Недавно у меня получилось весьма простыми методами свести уравнения Максвелла, которые в рамках современного научного консенсуса являются безусловно немеханическим явлением, к уравнению Эйлера для механики жидкости.

Из приведённых выражений так или иначе следует, что электромагнетизм можно описать вполне конкретными течениями некой субатомной среды. Я в литературе не нашёл подобных материалов. Потому прошу широкую аудиторию Пикабу подсказать, есть ли такие материалы и насколько эти результаты могут быть интересны с научной точки зрения?

В свете полученных данных становится прозрачным физический смысл скалярного и векторного потенциалов, векторов электрической и магнитной индукции и напряжённостей. А показатель диэлектрической постоянной становится аналогом плотности субатомной среды, как это было в работах Френеля. Наблюдается явная преемственность с трудами классиков, как Максвелл, Фарадей и многих других.

С момента появления первого радио человечество шагнуло далеко вперед. Изучение радиоволны как явления не стояло и не стоит на месте, способы донести необходимую информацию до человека на другой стороне постоянно развиваются.

В частности одно из важнейших открытий в этой области состояло в том, что было выявлено: радиоволна ведет себя по разному в зависимости от своей длины.

Из курса физики нам известно, что длина радиоволны - величина обратно пропорциональная частоте радиовещания.

В чем же разница в "поведении" у радиоволн разных диапазонов? Как правило основными различиями являются:

1. Различные скорости передачи информации. У более высоких частот скорость передачи выше, чем у более низких;

2. Различная дальность и характер распространения радиоволн различных диапазонов;

3. Различные длины антенн, необходимые для передачи радиоволн того или иного диапазонов.

Сегодня рассмотрим радиоволны сверхдлинного диапазона (СДВ).

Для радиоволн СДВ-диапазона характерны следующие особенности:

1. Крайне низкая скорость передачи информации;

2. Возможность вести передачу сразу на территорию всего земного шара;

3. Необходимость установки антенны длинной в несколько километров.

Почему информация на данных частотах передается медленно? Все дело в так называемой информационной скорости, которая, если сильно упростить, по большей части зависит от величины частоты передачи, т.е. чем меньше частота, тем ниже скорость, а мы сейчас рассматриваем самый низкочастотный диапазон.

Тут стоит сделать отступление и внести ясность: информация в подавляющем большинстве случаев не передается на определенной конкретной частоте. Передача происходит в выделенной полосе частот. Тут прямая аналогия с человеческой речью. Если провести аналогию между радиоволной и звуковой волной. Когда мы произносим звук "а", мы создаем волну определенной длины, а когда звук "и" - другой. Чем больше символов мы хотим использовать при передаче, тем больше частот мы должны использовать. В радиоволнах производится бинарная передача, т.е. передача нулей и единиц, однако для увеличения скорости мы можем передавать их комбинации, например 00, 01, 10, 11 - четыре частоты (есть конечно и другие механизмы увеличения скорости передачи: применение различных видов модуляции, кодирования, различных стандартов сигналов и прочие, но мы упростим). Т.е. увеличение занимаемой сигналом полосы частот экспоненциально увеличивает скорость передачи.

Здесь мы не будем рассматривать такие механизмы как мультиплексирование, турбокодирование и прочие страшные слова, позволяющие так же увеличить скорость передачи. Я стараюсь донести информацию до людей, совершенно несведущих в данном аспекте. Для гуру электродинамики данная информация очевидна и, возможно, даже кажется бредом, но я стараюсь приводить банальные примеры, так сказать объясняю на пальцах.

Вернёмся к делу. Конечно существуют механизмы передачи на одной конкретной частоте, например сигналы с так называемой амплитудной модуляцией. Они передаются с использованием различных мощностей. Например: большая мощность передачи - это передается "1", сигнал стал слабее - передача "0".

Но вернёмся к нашим баранам. Чтобы передать голосовое сообщение необходимо использовать полосу частот, шириной минимум 300 кГц. Наилучшее качество речи достигается при ширине 3400 кГц.

