Радиоволны — это тип электромагнитного излучения с самыми низкими частотами и самыми длинными волнами в электромагнитном спектре , обычно с частотами ниже 300 гигагерц (ГГц) и длинами волн более 1 миллиметра ( 3 ⁄ 64 дюйма), что примерно соответствует диаметру рисового зерна. Радиоволны с частотами выше примерно 1 ГГц и длинами волн короче 30 сантиметров называются микроволнами . [1] Как и все электромагнитные волны, радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света , а в атмосфере Земли — с немного меньшей скоростью. Радиоволны генерируются заряженными частицами, подвергающимися ускорению , например, изменяющимися во времени электрическими токами . [2] Естественные радиоволны излучаются молниями и астрономическими объектами и являются частью излучения черного тела , испускаемого всеми теплыми объектами. [3]
Радиоволны генерируются искусственно электронным устройством, называемым передатчиком , который подключен к антенне , которая излучает волны. Они принимаются другой антенной, подключенной к радиоприемнику , который обрабатывает принятый сигнал. Радиоволны очень широко используются в современных технологиях для фиксированной и мобильной радиосвязи , вещания , радиолокационных и радионавигационных систем, спутников связи , беспроводных компьютерных сетей и многих других приложений. Различные частоты радиоволн имеют различные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут дифрагировать 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 гораздо более короткие длины волн изгибаются или дифрагируют очень мало и распространяются по линии прямой видимости , поэтому их дальность распространения ограничена визуальным горизонтом.
Чтобы предотвратить помехи между различными пользователями, искусственное создание и использование радиоволн строго регулируется законом, координируемым международным органом, называемым Международным союзом электросвязи (МСЭ), который определяет радиоволны как « электромагнитные волны с частотами произвольно ниже 3000 ГГц , распространяющиеся в пространстве без искусственного направляющего устройства». [4] Радиоспектр делится на ряд радиодиапазонов на основе частоты, выделенных для различных целей. Радиоволны с более высокой частотой и более короткой длиной волны называются микроволнами .
Радиоволны были впервые предсказаны теорией электромагнетизма , предложенной в 1867 году шотландским математиком-физиком Джеймсом Клерком Максвеллом . [5] 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 волны. В 1887 году немецкий физик Генрих Герц продемонстрировал реальность электромагнитных волн Максвелла, экспериментально генерируя электромагнитные волны с более низкой частотой, чем свет, радиоволны, в своей лаборатории, [6] показав, что они демонстрируют те же волновые свойства, что и свет: стоячие волны , рефракцию , дифракцию и поляризацию . Итальянский изобретатель Гульельмо Маркони разработал первые практические радиопередатчики и приемники около 1894–1895 годов. Он получил Нобелевскую премию по физике 1909 года за свою работу по радио. Радиосвязь начала использоваться в коммерческих целях около 1900 года. Современный термин « радиоволна » заменил первоначальное название « волна Герца » около 1912 года.
Радиоволны излучаются заряженными частицами при их ускорении . Естественные источники радиоволн включают радиошум, создаваемый молниями и другими естественными процессами в атмосфере Земли, а также астрономические радиоисточники в космосе, такие как Солнце, галактики и туманности. Все теплые объекты излучают высокочастотные радиоволны ( микроволны ) как часть своего излучения черного тела .
Радиоволны создаются искусственно с помощью изменяющихся во времени электрических токов , состоящих из электронов, текущих вперед и назад в металлическом проводнике особой формы, называемом 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.
Из квантовой механики , как и другие электромагнитные излучения, такие как свет, радиоволны можно альтернативно рассматривать как потоки незаряженных элементарных частиц, называемых фотонами . [7] 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 является когерентным излучателем фотонов, как лазер , поэтому все радиофотоны находятся в фазе . [8] [7] Однако из соотношения Планка энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, [7] от 10−22 до 10−30 джоулей . Таким образом, антенна даже очень маломощного передатчика излучает огромное количество фотонов каждую секунду. Поэтому, за исключением определенных процессов перехода молекулярных электронов, таких как испускание атомами в мазере микроволновых фотонов, излучение и поглощение радиоволн обычно рассматривается как непрерывный классический процесс, управляемый уравнениями Максвелла .
Радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света . [9] [10] При прохождении через материальную среду они замедляются в зависимости от проницаемости и диэлектрической проницаемости среды . Воздух достаточно разрежен, чтобы в атмосфере Земли радиоволны двигались со скоростью, очень близкой к скорости света.
Длина волны — это расстояние от одного пика (гребня) электрического поля волны до другого, и она обратно пропорциональна частоте волны . Соотношение частоты и длины волны в радиоволне, распространяющейся в вакууме или воздухе, следующее:
где
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 в 1 мегагерц (средний AM-диапазон ) имеет длину волны 299,79 метров (983,6 фута).
