Электромагнитные волны, Радиоволны в FPV
Электромагнитные волны
Электромагнитные волны — это распространение колебаний электрического и магнитного полей в пространстве.
- Радиоволны
- Микроволны
- Инфракрасное излучение
- Видимый свет
- Ультрафиолетовые лучи
- Рентгеновские лучи
- Гамма-лучи
Герц (русское обозначение: Гц, международное обозначение: Hz) — единица частоты периодических процессов (например, колебаний) в Международной системе единиц (СИ).
Электромагнитная волна
Электромагнитная волна — это распространение электромагнитного поля. А если конкретнее, то электрическое поле колеблется (меняет свое значение и направление вектор напряженности электрического поля), магнитное поле колеблется (меняет значение и направление вектор магнитной индукции), эти колебания распространяются, и получается электромагнитная волна.
Характеристики электромагнитной волны
Это самая важная характеристика для волны. Ей называется расстояние между двумя точками этой волны, колеблющихся в одной фазе. Если проще, то это расстояние между двумя «гребнями».
Обозначается эта величина буквой λ и измеряется в метрах.
Частота — это величина, обратно пропорциональная периоду. Она определяет, сколько колебаний в единицу времени совершила волна.
Период — это время, за которое происходит одно колебание. То есть, если дано время распространения волны и количество колебаний, можно рассчитать период.
Для электромагнитных волн есть целая шкала длин волн. Она показывает длину волны и частоту для разных типов электромагнитных волн.
Также важной характеристикой распространения волны является ее скорость. Чтобы вывести формулу скорости через длину волны, нужно вспомнить формулу скорости из кинематики — это раздел физики, в котором изучают движение тел без учета внешнего воздействия.
Для электромагнитной волны скорость равна скорости света — 𝑣 = 3*10^8 м/с (299 792 458 м/с). Для решения задач и оценок, не требующих большой точности, обычно используют значение, равное 300 000 000 м/с. Поэтому формулу скорости чаще всего используют для нахождения из нее длины волны или периода.
Свойства электромагнитных волн
1.Отражение - это изменение направления волнового фронта на границе раздела двух сред с разными свойствами. Три вида отражения: зеркальное, диффузное и частичное
2.Дифракция – это явление перераспределения амплитуды и фазы радиоволн, при котором происходит сложения и интерференции.
3.Интерференция - явление наложения волн(их ослабления или усиление). Условия для интерференции волн является их когерентность.
Когерентные волны - это волны, имеющие одинаковые частоты, постоянную разность фаз, а колебания происходят в одной плоскости.
4.Преломление(рефракция) — это изменение направления распространения волн при прохождении через неоднородную среду.
5.Дисперсия, это зависимость показателя преломления от частоты падающего на вещество излучения или от соответствующей длины волны в вакууме.
6.Поляризация, это явление направленного колебания векторов напряжённости электрического поля или напряжённости магнитного поля.
Отражение
Зеркальное отражение
Возникает, когда линейные размеры отражающей поверхности много больше длины волны, а сама поверхность гладкая. При этом угол отражения равен углу падения, а отражённая волна практически полностью распространяется в сторону, противоположную направлению излучения. Пример: отражение радиосигнала от ровной земной или водной поверхности, фокусировка луча в зеркальной антенне.
Диффузное отражение
Происходит при падении электромагнитных волн на негладкую поверхность, неровности которой имеют размеры, соизмеримые с длиной волны. В отличие от зеркального отражения, волна отражается в разных направлениях, происходит рассеяние энергии первичной волны. Пример: отражение волн от неспокойной водной поверхности, полей, лесов, различных конструкций.
Резонансное отражение
Возникает, когда размеры объекта или его отдельных элементов кратны половине длины облучающей волны. При этом интенсивность отражения резко возрастает.
Пример: отражение радиосигнала от облака пассивных помех, состоящего из полуволновых отрезков проводника.
