Радиоволны — это тип электромагнитного излучения с самыми длинными длинами волн в электромагнитном спектре , обычно с частотами 300 гигагерц ( ГГц ) и ниже. [1] При частоте 300 ГГц соответствующая длина волны составляет 1 мм, что меньше диаметра рисового зерна. При 30 Гц соответствующая длина волны составляет ~ 10 000 километров (6 200 миль), что больше радиуса Земли. Длина волны радиоволны обратно пропорциональна ее частоте, поскольку ее скорость постоянна. Как и все электромагнитные волны, радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света , а в атмосфере Земли — с несколько 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, излучаемого всеми теплыми объектами.
Радиоволны генерируются искусственно электронным устройством, называемым передатчиком , которое подключено к антенне , излучающей волны. Их принимает другая антенна, подключенная к радиоприемнику , который обрабатывает принятый сигнал. Радиоволны очень широко используются в современных технологиях фиксированной и мобильной радиосвязи , радиовещании , радиолокационных и радионавигационных системах, спутниках связи , беспроводных компьютерных сетях и во многих других приложениях. Различные частоты радиоволн имеют разные характеристики распространения в атмосфере Земли; длинные волны могут дифрагировать вокруг препятствий, таких как горы, и повторять контур Земли ( земные волны ), более короткие волны могут отражаться от ионосферы и возвращаться на Землю за горизонт ( небесные волны ), в то время как гораздо более короткие волны очень мало изгибаются или дифрагируют и распространяются прямой видимости , поэтому расстояние их распространения ограничено визуальным горизонтом.
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 произвольно ниже 3000 ГГц» . , распространяющийся в космосе без искусственного проводника». [3] Радиоспектр разделен на ряд радиодиапазонов в зависимости от частоты, выделенных для различных целей .
Радиоволны были впервые предсказаны теорией электромагнетизма , предложенной в 1867 году шотландским физиком-математиком Джеймсом Клерком Максвеллом . [4] Его математическая теория, теперь называемая уравнениями Максвелла , предсказала, что связанное электрическое и магнитное поле может распространяться 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, [5] показав, что они обладают теми же волновыми свойствами, что и свет: стоячие волны , преломление , дифракция и поляризация . Итальянский изобретатель Гульельмо Маркони разработал первые практические радиопередатчики и приемники примерно в 1894–1895 годах. Он получил Нобелевскую премию по физике 1909 года за свои работы в области радио. Радиосвязь начала использоваться в коммерческих целях примерно в 1900 году. Современный термин « радиоволна » заменил первоначальное название « волна Герца » примерно в 1912 году.
Радиоволны излучаются заряженными частицами , когда они ускоряются . 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 излучения черного тела .
Радиоволны создаются искусственно изменяющимися во времени электрическими токами , состоящими из электронов , текущих взад и вперед в металлическом проводнике особой формы, называемом антенной . Электронное устройство, называемое радиопередатчиком, подает на антенну колеблющийся электрический ток, а антенна излучает энергию в виде радиоволн. Радиоволны принимаются другой антенной, прикрепленной к радиоприемнику . Когда радиоволны ударяются о приемную антенну, они толкают электроны в металле взад и вперед, создавая крошечные колебательные токи, которые регистрируются приемником.
С точки зрения квантовой механики , как и другие электромагнитные излучения, такие как свет, радиоволны можно альтернативно рассматривать как потоки незаряженных элементарных частиц, называемых фотонами . [6] В антенне, передающей радиоволны, электроны в антенне излучают энергию дискретными пакетами, называемыми радиофотонами, а в приемной антенне электроны поглощают энергию в виде радиофотонов. Антенна — это когерентный излучатель фотонов, подобно лазеру , поэтому все радиофотоны находятся в фазе . [7] [6] Однако, согласно соотношению Планка, энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, [6] от 10 −22 до 10 −30 джоулей . Таким образом, антенна даже передатчика очень малой мощности излучает огромное количество фотонов в секунду. Поэтому, за исключением некоторых процессов молекулярного перехода электронов , таких как атомы в мазере , испускающие микроволновые фотоны, излучение и поглощение радиоволн обычно рассматривается как непрерывный классический процесс, управляемый уравнениями Максвелла .
