Radyo dalgası - Radio wave

Elektrik alan çizgilerini gösteren, radyo dalgaları yayan yarım dalga dipol anteninin animasyonu . Merkezdeki anten, bir radyo vericisine (gösterilmemiştir) bağlı iki dikey metal çubuktur . Verici , çubuklara alternatif olarak pozitif (+) ve negatif (-) yükleyen alternatif bir elektrik akımı uygular . Elektrik alan döngüleri anteni terk eder ve ışık hızında uzaklaşır ; bunlar radyo dalgaları. Bu animasyonda, eylemin büyük ölçüde yavaşladığı gösterilmiştir.

Radyo dalgaları , elektromanyetik spektrumda kızılötesi ışıktan daha uzun dalga boylarına sahip bir elektromanyetik radyasyon türüdür . Radyo dalgaları, 300 gigahertz ( GHz ) kadar yüksek ve 30 hertz ( Hz ) kadar düşük frekanslara sahiptir . 300 GHz'de karşılık gelen dalga boyu 1 mm'dir (bir pirinç tanesinden daha kısa); 30 Hz'de karşılık gelen dalga boyu 10.000 km'dir (Dünya'nın yarıçapından daha uzun). Tüm elektromanyetik dalgalar gibi, radyo dalgaları da bir boşlukta ışık hızında ve Dünya atmosferinde yakın, ancak biraz daha düşük hızda hareket eder. Radyo dalgaları tarafından üretilen yüklü parçacıkların geçiren hızlanma , örneğin zamanla değişen şekilde, elektrik akımları . Doğal olarak oluşan radyo dalgaları, yıldırım ve astronomik nesneler tarafından yayılır ve tüm sıcak nesneler tarafından yayılan kara cisim radyasyonunun bir parçasıdır .

Radyo dalgaları, vericiler tarafından yapay olarak üretilir ve antenler kullanılarak radyo alıcıları tarafından alınır . Radyo dalgaları, sabit ve mobil radyo iletişimi , yayıncılık , radar ve radyo navigasyon sistemleri, iletişim uyduları , kablosuz bilgisayar ağları ve diğer birçok uygulama için modern teknolojide çok yaygın olarak kullanılmaktadır . Radyo dalgalarının farklı frekansları, Dünya atmosferinde farklı yayılma özelliklerine sahiptir; Uzun dalgalar olabilir kırabilen dağlar gibi engellerin etrafından ve yerin kontur (izleyin zemin dalgaları ), kısa dalgalar kapalı yansıtabilir iyonosferi (ve ufkun ötesinde yeryüzüne dönmek skywaves ederken Diffract çok daha kısa dalga boyları viraj ya da çok az ve seyahat üzerine,) bir görüş hattı , bu nedenle yayılma mesafeleri görsel ufukla sınırlıdır.

Önlemek için girişim farklı kullanıcılar arasında, yapay nesil ve radyo dalgalarının kullanımı kesinlikle uluslararası bir organ tarafından koordine edilen, kanunla düzenlenir adlandırılan Uluslararası Telekomünikasyon Birliği "olarak radyo dalgaları tanımlar (ITU), elektromanyetik dalgaların arasında frekanslarda keyfi 3.000 den düşük GHz , yapay kılavuz olmadan uzayda yayılır". Radyo spektrumu , farklı kullanımlar için tahsis edilen frekans temelinde radyo bantlar, bir dizi halinde bölünmüştür.

Tek kutuplu bir radyo verici anten (merkezde küçük koyu dikey çizgi) tarafından yayılan radyo dalgalarının elektrik alanlarının (E) ve manyetik alanlarının (H) diyagramı . E ve H alanları, sağ alt kısımdaki faz diyagramında ima edildiği gibi diktir.

