امواج رادیویی چیست؟ تاریخچه، باندهای فرکانسی و نحوه انتشار

آیا تا به حال فکر کرده اید چطور رادیو، تلفن همراه، وای فای و تلویزیون همزمان و در یک مکان کار می کنند، بدون اینکه با هم تداخل داشته باشند؟ پاسخ در امواج رادیویی و تقسیم آنها به باندهای فرکانسی مختلف است.

امواج رادیویی بخش بزرگی از [طیف امواج الکترومغناطیسی] را تشکیل می دهند که معمولا فرکانس هایی از حدود ۳ کیلوهرتز تا ۳۰۰ گیگاهرتز را در بر می گیرد. این امواج مانند همه امواج الکترومغناطیسی با سرعت نور حرکت می کنند و در ارتباطات رادیویی، رادار، شبکه های بی سیم، پخش رادیو و تلویزیون و بسیاری کاربردهای دیگر استفاده می شوند.

در این مقاله با ویژگی ها، تاریخچه، باندهای فرکانسی و انواع روش های انتشار امواج رادیویی آشنا می شوید.

امواج رادیویی چیست؟

امواج رادیویی امواج الکترومغناطیسی با کمترین فرکانس و بیشترین طول موج در طیف الکترومغناطیسی هستند. فرکانس آنها معمولا کمتر از ۳۰۰ گیگاهرتز و طول موجشان بیشتر از ۱ میلی متر (تقریبا به اندازه قطر یک دانه برنج) است.

برای مقایسه، طول موج نور مرئی بین حدود ۴۰۰ تا ۷۰۰ نانومتر است؛ یعنی هزاران بار کوتاه تر از کوتاه ترین امواج رادیویی. امواج رادیویی در خلأ با سرعت نور و در جو زمین کمی کندتر حرکت می کنند.

منابع امواج رادیویی

• منابع طبیعی: خورشید، ستارگان و دیگر اجرام نجومی، صاعقه و به طور کلی همه اجسام گرم، بخشی از تابش خود را به شکل امواج رادیویی گسیل می کنند.

• منابع مصنوعی: امواج رادیویی به طور مصنوعی توسط دستگاهی به نام فرستنده تولید می شوند که به یک آنتن متصل است و آنتن این امواج را در فضا منتشر می کند. در طرف دیگر، [گیرنده] امواج را دریافت و اطلاعات را از آنها استخراج می کند.

تاریخچه امواج رادیویی

• سال ۱۸۶۷: جیمز کلرک ماکسول، فیزیکدان اسکاتلندی، با نظریه الکترومغناطیس خود که امروزه معادلات ماکسول نامیده می شود، پیش بینی کرد که میدان های الکتریکی و مغناطیسی می توانند به شکل موج الکترومغناطیسی در فضا منتشر شوند.

• سال ۱۸۸۷: هاینریش هرتز، فیزیکدان آلمانی، با تولید امواج رادیویی در آزمایشگاه، وجود امواج الکترومغناطیسی ماکسول را ثابت کرد. او نشان داد این امواج همان رفتارهای موجی نور، یعنی امواج ایستاده، شکست، پراش و قطبش را دارند.

• سال های ۱۸۹۴ تا ۱۸۹۵: گوگلیلمو مارکونی، مخترع ایتالیایی، نخستین فرستنده و گیرنده رادیویی کاربردی را ساخت.

• حدود سال ۱۹۰۰: استفاده تجاری از ارتباطات رادیویی آغاز شد.

• سال ۱۹۰۹: مارکونی به همراه کارل فردیناند براون برای توسعه تلگراف بی سیم، جایزه نوبل فیزیک را دریافت کرد.

• حدود سال ۱۹۱۲: اصطلاح «موج رادیویی» جایگزین نام اولیه این امواج، یعنی «امواج هرتزی» شد.

