Радиоволны
- Радиово́лны — электромагнитные волны с частотами до 3 ТГц, распространяющиеся в пространстве без искусственного волновода. Радиоволны в электромагнитном спектре располагаются от крайне низких частот вплоть до инфракрасного диапазона. С учетом классификации Международным союзом электросвязи радиоволн по диапазонам, к радиоволнам относят электромагнитные волны с частотами от 0,03 Гц до 3 ТГц, что соответствует длине волны от 10 млн. километров до 0,1 миллиметра.
В широком смысле радиоволнами являются всевозможные волновые процессы электромагнитного поля в аппаратуре (например, в волноводных устройствах, в интегральных схемах СВЧ и др.), в линиях передачи и, наконец, в природных условиях, в среде, разделяющей передающую и приемную антенны.
Радиоволны, являясь электромагнитными волнами, распространяются в свободном пространстве со скоростью света. Естественными источниками радиоволн являются вспышки молний и астрономические объекты. Искусственно созданные радиоволны используются для стационарной и мобильной радиосвязи, радиовещания, радиолокации, радионавигации, спутниковой связи, организации беспроводных компьютерных сетей и в других бесчисленных приложениях.
Связанные понятия
1—2 мм, частота 300 ГГц).
Упоминания в литературе
Связанные понятия (продолжение)
Радиоастрономия — раздел астрономии, изучающий космические объекты путём исследования их электромагнитного излучения в диапазоне радиоволн (от миллиметровых до километровых).
1 МэВ), что соответствует длинам волн от
Астрономические радиоисточники (радиоисточники) — это объекты, находящиеся в космическом пространстве, и имеющие сильное излучение в радиодиапазоне. Такие объекты представляют одни из самых экстремальных и энергетических процессов во вселенной. Радиоисточники исследуются посредством регистрации космического радиоизлучения с помощью радиотелескопов.
Области применения радиоволн
Радиоволны были открыты в 1886 году немецким физиком Генрихом Герцем. Он исследовал их свойства и доказал, что они являются электромагнитными волнами, существование которых было предсказано уравнениями Максвелла. Сам ученый не осознавал значения своего открытия. Когда журналист спросил его, для чего можно использовать открытые им радиоволны, он ответил категорично: “Nothing, I guess”. И все же… Сегодня мы не можем представить свою жизнь без устройств, использующих радиоволны.
Радиоволны – это электромагнитное излучение с самыми длинными волнами, т.е. самыми низкими частотами. Их длина измеряется в метрах и даже километрах. Радиоволны, как и другие типы электромагнитных волн, распространяются в вакууме со скоростью света c ≈ 300 000 000 м/с .
Предел диапазона радиоволн является условным. Предполагается, что это волны с длиной более 0,3 м и частотой менее 1000 МГц. Иногда к радиоволнам относят и микроволны с более высокой частотой.
Первые применения радиоволн в радио и телевидении
Самые ранние применения радиоволн очевидны – радио и телевидение.
Сегодня радиовещательные компании в Европе и большей части мира используют диапазон UKF (УКВ), передавая программы в диапазоне частот 87,5-108 МГц.
История изобретения радио довольно драматична. Первоначально заслуга в этом принадлежала Маркони, который в 1909 году получил Нобелевскую премию за создание радио. Однако Никола Тесла, инженер сербского происхождения, утверждал, что Маркони использовал в своем изобретении его предыдущие работы. Длительные судебные разбирательства привели компанию Tesla к банкротству. Только после его смерти в 1943 году Верховный суд США признал патентные права Теслы, и теперь он считается изобретателем радио.
Как работает радио?
Радиопередатчик состоит из двух основных компонентов: генератора и модулятора.
- Генератор вырабатывает несущую волну, которая представляет собой синусоидальную волну радиочастоты.
- Модулятор изменяет несущую волну в соответствии с переданным на него модулирующим сигналом, который представляет собой передаваемый звук. Модулирующий сигнал создается в микрофоне, который преобразует звуковые волны в электрический сигнал с частотой, соответствующей частоте звуковых волн.
Модулирующий сигнал может изменять несущую волну двумя способами:
- изменяя частоту – это называется частотной модуляцией (волны, модулированные таким образом, называются FM),
- путем введения изменений амплитуды – это называется амплитудной модуляцией (волны, модулированные таким образом, называются AM).
На основании международных соглашений в области радиовещания частотно-модулированная (FM) передача используется на ультракоротких волнах, а амплитудно-модулированная (AM) – на длинных, средних и коротких волнах.