Keşif ve sömürü

Radyo dalgaları ilk olarak 1867'de İskoç matematiksel fizikçi James Clerk Maxwell tarafından yapılan matematiksel çalışma ile tahmin edildi . Şimdi Maxwell denklemleri olarak adlandırılan matematiksel teorisi, birleştirilmiş bir elektrik ve manyetik alanın bir " elektromanyetik dalga " olarak uzayda seyahat edebileceğini öngördü . Maxwell, ışığın çok kısa dalga boyundaki elektromanyetik dalgalardan oluştuğunu öne sürdü. 1887'de Alman fizikçi Heinrich Hertz , laboratuvarında deneysel olarak radyo dalgaları üreterek Maxwell'in elektromanyetik dalgalarının gerçekliğini gösterdi ve ışıkla aynı dalga özelliklerini sergilediklerini gösterdi: duran dalgalar , kırılma , kırınım ve polarizasyon . İtalyan mucit Guglielmo Marconi , 1894-1895 civarında ilk pratik radyo vericilerini ve alıcılarını geliştirdi. Radyo çalışması için 1909 Nobel Fizik Ödülü'nü aldı . Radyo iletişimi 1900 civarında ticari olarak kullanılmaya başlandı. Modern " radyo dalgası " terimi , 1912 civarında orijinal " Hertz dalgası " adının yerini aldı .

Üretim ve alım

Bir radyo dalgasını alan yarım dalga dipol anteninin animasyonlu diyagramı . Anten, bir alıcıya ( R) bağlı iki metal çubuktan oluşur . Elektrik alanı ( E , yeşil oklar gelen dalganın) iter elektronların çubuklarda uçları dönüşümlü pozitif şarj ileri ve geri (+) ve negatif (-) . Antenin uzunluğu dalganın dalga boyunun yarısı kadar olduğundan, salınım alanı çubuklarda duran voltaj ( V , kırmızı bant ile temsil edilir ) ve akım dalgalarını indükler . Salınımlı akımlar (siyah oklar) iletim hattından aşağıya ve alıcıdan (direnç R ile temsil edilir) akar .

Radyo dalgaları , hızlandırıldıklarında yüklü parçacıklar tarafından yayılır . Anten adı verilen özel şekilli bir metal iletken içinde ileri geri akan elektronlardan oluşan zamanla değişen elektrik akımları tarafından yapay olarak üretilirler . Radyo vericisi adı verilen elektronik bir cihaz , antene salınımlı elektrik akımı uygular ve anten gücü radyo dalgaları olarak yayar. Radyo dalgaları, bir radyo alıcısına bağlı başka bir anten tarafından alınır . Radyo dalgaları alıcı antene çarptığında metaldeki elektronları ileri geri iterek alıcı tarafından algılanan küçük salınımlı akımlar oluşturur.

Kaynaktan kuantum mekaniği ışık gibi diğer elektromanyetik radyasyon gibi, radyo dalgaları alternatif yüksüz akımlarının olarak kabul edilebilir temel parçacık adı fotonlar . Radyo dalgaları ileten bir antende, antendeki elektronlar enerjiyi radyo fotonları adı verilen ayrı paketler halinde yayar, alıcı antende ise elektronlar enerjiyi radyo fotonları olarak emer. Anten, lazer gibi tutarlı bir foton yayıcıdır , bu nedenle radyo fotonlarının tümü aynı fazdadır . Bununla birlikte, Planck'ın bağıntısından , bireysel radyo fotonlarının enerjisi, 10 −22 ila 10 −30 jul arasında çok küçüktür . O kadar küçüktür ki, mikrodalga fotonları yayan bir maser içindeki atomlar gibi belirli moleküler elektron geçiş süreçleri dışında , radyo dalgası emisyonu ve absorpsiyon genellikle Maxwell denklemleri tarafından yönetilen sürekli bir klasik süreç olarak kabul edilir .  

Özellikler

Bir vakumda radyo dalgaları ışık hızında hareket eder . Bir malzeme ortam geçerken, bu ortamın bağlı olarak yavaşlatılır geçirgenlik ve dielektrik . Hava, Dünya atmosferinde radyo dalgalarının ışık hızına çok yakın hareket edecek kadar incedir.