Дифракция радиоволн - это перераспределение амплитуды и фазы радиоволн, которое возникает при встрече с препятствием. Проявляется в отклонении волн от прямолинейного пути и проникновении в область тени.
Препятствия для радиоволн могут иметь произвольную форму и быть как непрозрачными, так и полупрозрачными. Эффект дифракции зависит от соотношения между размером препятствия и длиной волны, и выражен тем сильнее, чем больше длина волны.
Виды дифракции.
1. Дифракция на земной поверхности. Влияют на распространение волн: кривизна поверхности и неровности рельефа (горы, здания);
2. Дифракция в средах с локальными неоднородностями. Например, в ионосфере радиоволна встречает множество хаотически расположенных препятствий — облаков различной формы.
- Приём радиосигналов за пределами прямой видимости.
Дифракция на сферической поверхности Земли позволяет принимать сигналы, когда передатчик и приёмник разделены выпуклостью земного шара. - Усиление радиосигнала за препятствием.
Дифракция на отдельно стоящих зданиях и выпуклостях рельефа может привести к перераспределению энергии волны и «усилению» радиосигнала за препятствием.
Радиоволны
Радиоволны — электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учётом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 километров до 0,1 миллиметра.
Радиочастоты — частоты или полосы частот в диапазоне от 3 кГц до 3000 ГГц, которым присвоены условные наименования. Этот диапазон соответствует частоте переменного тока электрических сигналов для вырабатывания и обнаружения радиоволн. Так как большая часть диапазона лежит за границами волн, которые могут быть получены при механическом колебании, радиочастоты обычно относятся к электромагнитным колебаниям.
Радио- и телевизионные волны имеют самые низкие частоты. Они используются в основном для общения. Они позволяют передавать изображения и звук, что является основой радио- и телевизионных станций. Радиоволны делятся на длинные и короткие в зависимости от их длины. Коротковолновые радиостанции используют разные частоты для разных частей страны. Существуют также станции, которые вещают на одной частоте для всей страны — тогда используются так называемые длинные волны.
Классификация радиоволн
Сверхдлинные волны (СВ/ОНЧ) — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня. Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.
Длинные волны (ДВ/НЧ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м). Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.
Короткие волны (КВ/ВЧ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).
Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет переотражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.
Ультракороткие Волны(УКВ/ОВЧ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).
Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.
Ультровысокие частоты (УВЧ-сантиметровый диапазон)
v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях. Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах. Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.
Сверхвысокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон)
v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.
Классификация по способу распространения
Прямые волны — радиоволны, распространяющиеся в свободном пространстве от одного предмета к другому, например от одного космического аппарата к другому, в некоторых случаях, от земной станции к космическому аппарату и между атмосферными аппаратами или станциями. Для этих волн влиянием атмосферы, посторонних предметов и Земли можно пренебречь.
Земные, или поверхностные — радиоволны, распространяющиеся вдоль сферической поверхности Земли и частично огибающие её вследствие явления дифракции. Способность волны огибать встречаемые препятствия и дифрагировать вокруг них, как известно, определяется соотношением между длиной волны и размерами препятствий: чем меньше длина волны, тем слабее проявляется дифракция. По этой причине волны диапазона УВЧ и более высокочастотных диапазонов очень слабо дифрагируют на поверхности земного шара и дальность их распространения в первом приближении определяется расстоянием прямой видимости (прямые волны).
Тропосферные — радиоволны диапазонов ОВЧ и УВЧ, распространяющиеся за счёт рассеяния на неоднородностях тропосферы на расстояние до 1000 км.
Ионосферные или пространственные — радиоволны длиннее 10 м, распространяющиеся вокруг земного шара на сколь угодно большие расстояния за счёт однократного или многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли.
Направляемые — радиоволны, распространяющиеся в направляющих системах (радиоволноводах).
Прямая радиовидимость
Радиогоризонт — это максимальное расстояние, на котором возможна прямая радиосвязь из-за кривизны Земли.
