Begrippenlijst

Organisaties

Slechts enkele organisaties worden genoemd. Via hun sites kunt u bij diverse andere organisaties terechtkomen.

CCITT Consultative Committee for International Telegraph and Telephone (oorpsr. Franstalige afkorting). Dit is de oude naam voor de ITU-T. De naam CCITT wordt echter nog veel gebruikt in aanbevelingen en protocollen in de computerwereld.
ECC Electronic Communications Committee. Dit is de naam van de fusie tussen ETO en ERO. Vanaf ECC kan men terechtkomen bij CEPT, ETO en ERO, allen organisaties die zich op Europees vlak bezighouden met (tele)communicatie.
ERO European Radiocommunications Office. Organisatie welke zich bezighoudt met het standaardiseren van allerhande zaken op het gebied van radiocommunicatie.
ETSI European Telecommunications Standards Institute. Organisatie welke zich bezighoudt met het standaardiseren van allerhande zaken welke betrekking hebben op telecommunicatie.
FCC Federal Communications Commission. De Amerikaanse evenknie van het Agentschap Telecom, (voormalige RDR, thans vallend onder Min.EZ). Houdt zich onder andere bezig met regelgeving op het gebied van frequentiegebruik, -planning en -verwerving in de USA. Opstellers van de FCC-rules.
ICNIRP International Commission on Non-Ionizing Radiation Protection. Organisatie welke zich bezighoudt met de mogelijke gevaren van blootstelling aan niet ioniserende straling en LF elektrische en magnetische velden.
IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers (ook wel I-triple-E genoemd). Vereniging van mensen werkzaam in de elektrotechniek en elektronica. Onder IEEE verband worden veel publicaties uitgebracht (allen beginnend met IEEE).
IRPA International Radiation Protection Association. Organisatie welke zich bezighoudt met vraagstukken op het gebied van stralingsveiligheid. Zij geven diverse documenten uit op het gebied van veilig werken met straling, zie ook ICNIRP
ITU (UIT) International Telecommunication Union, Wereldwijde Organisatie (gevestigd in Zwitserland) welke zich bezighoudt met het bevorderen van informatie-uitwisseling (tussen de staten). De ITU-R sectie houdt zich bezig met het radiospectrum. De ITU-T sectie houdt zich bezig met (draadgebonden) communicatie
RR Radio Regulations (geen organsiatie), document uitgegeven door de ITU-R, welke de indeling van het radiospectrum behandelt en richtlijnen voor frequentieplanning geeft.

Diverse begrippen m.b.t namen, grootheden en eenheden.

XY = X tot de macht Y,
sqrt()= de vierkantswortel uit wat tussen de haken staat,

B = magnetische fluxdichtheid in Vs/m2, Tesla.
c = golfvoortplantingsnelheid in een bepaald medium, in m/s
c0 = lichtsnelheid in vacuüm in m/s (ong 3 *108 m/s),
D = elektrische fluxdichtheid in As/m2,
Dielectr.constant = Diëlectrische constante (eventueel relatief) in F/m,
Epsilon0 = 8.854*10-12 F/m
E = Electrische Veldsterkte in V/m,
H = Magnetische Veldsterkte in A/m,
Jy = Jansky = vermogensdichtheid van 10-26 W/m2 per Hz bandbreedte.
k = golfgetal in rad/m = 2*pi/lambda,
k = constante van boltzman: 1.38*10-23 J/K
Lambda = golflengte in meter,
m = meter, massa in kg, magnetisch moment in A*m2
M = Magnetische polarisatie (hoeveelheid magnetisch dipoolmoment per kubieke meter) in A/m (A*m2 / m3).
Magnet.perm = magnetische permeabilitiet in H/m,
Mu0 = 4*pi*10-7 H/m = 1.2566*10-6 H/m
n = brekingsindex,
p = elektrisch dipoolmoment in Asm,
P = vermogen in Watt,
P = Elekrische Polarisatie (hoeveelheid elektrisch dipoolmoment per kubieke meter) in A*s/m2 (A*s*m/m3)
q = lading van elektron (1.6*10-19 A*s [C])
pi = 3.1415…,
R = weerstand in Ohm,
rho = specifieke weerstand in Ohm*m (specifieke geleiding = 1/rho)
T = periodetijd in s,
v = snelheid in m/s,

RX = indicatie dat men te maken heeft met de ontvangstzijde
TX = indicatie dat men te maken heeft met de zenderzijde
h1 = hoogte van zendantenne in m
h2 = hoogte van ontvangstantenne in m
r = afstand, of straal in m
s = afstand in m.

VLF = Very Low Frequency (3-30kHz)
LF = Low Frequency (30-300kHz)
MF = Medium Frequency (0.3-3MHz)
HF = High Frequency (3-30MHz)
VHF = Very High Frequency (30-300MHz)
UHF = Ultra High Frequency (300-3000MHz)
SHF = Super High Frequency (3-30GHz)
EHF = Extremely High Frequency (30GHz-300GHz)

1 Maxwell (Mx) komt overeen met een magn. flux van 10-8 V*s (Wb).
1 Gauss (Gs) komt overeen met een magn. fluxdichtheid van 10-4 Vs/m2. (Tesla)
1 Oersted (Oe) komt overeen met ongeveer 79,5775 A/m

Er geldt: D=epsilon*E en B=mu*H
De sterkte van het aardmagnetisch veld bedraagt in orde van 40 A/m.

Enkele niet SI-eenheden (welke nog geregeld voorkomen):
1 Angstrom = 10-10 m
1 inch = 25.4mm (exact)
1 foot = 0.3048m = 12 inch (exact)
1 mil = 0.001 inch
1 zeemijl = 1852 m (=ongeveer afstand van een boogseconde op de evenaar)
1 landmijl = 1609.344m (=statute mile, exact)

1 pound = 0.454kg

1 US gallon = 3.79*10-3 m3 (3.79 liter)
1 barrel = 42 US gallon = 0.159 m3
1 PK (Horse Power) = 736W
1 kWh = 1000wH = 3.6MWs (3.6MJ)
1 BTU (British Thermal Unit) = 1055.06Ws (1055.06J).

Veel meer eenheden kunt u vinden op http://www.unc.edu/~rowlett/units/

Enkele Opmerkingen over EM-velden om over na te denken:

  • Volgens huidige Wetenschappelijke Inzichten, is alleen lading (elektronen, protonen) in staat om radiogolven (Elektro-Magnetische golven) op te wekken. Het stralingsveld is recht evenredig met de hoeveelheid lading en de versnelling (vertraging) van de lading. De straling is het sterkst loodrecht op de versnellingsrichting. In de richting van de versnelling (of vertraging) is de stralingsintensiteit 0.
  • De energie met betrekking tot EM-golven volgt exact rechte lijnen. De E- en H-veldcomponenten staan loodrecht op elkaar, loodrecht op de golfuitbreidingsrichting (energiestroom) en zijn in tijd gezien in fase.
  • Alle bekende verschijnselen met betrekking tot EM-golven (zoals reflectie, buiging, absorptie, breking, etc), worden veroorzaakt door lading welke EM-energie absorbeert en eventueel heruitzendt.
  • EM-velden (E- en H-veld) volgen de wetten van superpositie, vermogensdichtheid doet dit niet. Iemand kan het resulterend veld van een constructie uitrekenen door de constructie op te breken in kleine (behapbare) stukjes. Het totale E- en/of H-veld wordt gevonden door sommatie (integratie) van de afzonderlijke bijdragen. Deze procedure wordt uitgevoerd door nagenoeg alle software t.b.v. EM-veld simulatie (om het stralingsdiagram te berekenen van bekende stroomverdelingen).
  • Ieder deel van een stroomvoerende constructie draagt bij aan het stralingsdiagram. Echter de bijdrage van een deel van de constructie kan klein, opbouwend of afbrekend zijn. Daardoor is er geen bevredigend antwoord op de vraag: “welk deel van de antenne straalt nu daadwerkelijk?” Het weghalen van een deel van de constructie (dat schijnbaar weinig bijdraagt), doet de stroomverdeling veranderen en daarmee dus ook het stralingsdiagram. Anders gezegd: constructiedelen waar weinig stroom loopt zijn nodig om in andere constructiedelen veel stroom te krijgen.

Aanpassen, Aanpassing, To Match, Matching

Aanpassen is het proces van toevoegen van spoelen, condensatoren of lijnstukken aan een netwerk of antenne, opdat een bron al zijn vermogen aan het netwerk of antenne kwijt kan. Anderzijds opdat de antenne of netwerk al zijn beschikbaar vermogen aan de belasting af kan geven.

Indien de antenne en bron op elkaar aangepast zijn, spreekt men ook wel van een “conjugate match” of kortweg van “aanpassing”. Dit volgt uit de elektriciteitsleer. Een bron levert maximaal vermogen, indien de complexe Bronimpedantie overeen komt met de complex geconjugeerde waarde van de belastingsimpedantie.

Als Z = a+bj, dan is de geconjugeerde waarde van Z: a-bj. Men spreekt ook wel van toegevoegd complexe waarde, aangeduid met “Z*”.

Aanpassing komt men ook tegen in de werktuigbouw. Denk aan vernauwende of verbredende constructies in bijvoorbeeld ultrasoon lasapparatuur. Akoestische aanpassing in lucht is ook mogelijk. Ook het gebruik van een versnellingsbak of tandwielkast om een last aan een motor te koppelen is een vorm van aanpassing.

Adsorptie, Absorptie, Adsorption, Attenuation.

Adsorptie is de eigenschap dat een medium waar een golfverschijnsel doorheen gaat golfenergie absorbeert. Meestal wordt de geabsorbeerde energie omgezet in warmte. Het wordt meestal uitgedrukt in dB/m of dB/km. Adsorptie is sterk afhankelijk van het medium en de frequentie.

Men komt ook wel absorbtie tegen gedefinieerd als W/m3, of W/kg onder bepaalde gedefinieerde omstandigheden (bijvoorbeeld bepaalde veldsterkte in combinatie met frequentie). Dit ziet men vooral in de richtlijnen welke handelen over de blootstelling van mensen aan straling.

Antenne Gain, Winst, Gain.

Antenne gain is de relatieve signaalwinst welke verkregen wordt met een bepaalde antenne ten opzichte van een bepaalde referentieantenne. Als referentieantenne wordt de dipool (index “d”) of de isotrope straler gebruikt (index “i”). Antennegain is dimensieloos. Als symbool wordt Gi of Gd gebruikt. Veelal wordt dB notatie gebruikt en wordt de gain in dBd of dBi uitgedrukt. Meestal wordt de gain gespecificeerd voor die richting waarin de antenne maximale uitstraling heeft.

Een dipool produceert onder gelijke omstandigheden loodrecht op de dipool een 1.64 maal sterkere vermogensdichtheid als de vermogensdichtheid t.g.v. een isotrope straler. De gain van een dipool bedraagt dan ook 1.64 (2.13dBi). Een elektrisch korte dipool, welke verliesvrij in resonantie is gebracht, heeft een gain van 1.5 (1.76dBi).

Uitgaande van het Effectief Oppervlak van een antenne geldt: Gi=Aeff*4pi/lambda2. Zie ook “Directive Gain”.

Antenne Factor, Antenna Factor, Antenna E-field Factor, AFE.

De Antenne Factor (AFE) legt een verband tussen de elektrische veldsterkte van het ongestoorde EM veld en de door de antenne afgegeven spanning aan een bepaalde impedantie (meestal 50 Ohm). Er geldt:
E = AFE*U (dBV/m = AFE(dB) + dBV). Ofwel AFE = E/U.

Het begrip treft men aan bij meetantennes (bijvoorbeeld voor EMC metingen). De antenne bezit vaak ingebouwde versterkers en / of egalisatienetwerken. AFE wordt meestal gegeven in de vorm van een tabel of grafiek (als functie van de frequentie).

Verwar de antennefactor niet met 1/heff. De antennefactor is gedefinieerd voor de onbelaste uitgangsspanning.

Antennehoogte, terreinhoogte, hoogte boven Zeeniveau, HAAT, Height above Mean Sea Level.

De Terreinhoogte is de hoogte van het terrein ten opzichte van het gemiddeld zeeniveau (MSL = Mean Sea Level). Deze kan zowel negatief als positief zijn.

De Gemiddelde Terreinhoogte (Average Terrain Elevation) is de gemiddelde waarde van de terreinhoogten op diverse plaatsen rondom de antenne (ten opzichte van het gemiddeld zeeniveau). Hierbij wordt de terreinhoogte op afstanden in orde kilometers in ogenschouw genomen. In geval van point to point verbindingen worden vooral terreinhoogtes in de berekening betrokken welke zich tussen de RX en TX antenne bevinden. Het resultaat kan zowel negatief als positief zijn.

Een bergtop heeft in veel gevallen een terreinhoogte welke ver boven de gemiddelde terreinhoogte uitsteekt.

De hoogte van een antenne is de hoogte van het stralingscentrum ten opzichte van de terreinhoogte zeer dicht bij de antenne (maaiveldhoogte). Voor propagatieberekeningen in het VHF en UHF gebied is deze hoogtedefinitie minder van belang.

De hoogte boven de gemiddelde terreinhoogte (Eng: Height Above Average Terrain, HAAT) is de hoogte van het stralingscentrum van een antenne ten opzichte van de gemiddelde terreinhoogte van de omgeving.

De hoogte van de antenne boven het gemiddeld zeeniveau wordt Height Above (Mean) Sea Level genoemd.

Apertuurfunctie, Aperture Function

Het stralingsdiagram van een antenne welke haaks op zijn oppervlak uitstraalt, wordt volledig bepaald door hoe de veldsterkte zeer dicht bij de antenne als functie van de plek op de antenne verloopt. Het veldsterkte verloop als functie van de plaats op de antenne, wordt de apertuurfunctie genoemd.

Diegenen die thuis zijn in de Z en Fouriertransformatie kunnen met een kleine aanpassing aan deze transformaties het stralingsdiagram uitrekenen van de antenne.

Een vlakke (uniforme) apertuurfunctie (bijvoorbeeld bij een array waarbij alle elementen evenveel vermogen toegevoerd krijgen), geeft de hoogste gain, een kleine openingshoek, doch zeer sterke zijlobben. Een enigszins afgeronde apertuurfunctie (waarbij de elementen meer naar de rand van de antenne minder vermogen toegevoerd krijgen), geeft lagere gain, een grotere openingshoek, doch bij goed ontwerp de minste zijlobben.

In straal- en satellietverbindingen worden hoge eisen gesteld aan het zijlobbengedrag. Dit om hergebruik van (schaarse) frequenties zo efficiënt mogelijk te maken.

Array’s

Array’s zijn meerdere gelijksoortige antennes welke gekoppeld zijn aan een bron of ontvanger. Door het koppelen van meerdere antennes kan men gain maken. De gain is ongeveer rechtevenredig met het aantal array-elementen. Dit houdt in dat als je de gain wenst te verdubbelen (verhoging met 3 dB), je het aantal elementen eveneens dient te verdubbelen.

Door de antennes waaruit het array opgebouwd is (de zogenaamde array-elementen) met verschillende fasen te voeden, kan men de richting van de stralenbundel variëren (beam steering).

Men onderscheidt array’s welke loodrecht op antennes stralen (de zogenaamde “broadside array’s” en array’s welke in de lengterichting stralen (de zogenaamde “longside array’s”. Indien de antennes niet alleen naast elkaar doch tegelijk ook achter of boven elkaar geplaatst zijn (dus in een vlak), dan spreekt men van een “stacked array”. Hierbij kan men bijvoorbeeld denken aan een opstelling van 16 antennes in een 4 bij 4 array.

Axial Ratio, Tilt Angle.

Zie ook polarisatie.

De axial ratio is de verhouding tussen het zwakste E-veld in een bepaalde polarisatierichting en die van het sterkte E-veld in een bepaalde richting (loodrecht op de golfuitbreidingsrichting). De axial ratio is altijd 1 of kleiner. De polarisatiehoek waarbij maximale veldsterkte optreedt, staat haaks op de polarisatiehoek waarbij minimale veldsterkte optreedt.

Een zuiver verticaal gepolariseerde antenne produceert een verticaal gepolariseerd veld. Een lineair gepolariseerde ontvangstantenne (bijv. dipool) dient men verticaal te plaatsen voor maximale ontvangst. Bij horizontale opstelling, is de ontvangst nul. De axial ratio bedraagt dan 0. Zou men de zendantenne iets scheef zetten, dan zal de RX dipool slechts zijn maximale spanning afgeven indien deze ook iets scheef staat. De axial ratio blijft echter gelijk.

In geval van een zuiver circulair gepolariseerd veld is de door een lineair gepolariseerde RX antenne (bijvoorbeeld dipool) afgegeven spanning onafhankelijk van de polarisatierichting (mits de antenne goed uitgericht blijft). De axial ratio bedraagt dan 1.

Veel antennes hebben een gemengde polarisatie, in feite een sommatie van een lineair gepolariseerd veld en een circulaire veld. De axial ratio is dan kleiner dan 1.

De polarisatierichting waarbij het E-veld maximaal is, wordt de hoofdas genoemd (Eng: ‘major axis’). De hoek waarbij het maximum optreedt wordt de ‘Tilt Angle’ genoemd. Bij een horizontaal opgestelde dipool is de tilt angle 0 graden.

Balun, Balun Transformer.

Een Balun is een component welke tot doel heeft om een niet gebalanceerde RF kabel (coaxiale kabel) aan een gebalanceerde kabel of belasting te koppelen. Het woord Balun is afkomtig van ‘BALanced to UNbalanced transformer’ (of omgekeerd).

In geval van antennes wordt de Balun gebruikt om vanuit een coaxiale kabel (bijv 50 of 75 Ohm) een dipool te voeden. De dipool kan natuurlijk onderdeel uitmaken van een Yagi of dipool array. Een balun kan tevens een impedantie transformatie uitvoeren (om bijvoorbeeld een 75 Ohm coaxiale kabel op een 300 Ohm gevouwen halve golf dipool aan te sluiten).

Het weglaten van de balun heeft meestal tot gevolg dat sterke common mode stromen in de kabelmantel ontstaan (al is de lijn goed afgesloten). Deze kunnen tot storing in apparatuur leiden en omgekeerd kan storing, welke op de kabel instraalt, via de kabelmantel de antenne bereiken.

Er bestaan bijzonder veel uitvoeringen van de Balun. Breedband Baluns zijn meestal als transformator op een ferrietkern uitgevoerd. Bijzonder breedbandige Baluns (frequentie bereik in orde van 1:50 of meer) zijn meestal als ’transmission line’ transformator uitgevoerd. Hierbij wordt het kernmateriaal niet gebruikt om de RF energie over te dragen, doch slechts om de gebalanceerde zijde te scheiden van de niet gebalanceerde zijde. LET OP: Dit type balun biedt geen galvanische scheiding.

Met het toenemen van de verkrijgbaarheid van ferriet materiaal (desnoods gesloopt uit oude computerkabels) kan de zelfbouwer kwalitatief goede baluns maken.

Smalbandige Baluns worden meestal gemaakt op basis van resonantie stukken voedingslijn of LC resonantiekringen.

Breking, Refractie, Refraction.

Breking is het veranderen van de uitbreidingsrichting van golven ten gevolge van een verandering van de karakteristieke impedantie van het medium waar de golf door heen gaat. Vergelijk dit met de richtingsverandering van een lichtstraal welke door water of glas gaat. Een straal welke loodrecht op een materiaal met andere eigenschappen invalt, passeert zonder richtingsverandering.

In de regel geldt, hoe sterker de verandering van golfimpedantie (of brekingsindex), hoe sterker de richtingsverandering. Echter het percentage van de golfenergie welke het medium binnendringt neemt dan af (het aandeel reflectie neemt dan sterk toe).

De ingaande golf wordt in het engels met “Incident Wave” aangeduid. De golf welke het medium (bijvoorbeeld glas) ingaat, wordt “Transmitted Wave” genoemd. De gereflecteerde golf wordt “Reflected Wave” genoemd. Dit is te vergelijken met twee coaxiale kabels met verschillende impedanties welke op elkaar aangesloten zijn. Een bron stuurt een golf de kabel in (incident wave) Een gedeelte van de energie wordt op de overgang tussen de twee kabels gereflecteerd terug de kabel in, richting de zender (reflected wave). Het resterende deel gaat de kabel met andere impedantie in (transmitted wave).

Om daadwerkelijk van breking te spreken, dienen de afmetingen van het medium waardoor de breking plaats vindt, vele malen groter te zijn dan de golflengte van de invallende straling.

Breking is er in grote mate verantwoordelijk voor dat de radiohorizon iets verder ligt dan op grond van een rechte lijn tussen de twee antennes te verwachten is (brekingsindex neemt af met toenemende hoogte). Hier is echter sprake van een richtingsverandering welke plaats vindt over een grote gebied. Dit wordt vaak met het begrip “afbuigen” aangeduid, in het engels “deflection”.

Brekingsindex, Refractive Index.

