Что такое радиоволны?

Автор: Jim Lucas

Автор перевода: Ниженец В.В.
Источник: What Are Radio Waves?

Краткий обзор

В данной статье объясняется что такое радиоволна, рассказывется история возникновения радиоволновой теории, классификации и применение радиоволн различной длины.

Теория

Радиоволны представляют собой электромагнитное излучение, а также микроволны, инфракрасное излучение, рентгеновское излучение и гамма-лучи. Наиболее известное использование радиоволн – для общения. Телевещание, мобильная связь и радиоприемники получают радиоволны и преобразуют их в механические вибрации в динамике для создания звуковых волн, которые можно услышать.

Электромагнитное излучение передается волнами или частицами на разных длинах волн и частотах. Этот широкий диапазон длин волн известен как электромагнитный спектр. Спектр обычно делится на семь областей в порядке уменьшения длины волны, увеличения энергии и частоты. Основными являются радиоволны, микроволны, инфракрасные (ИК), видимые, ультрафиолетовые (УФ), рентгеновские и гамма-лучи.

По данным НАСА, радиоволны имеют самые длинные волны в электромагнитном спектре, в диапазоне от примерно 1 миллиметра до более чем 100 километров. Они также имеют самые низкие частоты: от 3 кГц до 300 ГГц.

Открытие

Шотландский физик Джеймс Клерк Максвелл, который разработал единую теорию электромагнетизма в 1870-х годах, предсказал существование радиоволн. Несколько лет спустя немецкий ученый Генрих Герц применил теории Максвелла для создания и получения радиоволн. Единица частоты волны электромагнитного излучения – один цикл в секунду – называется герцем в его честь.

Герц использовал разрядник, прикрепленный к индукционной катушке, и отдельный разрядник на приемной антенне. Когда волны, создаваемые разрядником передатчика катушки, были пойманы приемной антенной, электрические разряды начинали перескакивать через зазор между разрядниками. Герц доказал в своих экспериментах, что эти сигналы обладают всеми свойствами электромагнитных волн.

Диапазоны радиоволн

Национальное управление электросвязи и информации обычно делит радиочастотный спектр на девять полос.

Название	Диапазон частот	Диапазон длин волн
Инфранизкие (ИНЧ)	<3 кГц	> 100 км
Очень низкие (ОНЧ)	3 – 30 кГц	100 км – 10 км
Низкие (НЧ)	30 – 300 кГц	10 км – 1 км
Средние (СЧ)	300 – 3000 кГц	1000 м – 100 м
Высокие (ВЧ)	3 – 30 МГц	100 м – 10 м
Очень высокие (ОВЧ)	30 – 300 МГц	10 м – 1 м
Ультравысокие (УВЧ)	300 – 3000 МГц	1000 мм – 100 мм
Сверхвысокие (СВЧ)	3 – 30 ГГц	100 мм – 10 мм
Крайне высокие (КВЧ)	30 – 300 ГГц	10 мм – 1 мм

Согласно Стэнфордской группе ОНЧ, самым мощным природным источником волн ИНЧ/ОНЧ на Земле является молния. Волны, вызванные ударами молнии, могут проскакивать между Землей и ионосферой, поэтому они могут путешествовать по всему миру. Радиоволны также создаются искусственными источниками, включая электрические генераторы, линии электропередач, приборы и радиопередатчики. Радиостанция ИНЧ полезна из-за ее дальнего расстояния и ее способности проникать в воду и землю для связи с подводными лодками, а также внутри шахт и пещер. Однако несущая частота часто ниже частотного диапазона слышимого звука, которым считается 20 - 20 000 Гц. По этой причине радиочастоту ИНЧ нельзя модулировать достаточно быстро, чтобы воспроизводить звук, поэтому он используется только для цифровых данных с очень низкой скоростью.

Радиочастотные диапазоны НЧ и CЧ включают в себя морскую и авиационную радиосвязь, а также коммерческую связь. Большинство радиостанций в этих диапазонах используют амплитудную модуляцию, чтобы перевести полученные данные в слышимый сигнал на радиоволновую частоту. Мощность или амплитуда сигнала изменяются или модулируются со скоростью, соответствующей частотам слышимого сигнала, такого как голос или музыка. Когда сигнал частично заблокирован, громкость звука соответственно уменьшается.

ВЧ, ОВЧ и УВЧ диапазоны включают FM-радио, широкополосный телевизионный сигнал, радиослужбы общественного вещания, мобильные телефоны и GPS. Эти полосы обычно используют частотную модуляцию, чтобы перевести звуковой сигнал или сигнал данных на несущую волну. В этой схеме амплитуда сигнала остается постоянной, а частота изменяется немного выше или ниже со скоростью и величиной, соответствующей звуку или сигналу данных. Это приводит к лучшему качеству сигнала, чем с амплитудной модуляцией, поскольку факторы окружающей среды не влияют на частоту так, как они влияют на амплитуду, и приемник игнорирует изменения амплитуды, пока сигнал остается выше минимального порога.

