Vågutbredning

I så gått som alla former av kommunikation sker transporten av information med hjälp av någon typ av vågrörelse. När två personer talar med varandra transporteras informationen i form av av ljudvågor. I dagen högteknologiska samhälle sker kommunikationen ofta i form av radiovågor. Radiovågor uppträder i en rad olika skepnader beroende av dess våglängd. I datakommunikation över långa avstånd används ofta fiberoptiska kablar vilka transporterar informationen form av synligt ljus. Även TV-apparater och bildskärmar för datorer förmedlar information till människan med hjälp av ljus. Ljus är radiovågor med våglängder av atomär dimension. Det i Europa vanligast förekommande mobiltelefonistandarden GSM använder radiovågor i centimeter-våglängdsområdet, s.k. mikrovågor. I radio och TV utsändningar används radiovågor i meter-våglängdsområdet. Inom t.ex. militären och sjöfarten används kortvågsradio, med våglängder i 10-100 metersområdet för kommunikation över längre avstånd. De två sista illustrationerna är exempel på vad vi i dagligt tal oftast menar med begreppet radiovågor.

 

Det elektromagnetiska spektret.

Radiovågor utnyttjas i en eller annan form i ett oräkneligt antal tillämpningar, inte bara i kommunikationssammanhang. T.ex. används mikrovågor både för uppvärmning av mat i mikrovågsugnar och för radar-system inom flyg- och sjöfart. Ibland kan de utsända radiovågorna vara oavsiktliga. Är dessa störande för omgivningen talar man om elektromagnetisk nedsmutsning (ElectroMagnetic Contamination (EMC) på engelska). Då så gott som all elektronisk apparatur alstrar elektromagnetiska vågor inser man att EMC kan vara ett stort problem. Speciellt på platser där känslig elektronisk apparatur används, t.ex. på sjukhus och i laboratoriemiljöer eller i flygplan.

Riktningsbestämning på liv och död

Att kunna avgöra ifrån vilken riktning strålning eller vågor kommer är ett viktigt problem. För en zebra på savannen kan det vara livsavgörande. Hur gör den för att snabbt nog för att klara sig undan ta reda på varifrån ljudet från ett livshotande lejon kommer? Det visar sig att zebran gör detta på två olika sätt. För det första har zebran kuperade öron som den kan vrida i alla möjliga riktningar. Kuperade öron hör mest i den riktning de pekare i genom att de fångar in, eller fokuserar, ljud just ifrån den riktning. På fackspråk säger man att öronen, d.v.s. sensorerna, har hög "gain" i den riktning de pekar. Problemet är förstås att zebran, för att upptäcka lejonet i tid, redan måste ha vridit öronen åt det håll lejonet kommer ifrån, vilket inte är så lyckat. Som tur är har zebran ett annat sätt att avgöra lejonets läge. Zebran kan utnyttja att ljud fortplantar sig med en ändlig hastighet. Då den har två öron kan den urskilja tidsfördröjningen då ljudet passerar förbi öronen. Är fördröjning lång kommer ljudkällan från sidorna är den kort kommer den fram eller bakifrån. Att bestämma varifrån en våg kommer genom att mäta tidsfördröjningen mellan två eller flera sensorer kallas på fackspråk för interferometri. Interferometri behöver minst två separerade sensorer for att fungera.

Det är bra att vara vaksam.

Tänker man bara på mat, kan det gå mycket illa.

Zebraöron för elektromagnetiska vågor

Precis som zebran har två olika metoder för att bestämma riktningen till ett lejon, har människan utvecklat två liknande metoder för riktningsbestämning av elektromagnetiska vågor. De två teknikerna är hög-gain och interferometri. Den största nackdelen med hög-gain antenner är de kräver mekanisk eller manuell svepning för att hitta radiostrålkällan. Detta gör att antennen enbart kan "se" en radiostrålkälla åt gången. Precisionen är helt beroende av hur noggrannt antennen kan inriktas och hur hög gain antennen har. Dessutom fungerar riktningskänsligheten hos hög-gain antenner bara inom ett mycket litet våglängdsområde. Bärbara hög-gain antenner används t.ex. vid s.k. TV-pejling och pejling av radiomärkta djur.

Interferometriteknikens största nackdel är att den kräver flera separerade mottagare. Precisionen är i detta fall beroende av hur många mottagarantenner som ingår i systemet och avståndet mellan dessa, som dessutom skalar med våglängden. I kortvågsområdet betyder det att betydande ytor krävs för att få ett fungerande system. De individuella mottagarantennerna måste dessutom sammanbindas så att informationen kan bearbetas centralt vilket betyder att ett komplicerat informationssytem kan komma att ingå i systemet.

IDA: Ett "allriktat" öra

Den kanske största skillnaden mellan ljud och radiovågor, och som inte nyttjats i de befintliga teknikerna, är att radiovågor inte bara har en typisk våglängd utan även en form av "riktning" som de bär med sig. Denna "riktning" kan inte vara vilken som helst utan måste enligt fysikens lagar vara vinkelrät mot den riktning i vilken vågen utbreder sig. Det är detta fysikaliska faktum som hela IDA-teknologin vilar. Den stora fördelen med IDA är att det räcker med att mäta vågen med en enda sensor och utan någon anordning som fokuserar vågorna mot sensorn, d.v.s. utan att nyttja någon av de traditionella teknikerna.

Då hög gain antenner förlitar sig på styrkan (amplituden) hos radiovågorna och riktningskänsligheten hos antennen förlitar sig interferometritekniker på styrkan hos radiovågorna samt fasskillnader (tid) mellan mottagarna. Endast genom att mäta i alla tre rumsliga dimensioner erhålles en komplett beskrivning av radiovågen. Totalt sex storheter, tre amplituder och tre faser, dvs en amplitud och en fas för varje rumsdimension krävs för denna beskrivning. I interferometrifallet kastas alltså 2/3 av den i radiovågen inneboende ursprungsinformationen bort och i hög gain fallet hela 5/6. Med vår lösning, IDA, bestämmer vi fullständigt radiovågens tredimensionella karaktär i mer gripbara kvantiteter än amplitud och fas. Rikningen till radiostrålkällan är en av dessa kvantiteter.

En radiomottagare där IDA-teknologin implementerats klarar att i varje ögonblick göra riktningsbestämningar till multipla radiostrålkällor. De antenner som används är dessutom små i förhållande till våglängden, vilket förutom att göra mottagaren kompakt också gör den bredbandig, d.v.s. gör att den fungerar över ett stort våglängdsområde. Själva mottagardelen kan redan idag göras helt digital vilket förutom en rad tekniska fördelar gentemot analoga radiomottagare gör det enkelt att skräddarsy olika användargränssnitt beroende på applikation. Detta är speciellt fördelaktigt om IDA-teknologin skall byggas in i redan befintliga system.

Om zebran hade tillgång till IDA-teknologin och lejon sände ut radiovågor istället för ljudvågor när dom smög på ett byte skulle zebran kunna "höra" alla lejon på savannen och dessutom kunna avgöra alla dessa lejons lägen. Samtidigt, och utan att behöva vända på huvudet.

Nu är ni mogna för nästa steg, IDA för lekmän