De brekingsindex is de verhouding tussen de golfvoortplantingssnelheid in vacuüm en de golfvoortplantingssnelheid in het betreffende medium. Alle isolerende materialen met een relatieve diëlectrische constante groter dan 1, hebben een brekingsindex van groter dan 1 (dus de snelheid in die materialen ligt beneden die van de lichtsnelheid). Het symbool is n. n is dimensieloos. De uitbreidingsnelheid is zowel afhankelijk van de magnetische als diëlectrische eigenschappen, dus: n = sqrt(rel.dielectr.const*rel.permeabiliteit). In principe kan men voor geluid ook een brekingsindex definiëren.

Geïoniseerde gassen kunnen een brekingsindex kleiner dan 1 hebben (plasma’s en geïoniseerde luchtlagen in de ionosfeer).

Indien de brekingsindex slechts geleidelijk verloopt, is er geen sprake van een abrupte richtingsverandering, doch legt de straal een gebogen kromme af. Een mooi voorbeeld is HF propagatie over grote afstanden. In de volksmond wordt dit aangeduid als ionosferische reflectie. T.g.v. van de ionisatie treedt in sommige luchtlagen een afname van de brekingsindex op bij toenemende hoogte. Golven hebben de neiging om af te buigen naar die plek waar de brekingsindex het hoogst is (net als in bepaalde typen glasvezel). Dit zorgt ervoor dat de golven teruggebogen worden naar de aarde. Eigenlijk is hier dus sprake van ionosferische breking.

Met toenemende hoogte neemt de brekingsindex van lucht iets af (lagere druk, minder vocht en lucht per kubieke meter). Dit zorgt ervoor dat radiogolven gemiddeld genomen altijd iets naar de aarde toe gebogen worden en dus tot iets voorbij de horizon kunnen reiken.

Omdat de brekingsindex van luchtlagen praktisch gelijk aan één is, definieert men N.

N = (n-1)*106.

Brekingsindex gradient, Refractive Index Gradient.

Het meebuigen van radiogolven met het aardoppervlak, wordt in grote mate bepaald door de afname van de brekingsindex bij toenemende hoogte.

Dit wordt aangegeven als dN/dh (afgeleide van N als functie van de hoogte). Onder gemiddelde omstandigheden bedraagt deze -39.2/km. Bij een waarde van lager dan -157/km is de kromming van het stralenpad gelijk of kleiner dan de kromming van de aarde. De golven buigen dan naar de aarde toe. Zie ook “ducting”.

In dit verband komt men ook nog het begrip “Refractive Modified Index” tegen.

Brewster Angle, Pseudo Brewster Angle, Polarizing Angle.

Verticaal gepolariseerde golven, welke invallen op een horizontaal vlak, gedragen zich vreemd. Onder een specifieke hoek verdwijnt alle golfenergie via breking in het verliesvrij medium en vindt geen reflectie plaats). De hoek waaronder dit plaats vindt heet de “Brewster Angle”. Voor horizontaal gepolariseerde golven bestaat geen brewster angle.

De benaming “Polarizing Angle” is heel toepasselijk. Indien onder de brewster angle gelijktijdig horizontaal en verticaal gepolariseerde golven invallen, worden alleen de horizontaal gepolariseerde golven gereflecteerd (die blijven over). De verticale gepolariseerde golven verdwijnen volledig in het medium.

In geval van oppervlakken welke niet verliesvrij zijn, zoals de aarde, is er geen hoek te vinden waar de reflectie nul wordt. Onder Pseudo Brewster Angle wordt die hoek verstaan waarbij de reflectie van verticaal gepolariseerde golven minimaal is.

Hoe beter de grondgeleiding en hoe lager de frequentie, hoe kleiner de (pseudo) Brewster Angle. Voor golven welke onder een veel kleinere hoek ten opzichte van het aardoppervlak de aarde treffen, ondervindt de gereflecteerde golf een extra 180 graden fasedraaiing. De golf wordt nagenoeg 100% gereflecteerd. LET OP: In de natuurkunde gelden andere definities met betrekking tot invalshoeken.

Buiging, Afbuiging, Deflection

Buiging of afbuiging is de eigenschap waarbij golven geleidelijk van richting veranderen over een afstand veel groter dan de golflengte. De uitbreidingsrichting van de golven maakt als het ware een bocht in plaats van een scherpe knik zoals bij een overgang naar een ander medium (bijv van lucht naar glas).

Afbuiging treedt op in geval van geleidelijke brekingsindexveranderingen als functie van de plaats (zoals in de ionosfeer en atmosfeer). Ook rondom voorwerpen welke veel groter dan de golflengte zijn kan afbuiging van golven ontstaan. In het engels spreekt men van “deflection” (net zoals in het geval van de afbuigspoelen van een elektronenstraalbuis (beeldbuis), de zogenaamde “deflection coils” of “afbuigspoelen”.

-3dB Bundelbreedte, openingshoek, -3dB Beam Width, -3dB BW

De bundelbreedte van een antenne is het aantal graden tussen de punten in het stralingsdiagram waarbij de gain tot 3 dB beneden het maximum gedaald is. Met bundelbreedte wordt in de regel dus niet verstaan de breedte van de bundel in meters waarbij de veldsterkte met 3 dB gedaald is).

Men onderscheidt bundelbreedte in het verticale en horizontale vlak. Er geldt: brede doch lage antennes welke veel groter dan de golflengte zijn, hebben een kleine horizontale openingshoek en een grotere verticale openingshoek. Grofweg geldt:

BWhor=70*lambda/breedte, BWver = 70*lambda/hoogte.

Breedte=breedte van de antenne in m, Hoogte=hoogte van de antenne in m (niet te verwarren met de opstelhoogte). Zowel de breedte als de hoogte dient veel groter dan de golflengte te zijn.

Gi=40k/(BWhor*BWver) BWhor en BWver in graden (geen radialen)

Gi=100/BWver voor rondomstralende antennes (“omni-directional antennas”)

De genoemde constanten zijn sterk afhankelijk van het stralingsdiagram en eventuele verliezen in de antenne en dienen slechts als grove indicatie.

Capacitieve Antenne, Capacitive Antenna

De capacitieve antenne is de tegenhanger van de inductieve antenne. Het is een elektrisch gezien kleine antenne. Hij dient een overwegend elektrisch veld op te wekken (in het nabije veld gebied). In geval van een ontvangstantenne dient hij voornamelijk gevoelig te zijn voor het E-veld.

Zij worden onder andere toegepast in systemen voor capacitieve verhitting (lijmen, drogen, etc). In geval van zendantennes is meestal een spoel noodzakelijk om het capacitieve gedrag van de antenne te compenseren. Men komt capacitieve antennes veelvuldig tegen als meetantenne in EMC laboratoria.

Coherentielengte, Coherence length.

De coherentielengte is de maximale afstand tussen twee punten langs een stralenbundel waarbij er nog een goede relatie bestaat tussen de momentane fase van de bundel in beide punten. Anders gezegd, er is nog duidelijk herkenbaar dat de golven van dezelfde bron afkomstig zijn. Men komt het begrip overal tegen waar men met golven werkt. Over afstanden binnen de correlatielengte kan men de wetten van de interferentie toepassen (vectorische sommatie).

Boven de correlatielengte zal het faseverschil tussen de golven in beide punten niet meer constant zijn doch als functie van de tijd variëren en lijkt het of de golven van verschillende bronnen afkomstig zijn. Opgemerkt dient te worden dat het verslechteren van de faserelatie geleidelijk verloopt met toenemende afstand.

Hoe smalbandiger in frequentie een signaal is, hoe groter de coherentielengte indien dit signaal via een antenne uitgezonden wordt. De coherentielengte bedraagt in orde van 0.06*c/BW meter (BW is bandbreedte van het golfverschijnsel in Hz, c=golfvoortplantingssnelheid). In dit geval bedraagt de variatie in faseverschuiving minder dan 22.5 graden.

Coherentiebandbreedte, Coherence bandwidth.

Ten gevolge van allerlei propagatieaspecten (vooral reflecties) is de overdracht tussen een RX en TX antenne verre van vlak in het frequentiedomein (zie ook fading). Ten gevolge van het bewegen van objecten, de zender en, of de ontvanger is de overdracht ook nog eens tijdafhankelijk (tijdvariant).

Als we tijdvariantie even buiten beschouwing laten, zal bij het laten toenemen van de bandbreedte van een zendsignaal, dat via het draadloos communicatiekanaal de ingang van de testontvanger bereikt, het ontvangen signaal niet meer gelijkvormig zijn met het uitgezonden signaal (zelfs al zouden de TX en RX antennes oneindig breedbandig zijn). Anders gezegd bij toenemende bandbreedte neemt de correlatie tussen het in- en uitgangssignaal af. De bandbreedte van het TX signaal waarbij de correlatie tussen het in- en uitgangssignaal afgenomen is tot 0.5 wordt de coherentiebandbreedte van een communicatiekanaal genoemd. Het zegt iets over met welke maximale datasnelheid men zonder het gebruik van ingewikkelde technieken een draadloos communicatiekanaal kan benutten.

Dit betekent niet dat transmissie met een grotere bandbreedte dan de coherentiebandbreedte onmogelijk is (het kost alleen meer moeite om wel communicatie te plegen). Met de opkomst van realtime digitale signaalbewerking, kan de (lineaire) vervorming van een communicatiekanaal zeer sterk gereduceerd worden. Zowel de basisstations van het GSM net als de GSM toestellen zelf beschikken over snelle signaalbewerking waarmee de lineaire vervorming van het communicatiekanaal (welke tijdvariant is) gereduceerd wordt, opdat communicatie mogelijk is in gebieden met sterke multipad effecten. Zie ook ‘delay spread’.

Dampkring.

De dampkring is de luchtlaag welke zich om de aarde bevindt. De dampkring is van grote invloed op radiocommunicatie voorbij de radiohorizon (RH=4120*Sqrt(hoogte)). De dampkring zorgt er reeds voor dat de radiohorizon verder weg ligt dan de optische horizon (t.g.v. afbuigen van radiogolven richting de aarde). Met toenemende hoogte, neemt de luchtdruk en dichtheid af. Enkele getallen: 0km: 101.3 kPa, 12 km: 19kPa, 50km: 1kPa. Als u op 12 km hoogte in een vliegtuig zit, bevindt 80 procent van de aardatmosfeer zich reeds beneden u. De dampkring is slechts een dunne laag!

Men onderscheidt de volgende lagen (in literatuur worden deze namen vaak gebruikt): De troposfeer (0-13km hoogte), hierin speelt zich het weer af (wolken komen in de regel niet boven 13 km). De stratosfeer (13-45km hoogte), de Mesosfeer (45-90km hoogte), In deze laag vindt reeds ionisatie plaats (de D laag), welke van invloed is op radiocommunicatie op MF en HF. De ionosfeer (90 tot 500km), hier is de ionisatiegraad ten gevolge van zonnestraling hoog. Men onderscheidt een E, Es, F, F1 en F2 laag. In deze lagen (waarvan de hoogte varieert) is de ionisatie nog sterker. De diëlectrische eigenschappen van deze lagen maken wereldwijde communicatie mogelijk op HF (3-30 MHz).

Diëlectrica, isolerende materialen, Dielectrics.

Diëlectrica of Diëlectrische materialen zijn materialen waarvan de weerstand zeer hoog is. Denk aan vele kunststoffen en glas en keramische materialen.

In het geval van Elektro Magnetische Velden is een nadere omschrijving mogelijk. Indien de capacitieve stroomdichtheid door het medium (2*pi*f*E*epsilon) veel groter is dan stroomdichtheid t.g.v. geleiding (E*soort.geleid.), dan spreekt men eveneens van (niet ideaal) diëlectrisch materiaal. Of een materiaal zich als een (slechte) geleider of als diëlectricum gedraagt, is dus mede afhankelijk van de frequentie.

Zo gedraagt een zak vol met onderling goed geïsoleerde metalen bolletjes zich van buiten gezien ook als een diëlectrisch materiaal (met een diëlectrische constante van zeker groter dan 1).

Diëlectrica opgebouwd uit onderling geïsoleerde metalen delen (welke veel kleiner dan de golflengte zijn) worden kunstmatige dielectrica genoemd (Eng Artificial Dielectrics). Men kan daarmee bijvoorbeeld een EM golfverschijnsel vertragen en zodoende de richting van de straling doen veranderen.

Diëlectrica worden meestal gespecificeerd aan de hand van: hun doorslagspanning, diëlectrische constante, verlieshoek of Q-factor, specifieke/soortelijke weerstand, remanente elektrische flux, hysteresislus (zelden), etc

Men onderscheidt op moleculair niveau 3 soorten polarisatie. De eigenschappen van deze polarisatieprocessen zijn frequentieafhankelijk. Afgezien van moleculaire resonantie, neemt bij toenemende frequentie de diëlectrische constantie af. Dit is heel goed te merken als men kijkt naar de verschillen in epsilon voor isolatiematerialen bij radiofrequenties en voor licht (water: voor RF in orde van 80, voor licht in orde van 1.7). Zelfs op radiofrequenties is voor veel materialen al een afname te merken bij toenemende frequenties.

Voor lucht bedraagt de relatieve diëlectrische constante 1.00056 (273K, 101.3kPa). Bij toename van het vochtpercentage in de lucht, neemt deze waarde toe (dus radiogolven hebben dan een iets lagere voortplantingssnelheid).

Voor de voortplantingssnelheid van een EM golf in een diëlectricum geldt c=c0/sqrt(relatieve epsilon).

Delay spread, time delay spread

Ten gevolge van multipad effecten bestaat het ontvangen signaal uit de sommatie van de diverse golffronten welke via reflectie, diffractie of rechtstreeks de RX antenne bereiken.

Indien men een in de tijd gezien smalle puls uitzendt (bijv 0.1 us breed op een frequentie van 1 GHz, -deze bevat 100 RF perioden-), dan zullen de golffronten ten gevolge van de verschillende weglengten op verschillende tijdstippen aankomen. Uit de (breedbandige) ontvanger verschijnt na AM demodulatie geen mooie puls van 0.1 us breed, doch op zijn minst een bredere. Vaak zijn de afzonderlijke pulsen nog te herkennen (als een soort echo’s) en kan men de weglengteverschillen bepalen. De breedte van de ontvangen puls bepaalt in geval van traditionele communicatiesystemen de maximale baudrate (ook wel signaleringssnelheid genoemd). Indien de signaleringssnelheid te hoog is, verbreden de bits en gaan naastliggende bits elkaar beïnvloeden (Inter Symbol Interference, ISI)

Delay spread is goed te vergelijken met acoustische nagalm. Een klap met de handen, klinkt in een lege kerk of grote hal nog lang door (is ook een vorm van pulsverbreding).
het verbreden van een in de tijd weergegeven signaal ten gevolge van multipad effecten wordt “delay spread” genoemd. Delay spread wordt vaak aangegeven als de RMS breedte van de ontvangen puls in seconden. De uigezonden puls dient veel smaller te zijn dan de gemeten RMS pulsbreedte.

Delay spread legt beperkingen op aan de maximale baudrate voor radiofrequentie communicatiekanalen welke het zonder ‘Channel Equalizer’ moeten stellen. Praktisch alle moderne mobiele wide band datatransmissiesystemen welke draadloos grote afstanden dienen te overbruggen, bezitten “Channel Equalizers”, zij verwijderen de echo’s en maken de overdracht van het draadloos transmissiekanaal voldoende vlak.

Delay spread treedt altijd samen op met (frequency selective) fading. Of men van één of beide fenomenen last heeft, wordt sterk bepaald door de gebruikte modulatiemethode, bandbreedte en gewenste bitrate. Spread Spectrum in combinatie met Echo Cancellation en Wide Band COFDM (Coded Orthogonal Frequency Division Multiplex), Zijn modulatietechnieken welke zowel de nadelige effecten van Delay Spread als Frequency Selective Fading sterk kunnen verminderen. DAB-T (digitale aardse radio) en DVB-T (digitale aardse televisie) maken gebruik van COFDM.

Dellinger Fade Out.

Een “Dillenger Fade Out” (genoemd naar J.H. Dellinger) is het verschijnsel dat soms HF communicatie via de ionosfeer gedurende maximaal enkele uren onmogelijk is. Het effect wordt veroorzaakt door sterke zonnevlammen (Solar Flares). De hoeveelheid zonnestraling welke de aarde bereikt is dan dusdanig hoog dat zelfs de D laag (50-90km hoogte) bijzonder sterk geïoniseerd wordt, waardoor deze praktisch alle HF straling absorbeert welke via de D laag in de hogere lagen terecht moet komen. Rond de evenaar is het effect het sterkst (de zonnestraling valt dan meer loodrecht in).

Directe Golf, Direct Wave.

De directe golf is die golf welke vertrekt vanaf de zender en rechtstreeks, zonder reflectie of ander propagatiemechanisme de ontvanger bereikt (ook wel direct zicht golf genoemd). Enige kromming van het pad van de directe golf ten gevolge van de brekingsindex van lucht wordt hierbij niet als propagatiemechanisme gezien. In VHF communicatie wordt de directe golf sterk uitgedoofd door de op de aarde gereflecteerde golf (de aarde bevindt zich nagenoeg altijd binnen de eerste “Fresnel zone”.

Directive Gain.

Dat een bepaalde antenne meer signaal produceert dan een isotrope antenne onder gelijke omstandigheden, komt doordat de antenne richtwerking heeft. Indien de antenne al het elektrisch toegevoerde vermogen omzet in EM energie, zal stralingsvermindering in een bepaalde richting altijd tot vermeerdering in een ander richting leiden (energie gaat niet verloren).

Gain van een antenne ontstaat dus door het bundelen van de straling. De gain ten gevolge van het bundelen wordt “Directive Gain” genoemd. Een antenne zal echter niet alle elektrische energie omzetten in de gewenste EM energie. Een gedeelte gaat verloren in warmte. De Daadwerkelijke gain ligt daardoor altijd iets lager dan de gain welke op grond van het stralingsdiagram verwacht wordt. Er geld dan ook: Antenn.Gain = Directive.gain – verliezen (alle waarden in dB’s)

Voor antennes welke geen ohmse of diëlectrische verliezen hebben geldt dat de Directive Gain gelijk is aan de overall Gain (Antenne Gain).

Divergentie, Diffractie, Diffraction.

Divergentie is het verschijnsel dat een stralenbundel de neiging heeft om uit te waaien (te verbreden), zonder dat er ook maar enige verstoring in het medium aanwezig is (in het vacuüm gebeurt het dus ook). Dit geldt in principe voor alle golfverschijnselen (dus ook geluidsgolven).

Hoe breder de stralenbundel is ten opzichte van de golflengte, hoe minder deze divergeert. Een laser waarvan over grote afstand de bundel niet uit mag waaien, dient een relatief brede bundel te hebben. Overdreven gezegd, golven zijn in staat om een bocht te maken zonder dat daarvoor mediumveranderingen nodig zijn. Dit kan men met geluid prima uitproberen door om een hoekje te gaan staan en iemand te laten praten. Merk op dat de lage audiofrequenties beter om obstakels heen buigen dan de hoge.

Sterke diffractie treedt op indien golven een vlak treffen waarvan de afmetingen niet meer veel groter zijn dan de golflengte. Een spiegelend geleidend vlak van 10cm bij 10cm is voor lichtgolven bijzonder groot. Een luchtbundel welke dit vlak treft, wordt dan ook keurig als luchtbundel gereflecteerd (golflengte licht in orde van 400 nm). Terwijl radiostraling met een golflengte van 30cm (1000 MHz) door dit vlak naar alle kanten heruitgezonden wordt. Ondanks dat het ook voor deze golven een perfecte reflector is.

Begrippen als reflectie en breking zijn dan ook alleen van praktisch nut indien de afmetingen van het grensvalk tussen twee media, veel groter zijn dan de golflengte van de invallende straling.

Antennes of ander constructies welke tot doel hebben een gerichte bundel te vormen, dienen altijd veel groter dan de golflengte te zijn. Hoe gerichter de bundel dient te zijn, hoe groter de vereiste constructie.

Dat radiogolven ook voorbij de radiohorizon nog te ontvangen zijn, wordt mede veroorzaakt door het divergeren van radiogolven. Hoe lager de frequentie, hoe meer golven uitwaaien.

Zie ook “Fresnel Zone”. Dat “stralen” een zekere breedte nodig hebben om een zekere afstand zonder extra demping te kunnen overbruggen, is eveneens m.b.v. divergentie te verklaren. Als de stralen door obstakels sterk in breedte beperkt worden, zijn zij uitgewaaid (dus in sterkte afgenomen) reeds voordat zij hun doel bereikt hebben.

Driestralen Model, 3-ray Model.

Het driestralen model is een model om de overdracht tussen twee antennes uit te rekenen waarbij de invloed van de direct zicht golf, de op de aarde gereflecteerde golf en de opppervlaktegolf meegenomen wordt. Het model vereist kennis van de grondgeleiding als functie van de diepte.

