فرکانس بحرانی

در مخابرات، اصطلاح **فرکانس بحرانی** معانی زیر را دارد:
* در انتشار رادیویی از طریق یونُسفر، فرکانسی که در آن یا پایین‌تر از آن، یک مؤلفه موج توسط یک لایه یونُسفری بازتاب می‌شود و بالاتر از آن از آن نفوذ می‌کند.
* در تابش نزدیک به قائم، فرکانس حدّی که در آن یا پایین‌تر از آن تابش، مؤلفه موج توسط یک لایه یونُسفر بازتاب می‌شود و بالاتر از آن از آن عبور می‌کند.

فرکانس بحرانی با تغییر زمان روز، شرایط جوی و زاویه تابش امواج رادیویی توسط آنتن تغییر می‌کند.

وجود فرکانس بحرانی نتیجه محدودیت الکترون است، *یعنی* ناکافی بودن تعداد الکترون‌های آزاد موجود برای پشتیبانی از بازتابش در فرکانس‌های بالاتر.

در پردازش سیگنال، *فرکانس بحرانی* نام دیگری برای فرکانس نایکوئیست نیز هست.

فرکانس بحرانی بالاترین مقدار فرکانسی است که بالاتر از آن امواج به یونُسفر نفوذ می‌کنند و پایین‌تر از آن از یونُسفر بازتابیده می‌شوند. این فرکانس با «fc» نشان داده می‌شود. مقدار آن ثابت نیست و به چگالی الکترون یونُسفر بستگی دارد.

## معادلات
### فرکانس بحرانی به عنوان تابعی از حداکثر فرکانس قابل استفاده
فرکانس بحرانی را می‌توان با فرمول زیر محاسبه کرد:

f_\text{c} = 9\sqrt{N_\text{max}}

که در آن *N*max حداکثر چگالی الکترون در هر متر مکعب و *f*c بر حسب هرتز است.

### فرکانس بحرانی به عنوان تابعی از چگالی الکترون
فرکانس بحرانی را می‌توان با چگالی الکترونی داده شده توسط فرمول زیر محاسبه کرد:

f_\text{c} = MUF*cos\theta

که در آن ***اِم‌یواِف*** حداکثر فرکانس قابل استفاده است و \theta زاویه تابش است

## رابطه با فرکانس پلاسما
وابستگی فرکانس بحرانی به چگالی الکترون را می‌توان از طریق مفهوم نوسان پلاسما، به ویژه سازوکار الکترون‌های «سرد»، مرتبط دانست.

\omega_{\mathrm{pe}} = \sqrt{\frac{n_\mathrm{e} e^{2}}{m^*\varepsilon_0}}, \left[\mathrm{rad/s}\right]

با استفاده از بار الکترون 1.602\cdot 10^{-19}=e کولُن، جِرم الکترون 9.10938356\cdot 10^{-31}=m^* کیلوگرم و ثابت‌گذردهی فضای آزاد \epsilon_o=8.854187817\cdot 10^{-12}A^2.s^4.m^{-3}.kg^{-1} می‌دهد،

\omega_{\mathrm{pe}} = 2\pi f=56.415 \sqrt{n_e}

و حل برای فرکانس،

f_\text{c} = 8.979\sqrt{N_\text{max}} \approx 9\sqrt{N_\text{max}}

## رابطه با ضریب شکست
ضریب شکست فرمولی دارد n=\frac{c}{v} که وابستگی به طول‌موج را نشان می‌دهد. این نتیجه که نیروی ناشی از میدان قطبش در یک گاز یونیزه شده با غلظت کم توسط اثر برخورد بین یون‌ها و الکترون‌ها خنثی می‌شود، به روشی ساده که به وضوح مبنای فیزیکی این اثر را نشان می‌دهد، دوباره برقرار می‌شود. به دلیل این خنثی‌سازی، فرمول سِلمایِر، رابطه بین چگالی تعداد الکترون، ***N***، و ضریب شکست، ***n***، را در یونُسفر، هنگامی که از برخوردها صرف نظر می‌شود، تعیین می‌کند.

n^2-1=\frac{-Ne^2}{\epsilon_o m \omega^2}.

استفاده از مقادیر پیش‌فرض برای بار الکترون e ، گذردهی الکتریکی فضای آزاد \epsilon_o و جرم الکترون m و تغییر سرعت زاویه‌ای \omega نسبت به فرکانس f این منجر به

n^2-1=\frac{3182.607N}{(2\pi f)^2}

و حل برای ضریب شکست **n,**

n=\sqrt{1-\frac{80.616N}{f^2}} \approx \sqrt{1-\frac{81N}{f^2}} 

## فرکانس بحرانی و لایه اِف یونُسفر
* تمام مخابرات رادیویی اِچ‌اِف راه دور از سیگنال‌های رادیویی اِچ‌اِف استفاده می‌کنند که به صورت مایل به یونُسفر برخورد می‌کنند. اگر فرکانس اِچ‌اِف بالاتر از فرکانس بحرانی باشد، سیگنال‌های رادیویی به جای برخورد مستقیم، با زاویه از یونُسفر عبور می‌کنند.
* فرکانس بحرانی به‌طور مداوم تغییر می‌کند و لایه اِف یونُسفر عمدتاً مسئول بازتاب امواج رادیویی به زمین است.
* لایه‌های دیگر (D) به روش‌های دیگری با هم تعامل دارند - جذب فرکانس و در طول روز، لایه‌های D تشکیل می‌شوند و لایه اِف به لایه‌های اِف۱ و اِف۲ تقسیم می‌شود.
* به دلیل تغییر یونُسفر در طول روز و شب، در طول روز باندهای فرکانس بالاتر تحت فرکانس بحرانی بهترین عملکرد را دارند، اما در طول شب باندهای فرکانس پایین‌تر بهترین عملکرد را دارند.
* لایه D در طول روز وجود دارد و جاذب خوبی برای امواج رادیویی است و باعث افزایش تلفات می‌شود. فرکانس‌های بالاتر کمتر جذب می‌شوند، بنابراین فرکانس‌های بالاتر در طول روز عملکرد بهتری دارند.
* لینک نقشه فرکانس بحرانی لایه اِف۲ که هر پنج دقیقه یکبار به‌روزرسانی می‌شود را می‌توانید در این وب‌سایت مشاهده کنید.
* لینک نقشه یونُسفر و حداکثر فرکانس‌های قابل استفاده عملی (MUF) که هر پنج دقیقه یکبار به‌روزرسانی می‌شود را می‌توانید در این وب‌سایت مشاهده کنید.

## جستارهای وابسته
* فرکانس بالا
* برنامه تحقیقاتی شفق قطبی فعال با فرکانس بالا
* پروتکل اینترنت فرکانس بالا
* فرکانس پایین
* انتشار رادیویی
* هواشناسی فضایی

## منابع


رده:انتشار بسامد رادیویی
رده:نظریه مخابرات