Зона френеля что это такое

Зоны Френеля

Другими словами, радиоволна в процессе распространения движется не только по прямой траектории и не в виде «луча» (хотя лучевые модели распространения радиоволн и применяются в расчете различных задач технической электродинамики). Когда волна перемещается на значительные расстояния, измеряемые сотнями длин волн, она, в результате распространения, занимает некий объем в форме эллипса:

Понятно, что при отсутствии прямой видимости качественная связь на больших расстояниях затруднительна. Но с требованиями к отсутствию препятствий в зоне Френеля все не так однозначно. Наличие препятствий внутри эллипсоида распространения радиоволн может приводить к наводкам, помехам или просто вносить дополнительное затухание (как, например, в случае с лесным массивом).

Если устанавливать радиомост только из условия наличия прямой видимости, то, вероятнее всего, на детекторе качества сигнала вы увидите значение 95-98%. Но при этом скорость передачи данных может оказаться минимальной (из-за потерь и повтора пакетов) по причине наличия препятствий внутри зоны Френеля.

Для расчета радиуса зоны Френеля можно воспользоваться упрощенной, но подтвержденной на практике формулой:

где R – радиус зоны Френеля (м);
S,D – расстояние от антенн до самой высокой точки предполагаемого препятствия (км);
f – частота (ГГц).

Когда радиус зоны Френеля над предполагаемым препятствием рассчитан, нужно понять не занимает ли препятствие больше 40% рассчитанного радиуса:

Что же делать в том случае, если препятствие закрывает большую часть радиуса этого эллипса и свободным от препятствий остается менее 60% зоны Френеля? В этом случае задача организации стабильного радиосигнала решается только путем поднятия антенн на соответствующую высоту, чтобы в месте наличия препятствия зона Френеля была достаточно свободна. После подъема антенн на необходимую высоту на обеих сторонах, линк будет работать на максимальной скорости и с максимальной для данного расстояния отдачей.

Еще следует отметить, что мы живем в трехмерном пространстве (amazing!). Поэтому следует учитывать и препятствия, которые находятся сбоку. Например, в случае построения линка, луч которого проходит между двух зданий, должно соблюдаться то же самое условие:

Таким образом, зона Френеля и, как следствие, размер эллипса определяется частотой работы и расстоянием между двумя конечными точками радиомоста (передатчиком и приемником). При этом отметим, что зона Френеля состоит из нескольких зон, причем зона 1 имеет самый сильный сигнал, а следующие зоны (зона 2 и зона 3) имеют более слабые сигналы:

Исходя из рисунка выше, зона Френеля рассчитывается с использованием следующего уравнения:

Вот еще упрощенная формула для определения радиуса самой широкой точки зоны Френеля (в метрах):

При расчета высоты установки антенн рекомендуем пользоваться следующим онлайн-расчетчиком: Ubiquiti Outdoor Wireless Link Calculator.

Источник

Что такое зона Френеля и CCQ (Client Connection Quality) или фундаментальные факторы качественного беспроводного моста

Содержание

В данной статье хочу поговорить о фундаментальных факторах построения качественного беспроводного моста, так как многие «сете-строители» считают, что вполне достаточно будет купить качественное сетевое оборудование, установить и получить 100% отдачу от них — что в итоге не у всех получается.

CCQ — что это?

CCQ (Client Connection Quality) с английского переводиться как «качество клиентского соединения» — что в принципе показывает процентное соотношение теоретически возможной к реально текущей пропускной способности канала, иными словами процент достигнутой пропускной способности с максимально возможной на конкретном оборудовании.

К примеру, вы используете оборудование с максимально возможно пропускной способностью в 200 мбит/с, а по факту на текущем канале 100 мбит/с — в таком случае CCQ равен 50%

В сетевом оборудовании Mikrotik и Ubiquiti присутствуют два отдельных индикатора
Tx. CCQ (Transmit CCQ) — скорость передачи данных.
Rx. CCQ (Receive CCQ) — скорость приема данных.

