Обсуждаем терминологию и теорию волн

[странник]

.
В этой теме будем обсуждать все вопросы, которые так или иначе связаны с излучением, распространением и приёмом электромагнитных волн спутниковых диапазонов.

Почему в разделе "СДЕЛАЙ САМ" ?
Да потому, что, прежде чем что-нибудь сделать самому, нужно самому и подумать, как и почему это происходит, и как сделать лучше, проще, дешевле. Кроме того, многие недоразумения, непонимание и неприятие результатов других форумчан часто происходят от того, что общаемся часто на сленге, формулировки даём расплывчатые, вещи называем не своими именами и выводы, как следствие, делаем неправильные.
Не надо забывать, что собрались тут, в основном, любители, как и я, без специального образования. Знания свои и информацию по спутниковому приёму черпали где прийдётся, часто не из совсем прозрачных источников... ardon:
Отсюда и каша в голове, и разноплановое толкование одних и тех же вещей, и, часто доходящие до конфликта, споры кто прав, а кто виноват.

На правах топикстартёра резервирую за собой два цвета текста:
- красный, как обычно, для модерации;
- синий для избежания излишнего цитирования и комментирования ваших собщений внутри них.

Если подобные вопросы вы лично уже обсуждали на других форумах или же в открытой печати, то будьте любезны свои аргументы и факты по обсуждаемому вопросу приводить (цитировать) здесь, а не отсылать собеседников на другой, часто для них недоступный ресурс.

Если вы считаете, что все вопросы, которые связаны с теорией распространения и приSма волн давным-давно обсуждены, решены и закрыты, а термины и определения, которыми вы оперируете, однозначны и корректны - значит эта тема вам неинтересна и вы можете с лёгким сердцем навсегда её покинуть !yea!
Но, чтобы уйти с чувством собственного достоинства и интелектуального превосходства, попробуйте сначала ответить на три "детских" вопроса из теории волн:

1. Как выглядят гравитационные волны ?

2. Какого цвета излучаемые спутником волны ?

3. С какой скоростью распространяется сигнал в волноводе LNB?

Жду ваших ответов

 

[странник]

.
Вчера в КВН обсуждали вопрос "Почему, если кинуть камень в воду, он всегда попадает в центр круга?" Ярмольнику понравился ответ "Фарт", а мне рефрен команды Полиграф Полиграфыч: "Иногда надо задуматься"

Итак, ответ на первый вопрос нашей разминки.
Во-первых, хороший вопрос, как правило, содержит в себе часть ответа.
Во-вторых, если спрашивается "как выглядят", значит, подразумевается, что мы могли видеть гравитационные волны.
В-третьих, я готов побиться об заклад, что каждый из вас видел несчётное количество таких волн. И я в том числе, сегодня по пути на работу видел их немеряно...
В-четвёртых, "гравитационные волны" и загадочные "волны гравитации" - это не одно и то же ardon:

А теперь строгое определение:
гравитационной волной называется волна, которая распространяется по поверхности жидкости, частички которой совершают колебательные движения по элиптическим траекториям под действием начального возмущения и силы тяжести

Начальное возмущение - это капля дождя, которая упала в лужу, или камень брошенный на поверхность озера ("точно в центр круга" :rofl: )...

По воде побежали круги, точнее, от точки падения, как от центра, начинает распространяться расширяющееся кольцо примерно постоянной ширины, внутри которого "разбегаются" несколько выпуклых (горбов) и вогнутых (впадин) колец. Широкое кольцо называется телом волны, а узкие - отдельными фазами. Их амплитуда и скорость распространения неодинаковы, о чём мы ещё с вами будем говорить.
Линия, которая отделяет ещё не возмущённую часть поверхности от уже возмущённой, называется фронтом волны. Фронт волны всегда перпендикулярен направлению распространения (часто говорят "лучу") волны.