باندهای فرکانسی امواج رادیویی

طیف رادیویی بر اساس فرکانس به باندهای مختلفی تقسیم می شود که هر کدام ویژگی های انتشار و کاربردهای خاص خود را دارند:

انتشار امواج رادیویی

انتشار امواج رادیویی به نحوه حرکت این امواج از آنتن فرستنده تا آنتن گیرنده گفته می شود. امواج رادیویی می توانند در هوا، خلأ و حتی تا حدی در آب منتشر شوند و ممکن است در امتداد سطح زمین، از طریق جو، یا با بازتاب و پراکندگی از سطوح طبیعی و مصنوعی به گیرنده برسند.

نحوه انتشار امواج رادیویی به شدت به فرکانس آنها بستگی دارد. سه روش اصلی انتشار عبارت اند از:

• موج زمینی (سطحی): در فرکانس های پایین

• موج آسمانی (یونوسفری): در فرکانس های HF

• موج فضایی و انتشار خط دید: در فرکانس های VHF و بالاتر

انتشار موج زمینی (موج سطحی)

در انتشار موج زمینی، امواج رادیویی در مجاورت سطح زمین و به موازات آن حرکت می کنند و انحنای زمین را دنبال می کنند. به همین دلیل می توانند تا فاصله ای فراتر از افق، از چند صد تا گاهی چند هزار کیلومتر، منتشر شوند.

این نوع انتشار در فرکانس های پایین و متوسط (معمولا کمتر از حدود ۲ تا ۳ مگاهرتز) رخ می دهد. در فرکانس های بالاتر، اتلاف انرژی در زمین به قدری زیاد می شود که موج زمینی فقط تا فواصل کوتاه می رسد.

عوامل موثر بر انتشار موج زمینی

۱. جنس زمین

رسانایی و ثابت دی الکتریک زمین، میزان تضعیف موج زمینی را تعیین می کند. در فرکانس های پایین، امواج تا عمق قابل توجهی در زمین نفوذ می کنند، بنابراین ویژگی های لایه های زیرین زمین هم اهمیت دارد.

بهترین سطح برای انتشار موج زمینی، سطحی با رسانایی بالاست؛ مانند آب شور دریا، زمین های مرطوب کشاورزی و باتلاق ها. بدترین سطوح، مناطق شهری و زمین های خشک و شنی هستند.

۲. قطبش آنتن

برای انتشار موج زمینی، قطبش عمودی مناسب است. در قطبش افقی، میدان الکتریکی موازی سطح زمین است و زمین رسانا آن را تقریبا خنثی می کند.

۳. رطوبت زمین

زمین مرطوب رسانایی بیشتری دارد و موج زمینی را بهتر منتقل می کند. به همین دلیل، در مناطق خشک، تضعیف موج زمینی بیشتر است.

۴. فرکانس

با افزایش فرکانس، تضعیف موج زمینی به سرعت افزایش می یابد. به همین دلیل انتشار موج زمینی در فرکانس های بالاتر از حدود ۳ مگاهرتز عملا کاربردی ندارد.

مزایا و معایب انتشار موج زمینی

مزایا:

• در فرکانس های پایین، تضعیف کمی دارد و فواصل طولانی را پوشش می دهد.

• انحنای زمین را دنبال می کند و از موانع عبور می کند.

• نسبت به تغییرات جو و شرایط یونوسفر پایدار است.

معایب:

• برای فرکانس های بالا مناسب نیست، چون تلفات انرژی در زمین زیاد است.

• با افزایش فاصله از فرستنده، سیگنال به تدریج تضعیف می شود.

• در فرکانس های پایین به آنتن های بسیار بزرگ و توان بالا نیاز است.

کاربردهای موج زمینی

• رادیو AM موج متوسط: سیگنال های رادیو AM (حدود ۵۳۰ تا ۱۷۰۰ کیلوهرتز) در طول روز عمدتا از طریق موج زمینی منتقل می شوند.

• ارتباط با زیردریایی ها: امواج بسیار کم فرکانس (VLF) می توانند تا عمق چند ده متری آب دریا نفوذ کنند و برای ارتباط یک طرفه با زیردریایی ها استفاده می شوند.