Dalga boyu sonraki dalganın elektrik alanının bir pik (tepe) kadar olan mesafedir, ve ters orantılıdır frekans dalgası. Vakumda veya havada hareket eden bir radyo dalgasında frekans ve dalga boyu ilişkisi,

nerede

Eşdeğer olarak, bir radyo dalgasının boşlukta bir saniyede kat ettiği mesafe, 1 hertz radyo sinyalinin dalga boyu olan 299.792.458 metredir (983.571.056 ft)  . 1  megahertz radyo dalgası (orta AM bandı ) 299,79 metre (983.6 ft) dalga boyuna sahiptir.

polarizasyon

Diğer elektromanyetik dalgalar gibi, bir radyo dalgasının da , dalganın salınan elektrik alanının hareket yönüne dik yönü olarak tanımlanan polarizasyon adı verilen bir özelliği vardır . Düzlem polarize bir radyo dalgası, hareket yönü boyunca bir düzlemde salınan bir elektrik alanına sahiptir. Bir de yatay olarak polarize radyo yatay yönde elektrik alanı gidip gelen dalga. Bir de dikey olarak kutuplanmış dalga dikey yönde elektrik alanı salınır. Bir de dairesel olarak polarize döngü başına bir defa hareket yönünde, ilgili herhangi bir nokta döndükçe elektrik alanı dalga. Bir sağ dairesel polarize bir dalga dönerken sağ bir süre, hareket yönünde ilgili anlamında dairesel polarize sol ters yönde dalga dönmektedir. Dalganın manyetik alanı , elektrik alanına diktir ve elektrik ve manyetik alan , radyasyon yönüne göre sağ el anlamında yönlendirilir.

Bir anten, metal anten elemanlarının yönü tarafından belirlenen polarizasyon ile polarize radyo dalgaları yayar. Örneğin bir dipol anten , iki doğrusal metal çubuktan oluşur. Çubuklar yatay ise yatay polarize radyo dalgaları yayar, çubuklar dikey ise dikey polarize dalgalar yayar. Radyo dalgalarını alan bir anten, verici anten ile aynı polarizasyona sahip olmalıdır, yoksa ciddi bir alım kaybına uğrayacaktır. Güneş, yıldızlar ve sıcak nesnelerden gelen kara cisim radyasyonu gibi birçok doğal radyo dalgası kaynağı, eşit bir polarizasyon durumu karışımında tutarsız kısa dalga trenlerinden oluşan polarize olmayan dalgalar yayar.

Radyo dalgalarının polarizasyonu , fotonların spin adı verilen kuantum mekaniksel özelliği tarafından belirlenir . Bir foton, olası iki spin değerinden birine sahip olabilir; hareket yönü hakkında sağ el anlamında veya sol el anlamında dönebilir . Sağ dairesel polarize radyo dalgaları, sağ el anlamında dönen fotonlardan oluşur. Sol dairesel polarize radyo dalgaları, sol el anlamında dönen fotonlardan oluşur. Düzlem polarize radyo dalgaları , sağ ve sol dönüş durumlarının kuantum süperpozisyonunda bulunan fotonlardan oluşur . Elektrik alanı, sağ ve sol dönen alanların bir üst üste binmesiyle oluşur ve bir düzlem salınımı ile sonuçlanır.

Yayılma özellikleri

Radyo dalgaları, büyük dalga boylarından kaynaklanan arzu edilen yayılma özellikleri nedeniyle, diğer elektromanyetik dalgalardan daha yaygın olarak iletişim için kullanılır . Radyo dalgaları atmosferden, yapraklardan ve çoğu yapı malzemesinden geçme yeteneğine sahiptir ve kırınım yoluyla engellerin etrafında bükülebilir ve diğer elektromanyetik dalgaların aksine, dalga boylarından daha büyük nesneler tarafından absorbe edilmek yerine dağılma eğilimindedirler.

Çalışma radyo yayılımı radyo dalgaları boşlukta ve Dünya'nın yüzeyi üzerinde nasıl hareket, pratik radyo sistemlerinin tasarımında çok önemlidir. Farklı ortamlardan geçen radyo dalgaları yansıma , kırılma , polarizasyon , kırınım ve absorpsiyon yaşar . Farklı frekanslar, Dünya atmosferinde bu fenomenlerin farklı kombinasyonlarını deneyimler, bu da belirli radyo bantlarını belirli amaçlar için diğerlerinden daha kullanışlı hale getirir . Pratik radyo sistemleri, iletişim kurmak için temel olarak üç farklı radyo yayılım tekniği kullanır:

