คลื่นพื้นผิวมีลักษณะอย่างไร

คลื่นพื้นดินหมายถึงการแพร่กระจายของคลื่นวิทยุขนานและติดกับพื้นผิวโลกตามความโค้งของโลก คลื่นกราวด์แผ่รังสีนี้เรียกว่าคลื่นพื้นผิวนอร์ตันหรืออย่างถูกต้องกว่านั้นคือคลื่นกราวด์นอร์ตันเนื่องจากคลื่นภาคพื้นดินในการแพร่กระจายคลื่นวิทยุไม่ได้จำกัดอยู่ที่พื้นผิว ประเภทของผิวคลื่นก็คือไม่ใช่รังสีผูกพันโหมด Zenneck คลื่นพื้นผิวหรือ Zenneck-Sommerfeld คลื่นพื้นผิว [2] [3] [4] [5] [6]โลกมีดัชนีการหักเหของแสงหนึ่งตัวและชั้นบรรยากาศก็มีอีกดัชนีหนึ่ง ซึ่งประกอบเป็นอินเทอร์เฟซที่รองรับการส่งสัญญาณของคลื่น Zenneck ที่นำทาง ประเภทอื่น ๆ ของคลื่นพื้นผิวเป็นคลื่นพื้นผิวติดกับดัก , [7]คลื่นร่อนและคลื่นพื้นผิว Dyakonov (DSW) การขยายพันธุ์ที่อินเตอร์เฟซของวัสดุโปร่งใสที่มีความสมมาตรที่แตกต่างกัน [8] [9] [10] [11]นอกเหนือจากนี้ มีการศึกษาคลื่นพื้นผิวประเภทต่างๆ สำหรับความยาวคลื่นแสง (12)

การแพร่กระจายวิทยุ

ต่ำกว่าความถี่ คลื่นวิทยุด้านล่าง 3 MHz, การเดินทางได้อย่างมีประสิทธิภาพเป็นคลื่นพื้นดิน ในระบบการตั้งชื่อของ ITU ซึ่งรวมถึง (ตามลำดับ): ความถี่ปานกลาง (MF) ความถี่ต่ำ (LF) ความถี่ต่ำมาก (VLF) ความถี่ต่ำพิเศษ (ULF) ความถี่ต่ำมาก (SLF) ความถี่ต่ำมาก (ELF) คลื่น

การขยายพันธุ์ภาคพื้นดินทำงานได้เนื่องจากคลื่นความถี่ต่ำมีการเลี้ยวเบนอย่างรุนแรงรอบสิ่งกีดขวางเนื่องจากความยาวคลื่นยาวของพวกมัน ทำให้พวกมันสามารถติดตามความโค้งของโลกได้ คลื่นพื้นดินแพร่กระจายในลักษณะโพลาไรซ์แนวตั้งโดยมีสนามแม่เหล็กในแนวนอนและสนามไฟฟ้า (ใกล้กับ) ในแนวตั้ง ด้วยVLFคลื่นที่ชั้นบรรยากาศและแผ่นดินของการกระทำพื้นผิวเป็นคลื่น

ค่าการนำไฟฟ้าของพื้นผิวส่งผลต่อการแพร่กระจายของคลื่นพื้นดินโดยมีพื้นผิวที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้ามากขึ้น เช่น น้ำทะเลให้การแพร่กระจายที่ดีขึ้น [13]การเพิ่มการนำไฟฟ้าในพื้นผิวส่งผลให้มีการกระจายตัวน้อยลง [14]ดัชนีการหักเหของแสงอาจมีการเปลี่ยนแปลงเชิงพื้นที่และเวลา เนื่องจากพื้นดินไม่ใช่ตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบ คลื่นพื้นดินจึงถูกลดทอนลงเมื่อเคลื่อนไปตามพื้นผิวโลก หน้าคลื่นในขั้นต้นเป็นแนวตั้ง แต่พื้นดินซึ่งทำหน้าที่เป็นไดอิเล็กตริกแบบสูญเสีย ทำให้คลื่นเอียงไปข้างหน้าขณะเคลื่อนที่ สิ่งนี้จะนำพลังงานบางส่วนเข้าสู่โลกในจุดที่มันกระจายไป[15]เพื่อให้สัญญาณลดลงแบบทวีคูณ