Модулированные волны принимаются радиоприемником. В приемнике происходит обратный процесс: модуляции принятой волны преобразуются в электрический сигнал. В громкоговорителе этот сигнал заставляет вибрировать мембрану, которая, в свою очередь, заставляет вибрировать воздух и создавать акустическую волну.
Как работает телевидение?
Принцип работы телевидения более сложен. В широком смысле телевидение подразумевает цифровое кодирование изображений и звука и их передачу с помощью радиоволн в диапазоне 50 – 220 МГц.
Изобретателем телевидения, благодаря которому мы уже несколько поколений можем участвовать в событиях по всему миру, был шотландский инженер Джон Логи Бэрд. Первая телевизионная передача, из Лондона в Нью-Йорк, состоялась 27 января 1928 года. Настоящая популярность телевидения пришла после Второй мировой войны.
Использование радиоволн в спектроскопии
Радиоволны в диапазоне 60 – 900 МГц используются в спектроскопии ядерного магнитного резонанса (сокращенно МР). Принцип этого метода основан на взаимодействии магнитных полей с магнитными моментами атомных ядер. Обычно это ядра водорода, т.е. протоны.
Ядра водорода поглощают энергию радиоволн определенной частоты, а затем отдают ее, излучая волны той же частоты. Эти сигналы улавливаются прибором, и можно точно определить место возникновения излучения. Регистрируемый сигнал зависит от типа молекулы и отличается для жиров, белков, воды и других богатых водородом соединений, что позволяет различать типы и плотность тканей. Таким образом можно изучать химическую структуру веществ. Для химиков магнитный резонанс является надежным методом идентификации органических соединений. В биохимии этот метод используется для определения содержания воды и сухих веществ в пищевых продуктах.
Использование радиоволн в медицине
В медицине магнитно-резонансная томография (МРТ) является одним из наиболее точных методов неинвазивного исследования внутренних органов человека (рис. 1).
Этот метод позволяет оценить анатомические структуры всего тела или отдельных органов с точностью всего до нескольких миллиметров. Органы и ткани можно детально рассмотреть в любой плоскости, даже трехмерно. МР позволяет обнаружить тревожные изменения (например, рак) и дает много информации о них. Это очень чувствительный и безопасный метод визуализации. При этом обследовании не используется вредное ионизирующее излучение (рентгеновские лучи), как при других методах визуализации.
Рис. 1. Аппарат магнитно-резонансной томографии (МРТ)
Применение радиоволн в астрономии
Обнаружение радиоволн играет важную роль в астрономических исследованиях. Это единственный диапазон электромагнитного излучения, помимо видимого света, который беспрепятственно проникает в атмосферу. Радиоволны, приходящие из космоса, несут информацию об экзотических объектах. Например, пульсары – это нейтронные звезды, которые регулярно излучают радиоимпульсы. Радиоволны не поглощаются пылью, что не позволяет наблюдать многие объекты в видимом свете.
Конструкция радиотелескопа состоит из параболической тарелки, то есть рефлектора, который фокусирует радиоволны в фокус, где размещается приемник (рис. 2).
Рис. 2. Радиотелескоп
Радиосигналы, приходящие с больших расстояний, очень слабые. Для регистрации таких сигналов требуются радиоантенны огромных размеров. Самая большая в мире радиоастрономическая антенна FAST находится в Китае. Она расположена в естественной впадине, а его чаша имеет диаметр 500 м.
Радиотелескопы часто объединяются в более крупные системы, действующие как интерферометры. Это повышает их полезную чувствительность и разрешающую способность.
Примером может служить очень большой массив радиотелескопов, расположенный в Мексике (см. подробнее в Википедии – Very Large Array ) (рис. 3). Массив радиотелескопов использует явление интерференции радиоволн для усиления сигнала, принимаемого из космоса. Расстояния между телескопами составляют порядка нескольких метров, что соответствует длине радиоволны.
Рис. 3. Very Large Array в Мексике
В регионах со слабо развитой телекоммуникационной инфраструктурой хорошо зарекомендовала себя спутниковая связь, использующая радиоволны с частотой в несколько десятков мегагерц. Связь между телефонами устанавливается через ретрансляционную станцию, называемую транспондером, размещенную на искусственном спутнике Земли. Сигналы передаются от телефона к транспондеру с помощью волны более высокой частоты и возвращаются обратно с помощью волны более низкой частоты.
