Sähkömagneettisen aallon pituus

(1)

11.11.2006 Tiedonsiirron perusteet / AB 54

SIIRTOTIET JA ANTENNIT

1. Langallinen ja langaton tiedonsiirto 2. Sähkömagneettisista kentistä ja aalloista 3. Johtimelliset siirtotiet

4. Johtimettomat siirtotiet: Radioaallot ja niiden eteneminen

5. Antennien perusteet

(2)

Siirtotiet

• Siirtotien muodostaa lähettimen ja vastaanottimen välinen fyysinen yhteys

• Siirtotie voi olla:

• Johtimellinen (parikaapeli, koaksiaalikaapeli, valokuitu)

• Johtimeton (mikroaaltolinkit, satelliittilinkit, radiotie, infrapunalinkit)

• Molemmissa tapauksissa tiedonsiirto tapahtuu sähkömagneettisten aaltojen avulla

(3)

Sähkömagneettisista kentistä ja aalloista

• Sähkömagneettinen aalto eli sähkömagneettinen säteily koostuu sähkö- ja magneettikentistä.

• Aalto etenee suoraviivaisesti tyhjiössä valon nopeudella c = 3 x 10⁸ m/s.

• Ilmassa etenemisnopeus on lähes sama kuin tyhjiössä, mutta muissa väliaineissa etenemisnopeus voi poiketa tästä paljonkin.

• Sinimuotoisesti vaihtelevat sähkökenttä ja magneettikenttä ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden ja kohtisuorassa myös aallon etenemissuuntaan nähden.

(4)

Poikittaisissähkömagneettinen tasoaalto

Sähkömagneettisella aallolla sähkökenttä ja magneettikenttä ovat kohtisuorassa toisiinsa nähden ja kohtisuorassa myös aallon etenemissuuntaan nähden.

Sähkömagneettisen aallon polarisaatio tarkoittaa sähkökentän E suuntaa: yllä olevassa kuvassa on kysymys vaakapolarisaatiosta*. Seuraavalla sivulla kuvatussa aallossa on pystypolarisaatio. Polarisaatiotaso voi myös kiertyä aallon edetessä; tällöin syntyy sirkulaarinen polarisaatio.

(*Kuvassa on virhe/ristiriita merkinnöissä; Pitäisi olla E = sähkökenttä, H = magneettikenttä.)

(5)

Sähkömagneettisen aallon pituus

• Jos sähkömagneettisen aallon taajuus on f [Hz], niin aallonpituus λ= c / f [m].

Sähkömagneettinen säteily voi syntyä kun sähkövaraus kiihtyy; tämä voi aiheutua mm. suuritaajuisesta sähkövirran tai jännitteen vaihtelusta johtimissa tai muussa väliaineessa.

Sähkömagneettiset aallot voidaan esittää Maxwellin yhtälöiden avulla ja niistä voidaan johtaa ns. tasoaaltoratkaisu yllä kuvatuille tapauksille.

(6)

Sähkömagneettisen aallon syntyminen, luonne…

• Sähkömagneettinen aalto / säteily voi syntyä kun sähkövaraus kiihtyy mm. suuritaajuisesta sähkövirran tai jännitteen vaihdellessa.

• Sähkömagneettisten aaltojen teoria on monimutkaista; kenttien keskinäinen vuorovaikutus riippuu ympäröivästä materiasta.

• Sähkömagnetismin teoria voidaan esittää Maxwellin yhtälöiden avulla. Teoriasta on runsaasti kirjallisuutta…

• Sähkömagneettisella säteilyllä on myös hiukkasluonne, ts. aallolla on energiakvantti, jonka energia W = h f [J] (h = 6,6256 x 10 ^–34Js).

Sähkömagneettinen aalto / säteily voi syntyä kun sähkövaraus kiihtyy; tämä voi aiheutua mm. suuritaajuisesta sähkövirran tai jännitteen vaihtelusta johtimissa tai muussa väliaineessa.

Sähkömagneettisten aaltojen syntymekanismeja on useita; ne ovat teorialtaan melko mutkikkaita.

Aaltojen eteneminen on monimuotoista. Kenttien keskinäinen vuorovaikutus riippuu ympäröivästä väliaineesta (materiaalista ja rakenteista). Lisäksi väliaineen isotrooppisuus, homogeenisuus ja lineaarisuus on huomioitava, sillä ne vaikuttavat aallon etenemiseen. Eri aineiden rajapinnoissa on tarkasteltava rajapintaehdot.