Зависимость от расстояния амплитуды смещения частички от положения её равновесия в фиксированный момент времени (моментальная "фотография" волны) называется профилем волны.
Зависимость от времени амплитуды смещения частички от положения её равновесия в фиксированной точке пространства называется графиком волны.

Форма профиля волны с точностью до масштабов и начальной точки отсчёта является зеркальным отображением графика волны.

Скорость распространения волнового пакета (тела волны) называется групповой скоростью, а скорость распространения отдельного горба (впадины) - фазовой скоростью.

Понаблюдайте за кругами на воде - вы увидите, что групповая скорость и фазовая скорость не равны между собой.

Ответьте для себя на два важных вопроса:
А. Какая скорость больше фазовая или групповая?
Б. С какой скоростью до удалённого наблюдателя дойдёт информация о том, что где-то был брошен в воду камень?

Так для чего нам нужно было задумываться над свойствами гравитационных волн?
- эти волны оказались нам хорошо знакомы;
- присмотревшись к волнам на воде, мы поняли несколько важных, фундаментальных понятий волнового движения, которые будем осмысленно использовать при работе с электромагнитными СВЧ волнами;
- ещё раз убедились, что волновое движение является одной из наиболее распространённых и универсальных форм существования материи !yea!

Думаем над вопросом номер 2.

С прежним оптимизмом жду ваших ответов

 

[странник]

2. Какого цвета излучаемые спутником волны ?

Серебристые от корпуса и антенн, золотисто-жёлтые от защитной фольги, фиолетово-синие от панелей солнечных батарей...
Неплохой ответ на вопрос "какого цвета отражённые спутником волны", но спрашивается то про излучаемые волны...
Возникает который уже по счёту "глупый" вопрос: А какие волны излучает спутник?
Поможет ли вам эта подсказка при ответе на второй вопрос, покажет время

 

[странник]

.
Итак, спутник излучает электромагнитные волны, причём, как минимум, в двух диапазонах.
Первые из них - это волны, которые излучают антенны спутника, и которые нас, любителей спутникового ТВ интересуют. Эти волны не воспринимаются нашими органами чувств, поэтому мы их не ощущаем (не видим) в нашем случае. Потому то и цвета, как своей характеристики в зрительном образе, они не имеют.
А вот тепловое излучение, которое относится к электромагнитным волнам инфракрасного диапазона примыкающего к диапазону видимого света снизу, свой цвет имеет. Какой? - Чёрный, с едва заметным (либо совсем не заметным) красноватым оттенком. Накалите до красна гвоздь, а потом дайте ему остыть. По мере остывания гвоздя частота излучаемых им волн будет понижаться от 429ТГц до 300ГГц, а цвет изменяться от красного до абсолютно чёрного.
Как видим, свойства волн сильно зависят от их частоты или набора частот (спектра).
В спутниковом телевидении нас будет интересовать, в основном, два диапазона: С и Кu, причём второй (в силу ряда технических причин) разбивают на два поддиапазона - нижний (10.7-11.7ГГц) и верхний (11.7-12.75ГГц)
Частота показывает количество полных циклов колебательного процесса за одну секунду и характеризует волновой процесс во времени.
Если скорость волны поделить на частоту, то мы узнаем, какое расстояние она пробегает за один полный период колебания - длину волны.
Длина волны - это характеристика волны в пространстве. В длинах волн мы измеряем относительную апертуру антенн, размеры облучателей и волноводов.

Зачем нам эти прописные истины?
Невредно вспомнить азы, чтобы правильно ответить на вопрос:

На какой частоте измерять (рассчитывать) средний по Кu диапазону КУ спутниковой антенны?

 

[странник]

На какой частоте измерять (рассчитывать) средний по Кu диапазону КУ спутниковой антенны?