  • Görüş hattı : Bu, verici antenden alıcı antene düz bir çizgide ilerleyen radyo dalgalarını ifade eder. Mutlaka temizlenmiş bir görüş yolu gerektirmez; daha düşük frekanslarda radyo dalgaları binalardan, yeşilliklerden ve diğer engellerden geçebilir. Bu, 30 MHz'in üzerindeki frekanslarda mümkün olan tek yayılma yöntemidir. Dünya yüzeyinde, görüş hattı yayılımı görsel ufuk tarafından yaklaşık 64 km (40 mil)ile sınırlıdır. Cep telefonları , FM , televizyon yayıncılığı ve radarın kullandığı yöntemdir. Mikrodalga ışınlarını iletmekiçin çanak antenleri kullanarak, noktadan noktaya mikrodalga röle bağlantıları, telefon ve televizyon sinyallerini görsel ufka kadar uzun mesafelerde iletir. Yer istasyonları ,Dünya'dan milyarlarca mil uzaktaki uydular ve uzay araçlarıile iletişim kurabilir.
    • Dolaylı yayılma : Radyo dalgaları, kırınım ve yansıma yoluyla görüş hattının ötesindeki noktalara ulaşabilir . Kırınım, bir radyo dalgasının bir bina kenarı, bir araç veya bir koridordaki dönüş gibi engellerin etrafında bükülmesine izin verir. Radyo dalgaları ayrıca duvarlar, zeminler, tavanlar, araçlar ve zemin gibi yüzeylerden de kısmen yansır. Bu yayılma yöntemleri, cep telefonları , telsiz telefonlar , telsizler ve kablosuz ağlar gibi kısa menzilli radyo iletişim sistemlerinde meydana gelir . Bu modun bir dezavantajı, radyo dalgalarının vericiden alıcı antene birden çok yol üzerinden hareket ettiği çok yollu yayılımdır . Dalgalar karışarak genellikle solmaya ve diğer alım sorunlarına neden olur .
  • Yer dalgaları : 2 MHz'in altındaki daha düşük frekanslarda, orta dalga ve uzun dalga bantlarında, kırınım nedeniyle dikey olarak polarize radyo dalgaları tepeler ve dağlar üzerinde bükülebilir ve ufkun ötesinde yayılabilir, Dünya'nın çevresini takipeden yüzey dalgaları olarak hareket edebilir. Bu, orta dalga ve uzun dalga yayın istasyonlarının ufkun ötesinde, yüzlerce kilometreye kadar kapsama alanlarına sahip olmasını sağlar. Frekans düştükçe kayıplar azalır ve ulaşılabilir aralık artar. Askeri çok düşük frekanslı (VLF) ve son derece düşük frekanslı (ELF) iletişim sistemleri, Dünya'nın çoğu üzerinde ve denizaltılarla yüzlerce fit su altında iletişim kurabilir.
  • Skywaves : 'de orta dalga ve kısa dalga dalga boylarında, radyo dalgaları yüklü parçacıkların (iletken katmanları yansıtan iyonlar olarak adlandırılan bir atmosfer kısmen) iyonosfer . Böylece gökyüzüne bir açıyla yönlendirilen radyo dalgaları, ufkun ötesinde Dünya'ya dönebilir; buna "atlama" veya "gök dalgası" yayılımı denir. Çoklu atlamalar kullanılarak kıtalararası mesafelerde iletişim sağlanabilir. Skywave yayılımı değişkendir ve atmosferik koşullara bağlıdır; en çok geceleri ve kışın güvenilirdir. 20. yüzyılın ilk yarısında yaygın olarak kullanılan skywave iletişimi, güvenilmezliği nedeniyle çoğunlukla terk edilmiştir. Kalan kullanımlar, askeri ufuk ötesi (OTH) radar sistemleri, bazı otomatik sistemler, radyo amatörleri ve diğer ülkelere yayın yapmak için kısa dalga yayın istasyonlarıdır.

En mikrodalga pratik radyo iletişim sistemleri ürün sıklığı azalır, böylece frekansları, atmosferik gazlar, emici radyo dalgaları başlar. Yaklaşık 20 GHz'in altındaki atmosferik zayıflama, esas olarak su buharından kaynaklanmaktadır. 20 GHz'in üzerinde, milimetre dalga bandında, diğer atmosferik gazlar dalgaları emmeye başlar ve pratik iletim mesafelerini bir kilometre veya daha azıyla sınırlar. 300 GHz'in üzerinde, terahertz bandında , neredeyse tüm güç birkaç metre içinde emilir, bu nedenle atmosfer etkili bir şekilde opaktır.

