آیا تا به حال به این فکر کرده اید که چگونه می توان از رادیو و تلفن همراه به طور همزمان استفاده کرد؟ هر دو نوعی ارتباط بی سیم هستند، اما چه چیزی اجازه می دهد که آنها در یک مکان بدون هیچ وقفه ای وجود داشته باشند؟ این همه به دلیل امواج رادیویی است.

امواج رادیویی بخشی وسیع از طیف امواج الکترومغناطیسی را تشکیل می دهند که محدوده فرکانسی از 300 گیگاهرتز تا 3 کیلوهرتز را پوشش می دهند و با سرعت نور حرکت می کنند.

امواج رادیویی در مکاتبات رادیویی، رادار، سیستم‌ های کامپیوتری، پخش تلویزیونی و رادیویی و دیگر کاربردهای مختلف استفاده می‌ شوند. در این مقاله با ما همراه باشید تا این طیف بسیار پر کاربرد را مورد بررسی دقیق قرار دهیم.

مشخصات امواج رادیویی

امواج رادیویی بخشی جذاب و پر کاربرد از طیف امواج الکترومغناطیسی هستند. این امواج، کمترین فرکانس و طولانی ترین طول موج را در طیف دارا می باشند. به طور معمول، فرکانس آنها زیر 300 گیگاهرتز (گیگاهرتز) و طول موج آنها بیش از 1 میلی متر (در حدود قطر یک دانه برنج) است.

برای مقایسه، نور مرئی دارای طول موج هایی در محدوده 400 تا 700 نانومتر است که حدود 5000 برابر کوتاه تر از کوتاه ترین موج رادیویی است. همانند همه امواج الکترومغناطیسی، این گروه از امواج نیز در خلأ با سرعت نور و در جو زمین، کمی کندتر حرکت می کنند.

امواج طبیعی توسط خورشید و دیگر اجرام نجومی ساطع می شوند و بخشی از تشعشعات جسم سیاهی هستند که از تمام اجسام گرم ساطع می شوند. به طور مصنوعی نیز توسط یک دستگاه الکترونیکی به نام فرستنده تولید می شوند که به آنتنی که امواج را تابش می کند متصل است.

تاریخچه مختصر

امواج رادیویی از زمان پیش‌ بینی نظری توسط ماکسول تا استفاده تجاری و توسعه ارتباطات، راه زیادی را پیموده‌ اند. این امواج نامرئی ما را در فواصل دور به هم متصل می کنند و دنیای مدرن ما را ممکن می سازند!

کشف امواج

امواج رادیویی برای نخستین بار در سال 1867، از طریق نظریه الکترومغناطیسی ارائه شده توسط فیزیکدان اسکاتلندی، جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell)، پیش بینی شد.

نظریه ریاضی این دانشمند که اکنون معادلات ماکسول نامیده می شود، پیش بینی کرد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی جفت شده می توانند در قالب یک "موج الکترومغناطیسی" در فضا حرکت کنند.

در سال 1887، هاینریش هرتز (Heinrich Rudolph Hertz)، فیزیکدان آلمانی، واقعیت امواج الکترومغناطیسی ماکسول را با تولید تجربی موج رادیویی در آزمایشگاه خود نشان داد ( این گروه از امواج، همان ویژگی های موجی نور را از خود نشان می دادند: امواج ایستاده، شکست، پراش و قطبش).

استفاده تجاری

حدود یک دهه بعد، مخترع ایتالیایی Guglielmo Marconi اولین فرستنده و گیرنده رادیویی عملی را در حدود سال های 1894-1895 توسعه داد و در سال 1909، برای کارهای ارزشمند خود در خصوص امواج رادیویی، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

استفاده تجاری از ارتباطات رادیویی در حدود سال 1900 آغاز شد. اصطلاح مدرن "موج رادیویی" در حدود سال 1912 جایگزین نام اصلی "امواج هرتزی" شد.

نحوه انتشار

انتشار رادیویی به رفتار امواج رادیویی هنگام حرکت از یک نقطه به نقطه دیگر اشاره دارد. این امواج می توانند از طریق رسانه های مختلف از جمله هوا، آب و حتی خلاء منتشر شوند. بیایید به دنیای شگفت انگیز انتشار امواج رادیویی بپردازیم.