Ответ 11.7ГГц, как вы сами понимаете, очевиден, но не правилен.
Почему?
Да потому, что все параметры СВЧ техники (и спутниковых установок в том числе) зависят от пространственного параметра волнового процесса - длины волны.
Частота же характеризует процес в спектральной области, а через обратную себе величину - период сигнала - во времени.
Частота f, период колебания T, длина волны лямбда связаны между собой через скорость распространения волны V
лямбда = V*T = V/ f
Вот и получается, что для диапазона 10.7 - 12.75ГГц среднее значение частоты 11.725ГГц, а длины волн изменяются от 28мм до 23.5мм
При средней длине волны 25.8мм середине Ku диапазона отвечает частота 11.635ГГц
Вроде бы разница не большая - 90МГц, но это ошибка на целых три частотных канала спутникового диапазона.
Вот и решайте, учитывать сей факт или нет

 

[странник]

.
Вы ещё не забыли, какой был третий вопрос, на который нужно ответить перед началом серьёзного разговора?

Чтобы вам было легче думать, вот вам информация к размышлению -
фото высококачественного возбудителя в стандартном волноводе WR 75:

 

[странник]

Итак,

3. С какой скоростью распространяется сигнал в волноводе LNB?

Во-первых, мы уже знаем, что сигнал (модуляция несущей), равно как и энергия волны распространяется с групповой скоростью.
Обозначается групповая скорость Vгр и равняется частной производной круговой частоты ω=2πf по волновому числу k=2π/λ. Фазовая скорость, с которой распространяются отдельные гармонические составляющие волнового пакета, Vф= ω/ k.
В бесконечном свободном пространстве, где отсутствует поглощение електромагнитной энергии, волна подчиняется волновому уравнению
Utt-ΔU*c^2=0,
а Vгр=Vф=с,
где с - скорость света.
В среде с поглощением энергии (или же её рассеянием - диссипацией) волновой процесс может быть описан, например, телеграфным уравнением:
Utt-ΔU*c^2-bUt=0,
где диссипативный член пропорционален скорости изменения поля Ut. В этом случае наблюдается дисперсия волн, т.е. скорость становится функцией частоты, а волновой пакет распространяется медленнее своих компонент и "расползается".
По-прежнему, Vгр*Vф=с^2, но Vгр<Vф.

Во-вторых, не все волны могут распространяться в волноводе. Существует так называемая критическая длина волны λкр и соответствующая ей критическая частота fкр, ниже которой волна просто "не помещается" в волноводе и не может в нём распространяться. Для прямоугольного волновода, например, критической является длина волны равная двойной ширине волновода.

В-третьих, в волноводе заполненом диэлектриком, у которого относительные
диэлектрическая ε и магнитная µ проницаемости отличны от единицы,
длина волны λкрε , при которой происходит отсечка, увеличивается
по сравнению с λкр того же волновода в вакууме

λкрε = λкр* ε*µ.

В-четвёртых, в ограниченном проводниками пространстве (в волноводе в нашем случае) волны начинают диспергировать и мы имеем следующую зависимость относительных фазовых и групповых скоростей от частоты относительно критической:


Итак, правильный ответ:
сигнал распространяется в волноводе с групповой скоростью, которая в корень квадратный из ε*µ меньше скорости света в вакууме.

А вот скандальный анализ этого общеизвестного и всеми признаваемого факта - в следующий раз

 

[странник]

Практика - критерий истины

.
Рассчитаем волноводный облучатель. Для этого можно воспользоваться онлайн калькулятором, который по диаметру волновода рассчитывает длину волны в волноводе Lg, а затем на расстоянии в четверть этой волны размещает четвертьволновой (для длины волны в свободном пространстве) штырь.
Зададим длину волны 25.8мм - среднюю длину волны Ku диапазона, а диаметр волновода - 18.3мм. Поскольку калькулятор округляет до целых, умножим исходные размеры на 10, а результат поделим на 10

Итак, получили, что штырёк длиною 6,4мм должен находиться на расстоянии 11.4мм от глухой стенки волновода. Коэффициент отражения от неё равен -1, поэтому отражённая волна вернётся к зонду через полпериода и просуммируется синфазно с падающей на него волной. Сигнал на выходе облучателя будет максимальным.
А теперь заглянем во внутрь реального волновода:

Толщина зондов 1.2мм, поэтому от оси нижнего зонда до глухого конца волновода 6.5мм, минимальное расстояние от зонда до отражателя 5.9мм, максимальное - 7.1мм. Хоть одна из этих цифр близка к 11.4мм?
Эти цифры соответствует четверти длины соответственно 26, 24.5 и 28.4мм или примерно середине, концу и началу Ku диапазона.

