Wie kann dasselbe Funksignal von Hunderten von Empfängern verlustfrei empfangen werden?

... ohne Verluste darin ...

Erstens sagt die Physik, dass es einen gewissen Verlust geben muss , weil Energie an der Antenne empfangen wird und vom Empfänger verbraucht werden kann.

... von Hunderten von Empfängern empfangen werden ...

Weil die von einer typischen Empfangsantenne empfangene Leistung im Vergleich zu der gesendeten Menge winzig ist.

Betrachten wir einen nicht untypischen Austausch über Amateurfunk. Ich sende jemandem eine Nachricht im Morsecode mit einem 100-W-Sender. Angenommen, jemand da draußen muss mindestens -100 dBm empfangen, um mein Signal zu verstehen*. Das ist$10^{-13}\mathrm{W}$- weniger als ein Picowatt, und$10^{-15}$mal kleiner als das Signal, das ich gesendet habe.

Es gibt nicht so viele Menschen auf der ganzen Welt und vielleicht nicht in der gesamten Weltgeschichte – und das bei einer sehr bescheidenen Sendeleistung von 100 W. Tauschen Sie meine 100-W-Amateurfunkübertragung gegen einen AM- oder FM-Sender aus, der Dutzende oder Hunderte von Kilowatt sendet, und ich denke, Sie können sehen, dass die Energieeffizienz des Rundfunks zwar schlecht sein mag, Sie aber dennoch eine ganze Menge Menschen damit erreichen können Es.

* Ich ziehe Zahlen aus meinem Kopf, aber das impliziert einen ziemlich schlechten Empfänger.

Du hast Recht ... aber

Lassen Sie uns einige Zahlen dazu nennen. 3 mV (70 dBuV) ist ein gutes starkes Signal in einen UKW-Empfänger am 300-Ohm-Eingang (Dipolantenne). Das ist ein Strom von 10 uA oder eine Leistung von 30 nW, sodass ein perfekt effizienter 1-W-Sender 33 Millionen solcher Funkgeräte mit Strom versorgen könnte.

Der UKW-Sender, der London in Wrotham in Kent abdeckt, sendet 125 kW auf jeder BBC-Hauptstation und deckt einen Versorgungsbereich zwischen 50 und 100 Meilen im Radius ab.

Wenn es in diesem Versorgungsgebiet 33 Millionen Funkgeräte gäbe, würden ihre Antennen 1 W dieser Leistung verbrauchen, sodass 124.999 W über die Landschaft und in den Weltraum abgeführt werden könnten.

Wenn Sie alternativ 4,125 Billionen Funkgeräte in Südostengland stopfen könnten, die nahe genug sind, um ein 70-dBuV-Signal zu sehen, würden sie die gesamte Sendeleistung von 125 kW auf dieser Frequenz verbrauchen. Aber das sind mehr als 500 Radioempfänger für jeden Menschen auf der Erde, vorausgesetzt, sie wollen alle denselben Sender hören.

Stellen Sie sich das Funksignal als Sonne und jeden Menschen als Radio vor. Nur die in Innenräumen oder hinter dem Schatten einer Person auf dem Boden werden gedämpft (jedoch nicht vollständig im Dunkeln).

Warum nicht Millionen Radios? Gleiche Ergebnisse.

Der Unterschied besteht darin, dass der Netzverteilungsverlust durch Wärme von {Pd = Widerstand * Strom²} in einer Schleife zurück zur Quelle entsteht.

Bei AM/FM-Funksignalen ist es einseitig und wird durch die Isolierung abgestrahlt. Luft ist ein dielektrischer Isolator, der sich nicht wesentlich vom Weltraumvakuum unterscheidet, abgesehen von Feuchtigkeit und Reflexionsverlusten außerhalb der Atmosphäre. Von einer vertikalen Linienquelle wird es also horizontal mit umgekehrtem Abstand²-Verlust in der Luft ausgestrahlt.

Die Empfangsantenne trägt keinen Verlust zur restlichen Luft bei. (nur in diesem winzigen Raum, den es einnimmt, und einem gedämpften Schatten darunter)

Er muss das modulierte elektrische HF-E-Feld einfangen, das von diesem Sender erzeugt wird. Dieses E-Feld wird in uV/m gemessen und hat die Impedanz des freien Raums. Die Antenne muss versuchen, das anzupassen, um dieses winzige Signal zu erfassen, dann zu filtern und dann zu verstärken und dreimal zu filtern, um alle anderen Signale zurückzuweisen.

