Hvad rækker længst? II

Som nogen måske kan huske havde vi i foråret en diskussion om feltstyrkens afhængighed af bølgelængden, se den oprindelige tråd her: https://ham.brugtgrej.dk/forum.php?mode=thread&o bj=86071

Det umiddelbare svar på spørgsmålet var at jo længere bølgelængde og lavere frekvens desto større areal dækker antenne og derfor er den modtagne feltsyrke større, derfor vil f.eks et 70 MHz signal ville blive modtaget med en større feltstyrke end tilsvarende på 144 MHz.
Jeg stillede spørgsmålstegn om dette nu også var helt rigtigt, med baggrund i at energien i de enkelte fotoner, som er energipakkerne i elektromagnetisk stråling, kan skrives ved E = hv, hvor h er Plancks konstant og v er frekevensen. Her gælder at jo højere frekvens jo større er energien, og det passede jo ikke med at lavere frekvens skulle give en højere feltstyrke. Der var en længere diskussion frem og tilbage, og jeg holdt fast i mit oprindelige spørgsmålstegn ved, om det alene var bølgelængden som grundlæggende var bestemmende for feltstyrken.

Jeg lovede en tilbagemelding, og den kan siges ganske kort -jeg tog fejl :)

Radiobølgers udbredelse i rummet og den efterfølgende energidensitet er grundlæggende uafhængig af bølgelængden. Men større bølgelængde betyder større areal af antenne og dermed modtagelse af en større del af signalet som er udbredt i rummet. Jo lavere frekvens, jo højere feltstyrke. For den enkelte foton, altså på kvanteniveau gælder, at energien stiger med frekvensen. Her kommer Heisenberg ind billedet, når vi kun kigger på energien af den enkelte foron, så har den ingen udbredelse i rummet og kan ikke modtages af en antenne, derfor set i forhold til udbredelse af radiobølger i rummet er det ikke kvantenieauet som er betydende, men derimod det makroskopiske areal som modtagerantennen dækker. Der er mulighed for at fokusere energien med retningsantenner, og dermed øge styrken af det modtagne signal, men grundlæggende kan man ikke lave energi ud af ingenting. Så er der alle mulige andre forhold som refleksion i ionosfære, troposfære, aurorazone, vands absorption m.m, men det er en helt anden historie :)

Svar til #1:

:-) og dog... Du skriver "Jo lavere frekvens, jo højere feltstyrke". Det er ikke rigtigt.

Hvis du anvender en TX antenne med et givet gain i retning mod modtageren, vil feltstyrken ved modtageren være helt og aldeles uafhængig af frekvensen! Altså så længe TX antennes gain er uændret.

Du kan ikke anvende de samme betragtninger for TX og RX antenner.
Husk at feltstyrke angives som f.eks. V/m eller W/m^2.
Det er derfor modtagerantennes størrelse spiller en rolle for den modtagne effekt.

Mvh
Hans-Jørgen

Svar til #2:

Bemærk den grundlæggende teori er ikke for retningsantener, men for en perfekt rundstrålende isotrop antenne.

Svar til #3:
Og i det frie rum?

Svar til #4:

Ja, i det frie rum

Svar til #1:

Hej Claus

Et spændende emne, som dog bliver noget langhåret for mig.

https://nbi.ku.dk/spoerg_om_fysik/fysik/fonon/

Laveste frekvens er vel den der kræver mindst tilført energi.

Kort sagt, må man kikke på hvor langt man skal snakke, og derefter vælge frekvens.

Et signal til mars eller længere, må vel være det som rækker længst.

Ellers syntes jeg at et uhf signal godt kan virke kraftigere end et tilsvarende signal på vhf, med de normale lodrette antenner, som har flere db på uhf.

Hvis jeg skulle lave dx længst muligt her på jorden, ville jeg vælge 20 m.

Omkring de lave hf-bånd kræver det lidt større antenner, og de rigtige tidspunkter.

Svar til #3:

Det er ikke korrekt.
Teorien gælder for alle antenner!