При этом СДВ диапазон занимает всего полосу от 3 до 30 кГц. Естественно, что о передачи речи в данном диапазоне не может быть и речи.

СДВ диапазон используется и использовался исключительно для служебной связи. Оно и понятно, не каждый радиолюбитель может установить у себя во дворе антенну длинной в нескольких ко километров (в горизонтали), чтобы вещать свою волю на весь мир.

В данный момент СДВ диапазон используется военными РФ и США для осуществления связи с подводными лодками. СДВ диапазон - единственный диапазон волн, способный проникать под толщу воды и делает это на глубину до 20 м. США используют для этих целей самолеты E-6 Mercury, которые, находясь в воздухе, разворачивают из своей хвостовой части антенну СДВ-диапазона (самолет оборудован двумя антеннами - основная длинной почти 8 км и запасная - чуть более 1 км.

Самолет Boeing E-6 Mercury. На нижнем фото виден красный наконечник основной антенны самолета E-6B, который позволяет антенне "вытянуться" и находиться в положении, близкому к горизонтальному, когда самолет находится в воздухе.

Передача одного буквенного символа может занимать несколько минут, поэтому сеанс связи с лодкой может длиться несколько часов и производится только в одну сторону. Подлодки ничего не отвечают, потому что не обладают передающими антеннами, плюсом может так же выступать сокрытие собственного местоположения. А, поскольку, данная система используется для связи только со стратегическими ядерными силами - оно и понятно, насколько важно сокрыть местоположение своих ядерных ракет в море.

До появления спутников - СДВ диапазон использовали ВС США для создания системы глобальной навигации "Омега". Американцы установили 8 станций-передатчиков по всему миру, приемник, установленный на борту самолета или корабля принимал сигналы от них, определял направление на источник каждого из них и таким образом определял собственное местоположение. Погрешность составляла всего 4 мили, что является достаточно неплохим показателем для волн данной длины.

Радиоволна СДВ диапазона способна обогнуть весь земной шар столько раз, насколько хватит ее мощности. Ввиду этого необходимо принимать меры для защиты от интерференции, которая возникает, когда радиоволна как бы "догоняет" новоформируемую и на приемник поступает и "новая" и "старая" волна одновременно.

Но как же волна огибает земную поверхность? Для понимания нам необходимо будет ввести два понятия. Земная волна - волна распространяемая вдоль земной поверхности. Ионосферная волна - волна, которая распространяется путем многократного отражения от земной поверхности и ионосферы.

Для волн СДВ диапазона характерно наличие обоих видов волн.

Когда мы рассматриваем земную волну СДВ, то говорим о явлении дифракции, т.е. способностью волны огибать препятствия на своем пути. А, поскольку препятствием в данном случае является само искривление земной поверхности, то мы и получаем, что волна как бы огибает землю, следуя за земной корой до тех пор, пока энергетика ее не иссякнет.

Когда же мы говорим об ионосферных волнах, то надо представить луч света, попадающий меж двух зеркал. Так и волна СДВ диапазона в данном случае - сначала отражается от ионосферы, затем двигается по направлению к поверхности земли, отражается уже от нее, вновь движется вверх, вновь отражается от ионосферы и т.д.

Нетрудно понять, что волна, распространяющаяся земной волной прибудет до получателя быстрее, чем волна, распространяющаяся ионосферной. Таким образом если мы будем получателем, то мы сначала примем земную волну, затем некоторое время мы будем принимать своеобразное "эхо" от ионосфорной волны, затем "эхо" земной волны, которая уже обогнула Землю и вновь пришла к нам, а потом еще и "эхо" ионосферной волны, также обогнувшей Землю. И не факт, что это произойдет один, а не два или три а то и больше раз. Для решения данной проблемы и ликвидации "эха" применяется уже специальное оборудование, но о нем мы говорить не будем.

Уже было много сказано про жесткие требования к длине передающей антенны, но как обстоят дела с принимающей? Там все намного более щадяще: при наличии хороших усилителей, габариты антенны могут не превышать пары десятков сантиметров, что позволяет устанавливать принимающую СДВ аппаратуру на различные транспортные средства в т.ч. - самолеты.