Посмотрим теперь, на каком расстоянии от открытого конца волновода должен был быть расположен приёмный зонд. Lg/2=22.9мм.
А по факту - 13.3+0.6=13.9мм, что соответствует половине длины волны частотою 10.8ГГц в свободном пространстве.

Заглянем, для разнообразия, в прямоугольный волновод "белой" сборки:

Для волновода шириной 19мм критическая длина волны 38мм, а для середины нашего диапазона Lg=35.1мм
Соответственно, зонд должен бы был находиться на расстоянии 8.8мм от задней стенки.
А по факту он расположен на расстоянии 6.2мм, что соответствует длине волны 24.8мм, но никак не 35.1мм ardon:

Поэтому смею утверждать, что волна в волноводе распространяется с групповой, а не фазовой скоростью, и скорсть распространения равна скорости распространения волны в свободном пространстве с учётом диэлектрической постоянной заполнителя волновода.
А поскольку эпсилон для воздуха =1, то со скоростью света в вакууме !yea!

 

[странник]

.
Вернёмся к теории и посмотрим сводную таблицу параметров волн в волноводах разного сечения:



Для круглого волновода критическая длина волны для мода ТЕ11 равна 1.705хD. Волны с большей длиной волны в таком волноводе не распространяются.
Нижняя частота Ku диапазона 10.7ГГц, а максимальная длина волны 28мм. Отсюда минимальный диаметр круглого волновода равен 16.4мм.
Однако следует учитывать, что реальный сигнал не монохроматический и имеет гармоники с частотой ниже несущей, а так же то, что, при приближении длины волны к критической её затухание в волноводе резко возрастает.

 

[странник]

И опять практический пример

.
Займёмся реинженирингом волноводной части облучателя, который разработан в фирме Инваком:

Круглый волновод диаметром от 24.1мм в горловине гофрированного рупора с раскрывом 70* на расстоянии 45.1мм сужается до сечения 20мм.
В таком волноводе могут распространяться сразу же два мода: ТМ01 и ТЕ11. И называются такие волноводы двухмодовыми. Облучатели, которые используют несколько мод электромагнитных колебаний, позволяют как улучшить пространственную ДН для каждой из ортогональных поляризаций, так и существенно уменьшить кроссполяризационные помехи.
Поскольку фазовая скорость каждого из мод различна, то подбором длины волновода можно задавать их фазовый сдвиг и формировать необходимое распределение поля в раскрыве волновода.
Трансформатором мод в данном облучателе является ступенчатый переход с круглого на прямоугольное сечение 17х17мм. В сечении А-А установлен четвертьволновой штырь (зонд), который возбуждает мод ТЕ10 с критической длиной волны λкр=34мм и средней длиной волны в волноводе λg=39.5мм
Отстоит же зонд от начала секции на 12.9мм, т.е. ровно на половину средней длины волны в свободном пространстве.
На расстоянии в 7мм в секции В установлен полуволновой штырь, который отражает волну вертикальной поляризации в противофазе назад к приёмному зонду. Опять же, 7мм гораздо ближе к четверти длины волны в свободном пространстве, чем к четверти длины волны в секции В, которая составляет λg=66.4мм.
Та часть волны, которая не отразилась от полуволнового штыря, достигает задней стенки секции В, где последняя переходит в запредельный для волн вертикальной поляризации волновод С (λкр=20.8мм). Коэффициент отражения здесь составляет +1, а расстояние до приёмного зонда 12.6мм, т.е. отражённая волна вернётся к зонду синфазной.

