Радиоволна - Radio wave

Анимация полуволновой дипольной антенны, излучающей радиоволны, показывая силовые линии электрического поля . Антенна в центре представляет собой два вертикальных металлических стержня, соединенных с радиопередатчиком (не показан). Передатчик подает на стержни переменный электрический ток , который заряжает их попеременно положительным (+) и отрицательным (-). Петли электрического поля покидают антенну и уносятся прочь со скоростью света ; это радиоволны. В этой анимации действие показано сильно замедленным.

Радиоволны - это тип электромагнитного излучения с длинами волн в электромагнитном спектре больше, чем у инфракрасного света. Радиоволны имеют частоты от 300 гигагерц ( ГГц ) до 30 герц ( Гц ). На частоте 300 ГГц соответствующая длина волны составляет 1 мм (короче рисового зерна); при 30 Гц соответствующая длина волны составляет 10 000 км (больше, чем радиус Земли). Как и все электромагнитные волны, радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света , а в атмосфере Земли - с близкой, но немного меньшей скоростью. Радиоволны генерируются заряженными частицами, испытывающими ускорение , например изменяющимися во времени электрическими токами . Естественные радиоволны излучаются молниями и астрономическими объектами и являются частью излучения черного тела, излучаемого всеми теплыми объектами.

Радиоволны искусственно генерируются передатчиками и принимаются радиоприемниками с помощью антенн . Радиоволны очень широко используются в современных технологиях фиксированной и мобильной радиосвязи , радиовещания , радиолокационных и радионавигационных систем, спутников связи , беспроводных компьютерных сетей и многих других приложений. Радиоволны разных частот имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут рассеиваться вокруг препятствий, таких как горы, и следовать контуру земли ( земные волны ), более короткие волны могут отражаться от ионосферы и возвращаться на Землю за горизонтом ( небесные волны ), в то время как более короткие волны очень мало изгибаются или дифрагируют и распространяются по прямая видимость , поэтому их расстояния распространения ограничены визуальный горизонт.

Чтобы предотвратить помехи между различными пользователями, искусственное генерирование и использование радиоволн строго регулируется законом и координируется международным органом, называемым Международным союзом электросвязи (ITU), который определяет радиоволны как « электромагнитные волны с частотами ниже 3000 ГГц. , размножается в космосе без искусственного поводыря ». Радиочастотный спектр делится на ряд радиодиапазонов на основе частоты, выделенных для различных целей.

Схема электрических полей (E) и магнитных полей (H) радиоволн, излучаемых монопольной радиопередающей антенной (маленькая темная вертикальная линия в центре). Поля E и H перпендикулярны, как следует из фазовой диаграммы в правом нижнем углу.

Открытие и эксплуатация

Радиоволны были впервые предсказаны математической работой, выполненной в 1867 году шотландским физиком-математиком Джеймсом Клерком Максвеллом . Его математическая теория, теперь называемая уравнениями Максвелла , предсказывала, что связанное электрическое и магнитное поле может перемещаться в пространстве как « электромагнитная волна ». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн очень короткой длины. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц продемонстрировал реальность электромагнитных волн Максвелла, экспериментально генерируя радиоволны в своей лаборатории, показав, что они проявляют те же волновые свойства, что и свет: стоячие волны , преломление , дифракция и поляризация . Итальянский изобретатель Гульельмо Маркони разработал первые практичные радиопередатчики и приемники примерно в 1894–1895 годах. Он получил Нобелевскую премию по физике 1909 года за свои радиоработы. Радиосвязь начала использоваться в коммерческих целях примерно в 1900 году. Современный термин « радиоволна » заменил первоначальное название « волна Герца » примерно в 1912 году.

Генерация и прием

Анимированная диаграмма полуволновой дипольной антенны, принимающей радиоволны. Антенна состоит из двух металлических стержней , соединенных с приемником

R

. Электрическое поле (

Е

, зеленые стрелки ) входящей волна толкает электроны в стержнях вперед и назад, заряжая концы попеременно положительный (+) и отрицательный (-) . Поскольку длина антенны составляет половину длины волны, осциллирующее поле индуцирует стоячие волны напряжения (

V

, представленные красной полосой ) и тока в стержнях. Колебательные токи (черные стрелки) текут по линии передачи и через приемник (представленный сопротивлением

R

).