Mvh
Hans-Jørgen

Svar til #7:
Ja, det er rigtigt.
Men lad mig forklare udgangspunktet bedre: Det helt grundlæggende system er elektromagnetisk stråling som udsendes fra en perfekt rundstrålende antenne i et vacuum. Hvordan radiobølgerne udbredes herfra er uafhængigt af frekvensen. Det som er betydende for styrken af det modtagen signal er afstanden til senderen og arealet af modtagerantennen, og dermed bølgelængden.
Til det system kan du så introducere retningsantenner m.m, men det er grundlæggende de samme fænomener der er i spil.

Svar til #8:

Ok, vi er nok enige når det kommer til stykket :-)

Jeg har opdateret mit forrige indlæg med en beregnig af feltstyrken, men jeg kan lige tage den her igen. Jeg håber, at dette tydeliggør hvad jeg mener.

Mvh
Hans-Jørgen

Svar til #1:
I dit udgangspunkt skærer du en isotropisk antenne til 70 MHz over en kam med en isotropisk antenne til 144 MHz. Det kan man ikke. Som du selv skriver har 70 MHz antennen et større apertur.

I et scenario med antenner med ens apertur i begge ender (f.eks. to 1 m paraboler i en link) vil signalet stige med frekvensen. Modtagerantennes apertur er konstant, men senderantennes retningsvirkning stiger med frekvensen.

Svar til #10:
Der gælder jo stadig ikke for en isotrop i vacuum.

Svar til #10:

En isotropisk antenne er fuldstændig frekvensuafhængig. Den er kendetegnet ved at være en singularitet, altså uden nogen form for fysisk udstrækning.
Det er en rent matematisk model, der ikke på nogen måde kan realiseres i den virkelige verden!
Desuden giver det kun mening at anvende den isotropiske model, når vi taler om TX antenner. På modtagersiden giver det ingen mening.

I dit eksempel med parabolerne blander du æbler og pærer sammen. Antennens retningsvirkning stiger med frekvensen. Javel, men det gør gainet jo også (faktisk netop derfor), og når TX antennens gain stiger, stiger feltstyrken hos modtageren, og det var ligesom ikke rigtig det vi talte om ;-)

Mvh
Hans-Jørgen

Svar til #12:

En isotrop antenne er ikke en singularitet. Den har en matematisk veldefineret fysisk størrelse (indfangningsareal) på (l*l)/(4*pi). (lambda i anden divideret med 4*pi)
Man kan sagtens tale om isotrop antenne både som TX og som RX antenne. Og selv om det er en matematisk model forsøger man faktisk at realisere den i praksis (EMF dosimetre)

Men du har lidt ret i "æbler og pærer". I disse debatter vælger vi alle selv vores udgangspunkt. Så nogen diskuterer udfra matematiske forhold, mens andre taler om aktueller frekvenser og fysiske antenner. Dertil putter vi så ionosfære, udbredelsesforhold, fotoner, erfaringer osv. osv. Men det gi'r en livlig debat.

73 OZ2OE

Svar til #13:

Tråden er nok ved at blive lidt langhåret, men jeg kan ikke helt lade den stoppe her ;-)

Fra
Constantine A. Balanis
Antenna theory analysis and design, 4. udgave fremgår:

"...the maximum effective area of an isotropic source is equal to the ratio of the maximum effective area to the maximum directivity of any other source."

Hmmm... Jovist det er ganske rigtigt lig med lambda i anden divideret med 4*pi, men hvordan får du det maksimale effektive areal til at være det samme som den fysiske størrelse?

Mvh
Hans-Jørgen

Svar til #1:
Du skriver: "Jeg lovede en tilbagemelding, og den kan siges ganske kort -jeg tog fejl :) Radiobølgers udbredelse i rummet og den efterfølgende energidensitet er grundlæggende uafhængig af bølgelængden"

Det er fuldstændig rigtigt. Lad os forlade det sub-atomare, mikroskopiske kvanteniveau og skifte til at se på radiobølgerne og de elektromagnetiske felter ud fra en makroskopisk betragtning.
Lad os starte med at se på effekttæthed og vente lidt med feltstyrke, og lad os starte med en isotropisk antenne, altså en antenne, der stråler lige godt (eller lige dårligt, som min gamle professor i elektromagnetisk feltteori sagde...) i alle retninger i rummet, altså jævnt fordelt over en kugleoverflade:

Lad os som eksempel tilføre den isotropiske antenne en sende-effekt på 1 watt. Så vil antennen udstråle denne ene watt ligeligt i alle retninger, og lad os se på effekttætheden i en afstand på 10 meter.
En kugle med radius på 10 meter vil have en overflade på 4 gange pi gange (radius i anden potens), altså 4 gange 3,14 gange 100 = ca. 1257 kvadratmeter, og på denne kugleoverflade vil effekttætheden (det, du korrekt kalder energidensiteten) være 1 watt divideret med 1257 kvadratmeter eller ca. 0,8 milliwatt pr kvadratmeter.