В секцию С проходит лишь горизонтально поляризованная волна, которая прошла через трёхступенчатый (секции А и В) трансформатор сопротивлений, который улучшает согласование зонда по волновому сопротивлению с рупором и одновременно является деполяризатором волн.
Тут λкр=27.8мм, а средняя длина волны в волноводе λg=69.3мм.
Как вы думаете, расстояние от зонда до задней, глухой стенки волновода ближе к четверти длины какой волны?

 

[странник]

Основные характеристики спутникового сигнала

.
Назрела необходимость разобраться с основными характеристиками и параметрами спутниковых сигналов, которые ВСЕ до демодулятора аналоговые, а после - кто так и остаётся аналоговым, а кто превращается в цифровой поток, - в зависимости от способов и методов модуляции несущей.

Начнём, как всегда, с непонятной на первый взгляд картинки, что бы было над чем задуматься и положить начало душевному разговору по теме...

 

[странник]

Определение соотношения сигнал/шум по спектру

.
Определение соотношения сигнал/шум по спектру достаточно просто и понятно из следующей картинки:



Замечу только, что обозначения S/N - отношение сигнал/шум и CNR - отношение несущая/шум на рисунке чаще встречаются как SNR и C/N

 

[странник]

.
Вернулся в эту тему, т.к. нужно переосмыслить результаты эксперимента,
который заставляет задуматься над поляризационными процессами в нашей приёмной установке

Попросту говоря, необходимо разобраться с практически важным вопросом:
как разворачивать LNB вокруг своей оси для получения максимального уровня сигнала ?

Вначале посмотрим, что по этому поводу гласит теория
[OFF]Про источники информации

Существуют (в моей классификации ) следущие источники наших знаний:
1. Первоисточники (научные труды, монографии, диссертации, научные статьи), которые несут наиболее полную и, как правило, объективную информацию по рассматриваемому вопросу. Нам чаще всего неизвестны (разве что по библиографическим ссылкам), в интернете или местной библиотеке недоступны, а от того нами не читаны (не говоря уже про то, что поняты )

2. Компиляции первой руки - "выжимки", фрагменты, рисунки, формулы, выводы из первоисточников, сделанные человеком, который их читал (но необязательно понял !yea!) и использовал в своей работе, чаще всего это учебники или монографии в развитие темы. Такие книги достаточно распространены как в институтских, так и электронных библиотеках (в интернете). Нам доступны, но читаются с ленцой и плохо воспринимаются, т.к. материал изложен фрагментарно, отрывочно, и нами целостная и понятная картина явления не получается...

3. Компиляции второй руки - выборочное цитирование источников [2], "выхватывание" из контекста фраз, формул, "удобных" компилятору для подтверждения собственных чужих выводов, перерисовка с упрощениями и искажениями чужих рисунков, графиков и т.п. Распространены в среде "учёных" и студентов-дипломников

4. Полусказочные - полунаучные пересказы источников [2 и 3], которые в геометрической прогрессии роятся в интернете, в том числе и на специализированных форумах. Авторитетность и "истинность" подобной информации определяется числом ссылок на свои же посты и степенью изношенности клавиши Caps Lock на клавиатуре автора. Требуют настороженно-критического восприятия ardon:

5. Собственные мысли, гипотезы и теории автора, которые подкреплены цитированием источников [2 , 3 и 4]. Тут вы практически на минном поле... Считайте эту информацию лишь отправной точкой изучения вопроса (феномена, явления и т.п.).