Радиоволны излучаются заряженными частицами при их ускорении . Они создаются искусственно изменяющимися во времени электрическими токами , состоящими из электронов, текущих вперед и назад по металлическому проводнику особой формы, называемому антенной . Электронное устройство, называемое радиопередатчиком, подает колебательный электрический ток на антенну, и антенна излучает энергию в виде радиоволн. Радиоволны принимаются другой антенной, прикрепленной к радиоприемнику . Когда радиоволны попадают на приемную антенну, они толкают электроны в металле вперед и назад, создавая крошечные колебательные токи, которые обнаруживаются приемником.

С точки зрения квантовой механики , как и другое электромагнитное излучение, такое как свет, радиоволны также можно рассматривать как потоки незаряженных элементарных частиц, называемых фотонами . В антенне, передающей радиоволны, электроны в антенне излучают энергию дискретными пакетами, называемыми радиофотонами, в то время как в приемной антенне электроны поглощают энергию в виде радиофотонов. Антенна - это когерентный излучатель фотонов, как лазер , поэтому все радиофотоны находятся в фазе . Однако из соотношения Планка энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, от 10 ⁻²² до 10 ⁻³⁰джоулей . Он настолько мал, что, за исключением определенных процессов молекулярных электронных переходов, таких как атомы в мазере, излучающем микроволновые фотоны, излучение и поглощение радиоволн обычно рассматривается как непрерывный классический процесс, управляемый уравнениями Максвелла . ${\ Displaystyle Е = ч \ ню}$

Характеристики

Радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света . При прохождении через материальную среду они замедляются в зависимости от проницаемости и диэлектрической проницаемости среды . Воздух достаточно разрежен, чтобы радиоволны в атмосфере Земли распространялись со скоростью, близкой к скорости света. ${\ displaystyle c}$

Длина волны - это расстояние от одного пика (гребня) электрического поля волны до следующего, и обратно пропорциональна частоте волны. Соотношение частоты и длины волны радиоволны, распространяющейся в вакууме или воздухе, равно ${\ displaystyle \ lambda}$ ${\ displaystyle f}$

{\ displaystyle \ lambda = {\ frac {\; c \;} {f}} ~,}

куда

{\ displaystyle c \ приблизительно 299,79 \ times 10 ^ {6} {\ text {m / s}} ~.}

Эквивалентно, расстояние, которое радиоволна проходит в вакууме за одну секунду, составляет 299 792 458 метров (983 571 056 футов), что является длиной волны радиосигнала в 1 герц . Радиоволна 1 мегагерц (средний диапазон AM ) имеет длину волны 299,79 м (983,6 фута). ${\ Displaystyle \; с \;}$

Поляризация

Как и другие электромагнитные волны, радиоволна имеет свойство, называемое поляризацией , которое определяется как направление колеблющегося электрического поля волны перпендикулярно направлению движения. Плоскополяризованная радиоволна имеет электрическое поле, которое колеблется в плоскости вдоль направления движения. В горизонтально поляризованной радиоволне электрическое поле колеблется в горизонтальном направлении. В вертикально поляризованной волне электрическое поле колеблется в вертикальном направлении. В волне с круговой поляризацией электрическое поле в любой точке вращается вокруг направления движения один раз за цикл. Правая круговая поляризация волна вращается в правом смысле о направлении движения, в то время как левая круговая поляризация волна вращается в противоположном смысле. Магнитное поле волны перпендикулярно электрическому полю, а электрическое и магнитное поля ориентированы вправо по отношению к направлению излучения.

Антенна излучает поляризованные радиоволны, поляризация которых определяется направлением металлических элементов антенны. Например, дипольная антенна состоит из двух коллинеарных металлических стержней. Если стержни расположены горизонтально, он излучает радиоволны с горизонтальной поляризацией, а если стержни расположены вертикально, он излучает волны с вертикальной поляризацией. Антенна, принимающая радиоволны, должна иметь ту же поляризацию, что и передающая антенна, в противном случае будет наблюдаться серьезная потеря приема. Многие естественные источники радиоволн, такие как солнце, звезды и излучение черного тела от теплых объектов, излучают неполяризованные волны, состоящие из некогерентных коротковолновых последовательностей в равной смеси состояний поляризации.