Коротковолновая радиостанция

По данным Национальной ассоциации коротковолновых радиовещателей (NASB), радиоволны с короткой волной используют частоты в диапазоне ВЧ, от примерно 1,7 МГц до 30 МГц. В этом диапазоне коротковолновый спектр разделен на несколько сегментов, некоторые из которых отведены регулярным радиовещательным станциям, таким как «Голос Америки», Британская вещательная корпорация и «Голос России». По данным NASB, во всем мире есть сотни коротковолновых станций. Около 25 частных коротковолновых станций лицензированы в Соединенных Штатах Федеральной комиссией по связи.

По словам NASB, коротковолновые станции можно услышать на тысячи миль, потому что сигналы отражаются от ионосферы и возвращаются назад, на сотни или тысячи миль от места их происхождения.

FM-стерео

По мере роста популярности двухканальной стереофонической музыки спрос на стерео-радиовещание тоже вырос. Однако одноканальные (монофонические или моно) радиостанции уже широко используются и, вероятно, останутся таковыми в обозримом будущем. Проблема заключалась в том, чтобы создать систему, которая могла бы производить стереомузыку, но все же быть совместимой с существующими моноприёмниками.

Метод, принятый для FM-радиовещания, был довольно изобретательным. Райан Жидд, профессор физики в Университете штата Миссури, объяснил, что вещатель объединяет левый и правый каналы как L + R и L - R и транслирует их на несколько разных частотах, A и B. Моноприемник может блокировать A и слышать оба канала. Однако стереоприемник работает на обеих частотах и комбинирует A и B как A + B и A - B. Небольшая алгебра показывает, что A + B = ( L + R ) + ( L - R ) = 2 L и A - B = ( L + R ) - ( L - R ) = 2 R , тем самым эффективно разделяя левые и правильные каналы.

Очень высокие частоты

СВЧ и КВЧ представляют собой самые высокие частоты в радиодиапазоне и иногда считаются частью микроволнового диапазона. Молекулы в воздухе, как правило, поглощают эти частоты, что ограничивает их диапазон и применение. Однако их короткие длины волн позволяют передавать сигналы в узких волнах с помощью параболических антенн, поэтому они могут быть эффективны для ближней связи с высокой пропускной способностью между фиксированными местоположениями. СВЧ, который меньше влияет на воздух, чем КВЧ, используется для устройств малого радиуса действия, таких как Wi-Fi, Bluetooth и беспроводной USB. Кроме того, волны СВЧ имеют тенденцию отскакивать от объектов, таких как автомобили, лодки и самолеты, поэтому эта полоса часто используется для радара.

Астрономические источники радиоволн

Космос изобилует радиоисточниками. К ним относятся планеты, звезды, газовые и пылевые облака, галактики, пульсары и даже черные дыры. Эти источники позволяют астрономам узнать о движении и химическом составе этих источников, а также о процессах, вызывающих эти выбросы.

По словам Роберта Паттерсона, профессора астрономии в Университете штата Миссури, астрономы используют большие радиотелескопы для картирования холодных нейтральных водородных облаков в галактиках. Эти облака представляют особый интерес, поскольку они выстраиваются вдоль спиральных рукавов галактик, таких как Млечный Путь, позволяя ученым отображать структуру облаков.

Специфические радиочастоты, соответствующие резонансным частотам общих атомов и молекул, зарезервированы FCC для исключительного использования радиоастрономами для предотвращения создания помех поскольку радиотелескопы чрезвычайно чувствительны к ним. Список этих частот можно найти на веб-сайте Национальной астрономии и ионосферы.

Согласно NASA, радиоастрономы часто объединяют несколько меньших радиотелескопов в массив, чтобы сделать более четкое или более высокое разрешение радио изображения. Например, радиотелескоп с очень большим массивом (САР) в Нью-Мексико состоит из 27 антенн, расположенных в огромном Y образце до 22 миль (36 км) в поперечнике.
По данным НАСА, радиотелескоп видит небо совсем не так, как кажется в видимом свете. Вместо того, чтобы видеть похожие на точки звезды, такой телескоп захватывает удаленные пульсары, звездообразующие области и остатки сверхновых.

Радиотелескопы также могут обнаруживать квазары – очень маленькие источники радиоволн. Квазар - невероятно яркое галактическое ядро, питаемое сверхмассивной черной дырой. Квазары излучают энергию в широком спектре ЭМ, но название исходит из того, что первые квазары, которые будут идентифицированы, излучают в основном радио энергию. Квазары очень энергичны; некоторые испускают в 1000 раз больше энергии, чем весь Млечный Путь. Однако большинство квазаров блокируются от видимого света пылью в окружающих их галактиках.