In het VHF en hoger gebied, uitgaande van TX en RX antennes welke boven de grond opgesteld zijn, is de invloed van de oppervlaktegolf verwaarloosbaar. Het driestralenmodel, dat aanmerkelijk gecompliceerder is dan het tweestralen model, is in die gevallen niet nauwkeuriger (dan het tweestralen model). Het drie stralen model wordt in de TeTech cursussen niet behandeld.

Ducting, Super refraction, Sub refraction

Ducting is het verschijnsel dat radiogolven in het VHF gebied en hoger soms veel verder komen dan de horizon. Indien dit optreedt t.g.v. een “sterke” afname van de brekingsindex als functie van de hoogte (dN/dh<-157/km), spreekt men van “super refraction”. Dit kan zorgen voor een denkbeeldige gang of verbinding (Eng: “duct”) waardoor radiogolven zich met geringe demping kunnen voortplanten. Een stralenbundel buigt dan terug naar de aarde en kan eventueel weer gereflecteerd worden en vervolgens weer terugbuigen naar de aarde (“ground based duct”).

Reflecteert de bundel op een luchtlaag welke eronder licht (de golven blijven als het ware gevangen tussen twee luchtlagen) dan spreekt men van een “elevated duct”.

Ducting treedt vaak op tijdens windstil weer, boven grote watervlakten en in de onderste luchtlagen (<150m, typical 20m). Door de relatief dunne laag waar ducting in plaats kan vinden, treedt het effect het sterkst op bij golflengtes veel kleiner dan de laagdikte (frequenties hoger dan 100 MHz). Ducting dient men niet te verwarren met sporadische E laag reflectie.

Indien de radiogolven juist van de aarde af buigen (dus het bereik aanzienlijk minder ver is dan de radiohorizon), spreekt men van sub refraction.

Effectief Oppervlak, Effectief Antenneoppervlak, Effective Aperture, Effective Area.

Het effectief oppervlak van een antenne is een maat voor de hoeveelheid golfenergie welke uit de lucht opgepakt wordt en omgezet wordt naar antennesignaal. Er geld PRX=Aeff*vermogensdichtheid ([W]=[m2]*[W/m2]). De eenheid van Aeff is m2.

Het effectief oppervlak is afhankelijk van de oriëntatie van de antenne ten opzichte van de stralingsrichting. In principe gaat voor geluid of ander golfverschijnsel dezelfde redenatie op.

Het effectief oppervlak is enigszins gerelateerd aan de afmetingen van de antenne. Voor een resonerende dipool geldt: Aeff=0.125*lambda2. Voor een isotrope straler geldt Aeff=lambda2/4pi. Voor een schotel antenne geldt bij benadering Aeff=0.5*geometrisch.oppervlak.

Iedere antenne welke verliesvrij aangepast kan worden op de belasting/bron, heeft een richting waarbij het effectief oppervlak minimaal lambda2/4pi vierkante meter bedraagt.

Effectieve hoogte, effective height.

De effectieve hoogte van een antenne is de verhouding tussen de afgegeven onbelaste spanning (de EMK) en de elektrische veldsterkte van het EM-veld. Ofwel heff = UEMK/E. De eenheid is meters. Hierbij dient de antenne optimaal georiënteerd te zijn ten opzichte van het EM-veld.

In tegenstelling tot het effectief oppervlak zegt dit begrip niets over de gain van een antenne. Het zegt namelijk niets over het afgegeven vermogen (dit is afhankelijk van de stralingsweerstand van de antenne).

De effectieve hoogte van een staafantenne wordt bepaald door de stroomverdeling in de staaf. Voor een elektrisch korte antenne zonder capacitieve eindplaten geldt: heff = 0.5*antennelengte. Voor een halve golf dipool geldt: heff = 0.64*dipoollengte. De effectieve hoogte is kleiner dan de antennelengte omdat naar de einden van de antennestaaf de stroom geleidelijk nul wordt.

Het begrip effectieve hoogte is van belang voor verticaal polariserende antennes welke ten opzichte van aarde gevoed worden. Het gaat dan om antennes in het MF en lage HF gebied die overwegend oppervlaktegolven dienen op te wekken. Een kwart golf spriet gevoed ten opzichte van aarde heeft een effectieve hoogte van 0.64*sprietlengte. Een kwart golf op 1 MHz (75m mast) heeft dus een heff van 48m. Een halve golf dipool gevoed ten opzichte van aarde heeft een heff = 0.5*antennelengte.

Voor VHF en UHF antennes heeft het begrip geen praktische waarde. Zie ook ‘Antenna E-field Factor’.

Elektrisch Kleine Antennes, Electrically Small Antennas.

Elektrisch kleine antennes zijn antennes waarvan de afmetingen kleiner zijn dan 0.5*lambda. Het zijn antennes welke zonder aanpassing meestal niet in resonantie zijn.

Indien de elektrisch kleine antenne verliesvrij op een bron aangepast kan worden, dan bedraagt de gain altijd meer dan 1 (>0dBi) in de richting van de meeste straling. Dit geldt zowel in geval van zenden als ontvangen.

Elektrisch kleine antennes produceren op afstanden aanmerkelijk kleiner dan een golflengte een hoge elektrische of magnetische veldsterkte (in veel gevallen ook beide). Dit kan leiden tot grote verliezen in dichtbij geplaatste constructies. Het overall rendement van dergelijke kleine antennes wordt daardoor vaak nadelig beïnvloed.

De verkorte dipool (gezamenlijke lengte van de twee staven kleiner dan 0.5*lambda), en de magnetische dipool (diameter lus kleiner dan 0.15*lambda) zijn in de praktijk veel gebruikte verkorte antennes. Hun eigenschappen zijn experimenteel en mathematisch bepaald en kunnen in bepaalde gevallen als referentie- of meetantenne gebruikt worden.

Bij gebruik van elektrisch kleine antennes als zendantennes is de verhouding tussen het reactieve deel en de stralingsweerstand (de Q factor) ongunstig. Deze Q factor bedraagt in orde van:
Qant = (lambda)3/(20*Volume). Hierbij is uitgegaan van een compact volume. Als het volume platter is, krijgt de factor 20 een hogere waarde (dus valt de Q lager uit).

Hieruit blijkt dat hoe minder ruimte uw antenne in beslag neemt, hoe hoger de Q factor van de antenne (en kleiner de bandbreedte). In veel gevallen wordt het beschikbare RF vermogen verstookt in de componenten ten behoeve van aanpassing, of de antenne zelf.

ERP, EIRP, Effective (isotropisch) uitgestraald vermogen.

Het Equivalent isotropisch uitgestraald vermogen (Eng: “Equivalent Isotropically Radiated Power”) komt overeen met dat elektrisch vermogen dat men aan een isotrope straler toe dient te voeren om dezelfde veldsterkte/vermogensdichtheid op te wekken als met de betreffende zender/antenne combinatie verkregen wordt. Indien men een zender heeft met een vermogen van 5W, welke een antenne stuurt welke in een bepaalde richting een factor 10 aan gain (Gi) heeft, dan bedraagt het zendvermogen van de zender/antenne combinatie: EIRP=PTX*Gi = 5*10=50W.

In sommige literatuur ziet men EIRP beschreven als “Effective Isotropic(ally) Radiated Power”, echter de ITU (International Telecommunication Union) definitie is “Equivalent Isotropically Radiated Power”.

In geval van het ERP (Effective Radiated Power) wordt in plaats van een isotrope straler een dipool als referentie genomen. Dan geldt ERP=PTX*Gd. Doordat een dipool een gain heeft (Gi) van 1.64, is voor een bepaalde antenne/zender combinatie het EIRP altijd een factor 1.64 hoger dan het ERP (2.13 dB).

In geval van middengolfzenders wordt vaak een andere definitie gebruikt. Dit wordt gedaan omdat in dit frequentiegebied de oppervlaktegolf de belangrijkste component is. Men gaat dan uit van antennes welke veel oppervlaktegolven opwekken. Dergelijke antennes (meestal geïsoleerde masten) worden gevoed ten opzichte van een ingegraven aardnetwerk. Meestal wordt als referentie antenne een ten opzichte van aarde gevoede kwartgolfantenne (of korter) gebruikt.

Fading, Rayleigh fading, fast fading, Ricean Fading.

Het voortdurend (meestal hinderlijk) variëren van de sterkte en fase van het ontvangen signaal wordt aangeduid met het begrip: “Fading”. Men onderscheidt “fast fading” (snelle signaalsterkte schommelingen ten gevolge van multipad-effecten, vooral te merken bij mobiele communicatie in het hoge VHF en UHF gebied) en “Slow Fading” (langzame signaalsterke schommelingen ten gevolge van schaduwwerking van gebouwen of langzaam variërende propagatie omstandigheden in vaste radioverbindingen).

Fast fading wordt veroorzaakt doordat meerdere golffronten de antenne bereiken welke door propagatie en verplaatsing van TX of RX iets andere fase/frequentie hebben (interferentie van meerdere golven met ongeveer gelijke frequentie).

Indien het totale RX vermogen voornamelijk bepaald wordt door geflecteerde golven van ongeveer gelijke sterkte, is sprake van Rayleigh fading (het RX vermogen als functie van plaats of tijd is bij benadering Rayleigh verdeeld). Rayleigh fading kenmerkt zich door zeer sterke dalen in de overdracht (dips in orde van 30-40 dB zijn geen uitzondering).

Naarmate één van de golffronten welke de RX antenne bereiken dominant wordt ten opzichte van het totaalvermogen in de overige golffronten welke de RX antenne bereiken, dan worden de dalen aanmerkelijk minder diep. In dergelijke gevallen spreekt men van ‘Ricean fading’. Het woord “Ricean” komt van de “Rice” kansdichtheidsfunctie.

Als één component significant sterker is dan het totaalvermogen van de rest, dan is de fading bij goede benadering gaussisch verdeeld. De dominante component mag best een gereflecteerde component zijn (waarbij de direct zicht golf de RX antenne veel zachter bereikt).

Ook wordt het begrip “scintillation” hier en daar gebruikt. Formeel verstaat men onder scintillation echter het effect van propagatievariaties op de ampltitude van het signaal (dus niet de fase).

Doordat fading in veel gevallen optreedt (fast en slow), dient het zendvermogen aanmerkelijk hoger gekozen te worden dan op grond van de 50% propagatievoorspelling verwacht wordt. +30dB extra is geen uitzondering. Het benodigde extra vermogen uitgedrukt in dB’s wordt vaak aangeduid met het begrip “fading marge”.

Fast fading kan ook bestreden worden door het gebruik van ‘Antenne Diversity’, ook wel ‘Space Diversity’ genoemd. Hierbij worden twee of meer antenne gebruikt welke minimaal een kwart golflengte uit elkaar staan. De signalen van de antennes worden gescheiden verwerkt. Dynamisch wordt bekeken van welke antenne het signaal het meest geschikt is voor verdere verwerking. Het direct koppelen van de antennes geeft geen enkele verbetering.

Fading komt ook veelvuldig voor op de HF banden. Ook hier is de reden dat verschillende gereflecteerde golffronten de RX antenne bereiken en soms elkaar uitdoven en soms elkaar versterken. De hoogte van de geïoniseerde lagen verieert immers met de tijd. Bovendien kan de vanuit de ionosfeer komende golf interfereren met de grondgolf van het HF station. Dit treedt op als de RX antenne zich relatief gezien dicht bij de TX antenne bevindt.

Fasesnelheid, Phase Velocity.

De fasesnelheid (v.phase) is gelijk aan lambda*draaggolffreq (lambda is golflengte in m). De eenheid is m/s, symbool v.phase. Voor het vacuüm en vaste stoffen geldt: v.phase=c. De fasesnelheid geeft aan hoe snel de fase van een zuiver sinusvormigsignaal zich uitbreidt. Anders gezegd, voor het faseverschil (delta.phi) tussen twee punten geldt: delta.phi = 2pi*f*delta.r/v.phase.

In bijvoorbeeld geïoniseerde media, is de fasesnelheid vaak hoger dan wat je op grond van de lichtsnelheid zou verwachten. Dit houdt in dat een signaal van 300 MHz, dat normaal een golflengte in het vacuüm heeft van 1m, in een geïoniseerd gas een golflengte van 1.3 m kan hebben… Dit wordt vaak aangeduid als een “fast wave”

Een zelfde verschijnsel doet zich voor bij EM-golfpijpen of transmissielijnen waarop zelfinducties aangebracht zijn. De fasesnelheid is sterk frequentieafhankelijk. Propagatiemedia waarbij de fasesnelheid sterk frequentieafhankelijk is geven sterke vervorming in de overdacht in geval van relatief breedbandige signalen.

Bovenstaande wekt de indruk dat golven harder dan de lichtsnelheid kunnen gaan. Dit is echter niet zo. In de regel geldt hoe hoger de verhouding v.phase/c, hoe langer het duurt voordat het golfverschijnsel zijn eindwaarde bereikt (net als het inschakelen van een blokspanning op een RC netwerk). Er geldt in diverse gevallen:

V.phase*V.group = C02.

Zie ook het begrip groepsnelheid en propagatievertraging.

Frequency Selective Fading

Ten gevolge van multipadeffecten bestaat het ontvangen signaal uit de sommatie van de diverse golffronten welke via reflectie, diffractie of rechtstreeks de RX antenne bereiken.

Bij verandering van frequentie, verandert de onderlinge tijdvertraging tussen de golffronten slechts weinig (is dus nagenoeg constant) Indien een geheel aantal perioden in de tijdvertraging (detla.T) past, versterken de velden elkaar. Indien de frequentie echter met 0.5/(delta.T) Hz veranderd wordt, komt de in de tijd vertraagde golf precies in tegenfase aan en dempen de golven elkaar in meer of mindere mate. In geval van een tijdvertraging tussen twee golffronten in orde van 0.3us (komt overeen met 90m), kan een verandering van uitzendfrequentie in orde van 1.5 MHz grote veranderingen in de overdracht teweeg brengen.

Multipad effecten maken de overdracht dus sterk frequentie-afhankelijk. Deze frequentie-afhankelijke overdracht ten gevolge van multipadeffecten, wordt aangeduid met het begrip “Frequency Selective Fading”. Zie ook “Delay Spread”, dit wordt namelijk ook door multipad effecten veroorzaakt.

Breedbandsystemen zoals spread spectrum, maken daarvan juist gebruik. Indien men zeer breedbandig uitzendt, is er altijd wel een frequentiebandje aanwezig waarbij de diverse golffronten elkaar niet uitdempen. U dient zich wel te realiseren dat het uitsluitend breedbandig maken van het uitgezonden spectrum, geen oplossing is voor Delay Spread (dit vereist namelijk ‘Channel Equalization’, ook wel aangeduid met: ‘Echo Cancellation’).

Fresnelzone, (First) Fresnel Zone.

Meestal wordt de eerste Fresnelzone bedoeld. De eerste Fresnel zone is dat volume omgeven door een elipsoide (eivormig volume) waarbij de weg van de TX antenne naar de RX antenne, via een punt op de elipsoide een halve golflengte langer is dan de rechtstreekse route. De doorsnede van de elipsoide is op zijn breedst halverwege de twee antennes en heeft dan een doorsnede van sqrt(lambda*r) meter (r=afstand tussen antennes, lambda is golflengte van de straling).

Indien dit volume (of zone) vrij van obstakels is, wordt de directe golf niet extra verzwakt (daarvoor geldt dus vrije veld demping). Anders gezegd, wil een golfverschijnsel zich onverzwakt uit kunnen breiden, dan heeft het ruimte nodig (breedte en hoogte). Dit plaatst het begrip straal in een ander daglicht. De minimale breedte die een straal nodig heeft, is afhankelijk van de te overbruggen afstand en de golflengte. Dit is de reden dan lichtstralen wel ongehinderd door een klein gaatje kunnen, doch radio golven en geluid sterk verzwakt worden. Voor de breedte van een straal halverwege de zender en ontvanger geldt eveneens sqrt(lambda*r). Hierin is “r” de te overbruggen afstand tussen zender en ontvanger.

Het voldoen aan de Fresnel voorwaarde, is geen garantie voor ongestoorde communicatie. Het ontvangen signaal bestaat in werkelijkheid uit een sommatie van diverse golven. Naast de directe golf spelen reflecties een grote rol. Reflecties op objecten welke ver buiten de eerste fresnelzone liggen, kunnen eveneens de ontvangstantenne bereiken. Deze reflecties kunnen de directe golf zowel versterken als verzwakken, doch ook voor ongewenste vertraging zorgen. Het gebruik van richtantennes vermindert de invloed van reflecties.

Obstakels binnen de Fresnelzone maken communicatie niet onmogelijk. Men krijgt alleen te maken met extra demping. Bedenk dat voor praktisch alle VHF communicatie de aarde binnen de eerste fresnelzone ligt.

Friis transmission formula

De Friis transmissie formule legt de relatie tussen het TX en RX vermogen in geval van antennes welke gespecificeerd zijn aan de hand van hun effectieve oppervlakken. Er geldt: Prx/Ptx = Aerx*Aetx/(lambda*S)2 (S=afstand tussen antennes). De antennes dienen optimaal op elkaar gericht te zijn.

Geïoniseerde Media, Ionised Media

Geïoniseerde media zijn media waarin zich in ieder geval ongebonden lading bevindt welke zich tot op zekere hoogte vrij kan bewegen. Denk hierbij aan aan ionen en elektronen welke in gasvorm aanwezig zijn.

Het splitsen van een neutraal molecule/atoom in een ion en een elektron vindt plaats ten gevolge van externe energietoevoer (bijvoorbeeld ultra violet ligt of ioniserende straling). Tegelijkertijd komen elektronen en ionen ook weer tot elkaar (recombineren).

Geïoniseerde media gedragen zich als functie van de frequentie bijzonder vreemd. Dit is echter zonder gedegen kennis van EM velden moeilijk uit te leggen op één A4’tje. Toch wordt hier een poging ondernomen om het gedrag van zo’n medium aannemelijk te maken:

In geval van een normaal isolerend medium loopt de stroom voor op een sinusvormig aangelegd veld (capacitief effect van isolatoren en vacuüm) en loopt er hooguit een lek-/verliesstroom welke in fase is met het aangelegde E veld. Echter in een geïoniseerd medium loopt er ten gevolge van de vrije lading en de krachtwerking van het E-veld op die lading, een derde stroom. Door de massatraagheid van de ladingsdragers (meestal elektronen) loopt deze stroom echter 90 graden achter op het E veld (dit is een inductief effect!). Ten gevolge van recombinatie (botsen van elektron op ion) wordt ook warmte gegenereerd (dus een extra in fase stroom). Ten gevolge van een H-veld component in het EM veld worden de bewegende vrije elektronen afgebogen (net als in een TV beeldbuis). Voor het verdere verloop laten we het H-veld buiten beschouwing.

Een Geïoniseerd medium (tussen twee platen) kan men als het ware zien als een parallelschakeling van een capaciteit, een verliesweerstand en een zelfinductie. Hoe meer vrije elektronen, des te lager de zelfinductie.

Bij zeer lage frequenties zorgt het inductieve effect voor een laagohmige situatie (Xl=2*pi*f*L). Golfpropagatie over voor radiocommunicatie zinvolle afstanden in een medium met inductieve eigenschappen is niet mogelijk De golven dempen zeer snel uit. De golf wordt door de geleidende eigenschappen van het medium hooguit gereflecteerd (zoals in geval van de D-laag voor frequenties tot ong. 100 kHz), of wordt geabsorbeerd t.g.v. de verliezen in het medium (het medium wordt opgewarmd door de EM straling).

Bij verhoging van de frequentie komt de inductieve component op een gegeven moment in resonantie met de capacitieve component en wordt het medium zeer hoogohmig. Voor de geldende elektronendichtheid in de ionosfeer ligt deze frequentie rond de 3 MHz. Ook in een dergelijk medium is propagatie niet mogelijk. Dit is de reden dat frequenties boven 300 kHz en beneden 3 MHz zeer moeilijk tot niet door kunnen dringen tot de hogere geïoniseerde lagen (E, F, F1 of F2 laag). De D laag absorbeert de straling. Gedurende de nacht is de D-laag afwezig en is wel propagatie over grote afstanden mogelijk in dit frequentiegebied (denk aan middengolf zenders).

Bij verder verhoging neemt het capacitieve effect weer toe (XL>XC). Doch de Epsilon van het geioniseerde medium blijft kleiner dan Epsilon-nul. De fasesnelheid in een geïoniseerd medium is daardoor hoger dan c0. Golf propagatie is mogelijk. Radiogolven hebben net als licht de neiging om van media met een lagere brekingsindex weg te buigen (richting het medium met de grootste brekinsindex). Dit is de reden dat radiogolven met frequenties boven 3 MHz door de D-laag wel van richting veranderen, doch er wel doorheen dringen en zodoende de hogere lagen kunnen bereiken waardoor lange afstandscommunicatie op HF mogelijk is. Vooral hoge frequenties komen goed door de D-laag heen.

Geleide Golven, Guided Waves.