Что такое радиоволны, и почему мы их используем?
Когда мы говорим об электричестве, мы, естественно, думаем о проводах. От высоковольтных линий передачи до крошечных проводников на печатной плате провода по-прежнему являются основным средством передачи электрической энергии из одного места в другое.
Но история последовательно демонстрирует, что люди редко, если вообще когда-либо, бывают удовлетворены основным способом выполнения чего-либо, и поэтому мы не должны удивляться, узнав, что за распространением электричества последовало широко распространенное стремление освободить электрический функционал от ограничений физических соединений.
Существуют различные способы добавления «добавления» электрического функционала к электрическую систему. Одним из них является использование электромагнитного излучения (ЭМИ), которое является основой для радиосвязи. Однако важно признать, что электромагнитное излучение не является уникальным по своей способностей электрической схемотехники в беспроводную область. Всё, что может проходить через непроводящий материал, (механическое движение, звуковые волны, тепло) может быть использовано в качестве (возможно сырого) средства преобразования электрической энергии в информацию, которая не полагается на проводящие соединения.
Аккуратно управляемые сигналы синусоидального напряжения (или тока) являются основой современной эпохи беспроводной связи
С учетом вышесказанного мы можем задать себе более актуальные вопросы. Почему электромагнитное излучение (ЭМИ) является предпочтительным? Почему другие типы беспроводной связи имеют такое второстепенное значение? Прежде чем ответить на эти вопросы, давайте выясним, что такое электромагнитное излучение.
Поля и волны
Вы могли бы потратить годы на изучение деталей электромагнетизма. К счастью, вам не нужен такой опыт для успешного проектирования и реализации радиочастотных схем. Но вам нужно иметь базовое представление о таинственной энергии, излучаемой антенной вашего устройства.
Как следует из названия, электромагнитное излучение (ЭМИ) включает в себя как электрические поля, так и магнитные поля. Если у вас есть напряжение (напряжение, приложенное к импедансу антенны), то у вас есть электрическое поле (с математической точки зрения электрическое поле пропорционально пространственной скорости изменения напряжения). Если у вас есть электрический ток (ток, проходящий через импеданс антенны), то у вас есть магнитное поле (сила поля пропорциональна величине тока).
Электрическое и магнитное поля присутствуют, даже если величина напряжения или тока постоянна. Однако эти поля не будут распространяться. Если мы хотим, чтобы волна распространялась во вселенной, нам нужны изменения напряжения и тока.
Электрическая и магнитная составляющие электромагнитной волны представлены в виде перпендикулярных синусоид
Ключом к этому явлению распространения является самоподдерживающаяся связь между электрической и магнитной составляющими электромагнитного излучения (ЭМИ). Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле. Эта взаимная регенерация проявляется как отдельная сущность, а именно, как электромагнитная волна. Один раз образовавшись, эта волна будет распространяться в направлении от своего источника изо дня в день, со скоростью света, в сторону глубин неизвестного.
Создание ЭМИ и управление ЭМИ
Проектирование полной системы радиосвязи не является простым процессом. Тем не менее, очень легко создать электромагнитное излучение (ЭМИ), и на самом деле вы генерируете его, даже если не хотите этого. Любой изменяющийся во времени сигнал в любой цепи генерирует ЭМИ, это включает в себя и цифровые сигналы. В большинстве случаев это ЭМИ представляет собой просто шум. Если оно не вызывает никаких проблем, вы можете его игнорировать. В некоторых случаях оно может фактически мешать другим схемам, и в этом случае оно становится электромагнитными помехами (ЭМП).
Таким образом, мы видим, что радиочастотное проектирование заключается не только в создание ЭМИ; скорее, RF проектирование – это искусство и наука о генерации, манипуляции и интерпретации ЭМИ таким образом, чтобы можно было надежно передавать полезную информацию между двумя схемами, которые не имеют прямого электрического соединения.
Почему ЭМИ?
Теперь давайте вернемся к вопросу о том, почему системы на основе ЭМИ настолько распространены по сравнению с другими формами беспроводной связи. Другими словами, почему «беспроводная» почти всегда означает радиочастотная, когда и другие различные явления могут передавать информацию без помощи проводов. Есть несколько причин.
Гибкость
ЭМИ является естественным расширением электрических сигналов, используемых в проводных схемах. Изменяющиеся во времени напряжения и токи генерируют ЭМИ, хотите ли вы этого или нет, и, кроме того, ЭМИ является точным представлением переменных компонентов исходного сигнала.