Три основных фактора влияющие на качество CCQ

1. Юстировка двух антенн. Если говорить о беспроводном мосте «точка-точка» то понятно что антенны должны смотреть друг на друга максимально точно, «глаза в глаза».

Если нужен wi-fi мост «точка-многоточка» — то изначально нужно продумать всю архитектуру от секторной антенны провайдера до клиентских, так что бы они пересекались максимально точно.

2. Наличие шума в канале. Перед тем как определиться с частотой wi-fi моста, обязательно проверить каждую частоту на наличие шума, исходя из данной проверки остановиться на менее загруженной частоте.

3. Зона Френеля.

Зона Френеля — что это?

Зона Френеля это объем радио-волнового канала между двумя антеннами.

Максимальный объем канала находиться в центральной точке между двумя антеннами.

Для максимально качественного сигнала нужно подобрать наиболее чистую зону, как от физических препятствий, так и от радио-волновых (о чем говорили во втором пункте).

Как рассчитать зону Френеля?

Формула расчета зоны Френеля в центральной ее точке:

D — расстояние (km)
f — частота (GHz)

Формула расчета зоны Френеля в любой ее точке, например в месте препятствия:

f — частота (GHz)
D1 — расстояние до нужной вам точки расчета, от первой антенны (km)
D2 — расстояние до нужной вам точки расчета, от второй антенны (km)

Хорошенько проработав данные три фактора, вы в итоге получите стабильный беспроводной мост, с максимально возможной скоростью передачи данных.

Источник

Дифракция света

Дифракцией света называется явление отклонения света от прямолинейного направления распространения при прохождении вблизи препятствий. Как показывает опыт, свет при определенных условиях может заходить в область геометрической тени. Если на пути параллельного светового пучка расположено круглое препятствие (круглый диск, шарик или круглое отверстие в непрозрачном экране), то на экране, расположенном на достаточно большом расстоянии от препятствия, появляется дифракционная картина – система чередующихся светлых и темных колец. Если препятствие имеет линейный характер (щель, нить, край экрана), то на экране возникает система параллельных дифракционных полос.

Дифракционные явления были хорошо известны еще во времена Ньютона, но объяснить их на основе корпускулярной теории света оказалось невозможным. Первое качественное объяснение явления дифракции на основе волновых представлений было дано английским ученым Т.Юнгом. Независимо от него в 1818 г. французский ученый О.Френель развил количественную теорию дифракционных явлений. В основу теории Френель положил принцип Гюйгенса, дополнив его идеей об интерференции вторичных волн. Принцип Гюйгенса в его первоначальном виде позволял находить только положения волновых фронтов в последующие моменты времени, т. е. определять направление распространения волны. По существу, это был принцип геометрической оптики. Гипотезу Гюйгенса об огибающих вторичных волнах Френель заменил физически ясным положением, согласно которому вторичные волны, приходя в точку наблюдения, интерферируют друг с другом. Принцип Гюйгенса–Френеля также представлял собой определенную гипотезу, но последующий опыт подтвердил ее справедливость. В ряде практически важных случаев решение дифракционных задач на основе этого принципа дает достаточно хороший результат. Рис. 3.8.1 иллюстрирует принцип Гюйгенса–Френеля.

Принцип Гюйгенса–Френеля. ΔS₁ и ΔS₂ – элементы волнового фронта, и – нормали

Пусть поверхность S представляет собой положение волнового фронта в некоторый момент. В теории волн под волновым фронтом понимают поверхность, во всех точках которой колебания происходят с одним и тем же значением фазы (синфазно). В частности, волновые фронта плоской волны – это семейство параллельных плоскостей, перпендикулярных направлению распространения волны. Волновые фронта сферической волны, испускаемой точечным источником – это семейство концентрических сфер.

Для того чтобы определить колебания в некоторой точке P, вызванное волной, по Френелю нужно сначала определить колебания, вызываемые в этой точке отдельными вторичными волнами, приходящими в нее от всех элементов поверхности S (ΔS₁, ΔS₂ и т. д.), и затем сложить эти колебания с учетом их амплитуд и фаз. При этом следует учитывать только те элементы волновой поверхности S, которые не загораживаются каким-либо препятствием.