Geleide golven zijn alle golven waarvan de uitbreiding beperkt wordt tot een voorbestemde richting. Anders gezegd er wordt de golven een verplicht pad geboden dat zij dienen te volgen. Om golven in een bepaalde richting te geleiden, zijn constructies anders dan lucht nodig. Hierbij valt te denken aan coaxiale kabels, twisted pairs, golfpijpen, diëlectrische geleiders. De golfenergie bevindt zich meestal tussen metalen geleiders of in diëlectrische geleiders.

In geval van geluid kan dit een met lucht gevulde slang of pijp zijn, of een metalen staaf. Kenmerk van geleide golven is dat de demping exponentieel afhankelijk is met de afstand r (bijvoorbeeld uitgedrukt in dB/m). Dit in tegenstelling tot ongeleide golfuitbreiding waar meestal een 1/r2 verband bestaat.

Golffront, Wave Front.

Een golffront is het denkbeeldig vlak waarin het E en H veld ligt. Men kan het ook definiëren als het vlak gevormd door de punten waarin het E of H veld overal dezelfde fase heeft (bijvoorbeeld allemaal maximaal, minimaal, of nul). Het is goed te vergelijken met een tweedimensionaal golfverschijnsel in water als men een voorwerp in het water gooit. Verbindt men alle gelijkfasige punten (bijvoorbeeld de toppen), dan krijgt men cirkels te zien waarvan de straal steeds een halve golflengte groter is. Het uitbreiden van een golffront is eveneens goed te zien bij een vanuit de lucht gefilmde zware bomexplosie

Het golffront staat loodrecht op de uitbreidingsrichting en is vlak in geval van een vlakke golf en bolvormig in geval van een sferische golf.

Ook voor geluid staat het golffront loodrecht op de uitbreidingsrichting. Echter omdat geluid een longitudinaal golfverschijnsel is (deeltjessnelheid en druk wijzen in dezelfde richting als de uitbreidingsrichting), staat in dit geval het vlak loodrecht op de veldcomponenten.

Indien men te maken heeft met verschillende zenders (welke wel exact hetzelfde signaal uitzenden), dan is het golffront niet automatisch mooi vlak of sferisch.

Golfgetal, Wave Number.

Het golfgetal of “Wave Number”, aangeduid met k, is gelijk aan 2*pi maal het aantal golven dat in één meter lengte passen, ofwel k = 2*pi/lambda. Het golfgetal wordt ook wel aangeduid met het begrip ‘Fase Constante” (Eng: Phase Constant). De eenheid bedraagt rad/m. Men komt k veel tegen in formules welke betrekking hebben op vrije golfuitbreiding en gebonden golfuitbreiding (kabels, golfpijpen oppervlaktegolven, etc).

Het Golfgetal geeft in feite aan hoe groot het faseverschil is tussen de spanning op 2 posities welke d meter uit elkaar liggen (delta(phi) = -k*d). d Dient in het verlengde van de golfuitbreiding te liggen. Het minteken volgt uit de eindige snelheid van EM golven (tijdvertraging).

Voor bepaalde transmissiemedia kan k kleiner zijn dan men verwacht op grond van de lichtsnelheid in het vacuüm en de frequentie van de EM golf. Dit is onder andere het geval bij golfpijpen, coaxiale structuren met regelmatig verspreide inductieve belastingen en geïoniseerde media (plasma’s).

Gaat men zich verdiepen in kabeltheorie, dan komt men een iets uitgebreidere definitie tegen. Zie hiervoor het begrip “propagatieconstante”.

Golfweerstand, Golfimpedantie, Karakteristieke Impedantie, Wave Impedance, Characteristic Impedance.

Een golfverschijnsel is altijd opgebouwd uit twee componenten. Voor het Elektro-Magnetisch veld is dat het elektrisch en magnetisch veld. Voor geluid de gemiddelde deeltjessnelheid v en de druk P. Indien men te maken heeft met een golf afkomstig van één zich ver weg bevindende bron, dan is er een vaste verhouding tussen de twee componenten. Voor het EM-veld geldt: Z0 = E/H
Z0 = sqrt{magnet. permeabiliteit / diëlec. constante}.
Voor lucbt en vacuüm overeenkomend met ongeveer 377 Ohm.

Ieder medium heeft zijn eigen golfweerstand (Z0). Hoe hoger de dielectrische constante van een isolator, hoe lager Z0. Geleiders bezitten ook een Z0, doch deze is niet reëel, waardoor golven zeer snel uitdoven. Voor antennes is de Z0 van metalen van weinig belang. Voor geluid geldt, Hoe lager de voortplantingssnelheid en hoe lager de dichtheid, hoe lager de karakteristieke impedantie is (Z0 = P/v.deeltjes = soort.massa*v.voortpl.). voor water komt men dan op een golfweerstand in orde van 1.5 MPa/(m*s), voor lucht vindt men ongeveer 400 Pa/(m*s)

Indien men zich op veel minder dan 1 golflengte van de bron bevindt, of zeer dicht bij obstakels, dan gaat bovenstaande verhouding niet op. Deze verhouding gaat ook niet op indien men te maken heeft met interfererende golven. Zie ook verre en nabije veld.

Grazing Angle, Elevatie, Elevation Angle.

De “Grazing Angle” is de hoek tussen de straling en het vlak waar de straling op terecht komt (elevatie). Straling welke evenwijdig aan het vlak loopt (dus het eigenlijk niet raakt) heeft een Grazing angle van 0 graden (en dus een invalshoek van 90 graden, in het Engels: “90 degrees Angle of Incidence”). Er geldt: Grazing Angle = 90-invalshoek. Straling welke loodrecht op een vlak invalt, heeft een invalshoek van 0 graden en een Grazing angle of Elevatiehoek van 90 graden.

Onder “Grazing Angle” wordt ook verstaan de situatie wanneer golven onder zeer kleine hoek invallen op een vlak (bijvoorbeeld de aarde). De golven lopen dan bijna parallel aan de aarde (het golffront staat dan nagenoeg loodrecht op de aarde).

Onder deze omstandigheden wordt praktisch alle golfenergie gereflecteerd, ongeacht de polarisatie. Er treedt echter een 180 graden fasesprong op. Dit gaat zelfs op indien het medium waarop de golven terechtkomen veel dichter is dan lucht (dus brekingsindex groter dan 1).

Vooral bij aardse communicatie bereikt de op de aarde gereflecteerde golf daardoor de ontvangstantenne bijna net zo sterk als de directe golf, doch in tegenfase. De gereflecteerde golf heft de directe golf voor het grootste gedeelte op. Dit zorgt voor de veel hogere overdrachtsdemping tussen twee antennes dan op grond van vrije veld overdracht verwacht wordt. Zie ook “Tweestralen model”.

Groepsnelheid, Group Velocity.

Indien men een sinusvormig signaal (draaggolf) met een zeer lage frequentie in amplitude moduleert, verschijnt het LF signaal als omhullende op de draaggolf. In het frequentiedomein ziet men 3 spectraalcomponenten. De groepsnelheid is nu de snelheid waarmee de omhullende (dus de modulatie) zich uitbreidt in de transmissielijn of medium. De groepsnelheid wordt uitgedrukt in m/s.

Het verschil in voortplantingsnelheid van de omhullende en voortplantingsnelheid van de draaggolf, wordt veroorzaakt doordat in geval van het AM signaal, de fasesnelheid voor de bovenzijband, in sommige gevallen af kan wijken van de fasesnelheid van de onderzijband.

Indien de fasesnelheid onafhankelijk van de frequentie is, geldt dat v.phase=v.group. Anders gezegd, de informatie reist net zo snel als de fase van de draaggolf waarop de informatie gemoduleerd is. v.group=d(lambda)/d(T). Onvervormde communicatie vindt alleen plaats indien de groeplooptijd constant is (ofwel 1/lambda dient dan lineair evenredig te zijn met de frequentie, binnen de bandbreedte waarin de communicatie plaatsvindt). Golfpijpen, geïoniseerde gassen, striplines met parallele zelfinducties, kunnen een fasesnelheid hebben welke hoger dan de lichtsnelheid is, doch de groepsnelheid (dus de snelheid van de informatie) is dan altijd lager dan de lichtsnelheid.

Grondgeleiding, Ground Conductivity

De grondgeleileiding is de soortelijke geleiding uitgedruikt in “Siemens” of “Mho” van het aardoppervlak waarin een oppervlaktegolf aanwezig is, of waarop een golf reflecteert. De soortelijke geleiding is de inverse waarde van de soortelijke weerstand.

Naast de soortelijke of specifieke geleiding is eveneens de diëlectrische constante van belang. Zeewater en kleigrond hebben een hoge geleiding, droog zand en rotsen hebben een slechte geleiding.

Hoe hoger de grondgeleiding hoe verder oppervlaktegolven komen en hoe hoger de frequentie mag zijn waarbij de oppervlakte golf nog goed propageert. Bij hoge frequenties gaat ook de diëlectrische constante een rol spelen. Zand, wat in principe slecht geleid, kan toch golven reflecteren omdat ten gevolge van de (hoge) dielectrische constantie de golfweerstand sterk afwijkt van die van lucht (en dus net als in geval van verkeerd afgesloten coax kabels, reflecties ontstaan).

In de regel geldt, hoe hoger de diëlectrische constante en hoe hoger de geleiding, hoe beter golven gereflecteerd worden.

Grondgolf(propagatie), Ground Wave (Propagation)

Onder de grondgolf/grondgolfpropagatie wordt verstaan het gecombineerde effect (de superpositie) van de directe golf (Eng: “space wave”), de op de aarde gereflecteerde golf (Eng: “Earth Reflected Wave”), de oppervlakte golf (Eng: “surface wave”) en de eventuele over de horizon gedivergeerde golf.

In het middengolfgebied is overdag voornamelijk de oppervlaktegolf dominant. In het VHF gebied is de directe en gereflecteerde golf dominant. In het HF gebied is de “sky wave” dominant. Deze kan echter interfereren met de “Surface Wave” waardoor hinderlijke interferentie (fading) kan ontstaan.

Hertransmissie, Retransmission.

Alle gevallen waarbij en EM golf door een materiaal ingevangen wordt en direct weer uitgestraald wordt (eventueel in een andere richting) vallen onder de definitie “hertransmissie”. Hierbij valt te denken aan breking, diffractie, reflectie en scattering.

Het EM veld bestaat uit een wisselende elektrische en magnetische component. Als het veld een materiaal treft waar elektronen enigszins (vrij) kunnen bewegen, zullen deze ten gevolge van de magnetische en elektrische krachtwerking gaan bewegen (in het ritme van het EM veld). Bewegende (versnellende/vertragende) ladingen wekken op hun buurt een nieuw stralingsveld op.

HILS Medium

HILS Medium is een afkorting voor “Homogeneous Isotropic Linear Stationary Medium”. Dit zijn media welke:
1. Homogeen van samenstelling zijn (dus overal in het materiaal dezelfde eigenschappen hebben).
2. Isotropisch zijn. Dat betekent dat de stroomdichtheid of elektrische flux in dezelfde richting wijst als het aangelegde veld E en dat de magnetische flux in dezelfde richting wijst als het aangelegde magnetisch veld (overheen grootheid wijst in zelfde richting als de doorheen grootheid).
3. Lineair zijn. Dat betekent als de sturende grootheid in sterkte verdubbelt ook de afhankelijke grootheid verdubbelt.
4. Stationair zijn (dus de eigenschappen variëren niet als functie van de tijd). Dit wordt ook wel met het begrip “Tijdinvariant” aangeduid.

De meeste isolatiematerialen en geleiders vallen onder de HILS media. De meeste magnetische materialen vallen daar niet onder (zij zijn namelijk niet lineair, denk aan de hysteresislus van dergelijke materialen). Alleen bij zeer kleine fluxdichtheden (in orde van mT) kunnen zij als lineair verondersteld worden.

Lucht waarbij de druk en temperatuur overal gelijk is, is eveneens een HILS medium. De atmosfeer is dat niet. Denk bijvoorbeeld aan de grote verschillen in druk, temperatuur en luchtvochtigheid. Deze zijn verantwoordelijk voor propagatie over afstanden voorbij de horizon.

Horizon Elevatie, Horizon Elevation Angle

De horizon elevatie hoek is de elevatiehoek van de horizon ten opzichte van het stralingscentrum van de antenne, als functie van de azimuthoek. Hierbij dient men obstakels (bomen, bebouwing) en natuurlijke glooiingen mee te nemen.

Bevindt men zich zeer dicht bij een hoge flat, dan kan over een azimut van bijvoorbeeld 20 graden, de horizon elevatiehoek bijvoorbeeld 30 of meer bedragen. Bevindt men zich op een hoge dijk in de polder, dan bedraagt de horizonelevatie praktisch nul graden.

Het begrip wordt veel gebruikt in de procedures voor het coördineren van grondstations t.b.v. satelliet communicatie.

Indringdiepte, Penetration Depth, Skin depth

In verliesgevende media (denk aan geleiders, kunststoffen), zal een EM verschijnsel ten gevolge van verliezen, wervelstromen en reflectie niet oneindig diep binnendringen.

De indringdiepte is die diepte haaks op het oppervlak waarbij de elektrische veldsterkte tot 1/e (36.8%) van de sterkte gedaald is welke direct onder het oppervlak (doch in het materiaal) aanwezig is. Voor geleiders is de indringdiepte (kleine delta) gelijk aan:

delta=1/sqrt(pi*sg*u*f)

sg=soortelijke geleiding in 1/Ohm, u=magnetische permeabiliteit (niet de relatieve) in H/m, f=frequentie in Hz, het resultaat is in m.

De weerstand van koperdraad voor HF bedraagt in orde van:
Rkoperdraad = 80*10-9 * sqrt(f) * le/d

f in Hz, le = lengte draad in m, d = diameter draad in m, voorwaarde voor geldigheid: delta << d en RMS opppervlakteruwheid << delta.

Ontwerpt u spoelen voor MF of HF toepassing?
Bedenkt u dan dat naast de extra verliezen ten gevolge van het skin effect, er ook verliezen ontstaan doordat het door de windingen opgewekte magnetisch veld in de ‘naastliggende’ windingen wervelstromen opwekt. Dit staat bekend als het “proximity effect”. U kunt de Q-factor van luchtspoelen daardoor niet bepalen aan de hand van de weerstand van het koperdraad voor HF.

De stroomverdeling in een geleider is ten gevolge van het skin effect afhankelijk van de frequentie. Hiermee is ook de zelfinductie van de draad frequentie-afhankelijk geworden. In geval van spoelen is de invloed beperkt, maar wel aanwezig (in orde van procenten). Bij zeer lage frequentie is de zelfinductie lager dan bij hoge frequentie. De karakteristieke impedantie van constructies wordt ook door het skin-effect beïnvloed. Vooral als het magnetisch veld door een groundplane heen kan dringen.

Inductieve Antenne, Inductive Antenna

Inductieve antennes zijn elektrisch gezien kleine antennes. Het doel van de antenne is het opwekken van een magnetisch veld of het omzetten van een magnetisch veld naar een elektrisch signaal. Bij voorkeur dient een inductieve ontvangstantenne niet gevoelig te zijn voor het elektrisch veld. Inductieve antennes worden gebruikt voor communicatie of energieoverdracht over afstanden welke veel kleiner dan de golflengte zijn.

Voor de goede werking is het opgewekte magnetisch veld op zekere afstand van belang. Het daadwerkelijk uitgestraald RF vermogen is minder van belang (is veelal erg laag).

Inductieve antennes bestaan meestal uit een (half) open spoel en een resonantiecondensator. De spoel kan ferrietmateriaal bevatten. De condensator is nodig om het sterk reactieve gedrag van de spoel te compenseren. De antennes zijn relatief smalbandig. Men vindt ze veelvuldig in Radio Frequency Identification Toepassingen (RFID), LF en RF Antidiefstal systemen (EAS), lange golf en middengolf ontvangers (ferriet staafantenne) en als meetantenne (EMC, veldmetingen, etc).

Interferentie, Interference

Met (hinderlijke) Interferentie wordt in de radiowereld meestal bedoeld de storende invloed van andere (radio)signalen welke op de een of andere manier een systeem binnen komen.

Onder interferentie wordt in het algemeen verstaan het effect op de amplitude en fase van superpositie van signalen welke nagenoeg gelijke frequentie hebben. De sterke van het signaal en de fase varieert dan voortdurend. Hoe kleiner de frequentieverschillen, hoe langzamer de variatie van fase en amplitude. Frequentieverschillen kunnen ontstaan ten gevolge van meerdere golffronten welke van dezelfde bron afkomstig zijn (via reflectie). Indien, om wat voor reden dan ook, de padlengte varieert ontstaat dopplerverschuiving (=frequentieverschuiving). Zie ook “multipad effecten”

Is de frequentie en amplitude van de onderlinge signalen exact gelijk, dan varieert de amplitude en fase van het somsignaal ook niet (als functie van de tijd).

Invalshoek, Angle of Incidence

Dit is de hoek tussen de richting van de straling welke een vlak treft en de lijn loodrecht op dat vlak. straling welke loodrecht op een vlak invalt, heeft dus een invalshoek van 0 graden. De Grazing Angle of elevatiehoek bedraagt dan 90 graden.

In de optica en golfleer wordt vaak het begrip invalshoek gebruikt. Terwijl in documenten over propagatie vaak de Grazing Angle gebruikt wordt.

Ionosferische Propagatie, Ionosferic Propagation.

De aarde is omgeven door een aantal lagen waarvan de vrije elektronendichtheid veel hoger is dan van de rest van de gassen welke zich om de aarde bevinden. Men onderscheidt: de D laag op een hoogte van 50-100km, de E laag (Kennely-Heavyside Layer) op een hoogte van 100-150km, de F laag (Appleton Layer) op een hoogte van 150-300km (F1 laag) en op een hoogte van 300-500km (F2 laag). Gedurende de nacht gaan de F1 en F2 laag over in een laag welke men de F laag noemt (op een hoogte van rond de 200km)

De eigenschappen (geleiding, dielectrische constante, fase snelheid) zijn sterk afhankelijk van de betreffende laag, de frequentie en het tijdstip van de dag en het aardmagnetisch veld en de zonneactiviteit. Het generatieproces van vrije elektronen wordt immers gevoed door de zon. Voor alle geïoniseerde gassen geldt dat voor lage frequenties de geleiding hoog is, terwijl voor toenemende frequentie de geleiding afneemt en het gas zich gaat gedragen als een min of meer (slecht) diëlectricum met een sterk frequentie-afhankelijke diëlectrische constante (welke kleiner dan epsilon-nul kan zijn!).

Voor zeer lage frequenties (in orde van 100 kHz) is de D laag dun ten opzichte van de golflengte en de geleiding goed. De D laag werkt dan als een echte reflector voor radiogolven. De golven propageren tussen de aarde en de D laag door middel van reflectie (net als in een golfpijp). Dit is een van de redenen dat men op zeer lage frequenties (in orde van 100 kHz), grote afstanden kan overbruggen.

Bij toenemende frequentie tot rond de 2 MHz, neemt de geleiding af en dringen de golven dieper in de laag en worden sterk geabsorbeerd. Door de relatief hoge dichtheid van de nog aanwezige gassen, recombineren de negatieve elektronen met de positieve ionen. Deze geïoniseerde laag verdwijnt dan ook snel na zonsondergang. Dit is de reden dat gedurende de nacht op de MG band (500-1600kHz) wel verre stations te horen zijn.

Bij verder verhoging van de frequentie neemt de geleiding van de D laag verder af en dringen de golven er volledig doorheen en komen bij de hoger gelegen geïoniseerde lagen terecht. In deze lagen (E en F lagen) is voor frequenties in het HF gebied de relatieve diëlectrische constante kleiner dan 1 (dus fase snelheid is groter dan c0, een brekingsindex van kleiner dan 1). Ten gevolge van deze afnemende brekingsindex als functie van de hoogte, worden golven teruggebogen naar de aarde. Als nu de opstralingshoek maar niet te groot is, is de afbuiging richting aarde voldoende om de golf ook daadwerkelijk weer naar de aarde te doen terugkeren. In zo’n geval spreekt men van ionosferische propagatie.

Bij nog verdere verhoging van de frequentie is de diëlectrische constante van de geioniseerde lagen niet meer klein genoeg om de golven voldoende af te laten buigen opdat zij de aarde weer kunnen bereiken. Zelfs niet als de opstralingshoek 0 graden is. De maximale frequentie waarbij nog “reflectie” optreedt, is sterk afhankelijk van het aantal zonnevlekken en het jaargetijde en kan oplopen tot boven 40 MHz.

Een radiogolf (bijvoorbeeld 20 MHz) uitgestraald met een elevatie van 10 graden, bereikt de hoogst gelegen laag (F2 op een hoogte rond 400-600km) op een afstand van ongeveer 2000 km van de zender. Na “reflectie” komt deze 2000km verderop weer op aarde. Anders gezegd de maximale afstand welke in een hop overbrugd kan worden, bedraagt rond de 4000 km (dit is de maximale “Single Hop” afstand). Door herhaalde reflectie op het aardoppervlak (of de zee) kunnen grotere afstanden overbrucht worden (boven 8000 km, “Multi Hop” propagatie genoemd). Op een afstand van 2000 km is de zender nagenoeg niet te ontvangen (de golven gaan over de RX antenne heen). Het gebied waar geen ontvangst mogelijk is, wordt de “Skip distance”, “skip zone” of “dead zone” genoemd.

