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technologie question #1767



Mark McDonald (Genre: mâle, Àge: 42 années) de Colline de Morgan sur 29 décembre, 2003 demande:

Q:

Je suis intéressé par la transmission du rf par différents matériaux (particulièrement l'eau). J'essaye de comprendre par exemple, combien un signal de rf coûtera antenuated le déplacement par l'eau relativement à la fréquence (parole 100MHz - 10 gigahertz).

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la réponse

Rodney Vaughan, Professor of electrical engineering, Simon Fraser University répondu le 26 janvier, 2004, R:

La plupart du temps, des ondes hertziennes sont employées dans le contexte de l'espace libre (c.-à-d., vide, ou de l'air). Quand les ondes hertziennes voyagent par un certain milieu qui n'est pas l'espace libre puis un couple de changement de choses. Premièrement, la longueur d'onde devient plus petite, et lié à ceci, les voyages de vague plus lents. Deuxièmement, la vague s'arrête plus rapidement, ou en jargon de technologie, atténue plus rapidement. C'est particulièrement ainsi pour un milieu de l'eau. Combien ces changements se produisent dépend des propriétés matérielles des médias par lesquels l'onde hertzienne propage. En métaux, la pièce de champ électrique de l'onde hertzienne (il y a également une pièce de champ magnétique) obtient efficacement court-circuitée, et l'onde hertzienne voyage une distance très petite avant de s'éteindre. En diélectriques (plastiques, bois, eau, etc.), l'onde hertzienne s'arrête également, mais normalement au-dessus d'une plus longue distance qu'en métal. En eau doux, là de la conduction électrique, ainsi l'eau doux se comporte en tant qu'un diélectrique et un métal. L'eau salée est tout à fait conductrice, et une onde hertzienne atténue très rapidement en voyageant par elle, mais pas aussi rapidement qu'en métal.

Les mécanismes physiques des pertes de la puissance d'onde hertzienne sont très compliqués, avec plus d'un facteur physique, y compris moléculaire goings-sur, influençant des choses. La manière la plus facile de le regarder est juste pour accepter que quelques matériaux sont le « lossy », que les moyens ils conduisent l'électricité dans une certaine mesure, et ont une résistance électrique. La résistance du matériel « est vue » par les courants électriques provoqués par l'onde hertzienne pendant qu'elle voyage par elle. Ainsi la perte de puissance tourne vers le haut comme chauffage des médias (comme un four à micro-ondes). Seulement les diélectriques idéaux ne conduisent aucune électricité en ayant une résistance nulle. Quelques matériaux, tels que le teflon pur, sont les diélectriques presque idéaux, même aux fréquences micro-ondes.

Mathématiquement, une onde hertzienne, en propageant par l'eau, atténue proportionnel à l'exponentiel de la distance. La puissance est l'amplitude carrée, et change en fonction de la distance.

En raison de la gamme étendue des valeurs des champs et des puissances dans les ondes hertziennes (et beaucoup d'autres signaux d'examen médical), les ingénieurs électriques emploient souvent des décibels (dBs) comme unités. Une gamme énorme des nombres représentant des valeurs physiques peut être remplacée par une gamme numérique maniable des dBs. Mathématiquement nous ne pouvons pas prendre une notation d'un nombre avec des unités ainsi nous devons l'exprimer relativement à la puissance à un certain point de référence. Les notations de manière fonctionnent, 3 que le DB représente une différence de puissance de 0.5. Ceci signifie que 6dB (2 fois DB 3) représente deux fois se réduire de moitié de la puissance, ou une valeur physique d'un quart.