Radyo iletişimi

Gelen radyo iletişim sistemleri, bilgi radyo dalgalarını kullanarak uzayda ötesine taşınmaktadır. Gönderme ucunda, zamanla değişen bir elektrik sinyali biçiminde gönderilecek bilgi bir radyo vericisine uygulanır . Modülasyon sinyali olarak adlandırılan bilgi, bir mikrofondan gelen sesi temsil eden bir ses sinyali , bir video kameradan gelen hareketli görüntüleri temsil eden bir video sinyali veya bir bilgisayardan gelen verileri temsil eden bir dijital sinyal olabilir . Vericide, bir elektronik osilatör , bilgiyi havada "taşıyan" radyo dalgalarını yarattığı için taşıyıcı dalga adı verilen bir radyo frekansında salınan alternatif bir akım üretir . Bilgi sinyali, taşıyıcıyı modüle etmek için kullanılır , bunun bazı yönlerini değiştirir, taşıyıcı üzerindeki bilgiyi "piggyback" yapar. Modüle edilmiş taşıyıcı yükseltilir ve bir antene uygulanır . Salınım akımı , antendeki elektronları ileri geri iterek, enerjiyi antenden radyo dalgaları olarak yayan salınımlı elektrik ve manyetik alanlar yaratır . Radyo dalgaları bilgiyi alıcı konumuna taşır.

Alıcıda, gelen radyo dalgasının salınan elektrik ve manyetik alanları, alıcı antendeki elektronları ileri geri iterek, verici antendeki akımın daha zayıf bir kopyası olan küçük bir salınımlı voltaj oluşturur. Bu voltaj, bilgi sinyalini çıkaran radyo alıcısına uygulanır . Alıcı , istenen radyo istasyonunun radyo sinyalini anten tarafından alınan diğer tüm radyo sinyallerinden ayırmak için önce bir bant geçiren filtre kullanır , ardından sinyali daha güçlü olacak şekilde yükseltir , ardından son olarak bir demodülatörde bilgi taşıyan modülasyon sinyalini çıkarır . Kurtarılan sinyal, ses üretmek için bir hoparlöre veya kulaklığa veya görünür bir görüntü oluşturmak için bir televizyon ekranına veya diğer cihazlara gönderilir. Bir insan kullanıcı ile etkileşime giren bir bilgisayara veya mikroişlemciye dijital bir veri sinyali uygulanır .

Birçok vericiden gelen radyo dalgaları, birbirine karışmadan aynı anda havadan geçer. Alıcıda ayrılabilirler çünkü her vericinin radyo dalgaları farklı bir hızda salınır, başka bir deyişle her vericinin kilohertz (kHz), megahertz (MHz) veya gigahertz (GHz) cinsinden ölçülen farklı bir frekansı vardır . Bant geçiren filtre alıcısında bir oluşmaktadır ayarlı devrenin bir görevi görür rezonatör benzer şekilde bir ayarlama çatalı. Salındığı doğal bir rezonans frekansına sahiptir . Rezonans frekansı, istenen radyo istasyonunun frekansına eşit olarak ayarlanır. İstenen istasyondan salınan radyo sinyali, ayarlanmış devrenin sempati içinde salınmasına neden olur ve sinyali alıcının geri kalanına iletir. Diğer frekanslardaki radyo sinyalleri, ayarlanan devre tarafından bloke edilir ve iletilmez.