Как и другие электромагнитные волны, радиоволна обладает свойством, называемым поляризацией , которое определяется как направление колеблющегося электрического поля волны , перпендикулярное направлению движения. Плоскополяризованная радиоволна имеет электрическое поле, которое колеблется в плоскости, перпендикулярной направлению движения. В горизонтально поляризованной радиоволне электрическое поле колеблется в горизонтальном направлении. В вертикально поляризованной волне электрическое поле колеблется в вертикальном направлении. В круговой поляризованной волне электрическое поле в любой точке вращается вокруг направления движения один раз за цикл. Правополяризованная круговая волна вращается в правом направлении вокруг направления движения, в то время как левополяризованная круговая волна вращается в противоположном направлении. [11] : стр.21 Магнитное поле волны перпендикулярно электрическому полю, а электрическое и магнитное поля ориентированы в правом направлении относительно направления излучения.
Антенна излучает поляризованные радиоволны, причем поляризация определяется направлением металлических элементов антенны. Например, дипольная антенна состоит из двух коллинеарных металлических стержней. Если стержни горизонтальные, она излучает горизонтально поляризованные радиоволны, а если стержни вертикальные, она излучает вертикально поляризованные волны. Антенна, принимающая радиоволны, должна иметь ту же поляризацию, что и передающая антенна, иначе она пострадает от серьезной потери приема. Многие естественные источники радиоволн, такие как солнце, звезды и излучение черного тела от теплых объектов, излучают неполяризованные волны, состоящие из некогерентных коротких волновых 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 направлении. Правополяризованные радиоволны с круговой поляризацией состоят из фотонов, вращающихся в правом направлении. Левополяризованные радиоволны с круговой поляризацией состоят из фотонов, вращающихся в левом направлении. Плоскополяризованные радиоволны состоят из фотонов в квантовой суперпозиции правого и левого спиновых состояний. Электрическое поле состоит из суперпозиции правого и левого вращающихся полей, что приводит к плоскому колебанию.
Радиоволны более широко используются для связи, чем другие электромагнитные волны, в основном из-за их желаемых свойств распространения , вытекающих из их большой длины волны . [12] Радиоволны обладают способностью проходить через атмосферу в любую погоду, листву и через большинство строительных материалов. Благодаря дифракции более длинные волны могут огибать препятствия, и в отличие от других электромагнитных волн они имеют тенденцию рассеиваться, а не поглощаться объектами, большими, чем их длина волны.
Изучение распространения радиоволн , того, как радиоволны движутся в свободном пространстве и по поверхности Земли, имеет жизненно важное значение при проектировании практических радиосистем. Радиоволны, проходящие через различные среды, испытывают отражение , преломление , поляризацию , дифракцию и поглощение . Различные частоты испытывают различные комбинации этих явлений в атмосфере Земли, что делает определенные радиодиапазоны более полезными для определенных целей, чем другие. Практические радиосистемы в основном используют три различных метода распространения радиоволн для связи: [13]
На микроволновых частотах атмосферные газы начинают поглощать радиоволны, поэтому дальность действия практических систем радиосвязи уменьшается с ростом частоты. Ниже примерно 20 ГГц атмосферное затухание в основном обусловлено водяным паром. Выше 20 ГГц, в миллиметровом диапазоне волн , другие атмосферные газы начинают поглощать волны, ограничивая практическое расстояние передачи километром или меньше. Выше 300 ГГц, в терагерцовом диапазоне , практически вся мощность поглощается в пределах нескольких метров, поэтому атмосфера фактически непрозрачна. [14] [15]
В системах радиосвязи информация передается через пространство с помощью радиоволн. На передающем конце информация, которая должна быть отправлена, в форме изменяющегося во времени электрического сигнала, подается на радиопередатчик . [ 16] 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 носителя, изменяя некоторые его аспекты, кодируя информацию на носителе. Модулированный носитель усиливается и подается на антенну . Колеблющийся ток толкает электроны в антенне вперед и назад, создавая колебательные электрические и магнитные поля , которые излучают энергию от антенны в виде радиоволн. Радиоволны переносят информацию к месту расположения 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. [16] Это напряжение подается на радиоприемник , который извлекает информационный сигнал. Приемник сначала использует полосовой фильтр для отделения радиосигнала нужной радиостанции от всех других радиосигналов, принимаемых антенной, затем усиливает сигнал, чтобы он стал сильнее, затем, наконец, извлекает несущий информацию сигнал модуляции в демодуляторе . Восстановленный сигнал отправляется на громкоговоритель или наушник для воспроизведения звука, или на экран телевизора для создания видимого изображения, или на другие устройства. Цифровой сигнал данных подается на компьютер или микропроцессор , который взаимодействует с пользователем-человеком.