ส่วนใหญ่ทางไกล LF " คลื่นยาว " วิทยุสื่อสาร (ระหว่างวันที่ 30 เฮิร์ทซ์และ 300 เฮิร์ทซ์) เป็นผลมาจากการขยายพันธุ์ groundwave mediumwaveสัญญาณวิทยุ (ความถี่ระหว่าง 300 เฮิร์ทซ์และ 3000 เฮิร์ทซ์) รวมทั้งAM ออกอากาศวงเดินทางทั้ง groundwaves และสำหรับระยะทางยาวในเวลากลางคืนเป็นskywaves การสูญเสียภาคพื้นดินจะลดลงที่ความถี่ต่ำ เพิ่มความครอบคลุมของสถานี AMโดยใช้ปลายล่างของย่านความถี่ VLFและLFความถี่ส่วนใหญ่จะใช้สำหรับการสื่อสารทางทหารโดยเฉพาะอย่างยิ่งกับเรือและเรือดำน้ำ ยิ่งความถี่ต่ำ คลื่นก็จะยิ่งทะลุทะลวงน้ำทะเลได้ดีขึ้น คลื่นเอลฟ์ (ต่ำกว่า 3 กิโลเฮิรตซ์) เคยถูกใช้เพื่อสื่อสารกับเรือดำน้ำที่จมอยู่ใต้น้ำลึก

คลื่นภาคพื้นดินถูกใช้ในเรดาร์เหนือขอบฟ้าซึ่งส่วนใหญ่ทำงานที่ความถี่ระหว่าง 2–20 MHz เหนือทะเล ซึ่งมีค่าการนำไฟฟ้าสูงเพียงพอที่จะส่งผ่านไปยังและจากระยะทางที่เหมาะสม (ไม่เกิน 100 กม. หรือมากกว่า; เรดาร์เหนือขอบฟ้ายังใช้การแพร่กระจายคลื่นสกายเวฟในระยะทางที่ไกลกว่ามาก) ในการพัฒนาวิทยุมีการใช้คลื่นภาคพื้นดินอย่างกว้างขวาง บริการวิทยุเชิงพาณิชย์และระดับมืออาชีพในช่วงต้นต้องอาศัยคลื่นยาวความถี่ต่ำ และการแพร่กระจายคลื่นพื้นดินเท่านั้น เพื่อป้องกันการรบกวนกับบริการเหล่านี้ เครื่องส่งสัญญาณมือสมัครเล่นและรุ่นทดลองถูกจำกัดไว้ที่ความถี่สูง (HF) รู้สึกว่าไม่มีประโยชน์เนื่องจากช่วงคลื่นภาคพื้นดินมีจำกัด เมื่อค้นพบโหมดการแพร่กระจายอื่นๆ ที่เป็นไปได้ที่คลื่นปานกลางและความถี่คลื่นสั้นข้อดีของ HF เพื่อวัตถุประสงค์ทางการค้าและการทหารก็ปรากฏชัด การทดลองมือสมัครเล่นนั้นจำกัดเฉพาะความถี่ที่ได้รับอนุญาตในช่วงเท่านั้น

mediumwave และเอฟเอ็มสะท้อนออกชั้นบรรยากาศในเวลากลางคืนซึ่งเป็นที่รู้จักกันSkywave ในช่วงเวลากลางวันชั้น Dล่างของบรรยากาศรอบนอกจะก่อตัวและดูดซับพลังงานความถี่ต่ำ วิธีนี้จะช่วยป้องกันไม่ให้การแพร่กระจายคลื่นสกายเวฟมีประสิทธิภาพมากกับความถี่คลื่นกลางในช่วงเวลากลางวัน ในเวลากลางคืน เมื่อชั้น D สลายตัว การส่งสัญญาณคลื่นกลางจะเคลื่อนที่ได้ดีขึ้นด้วยสกายเวฟ คลื่นพื้นดินไม่รวมคลื่นไอโอโนสเฟียร์และโทรโพสเฟียร์