Рассмотрим в качестве примера простую дифракционную задачу о прохождении плоской монохроматической волны от удаленного источника через небольшое круглое отверстие радиуса R в непрозрачном экране (рис. 3.8.2).

Дифракция плоской волны на экране с круглым отверстием

Точка наблюдения P находится на оси симметрии на расстоянии L от экрана. В соответствии с принципом Гюйгенса–Френеля следует мысленно заселить волновую поверхность, совпадающую с плоскостью отверстия, вторичными источниками, волны от которых достигают точки P. В результате интерференции вторичных волн в точке P возникает некоторое результирующее колебание, квадрат амплитуды которого (интенсивность) нужно определить при заданных значениях длины волны λ, амплитуды A₀ падающей волны и геометрии задачи. Для облегчения расчета Френель предложил разбить волновую поверхность падающей волны в месте расположения препятствия на кольцевые зоны (зоны Френеля) по следующему правилу: расстояние от границ соседних зон до точки P должны отличается на половину длины волны, т. е.

…

Если смотреть на волновую поверхность из точки P, то границы зон Френеля будут представлять собой концентрические окружности (рис. 3.8.3).

Границы зон Френеля в плоскости отверстия

Из рис. 3.8.2 легко найти радиусы ρm зон Френеля:

где Am – амплитуда колебаний, вызванных m-й зоной.

С хорошим приближением можно считать, что амплитуда колебаний, вызываемых некоторой зоной, равна среднему арифметическому из амплитуд колебаний, вызываемых двумя соседними зонами, т. е.

Так как расстояния от двух соседних зон до точки наблюдения отличаются на λ / 2, следовательно, возбуждаемые этими зонами колебания находится в противофазе. Поэтому волны от любых двух соседних зон почти гасят друг друга. Суммарная амплитуда в точке наблюдения есть

Источник

Зоны Френеля. Просто о сложном.

Научиться настройке MikroTik можно на онлайн курсе по оборудованию этого производителя. Автор курса является сертифицированным тренером MikroTik. Подробней Вы можете прочитать в конце статьи.

Зоны Френеля используются теорией распространения для расчета отражений и дифракционных потерь между передатчиком и приемником. Зоны Френеля нумеруются и называются «F1», «F2», «F3» и т. д.

Существует бесконечное количество зон Френеля, однако только первые 3 имеют реальное влияние на распространение радиоволн.

Что такое зона Френеля и почему это важно?

Зона Френеля — это цилиндрический эллипс, проведенный между передатчиком и приемником. Размер эллипса определяется частотой работы и расстоянием между двумя участками.

Определяем размер зоны

Когда радиосигнал проходит между передатчиком и приемником, он может распространяться несколькими путями. Он может идти напрямую между передатчиком и приемником (основной сигнал). Сигнал может отражаться от земли и затем переноситься на удаленный приемник (отраженный сигнал). Он может идти влево или вправо и отражаться от «холма» (еще один отраженный сигнал).

Радиус зоны Френеля описывает это отражение относительно общей длины радиотрассы. Рисунок выше показывает основные и отраженные сигналы и F1 (первая зона Френеля) и F2 (вторая зона Френеля). Отражение может происходить в любом месте между передатчиком и приемником. На рисунке показано отражение, происходящее в случайном месте, а не в центре пути.

Когда сигнал отражается, происходят две вещи:

ВАЖНО! На длинном пути сдвиг может составить 180º или больше.

Почему это важно? Приемная антенна не может различить основной и отраженный сигналы. Они оба на одной частоте. Он принимает как основной, так и отраженный сигналы. Он также получает любые другие сигналы в пределах своего заданного диапазона частот.

Когда антенна получает основной сигнал и отраженный сигнал, эти два сигнала будут объединяться и суммироваться на антенне. Если они сдвинуты на 360º (по фазе), это не проблема. Однако, если сигналы разнесены на 180º (противоположная фаза), они будут взаимно поглощаться, и приемник ничего не получит.