Радиоволны в вакууме распространяются со скоростью света . [8] [9] При прохождении через материальную среду они замедляются в зависимости от проницаемости и диэлектрической проницаемости среды . Воздух настолько разрежен, что в атмосфере Земли радиоволны распространяются очень близко к скорости света.
Длина волны — это расстояние от одного пика (гребня) электрического поля волны до другого, и она обратно пропорциональна частоте волны . Отношение частоты и длины волны радиоволны, распространяющейся в вакууме или воздухе, равно
где
Аналогично, расстояние, которое радиоволна проходит в вакууме за одну секунду, составляет 299 792 458 метров (983 571 056 футов), что соответствует длине волны радиосигнала частотой 1 Герц . Радиоволна частотой 1 мегагерц (средний диапазон AM ) имеет длину волны 299,79 метра (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 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. Волна с правой круговой поляризацией вращается вправо относительно направления движения, а волна с левой круговой поляризацией вращается в противоположном направлении. Магнитное поле волны перпендикулярно электрическому полю, а электрическое и магнитное поля ориентированы вправо относительно направления 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, они излучают радиоволны с горизонтальной поляризацией, а если стержни расположены вертикально, они излучают волны с вертикальной поляризацией. Антенна, принимающая радиоволны, должна иметь ту же поляризацию, что и передающая антенна, иначе произойдет серьезная потеря приема. Многие естественные источники радиоволн, такие как солнце, звезды и излучение абсолютно черного тела от теплых объектов, излучают неполяризованные волны, состоящие из некогерентных коротких волновых цугов 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 вправо относительно направления своего движения или влево. Радиоволны с правой круговой поляризацией состоят из фотонов, вращающихся в правом направлении. Радиоволны с левой 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, главным образом из-за их желательных свойств распространения , обусловленных их большой длиной волны . [10] Радиоволны обладают способностью проходить через атмосферу в любую погоду, через листву и большинство строительных материалов, а за счет дифракции более длинные волны могут огибать препятствия, и в отличие от других электромагнитных волн они имеют тенденцию рассеиваться, а не поглощаться объектами большего размера. чем их длина волны.
Изучение распространения радиоволн , того, как радиоволны движутся в открытом космосе и над поверхностью Земли, жизненно важно при проектировании практических радиосистем. Радиоволны, проходя через различные среды, испытывают отражение , преломление , поляризацию , дифракцию и поглощение . На разных частотах в атмосфере Земли наблюдаются разные комбинации этих явлений, что делает определенные радиодиапазоны более полезными для конкретных целей, чем другие. В практических радиосистемах для связи в основном используются три различных метода распространения радиосигнала: [11]
На микроволновых частотах атмосферные газы начинают поглощать радиоволны, поэтому дальность действия практических систем радиосвязи уменьшается с увеличением частоты. Затухание в атмосфере ниже примерно 20 ГГц происходит главным образом из-за водяного пара. Выше 20 ГГц, в диапазоне миллиметровых волн , другие атмосферные газы начинают поглощать волны, ограничивая практическое расстояние передачи до километра или меньше. Выше 300 ГГц, в терагерцовом диапазоне , практически вся мощность поглощается в пределах нескольких метров, поэтому атмосфера фактически непрозрачна. [12] [13]
В системах радиосвязи информация передается в пространстве с помощью радиоволн. На передающей стороне информация, подлежащая отправке, в виде изменяющегося во времени электрического сигнала подается на радиопередатчик . [14] Информация, называемая сигналом модуляции , может быть аудиосигналом , представляющим звук из 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 , поскольку он создает радиоволны, которые «переносят» информацию по воздуху. Информационный сигнал используется для модуляции несущей, изменения некоторых ее аспектов, кодирования информации на 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 передают информацию к месту расположения приемника.
В приемнике колеблющиеся электрические и магнитные поля приходящей радиоволны толкают электроны в приемной антенне взад и вперед, создавая крошечное колебательное напряжение, которое является более слабой копией тока в передающей антенне. [14] 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 стал сильнее, а затем, наконец, извлекает информационный сигнал модуляции в демодуляторе . Восстановленный сигнал отправляется на громкоговоритель или наушники для воспроизведения звука, на экран телевизора для создания видимого изображения или на другие устройства. Сигнал цифровых данных подается на компьютер или микропроцессор , который взаимодействует с пользователем-человеком.