Поляризация радиоволн определяется квантово-механическим свойством фотонов, называемым их спином . Фотон может иметь одно из двух возможных значений спина; он может вращаться в правом направлении относительно своего направления движения или в левом. Радиоволны с правой круговой поляризацией состоят из фотонов, вращающихся в правом направлении. Радиоволны с левой круговой поляризацией состоят из фотонов, вращающихся в левом направлении. Плоско поляризованные радиоволны состоят из фотонов в квантовой суперпозиции правого и левого спиновых состояний. Электрическое поле состоит из суперпозиции правого и левого вращающихся полей, в результате чего возникает плоское колебание.

Характеристики распространения

Радиоволны более широко используются для связи, чем другие электромагнитные волны, в основном из-за их желаемых свойств распространения , обусловленных их большой длиной волны . Радиоволны обладают способностью проходить через атмосферу, листву и большинство строительных материалов, и за счет дифракции могут огибать препятствия, и в отличие от других электромагнитных волн они имеют тенденцию скорее рассеиваться, чем поглощаться объектами, длина которых превышает их длину волны.

Изучение распространения радиоволн , то есть того, как радиоволны движутся в свободном пространстве и над поверхностью Земли, имеет жизненно важное значение при разработке практических радиосистем. Радиоволны, проходящие через различные среды, испытывают отражение , преломление , поляризацию , дифракцию и поглощение . На разных частотах наблюдаются разные комбинации этих явлений в атмосфере Земли, что делает определенные радиодиапазоны более полезными для конкретных целей, чем другие. В практических радиосистемах для связи в основном используются три различных метода распространения радиоволн:

Линия прямой видимости : это относится к радиоволнам, которые проходят по прямой линии от передающей антенны к приемной антенне. Это не обязательно требует наличия свободного пути для обзора; на более низких частотах радиоволны могут проходить через здания, листву и другие препятствия. Это единственный возможный способ распространения на частотах выше 30 МГц. На поверхности Земли луч прямой видимости ограничен визуальным горизонтом примерно до 64 км (40 миль). Это метод, используемый сотовыми телефонами , FM , телевещанием и радаром . Используя тарелочные антенны для передачи лучей микроволн, двухточечные радиорелейные линии связи передают телефонные и телевизионные сигналы на большие расстояния вплоть до видимого горизонта. Наземные станции могут связываться со спутниками и космическими кораблями за миллиарды миль от Земли.
- Непрямое распространение : радиоволны могут достигать точек за пределами прямой видимости за счет дифракции и отражения . Дифракция позволяет радиоволнам огибать препятствия, такие как край здания, автомобиль или поворот в зале. Радиоволны также частично отражаются от таких поверхностей, как стены, пол, потолок, автомобили и земля. Эти методы распространения применяются в системах радиосвязи малого радиуса действия, таких как сотовые телефоны , беспроводные телефоны , рации и беспроводные сети . Недостатком этого режима является многолучевое распространение , при котором радиоволны распространяются от передающей антенны к принимающей по множеству путей. Волны мешают , часто вызывая затухание и другие проблемы с приемом.
Наземные волны : на более низких частотах ниже 2 МГц, в диапазонах средних и длинных волн из-за дифракции вертикально поляризованные радиоволны могут изгибаться над холмами и горами и распространяться за горизонт, распространяясь как поверхностные волны, повторяющие контур Земли. Это позволяет средневолновым и длинноволновым радиовещательным станциям иметь зону покрытия за горизонтом на сотни миль. По мере уменьшения частоты потери уменьшаются, а достижимый диапазон увеличивается. Военные системы связи с очень низкой частотой (VLF) и чрезвычайно низкой частотой (ELF) могут обмениваться данными на большей части Земли и с подводными лодками, находящимися на глубине сотни футов под водой.
Skywaves : На средних волнах и коротких волнах длиной волны, радиоволны отражаются от проводящих слоев заряженных частиц ( ионов ) в части атмосферы называется ионосферой . Таким образом, радиоволны, направленные под углом в небо, могут вернуться на Землю за горизонт; это называется "пропуском" или распространением "небесной волны". Использование нескольких пропусков связи на межконтинентальных расстояниях может быть достигнуто. Распространение небесной волны изменчиво и зависит от атмосферных условий; он наиболее надежен ночью и зимой. Широко использовавшийся в первой половине 20-го века из-за ненадежности ино-волновая связь по большей части была заброшена. Остальные виды использования - это военные загоризонтные радиолокационные системы, некоторые автоматизированные системы, радиолюбители и станции коротковолнового радиовещания для вещания на другие страны.

