Радиоволны — это тип электромагнитного излучения с самыми низкими частотами и самыми длинными длинами волн в электромагнитном спектре , обычно с частотами ниже 300 гигагерц (ГГц) и длиной волны более 1 миллиметра ( 3 ⁄ 64 дюйма), что примерно равно диаметру зерна рис. 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 . [1] Естественные радиоволны испускаются 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 современной технике 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». [2] Радиоспектр разделен на ряд радиодиапазонов в зависимости от частоты, выделенных для различных целей . Радиоволны более высокой частоты и более короткой длины называются микроволнами .
Радиоволны были впервые предсказаны теорией электромагнетизма , предложенной в 1867 году шотландским физиком-математиком Джеймсом Клерком Максвеллом . [3] 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, [4] 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 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 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 . [5] 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 . [6] [5] Однако, согласно соотношению Планка, энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, [5] 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 . [7] [8] 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, перпендикулярной направлению 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 в правом направлении относительно направления движения, а волна с левой круговой поляризацией вращается в противоположном направлении. [9] : с.21 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, 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 более крупными объектами. чем их длина волны.
Изучение распространения радиоволн , того, как радиоволны движутся в открытом космосе и над поверхностью Земли, имеет жизненно важное значение 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 . Основной эффект поглощения радиоволн материалами заключается в их нагревании, 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) 2,45 ГГц в микроволновой печи проникают в большинство пищевых продуктов примерно на 2,5–3,8 см (1–1,5 дюйма).
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]
Поскольку эффект нагрева в принципе не отличается от эффекта других источников тепла, большинство исследований возможных опасностей для здоровья, связанных с воздействием 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 измерения 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 единицы измерения напряженности поля, рассмотренные выше. 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.