Метод зон Френеля

Для нахождения результата интерференции вторичных волн Френель предложил метод разбиения волнового фронта на зоны, называемые зонами Френеля.

Зона Френеля 1 (F1)

Радиус первой зоны Френеля рассчитывается так, чтобы разница в длине пути между основным сигналом и отраженным сигналом от расстояния радиуса F1 составляла 180º. Отраженный сигнал, смещенный на 180º расстояния пути плюс 180º от фактической точки отражения, составляет 360º фазового сдвига. Два сигнала, основной и отраженный, поступают на антенну на 360º друг от друга или в фазе. Они будут складываться и не влияют на производительность приемника.

Этот сдвиг фазы отражения может происходить в любом месте от вычисленной «трубки» зоны Френеля, известной как эллипс.

Зона Френеля 2 (F2)

Радиус второй зоны Френеля рассчитывается так, чтобы разница в длине пути между основным и отраженным сигналами от второй трубки зоны Френеля составляла 360º.

Это очень важно, так как отраженный сигнал имеет автоматический фазовый сдвиг на 180º плюс разница в длине пути 360º равна сдвигу фазы 540º. 540º и 180º имеют одинаковый фазовый сдвиг в математической модели, и два сигнала будут отменены, не оставляя сигнала на приемнике.

Вторая зона Френеля, F2, является зоной отражения, которая не учитывается при проектировании радиотрассы.

Зона Френеля 3 (F3)

Третья зона Френеля имеет разницу в длине пути 540º. Добавьте это к сдвигу отражения 180º; общее количество составляет 720º, и 2 сигнала находятся в фазе.

Эффект зоны Френеля

Конечным результатом является то, что четные зоны Френеля отражают сигнал 180 градусов. Это вредно для распространения по радио. Зоны Френеля с нечетным номером имеют фазовый сдвиг на 360º и не имеют никакого эффекта. Нечетные зоны Френеля — это «хорошие парни».

Эффект этих отражений в мобильной работе может ощущаться, например, вблизи крайнего конца ретранслятора.

В приемнике слышно быстрое увеличение / уменьшение сигнала, которое часто называют «пикетным ограждением».Быстрое увеличение и уменьшение сигнала от движущегося радио или транспортного средства называется замиранием Рэлея. Это является прямым результатом появления и исчезновения отражений в зоне Френеля, когда транспортное средство движется по шоссе.

Радиотерминалы «точка-точка»

Радиосвязи точка-точка обсуждаются далее в этой статье, однако стоит отметить одну хитрость при проектировании линий связи точка-точка.

Поскольку зона F2 вредна для уровня принимаемого сигнала, высоту антенны часто выбирают таким образом, чтобы F1 была беспрепятственной траекторией, а F2 препятствовала возвышению или утолщению земли вдоль трассы.

Любые 180º отраженные сигналы вдоль зоны F2 ослабляются холмом или землей и не достигают приемной антенны, чтобы создавать помехи и подавлять основной приемный сигнал.

Радиус зоны Френеля и расстояние до Земли

Диаметр зоны Френеля (половина диаметра — это радиус) эллиптического цилиндра можно рассчитать. Важным компонентом радиуса зоны Френеля является зазор между цилиндром зоны Френеля и поверхностью земли. Как показано на рисунке 2, показаны радиус зоны Френеля и расстояние от нижней части зоны Френеля до Земли.

При превышении 60% радиоканал считается «чистым, прямой видимости» и не несет дифракционных потерь.

Это понимание зон Френеля и их влияния помогает понять, как и почему радиопокрытие может быть предсказано с использованием математики, а теперь и компьютеров.

Дифракция Френеля на круглом отверстии

Предположим, что монохроматический луч света падает на экран с круглым отверстием в нем. На определенном расстоянии от отверстия на втором экране можно наблюдать дифракционную картину. Структура рисунка зависит от длины волны, и распределение фаз входящего волнового фронта, а также по диаметру, отверстия и расстояния, от дыры до экрана.