Очень советую вам после п.5 обращаться, по возможности, к информации из п.1 и 2 !yea! [/OFF]

А теперь информация к размышлению по поводу линий тока на поверхности параболического рефлектора,
которые определяют поляризационные характеристики приёмной системы:


Это цитата из книги Фрадина Антенны СВЧ [2]



Это цитаты из книги Маркова и Сазонова Антенны [2-3]


Это цитата из книги Фролова Антенны и фидерные устройства РЛС [2]

А это ОТСЮДА [5] ardon:

 

[странник]

Это цитата из книги Фролова Антенны и фидерные устройства РЛС [2]

А вот рисунки из первоисточника [PETER H.C. KROEZEN]:

Х Y Z

Улавливаете разницу между этими рисунками и у Фролова ?

 

[странник]

.
Гриффитц, 2005 - распределение линий тока при равномерном однородном облучении параболоида:

 

[Фаворит]

В инете с неугасающей страстью обсуждают вопрос, есть ли КУ и ДН у "голого" зеркала, и почему солидные производители указывают для своих антенн КУ.
При этом совсем не обращая внимание на единицы измерения: dBi
Это единицы, которые показывают КУ в dB относительно изотропного облучателя.

В инете обсуждалось не то в каких единицах измеряется КУ "голого" зеркала?!

хоть в центнерах...:rofl:

Вопрос был в принципе-Есть ли у голого Зеркала Ку и ДН?!

Вы бы как ответили на эти вопросы?

1.Есть ли КУ у "голого" зеркала? только Да или Нет...
2.Есть ли ДН у голого "зеркала"? только ДА или Нет...

 

[Gesha]

Вопрос был в принципе-Есть ли у голого Зеркала Ку и ДН?!

В данном случае я считаю вопрос некорректным. Это мягко сказано. По той простой причине, что указанные параметры даются не для зеркала а для антенны. А "голое зеркало" не является антенной, оно является частью антенны.
ИМХО, но аналогию можно привести как ну скажем максимальная скорость двигателя автомобиля. Смешно? И мне тоже. Ведь двигатель сам не едет. А скорость его передвижения можно измерить измерив скорость перемещения шасси, на котором его везут. А ещё двигатель можно перевозить на самолёте или в руках его нести
Думаю вопрос отпал или как?

 

[Фаворит]

Думаю вопрос отпал или как?

1.Почему же отпал...

Попрошу без абстрактных примеров о жигулях и запорожцах...

Если Вы знаете такую научную книгу,где говорится(черным по белому),что
а)зеркало не является антенной...
б)зеркало не имеет КУ...
в)зеркало не имеет собственной ДН...
Прошу привести название книги,дату издания и номер страницы,где это утверждается...

Мне ,к тому же,инетресно как странник ответит на вопросы о ДА и НЕТ...

2.Насчет КУ голого зеркала...
ЧТО в зеркальной антенне(системе зеркало+облучатель) может в принципе усиливать полезный сигнала?!

P.S.К Вашему сведению учебники для ВУЗов прямо указывают(черным по белому) что зеркало само по себе(без облучателя) уже является разновидностью зеркальной антенны...!good!

 

[странник]

В инете обсуждалось не то в каких единицах измеряется КУ "голого" зеркала?!
хоть в центнерах...

А зря. Ведь единица измерения показывает, что именно измеряется.
Если в центнерах - значит параболическая антенна имеет вес
А если в dBi - значит, относительно (а дециБелл - это относительная единица измерения) i - изотропного излучателя с КУ=0dB (или КУ=1) увеличивает плотность потока мощности на N-ное количество дециБелл.
Попросту говоря, фокусируя поток электромагнитной энергии, который падает со спутника на апертуру (раскрыв) параболического зеркала, оно увеличивает напряжённость электромагнитного поля, т.е. усиливает его.

Поэтому на ваш первый вопрос я овечаю однозначно - ДА

На второй вопрос я отвечу так же однозначно, но в отдельном посте и с аргументацией !yea!

 

[rtrew]

КУ и ДН у голого зеркала всегда был. Ведь без этого не будет расчетов согласование волновода с зеркалом!!!

1.Есть ли КУ у "голого" зеркала? только Да или Нет...
2.Есть ли ДН у голого "зеркала"? только ДА или Нет...