امواج رادیویی ممکن است از آنتن فرستنده به آنتن گیرنده در امتداد سطح زمین، از طریق جو یا با انعکاس یا پراکندگی از بازتابنده های طبیعی یا مصنوعی منتشر شوند.

رسانایی و ثابت دی الکتریک زمین به طور قابل توجهی با لایه های جوی متفاوت است. در فرکانس های بسیار پایین، امواج زمینی ممکن است به طور رضایت بخشی برای مسافت های چند هزار کیلومتری منتشر شوند. با این حال، در فرکانس‌های بالا، تلفات آنقدر زیاد است و بنابراین می توان سیگنال‌ ها را تنها تا چند صد کیلومتر توسط موج زمین منتشر کرد.

انتشار در باندهای فرکانسی متوسط و بالا عمدتاً توسط موج زمین و انعکاس از یونوسفر است و محو شدن شدید در این باندهای فرکانسی در اثر تداخل امواج زمین و یونوسفر ایجاد می شود.

انتشار در خط دید مستقیم

انتشار در خط دید مستقیم (LoS)، به رفتار تشعشعات الکترومغناطیسی (مانند امواج رادیویی) یا امواج صوتی زمانی که مستقیماً و بدون برخورد با هیچ مانعی، در یک مسیر مستقیم از آنتن فرستنده به آنتن گیرنده حرکت می کنند، اطلاق می شود.

در این نوع از انتشار، امواج رادیویی در یک خط مستقیم از آنتن فرستنده به آنتن گیرنده حرکت می کنند و می توان گفت تمامی امواج با فرکانس بیشتر از 2 مگاهرتز دارای ویژگی LoS هستند.

این روش برای ارتباطات از راه دور از جمله تلفن های همراه، تلفن های بی سیم، واکی تاکی، شبکه های بی سیم، رادیو FM، پخش تلویزیونی، رادار و ارتباطات ماهواره ای استفاده می شود.

اگر زمین صاف بود، این نوع انتشار بسیار عالی عمل می کردبود. با این حال، همانطور که می دانید زمین گرد است، به این معنی که امواج با فرکانس بالا که از یک فرستنده در یک خط مستقیم منتشر می‌ شوند، در نهایت بر سطح منحنی زمین مماس شده و به فضا ارسال می‌ شوند.

در نتیجه، ایستگاهی که فراتر از فاصله ای حداقلی قرار دارد که سیگنال فقط با سطح زمین تماس می گیرد (یعنی مماس می شود)، نمی تواند این ارسال را دریافت کند.

در حقیقت، انتشار LoS تنها در صورتی کار می کند که گیرنده در ناحیه دایره ای اطراف فرستنده قرار گیرد که شعاع آن باید برابر با فاصله مماسی سیگنال باشد. در این صورت، هر چه فرستنده بالاتر باشد، فاصله انتشار LoS بیشتر خواهد بود.

به همین دلیل است که آنتن‌ های تلویزیون در بالای برج تلویزیون قرار می‌ گیرند. در بیشتر موارد، این برج‌ ها بر روی تپه قرار می‌ گیرند تا بر روی سیگنال‌ های منطقه پوشش بیشتری داشته باشند.

برای غلبه بر محدودیت‌ های انتشار LoS ناشی از انحنای زمین و همچنین موانع جغرافیایی که ممکن است در مسیر انتقال سیگنال قرار گیرند، معمولاً از فناوری‌ های دیگر و به صورت ترکیبی از اثرات مختلف استفاده می‌ شود.

به عنوان مثال، انتقال سیگنال تلفن همراه با یکپارچه سازی تکرار کننده های محلی برای تقویت سیگنال، بازتاب چند مسیری، انتقال سریع و پدیده پراش، تغییرات جزئی LoS را اتخاذ می کند.

رایج ترین کاربرد انتشار خط دید مستقیم، در ابتدایی ترین شکل آن در فناوری رادار است. دستگاه یک پالس رادیویی را به سمت یک جسم مخابره می کند و منتظر می ماند تا اکو برگردد.

فاصله جسم با محاسبه زمان بازگشت پژواک و سرعت موج رادیویی به دست می آید. سپس این مقدار بر دو تقسیم می‌ شود تا فاصله شیء چقدر باشد.