На микроволновых частотах атмосферные газы начинают поглощать радиоволны, поэтому радиус действия практических систем радиосвязи уменьшается с увеличением частоты. Атмосферное затухание на частотах ниже 20 ГГц в основном связано с водяным паром. На частотах выше 20 ГГц, в миллиметровом диапазоне волн , другие атмосферные газы начинают поглощать волны, ограничивая практические расстояния передачи до одного километра или меньше. На частотах выше 300 ГГц в терагерцовом диапазоне практически вся мощность поглощается в пределах нескольких метров, поэтому атмосфера фактически непрозрачна.

Радиосвязь

В системах радиосвязи информация передается в пространстве с помощью радиоволн. На передающей стороне информация, которая должна быть отправлена, в форме изменяющегося во времени электрического сигнала подается на радиопередатчик . Информация, называемая сигналом модуляции , может быть аудиосигналом, представляющим звук с микрофона , видеосигналом, представляющим движущиеся изображения с видеокамеры , или цифровым сигналом, представляющим данные с компьютера . В передатчике электронный генератор генерирует переменный ток, колеблющийся на радиочастоте , называемый несущей волной, потому что он создает радиоволны, которые «переносят» информацию по воздуху. Информационный сигнал используется для модуляции несущей, изменяя некоторые ее аспекты, «совмещая» информацию с несущей. Модулированная несущая усиливается и подается на антенну . Колебательный ток толкает электроны в антенне вперед и назад, создавая колеблющиеся электрические и магнитные поля , которые излучают энергию от антенны в виде радиоволн. Радиоволны несут информацию к месту нахождения приемника.

В приемнике колеблющиеся электрические и магнитные поля входящей радиоволны толкают электроны в приемной антенне вперед и назад, создавая крошечное колебательное напряжение, которое является более слабой копией тока в передающей антенне. Это напряжение подается на радиоприемник , который извлекает информационный сигнал. Приемник сначала использует полосовой фильтр, чтобы отделить радиосигнал нужной радиостанции от всех других радиосигналов, принимаемых антенной, затем усиливает сигнал, чтобы он был сильнее, а затем, наконец, извлекает несущий информацию сигнал модуляции в демодулятор . Восстановленный сигнал отправляется в громкоговоритель или наушник для воспроизведения звука, или на экран телевизионного дисплея для создания видимого изображения, или на другие устройства. Сигнал цифровых данных подается на компьютер или микропроцессор , который взаимодействует с человеком-пользователем.

Радиоволны от многих передатчиков проходят по воздуху одновременно, не мешая друг другу. Их можно разделить в приемнике, потому что радиоволны каждого передатчика колеблются с разной скоростью, другими словами, каждый передатчик имеет разную частоту , измеряемую в килогерцах (кГц), мегагерцах (МГц) или гигагерцах (ГГц). Полосовой фильтр в приемнике состоит из колебательного контура , который действует как резонатор , аналогично камертон. Он имеет собственную резонансную частоту, на которой колеблется. Резонансная частота устанавливается равной частоте желаемой радиостанции. Колеблющийся радиосигнал от желаемой станции заставляет настроенную схему колебаться в согласии, и она передает сигнал остальной части приемника. Радиосигналы на других частотах блокируются настроенной схемой и не передаются.