Onthoudt u dat communicatie in het HF gebied (3-30 MHz) over grote afstanden plaats vindt door ionosferische reflectie, maar dat in werkelijkheid sprake is van breking in een (geïoniseerd) medium met afnemende brekingsindex als functie van de hoogte. Een begrip als “Afbuiging” of “Deflection” is meer op zijn plaats.

Er is diverse software beschikbaar om de demping van het ionosferisch propagatiepad uit te kunnen rekenen (ook op internet).

Ionosferic scattering.

De tegenhanger van troposferic scattering is ionosferic scattering. Hoewel de E laag frequenties in orde van 50 MHz niet meer voldoende afbuigt naar de aarde (uitgezonderd voor sporadische E laag reflectie), kan wel scattering optreden. Geioniseerde lagen zijn geen mooi vlakke lagen, doch lagen waarvan de dikte en hoogte varieert en ook de vrije elektronendichtheid. De brekingsindex voor radiogolven is dus plaatsafhankelijk. Verschillen in brekingsindex veroorzaken (in dit geval) geringe scattering waardoor een klein gedeelde van het uitgezonden vermogen weer op aarde terecht komt.

In de E laag is deze vorm van scattering praktisch bruikbaar. De hoogte van de E laag strekt zich uit tot iets boven 100 km. Dit komt overeen met een radiohorizon van 1300 km (in tegenstelling tot in orde van 200km voor troposferic scattering). Afstanden in orde van 2000 km zijn overbrugbaar in het lage VHF gebied. Het effect is echter bijzonder zwak waardoor in orde van 100 dB meer demping aanwezig is dan men zou verwachten op grond van vrije veld demping. Er treedt ook snelle fading op waardoor een ruiserig communicatiekanaal ontstaat. Zendamateurs maken geregeld gebruik van Ionosferic scattering. Commercieel zijn er (voor zover ik weet) geen toepassingen.

Isotrope Straler, Isotropic Radiator.

Dit is een in werkelijkheid niet bestaande antenne, welke in alle richtingen evenveel energie uitstraalt. In alle richtingen produceert deze antenne op gelijke afstand een gelijke vermogensdichtheid. Deze antenne wordt vaak als referentieantenne gebruikt in rekenmodellen (te herkennen aan de index “i”).

In de praktijk worden antennemetingen verricht met antennes waarvan de gain goed te bepalen is (aan de hand van bijvoorbeeld de afmetingen in combinatie met berekeningen). Daarna worden de meetresultaten omgerekend alsof zij met een isotrope straler bepaald zijn.

voor wat betreft ontvangst, zijn antennes te maken welke bij benadering isotropisch zijn. De gain van een isotrope straler bedraagt 0dBi. De vermogensdichtheid (phi.P) op afstand r bij een zendvermogen Pzender bedraagt: Phi.P = Pzender/(4*pi*r2) in W/m2. Het effectief oppervlak van een isotrope straler bedraagt lambda2/(4*pi).

Kanaalcodering, Channel Coding.

In praktisch alle gevallen van mobiele radiocommunicatie is de overdracht van het denkbeeldig radiokanaal bijzonder slecht (storing, ruis, fading). Dit leidt tot bitfouten in de overdracht (bijvoorbeeld 30 foute bits nagenoeg achter elkaar). Berucht zijn groepsgewijze bitfouten (burst errors). Deze worden veroorzaakt door dips in de overdracht (fading) of burst vormige storing. Hierdoor laat de demodulator het tijdelijk afweten. De meeste coderingsalgoritmen voor digitale data (zelfs foutherstellende) kunnen slecht tegen burst errors.

Door voor de modulator eerst de bitstroom van volgorde te wijzigen en direct na demodulatie weer terug te zetten in de juiste volgorde, worden groepsgewijze bitfouten omgezet tot nagenoeg willekeurig enkele bitfouten. Dit proces noemt men kanaalcodering (eng: ‘Channel Coding’ook wel met ‘interleaving’ aangeduid). Er zijn diverse methoden in omloop, bijvoorbeeld: Block, diagonal en convolutional interleaving.

Door middel van bijvoorbeeld Forward Error Correction (FEC) kunnen deze willekeurig verspreide enkele bitfouten in de ontvangen bitstroom prima gecorrigeerd worden.

Knife Edge Diffraction, Buiging rond een Scherpe Rand.

Knife Edge Diffraction is het buigen van golven over een oneindig dun verticaal vlak dat loodrecht op de stralingsrichting staat (een vorm van divergentie). Met behulp van een simpele formule is uit te rekenen hoe groot de “demping” van zo een opstakel is (bijvoorbeeld het dak van een gebouw). Het opstakel mag boven de direct zichtlijn uit steken. De uitgerekende demping komt boven op de vrije veld demping.

Het model is alleen bruikbaar indien zonder het opstakel van vrije veld overdracht sprake zou zijn (eerste Fresnel zone bevat uitsluitend de scherpe rand als opstakel). Hoewel de formules uit gaan van een oneindig dun obstakel, gaat het model ook redelijk op voor in de praktijk voorkomende obstakels zoals bergkammen, bergen en hoge gebouwen. Aan de formules is goed te zien dat lage frequenties (dus grote golflengtes) beter over de berg heen naar beneden buigen dan hoge frequenties.

Er bestaan rekenmethodes waarmee het handmatig mogelijk is om de demping van twee obstakels uit te rekenen. In geval van drie obstakels, wordt het lastig om dit handmatig te doen en kan beter naar een ander geschikt propagatiemodel gezocht worden.

Lengtegraden, Breedtegraden, Longitude, Latitude

Lengte- en breedtegraden worden gebruikt bij het aanduiden van plaatsen op aarde en het berekenen van onderlinge afstanden en hoeken.

Lengtegraden (longitude) zijn de denkbeeldige verticale cirkelbogen (meridianen) welke vanaf de noordpool via de evenaar naar de zuidpool lopen. De nulmeridiaan loopt door het Engelse Greenwich. De opdeling is in 360 graden (180 in oostelijke richting, 180 in westelijke richting). De afstand tussen de lengtegraden is afhankelijk van hoever men zich van de evenaar bevindt (breedte=111.11km*cos(lengtegraad) per lengtegraad). Ter hoogte van Nederland bedraagt de afstand in orde van 70km/lengtegraad

Breedtegraden (latitude) zijn de denkbeeldige cirkels (parallelen) welke evenwijdig aan de evenaar lopen. De opdeling is in 180 graden. De evenaar is nul graden, de noordpool is 90 graden Noord en de zuidpool 90 graden Zuid. De afstand (in N/Z richting) tussen de breedtegraden bedraagt ongeveer 111.11 km per breedtegraad (60 mile/degree, 1 mile/minute, 1 mile=1.852km).

Een positie wordt aangegeven als (voorbeeld):
52o02.50’N 005o30.20’E (in graden/minuten notatie)
of als 52.0417N 005.5033E (Decimale graden notatie).
[o] is het scheidingsteken voor de graden, [‘] geeft de minuten aan, de [.] is het decimaal scheidingsteken. In het graden/minuten systeem is één graad opgedeeld in 60 minuten. De toevoeging van N of S en E of W is noodzakelijk om aan te geven in welke deel van de aarde men zich bevindt. Het is gebruikelijk om bij het aangeven van de lengtegraden driecijferige notatie aan te houden zoals in het voorbeeld (en tweecijferige notatie voor de breedte graden).

Van graden/minuten notatie naar decimale graden notatie omrekenen doet men door de minuten te delen door 60 (het resultaat dient altijd kleiner dan 1 te zijn). Dit resultaat telt men op bij de graden (getal links van o).

In oude boeken komt men ook nog wel graden/minuten/seconden notatie tegen. Een minuut is hierbij weer opgedeeld in 60 seconden. [“] Wordt gebruikt voor de aanduiding van de seconden.
Bijvoorbeeld: 52o02’30″N 005o30’12″E.

Het uitrekenen van afstanden.
Voor het uitrekenen van afstanden dient men gebruik te maken van grote cirkel berekeningen (Great Cirkel Calculations). Indien de verschillen in posities niet groter zijn dan ongeveer 20 graden, dan kan men met verlies van nauwkeurigheid ook af zonder Great Cirkel Calculations.

Het beste kan men dit doen door alle posities om te rekenen naar decimale graden. Trek de decimale breedtegraden van elkaar af en vermenigvuldig met 111.11km. Dit geeft de N/Z component van de afstand. Trek de decimale lengtegraden van elkaar af en vermenigvuldig het verschil met 111.11*cos(gemiddelde breedtegraad). Dit geeft de E/W component van de afstand tussen de twee punten (in km). Tel de beide resultaten kwadratisch op en trek de wortel eruit (stelling van Pythagoras). Het verkregen getal is de afstand tussen de twee coördinaten in km.

De hoek kan men vinden door gebruik te maken van de inverse tangens uit de N/Z component gedeeld door de E/W component. Let wel op dat in de wiskunde hoeken gedefinieerd zijn ten opzichte van de horizontale X-as (linksom is positief). In de cartografie en navigatie worden hoeken gedefinieerd ten opzichte van de verticale Y-as (rechtsom is positief). Het Noorden is 0 graden, het Oosten is 90 graden, Zuid is 180 en West is 270, etc. U zult niet de eerste zijn die hiermee flink de boot ingegaan is.

Lopende Golf Antennes, Travelling Wave Antennas

Lopende golf antennes zijn antennes waarbij geen gebruik gemaakt wordt van resonante elementen. De antennes zijn vele golflengtes lang. De golf welke zich in en langs de draad verplaatst, wordt gedurende het reizen naar het eind van de draad, omgezet in EM straling. Dat gedeelte van de energie dat zich nog in de draad bevindt (in de vorm van spanning en stroom), wordt gedissipeerd in en afsluitweerstand (en reflecteert dus niet terug de bron in).

Er zijn diverse uitvoeringen, variërend van lange rechte draden tot gespiraliseerde draad/printplaatconstructies. Groot voordeel is het frequentiegebied waarbij de impedantie nagenoeg gelijk blijft. Lopende golfantennes zijn doorgaans breedbandige antennes. Voorbeelden: Beverage, rhombic, conical spiral, divers helixantennes, diverse hoornantennes, travelling wave inverted-V antenne.

Magnetica, magnetische materialen, Magnetics.

(zacht) Magnetische materialen zijn materialen waarvan de relatieve permeabiliteit veel groter is dan 1. Veelal worden deze materialen ook als ferromagnetische materialen aangeduid. Denk hierbij aan ferrietmaterialen en ijzer.

In tegenstelling tot ijzerlegeringen hebben Ferrieten en poederijzers in de regel ook diëlectrische eigenschappen. Men kan deze materialen zien als kleine magnetische bolletjes welke onderling geïsoleerd zijn. De diëlectrische constante is veel groter dan 1.

Magnetische materialen worden op diverse manieren gespecificeerd. Enkele voorbeelden: De Hysteresislus, permeabiliteit (mu-r), verlieshoek, remanente flux, coërcitieve veldserkte, Q-factor, curiepunt, Reële deel van mu-r (mu-r’) en imaginaire deel van mu-r (mu-r’, dit is de component welke voor de verliezen zorgt).etc.

Een van de interessante toepassingen van ferriet materiaal voor antennes is het gebruik in balun’s. Bijzonder breedbandige balun’s kunnen met eenvoudige middelen gefabriceerd worden.

Maximum Usable Frequency MUF

De Maximaal bruikbare frequentie is die hoogste frequentie welke onder een zekere elevatie (opstralingshoek, Take Off Angle) nog door één van de geïoniseerde lagen naar de aarde gereflecteerd wordt.

Hoe kleiner de opstralingshoek (elevatie) van het zendsignaal, hoe hoger de frequentie mag zijn waarbij een van de geioniseerde lagen nog als schijnbare reflector werkt. Hoewel meestal gezegd wordt dat ionosferische propagatie bij 30 MHz ophoudt, leert de praktijk dat ionosferische propagatie onder bepaalde omstandigheden (veel zonnevlekken) ook op 50 MHz nog mogelijk is.

De invloed van de elevatie op de maximale frequentie welke nog gereflecteerd wordt is bijzonder groot. Een bundel met een frequentie van 30 MHz welke recht omhoog gestuurd wordt, ‘schiet’ dwars door alle geïoniseerde lagen heen. Dezelfde bundel (met dezelfde frequentie) kan nog prima gereflecteerd worden als deze onder zeer kleine elevatie vanaf de aarde uitgestraald wordt. De te overbruggen afstand zal in dit geval in orde van 4000 km bedragen.

Er bestaan diverse programma’s (bijv PROPMAN) waarmee uitgerekend kan worden welke frequenties ideaal zijn voor het overbruggen van een bepaalde afstand. Meestal is als invoer wel het “sunspot” number en tijd van de dag gewenst.

Medium, Propagation Medium

Onder het begrip “medium” of “propagatiemedium” wordt verstaan het materiaal (eventueel het vacuüm of lucht) waarin de (radio)golven zich uitbreiden.

In de ontdekkingstijd van de radiogolven werd het medium lucht met de naam “ether” aangeduid. Het woord “etherpiraat” is op dit begrip gebaseerd.

Een homogeen medium is een medium waarvan de eigenschappen (golfimpedantie, demping, voortplantingssnelheid) niet plaatsafhankelijk zijn. Eenzelfde medium kan zich voor bepaalde golflengten als homogeen gedragen en voor andere golflengten niet. Piepschuimplaten kan men voor radiogolven als homogeen beschouwen, doch voor lichtgolven absoluut niet. Indien onregelmatigheden in het medium gelijkmatig verdeeld zijn, doch veel kleiner dan de golflengte, dan spreekt men toch van een homogeen medium. Zie ook het begrip “HILS medium”.

Multipad Effecten, Multipath Effects, Multipath Transmission

Onder multipad effecten worden alle propagatieeffecten verstaan welke veroorzaakt worden doordat golven op meerdere manieren tegelijkertijd een ontvanger kunnen bereiken. Golven kunnen de ontvanger bereiken door reflectie op diverse gebouwen, rechtstreeks, via reflectie op het water, buiging langs gebouwen, reflectie op bewegende objecten (auto’s, voetgangers), etc. Het door de antenne afgegeven signaal, bestaat uit de vectorsommatie van alle afzonderlijke bijdragen.

Door de weglengte verschillen kunnen de golffronten elkaar versterken, doch ook verwakken. De uiteindelijke overdracht wordt daardoor zeer plaats-, frequentie- en tijdafhankelijk. een kleine verplaatsing van de RX antenne over bijvoorbeeld 0.25 lambda, kan ervoor zorgen dat de overdracht sterk wijzigt. Zie ook: “frequentie selectieve fading”, “delay spread” en “fast fading (Rayleigh Fading)”.

Nabije, Overgangs- en Verre veld zone, Near, Transition and Far field zone.

De nabije veld zone(Eng: “Near Field Zone”) Is die afstand, gerekend vanaf de antenne, waarbij de verhouding tussen het E en H veld niet gelijk is aan de vrije veld impedantie (voor lucht ongeveer 377 Ohm). Deze zone strekt zich uit tot ongeveer 0.5..1 lambda van de antenneconstructie. Het E en H veld is in de tijd gezien, niet in fase. Daarom wordt deze zone ook wel “reactieve veld zone” genoemd (Eng: “Reactive Field Zone”).

Op afstanden groter dan ongeveer 1 golflengte, ligt de verhouding tussen E en H veel dichter bij 377 en zijn de beide velden in de tijd gezien in fase (voorwaarden voor een vlakke golf). Echter Het stralingsdiagram van de antenne is afhankelijk van de afstand waarop het bepaald is. Het gebied waar dit voor geldt wordt de “overgangszone” genoemd en strekt zich uit tot ongeveer 2*b2/lambda meter (bij praktische antennes kan dit gebied zich tot grote afstand uitstrekken, b=grootste afmeting van de antenne). Dit gebied wordt ook we “Fresnel Region” genoemd.

Indien men het stralingsdiagram bij afnemende afstand bepaalt, wordt de gain in de hoofdbundel meestal lager en in de zijlobben hoger. Vooral de toename van de gain in de zijlobben dient men in de gaten te houden. Berekening van optredende veldsterkten voor personen welke zich binnen de overgangszone bevinden, kunnen daardoor nietstandaard gebaseerd worden op het verre veld stralingsdiagram.

Boven een bepaalde afstand tot de antenne is het stralingsdiagram van de antenne niet meer afhankelijk van de afstand en bevindt men zich in het verre veld gebied (Eng: “Far Field Zone”, “Fraunhoffer region”, “fraunhofer region”). De straling lijkt uit een denkbeeldig punt te komen.

Indien men berekeningen uitvoert aan antennes met overlappend overgangsveld, dient men na te gaan in hoeverre men de verre veld stralingsdiagrammen nog mag toepassen in uw berekeningen.

Numerical Electromagnetic Code, NEC2D, NEC-2D.

NEC2D is simulatieprogramma om de stroomverdeling in willekeurige geleidende structuren uit te kunnen rekenen (door middel van Methods of Momentum ‘MoM’). Aan de hand daarvan berekent het programma het stralingsdiagram, gain, directivity, ingangsimpedantie, etc. NEC2D werd ontwikkeld door het Lawrence Livermore National Laboratory (USA). Er is ook een NEC4, maar hierop zijn exportbeperkingen van toepassing. NEC2D is redelijk populair onder zendamateurs.

Volledig functionele NEC2D versies zijn gratis te downloaden, inclusief de gebruiksaanwijzing ( NEC Archives ). In- en uitvoer gebeurt aan de hand van tekstfiles. De gebruiker dient zelf (handmatig) zijn structuur op te delen in (kleine) draadsegmenten of gesloten vlakken. Er is behoorlijk wat kennis en ervaring vereist om een goede afweging te maken tussen nauwkeurigheid en rekentijd. De invoer van (gekromde) vlakken is tijdrovend en de kans op fouten is groot. De software kan overweg met een niet perfect geleidende ground. Constructies met diëlectrische of magnetische materialen (denk aan patch antennes) kunnen niet gesimuleerd worden.

Er zijn diverse commerciële pakketen beschikbaar welke als grafische schil rondom NEC2D functioneren. ‘WireGrid’ van EMSS Electromagnetic software & systems is krachtig, grafisch, vrij beschikbaar en volledig functioneel. Niet uniforme discretesering is mogelijk. Het bevat eveneens de NEC2D DOS executables. TeTech maakt regelmatig gebruik van de combinatie WireGrid/NEC2D.

Oppervlakte golf, Surface Wave.

Meestal breiden golven zich uit via de lucht. Echter een golf kan zich ook via een coaxkabel of golfpijp van punt A naar B begeven. Er is nog een tussenvorm, de zogenaamde oppervlakte golf. Hierbij begeeft de golf zich van punt A naar punt B, gedeeltelijk via de lucht en gedeeltelijk via een materiaal dat als “hulpgeleider” optreedt (er lopen dan stromen in de hulpgeleider). Doordat op hoge frequenties de stroom slechts beperkt in die hulpgeleider doordringt, spreekt men van oppervlaktegolven. Oppervlaktegolven zijn, afhankelijk van de frequentie en de eigenschappen van het oppervlak, in staat om het oppervlak te volgen (ook als dat krom is).

Goed geleidende grond (vette klei) of Water (vooral zout water) zijn goede elektrische geleiders. Vooral Radiogolven in het lage MHz gebied en lager (welke relatief diep in de bodem doordringen) ondervinden weinig weerstand en worden goed overgedragen via de aarde. De golven volgen de aardkromming waardoor de zenders tot ver voorbij de radiohorizon te horen zijn. Als zendantennes worden antennes gebruikt welke hoge stromen in het aardoppervlak induceren (kwart golf verticale straler gevoed t.o.v. een aardnetwerk). Oppervlakte golven kunnen zeer dicht bij, of zelfs in het aardoppervlak ontvangen worden (bijv met een ferriet antenne).

Bij toenemende frequenties zijn golven minder geneigd om krommingen te volgen en zij dringen minder diep de aarde in (geeft hogere oppervlakteweerstand). Daardoor dempen hoogfrequentie oppervlakte golven sneller uit (worden in warmte omgezet). Oppervlaktegolf propagatie wordt dan ook het meeste toegepast in het middengolfgebied en lager (lager dan ongeveer 2 MHz).

Verticaal gepolariseerde golven welke onder een kleine hoek een vlak treffen (“grazing angle” situatie), kunnen in dat vlak eveneens oppervlaktegolven induceren. Op VHF en hoger in combinatie met TX en RX antennes welke boven de grond opgesteld zijn, is de invloed van de oppervlaktegolf meestal te verwaarlozen ten opzichte van de directe en de op aarde gereflecteerde golf. Alleen in geval van communicatie over zeewater, is de oppervlakte golf ook in het VHF gebied niet altijd te verwaarlozen.