Väliaineen ominaisuuksia matemaattisissa ratkaisuissa edustavat:

Permittiivisyys, ε

- tyhjiössäε=ε₀≈8,8542 * 10^-12 F/m - muissa homogeenisissä väliaineissa ε= ε_rε₀

- suhteellinen permittiivisyys, ε_ron aineen rakenteesta riippuva vakio (ilman ε_r= 1) Permeabiliteetti, μ

- tyhjiössäμ=μ₀≈4π* 10^-7 H/m

- muissa homogeenisissä väliaineissa μ= μ_rμ₀

- suhteellinen permittiivisyys, ε_ron aineen rakenteesta riippuva vakio (ilman μ_r= 1)

Sähkömagnetismin teoria, joka voidaan esittää Maxwellin yhtälöiden avulla, on perustana kaikelle sähkötekniikalle. Teoriasta on runsaasti kirjallisuutta, mutta tässä opintojaksossa riittää yleiskuvan saaminen sähkömagneettisista aalloista.

Sähkömagneettisten aaltojen eri aallonpituudet ovat hyvin eri tavoin vuorovaikutuksessa materiaalin kanssa. Radioaallon energiakvantin suuruus 1 THz taajuudella on vain 4 eV. Biologisen materiaalin ionisoimiseen tarvitaan vähintään energia 12 eV.

UV-aallonpituinen ja sitä lyhytaaltoisempi sähkömagneettinen aalto / säteily pystyy ionisoimaan biologista materiaalia.

pienempitaajuiset radioaallot voivat vain lämmittää biologista materiaalia mm. vesimolekyylejä liikuttamalla; vrt.

mikroaaltouunin toimintaperiaate…

(7)

Maxwellin yhtälöt

Maxwellin yhtälöiden perusteellinen käsittely tai ymmärtäminen ei kuulu tämän opintojakson tavoitteisiin.

Yhtälöt on esitetty tässä vain teoriataustan esittelemiseksi.

(8)

Sähkömagneettinen spektri

Sähkömagneettisten aaltojen spektri on jaettu dekadin suuruisiin taajuusalueisiin, joista käytetään lyhenteitä; esim VLF-alue on 3 kHz - 30 kHz ja UHF-alue on 300 MHz – 3 GHz.

Radioaalloiksi kutsutaan tavallisesti sähkömagneettisen spektrin osaa, joka on taajuuden 300 MHz alapuolella. UHF- ja SHF-alueita (300 MHz – 30 GHz) kutsutaan usein mikroaaltoalueeksi; Mikroaaltoalueen alarajana pidetään tosin toisinaan myös taajuutta 1 GHz.

Radioaallot poikkeavat muista sähkömagneettisen spektrin osista vain aallonpituuden ja energiakvantin suhteen. Molemmat seikat liittyvät aallon vuorovaikutukseen ympäristönsä kanssa.

Kuvaan on merkitty myös taajuuksien tyypillisiä käyttökohteita mm.

tietoliikennesovelluksissa. Taajuuksien käytöstä eri tarkoituksiin on sovittu kansainvälisesti. Kansallinen radiolainsäädäntö noudattaa kansainvälisiä sopimuksia.

Elektroniikan toteuttaminen, esim. vahvistinsuunnittelu, voidaan jakaa

pientaajuustekniikaksi ja suurtaajuustekniikaksi eli RF-tekniikaksi. Näitten rajana

on karkeasti taajuus 1 MHz.

(9)

Johtimelliset siirtotiet:

– Parikaapeli

• Eniten käytetty johtimellinen siirtotie

• Koostuu toistensa ympärille kiedotuista kahdesta kuparijohdosta

• Kierrolla häiriöitä pienentävä vaikutus

• Useita johtopareja voidaan yhdistää suuremmaksi kaapeliksi

Kierretty parikaapeli perustuu kahden tai useamman suojatun kuparijohdinparin säännölliseen spiraalirakenteeseen. Säännöllinen kiertäminen vähentää kaapelin herkkyyttä

elektromagneettiselle häiriölle (ylikuuluminen, ympäristön kohinan kytkeytyminen).

Häiriösietoisuutta voidaan parantaa myös päällystämällä kaapeli metallipunoksella. Vaimennus parikaapelissa on selkeä taajuuden funktio.