انتشار موج سطحی یا زمینی

انتشار امواج زمینی، نوعی انتشار رادیویی است که به موازات سطح زمین و در مجاورت آن حرکت می کند و به عنوان موج سطحی نیز شناخته می شود (انحنای زمین را فراتر از افق مرئی دنبال می کنند). به عبارت ساده تر، در این نوع از انتشار، ناحیه ای بین سطح زمین و یونوسفر برای انتقال سیگنال استفاده می شود.

این نوع از انتشار معمولاً در فرکانس های کم و متوسط (کمتر از 2 مگا هرتز) در سطح زمین منتشر می شوند و عمدتاً برای انتقال بین سطح زمین و یونوسفر استفاده می شوند. موج زمین از خط افق زمین پیروی می کند و از این رو می تواند سیگنال را در فواصل قابل توجهی منتشر کند.

به همین دلیل است که با عنوان موج زمینی شناخته می شود زیرا مجموع امواجی است که توسط سطح زمین یا هر تپه ای منعکس می شود. امواج فراتر از افق، توسط انحنای زمین مسدود می شوند و سیگنال ها توسط موج پراش سطح تولید می شوند.

برخلاف روش های دیگر انتشار امواج رادیویی، امواج زمینی به اصطلاح "زمین را در آغوش می گیرند" و می توانند چندین صد مایل فراتر از افق را طی کنند، حتی در برخی موارد تا چندین هزار کیلومتر را طی می کنند.

عوامل موثر بر انتشار امواج زمینی

1- ماهیت زمین

ماهیت زمینی که سیگنال در آن منتشر می شود، بر امواج زمین تأثیر می گذارد. در انتشار امواج زمینی، متغیرهایی از جمله رسانندگی و ثابت دی الکتریک زمین بر تضعیف سیگنال تأثیر می‌گذارند.

در محدوده فرکانس پایین ترف انتقال سیگنال تا حدودی تحت تأثیر لایه های زمینی تا فاصله 100 متری  قرار می گیرند زیرا این امواج، نفوذ عمیقی در زمین دارند و بنابراین، بر رسانایی سطحی تأثیر می گذارند.

زمین ایده آل برای انتشار امواج زمینی، زمینی است که رسانایی قوی داشته باشد. نوع خاک و میزان رطوبت عوامل مهمی هستند. بهترین گزینه ها شامل زمین های حاصلخیز کشاورزی یا باتلاقی و آب شور دریا است. بدترین مناطق، مناطق شهری و زمین های خشک و شنی هستند.

2- قطبش 

در انتشار امواج زمینی، نوع قطبش آنتن بسیار مهم است. آنتن هایی با قطبش عمودی برای انتشار امواج زمینی مناسب تر از آنتن هایی هستند که قطبش افقی دارند.

3- آب و هوا

تلفات احتمالی سیگنال به طور قابل توجهی تحت تأثیر آب و هوا قرار دارد. انتشار امواج زمینی برای مسیرهای انتقال سیگنال که در آب و هوای خشک هستند، ایده آل نیست.

4- قدرت سیگنال

در انتشار امواج زمینی، فرکانس سیگنال بر تضعیف سیگنال تأثیر می گذارد. با افزایش فرکانس، احتمال اتلاف سیگنال افزایش می‌ یابد و همین عامل، انتشار را در فرکانس های بیش از 3 مگاهرتز محدود می‌ کند.

علاوه بر این، فرکانس سیگنال بر حداکثر دامنه انتشار امواج زمینی تأثیر می گذارد. چگالی یونیزاسیون لایه ها و زاویه تابش که در آن امواج به سطح می‌ رسند، پارامترهای دیگری هستند که بر حداکثر دامنه انتشار موج زمین تأثیر می‌ گذارند.

مزایای انتشار امواج زمینی

• از آنجایی که از فرکانس های پایین تر استفاده می کند، تداخل تنها به دلیل نویز جوی رخ می دهد. به همین دلیل است که جذب امواج EM در فرکانس های پایین تر کمتر است.
• از این رو می تواند مسافت های طولانی تری را پوشش دهد، اما با افزایش فاصله از فرستنده، تلفات مسیر افزایش می‌یابد.
• این امواج کارایی بیشتری دارند و همچنین به دلیل خم شدگی گوشه‌ ها یا وجود موانع در حین انتشار،  تحت تأثیر تغییر شرایط جوی قرار نمی‌ گیرند.
• آنها به منظور جلوگیری از اتصال کوتاه جزء میدان الکتریکی (E)، به صورت عمودی پلاریزه می شوند.