Oppervlaktegolf propagatie via het aardoppervlak is alleen mogelijk met verticaal gepolariseerde antennes.

Oppervlakteweerstand

Op zeer lage frequenties loopt een stroom nagenoeg door het gehele volume van een geleider. Bij hoge frequenties heeft men te maken met de Skindiepte (1/sqrt(pi*f*mu.r*spec.geleid)). De weerstand van de geleider wordt dan voornamelijk bepaald door de breedte van de schil waar de stroom doorheen gaat (en natuurlijk de lengte van de geleider). Men kan nu een oppervlakteweerstand definieren:

R=lengte.oppervlak*spec.oppervlakteweerst/breedte.oppervlak.

De eenheid van de specifieke oppervlakteweerstand bedraagt Ohm. In geval van stripvormige weerstandsmaterialen wordt dit begrip ook gebruik (doch dacht ik meestal vierkantsweerstand genoemd). De oppvlakteweerstand van een plaat of draad waarbij de indringdiepte klein is ten opzichte van de dikte van de plaat, verdubbelt voor iedere verviervoudiging van de frequentie.

Waar de stroom loopt in een geleider, is dus afhankelijk van de frequentie. Dit heeft ook gevolgen voor de zelfinductie, zelfs in geval van luchtspoelen en zelfs bij verwaarlozing van capacitieve koppeling. De zelfinductie van een spoel is bij lage frequenties iets lager dan bij hoge frequenties (verschillen bedragen vaak minder dan 2%). Ook wordt de karakteristieke impedantie van veel constructies beïnvloed door het skin effect.

Optimum Working Frequency, OWF, OFT, FOT

Zie ook MUF. De maximaal bruikbare frequentie MUF geeft die frequentie aan waarbij onder bepaalde omstandigheden nog reflectie naar de aarde optreedt (via de ionosfeer in het HF gebied). Echter de frequentie waarbij optimale reflectie optreedt, ligt meestal lager. Deze optimale frequentie wordt met FOT, OFT of OWF aangeduid.

Men zou verwachten dat de optimale frequentie veel lager ligt dan de MUF, maar men dient zich te realiseren dat lagere frequenties door lager liggende geïoniseerde lagen (vooral de D-laag) meer geabsorbeerd worden (demping recht evenredig met 1/f2). Het signaal passeert lager liggende lagen immers twee keer (op de weg omhoog en de weg omlaag). De geleiding van de ionosfeer voor zekere frequenties, is sterk frequentie-afhankelijk. HF-Propagatieprogramma’s zoals PROPMAN houden rekening met het genoemde dempingseffect.

Parallel Polarization, Normal Polarization.

In de antenne en radiowereld heeft men meestal te maken met golven welke zich in nagenoeg horizontale richting uitbreiden. Dit heeft er toe geleid dat men van verticale polarisatie spreekt indien de antenne een verticaal E- veld opwekt. Als het E veld in het horizontale vlak ligt, spreekt men van horizontale polarisatie.

De aarde als reflector ervaart door deze definitie een sterk loodrecht op de aarde staande E-veld component in geval van verticale polarisatie (en een aan de aarde evenwijdig lopende E-veld component in geval van horizontale polarisatie). Hoe echter om te gaan met reflectie op verticale vlakken?. Dit is een kwestie van definitie:

In de antenne- en radiowereld spreekt men van een ‘verticaal gepolariseerde invallende golf’ op een vlak (vertical polarized incident wave), indien deze een E-veld component heeft welke loodrecht op het reflecterende vlak staat. Staat het E-veld evenwijdig aan het vlak dan spreekt men van een ‘horizontaal gepolariseerde invallende golf’ (horizontal polarized incident wave).

In de natuurkunde en optica gebruikt men een andere definitie. Indien het E-veld in hetzelfde vlak ligt als waarin de ingaande, gereflecteerde en doorgaande straal ligt, spreekt men van ‘parallel polarization’ (E-field parallel to plane of incidence). Meestal aangegeven met het ‘=’ teken.

Indien het E-veld loodrecht op dit vlak staat, spreekt men van ‘normal polarization’ (E-field normal to plane of incidence). Meestal aangegeven met het ‘loodrecht op’ teken.

Ofwel: Verticaal gepolariseerde invallende golven (antenne wereld) komen overeen met parallel gepolariseerde golven (natuurkunde optica). Horizontaal gepolariseerde invallende golven komen overeen met normal gepolariseerde golven. Zie ook polarisatie.

Polarisatie, Polarisation.

De polarisatie geeft aan in welke vlak de elektrische component van het EM veld zich bevindt. Indien de E veld component verticaal staat (dus een elektron zou verticaal gaan trillen), spreekt men van verticale polarisatie (uitgaande van een zich in het horizontaal vlak uitbreidende golf). Een halve golf dipool welke verticaal opgesteld is, produceert een verticaal gepolariseerd veld.

Indien de E-veld component niet van richting verandert, doch hooguit van teken (dus 180 graden fasesprong tijdens de nuldoorgangen), dan spreekt men ven lineaire polarisatie (de punt van de veldvector bevindt zich altijd op een denkbeeldige rechte lijn indien de golven van u af gaan). Dit is het geval bij verticale of horizontale polarisatie.

Door een antenne, of combinatie van twee antennes, gelijktijdig een verticale en horizontale component op te laten wekken. kan de punt van de E-veld vector een andere dan rechte lijn beschrijven. Beschrijft de punt van de E-veld vector een cirkel, dan spreekt men van circulaire polarisatie. De pijlpunt kan echter linksom of rechtsom draaien. Indien de golf van je af gaat (je kijkt tegen de achterkant van de antenne) en de E-veld vector draait rechtsom (met de klok mee), dan spreekt men van “Right Hand circular polarisation” (RH circular). Deze definitie is overeenkomstig IEEE std 211. Draait de vector linksom, dan spreekt men ven “Left Hand circular polarisation” (LH circular).

Beste overdracht wordt verkregen indien beide antennes van hetzelfde type zijn. Is een van de antennes lineair gepolariseerd, dan verliest men 3 dB. Circulaire polarisatie wordt gebruikt indien het te verwachten is dat polarisatiedraaiingen tijdens de propagatie voor kunnen komen.

Indien de E-veld vector een ellips beschrijft, dan spreekt men van elliptische polarisatie. Zie ook “Axial Ratio”.

Opgemerkt dient te worden dat de polarisatiedefinitie welke in de natuurkunde en optica gebruikt wordt exact tegengesteld is aan de bovengenoemde. enige verwarring is dus zeker mogelijk.

Poynting Vector.

De Poynting vector geeft in de driedimensionale ruimte de richting en de sterkte van de vermogensdichtheid aan. Meestal wordt het symbool S of P gebruikt. De eenheid bedraagt W/m2. De Poynting vector is het uitwendig product van de E- en H-veld vector. Indien E en H dezelfde kant opwijzen, is het resultaat nul. Staan zij haaks op elkaar en zijn zij in de tijd gezien in fase, dan is de vermogensdichtheid maximaal.

Indien E en H haaks op elkaar staan en in de tijd gezien in fase zijn, dan geldt voor de vermogensdichtheid (phi.P): phi.P=0.5*E*H (Veld Amplitude invullen) = 0.5*E2/377 (voor verre veld in lucht). Indien momentaan E naar beneden wijst en H naar links, dan gaat het golfvermogen van je af. Integratie van de Poynting vector over een oppervlak, is een maat voor het vermogen dat door het oppervlak gaat. Soms is het handiger om van Energie uit te gaan.

Diegenen die zich verdiepen in EM-veld theorie zullen de Poynting vector geregeld tegenkomen. Hoewel voor antennes niet van belang, is de Poynting Vector en het Theorema van Poynting ook toepasbaar op statische velden en inschakelverschijnselen.

Poynting’s Theorem, Theorema van Poynting.

De Poynting Vector geeft in geval van E- en H-velden de vermogensdichtheidheid aan (W/m2). Men kan deze vector zien als een soort van vermogensstroom. Indien u de Poynting Vector integreert over een gesloten oppervlak (bijvoorbeeld een bol), dan is het resultaat gelijk aan het netto elektrisch vermogen dat uit het gesloten oppervlak treedt (bijv een bol). Dit is het principe van het Theorema van Poynting.

Om het vermogen uit te kunnen rekenen dat via elektrische weg een constructie verlaat, is het voldoende om het E- en H-veld te kennen ter plekke van een gesloten oppervlak rondom de constructie. Het Theorema van Poynting wordt vandaag de dag als een fundamenteel theorema gezien. Het wordt echter niet altijd correct toegepast.

Stel u neemt een bol met straal r. Uw stralende constructie bevindt zich in het midden van de bol. Als het boloppervlak zich in het nabije veld van de constructie bevindt, dan vindt men richtingen waarin er vermogen het oppervlak uitgaat en denkt men een goede antenne ontworpen te hebben. Helaas zult ook richtingen vinden waarbij er vermogen het oppervlak in gaat (richting uw constructie). Het netto uitgestraald vermogen kan daardoor aanmerkelijk lager liggen dan verwacht.

Mensen welke zeer kleine efficiënte antennes denken te hebben uitgevonden, misbruiken het Theorema van Poynting om aan te tonen dat hun antenne echt efficiënt is. Hun betoog benadrukt echter alleen die richtingen waarbij vermogen het oppervlak verlaat, en “vergeten” te kijken naar die richtingen waarbij vermogen naar de antenne terugkeert.

Propagatie, Propagation.

Propagatie betekent uitbreiding of verspreiding van iets. In de techniek wordt met propagatie het uitbreiden van golven bedoeld. Het vakgebied propagatie houdt zich bezig met de manieren waarop golven zich uit kunnen breiden en het vatten ervan in formules welke door Engineers gebruikt kunnen worden.

Propagatieconstante, Propagation Constant.

De Propagatieconstante (eng: Propagation Constant) is een complex getal dat aangeeft hoe de fase en amplitude van een EM verschijnsel verloopt als functie van de afstand tot een referentiepunt of de bron.

Voor de propagatieconstante geldt (a = alpha, b = beta, k = gamma):
k = a + jb.    Hierin is:
k = Propagatieconstante (Propagation Constant).
a = Dempingsconstante (Attenuation Constant)
en is gelijk aan: ln(spanningsdemping per meter kabel)
(a = 0.116 * kabeldemping in dB/m).
b = Faseconstante (Phase Constant), en is gelijk aan 2*pi/lambda,
en is hiermee gelijk aan het golfgetal.

Deze definitie beschrijft zowel de faseverschuiving als amplitudeverhouding tussen twee punten op een zekere afstand van elkaar (in, bijvoorbeeld, een kabel). Er geldt:
U(d) = U*e-(a + jb)d

U = complexe amplitude van de spanningsgolf op de ingang van,
bijvoorbeeld, een kabelstuk.
d = afstand tussen de twee spanningsposities in meter.
U(d) = complexe amplitude van spanning op d meter afstand tot
het referentiepunt of de bron.

Merk op dat zowel a als b sterk afhankelijk is van de frequentie en de gebruikte transmissieweg (kabel, golfpijp, etc). De afstand tussen de twee posities waarin men de spanning of veldsterkte bepaalt, dient in het verlengde van de golfuitbreiding te liggen. In geval van een kabel of golfpijp is het de afstand tussen de twee posities waarin men de complexe amplitude bepaalt. In sommige literatuur wordt de faseconstante aangeduid met het begrip Golfgetal (Wave Number). Het begrip propagatieconstante wordt veel gebruikt in literatuur over gebonden en ongebonden golfuitbreiding.

Propagatiemodellen, Propagation Models.

“Progatatiemodellen” is de verzamelnaam voor alle methoden, formules, grafieken en andere middelen waarmee men de overdracht tussen twee of meer antenne kan voorspellen. Men gebruikt de modellen voor globaal gezien twee doelen: het berekenen van de gewenste overdracht (link budget berekeningen) en het berekenen van de ongewenste overdracht tussen twee antennes (interferentieberekeningen)

In de tijd dat computers geen gemeengoed waren, moest men het stellen met grafieken of relatief eenvoudig te gebruiken formules. Aan de hand van de bebouwingsdichtheid, terreinoneffenheden, frequentie, antennehoogtes en andere factoren kon men dan een indruk krijgen van de te verwachten overdracht tussen antennes. Sommige modellen geven ook een schatting van de te verwachten spreiding.

Veel van deze modellen zijn ontstaan uit een combinatie van wiskunde, statistiek en emperisch verkregen resultaten. De modellen worden meestal genoemd naar de onderzoeker(s). Enkele veel gebruikte modellen: Hata, Okumura, Egli, Blomquist-Ladell, Walfisch-Ikegami, 2-ray model, 3-ray model, Longley-Rice, TIREM, ITU propation curves.

Met de opkomst van computers, kunnen de diverse meer exacte propagatiemodellen snel doorgerekend worden. Indien voorzien van een goede gebruikersinterface kan men relatief snel goede propagatievoorspellingen maken. Deze modellen vereisen wel vaak meer inputgegevens (zoals digitale hoogte kaarten, grondgeleidingsgegevens, geografische details, etc).

Bij het gebruik van een propagatiemodel (handmatig of met de computer) dient men zich te verdiepen in onder welke omstandigheden het model goede resultaten geeft en hoe groot de spreiding op de resultaten is. Nagenoeg alle genoemde modellen houden bijvoorbeeld geen rekening met ionosferische propagatie en andere minder vaak voorkomende propagatieverschijnselen. Modellen speciaal bedoeld voor het uitvoeren van interferentieberekeningen houden wel rekening met minder gebruikelijke propagatieverschijnselen.

Voor HF propagatie (via de ionosfeer) zijn eveneens goede programma’s beschikbaar (share/freeware).

Propagatievertraging, propagation delay

Dit is de tijdsvertraging die de golfenergie of informatie ondervindt bij het zich verplaatsen (propageren) over een afstand r. De Propagatievertraging is gelijk aan het product van de groepsnelheid en de afstand.

De groepsnelheid is altijd kleiner dan c0 (lichtsnelheid). Ondanks dat de fasesnelheid wel hoger dan c0 kan zijn, propageert de energie (en dus ook informatie) zich nooit sneller dan de lichtsnelheid.

Radar Cross Section, RCS.

De radar cross section is een maat voor de mate waarin een obstakel, object of constructie de radiogolven reflecteert in dezelfde richting als waar zij vandaan komen. Dit is vooral van belang bij RADAR.

Een object dat aangestraald wordt door een Radar zal een gedeelte van de opgevangen straling weer heruitzenden richting de RADAR. Het lijkt of het object een zender is geworden. Er geldt:

EIRPrichtingradar = RCS*vermogensdichtheid.

EIRPrichtingradar = het Equivalent Isotropically Radiated Power in de richting van de radar in Watt, Vermogensdichtheid = de sterkte van het veld ter plekke van het object in W/m2, RCS = Radar Cross Section in m2. Uit de formule blijkt dat de eenheid van RCS vierkante meter bedraagt, vandaar dat het een oppervlak betreft.

De RCS is sterk afhankelijk van de vorm van het object, de hoek waaronder de straling invalt, eventuele aanwezigheid van absorberende coatings en de frequentie van de straling.

De RCS van een staaf van een halve golflengte lang welke loodrecht aangestraald wordt (met de juiste polarisatie), bedraagt ongeveer 0.88*lambda2. De RCS van een groot civiel vliegtuig bedraagt in orde van 100 m2 (sterk afhankelijk van de oriëntatie). Voor diverse geometrische constructies zijn de RCS’en mathematisch bepaald en terug te vinden in diverse boeken.

Radiohorizon.

De horizonafstand is de afstand gerekend vanaf het elektrisch midden van de antenne tot aan de horizon.

Met toenemende hoogte neemt de brekinsindex af. Daardoor buigen radiogolven iets naar de aarde toe en kunnen daardoor tot voorbij de rekenkundige horizon komen. Men verdisconteert dit door de straal van de aarde (ong 6370km) een factor 4/3 groter te nemen. Na deze correctie geldt voor de Radiohorizon: RH=4120*sqrt(antennehoogte in meter).

Indien twee antennes, welke beiden op 50m hoogte staan, elkaar (voor radiogolven) nog net dienen te kunnen zien, dienen zij 58 km uit elkaar te staan. De afstand bedraagt in dit geval 2 maal de radiohorizon voor een enkele antenne.

Opgemerkt dient te worden dat door diverse andere propagatiemechanismen radiogolven vaak veel verder dragen dan de radiohorizon, doch soms ook minder ver.

Reflectie, Reflection.

Reflectie is het verschijnsel dat een golf van richting wordt veranderd ten gevolge van een verandering van golfimpedantie van het medium. Hierbij doordringt de reflecterende golf het tweede medium nagenoeg niet (de eventueel gebroken golf doordringt het tweede medium natuurlijk wel). De afstand waarover de verandering van mediumeigenschappen plaats vindt, dient veel kleiner dan de golflengte te zijn. Reflectie op water, glas of een spiegel zijn sprekende voorbeelden. Een echo vanaf een wand of berg is eveneens een voorbeeld van reflectie. Hoe sterker de verandering van golfimpedantie, hoe meer energie gereflecteerd wordt (en hoe minder door middel van breking door het medium gaat) Er geldt hoek van inval is hoek van reflectie. In het Engels “Angle of incidence is angle of reflection”. Zie ook “brewster angle”

De ingaande golf wordt in het engels met “Incident Wave” aangeduid. De golf welke het medium (bijvoorbeeld glas) ingaat, wordt “Transmitted Wave” genoemd. De gereflecteerde golf wordt “Reflected Wave” genoemd. Let overigens goed op de definitie van de hoeken. In de natuurkunde en optica worden hoeken gedefinieerd ten opzichte van de normaal op het vlak. Een loodrecht invallende golf heeft dus een invalshoek van 0 graden. Bij reflectie op het aardoppervlak gebruikt men vaak de elevatiehoek (zie ook “Grazing Angle”).

Men onderscheid twee vormen van reflectie, spiegelreflectie (Eng: “Specular Reflection”) en diffuse reflectie (Eng: “Diffuse Reflection”). Spiegelreflectie treedt op bij overgangen (Eng: “Interfaces”) waarbij de oppervlakte ruwheid veel kleiner dan de golflengte is, zoals in het geval van licht bij spiegelende oppervlakken. In deze gevallen geldt Hoek van inval is hoek van reflectie. Indien het oppervlak ruw is, worden de stralen alle kanten op gereflecteerd (zoals bij een mat oppervlak). In de optica wordt volledig ruwe oppervlakken aangeduid als een “Lambertian surface”.

Om daadwerkelijk van reflectie te spreken, dienen de afmetingen van het reflecterend vlak vele malen groter te zijn dan de golflengte van de invallende straling. Zie ook “Divergentie”.

Reflectiecoëfficiënt.

De reflectiecoëfficiënt van een materiaal is de verhouding tussen de sterkte van de E-veld component van het invallende veld en de E veld component van het gereflecteerde veld. Er worden verschillende symbolen gebruik, onder andere rho en gamma. De reflectiecoëfficiënt is dimensieloos.

De reflectiecoëfficiënt heeft zowel een grootte als een hoek (complexe waarde). Het is te vergelijken met de reflectiecoëfficiënt van een impedantie welke op een coaxkabel aangesloten wordt.

Alle zeer goede geleidende vlakken hebben een reflectiecoëfficiënt van nagenoeg -1 (alles wordt gereflecteerd, doch in tegenfase, te vergelijken met een kortgesloten coaxiale kabel). Dit ongeacht de hoek waaronder de straling het vlak treft. Voor slecht geleidende vlakken is de reflectiecoëfficiënt sterk afhankelijk van de polarisatierichting en de hoek waaronder de golven het vlak treffen. Indien de hoek met het vlak zeer klein is (stralen bijna parallel aan het vlak “Grazing Angle”), dan bedraagt de reflectiecoëfficiënt nagenoeg 1, doch wel in tegenfase. Zie ook de begrippen: “Grazing Angle” en “Brewster Angle”.

In geval van geluid is voor een golf vanuit lucht naar alle zware dikke oppervlakken de reflectiecoëfficiënt nagenoeg +1. Omgekeerd is vanuit alle zware media (water, metalen) de reflectiecoëfficiënt van het zware medium naar lucht, nagenoeg -1.

Reflectie en Oppervlaktegolf Propagatie, Reflection and Surface Wave Propagation.

Stelt u zich voor dat een TX antenne onder een zeer kleine hoek het aardoppervlak aanstraalt. Bijvoorbeeld een antenne op een hoogte van 10 m, terwijl het reflectiepunt 100m ver weg ligt. De elevatiehoek bedraagt dan 5.7 graden. Stel dat de RX antenne zich op 200m afstand bevindt, eveneens op 10 m hoogte. Het weglengteverschil tussen de directe en gereflecteerde straal bedraagt dan 1m. Indien men de hoogte van de ontvangstantenne laat afnemen, neemt ook het weglengte verschil af (dit wordt 0 als de RX antenne op de grond staat, de elevatie =2.8 graden).