Каждая часть этой сложной формы QPSK сигнала передает два бита цифровой информации
Рассмотрим экстремальный (и совершенно непрактичный) контрпример: систему беспроводной связи на основе тепла. Представьте, что в комнате есть два отдельных устройства. Передающее устройство нагревает помещение до определенной температуры на основе сообщения, которое оно хочет отправить, а приемное устройство измеряет и интерпретирует температуру окружающей среды. Эта система будет медлительной и неудобной, потому что температура в помещении не может точно следовать изменениям сложного электрического сигнала. ЭМИ, с другой стороны, очень быстро реагирует. Передаваемые радиосигналы могут точно воспроизводить даже сложные высокочастотные сигналы, используемые в современных беспроводных системах.
Скорость
В системах со связью по переменному току скорость передачи данных зависит от того, насколько быстро может изменяться сигнал. Другими словами, чтобы передавать информацию, сигнал должен что-то делать (например, увеличивать и уменьшать амплитуду). Оказывается, что ЭМИ является практическим средством связи даже на очень высоких частотах, что означает, что радиочастотные системы могут достичь чрезвычайно высоких скоростей передачи данных.
Расстояние
Стремление к беспроводной связи тесно связано со стремлением к связи на большие расстояния; если передатчик и приемник находятся в непосредственной близости, часто проще и экономичнее использовать провода. Хотя мощность радиосигнала уменьшается обратно пропорционально квадрату расстояния, ЭМИ в сочетании с методами модуляции и сложной схемотехникой приемника всё еще обладает замечательной способностью передавать полезные сигналы на большие расстояния.
Интенсивность ЭМИ уменьшается экспоненциально по мере того, как излучаемая энергия распространяется во всех направлениях от источника
Не требуется прямая видимость
Единственной средой беспроводной связи, которая может конкурировать с ЭМИ, является свет; это, возможно, и не удивительно, так как свет – это очень высокочастотное ЭМИ. Но природа оптической передачи подчеркивает, возможно, решающее преимущество радиочастотной связи: для нее не требуется линия прямой видимости.
Наш мир наполнен твердыми объектами, которые блокируют свет (даже очень мощный). Мы все испытывали интенсивную яркость летнего солнца, но эта интенсивность значительно снижается простым куском тонкой ткани. Низкочастотное ЭМИ, используемое в радиочастотных системах, напротив, проходит сквозь стены, пластиковые корпуса, облака и, хотя это может показаться немного странным, сквозь каждую клетку человеческого тела. Эти радиочастотные сигналы не полностью свободны от влияния этих материалов, и в некоторых случаях может вноситься значительное затухание. Но по сравнению со светом ЭМИ (низкочастотное) проходит практически через всё.
Факты о радио: история, теория, принцип работы
Кто-то мечтает о новом айфоне, кто-то о машине, а кто-то о наборе деталей и новом динамике для своего радио. не так давно были времена, когда пределом мечтаний золотой молодежи был обычный транзисторный радиоприемник.
Радио было верным спутником человека весь 20-й век. Знаменитые объявления от советского информбюро, первые музыкальные передачи, настоящий прорыв в передаче информации, революция в СМИ – все это радио.
All we hear is radio Ga-Ga. В сегодняшней статье разберемся с тем, что такое радио и как оно работает.
Знаменитое “радио Га-га” из песни группы Queen – не что иное, как детский лепет сына барабанщика группы. Роджер Тейлор услышал, как ребенок бормочет и коверкает слова, а потом решил, что из этого может получиться неплохой припев для песни.
Когда-то радио было круче, чем интернет – факт. Еще один факт – без радио не будет никакого интернета. Пусть приемники слушают не так часто, радио-технологии активно развиваются и используются в спутниковой связи, телевидении, мобильных телефонах, рациях, медицинских приборах… Короче, везде.
Суть радио в самом широком смысле:
Радио — способ беспроводной передачи данных, при котором в качестве носителя информации используется радиоволна.
Давайте же узнаем, как эта штука работает, и кто это придумал.
Попов, Маркони, Тесла?
Кем впервые была открыта радиосвязь? Говорить о конкретном изобретателе радио в принципе неправильно, так как слишком много людей в разное время сделали свой вклад в развитие этой технологии. Здесь и Томас Эдисон, и Никола Тесла, и Александр Попов, и Гульельмо Маркони, и многие другие.