معایب انتشار امواج زمینی 

• در این روش، امواج با فرکانس بالا قابل انتقال نیستند زیرا تلفات انرژی بیشتر به دلیل جذب انرژی در جو زمین است.
• این نوع انتشار به منظور پوشش دهی در بردهای کوتاه استفاده می شوند و همچنین دچار تضعیف می شوند زیرا با جریان های گردابی تولید شده توسط سطح زمین برهمکنش دارند.
• اگر قطبش موج تحت تأثیر قرار گیرد، مولفه میدان الکتریکی E با زمین اتصال کوتاه می کند.

برای ارائه پوشش ارتباطات رادیویی محلی، ما عموماً از انتشار امواج زمینی استفاده می کنیم، به ویژه توسط ایستگاه های پخش رادیویی که برای پوشش دادن یک محل خاص مورد نیاز هستند.

انتشار امواج زمینی می تواند برای ارتباط یک طرفه از ارتش به زیردریایی ها نیز استفاده شود زیرا آنها تا عمق قابل توجهی به آب دریا نفوذ می کنند. به علاوه، پخش AM، FM و تلویزیون را می توان با کمک این نوع انتشار انجام داد.

امواج زمینی در فرکانس های بین 50 کیلوهرتز تا 250 کیلوهرتز بسیار بازدهی دارند. سیگنال‌ های پخش‌شده AM (مدولاسیون دامنه) (540 کیلوهرتز تا 1650 کیلوهرتز) عمدتاً از طریق امواج زمینی در طول روز منتقل می‌ شوند.

امواج آسمان

انتشار امواج آسمان، نوعی انتقال امواج رادیویی است که در آن موج الکترومغناطیسی به دلیل مکانیزم بازتاب لایه یونوسفر جو، پخش می شود و از آنجایی که یونوسفر را درگیر می کند به عنوان انتشار موج یونوسفر نیز شناخته می شود.

به عبارت ساده تر، انتشار امواج آسمان، روشی از انتشار است که در آن امواج الکترومغناطیسی ساطع شده از یک آنتن و در زوایای بزرگ به سمت بالا هدایت می شوند و سپس، توسط یونوسفر به زمین بازتاب می شوند.

هنگامی که این امواج در یک زاویه به آسمان مخابره می شوند (مساوی یا بزرگتر از زاویه بحرانی)، می توانند در فواصل دورتر از افق - حتی گاهی اوقات در فواصل بین قاره ای - به زمین بازگردند. در نتیجه آنتن گیرنده قادر به دریافت سیگنال هایی است که منعکس می شوند.

باید تاکید کرد که برای انعکاس امواج الکترومغناطیسی در لایه هوا، میدان باید به اندازه کافی قوی باشد. این به این دلیل است که این احتمال وجود دارد که قسمت پایینی یونوسفر امواج با فرکانس بالا را منعکس نکند.

محدوده فرکانس امواج آسمان 

در مورد انتشار موج آسمان، محدوده فرکانس مجاز از 3 مگاهرتز تا 30 مگاهرتز است زیرا اساساً یونوسفر طیف الکترومغناطیسی بین این محدوده طول موجی را منعکس می کند.

فاصله پرش (skip distance) در انتشار امواج آسمان

فاصله پرش یک جنبه حیاتی در انتشار امواج یونوسفر است و حداقل فاصله روی سطح زمین بین نقطه ای که سیگنال در آن مخابره می شود و نقطه ای که سیگنال منعکس شده از یونوسفر دریافت می شود را مشخص می کند.

فرکانس بحرانی برای انتشار امواج آسمانی 

حداکثر فرکانسی که کل بازتاب داخلی یونوسفر در آن رخ می دهد، فرکانس بحرانی نامیده می شود که با استفاده از فرمول زیر به دست می آید:

fc=9√Nmax

جایی که fc، فرکانس بحرانی و Nmax، چگالی الکترون است. دقت داشته باشید که فرکانس و طول موج رابطه معکوس دارند. هرچه فرکانس بالاتر باشد طول موج کوتاه تر است.

علاوه بر این، سیگنالی با طول موج کمتر، مسافت بیشتری را طی می کند. در نتیجه، یک سیگنال برای انتشار موج در آسمان می تواند فراتر رود. بنابراین، اشکالات انتشار امواج زمین  در این انتشار برطرف می شود.