Радиоволны от многих передатчиков проходят по воздуху одновременно, не мешая друг другу. В приемнике их можно разделить, 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 . [14] Настроенный контур имеет собственную резонансную частоту , на которой он колеблется. Резонансная частота устанавливается равной частоте нужной радиостанции. Колеблющийся радиосигнал от нужной станции заставляет настроенную схему колебаться в соответствии с ней, и она передает сигнал остальной части приемника. Радиосигналы на других частотах блокируются настроенной схемой и не передаются дальше.
Радиоволны являются неионизирующим излучением , а это означает, что им не хватает энергии, чтобы отделить электроны от атомов или молекул , ионизировать их или разорвать химические связи , вызывая химические реакции или повреждение ДНК . Основным эффектом поглощения радиоволн материалами является их нагревание, подобно инфракрасным волнам, излучаемым источниками тепла, такими как обогреватель или дровяной камин. Колеблющееся электрическое поле волны заставляет полярные молекулы вибрировать вперед и назад, повышая температуру; вот как микроволновая печь готовит еду. Радиоволны воздействуют на тело уже 100 лет в медицинской терапии диатермией для глубокого нагрева тканей тела, чтобы способствовать увеличению кровотока и заживлению. Совсем недавно их стали использовать для создания более высоких температур при гипертермической терапии и для уничтожения раковых клеток.
Однако в отличие от инфракрасных волн, которые в основном поглощаются поверхностью объектов и вызывают нагрев поверхности, радиоволны способны проникать через поверхность и откладывать свою энергию внутри материалов и биологических тканей. 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 выделяется 63% энергии. Например, радиоволны (микроволны) частотой 2,45 ГГц в микроволновой печи проникают в большинство пищевых продуктов примерно на расстояние от 2,5 до 3,8 см (от 1 до 1,5 дюймов).
Глядя на источник радиоволн с близкого расстояния, например на волновод работающего радиопередатчика, можно вызвать повреждение хрусталика глаза из-за нагрева. Достаточно сильный луч радиоволн может проникнуть в глаз и нагреть хрусталик настолько, что может вызвать катаракту . [15] [16] [17] [18] [19] Тем не менее, 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, кроме вызванного нагреванием. Радиочастотные электромагнитные поля были классифицированы Международным агентством по исследованию рака (IARC) как имеющие «ограниченные доказательства» их воздействия на людей и животных. [20] [21] Имеются слабые механистические доказательства риска развития рака при личном воздействии РЧ-ЭМП от мобильных телефонов. [22]
Радиоволны могут быть экранированы проводящим металлическим листом или экраном; оболочка из листа или экрана называется клеткой Фарадея . Металлический экран защищает от радиоволн так же , как сплошной лист, если отверстия в экране меньше примерно 1/20 длины волны волн. [23]
Поскольку радиочастотное излучение имеет как электрическую, так и магнитную составляющую, часто бывает удобно выразить интенсивность поля излучения в единицах, характерных для каждого компонента. Единица измерения вольт на метр (В/м) используется для электрической составляющей, а единица ампер на метр (А/м) — 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 измерения радиочастотного электромагнитного поля является плотность мощности . Плотность мощности наиболее точно используется, когда точка измерения находится достаточно далеко от ВЧ-излучателя и находится в так называемой дальней зоне диаграммы направленности. [24] В непосредственной близости от передатчика, т.е. в зоне «ближнего поля», физические взаимоотношения между электрическими и магнитными компонентами поля могут быть сложными, и лучше всего использовать рассмотренные выше единицы измерения напряженности поля. Плотность мощности измеряется в единицах мощности на единицу площади, например, в милливаттах на квадратный сантиметр (мВт/см 2 ). Говоря о частотах микроволнового диапазона и выше, плотность мощности обычно используется для выражения интенсивности, поскольку возможное воздействие, скорее всего, будет в дальней зоне поля.