In beiden Fällen (Stromnetz und Funk) wird Energie durch elektromagnetische Felder transportiert.

Drähte im Stromnetz wirken als Wellenleiter. Elektrisches Feld (Spannung) besteht hauptsächlich zwischen den stromführenden und neutralen Drähten und Strom fließt in den Drähten. Stellen Sie sich Wellenleiter als Rohre vor, die eine elektromagnetische Welle dorthin leiten, wo wir sie haben wollen. Sie sind etwas undicht, ein Teil des elektromagnetischen Feldes tritt aus , aber die meiste Energie geht dahin, wo sie hin soll. Und der wichtige Teil zu Ihrer Frage ist, dass die Energie nicht verschwendet wird, wenn am Ende der Leitung keine Last angeschlossen ist.

Andererseits ist eine Funkantenne eher wie ein Feuerwehrschlauch, der elektromagnetische Energie versprüht. Die Form und Ausrichtung der Antenne steuert das Muster und die Richtung des Sprays, aber sobald die Wellen die Antenne verlassen und sich im freien Raum ausbreiten, gibt es keinen Wellenleiter mehr. Sie springen herum und werden an Hindernissen gebeugt, und die meisten von ihnen werden am Ende vom Boden, Gebäuden, Wolken absorbiert oder in den Weltraum geschossen. Die Empfangsantennen nehmen nur den Bruchteil des elektromagnetischen Feldes auf, den sie aufnehmen können, wo immer sie sich befinden.

Der wichtige Unterschied ist also, dass bei einer Sendeantenne die gesamte Sendeleistung bereits verbraucht ist, wenn die Welle die Antenne verlässt. Wenn kein großer Reflektor davor ist, um die Energie zurück in die Antenne zu schicken, kommt sie nie zurück. Es breitet sich einfach aus. Wenn Sie also irgendwo eine Empfangsantenne aufstellen, empfängt sie etwas davon, ob das Empfangsfunkgerät ein- oder ausgeschaltet ist, spielt keine Rolle. Wenn Sie die Antenne entfernen, werden die Wellen, die sie aufgenommen hätte, stattdessen weitergehen und an anderer Stelle absorbiert werden. Der Sender kann nicht „wissen“, ob sein Signal in Ihrer Antenne oder in einem Baum gelandet ist.

Die einzige Möglichkeit, das Signal eines anderen zu "stehlen", wäre, Bedingungen zu haben, die einer geradlinigen Ausbreitung förderlich sind, und ein Objekt zu platzieren, das erheblich größer als die Wellenlänge zwischen dem Sender und dem anderen Typ ist. Ob dieses Objekt eine Empfangsantenne oder etwas anderes ist, spielt keine Rolle: Wenn es die Funkwellen absorbiert oder in eine andere Richtung reflektiert, erzeugt es einen „Schatten“ und ein Empfänger, der in diesem Schatten platziert ist, erhält weniger Signalstärke.

Um die Wasseranalogie beizubehalten: Wenn es regnet und Sie einen Eimer nach draußen stellen, erhalten Sie etwas Wasser. Aber Sie beeinflussen nicht die Wassermenge, die der Eimer eines anderen erhält, es sei denn, Sie stellen Ihren auf den Eimer.

Ein interessanter Aspekt bei Antennen ist, dass, wenn zwei oder mehr Antennen (Elemente) näher beieinander liegen als ein Bruchteil einer Wellenlänge, sie sich gegenseitig durch gegenseitige Kopplungseffekte beeinflussen.

Das Ergebnis dieser Interaktion ist, dass zwei nahe beieinander liegende Antennen nicht zu einer doppelt so hohen gesammelten Leistung führen. Qualitativ betrachtet teilen sich die Antennen(elemente) die auf sie auftreffende HF-Energie. Bis zu einem gewissen Grad stiehlt eine Antenne (Element) der anderen Strom.

Um mehr Leistung zu sammeln, sollten Antennen um etwa eine halbe Wellenlänge oder mehr getrennt werden, wodurch die Gesamtapertur erhöht wird.

Dies ist anders als Licht, denn fast immer, wenn wir mit Licht zu tun haben, verwenden wir Geräte (Spiegel, Linsen, Fotozellen usw.), die um ein Vielfaches größer sind als die Wellenlänge des Lichts.

Denken Sie zunächst daran, dass Sie Photonen (übertragene EM) mit Elektronen (dem Stromnetz) vergleichen. Das ist wichtig.