В этом так называемом дифракционном режиме ближнего поля или Френеля монохроматическая плоская или сферическая волна, которая освещает отверстие, будет создавать дифракционную картину в виде набора концентрических колец. Излучение на оптической оси будет минимальным или максимальным, когда при постоянной длине волны и диаметре отверстия расстояние от отверстия до экрана наблюдения уменьшается от бесконечности до нуля.

Кольца появляются после прохождения критического расстояния (также называемого длиной Рэлея):

\( z_p = A \lambda Z_p = A \lambda \)

Если ​ \( r > 3pZ>Z_p \) ​ z > z R «>— колец нет, но наблюдается плавное распределение освещенности в виде квадрата функции Бесселя, форма которого (но не диаметр пучка) остается постоянной при увеличении z. Это дальнее поле также называется дифракцией Фраунгофера.

То, появляется ли максимум или минимум на оптической оси, можно понять с помощью теории зон Френеля. Если число полу-лямбда-зон, «видимых» наблюдателем, нечетно, наблюдается максимум, четное количество зон создает минимальное излучение. Количество зон Френеля указывается номером Френеля:

В этих экспериментах измеряются расстояния, на которых появляются максимальная или минимальная интенсивность на оптической оси. Из этих измерений можно определить длину волны света, если известен диаметр отверстия.

В этом упражнении рассматриваются два входящих волновых фронта: плоская волна и сферическая волна.

Дифракция Френеля на маленьком круглом экране

Сферическая волна, распространяющаяся из точечного источника, встречает на своем пути экран с круглым отверстием

Каковы условия для дифракции Френеля?

Дифракция Френеля возникает, когда либо расстояние от источника до препятствия, либо расстояние от препятствия до экрана сравнимо с размером препятствия. Эти сопоставимые расстояния и размеры приводят к уникальному дифракционному поведению.

Почему дифракция Френеля отличается от других видов дифракции?

Как дифракция Френеля решается математически?

Принцип Гюйгенса — Френеля

Принцип Гюйгенса-Френеля гласит, что каждая точка на волновом фронте является источником вейвлетов. Эти вейвлеты распространяются в прямом направлении с той же скоростью, что и исходная волна. Новый волновой фронт — это линия, касающаяся всех вейвлетов.

Рис 3. Форма волны

Кристиан Гюйгенс был голландским ученым, который разработал полезную технику для определения того, как и где распространяются волны. В 1678 году он предположил, что каждая точка, к которой относится световое возмущение, сама становится источником сферической волны. Сумма вторичных волн (волн, являющихся результатом возмущения) определяет форму новой волны, показывает вторичные волны, идущие вперед от их источника. Он смог придумать объяснение линейного и сферического распространения волн и вывести законы отражения и преломления (описанные в предыдущих атомах), используя этот принцип. Однако он не мог объяснить то, что обычно называют дифракционными эффектами. Эффекты дифракции — это отклонения от прямолинейного распространения, которое возникает, когда свет сталкивается с краями, экранами и отверстиями.

Прямой волновой фронт: принцип Гюйгенса, применяемый к прямому волновому фронту. Каждая точка на фронте волны излучает полукруглый вейвлет, который перемещается на расстояние:

Новый волновой фронт представляет собой линию, касательную к вейвлетам.

Принцип Гюйгенса

На рисунке показан простой пример дифракционного принципа Гюйгенса. Принцип может быть показан с помощью уравнения ниже:

где s — расстояние, V — скорость распространения, а t — время.

Каждая точка на волновом фронте испускает волну со скоростью V. Испускаемые волны полукруглые и появляются в момент времени t. Новый волновой фронт касается вейвлетов. Этот принцип работает для всех типов волн, а не только для световых волн. Принцип полезен при описании отражения, преломления и интерференции. наглядно показывает, как принцип Гюйгенса может быть использован для объяснения отражения, и показывает, как его можно применять к преломлению.

Рефракция Гюйгенса: принцип Гюйгенса применяется к прямому волновому фронту, перемещающемуся из одной среды в другую, где его скорость меньше. Луч изгибается в направлении перпендикуляра, поскольку вейвлеты имеют меньшую скорость во второй среде.