На этом у меня всё - гуру электродинамики могут восполнить эту информацию или указать на неточности в комментариях, но, как я уже говорил - я старался для людей, максимально далеких от радио в целом.

Хороших вам выходных и изучайте окружающий вас мир, ему есть чем вас удивить.

На создание поста меня натолкнули многочисленные споры вокруг постов о покраске спутниковых телевизионных тарелок, которые периодически появляются на Пикабу. Антенны висят годами на улице, со временем их краска облупляется и поверхность окисляется, антенна теряет вид. В результате чего, люди с пятеркой по Изо и гипертрофированным чувством прекрасного берут в руки кисти и обновляют краску, иногда создавая реально красивые рисунки.

Ивановский пенсионер Юрий Кузнецов расписывает спутниковые тарелки

Противники этого дела, обычно из числа радиолюбителей, с пеной у рта доказывают, что этого делать нельзя, тк краска должна быть специальная, иначе волны будут поглощаться/рассеиваться и характеристики антенны испортятся.

Обе стороны приводят аргументы, но консенсуса обычно нет, тк обе стороны в чем-то правы.

В этой связи я решил внести свою лепту и промоделировать влияние лакокрасочного покрытия на характеристики антенны. Для моделирования буду использовать пакет численного моделирования Ansys HFSS 2020R2 (можно и другой, но умею только в этот), который использует различные численные методы на основе уравнений горячо любимого товарища Максвелла.

Пост постараюсь писать нарочито просто дабы не смущать разумением.

Ликбез.

Спутниковая антенна состоит из тарелки (или рефлектора/зеркала) и излучателя, который облучает (если антенна работает на передачу) или принимает (если на прием) сигнал, дальше будем называть его облучатель.

Принцип работы параболической антенны такой же как у линзы, все лучи пришедшие перпендикулярно в тарелку, собираются в одну точку (фокус). В фокусе стоит облучатель, который принимает сигнал и передает его дальше в обработку. На обычной спутниковой тарелке обработка происходит сразу после облучателя, сигнал усиливается и понижается частота. Поэтому облучатель в комплектах оборудования к спутниковому ТВ обычно называют конвертором, тк он совмещен с несколькими устройствами.

Если же лучи приходят не перпендикулярно, а под каким-то другим углом, то фокус будет смещен (offset) в сторону, туда же смещают облучатель. В России как раз популярны такие офсетные тарелки, со смещенным облучателем. Антенна усиливает в таком положении хуже, но лучше стекает вода, не образуется наледь и нет затенения облучателем. На рисунке выше показана как раз офсетная антенна.

Создание модели 1

Сразу оговорюсь, что модель в может быть не совсем точной с точки зрения геометрии, тк у разных производителей может отличаться крепление облучателя и его внутренняя геометрия. Я буду рассматривать влияние толщины и диэлектрической проницаемости краски на Коэффициент усиления антенны, который не учитывает проблему рассогласования излучателя (параметр Gain). На диаграмму безусловно влияют штанга, конструктив зеркала и тд, но в данном конкретном случае они лишь усложнят модель.

Для создания модели было использована встроенная утилита HFSS Antenna Toolkit, которая позволяет генерировать проекты различных антенн под заданные параметры.

Размеры снял с тарелки, которая есть у меня на даче. Диаметр зеркала 55 см, облучатель – конический рупор с круговой поляризацией, частота 10,75 ГГц. Смещение из фокуса – 25 см.

Для расчета использовался гибридный метод МКЭ (рассчитывается облучатель) + ИУ (рассчитывается зеркало). Для получения более качественной сетки использовались криволинейные элементы для поверхности зеркала.

Для описания лакокрасочного покрытия на тарелке использовалось граничное условие Layered Impedance. Толщина ЛКП задана через параметр T_kraska, диэлектрическая проницаемость краски – через параметр $EpsK.

Посмотрев в интернетах, задал пределы изменения толщины ЛКП от 50 мкм до 1 мм (если красить кистью от души в несколько слоев). Для диэлектрической проницаемости обычной краски те же интернеты дают значение в пределах 5 – 7, для расчета пределы варьирования задал побольше от 1 (воздух) до 10. Магнитную проницаемость оставил равной 1, тк маловероятно, что кто-то будет замешивать в краску с рынка магнитный порошок.