Радиовидимость — это возможность прямой радиосвязи между двумя точками без препятствий.
- Высоты антенн (чем выше — тем дальше).
- Кривизны Земли (радиогоризонт).
- Рельефа и препятствий (горы, здания, деревья).
Если антенны «видят» друг друга (в пределах прямой видимости) — радиовидимость есть. Если мешают препятствия или сигнал уходит за горизонт — радиовидимости и соответственно связи нет.
Если сигнал упирается в гору в 2-х километрах - это не «радиогоризонт», а отсутствие «радиовидимости». Зона за препятствием, куда не проходит радиоволна называется «Радиотень».
Формула расчета прямой радиовидимости позволяет получить значение предельной дальности прямой радиовидимости при известных параметрах подъема антенн (в метрах) и стандартной атмосфере.
Рефракция радиоволн – плавное отклонение (преломление, искривление) траекторий распространения радиоволн в атмосфере от прямой линии при переходе через среду с плавно изменяющимися параметрами.
Зона Френеля
Зона Френеля — это эллипсоидальная область пространства между передатчиком и приемником, критически важная для распространения радиоволн. Понимание этого явления необходимо для проектирования надежных беспроводных систем связи, включая FPV, Wi-Fi и радиосвязь.
Зона Френеля представляет собой серию концентрических эллипсоидов (как слои луковицы) между передатчиком и приемником, где:
- 60% радиуса первой зоны Френеля должна быть свободна от препятствий для минимальных потерь сигнала.
- Последующие зоны (вторая, третья и т.д.) вносят фазовые сдвиги, но их влияние менее критично.
- Дифракцию (огибание препятствий с потерей мощности).
- Интерференцию (сложение/вычитание волн → "мертвые зоны").
- Свободная зона обеспечивает прямую видимость и минимальные потери.
Ослабление мощности радиоволны в зависимости от расстояния
Ослабление мощности сигнала L [дБ] в зависимости от расстояния r [м] и частоты f[Гц] в воздухе определяется формулой:
Определить мощность сигнала P2 [дБм] в точке приёма можно по формуле:
где P1 — мощность передатчика [дБм], G1 — коэффициент направленного действия (КНД) передающей антенны [дБи], G2 — КНД приёмной антенны [дБи].
Пример: f=2400 МГц, P1=27 дБм (примерно 0.5 Вт), G1=1, G2=3, r=10 км:
L = 20・lg(3・10^8 / (4・π・ 10^4 ・ 2.4・ 10^9 ) = 120 дБ;
Параметр P2 часто обозначается как RSSI [дБм] и используется для оценки мощности сигнала на входе приёмника.
Чувствительность приёмников
Определить максимальную дальность связи можно, зная чувствительность приёмника — минимальный уровень мощности сигнала, при котором работает приёмник.
Чувствительность зависит от схемотехники приёмника, ширины частотной полосы, типа модуляции сигнала и пр.
Чувствительность приемника — это минимальный уровень сигнала, который он может уверенно принимать и декодировать. Измеряется в дБм (dBm) или микровольтах (µV). Чем меньше значение (например, -120 дБм лучше, чем -100 дБм), тем лучше приемник улавливает слабые сигналы и тем стабильнее связь на больших дистанциях.
Особенности распространения радиоволн в различных условиях
Лес
В лесу радиосигнал может сталкиваться с препятствиями в виде деревьев и листвы, что приводит к его поглощению и многократным отражениям. Это вызывает потерю сигнала и снижение качества видео. Для улучшения связи рекомендуется использовать фильтры и усилители сигнала, а также выбирать частоты, менее подверженные затуханию.
Мокрый лес
Влажные листья и стволы деревьев активно поглощают радиоволны, что приводит к ослаблению сигнала. Высокая влажность сама по себе также может влиять на качество передачи, особенно на высоких частотах. Это может привести к снижению дальности и стабильности связи между дроном и оператором. В условиях леса сигнал дрона многократно отражается от деревьев и земли, что называется многолучевым распространением. Влажность усиливает этот эффект, приводя к появлению интерференций и помех, которые снижают уровень сигнала.