Отражение : принцип Гюйгенса применяется к прямому волновому фронту, ударяющемуся о зеркало. Показанные вейвлеты испускались, когда каждая точка на фронте волны ударялась о зеркало. Касательная к этим вейвлетам показывает, что новый волновой фронт был отражен под углом, равным углу падения. Направление распространения перпендикулярно фронту волны, как показано стрелками, направленными вниз.

Пятно Пуассона

Пятно Пуассона является доказательством того, что даже если вы правы, вы можете быть не правы. Узнайте, почему эта концепция физики привела к тому, что имя Симеона Пуассона прожило в позоре почти 200 лет.

В начале восемнадцатого столетия Французская академия решила провести товарищеский конкурс. Члены Академии, как и ученые всего мира, заметили, что когда свет перемещался из одной среды в другую, он изгибался. Стекло, вода, гель, все, что позволяет свету проходить через него, даст ему проход, только если он изменит свой ход. Люди могли измерить изгиб света, но были озадачены тем, что заставило это произойти. Французская академия пыталась решить эту проблему, противопоставляя умы разных ученых.

Помните Августина Френеля? Он был инженером и изучал эффекты света. Работая оттуда, он придумал новую идею; свет излучался волнами, перпендикулярными направлению, в котором он проходил. Его идея вызвала волнение, особенно у пуассоновских пэров. Они полагали, что свет путешествовал как ряд частиц, все из которых имели сложные взаимодействия друг с другом. Пуассон, Френель и другие ученые собрались вместе и провели волнующую серию дискуссий о природе света и наблюдаемых эффектах его путешествия через различные среды.

К концу дебатов Пуассон выдвинул аргумент, который, казалось, сжег теорию Френеля до основания и «засолил землю под ней». Если кого-то забрасывают предметами, его лучший шанс избежать травмы — спрятаться за более крупным предметом (по крайней мере, пока ракеты, ищущие тепло, не разрушат его для всех). Спрячьтесь за скалой, и поток гальки отскочит от скалы и пролетит мимо, не задев вас. Если, с другой стороны, человек по пояс в воде и хочет спрятаться от волны, он не будет в безопасности, приседая за скалой. Волны огибают твердые предметы.

Пуассон рассуждал, что если свет действительно был волной, то когда свет включался на совершенно сферическом объекте, световые волны могли бы огибать этот объект. Идеальная симметрия сферы означала, что все световые волны встретятся в точном центре тени позади нее, ведь там люди смогут увидеть яркое пятно света.

Это было нелепо. После выступления, как все закончили смеяться, успешные французские ученые пошли развлечься или выпить что-нибудь в близлежащем заведении. По крайней мере, один человек не присоединился к ним. Доминик Араго, один из судей, понял, что Пуассон описал идеальный эксперимент. Он нашел круглый предмет, он нашел свет, и довольно скоро он нашел это пятно. Что явилось подтверждением словам Пуассона.

Ничего не оставалось, кроме как вручить приз Френелю. Пуассон выдвинул следствие света как волны, которая была настолько нелепой, настолько маловероятной, что это не могло быть объяснено ничем другим. Френель был достаточно умен, чтобы выдвинуть теорию. Пуассон был достаточно умен, чтобы доказать, что Френель прав, и доказать, что он не прав. Несмотря на то, что Доминик Араго действительно прошел тест, крошечная точка света в центре тени сферического объекта всегда называлась Пятном Пуассона. В физике нет вечного движения, но есть постоянные насмешки.

MikroTik: куда нажать, чтобы заработало?
При всех своих достоинствах, есть у продукции компании MikroTik один минус – много разобщенной и далеко не всегда достоверной информации о ее настройке. Рекомендуем проверенный источник на русском языке, где все собрано, логично и структурировано – видеокурс «Настройка оборудования MikroTik». В курс входит 162 видеоурока, 45 лабораторных работ, вопросы для самопроверки и конспект. Все материалы остаются у вас бессрочно. Начало курса можно посмотреть бесплатно, оставив заявку на странице курса. Автор курса является сертифицированным тренером MikroTik.

Источник