การแพร่กระจายของคลื่นเสียงผ่านพื้นดินโดยใช้ประโยชน์จากความสามารถของโลกในการส่งความถี่ต่ำได้อย่างมีประสิทธิภาพมากขึ้นเรียกว่าคลื่นเสียงกราวด์ (AGW)

ทฤษฎีสนามไมโครเวฟ

ภายในทฤษฎีสนามไมโครเวฟส่วนต่อประสานของไดอิเล็กทริกและตัวนำรองรับ "การส่งคลื่นพื้นผิว" คลื่นพื้นผิวได้รับการศึกษาเป็นส่วนหนึ่งของสายส่งและบางคนอาจได้รับการพิจารณาเป็นสายเดี่ยวสายส่ง

ลักษณะและการใช้ประโยชน์ของปรากฏการณ์คลื่นผิวไฟฟ้า ได้แก่

• ข้อมูลองค์ประกอบของการลดการคลื่นที่มีระยะทางจากอินเตอร์เฟซ
• พลังงานแม่เหล็กไฟฟ้าจะไม่ถูกแปลงจากสนามคลื่นพื้นผิวไปเป็นพลังงานรูปแบบอื่น (ยกเว้นในคลื่นพื้นผิวที่รั่วหรือสูญเสีย) [16] โดยที่คลื่นจะไม่ส่งกำลังตามปกติไปยังส่วนต่อประสาน กล่าวคือ มันระเหยไปตามมิตินั้น [17]
• ในใยแก้วนำแสง ส่ง , คลื่นเลือนหายไปเป็นคลื่นพื้นผิว [ ต้องการการอ้างอิง ]
• ในสายโคแอกเชียลนอกเหนือจากโหมด TEM ยังมีโหมดแม่เหล็กขวาง (TM) [18]ซึ่งแพร่กระจายเป็นคลื่นพื้นผิวในบริเวณรอบตัวนำกลาง สำหรับโคแอกซ์ของอิมพีแดนซ์ทั่วไป โหมดนี้จะถูกระงับอย่างมีประสิทธิภาพ แต่ในโคแอกซ์อิมพีแดนซ์สูงและบนตัวนำกลางตัวเดียวโดยไม่มีเกราะป้องกันภายนอกใดๆ รองรับการลดทอนต่ำและการขยายพันธุ์แบบบรอดแบนด์มาก การดำเนินงานบรรทัดเกียร์ในโหมดนี้จะเรียกว่าE-line

เซอร์เฟส plasmon polariton

สนาม Eของ โพลาริตอนพลาสมอนพื้นผิวที่ส่วนต่อประสานระหว่างอากาศและเงิน ที่ความถี่ที่สอดคล้องกับความยาวคลื่นของพื้นที่ว่าง 10μm ที่ความถี่นี้ เงินจะมีพฤติกรรมโดยประมาณเป็น ตัวนำไฟฟ้าที่สมบูรณ์แบบและ SPP เรียกว่าคลื่นซอมเมอร์เฟลด์–เซนเน็ค ซึ่งมีความยาวคลื่นเกือบเท่ากับความยาวคลื่นในอวกาศว่าง