Степь
В открытых степных условиях сигнал распространяется более эффективно, так как отсутствуют высокие препятствия. Однако дальность связи может быть ограничена рельефом, например, холмами. В таких условиях важно настроить антенны на максимальную дальность и, возможно, использовать направленные антенны.
В близи водоемов и рек
Вода может вызывать отражения сигнала, что иногда улучшает покрытие на уровне поверхности. Однако близость воды также может создавать дополнительные интерференции. Оптимизация антенн и настройка на устойчивую частоту могут минимизировать эти проблемы.
В близи ЛЭП
Линии электропередач создают мощные электромагнитные помехи, которые могут существенно влиять на стабильность радиосвязи. В таких условиях важно тщательно выбирать частоту и избегать полетов на близком расстоянии от ЛЭП.
В городе
Городская среда представляет множество вызовов для радиосвязи из-за плотной застройки, металлоконструкций и множества источников электромагнитных помех. Это создает многолучевое распространение (многолучевость) — это эффект, при котором радиосигналы достигают приёмной антенны по двум или более путям (лучам). Настройка антенн с учетом городского пейзажа и использование частот, менее засоренных помехами, может помочь улучшить стабильность связи.
Города насыщены различными источниками радиопомех, включая Wi-Fi-сети, мобильную связь и прочие устройства. Эти помехи особенно ощутимы на частотах 2.4 ГГц и 5.8 ГГц. Использование альтернативных частот, может помочь снизить уровень помех.
Здания и сооружения создают физические препятствия для радиосигнала, ограничивая его распространение и зону покрытия. В таких условиях важно оптимально планировать маршрут полета, чтобы минимизировать возможные зоны потери сигнала.
Лесисто-болотистая местность
В болотистой местности присутствие воды и растительности одновременно может усилить проблемы с поглощением и отражением. Сигнал многократно отражается и преломляется от поверхности воды и растительности. Это вызывает интерференции, ухудшающие качество связи. Использование антенн с высокой направленностью может снизить эти эффекты.
Низкочастотные диапазоны, такие как 900 МГц, более эффективны в таких условиях, так как они лучше проникают через преграды. Частоты 2.4 ГГц и 5.8 ГГц более подвержены затуханию и могут вызвать перебои в связи.
Горная местности.
Горы и холмы могут блокировать радиосигнал, создавая затененные зоны, где сигнал становится недоступным. Это требует тщательной настройки маршрута с учетом рельефа, чтобы поддерживать прямую видимость между дроном и оператором.
Радиоволны могут многократно отражаться от скал и других поверхностей, вызывая интерференции и потери сигнала. Использование направленных антенн может помочь сосредоточить сигнал и минимизировать подобные эффекты.
Факторы влияющие на радиосвязь
- Слабый сигнал с передатчика.
- Существенные потери в антенном кабеле или разъемах на стороне передатчика (ошибка в монтаже или брак компонентов).
- Существенные потери в антенном кабеле или разъемах на стороне приёмника и/или передатчика.
- Низкая чувствительность приёмника.
- Неправленое расположение антенн (не в соответствии с поляризацией).
- Приёмная антенна расположена низко (даже в условиях прямой видимости), вследствие чего поверхностью Земли экранирует распространение радиоволн.
- Направленная приёмная антенна сориентирована неправильно.
- Деформация (повреждение) антенны вследствие чего изменение её характеристик эксплуатации.
- Большое расстояние между точками передачи и приёма, приводящее к большому ослаблению сигнала.
- Помехи со стороны других радиосистем в том же диапазоне радиочастот, а также на гармониках этих радиочастот.
- Препятствия в среде распространения (металлические, железобетонные конструкции, автотранспорт).
- Естественные препятствия в среде распространения, в том число горы, холмы, лесные массивы.
- Неблагоприятные погодные условия (сильный дождь, снег).