Биологические и экологические эффекты

Радиоволны - это неионизирующее излучение , что означает, что у них недостаточно энергии для отделения электронов от атомов или молекул , их ионизации или разрыва химических связей , вызывающих химические реакции или повреждение ДНК . Основной эффект поглощения радиоволн материалами заключается в их нагревании, подобно инфракрасным волнам, излучаемым такими источниками тепла, как обогреватель или дровяной камин. Колеблющееся электрическое поле волны заставляет полярные молекулы колебаться вперед и назад, повышая температуру; так готовят пищу в микроволновой печи . Однако, в отличие от инфракрасных волн, которые в основном поглощаются поверхностью объектов и вызывают нагрев поверхности, радиоволны способны проникать через поверхность и отдавать свою энергию в материалы и биологические ткани. Глубина проникновения радиоволн уменьшается с увеличением их частоты, а также зависит от удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости материала ; он задается параметром, называемым глубиной скин-слоя материала, то есть глубиной, на которой вкладывается 63% энергии. Например, радиоволны (микроволны) с частотой 2,45 ГГц в микроволновой печи проникают в большинство продуктов примерно на 2,5–3,8 см (от 1 до 1,5 дюймов). Радиоволны применялись к телу в течение 100 лет в медицинской терапии диатермии для глубокого нагрева тканей тела, улучшения кровотока и заживления. Совсем недавно они использовались для создания более высоких температур при лечении гипертермией и для уничтожения раковых клеток. Взгляд на источник радиоволн с близкого расстояния, такой как волновод работающего радиопередатчика, может вызвать повреждение хрусталика глаза из-за нагрева. Достаточно сильный луч радиоволн может проникнуть в глаз и нагреть хрусталик настолько, что вызовет катаракту .

Поскольку эффект нагрева в принципе не отличается от других источников тепла, большинство исследований возможных опасностей для здоровья от воздействия радиоволн сосредоточено на «нетепловых» эффектах; имеют ли радиоволны какое-либо влияние на ткани, кроме того, что вызвано нагреванием. Радиочастотные электромагнитные поля были классифицированы Международным агентством по изучению рака (IARC) как имеющие «ограниченные доказательства» его воздействия на людей и животных. Имеются слабые механистические доказательства риска рака из-за личного воздействия РЧ-ЭМП с мобильных телефонов.

Радиоволны могут быть защищены от проводящего металлического листа или экрана, ограждение из листа или экрана называется клеткой Фарадея . Металлический экран защищает от радиоволн, а также в виде твердого листа до тех пор , как отверстия в экране меньше , чем около 1 / 20 от длины волны волн.

Измерение

Поскольку радиочастотное излучение имеет как электрическую, так и магнитную составляющие, часто бывает удобно выражать интенсивность поля излучения в единицах, специфичных для каждого компонента. Единица измерения вольт на метр (В / м) используется для электрического компонента, а единица измерения ампер на метр (А / м) - для магнитного компонента. Можно говорить об электромагнитном поле , и эти единицы используются для предоставления информации об уровнях напряженности электрического и магнитного поля в месте измерения.

Другой обычно используемой единицей измерения радиочастотного электромагнитного поля является плотность мощности . Плотность мощности наиболее точно используется, когда точка измерения находится достаточно далеко от РЧ-излучателя, чтобы находиться в так называемой зоне дальней зоны диаграммы направленности. В непосредственной близости от передатчика, то есть в зоне «ближнего поля», физические отношения между электрическими и магнитными компонентами поля могут быть сложными, и лучше всего использовать единицы напряженности поля, описанные выше. Плотность мощности измеряется в единицах мощности на единицу площади, например, в милливаттах на квадратный сантиметр (мВт / см ² ). Говоря о частотах в микроволновом диапазоне и выше, для выражения интенсивности обычно используется плотность мощности, поскольку воздействие, которое может произойти, скорее всего, будет в зоне дальней зоны.

Смотрите также

использованная литература

Максвелл, Джеймс Клерк (1865). «VIII. Динамическая теория электромагнитного поля» . Философские труды Лондонского королевского общества . 155 : 459–512. DOI : 10,1098 / rstl.1865.0008 . S2CID 186207827 .
Герц, Генрих Рудольф (1893). Электрические волны: исследования распространения электрического воздействия с конечной скоростью в пространстве . Библиотека Корнельского университета. Итака, штат Нью-Йорк: Корнельский университет . ISBN 9781429740364.
Роуэр, Карл (1993). Распространение волн в ионосфере . Развитие теории электромагнетизма и ряд приложений. Дордрехт: Kluwer Academic. ISBN 9780792307754. OCLC 26257685 .

внешние ссылки

«Радиоволны» . Управление научной миссии. НАСА .

Languages

In other projects