Indtil videre har vi ikke noget, der er frekvensafhængigt. Og som #7 skriver, så gælder dette for alle antenner, ikke blot for isotropiske antenner. Mere om det senere.

Nu tager vi så fat i en modtageantenne for at opsamle noget effekt til modtageren fra vores effekttæthed fra før. For at finde den rådighedseffekt, som modtageantennen 'tilbyder' til modtageren, skal vi bruge omsætningsforholdet fra det elektromagnetiske felts effekttæthed, udtrykt i watt pr kvadratmeter fra før, til rådighedseffekt udtrykt i watt. Den faktor kaldes antennens indfangningsareal (effective area), og denne faktor er givet som antennens forstærkning (gain) gange (bølgelængden i anden potens) divideret med (4 gange pi), eller som IEEE definerer det: "The effective area of an antenna in a given direction is equal to the square of the operating wavelength times its gain in that direction divided by 4pi". Her får #10 blandet tingene lidt sammen, hvilket korrekt bliver udredet af #12.

Nå, men her kommer bølgelængden så ind i billedet. Samtidig er det vigtigt at huske, at formlen gælder for forstærkningen i en given retning (in a given direction), og strengt taget skal vi også befinde os i antennens fjernfelt, altså hvor vi har en plan elektromagnetisk bølge, hvor E- og H-feltet står vinkelret på hinanden og begge disse felter står vinkelret på udbredelsesretningen. Udbredelsesmediet mellem antennerne behøver ikke at være tomt rum som #4 muligvis mener at tro.

Udskifter vi nu den isotrope sendeantenne, der jo har en forstærkning/gain på 0 dBi, med en antenne, hvor forstærkningen i en bestemt retning er større end 0 dBi, holder teorien stadigvæk. Her bliver blot noget af effekten samlet i en enkelt eller nogle retninger; men taget over hele kugleoverfladen fra begyndelsen af dette indlæg sker der det, at når forstærkningen øges i en enkelt eller nogle retninger, vil forstærkningen falde i andre retninger: Man kan ikke konstruere en antenne, der har stort gain i alle retninger samtidig; men det er en helt anden historie!

73, OZ7S Sven

Svar til #15:

Nej jeg mente frit rum :-)

Svar til #14:

Du har ret. Jeg skulle ha' undladt ordet "fysisk" og blot skrevet: "Den har en matematisk veldefineret størrelse (indfangningsareal)". Det var din bemærkning om at en isotropisk antenne var en singularitet, der fik mig til at trække formlen (l*l)/(4*pi) frem.

Jeg er ikke tidligere stødt på billedet af en isotropisk antenne som en singularitet - med de egenskaber at den interagerer med feltet omkring sig. Selv har jeg brugt billedet af en kugleformet "tåge" i rummet, med et tværsnitsareal svarende til det effektive indfangningsareal.

73 Ole

Svar til #17:

Dit billede af en kugleformet "tåge" i rummet, når talen er om indfangningsareal, er faktisk meget beskrivende. Den vil jeg tage til mig!

Den fysiske udformning er jo også helt ligegyldig, da den alligevel ikke findes ;-) Det handler jo dybest set om det bilede, man har inde i hovedet.

Mvh
Hans-Jørgen

Svar til #1:
Egen erfaring

2 håndradioer VHF 5 watt hhv. 2 håndradioer UHF 4 watt rækker lige langt i skovterræn både digi- og FM mode. Rækkevidden er ca. 3 km i normalt let bakket terræn med tæt skovbevoksning.

Radiohilsner fra OZ0ABC

Svar til #19:

Hej Karsten

Er VHF og UHF antennerne lige lange?

Blev testene lavet over samme strækning og på ca. samme årstid? (med eller uden blade på træerne; eller frostvejr?)