной Френеля. Поперечное сечение каждой зоны Френеля имеет наибольший радиус в средней точке радиолинии видимости и сужается до точки на каждой вершине, за пределами антенн.