Tellement 12 seizième des moyens un de DB et ainsi de suite. Cette balance devient vraiment utile pour des nombres vraiment grands, par exemple une perte de puissance d'un million (cette valeur physique devient maladroite comme valeur numérique) est de seuls 60, dans des unités de décibel. 600dB est une valeur numérique modeste et maniable, mais représente {point nul {60 zéros, puis 1}} de la puissance, un nombre difficile d'imaginer, ou contrôle dans quelques calculs. J'ai écrit un programme qui trace (ci-dessous) la puissance réductrice d'une onde hertzienne voyageant par l'eau salée de l'eau et d'océan (sel 3.5%). Le graphique a beaucoup d'information là-dessus, ainsi j'inclus une certaine explication ici. L'axe des abscisses est distance en millimètre. Ceci ressemble à des distances très courtes pour la propagation, mais vous verrez la raison pour cette distance courte comme nous procédons. L'axe des ordonnées représente la puissance relative perdue en tant que nos voyages d'onde hertzienne d'un point à un autre point à la distance X millimètre de distance. Y-mesurer est dans le DB pour les raisons ci-dessus. Au dessus du graphique, les lignes solides bleues sont la perte de puissance avec la distance dans l'espace libre. Les quatre lignes sont pour les quatre fréquences, 100MHz, 1GHz, 5GHz, et 10GHz. Pendant que la fréquence monte, la perte augmente pour une distance donnée. Ainsi c'est la situation normale d'onde hertzienne. Par exemple, à une distance de 500mm, une fréquence de 10GHz laisse tomber sa puissance par environ 50dB sur cette échelle. Se rappeler que la puissance de DB est un rapport, et ainsi elle est relativement à une référence plutôt que d'à avoir une valeur absolue, dans la parole, des watts ; voir ci-dessous. Le terme « perte de puissance » est un peu trompant ici, là n'est aucune puissance perdue dans les mécanismes électriquement résistifs (l'espace libre est lossless), il est juste en raison de la propagation sphérique de la vague car il propage. La puissance est perdue parce qu'elle voyage ailleurs, pas parce qu'elle est dépensée comme chaleur dans le milieu. Ceci est également connu comme loi carrée inverse. La loi de place d'inverse déclare que la perte de puissance est proportionnelle à l'inverse de la distance (dans les longueurs d'onde - pas des mètres ou des pieds, etc.) carrée. Chaque fois que la distance est doublée, la loi carrée inverse de puissance prouve que nous perdons un autre 6dB de la puissance (=10*log (0.5 2)). Par exemple, quand nous allons de x=250mm à x=500mm, nous perdons le DB 6 de puissance, et quand nous allons de 500mm à 1000mm, nous perdons un autre 6dB de puissance. Ceci s'appliquera à toutes courbes libres de l'espace.

(Droit-cliquer sur le graphique pour s'ouvrir dans une nouvelle fenêtre. C'est un dossier de JPEG et peut être agrandi pour lire les unités des textes et d'axe.)

Pour l'onde hertzienne en eau doux, la perte de puissance est montrée avec les lignes pointillées vertes. L'eau doux est lossy, et le comportement résistif de perte est une fonction compliquée de la fréquence, que je n'ai pas décrite ici. Ici nous voyons deux « des mécanismes de perte » au travail. Il y a des pertes résistives dans l'eau, et la loi carrée inverse, qui apparaît beaucoup plus fortement que dans le cas libre de l'espace parce que pour une distance donnée, là sont beaucoup plus de longueurs d'onde que la vague propage. (Pour l'eau doux et l'eau salée, la longueur d'onde est environ une neuvième la longueur de la longueur d'onde dans l'espace libre.) par exemple, à 5 gigahertz (la courbe pointillée troisième par vert en bas du graphique), à une distance de séparation de 350mm, la quantité d'atténuation de puissance d'onde hertzienne est au sujet de 300dB. C'est une atténuation désespérément grande pour des communications journalières, ainsi ce choix de la fréquence n'est pas approprié aux radiocommunications par l'eau. Pour 10GHz, la plus basse courbe pointillée verte, note nous sommes 300dB finis perdants par doubler de la distance ! Pour l'onde hertzienne en eau salée, nous prenons les cercles rouges et la ligne se joignante. La quatrième courbe (10GHz) est outre de la balance parce que l'atténuation est trop pour que ce graphique montre. L'eau salée a les pertes élevées de conduction qui finissent vraiment outre de l'onde hertzienne dans très, distance très courte. Vous pouvez voir qu'il y a peu de point en traçant une plus longue distance sur le graphique ! Noter que de plus basses fréquences, encore inférieures à 100MHz, sont beaucoup plus appropriées aux radiocommunications par l'eau, que des fréquences micro-ondes, de ce type tracées ici. D'une part, l'eau salée regarde très utile pour arrêter des ondes hertziennes !

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