Tyypit:

• Suojaamaton (UTP), edullisempi, helpommin käsiteltävissä, käytetään paljon puhelinkaapelina

• Kaapelisuojattu (STP), koko kaapeli ympäröity suojavaipalla, suositaan dataverkoissa, koska kestää paremmin ulkoisia häiriöitä

• Parisuojattu (FTP), jokainen pari kaapelissa on erikseen ympäröity suojavaipalla

Parikaapelia käytetään niin puhelin- kuin dataverkoissa yleisesti. Parikaapelilla voidaan välittää sekä digitaalisia että analogisia signaaleita. Puhelinverkkojen siirtojärjestelmissä analogisia signaaleita käytettäessä (ei enää paljoa käytössä) vahvistimien on oltava 5-6 km välein ja digitaalisilla signaaleilla toistinten väli on 2-4 km. Puhelinverkoissa parikaapelia käytetään myös tilaajajohtimena. Myös xDSL-yhteydet on tilaajapäässä toteutettu kuparikaapeleilla. Lähiverkoissa parikaapelilla päästään jopa yli 100 Mbps nopeuteen rajoitetulla etäisyydellä. Yleisesti mitä suurempi tiedonsiirtonopeus, sitä lyhyempi etäisyys.

(10)

– Koaksiaalikaapeli

• Suurtaajuisille signaaleille => suuri siirtokapasiteetti

• Kaksi johdinta sisäkkäin – Sisempi kuparilankaa

– Ulompi ohuesta kuparilangasta punottua verkkoa – Välissä eriste

• Epäsymmetrinen kaapeli

• Signaali vaimenee enemmän kuin parikaapelissa

Koaksiaalikaapeli on kuin parikaapeli, mutta johdot ovat sisäkkäin. Kaapelilla on jo luontaisesti parempi häiriönsieto. Suurimmat häiriötekijät ovat vaimennus, lämpökohina ja keskeismodulaatiokohina. Koaksiaalikaapelin taajuusvaste on selvästi parikaapelia parempi.

Koaksiaalikaapelilla voidaan välittää sekä analogisia että digitaalisia signaaleita.

Koaksiaalikaapelia käytetään esimerkiksi TV-jakeluverkoissa, puhelinverkkojen

runkoverkoissa (nykyisin kuitu) ja lähiverkoissa (nykyisin on siirrytty paljolti parikaapeliin).

Vahvistimet on yleensä sijoitettava parin km välein, toistimet 1 km välein (korkeilla siirtonopeuksilla jopa tiheämpään).

(11)

– Optinen kuitu

125 μm μm

Optinen kuitu on 2-125 µm paksuista valoa läpäisevää materiaalia (lasi, muovi, …). Kuitu koostuu ytimestä, heijastuspinnasta ja kuoresta. Ytimessä siirretään valoaallot,

heijastuskerroksen tarkoituksena on pitää valo ytimessä ja kuori suojaa kuitua kosteudelta ja vaurioilta. Optiset kuidut toimivat 100 - 1000 THz alueella (infrapuna ja näkyvä valo).

Kuitujen toiminta perustuu valon kokonaisheijastukseen.

Kuidun etuja ovat suuri kapasiteetti (kaistanleveys, tiedonsiirtonopeus), pieni koko ja keveys (ohut kaapeli), elektromagneettinen häiriönsieto (ei impulssikohinaa tai ylikuulumista, turvallisuus), pieni vaimeneminen (toistinten etäisyys jopa satoja kilometrejä).

Optisia kuituja käytetään kolmessa eri taajuusikkunassa infrapuna-alueella johtuen niiden ominaisuuksista (850, 1300, 1550 nm. Useat toteutukset käyttävät LEDiä ja 850 nm aluetta (ei suuria datanopeuksia). Suuret datanopeudet vaativat alempien taajuusalueiden käyttöä (ja mahdollisesti laseria).

(12)

• Kuitutyypit:

Kuidut voidaan jakaa monimuoto- ja yksimuotokuituihin.

Monimuotokuituja on askeltaitekertoimisia ja asteittaistaitekertoimisia

(gradienttikuitu). Monimuotokuiduissa valo siirtyy useiden heijastusten avulla.

Ytimen halkaisija on yleensä 50 tai 62 μm. Monimuotokuidut kärsivät signaalipulssin levenemisestä eli dispersiosta johtuen useista säteiden etenemisreiteistä.

Asteittaistaitekertoimisella kuidulla on paremmat dispersio-ominaisuudet kuin askeltaitekertoimisella kuidulla (kulkuaikaerot tasoittuvat, koska säteet kulkevat ulkokerroksissa nopeammin kuin ytimessä).