ผิว plasmon polariton (SPP) เป็นคลื่นพื้นผิวแม่เหล็กไฟฟ้าที่สามารถเดินทางไปตามอินเตอร์เฟซระหว่างสองสื่อที่มีค่าคงที่อิเล็กทริกที่แตกต่างกัน มันมีอยู่ภายใต้เงื่อนไขที่ว่าpermittivityของหนึ่งในวัสดุที่[6]การสร้างอินเตอร์เฟซที่เป็นลบในขณะที่คนอื่น ๆ ที่เป็นบวกเป็นกรณีสำหรับการเชื่อมต่อระหว่างอากาศและสูญเสียการดำเนินการขนาดกลางด้านล่างความถี่พลาสม่า คลื่นแพร่กระจายขนานกับส่วนต่อประสานและสลายตัวในแนวตั้งแบบทวีคูณซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าการหลบหลีก เนื่องจากคลื่นอยู่บนขอบเขตของตัวนำที่มีการสูญเสียและตัวกลางที่สอง การแกว่งเหล่านี้จึงมีความไวต่อการเปลี่ยนแปลงของขอบเขต เช่น การดูดซับโมเลกุลโดยพื้นผิวตัวนำ (19)

คลื่นพื้นผิวซอมเมอร์เฟลด์–เซนเน็ค

Sommerfeld-Zenneck คลื่นหรือคลื่น Zenneckไม่ใช่แผ่รังสีแนะนำคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่สนับสนุนโดยระนาบหรืออินเตอร์เฟซทรงกลมระหว่างสองสื่อที่เป็นเนื้อเดียวกันมีค่าคงที่อิเล็กทริกที่แตกต่างกัน คลื่นพื้นผิวนี้แพร่กระจายขนานกับส่วนต่อประสานและสลายตัวในแนวตั้งแบบทวีคูณซึ่งเป็นคุณสมบัติที่เรียกว่าการหลบหลีก มันมีอยู่ภายใต้เงื่อนไขที่ว่าpermittivityของหนึ่งในวัสดุที่ขึ้นรูปอินเตอร์เฟซที่เป็นลบในขณะที่คนอื่น ๆ เป็นบวกเป็นเช่นอินเตอร์เฟซระหว่างอากาศและสูญเสียการดำเนินการขนาดกลางเช่นสายส่งบกด้านล่างความถี่พลาสม่า ความแรงของสนามไฟฟ้าลดลงในอัตรา e -αd /√d ในทิศทางของการแพร่กระจายไปตามส่วนต่อประสานเนื่องจากสนามเรขาคณิตสองมิติแผ่ขยายในอัตรา 1/√d ร่วมกับการลดทอนแบบเอ็กซ์โพเนนเชียลที่ขึ้นกับความถี่ (α) ซึ่งเป็นการกระจายตัวของสายส่งภาคพื้นดิน โดยที่ α ขึ้นอยู่กับค่าการนำไฟฟ้าของตัวกลาง ที่เกิดขึ้นจากการวิเคราะห์ต้นฉบับโดยอาร์โนล Sommerfeldและโจนาธานเซนเน็คของปัญหาของการบริหารจัดการคลื่นเหนือแผ่นดินโลกสูญเสียที่มันมีอยู่ในฐานะที่เป็นวิธีการแก้ปัญหาที่ถูกต้องสมการแมกซ์เวล [20]คลื่นพื้นผิว Zenneck ซึ่งเป็นโหมดคลื่นนำทางที่ไม่แผ่รังสี สามารถได้มาจากการใช้การแปลง Hankel ของกระแสกราวด์ในแนวรัศมีที่เกี่ยวข้องกับแหล่งกำเนิดคลื่นพื้นผิว Zenneck ที่สมจริง [6]คลื่นพื้นผิวซอมเมอร์เฟลด์-เซนเน็คทำนายว่าพลังงานสลายตัวเป็น R -1เพราะพลังงานกระจายไปทั่วเส้นรอบวงของวงกลมและไม่ใช่พื้นผิวของทรงกลม หลักฐานไม่ได้แสดงว่าในการแพร่กระจายคลื่นวิทยุในอวกาศ คลื่นพื้นผิวซอมเมอร์เฟลด์-เซนเน็คเป็นโหมดของการแพร่กระจายเนื่องจากเลขชี้กำลังการสูญเสียเส้นทางโดยทั่วไปอยู่ระหว่าง 20 เดซิเบล/เดค และ 40 เดซิเบล/เดค