• سیستم های ناوبری و سیگنال های زمانی در باندهای VLF و LF

انتشار موج آسمانی (یونوسفری)

در انتشار موج آسمانی، امواج رادیویی از آنتن به سمت آسمان فرستاده می شوند و پس از رسیدن به یونوسفر (لایه یونیزه بالای جو) به سمت زمین بازتابیده یا دقیق تر، شکسته و برگردانده می شوند. به همین دلیل به آن انتشار یونوسفری هم می گویند.

موج آسمانی می تواند در فاصله ای بسیار دورتر از افق، حتی در قاره ای دیگر، به زمین برگردد. موج برگشتی حتی می تواند دوباره از سطح زمین بازتاب شود و چند بار بین زمین و یونوسفر جهش کند.

محدوده فرکانس موج آسمانی

انتشار موج آسمانی عمدتا در باند HF یعنی ۳ تا ۳۰ مگاهرتز رخ می دهد. در فرکانس های بالاتر، امواج معمولا از یونوسفر عبور کرده و به فضا می روند و در فرکانس های پایین تر، جذب در لایه های پایینی یونوسفر زیاد است. شرایط یونوسفر در شب و روز و فصل های مختلف تغییر می کند و به همین دلیل، کیفیت دریافت ایستگاه های موج کوتاه و حتی AM در شب متفاوت است.

فرکانس بحرانی

بازتاب موج از یونوسفر به فرکانس موج و چگالی الکترون های یونوسفر بستگی دارد، نه به قدرت سیگنال. بیشترین فرکانسی که اگر به صورت عمودی به یونوسفر فرستاده شود به زمین برمی گردد، فرکانس بحرانی نام دارد و از این رابطه به دست می آید:

fc = 9√Nmax

در این رابطه fc فرکانس بحرانی بر حسب هرتز و Nmax بیشینه چگالی الکترون در یونوسفر بر حسب تعداد الکترون در متر مکعب است.

امواجی که با زاویه مایل به یونوسفر می رسند، می توانند در فرکانس هایی بالاتر از فرکانس بحرانی هم بازتاب شوند. بیشترین فرکانس قابل استفاده برای یک مسیر مشخص، بیشینه فرکانس قابل استفاده (MUF) نامیده می شود.

فاصله پرش

فاصله پرش (Skip Distance) کمترین فاصله روی سطح زمین بین فرستنده و نقطه ای است که موج بازتابیده از یونوسفر در آن دریافت می شود. بین محدوده پوشش موج زمینی و این فاصله، ناحیه ای به نام منطقه سکوت وجود دارد که در آن سیگنال دریافت نمی شود.

انتشار موج فضایی و خط دید

انتشار خط دید (LoS)

در انتشار خط دید (Line of Sight)، امواج رادیویی در یک خط مستقیم از آنتن فرستنده به آنتن گیرنده می رسند. این روش انتشار برای فرکانس های VHF و بالاتر (بیشتر از حدود ۳۰ مگاهرتز) غالب است و در تلفن همراه، شبکه های بی سیم، رادیو FM، تلویزیون، بی سیم های دستی، رادار و ارتباطات ماهواره ای استفاده می شود.

افق رادیویی

چون زمین کروی است، امواجی که در خط مستقیم حرکت می کنند در فاصله ای مشخص به سطح زمین مماس شده و به فضا می روند. گیرنده ای که فراتر از این فاصله باشد، سیگنال را دریافت نمی کند.

هرچه آنتن فرستنده و گیرنده بلندتر باشند، برد ارتباط بیشتر است. برد تقریبی خط دید رادیویی از این رابطه به دست می آید:

d ≈ 4.12 × (√h1 + √h2)

که در آن d فاصله بر حسب کیلومتر و h1 و h2 ارتفاع آنتن ها بر حسب متر است. به همین دلیل آنتن های تلویزیون و تلفن همراه روی برج های بلند و ترجیحا روی تپه ها نصب می شوند.