Biyolojik ve çevresel etkiler

Radyo dalgaları olan olmayan iyonizan radyasyon bunlar ayrı için yeterli enerjiye sahip değildir aracı, elektron gelen atomu veya moleküller , iyonize bunları veya kırmak kimyasal bağları , kimyasal reaksiyonlar veya neden DNA hasarı . Radyo dalgalarının malzemeler tarafından soğurulmasının ana etkisi, ısıtıcı veya odun ateşi gibi ısı kaynaklarının yaydığı kızılötesi dalgalara benzer şekilde onları ısıtmaktır . Dalganın salınan elektrik alanı, polar moleküllerin ileri geri titreşmesine ve sıcaklığın artmasına neden olur ; Bu bir nasıl mikrodalga fırın aşçıların yemek. Bununla birlikte, esas olarak nesnelerin yüzeyinde emilen ve yüzeyin ısınmasına neden olan kızılötesi dalgaların aksine, radyo dalgaları yüzeye nüfuz edebilir ve enerjilerini materyallerin ve biyolojik dokuların içinde biriktirebilir. Radyo dalgalarının nüfuz ettiği derinlik frekanslarıyla birlikte azalır ve ayrıca malzemenin özdirencine ve geçirgenliğine de bağlıdır ; enerjinin %63'ünün biriktiği derinlik olan malzemenin yüzey derinliği adı verilen bir parametre ile verilir . Örneğin, bir mikrodalga fırında 2,45 GHz radyo dalgaları (mikrodalgalar) çoğu gıdaya yaklaşık 2,5 ila 3,8 cm (1 ila 1,5 inç) nüfuz eder. Vücut dokusunun derinden ısıtılması, artan kan akışını ve iyileşmeyi teşvik etmek için diaterminin tıbbi tedavisinde 100 yıldır vücuda radyo dalgaları uygulanmaktadır . Daha yakın zamanlarda, hipertermi tedavisinde daha yüksek sıcaklıklar oluşturmak ve kanser hücrelerini öldürmek için kullanıldılar. Çalışan bir radyo vericisinin dalga kılavuzu gibi yakın mesafeden bir radyo dalgası kaynağına bakmak , göz merceğine ısı vererek zarar verebilir. Yeterince güçlü bir radyo dalgaları ışını göze nüfuz edebilir ve merceği katarakta neden olacak kadar ısıtabilir .

Isıtma etkisi prensipte diğer ısı kaynaklarından farklı olmadığı için, radyo dalgalarına maruz kalmanın olası sağlık tehlikeleri üzerine yapılan araştırmaların çoğu “termal olmayan” etkilere odaklanmıştır; radyo dalgalarının dokular üzerinde ısınmanın dışında herhangi bir etkisinin olup olmadığı. Radyofrekans elektromanyetik alanları, Uluslararası Kanser Araştırmaları Ajansı (IARC) tarafından insanlar ve hayvanlar üzerindeki etkilerine ilişkin "sınırlı kanıtlara" sahip olarak sınıflandırılmıştır . Cep telefonlarından RF-EMF'ye kişisel maruz kalma yoluyla kanser riskinin zayıf mekanik kanıtı vardır.

Radyo dalgaları, iletken bir metal levha veya ekran tarafından korunabilir, levha veya ekrandan oluşan bir muhafazaya Faraday kafesi denir . Radyo dalgalarına karşı bir metal elek kalkanlar gibi uzun ekranında delikler gibi, bir katı tabaka ile ilgili daha küçük olan 1 / 20 arasında dalga boyu dalgaların.

Ölçüm

Radyo frekansı radyasyonunun hem elektrik hem de manyetik bir bileşeni olduğundan, radyasyon alanının yoğunluğunu her bir bileşene özgü birimler cinsinden ifade etmek genellikle uygundur. Elektrik bileşeni için metre başına volt birimi (V/m) ve manyetik bileşen için metre başına amper birimi (A/m) kullanılır. Bir elektromanyetik alandan söz edilebilir ve bu birimler , bir ölçüm yerindeki elektrik ve manyetik alan şiddeti seviyeleri hakkında bilgi sağlamak için kullanılır .

Bir RF elektromanyetik alanını karakterize etmek için yaygın olarak kullanılan diğer bir birim güç yoğunluğudur . Güç yoğunluğu en doğru şekilde, ölçüm noktası , radyasyon modelinin uzak alan bölgesi olarak adlandırılan bölgeye yerleştirilmek üzere RF yayıcıdan yeterince uzakta olduğunda kullanılır . Vericiye daha yakın, yani "yakın alan" bölgesinde, alanın elektrik ve manyetik bileşenleri arasındaki fiziksel ilişkiler karmaşık olabilir ve yukarıda tartışılan alan gücü birimlerinin kullanılması en iyisidir. Güç yoğunluğu örneğin santimetre kare başına milivat (mW / cm, birim alan başına gücü cinsinden ölçülür 2 ). Mikrodalga aralığında ve daha yüksek frekanslardan bahsederken, meydana gelebilecek maruziyetler uzak alan bölgesinde olacağından, genellikle yoğunluğu ifade etmek için güç yoğunluğu kullanılır.

Ayrıca bakınız

Referanslar

Dış bağlantılar