Yksimuotokuidun ytimen halkaisija on yleensä alle 10 μm. Yksimuotokuidun dispersio-ominaisuudet ovat parhaat, koska valo pääsee etenemään

kuidussa vain suoraan. Tällöin myös signaalin vaimeneminen on pienintä.

(13)

• Sovelluskohteita:

Sovellukset:

– Televerkkojen valokaapelisiirtojärjestelmä (ks. yllä)

• Optisessa johtopäätteessä sähköinen signaali muutetaan valoksi ja päinvastoin

• Käytetään kaksitasoista johtokoodia (valoteho ei voi olla negatiivinen)

• Järjestelmät aina digitaalisia

Kuitujen käyttökohteita ovat televerkkojen runkoverkot (kuidut ovat parhaimmillaan suurta kapasiteettia vaativiin olosuhteisiin), kaupunkiverkot (kuituja voidaan käyttää myös lyhyemmillä matkoilla yhdistämään keskuksia), lähiverkot (useat uudet teknologiat perustuvat kuitujen käytölle) sekä tulevaisuudessa myös tilaajajohdot (mahdollistaa todellisen kotimultimedian).

Kehityskohteita:

– Kehitystyötä tapahtuu kuiduissa, pääteyksiköissä ja liittimissä

• Kuituliittimen mekaniikka hyvin tarkkaa

• Lähetinosassa valolähteinä loistediodit (LEDit) tai laserit

• Vastaanottimessa ilmaisimina PIN- tai vyöryfotodiodit

– Kehitteillä yhä suurempia nopeuksia (nykyisinkin voidaan siirtää jopa satoja tuhansiia puheluita yhdessä kuidussa)

– WDM

(14)

Parikierretty johdin (parikaapeli)

Suojaamaton parikaapeli (Unshielded Twisted Pair), 100 ohm

• Kategoria 1 - ei suorituskykyvaatimuksia

• Kategoria 2 - Puhelinjärjestelmät, enintään 1 Mbps

• Kategoria 3 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 16 Mbps

• Kategoria 6 - Puhelinjärjestelmät ja lähiverkot, enintään 1 Gbps

Suojattu parikaapeli (Shielded Twisted Pair), 150 ohm

• Kategoria 1 - IBM Token ring 4/16 Mbps

• Kategoria 9 - IBM Token ring 4/16 Mbps

(15)

Johtimettomat siirtotiet:

Johtimettomien siirtoteiden jako (käyttökohteita, esimerkkejä)

• Mikroaaltolinkit (suunnattu kommunikointi: ”kiinteät” radioyhteydet)

• Satelliittilinkit (satelliittitiedonsiirto: ”kiinteät” radioyhteydet, mm. mannerten välinen puhelinliikenne / satelliittiTV = broadcasting)

• Radiotie (suuntaamaton kommunikointi: yleiset radio&TV = broadcasting / yl.

matkapuhelinverkot;mobiilit! / erillisverkot, esim VIRVE)

• Infrapuna (lyhyen matkan point-to-point)

•Lyhyen kantaman radiotie (WLAN, Bluetooth, RFID,…)

(16)

Radioaallot, etenemismekanismit:

Vapaassa tilassa signaali etenee radiotaajuisena säteilynä. Radioaallon eteneminen ilmakehässä riippuu taajuudesta (ks. taulukko yllä).

Radioaallon etenemiseen vaikuttavat troposfäärin, ionosfäärin ja maaston ominaisuudet.

Radioaallon eteneminen on melko monimutkaista näiden vaikuttavien tekijöiden vaikutuksesta. Ilmakehän alin kerros on troposfääri, se on kerros, missä sääilmiöt

tapahtuvat. Troposfääri ulottuu navoilla noin 9 km:n ja päiväntasaajalla lähes noin 17 km:n korkeuteen. Troposfääri kerros on homogeeninen ja on jatkuvasti muuttuvassa tilassa.

Radioaaltojen etenemiseen paikasta toiseen vaikuttavat lämpötila, paine, kosteus, sade jne.

Aalto vaimenee, siroaa ja kaartuu sekä voi heijastua saapuessaan troposfääriin. Kun signaali vastaanotetaan, vastaanotetun signaalin amplitudi ja vaihe voivat vaihdella satunnaisesti monitie-etenemisen vuoksi. Myös signaalin polarisaatio saattaa muuttua ja ilmakehä voi aiheuttaa kohinaa.

Ilmakehän seuraavana kerroksena on ionosfääri, joka ulottuu noin 60 km:stä 100 km:iin.

