Θεωρητική μελέτη διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υπεράνω επίπεδης γης: Σύγκριση θεωρητικών και εμπειρικών μοντέλων διάδοσης με πειραματικές μετρήσεις.

Abstract

Ο σκοπός της παρούσας διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη της διάδοσης ηλεκτρομαγνητικών κυμάτων υπεράνω μερικώς αγώγιμης επίπεδης γης. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιείται το μοντέλο δύο ακτίνων (two-ray model), που βασίζεται στη γεωμετρική οπτική λαμβάνοντας υπόψιν τα ηλεκτρομαγνητικά χαρακτηριστικά του εδάφους και το οποίο προκύπτει από την λύση που πρότεινε ο K. A. Norton στο πρόβλημα του A. Sommerfeld. Παράλληλα εξετάζονται εμπειρικά μοντέλα πρόβλεψης των απωλειών διαδρομής όπως το Εxtended Ηata-Okumura, το μοντέλο απώλειας διαδρομής λογαριθμικής απόστασης (ή, άλλως, μοντέλο απλής κλίσης, ‘Close-In model’), καθώς και το στοχαστικό-εμπειρικό μοντέλο ITU-R M.2135 (άλλως ‘στοχαστικο - εμπειρικό μοντέλο WINNER’). Τα παραπάνω θεωρητικά μοντέλα συγκρίνονται με πραγματικά δεδομένα μετρήσεων που προέκυψαν από πειραματική διαδικασία που διεξήχθη στον χώρο της Πολυτεχνειούπολης του ΕΜΠ, όπου ελήφθησαν μετρήσεις λαμβανόμενης ισχύος για διάδοση ακτινοβολίας υπεράνω του εδάφους σε δύο διακριτές συχνότητες, για f_1=1GHz και για f_2=1.5GHz. Πιο συγκεκριμένα, αναλύεται η θεωρία πλάγιας πρόσπτωσης ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας από τον αέρα σε μέσο με διηλεκτρικά χαρακτηριστικά και απώλειες, για περιπτώσεις κάθετης (οριζόντιας) και παράλληλης (κατακόρυφης) πόλωσης και εξάγονται τα απαραίτητα μεγέθη που χρειάζονται για το μοντέλο δύο ακτίνων. Αφού αυτό μελετηθεί τόσο για μικρές όσο και για μεγάλες αποστάσεις και γίνει η περιγραφή της πειραματικής διαδικασίας, προσαρμόζεται στα χαρακτηριστικά της πειράματος και με τη βοήθεια του περιβάλλοντος προγραμματισμού MATLAB, μοντελοποιείται, δίνοντας θεωρητικά αποτελέσματα που είναι σε πολύ καλή σύγκριση με τα πειραματικά δεδομένα. Αφού σχεδιαστούν με την ίδια λογική και τα εμπειρικά μοντέλα αξιολογείται η επίδοσή τους, συγκρινόμενα τόσο με τα αποτελέσματα του πειράματος όσο και μεταξύ τους. Η σύγκριση αυτή πραγματοποιείται ποιοτικά με αντιπαράθεση των αντίστοιχων γραφικών παραστάσεων, αλλά και ποσοτικά με τη χρήση στατιστικών σφαλμάτων όπως το MAE, MAPE, RMSE και του συντελεστή R2. Η παράθεση των μετρικών αυτών οδηγεί σε συμπεράσματα για την συμπεριφορά των θεωρητικών-εμπειρικών μοντέλων, καθώς και για το πως η συχνότητα λειτουργίας επηρεάζει την επίδοσή τους.