Indien de polarisatie van de TX antenne horizontaal is, ondergaat de gereflecteerde golf een fasedraaiing van nagenoeg 180 graden, de reflectie is nagenoeg volledig. Voor een RX antenne hoogte van nagenoeg 0m, is het weglengteverschil eveneens 0m. Het gevolg is dat dicht bij de grond de directe en gereflecteerde golf elkaar opheffen. Dicht bij de grond is nagenoeg geen ontvangst.

Indien de polarisatie van de antenne verticaal is, is de situatie sterk afhankelijk van de frequentie en de eigenschappen van het reflectievlak. Indien het reflectievlak oneindig goed geleidt, is het gereflecteerde signaal in fase met de directe golf. De reflectie is volledig. Het gevolg is dat de gereflecteerde golf in gelijke fase bij de RX antenne aankomt met de directe golf (indien het weglengteverschil veel kleiner dan de golflengte is). Dicht op het aardoppervlak, waarbij het weglengteverschil 0 is, versterken de golven elkaar volledig (geeft 6 dB signaal winst).

Dit is de theoretische oppervlaktegolf situatie. De golf welke op aarde terecht komt, introduceert oppervlakte stromen (welke uiteindelijk voor de reflectie zorgen). Het gereflecteerde veld sommeert met de directe golf (6dB winst).

Het aard- en zeeoppervlak is echter niet oneindig goed geleidend. Bij verkleining van de elevatiehoek in geval van verticale polarisatie verdwijnt geleidelijk aan de reflectie (is minimaal bij de Pseudo Brewster Angle, PBA). Doch bij verdere verkleining neemt de reflectie weer toe en treedt geleidelijk aan wel 180 graden fasedraaiing op.

Bij 10 MHz is de Pseudo Brewster Angle voor Zeewater minder dan 1 graad. Zelfs bij een elevatie van 0.1 graden is voor zeewater de reflectie nog niet in tegenfase en nog niet volledig. Het gevolg is dat de directe golf zelfs bij zeer kleine elevatie niet door de gereflecteerde golf uitgedempt wordt. In de praktijk is zelfs op frequenties boven 30 MHz nog oppervlaktegolf propagatie mogelijk over zeewater met geringe antennehoogtes (mits verticale polarisatie gebruikt wordt).

Voor landsituaties is de PBA aanmerkelijk groter (in orde van 12 graden bij 10 MHz over kleigrond). Het gevolg is dat bij kleine elevatie de reflectie nagenoeg in tegen fase is en nagenoeg verliesvrij. Hierdoor heffen de directe en gereflecteerde golf elkaar dicht bij het aardoppervlak nagenoeg volledig op. Bij toenemende frequentie neemt de PBA verder toe, waardoor van oppervlaktegolf propagatie geen sprake meer is.

Echter in het MF gebied en lager, is de PBA dusdanig klein dat, net als bij zeewater, zelfs onder zeer kleine elevatie de gereflecteerde golf de direct zicht golf in ieder geval niet volledig opheft indien de RX antennehoogte tot 0 nadert.

Alle middengolf en lange golf AM zenders en LF en MF navigatiehulpmiddelen (LORAN-C, omni directional beacons) maken gebruik van oppervlaktegolf propagatie (dus verticale polarisatie). De antennes bestaan meestal uit hoge verticale, ten opzichte van de aarde geisoleerde, masten of parapluconstructies.

Resonante Antennes, Resonant Antennas.

Dit zijn antennes waarbij de antenne-elementen in resonantie zijn. Het beste voorbeeld is de halve golf resonerende dipool. De Yagi is ook een resonante antenne. Resonerende antennes zijn het beste alternatief om met zo min mogelijk verliezen en beperkte afmetingen elektrisch energie om te zetten in EM energie.

Nadeel is de beperkte bandbreedte, vooral als de afmetingen aanmerkelijk kleiner worden dan 0.25 lambda. De relatieve bandbreedte van een halve golf dipool bedraagt in orde van procenten (in orde van 4 MHz op een frequentie van 150 MHz). Er zijn speciale constructies nodig om de bandbreedte te vergroten (speciale conische dipoolvormen in combinatie met aanpassingsnetwerken). Resonerende constructies welke veelvouden van een halve golf zijn, hebben in de regel een grotere bandbreedte. Een bekend voorbeeld is de resonerende hele golf dipool welke in het midden wordt gevoed.

Indien de ruimte het toelaat, kunt een tweede resonerend element toevoegen. De antenne gedraagt zich dan als een twee krings bandfilter. Door iets overkritisch te koppelen (dan ontstaat de bekende deuk in de overdrachtskarakteristiek), verkrijgt men een grotere bandbreedte dan met een enkele kring. Indien de afstand tussen de elementen veel kleiner dan 0.25 lambda is, is het stralingsdiagram binnen de (grotere) bandbreedte behoorlijk constant (als functie van de frequentie). De ontwerpprocedure is bewerkelijk.

Resonantie, Opslingering, Resonance

Resonantie is de eigenschap dat bij bepaalde frequenties de afhankelijke grootheid sterk toeneemt (opslingert) bij gelijkblijvende sturende grootheid. Een ander kenmerk is dat een constructie nog even naklinkt terwijl de bron als verwijderd is. Dit naklinken kan zowel akoestisch als elektrisch. Resonantie komt men overal tegen waar processen beschreven kunnen worden met een tweede graads Differentiaal Vergelijking (of van hogere graad).

Dit is het geval bij alle systemen waarbij energieopslag plaats kan vinden in de vorm van stroming (kinetische energie) en hoogte/druk (potentiele energie). Denk aan alle systemen waarbij een bewegende massa zijn energie kwijt kan in een verend iets, of een spoel (magnetische energie), welke zijn energie in en condensator kwijt kan (elektrische energie).

In bijna ieder systeem is wel een frequentie(gebied) te vinden waarbij opslingering optreedt, denk aan bruggen bij bepaalde windsnelheid, wielophangingen (veringen) bij auto’s en natuurlijk resonantiekringen in de elektrotechniek.

Ongewenste resonantie kan zeer desastreuze gevolgen hebben vanwege de daardoor ontstane overbelasting (bruggen). Door het verleggen van de resonantiefrequentie of het aanbrengen van dempers kunnen de nadelige effecten in de hand gehouden worden.

Gewenste resonantie wordt bijzonder veel gebruikt in de techniek (filters, impedantie-aanpassing, analyse, opwekken van hoge pulsvermogens, etc.

Ruimtegolf, Sky Wave, Sky Wave Propagation.

De ruimtegolf is die golf welke via een van de diverse geïoniseerde lagen de aarde weer bereikt (en dus vanuit de ruimte lijkt te komen). Een golf welke vanaf een satelliet de aarde bereikt, is ook een ruimtegolf.

Sky wave propagatie wordt veel toegepast in het HF gebied (3-30 MHz). Er zijn diverse geïoniseerde lagen welke afhankelijk van het tijdstip van de dag, eigenschappen van de zon en de frequentie als (schijnbare) reflector werken. Op deze manier kunnen grote afstanden overbrugd worden. Via reflectie op de aarde kan herhaalde reflectie optreden (multi-hop) waardoor afstanden van meer dan 10.000km overbrugd kunnen worden.

Speciaal in het lage HF gebied en daaronder (<3MHz), kan de ontvangstantenne zowel door de oppervlakte als ruimte golf bereikt worden. Deze kunnen elkaar versterken maar ook uitdempen. Dit kan sterke signaalschommelingen veroorzaken. Door juiste antenne oriëntatie kan men de ontvangst van de ruimtegolf of oppervlakte golf verminderen waardoor stabiele ontvangst verkregen kan worden.

Ruis, algemeen deel, Noise, general section

Valt dit ontwerp wel of niet onder antennes en propagatie? Toch maar wel…
Ruis is een ‘signaal’ waarvan de waarde in de toekomst niet te voorspellen is. Het verloop als functie van de tijd is in meer of mindere mate willekeurig. Ruis laat zich dan ook niet beschrijven zoals een sinusvormig signaal.

Ruis laat zich beschrijven met behulp van begrippen als effectieve waarde, vermogen, vermogensdichtheid, bandbreedte, frequentiekarakteristiek, kansdichtheidsfunctie (Probability Density Function, PDF) en (auto)correlatiefunctie.

Van ruis is sprake indien het totale ‘signaalvermogen’ van de ruis opgebouwd is uit een som van nagenoeg oneindig veel kleine signaaltjes. Deze kleine signaaltjes dienen onderling niet samenhangend (gecorreleerd) te zijn. Ook storing afkomstig van zeer veel bronnen lijkt daardoor veel op ruis.

Veel ruis wordt veroorzaakt door het willekeurig op microschaal bewegen van materie welke temperatuur bezit. Materie bevat ladingsdragers, ondanks dat het elektrisch gezien neutraal is. De onsamenhangende beweging van deze ladingsdragers (vooral elektronen) produceert elektrische en magnetische velden. Men heeft last van deze velden indien zij op uw systeem inkoppelen (via draden of via straling). Ook een elektrische stroom die een potentiaalbarrière dient over te steken (diode-overgangen), produceert ruis.

Een weerstand kan maximaal k*T Watt aan vermogen aan zijn omgeving leveren
(ong -174dBm/Hz). De klemspanning bedraagt:
Unoise = sqrt(4*k*T*R) in VRMS/sqrt(Hz).

Een belangrijk kenmerk van ruis is zijn cumulatieve verdelingsfunctie (Cumulative Distribution Function) of kansdichtheidsfunctie (Probability Density Function). Deze functies zeggen iets over hoe groot de kans is dat een bepaalde spanning- of stroomwaarde optreedt en welke spanningswaarden het meeste voorkomen. Veel ruis is Gaussich van aard. Voor de Gaussische kansverdelingsfunctie geldt:
De kans dat U > 0 is = 50%, deze ruis is symmetrisch rond de 0
De kans dat U > 0.5*effectieve waarde is = 31%
De kans dat U > 1.0*effectieve waarde is = 16%
De kans dat U > 1.5*effectieve waarde is = 6.7%
De kans dat U > 2.0*effectieve waarde is = 2.3%
De kans dat U > 2.5*effectieve waarde is = 0.6%
De kans dat U > 3.0*effectieve waarde is = 0.14%
De kans dat U > 4.0*effectieve waarde is = 0.0032%

Dezelfde waarden gelden ook voor de negatieve uitschieters ofwel:
De kans dat U < -2.5*effectieve waarde is = 0.6%

De verhouding tussen de effectieve waarde (RMS) en het gelijkgericht gemiddelde (AVabs) van Gaussische ruis bedraagt: sqrt(pi/2), (ong. 1.253). Voor een sinus is dit 1.111.

Dit geeft u een indruk over de uitschieters die men in Gaussische ruis kan verwachten en de respons op een echte gemiddelde waarde meter.

Het frequentiespectrum van de ruis wordt voornamelijk bepaald door gewenste of ongewenste filtering. Alleen zeer Laagfrequente ruis heeft van zichzelf vaak een scheve frequentiekarakteristiek (vaak aangeduid met 1/f of 1/f2 ruis). Door filtering, lineaire versterking of frequentieverschuiving kan de effectieve waarde toe- of afnemen, maar de relatieve overschrijdingskansen blijven gelijk (voor Gaussian noise).

Een speciaal geval is relatief smalbandige ruis (BW/fc << 1). Deze ruis komt men bijvoorbeeld tegen in middenfrequent gedeelten van ontvangers. Ook deze ruis is overwegend Gaussich van aard. Dit geldt ook voor de Cosinus en Sinuscomponten indien van kwadratuurnotatie gebruik gemaakt wordt. Het ruisvermogen zit voor 50% in de I- en voor 50% in de Q- component. De momentane fase is echter uniform verdeeld (iedere mogelijke hoek komt even vaak voor). Indien u gaat gelijkrichten (omhullende bepalen), dan is na gelijkrichting de ruis niet meer Gaussisch verdeeld (er zijn immers geen negatieve waarden meer en het gemiddelde ligt boven 0).

Omhullende ruis is in de regel Rayleigh verdeeld (evt. Chi verdeling met n=2, gebruik niet de Chi-kwadraat verdeling). Bent u slechts geïnteresseerd in de gekwadrateerde waarde van de omhullende (t.b.v. vermogensbepaling) dan dient u de Chi-kwadraat verdeling (Chi-squared distribution) te gebruiken (met n=2).

Indien de smalbandige ruis voorzien is van een (draaggolfsignaal), dan kan de omhullende het beste beschreven worden m.b.v. de Rice verdeling. Is de ruiscomponent slechts zeer klein ten opzichte van de DC waarde, dan kan men de AC ruiscomponent als Gaussisch verdeeld beschouwen.

Voor een signaal of ruis dat uit een AC en DC component bestaat geldt:
Vermogen in één Ohm = DCcomp2 + ACcompRMS2

Ruisgetal, Noise Figure

Het ruisgetal is 10*log van de verhouding tussen de totale ruisbijdrage van een systeem en de ruisproductie van een weerstand met temperatuur van 293K. De Bron is hierbij geacht te ruisen als een weerstand met een temperatuur van 293K.

F=10*log{(Pnv+Pnb)/Pnr}.

Pnv=ruisproductie van versterker (W/Hz), Pnb=ruisproductie van de bron (-174dBm/Hz), Pnr=ruisproductie van weerstand op 293K (-174dBm/Hz).

De combinatie van een versterker met een ruisgetal van 3 dB, aangesloten op een thermisch ruisende bron op 293K, produceert totaal 2 keer zoveel ruis als een weerstand met een temperatuur van 293K. De versterker alleen, produceert evenveel ruis als een weerstand op 293K (de totale ruis is namelijk gelijk aan de som van de door de versterker geproduceerde ruis en de door de bron geproduceerde ruis).

Een versterker met een ruisgetal van 0.7dB, produceert zelfs slechts 17% van het ruisvermogen van een weerstand op 293K. De versterker heeft slechts een ruistemperatuur van 0.17*393 = 51K.

Het ruisgetal van een versterker of actieve component (FET, Transistor), wordt alleen bereikt als de uitgangsimpedantie van de bron binnen zekere -door de fabrikant gestelde- grenzen ligt. Ligt de bronimpedantie daarbuiten, dan neemt het ruisgetal toe (dus produceert de versterker meer ruis).

Ruistemperatuur, Noise temperatuur

Er zijn veel varianten op dit begrip, doch de ruistemperatuur van een systeem of component dat ruis opwerkt, is gelijk aan de temperatuur die een weerstand moet hebben welke net zo veel ruis produceert (W/Hz) als het systeem daadwerkelijk produceert. Hierbij dient de waarde van de weerstand gelijk te zijn aan de uit- of ingangsweerstand van het systeem of component.

Een weerstand produceert een ruisvermogen dat maximaal gelijk is aan: Pn = kTB

k=constante van boltzman: 1.38*10-23 J/K, T is Absolute Temperatuur in K, B is de bandbreedte welke voor het systeem van belang is, in Hz. Bij 293K bedraagt dit -174dBm/Hz

Men onderscheidt diverse begrippen:
1. Antenneruistemperatuur. Is de ruistemperatuur van een antenne-installatie. Begrip wordt veelal gebruikt in de satellietcommunicatie.
2. Operationele ruistemperatuur. Is de ruistemperatuur van een geheel systeem, inclusief kabels, antennes versterkers, etc. Het begrip wordt meestal gebruikt in de satellietcommunicatie om de ruisproductie van een satellietgrondstation weer te geven.
3. Ruistemperatuur van de hemel. De ruistemperatuur van de hemel telt op bij de systeemruistemperatuur. De achtergrondruis bedraagt normaliter rond de 4K, doch via reflectie op wolken en luchtlagen kan door de aarde uitgestraalde ruis weer naar beneden reflecteren en zodoende een aanmerkelijk hogere ruistemperatuur verzoorzaken. Dit speelt vooral bij antennes welke onder een kleine elevatiehoek opgesteld staan.

Ruis in antennes en ten gevolge van straling is prima te vatten indien men zich realiseert dat: Indien een antenne als zendantenne gebruikt wordt en X procent van het zendvermogen komt terecht op een voorwerp, dan zorgt dit voorwerp voor een ruistoename van X*Tvoorwerp/100 graden Celsius. Deze relatie gaat ook op voor verliezen welke in kabels of de antenne zelf optreden. Ofwel een obstakel met T=300K in de bundel van een grondstation dat 5% zendvermogen absorbeert, draagt 0.05*300=15 graden bij aan de ruistemperatuur van het grondstation.

Specific Apsorbtion Rate (SAR).

De “Specific Absorption Rate” (SAR) is de hoeveelheid warmte welke een EM veld opwekt in (menselijk) weefstel. De eenheid is W/kg. Het begrip komt men tegen in documenten over stralingsveiligheid met betrekking tot Elektrische of Magnetische velden en EM straling.

Een lezenswaardig document op het gebied van stralingsveiligheid is uitgegeven door de ICNIRP. Veel nationale richtlijnen zijn van dit document afgeleid. U kunt het downloaden van het Internet.

Skip Distance.

De Skip Distance is dat afstandgebied waarbij de grondgolf (ground wave) niet meer ontvangen wordt en de ruimtegolf (skywave) nog niet ontvangen kan worden omdat deze de aarde nog niet bereikt heeft. Zie ook “Ionosferische Propagatie”.

Spectrale Vermogensdichheid, Power Spectral Density (PSD).

De spectrale vermogensdichtheid is de hoeveelheid vermogen per eenheid van bandbreedte van een signaal. De eenheid is W/Hz.

Oneindig lang ingeschakelde sinusvormige bronnen, bezitten slechts één frequentie (ze zijn oneindig smalbandig), zodat al het vermogen zich op 1 frequentie bevindt. De vermogensdichteid van een zogenaamd discreet signaal is dan ook oneindig hoog. In figuren of afbeeldingen wordt dit aangegeven door een verticale lijn met pijlpunt (voorstelling van een Dirac puls).

Niet gefilterde ruis heeft een volledig vlak vermogensdichtheidspectrum. Het vermogen binnen een zekere bandbreedte, vindt men door integratie van de vermogensdichtheid over de zekere bandbreedte. Indien binnen de bandbreedte, de vermogensdichtheid vlak is, geldt: P = Bandbreedte * vermogensdichtheid.

Indien men de vermogensdichtheid specificeert voor een zekere bandbreedte, dan spreekt men van de gemiddelde spectrale vermogensdichtheid. Het totaal vermogen vindt men dan door de gemiddelde spectrale vermogensdichtheid te vermenigvuldigen met de betreffende bandbreedte. In satellietcommunicatie wordt als referentiebandbreedte vaak 4kHz gebruikt.

Sporadische E laag reflectie (afbuiging).

Zie ook ionosferische communicatie. In sommige gevallen bevinden zich in de E laag “wolken” met afmetingen tot honderden km waarbij de vrije elektronendichtheid veel groter is. Dit wordt onder andere veroorzaakt door grotere activiteit van de zon. Doordat dit niet regelmatig optreedt, spreekt men van een Sporadische E laag (Es). Door de hogere vrije elektronendichtheid, worden veel hogere frequenties dan normaal nog naar de aarde teruggebogen (tot boven 50 MHz). Op deze manier kan men op VHF gebruik maken van propagatieprincipes welke normaliter alleen op HF mogelijk zijn. Doordat het effect sporadisch aanwezig is, is het tot nu toe niet commercieel aantrekkelijk gebleken om dit uit te buiten. Zendamateurs maken er echter veelvuldig gebruik van.

In de noordelijke en zuidelijke streken wordt t.g.v. de magnetische polen, zoveel energie afkomstig van de zon ingevangen (welke in de geioniseerde lagen terecht komt), dat in de E laag voor het oog zichtbaar licht geproduceerd wordt. Men spreekt dan van een Aurora. Aurora’s komen het vaakst voor in de N en Z poolgebieden. Echter bij zeer sterke activiteit van de zon, is de aurora ook zichtbaar vanuit Nederland (52 graden NB).

Staande golf verhouding, (Voltage) Standing Wave Ratio.

Indien in een medium (kabel, golfpijp, lucht) uitsluitend golven een kant opgaan, is de amplitude van het golfverschijnsel plaatsonafhankelijk. Hooguit neemt de amplitude af ten gevolge van demping of divergentie. In geval van gebonden transmissie (kabel, golfpijp) en verwaarlozing van de demping, is de amplitude van stroom en spanning langs de kabel of golfpijp overal gelijk.

Indien reflectie ontstaat ten gevolge van onjuiste afsluiting, interfereert de gereflecteerde golf met de heengaande golf. Dit resulteert op vaste plaatsen in de kabel of golfpijp tot een lagere en hogere amplitude. Omdat de plaatsen van de minima en maxima vast liggen, wordt gesproken van een staande golf. De maxima en minima wisselen elkaar af en de afstand tussen een maximum en minimum amplitude bedraagt een kwart golflengte

De verhouding tussen de maximale en minimale amplitude welke men langs de transmissielijn kan vinden, wordt de ‘staande golf verhouding’ genoemd (Eng: Standing Wave Ratio, SWR). Meestal wordt de amplitude van spanning of E-veld bepaald met behulp van een ‘diode probe’. Men spreekt dan van de spanning staande golf verhouding (Eng: Voltage Standing Wave Ratio, VSWR).