Из результатов видно, что краска практически не влияет на КСВ антенны, колебание которого происходит на уровне ошибки моделирования. На коэффициент усиления, влияние небольшое в худшем случае при толщине краски 1 мм и диэлектрической проницаемости 10, коэффициент усиления теряет 1 дБ, причем по опыту это завышенное значение, которое скорее всего вызвано ограничениями используемого граничного условия на поверхности тарелки.

Создание модели 2

Далее решил провести еще один расчет, на случай если, кто-то найдет проводящую ток краску для своей антенны.

В этом случае параметры выбрал немного другие. Для описания проводящего лакокрасочного покрытия на тарелке использовалось граничное условие Layered Impedance. Толщина ЛКП задана 100мкм, шероховатость поверхности параметром rud, объемная проводимость краски – через параметр $CondK.

После непродолжительного гугления нашел, что шероховатость поверхности принято делить по классам, где 1 (самый шершавый) не хуже 320мкм, а 5 (как у кота) не хуже 20 мкм (просьба не кидаться тапками блюстителей ГОСТов если что не так). Поэтому диапазон для параметра rud задал в пределах 1 до 300мкм.

Из учебников известно, что объемная проводимость Серебра равна 63 [МСм/м], железа равна 10 [МСм/м], поэтому параметр $CondK буду варьировать в пределах от 0,1 до 10 [МСм/м], тк краска скорее всего будет иметь меньшую проводимость, чем металлическое покрытие.

Результаты:

Из результатов второго моделирования видно, что в случае проводящей краски влияние практически отсутствует. КСВ антенны также колеблется на уровне ошибки моделирования. На коэффициент усиления, влияние еще меньше. Самая шершавая поверхность с объемной проводимостью в 100 раз меньшей проводимости железа отнимает у КУ 0,3 дБ, что и ожидаемо, тк поверхность зеркала для многих зеркальных антенн, делают вообще из мелкоячеистой сетки (например, на космических аппаратах это позволяет здорово экономить массу), эффективная объемная проводимость которой и того меньше.

Таким образом видно, что даже в случае довольно толстого нанесения краски с повышенным эпсилон не дает серьезного ухудшения Коэффициента усиления антенны. С проводящей краской такая же история.

Покраска тарелки не окажет серьезного влияния на просмотр ТВ, особенно если красить не в много слоев.

Важное дополнение: облучатель (а точнее его радиопрозрачную часть) лучше не трогать там влияние будет значительным. Покрасив его проводящей краской, Вы гарантировано лишитесь просмотра телепередач.

«Дорога надежды» - последний полномасштабный концерт проекта «ElectroDinamica» — это Юлия Ломанова на разного вида гитарах, и я на синтезаторах и эпизодически на бас-гитаре. Концерт разразился 9 декабря 2006 года в Геологическом Музее им. Вернадского (Музей Истории Земли). И больше на продолжительные выступления мы не собирались... до 15 марта 2013 года — в Большом Планетарии Москвы, когда внезапно случилось наше шоу «Четвёртое Измерение».
Но в этом 6-летнем перерыве Юля периодически играла на моих концертах одну-две пьесы — чаще всего это был Невинный танец, который в те годы не воспринимался без её гитарных рифов.
А потом, к сожалению, еще 6 лет перерыв, но, увы, без совместных концертов.
Как бы то не было, а сейчас, переслушивая запись концерта «Дорога надежды», я осознаю, что к концертному альбому мы настойчиво шли весь период совместного творчества, приближаясь с каждой репетицией на несколько шагов. И это — наше высшее творение. Хотя и другие записи тоже вспоминаю с теплотой.
Прошлой ночью я осуществил редизайн страницы альбома. Еще одной современной страницей на сайте стало больше.
Зову Вас, Друзья, в Дорогу — в «Дорогу надежды». Сделайте шаг под музыку.
http://neane.ru/rus/4/katalog/1212.htm