Радиоволны от многих передатчиков проходят через воздух одновременно, не мешая друг другу. Их можно разделить в приемнике, поскольку 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 одного или нескольких настроенных контуров , которые действуют как резонатор , подобно камертону . [ 16] Настроенный контур имеет собственную резонансную частоту , на которой он колеблется. Резонансная частота устанавливается равной частоте желаемой радиостанции. Колеблющийся радиосигнал от желаемой станции заставляет настроенный контур колебаться в соответствии с ним, и он передает сигнал на остальную часть приемника. Радиосигналы на других частотах блокируются настроенным контуром и не передаются дальше.
Радиоволны являются неионизирующим излучением , что означает, что они не обладают достаточной энергией, чтобы отделить электроны от атомов или молекул , ионизировать их, или разорвать химические связи , вызывая химические реакции или повреждение ДНК . Основной эффект поглощения радиоволн материалами заключается в их нагревании, аналогично инфракрасным волнам, излучаемым источниками тепла, такими как обогреватель или дрова. Колеблющееся электрическое поле волны заставляет полярные молекулы вибрировать вперед и назад, повышая температуру; именно так микроволновая печь готовит пищу. Радиоволны применялись к телу в течение 100 лет в медицинской терапии диатермии для глубокого нагрева тканей тела, чтобы способствовать увеличению притока крови и заживлению. Совсем недавно они использовались для создания более высоких температур в гипертермической терапии и для уничтожения раковых клеток.
Однако, в отличие от инфракрасных волн, которые в основном поглощаются поверхностью объектов и вызывают поверхностный нагрев, радиоволны способны проникать через поверхность и откладывать свою энергию внутри материалов и биологических тканей. Глубина, на которую проникают радиоволны, уменьшается с их частотой, а также зависит от удельного сопротивления и диэлектрической проницаемости материала ; она задается параметром, называемым глубиной скин-слоя материала, которая представляет собой глубину, на которой откладывается 63% энергии. Например, радиоволны 2,45 ГГц (микроволны) в микроволновой печи проникают в большинство продуктов питания примерно на 2,5–3,8 см.
Взгляд на источник радиоволн на близком расстоянии, например, волновод работающего радиопередатчика, может вызвать повреждение хрусталика глаза путем нагревания. Достаточно сильный луч радиоволн может проникнуть в глаз и нагреть хрусталик настолько, что это вызовет катаракту . [17] [18] [19] [20] [21]
Поскольку эффект нагрева в принципе не отличается от других источников тепла, большинство исследований возможных опасностей для здоровья от воздействия радиоволн были сосредоточены на «нетепловых» эффектах; оказывают ли радиоволны какое-либо воздействие на ткани помимо того, которое вызвано нагреванием. Радиочастотные электромагнитные поля были классифицированы Международным агентством по изучению рака (МАИР) как имеющие «ограниченные доказательства» их воздействия на людей и животных. [22] [23] Существуют слабые механистические доказательства риска рака через личное воздействие РЧ-ЭМП от мобильных телефонов. [24]
Радиоволны можно экранировать проводящим металлическим листом или экраном, корпус из листа или экрана называется клеткой Фарадея . Металлический экран экранирует радиоволны так же хорошо, как и сплошной лист, пока отверстия в экране меньше, чем примерно 1 ⁄ 20 длины волны . [25]
Поскольку радиочастотное излучение имеет как электрическую, так и магнитную составляющую, часто бывает удобно выражать интенсивность поля излучения в единицах, специфичных для каждой составляющей. Единица вольт на метр (В/м) используется для электрической составляющей, а единица ампер на метр (А/м) используется для магнитной составляющей. Можно говорить об электромагнитном поле , и эти единицы используются для предоставления информации об уровнях напряженности электрического и магнитного поля в месте измерения.
Другой часто используемой единицей для характеристики электромагнитного поля РЧ является плотность мощности . Плотность мощности наиболее точно используется, когда точка измерения находится достаточно далеко от излучателя РЧ, чтобы находиться в так называемой зоне дальнего поля диаграммы направленности. [26] В непосредственной близости от передатчика, т. е. в зоне «ближнего поля», физические отношения между электрическими и магнитными компонентами поля могут быть сложными, и лучше всего использовать единицы напряженности поля, обсуждавшиеся выше. Плотность мощности измеряется в единицах мощности на единицу площади, например, с помощью единицы милливатт на квадратный сантиметр (мВт/см2 ) . Когда речь идет о частотах в диапазоне микроволн и выше, плотность мощности обычно используется для выражения интенсивности, поскольку возможные воздействия, скорее всего, будут происходить в зоне дальнего поля.