برای غلبه بر محدودیت های خط دید، از روش هایی مانند تکرارکننده ها، بازتاب چندمسیری و پراش امواج از لبه موانع استفاده می شود. برای مثال، شبکه تلفن همراه با تعداد زیادی آنتن و تکرارکننده، پوشش گسترده ای ایجاد می کند.

رادار

یکی از کاربردهای مهم انتشار خط دید، رادار است. رادار یک پالس رادیویی به سمت جسم می فرستد و منتظر بازگشت پژواک آن می ماند. فاصله جسم از ضرب زمان رفت و برگشت در سرعت نور و تقسیم نتیجه بر دو به دست می آید.

انتشار موج فضایی

انتشار موج فضایی حالتی است که در آن امواج رادیویی از طریق تروپوسفر، یعنی پایین ترین لایه جو تا ارتفاع حدود ۱۰ تا ۲۰ کیلومتر، از فرستنده به گیرنده می رسند. به همین دلیل به آن انتشار تروپوسفری هم می گویند. این روش انتشار در فرکانس های VHF، UHF و بالاتر رایج است.

موج فضایی از این مولفه ها تشکیل شده است:

• موج مستقیم: که مستقیما از آنتن فرستنده به آنتن گیرنده می رسد.

• موج بازتابیده از زمین: که پس از بازتاب از سطح زمین به گیرنده می رسد.

• موج تروپوسفری: که در اثر شکست و پراکندگی در تروپوسفر، گاهی فراتر از افق دریافت می شود.

عوامل موثر بر انتشار موج فضایی

• ارتفاع آنتن ها: آنتن های بلندتر برد بیشتری دارند، اما ساخت آنتن های خیلی بلند محدودیت های خود را دارد.

• انحنای زمین: برد ارتباط را محدود می کند.

• فاصله بین آنتن ها: تعیین می کند کدام مولفه موج فضایی غالب باشد.

• موانع: ساختمان ها، کوه ها و درختان باعث تضعیف و بازتاب امواج می شوند.

سوالات متداول درباره امواج رادیویی

امواج رادیویی چه فرکانسی دارند؟

امواج رادیویی معمولا فرکانس هایی از حدود ۳ کیلوهرتز تا ۳۰۰ گیگاهرتز دارند.

چرا رادیو AM در شب از فاصله های دورتر دریافت می شود؟

چون در شب لایه پایینی یونوسفر که امواج را جذب می کند از بین می رود و امواج AM به صورت موج آسمانی از یونوسفر بازتاب شده و به فواصل دور می رسند.

چرا آنتن های مخابراتی روی برج های بلند نصب می شوند؟

چون امواج VHF و UHF به صورت خط دید منتشر می شوند و هرچه آنتن بلندتر باشد، افق رادیویی و برد ارتباط بیشتر است.

فرکانس بحرانی چیست؟

بیشترین فرکانسی که اگر به صورت عمودی به یونوسفر فرستاده شود، به زمین بازتاب می شود.

آیا امواج رادیویی در آب منتشر می شوند؟

فقط امواج بسیار کم فرکانس می توانند تا عمق محدودی در آب دریا نفوذ کنند و به همین دلیل برای ارتباط با زیردریایی ها از آنها استفاده می شود.

جمع بندی

امواج رادیویی در فناوری مدرن کاربرد گسترده ای دارند؛ از ارتباطات ثابت و سیار، پخش رادیو و تلویزیون، رادار و ناوبری تا ماهواره ها و شبکه های بی سیم. نحوه انتشار این امواج به فرکانس آنها بستگی دارد: امواج کم فرکانس انحنای زمین را دنبال می کنند (موج زمینی)، امواج HF از یونوسفر بازتاب شده و فراتر از افق به زمین برمی گردند (موج آسمانی) و امواج VHF و بالاتر در خط مستقیم منتشر می شوند (موج فضایی و خط دید).

درک این رفتارها برای طراحی سیستم های ارتباطی قابل اعتماد ضروری است. برای آشنایی با محصولات بلورآزما و دانلود کاتالوگ آنها، به صفحه محصولات مراجعه کنید.

منابع

• ScienceDirect