Ionosfäärissä on auringon ultravioletti- ja hiukkassäteilyn ionisoimaa plasmaa eli vapaita elektroneita ja ioneja. Ionosfääriä radioaalto ei pääse läpäisemään sen tilasta riippuvan rajataajuuden ( n.10 MHz ) alapuolella ja näin ollen se vain heijastuu siitä

Diffraktiota, sirontaa ja heijastuksia radioaalloille aiheuttavat maaston erilaiset kohteet ja rakennukset. Matalilla taajuuksilla pintaa pitkin etenevien aaltojen vaimennus riippuu paljolti maanpinnan sähköisistä ominaisuuksista.

Katso myös: Antennien välinen yhteys

Katso myös: EMI, EMC, Sähkömagneettinen yhteensopivuus

(17)

Radioaaltojen sovellukset

• Kiinteä radiotietoliikenne; linkit

• Yleisradiotoiminta

• Siirtyvä radiotietoliikenne

• Muut kuin tietoliikennesovellukset; useimmiten sis. tiedonsiirtoa – Radionavigointi

– Tutkat

– Kaukokartoitus – Radioastronomia

• Radiotaajuiset anturit

• Tehosovellukset; suurtaajuuskuumennus, …

• Lääketieteelliset sovellukset; kuvantaminen, hoitolaitteet, …

Sähkömagneettisten aaltojen eri aallonpituudet ovat hyvin eri tavoin

vuorovaikutuksessa materian (aineen kanssa). Radioaallon energiakvantin suuruus 1 THz taajuudella on vain 4 eV. Biologisen materiaalin ionisoimiseen tarvitaan vähintään energia 12 eV. UV-aallonpituinen ja sitä lyhytaaltoisempi sähkömagneettinen aalto / säteily pystyy ionisoimaan biologista materiaalia.

pienempitaajuiset radioaallot voivat vain lämmittää biologista materiaalia mm.

vesimolekyylejä liikuttamalla; vrt. mikroaaltouunin toimintaperiaate…

(18)

• Radioaaltojen etenemismallit:

Radioyhteyksissä käytetyt tärkeimmät etenemismekanismit (alenevan taajuuden mukaisessa järjestyksessä ):

1. Eteneminen näköyhteysreittiä pitkin. Muistuttaa lähinnä likimäärin vapaan tilan etenemistä. Aallon kaartumisen takia radiohorisontti on geometristä horisonttia kauempana. UHF-, SHF- ja EHF- alueilla tämä on tärkein etenemismekanismi.

Sateen ja ilmakehän kaasujen aiheuttama vaimennus rajoittaa yhteydet lyhyiksi millimetriaaltoalueella ja infrapuna-alueella.

2. Eteneminen ilmakehän homogeenisuuksista tapahtuvan sironnan avulla.

Esitellyn mekanismin taajuusalue on noin 0,3 - 10 GHz.

3. Eteneminen ionosfäärin kautta. Ionosfäärin kautta radioaalto voi heijastua alle 30 MHz:n taajuuksilla. Uudelleen heijastumalla maanpinnasta on ympäri maapallon eteneminen mahdollista.

4. Eteneminen maanpinta- aaltona. Vaimennus kasvaa nopeasti taajuuden kasvaessa maanpinta-aallolla. Tämän vuoksi eteneminen rajoittuu noin alle 10 MHz:n taajuuksille.

(19)

Monitie-etenemisympäristö

(20)

Radiolinkkijärjestelmät

• Radiolinkki käyttää signaalin siirtoon voimakkaasti suunnattuja radioaaltoja

• Lautas- tai torviantennit => hyvin kapea antennikeila

• Televerkon runkoyhteyksillä, tukiasemayhteyksillä ja televisiokuvan siirrossa lähetysasemille

• Digitaaliset SDH-linkit käyttävät FSK- tai PSK-modulointia

• Mikroaallot => näköyhteys lähetys- ja vastaanottoantennin välillä

• Lähetystehot 0,1…1W

• Yleisiä taajuuksia 15, 18, 23, 26, 28, 38, 53 ja 58 GHz

• Maksimipituus 40-50 km yhdellä hypyllä (2 GHz), suurempitaajuuksisilla lyhemmät etäisyydet

• Tarvitaan yksi radiokanava molempiin suuntiin

• Kaupallinen toteutus esim. Nokian DMR18 – Taajuusalue 18 GHz

– Siirtokapasiteetti 2*2, 4*2, 8*2, 16*2 tai 1*34 Mbit/s

• Lyhyillä etäisyyksillä käytetty paljon minilinkkejä (pienet antennit, radio-osa mastossa)