Er is een vaste relatie tussen de VSWR en de reflectiecoëfficiënt. Er geldt:

VSWR = (1 + |refl.coeff.|)/(1 – |refl.coeff.|)

De verticale strepen geven aan dat de absolute waarde bedoeld wordt. Indien de belasting reëel is, geldt:

VSWR = Z0/ RL (Z0 > RL),
VSWR = RL/ Z0 (Z0 < RL)

Een reflectiecoëfficiënt van 0 resulteert in een VSWR = 1. Volledige reflectie resulteert in een VSWR = oneindig. Een slechte VSWR veroorzaakt hoge stroom- en spanningsmaxima in de kabel (bij gelijk overgedragen vermogen). De kabelverliezen nemen daardoor toe. De maximaal toelaatbare spanning en/of kabeldissipatie kan overschreden worden. De meeste zendapparatuur vereist een VSWR van minder dan 2.

In veel gevallen wordt de reflectiecoëfficiënt daadwerkelijk gemeten, en de bijbehorende VSWR wordt weergegeven. Slechts op relatief hoge frequenties (waarbij de golflengte voldoende klein is) kan men daadwerkelijk de VSWR bepalen met behulp van een coaxiale structuur met sleuf (slotted coaxial line), golfpijp met sleuf (slotted wave guide) of stripline.

Wist u dat u met behulp van een gecalibreerde RF probe en een slotted line aan de hand van de ligging en waarde van de maxima en minima, de complexe impedantie kan bepalen (dus reëel en imaginair deel) van de belasting? Als u slechts weinig metingen uitvoert in een beperkte frequentieband, is dit een alternatief voor een dure RF Network Analyzer.

Staande golven ontstaan ook in situaties waarbij sprake is van ongeboden golfuitbreiding, maar daar wordt het begrip (V)SWR niet gebruikt. Soms komt men een stroom staande golf verhouding tegen (CSWR). Deze is voor wat de waarde betreft gelijk aan de VSWR.

Straal, Stralen, Ray, Bundel, Beam.

In de volksmond spreekt men vaak van stralen en bundels. Een straal, zoals men meestal weergeeft met een lijn voorzien van een pijl, wekt de indruk dat stalen dun zijn. Het begrip straal geeft echter niets meer aan dan de richting waarin een golfverschijnsel zich uitbreidt. Het begrip straal zegt dan ook niets over dikte van golfenergie. De stralingsrichting staat altijd loodrecht op het golffront. Meestal gaan stralen rechtuit, doch indien golven obstakels treffen, kunnen de stralen van richting veranderen (reflectie) of krom lopen (breking, diffractie).

Het begrip bundel wordt gebruikt om aan te gevan dat een golfverschijnsel zich slechts in beperkte ruimte (doorsnede) uitbreidt. Hierbij valt te denken aan een bijvoorbeeld een zaklamp of een sterk gerichte antenne. Voorbij een zekere afstand (de verre veld afstand), neemt de breedte van de bundel rechtevenredig met de afstand tot de bron toe.

Als een bundel zich echter ongehinderd uit moet kunnen breiden, dan heeft deze ruimte nodig (vrij van obstakels). Hoe hoger de frequentie en kleiner de te overbruggen afstand, hoe smaller een bundel mag zijn opdat alle golfenergie nog op zijn bestemming aankomt. Zie ook Fresnel Zone.

Stralingscentrum, Radiation Centre.

Het stralingcentrum van een antenne is dat punt van waaruit de straling lijkt te komen. Van antennes met een exact symmetrische stroomverdeling (elektrische of magnetische dipolen) bevindt het stralingscentrum zich in het midden van de antenne.

Van een verticaal opgestelde halve golf staaf welke aan het eind gevoed wordt, ligt het stralingscentrum bij goede benadering 0.22*lambda boven de antennevoet.

Van antennes welke ten opzichte van een ingegraven aardnetwerk gevoed worden (zoals middengolf antennes) wordt meestal het stroomcentrum opgegeven. Dit is het zwaartepunt van de stroomverdeling. Voor een verticale kwartgolf straler ligt dit op ongeveer 0.15*lambda boven het voedingspunt. Voor een halve golf straler ligt dit op ongeveer 0.22*lambda boven het voedingspunt. De ligging van het stralingscentrum van dit soort antennes is sterk afhankelijk van de grondgeleiding op het pad van TX naar RX antenne. Daarom wordt het begrip bij dergelijke antennes niet vaak gebruikt.

Stralingsdruk, Radiation Pressure

Hoewel voor antennes niet van belang, is het wel opmerkelijk. Indien EM straling (dus ook licht) van richting verandert of (gedeeltelijk) geabsorbeerd wordt, dan oefent de straling een druk op het oppervlak uit. De druk is maximaal indien de straling loodrecht invalt en volledig gereflecteerd wordt.

Druk (P) = 2*PFD/c

Druk in N/m2 (Pa), PFD = vermogensdichtheid van de EM straling in W/m2, c = lichtsnelheid in m/s.

In de aardse praktijk is de invloed van stralingsdruk te verwaarlozen (c is zo groot).

De stralingsdruk t.g.v. loodrecht invallende straling wordt veroorzaakt door de krachtwerking van het B-veld (B = u*H) op de oppervlakte stroom in het geleidend vlak (deze zijn in de tijd gezien in fase). De oppervlaktestroom wordt opgewekt door de E-veld component van de straling.

Take Off Angle, TOA

De hoek ten opzichte van het aardoppervlak waaronder de meeste energie uitgestraald wordt. Het begrip komt overeen met de elevatie waaronder de meeste energie uitgestraald wordt. Begrip wordt vooral gebruikt in geval van HF communicatie. Om via Ionosferische reflectie een bepaald gebied te bereiken is naast de frequentiekeuze ook de hoek waaronder de antenne uitstraalt van belang.

Grote afstanden (boven 3000 km) vereisen een kleine take off angle, afstanden beneden 1000 km welke via de ruimtegolf overbrugt dienen te worden vereisen in de regel een grotere take off angle. Afstanden in orde van 100 km, welke niet met de grond golf te overbruggen zijn, vereisen nagenoeg verticale opstraling (90 graden take off angle).

Troposcatter

Zie ook ionosferic scattering.
In de troposfeer (dat is dat gebied van de atmosfeer waar ons weer zich afspeeld, hoogte tot 13 km) kunnen ten gevolge van turbulenties, brekingsindex verschillen ontstaan (lokale temperatuur, druk, en vochtigheidsverschillen op ongeveer 10 km hoogte). Deze onregelmatigheden zorgen ervoor dat een stralenbundel van geschikte frequentie iets uiteenwaait (doch wel zeer onregelmatig, net als een lichbundel in een verticaal opsteigende warme luchtstroom). Indien een bundel onder zeer lage hoek uitgestraald wordt, is een geringe uitwaaiing in orde van 10 graden voldoende om een gedeelte van de straling weer terug te krijgen op aarde.

Troposcatter systemen maken van dit principe gebruik. De demping is echter hoog (het scattereffect is erg zwak) en het golffront na reflectie is onregelmatig waardoor de effectieve gain van de antennes ver achter blijft bij de maximale gain. Frequenties hoger dan 500 MHz worden toegepast in combinatie met antennes met effectieve oppervlakten van 10m2 of meer (militaire systemen). Door de 10km hoogte waarop de scattering plaatsvindt zijn in de praktijk afstanden in orde van 400km overbrugbaar. Commerciële toepassingen zijn er niet.

Troposferic Propagation

Troposferic Propagation is de verzamelnaam voor alle propagatieverschijnselen welke zich voor kunnen doen tussen de aarde en de top van de troposfeer. In de troposfeer speelt zich ons weer af en deze heeft een top van 13 km.

Hieronder vallen: Ducting, troposcatter, groundgolf propagatie, superrefraction, etc.

Tweestralen propagatiemodel, 2-Ray propagation model.

Het twee stralenmodel is een model om de overdracht tussen twee antennes uit te rekenen waarbij in de overdracht alleen de via de op aarde gereflecteerde golf en de direct zicht golf betrokken wordt. Vandaar de naam twee stralenmodel.

Er geldt: PTX/PRX = h12*h22 /r4

Indien 2*h1*h2 /r < 0.25*lambda (zo niet, ga dan uit van vrije veld overdracht). Er is uitgegaan van twee isotrope antennes, correctie voor de daadwerkelijke gain is dus noodzakelijk.

Resultaten komen het beste overeen met de praktijk indien de afstand tussen de antennes aanmerkelijk kleiner is dan de som van de radiohorizon voor beide antennes. Men dient de hoogtes niet te corrigeren voor aardkromming(dus gebruik de gemiddelde terreinhoogte). Deze formule is in het geheel onbruikbaar indien oppervlaktegolf propagatie dominant is (zoals bij middengolf- en lange golfzenders).

Het tweestralen model gaat er vanuit dat de gereflecteerde golf in tegenfase is met de direct zicht golf en even sterk is als de direct zicht golf. Dit gaat niet op voor frequenties in het MF gebied in geval van verticale polarisatie. In dat geval is de oppervlaktegolf component dominant. Als verticale golven onder een hoek invallen in de buurt van de brewster angle, is de gereflecteerde golf sterk verzwakt. Dit doet zich onder meer voor dicht bij hoge antennemasten. Pas dus op met het zomaar toepassen van dit model.

Het afnemen van de overdracht als functie van 1/r4 komt ook naar voren in veel propagatiemodellen op basis van empirische of semi-empirische resultaten.

Uniform Time Coordinate, UTC, Greenwich Mean Time GMT

Dit is de tijd op de nulmeridiaan (welke door het Engelse Greenwich loopt). De aanduiding is UTC (Uniform Time Coordinate, TUC in landen met romaanse taal [spaans, frans, italiaans, etc]). De oude benaming is GMT (Greenwich Mean Time). Deze tijd is vast en kent dus geen zomer of wintertijd.

Landen welke ten oosten van de nulmeridiaan liggen (Europa, Azie), hebben een locale tijd welke vóór loopt op UTC. Landen ten westen van de nulmeridiaan (N en S Amerika, Groenland) hebben een locale tijd welke achter loopt op UTC.

De tijdzones worden ook met letters aangeduid (militair, wordt in de civiele wereld niet gebruikt). UTC is daarbij de Z tijd (Zulu time). De Nederlandse wintertijd (UTC+1) is hierbij Alpha Time. Nederlandse zomertijd (UTC+2) is Bravo time. De letters worden achter de 24 uurs tijdsaanduiding geplaatst. 1 uur nederlandse zomertijd komt overeen met 13.00B (komt overeen met 11.00Z = 11.00UTC). De letters I en O worden overgeslagen (om verwarring met de “een” en “nul” te voorkomen).

vergelijkingen van Maxwell, Maxwell’s equations.

De vergelijkingen van Maxwell zijn 4 wiskundige vergelijkingen welke het gedrag van het E- en H-veld beschrijven zoals dat optreedt in het vacuüm, isolatoren en (half)geleiders. Zij beschrijven ook de wederzijdse wisselwerking tussen het E- en H-veld. Zij zijn officieel gepubliceerd in 1873.

De grote verdienste van James Clerk Maxwell voor EM-veld theorie, is de eerste wet van Maxwell. Deze zegt dat, naast bewegende elektronen, ook een wisselend elektrisch veld in vacuüm een magnetisch veld opwekt. Het opgewekte H-veld is recht evenredig met de capacitieve stroom (verplaatsingstroom, verschuivingstroom, doorschuivingsstroom). De doorschuiving tussen twee platen is gelijk aan:

Verplaatsingstroom = Epsilon * Aplaat * dE/dt.

E = elektrische veldsterkte in V/m, Epsilon = diëlektrische permittiviteit in F/m, Aplaat = oppervlak van een van de twee platen waartussen het E-veld zich bevindt in m2.

Door deze toevoeging aan het verband tussen magnetisch veld en elektrische stroom, wordt beschreven dat ook in het vacuüm energie in het E-veld kan overgaan naar energie in het H-veld en omgekeerd. Het kunnen overgaan van ‘potentiële’ energie (E-veld) naar ‘kinetische’ energie (H-veld) en omgekeerd, is een voorwaarde voor het kunnen ontstaan van oscillatie en golven.

Maxwell beschreef hiermee het bestaan van radiogolven reeds voordat Heinrich Hertz (1888) en Tesla (1893) deze doelbewust opwekten en detecteerden.

Vermogensdichtheid, Power Flux Density (PFD), Radiation Intensity.

De vermogensdichtheid is de hoeveelheid golf- of stralingsenergie welke per seconde per m2 passeert door een vlak loodrecht op de golfuitbreidingsrichting (de voortplantingsrichting). De eenheid is W/m2. Dit begrip wordt gebruikt overal waar stralings/golfverschijnselen optreden (akoestiek, optica, elektromagnetische velden).

Een naar alle kanten stralende bron met een vermogen van 1 Watt, produceert op een afstand van 10 m een vermogensdichtheid van P/(4*pi*r2). In dit geval overeenkomend met 800uW/m2. Door een oppervlak van 0.1m2, passeert in dit geval 80uW. In de regel neemt voor vrije veld situaties de vermogensdichtheid met 75 procent af, per verdubbeling van de afstand tot de bron.

De grootte en richting van de vermogensdichtheid wordt gevonden door het uitwendig product van de E en H component waaruit het Electro Magnetisch veld opgebouwd is (de poynting vector).

Verstrooiing, Scattering.

Indien een stralenbundel een medium of object passeert en een gedeelte van de straling wordt in diverse andere richtingen heruitgezonden, dan spreekt men van scattering of verstrooiing. In het geval van scattering is meestal sprake van een combinatie van refractie, diffractie, reflectie en absorptie. Ook reflectie of diffractie welke om wat voor reden dan ook sterk tijdafhankelijk is, wordt aangeduid met het begrip scattering.

Alle constructies welke veel kleiner dan een golflengte zijn en andere eigenschappen hebben dan lucht, verstrooien de straling. Een mooi voorbeeld is rook in een lichtstraal welke niet het oog treft. Door de verstrooiing van een klein gedeelte van de stralenbundel door de rook, bereikt een gedeelte van het ligt het oog en kan men toch zien waar de straal loopt. Scattering vindt ook plaats op opjecten welke veel groter dan de golflengte zijn en grillige vormen hebben. Denk bijvoorbeeld aan overvliegende vliegtuigen. Via vliegtuigreflectie is eveneens communicatie mogelijk. Door de vlieghoogtye (max 13 km) is dit beperkt tot in orde van 400 km.

In de atmosfeer treden op grote schaal veranderingen van brekingsindex op. Denk aan wolken. Door het vocht is onder andere de brekingsindex groter (waardoor golven iets minder snel gaan dan door droge lucht). Het golffront wordt dan afgebogen maar er treedt eveneens hertransmissie op in richtingen welke niet echt voorspelbaar zijn.. Sterke scattering kan optreden in regen of hagelbuien. Scattering in de bovenste lagen van de troposfeer maken lange afstandscommunicatie mogelijk over afstanden in orde van 400 km.

Scattering in media welke sterk in beweging zijn (turbulentie in wolken, regen, hagel, aluminium sliertjes (chaf)) hebben sterk tijdafhankelijk eigenschappen. Zowel de amplitude van de ontvangen golf als de fase ondergaan sterke veranderingen (dit uit zich in fading). Deze fading kan ten gevolge van de snelle veranderingen dusdanig snel zijn dat de amplitude en faseveranderingen in het audio gebied terecht komen. Een in eerste instantie strak klinkend signaal, gaat dan bijzonder ruiserig klinken.

Vlakke Golven, Plane Waves.

Een vlakke EM golf is een EM golfverschijnsel waarbij de E en H component haaks op elkaar staan en in de tijd gezien in fase zijn. E en H staan loodrecht op de golfuitbreidingsrichting. Overal in het gebied van de vlakke golf is de sterkte van de golf gelijk.

Onder een karakteristiek afgesloten striplijn, waarvan de breedte veel groter is dan de hoogte, bevindt zich bij zeer goede benadering een verticaal gepolariseerde vlakke golf. De E veldlijnen staan verticaal en H veldlijnen lopen horizontaal tussen de platte geleiders door. Voor een vlakke golf in lucht geldt dat E/H=377 Ohm voor de vermogensdichtheid (phi.P) geldt Phi.p=0.5E*H (E en H zijn veldamplituden).

In principe produceert een antenne een sferisch veld (de veldlijnen lopen bolvormig). Echter indien de afstand tussen de zendantenne en het volume waarin de golf vlak dient te zijn veel groter is dan de afmetingen van het volume, dan is de golf als vlak te beschouwen. In de praktijk is het opwekken van een vlakke golf in een groot volume lastig, omdat men vaak ook te maken krijgt met reflecties.

Voortplantingssnelheid, Phase Velocity, Wave Propagation Speed.

Dit is de snelheid waarmee een golfverschijnsel zich uitbreidt. De eenheid is m/s, als symbool wordt meestal c gebruikt (c0 voor de lichtsnelheid in vacuüm). De snelheid wordt bepaald door de eigenschappen van het medium. In geval van geluid geldt hoe lager de soortelijke massa, en hoe hoger de elesticiteitsmodulus of lineaire samendrukbaarheid, hoe hoger de voortplantingssnelheid (c = sqrt{E.modulus/soort.massa}) in geval van longitudinale golven (dus geen golven op het wateroppervlak). In lucht is c in orde van 330m/s, in water in orde van 1500 m/s in staal of aluminium 5100m/s (afhankelijk van de vorm). De golflengte wordt gevonden door middel van lambda = c/f

Voor EM golven geldt voor media met frequentieonafhankelijke diëlectrische constante en magnetische permeabiliteit: c=c0/sqrt{diel.const.*magn.permeab} Voor het vacuüm komt dit neer op ongeveer 299.7*106 m/s (3*108 m/s, bij benadering gelijk aan c0). Het begrip wordt ook gebruikt voor gebonden golfuitbreiding (coaxiale kabels, striplines, golfpijpen, oppervlakte golven, etc).

Eigenlijk kan men slechts van een voortplantingssnelheid spreken, als amplitude of frequentievariaties net zo snel gaan als de golven waarop zij gemoduleerd zijn. De snelheid van het golfverschijnsel vindt men door: c=lambda*freq. Dit gaat op voor EM straling in niet geïoniseerde obstakelvrije media, striplines, coaxkabels, etc. Voor geluid gaat dit op voor praktisch alle vaste stoffen en vloeistoffen. In dergelijke gevallen gedraagt het medium zich als een “echte” vertragingstijd met een vertragingstijd ter grootte van de te overbruggen aftand gedeeld door c (m/(m/s)=s hetgeen tijd is). Het signaal aan de uitgang heeft dan exact dezelfde vorm als het ingangssignaal (meestal alleen lager in amplitude). Zie ook fasesnelheid en groepsnelheid.

Vrije veld, Free Space.

Men spreekt ingeval van golven van een vrije veld situatie als uitsluitend de direct zicht straal ongehinderd de RX antenne kan bereiken. In dat geval neemt het door de RX antenne afgegeven vermogen af met r2 (indien men zich in het verre veld bevindt). Er geldt dan:

PRX/PTX = GTXi*GRXi*lambda2 / (4*pi*r)2.

Voor de veldsterkte op een zekere afstand geldt:

E[V/m] = 5.5 *sqrt(GTXi * PTX[W]) / r[m].

De gain van de antennes dient als factor ingevuld te worden, dus niet in dB’s.

Deze formule kan men gebruiken voor een allereerste ruwe inschatting voor als men zich relatief dicht bij de zendantenne bevindt. Voor de antennegain dient u te gebruiken de gain in de richting waar u zich bevindt (deze hoeft niet gelijk te zijn aan de maximale gain).

Uit de definitie van het vrije veld blijkt het verschil tussen de definities verre en vrije veld. De verre veld afstand wordt bepaald door de antenneafmetingen en golflengte, het vrije veld zegt uitsluitend iets over de propagatieomstandigheden.

Zonnevlekken, Sun Spots

Zonnevlekken zijn daadwerkelijk vlekken op de zon welke door middel van speciale opnameapparatuur gefotografeerd kunnen worden. Deze zonnevlekken stralen echter sterker dan het normale zonoppervlak. De zon is de energiebron voor de ionisatiegraad van de ionosfeer. Veel zonnevlekken zorgen voor sterke ionisatie in de ionosfeer waardoor HF communicatie op relatief hoge frequenties mogelijk is. In tijden van weinig zonnevlekken is op het hoge deel van het HF spectrum (20-30 MHz), minder goede communicatie mogelijk.

De zonnevlekken tonen een regelmatig minimum en maximum met een periode van ongeveer 11.1 jaar. De sterkte van de zonnevlekken wordt aangegeven door het “sun spot number”. U heeft dit getal nodig indien u gebruik maakt van HF propagatiesoftware. Het sun spot number (dat in de tijd gezien sterk varieert) is van diverse internet sites te halen.

Bronvermelding:
Tetech, Maarssen
Lijst van 6 mei 2005