Erlauben Sie mir, ein paar Metaphern zu verwenden

Wenn Sie Strom aus einem Stromnetz beziehen, ist das so, als würde man Wasser aus einem Swimmingpool schöpfen. Das einzelne Rohr kann sehr wenig Wasser ziehen, und das Ergebnis kann schwer zu erkennen sein, aber das Wasservolumen im Pool wird durch das Rohr verringert, unabhängig davon, wo sich das Rohr befindet.

Aber das spiegelt nicht leicht wider, wie die EM-Übertragung funktioniert. Ein Funkempfänger zieht keine Energie aus einem Pool (irgendwie komme ich dazu). Stellen Sie sich stattdessen einen Ballon vor, der aufgeblasen wird. Der "Empfänger" ist ein Punkt auf dem Ballon, der den Vorteil des Energieanteils genießt, den ein Punkt erhält, wenn sich der gesamte Ballon ausdehnt. Die Tatsache, dass der einzelne Punkt diesen Teil des Ganzen genießt, wirkt sich nicht auf einen anderen Punkt auf der Oberfläche des Ballons aus, der seinen Teil der Energie genießt, die zum Aufblasen des Ballons benötigt wird.

Metaphern beiseite lassen

Wenn ein Sender Energie aussendet, ist die an die Antenne gelieferte Energie die Nennleistung (z. B. 50 kW). Diese Energie dehnt sich von der Antenne weg (was die Dinge sehr vereinfacht ) in alle Richtungen aus - und jeder kleine Punkt entlang der Kugel dieser Ausdehnung trägt einen Teil der 50-kW-Energie. Der Empfänger fängt diese kleine Menge ein – was keine Auswirkungen auf Ihren Nachbarn hat, da er seine kleine Menge an einem anderen Punkt entlang der Oberfläche der Erweiterung erhält.

Daher spielt es keine Rolle (wiederum sehr vereinfachend), wie viele Empfänger es gibt. Sie alle erbeuten ihren kleinen Teil.

Wo Sie in Schwierigkeiten geraten können, wenn zwei Empfänger zu nahe beieinander liegen und die Fähigkeit beeinträchtigen, die Energie von nur einem Punkt entlang der Ausdehnung einzufangen. Das liegt daran, dass Empfänger nicht unendlich klein sind – aber das ist eine andere Geschichte.

Ja, aber wenn ich an diese Metaphern denke, funktionieren sie nicht wirklich, oder?

Natürlich nicht. Das ist das Problem mit Metaphern. Was Sie nicht erkennen, ist, dass Sie Photonen nicht mit Elektronen vergleichen können. Sie können zB ein Elektron wegziehen, indem Sie einen niederohmigeren Pfad vorsehen und so Ihrem Nachbarn Strom rauben. Aber so kann man kein Photon wegziehen. Es geht im Grunde in einer geraden Linie von der Sendeantenne aus, bis es auf etwas trifft, durch das es sich nicht bewegen kann – wie eine Empfangsantenne.

Auf die gleiche Weise können Sie in einem Raum sprechen und jeder im Raum wird Sie hören, unabhängig davon, wie viele Personen sich im Raum befinden. Klingt Ihr Professor leiser, wenn die Anwesenheit höher ist?

Letztendlich wird die gesamte elektromagnetische Strahlung von etwas absorbiert oder tritt in den Weltraum aus. Dem Sender ist es egal oder er weiß nicht, was die von ihm gesendete Leistung absorbiert.

Die Empfänger absorbieren nur einen winzigen Bruchteil der Quellenleistung, und dieses winzige Signal wird durch einen Verstärker im Radio verstärkt. Der Verstärker muss dazu Strom liefern, der normalerweise aus dem Stromnetz oder Batterien stammt.

Aus diesem Grund funktioniert das Radio ohne Kabel, aber die Übertragung einer angemessenen Menge Strom erfordert Kabel. Wo ein großer Teil der Energie an Sie geliefert werden kann, ohne dass sie auf dem Weg von anderen Dingen absorbiert oder abgelenkt wird.

Eine andere Möglichkeit, sich das vorzustellen, ist, stellen Sie sich vor, Sie hätten immer mehr Empfänger verwendet, bis einer den Sender effektiv in eine hohle Metallkugel aus Empfängern eingeschlossen hätte. Dadurch wird die gesamte Kraft absorbiert, und alle Empfänger außerhalb des Balls erhalten nichts. Sie erreichen im Grunde eine Grenze, an der Sie keine weiteren Empfänger um die Quelle herum anbringen können, und sie absorbieren die gesamte Leistung und teilen sie zwischen sich auf.