انتشار امواج فضایی

انتشار امواج فضایی به حالتی از انتشار گفته می شود که در آن امواج رادیویی ارسال شده از آنتن فرستنده، پس از سفر یا انتشار در فضا (به طور خاص در داخل تروپوسفر که تا حدود 20 کیلومتر یا 12 مایل بالاتر از سطح زمین امتداد دارد)، به آنتن گیرنده می رسد. در حقیقت، نوعی انتشار در خط دید مستقیم است.

در داخل تروپوسفر، انتشار امواج فضایی شامل امواج مستقیم (که مستقیماً از سطح زمین به تروپوسفر می روند) و امواج منعکس شده است. این امواج همچنین به عنوان انتشار تروپوسفر شناخته می شوند زیرا در قسمت پایین جو رخ می دهند.

محدوده فرکانس انتشار امواج فضایی

امواج فضایی در محدوده فرکانسی 30 مگاهرتز تا 300 مگاهرتز منتشر می شوند که به عنوان باندهای فرکانس فوق العاده بالا (UHF) در نظر گرفته می شوند.

به دلیل فرکانس بالای آنها، طول موج کمتری دارند، بنابراین نمی توان آنها را به فواصل طولانی منتقل کرد و آنها را محدود به کاربردهای کوتاه برد می کند. فرکانس بالای آنها به این امواج اجازه می دهد تا انرژی بیشتری را حمل کنند.

عوامل موثر بر انتشار امواج فضایی

• ارتفاع آنتن های گیرنده و فرستنده: برای بهبود برد، آنتن‌ ها باید در ارتفاعات بالا باشند، اما ساخت آنتن‌ های خیلی بالا محدودیت‌ های خاص خود را دارد.
• انحنای زمین نیز عامل مهمی است که بر انتشار امواج فضایی حاکم است.
• فاصله بین آنتن ها، نوع انتشار امواج فضایی را تعیین می کند.
• وجود موانع در مسیر امواج باعث از دست رفتن انرژی امواج می شود.

مولفه های انتشار امواج فضایی

• امواج مستقیم: این امواج مستقیماً بین آنتن فرستنده و گیرنده منتشر می شوند.
• امواج منعکس شده: برخی از امواج پس از انعکاس توسط زمین به گیرنده می رسند.
• امواج تروپوسفر: این نوع امواج از تروپوسفر زمین عبور می کنند تا به گیرنده برسند.

سخن پایانی

امواج رادیویی در فناوری مدرن برای ارتباطات رادیویی ثابت و سیار، پخش تلویزیونی و رادیویی، رادار و سیستم‌ های ناوبری، ماهواره‌ های ارتباطی، شبکه‌ های کامپیوتری بی‌ سیم و بسیاری از برنامه‌ های کاربردی به طور گسترده ای استفاده می‌ شوند.

فرکانس های مختلف این امواج، ویژگی های انتشار متفاوتی در جو زمین دارند. امواج بلند می توانند در اطراف موانع مانند کوه ها پراکنده شوند و خطوط زمین را دنبال کنند (امواج زمینی)، امواج کوتاه تر می توانند از یونوسفر منعکس شده و فراتر از افق به زمین بازگردند (امواج آسمان).

در حالی که طول موج های بسیار کوتاه تر بسیار کم منعکس می شوند، بنابراین فاصله انتشار آنها محدود است. طیف رادیویی بر اساس فرکانس به تعدادی باند رادیویی تقسیم می شود که به کاربردهای مختلف اختصاص داده شده اند.

امواج رادیویی می توانند از طریق رسانه های مختلف از جمله خلأ و قسمت های مختلف جو منتشر شوند و درک این اثرات برای کاربردهای عملی در سیستم های ارتباطی، رادار و ناوبری بسیار مهم است.

نحوه انتشار امواج رادیویی نقشی حیاتی در طراحی سیستم های ارتباطی قابل اعتماد و اطمینان از انتقال موثر سیگنال در فواصل و فرکانس های مختلف ایفا می کند و در این مقاله به طور مفصل به ان پرداختیم.

امیدواریم که این مقاله برای شما مفیده بوده است. به شما کاربر عزیز پیشنهاد می کنیم از بخش محصولات سایت نیز دیدن کنید. در صورت نیاز می توانید کاتالوگ آنها را نیز دانلود نمایید.

منابع و مراجع

ScienceDirect

Wikipedia