Интересно, что во многих странах есть свой изобретатель радио. Споры о том, кто был первым, велись долго, и на то было много причин.
В России традиционно считалось, что радио изобрел Александр Попов. Да, Попов проводил успешные эксперименты в области передачи данных начиная с 1895 года , однако его изобретение было сильно усовершенствовано и доведено «до ума» иностранными коллегами. К тому же Попов не патентовал свою работу.
Безусловно, вклад Попова в развитие радио нельзя недооценивать. Однако считать его единственным изобретателем радио неверно. Мнение, что Александр Попов изобрел радио, во многом было навязано пропагандой СССР, когда все возможные и невозможные изобретения пытались приписать советскому союзу.
Также противостояние вели Тесла и Маркони. Никола Тесла утверждал, что провел эксперименты по беспроводной передаче сигнала раньше 1896 года, когда это сделал Маркони. Однако Маркони, обладавший коммерческой жилкой, успел запатентовать изобретение первым.
Заслуга этого человека в том, что именно он смог найти прежде лишь теоретическим идеям действительно широкое практическое применение.
Настоящей сенсацией в 1901 году стала передача радиосигнала на расстояние 3200 километров. Тогда многие ученые считали, что радиоволна не может распространиться на такую дальность из-за шарообразной формы Земли.
Что такое радиоволна
Волна – это колебание. Морская волна – это колебание поверхности воды.
А радиоволна – изменение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве.
Так же как и свет, радиоволны представляют собой электромагнитное излучение. Разница лишь в частоте и длине волны. Скорость распространения радиоволны в вакууме равна примерно 300000 километров в секунду.
Ниже приведем весь спектр электромагнитных колебаний и покажем место радиоволн в нем.
Радиоволна – это сигнал. То, что передает информацию. Радиоволны делятся на диапазоны: от субмиллиметровых до сверхдлинных. Для каждого диапазона волн характерны свои особенности распространения.
Например, чем больше длина волны и чем меньше частота, тем больше волна способна огибать преграды. Длинные волны огибают всю планету.
Все маяки и спасательные станции настроены на волну длиной 6 метров и частотой 500 кГц.
Средние волны подвержены поглощению и рассеиванию сильнее. Длина их распространения – около 1500 км. Короткие волны проходят небольшие расстояния, их энергия поглощается поверхностью планеты.
Прежде чем разбираться с самим радио, нужно уточнить еще несколько моментов. Как именно передается информация.
Как передается информация. Модуляция
Возьмем электромагнитную волну. Она представляет собой синусоиду, колебания векторов напряженности магнитного и электрического полей. «Где же здесь информация?» спросите вы, и в этом вопросе есть резон.
Кстати! Для наших читателей сейчас действует скидка 10% на любой вид работы
Сама по себе синусоида не несет никакой информации. Для передачи данных используется модуляция сигнала. Есть разные виды модуляций:
- амплитудная;
- фазовая;
- частотная;
- амплитудно-частотная.
Например, аббревиатура FM означает frequency modulation – частотная модуляция.
Модуляция – это изменение одного из параметров сигнала.
Частотная модуляция – это изменение частоты. Амплитудная – соответственно, амплитуды. Конечно, изменение не простое, а несущее в себе информацию.
У нас есть несущий сигнал (несущее колебание) и информационный сигнал (речь, звук, музыка). Модуляция несущего сигнала позволяет зашифровать в нем информацию. Причем параметр этого сигнала изменяется в соответствии с информационным сигналом.
Далее будем рассматривать частотную модуляцию, так как FM-радиостанции – самые популярные, а говорить приятнее о том, что привычно. При частотной модуляции сигнал не изменяется по амплитуде. В соответствии с изменениями уровня информационного сигнала меняется частота несущего колебания.
Вот как это выглядит:
Принцип работы частотной модуляции
Как работает радио
Простейший радиоприемник содержит приемник и передатчик. Передатчик должен отправить сигнал, а приемник – принять его.
При этом приемник не просто передает, а кодирует сигнал, применяя модуляцию. Передатчик также должен произвести обратное действие, то есть раскодировать сингал. И вот тогда мы получим тот же сигнал, что нам передали.
Например, вы едете в маршрутке, где водитель слушает радио «Шансон». Лето, жара, дачники, ехать еще несколько часов… В общем, красота, да и только. Но не будем отвлекаться! По радио звучит очень душевная песня.
Когда говорят «95.2 FM», подразумевают ультракороткую радиоволну с несущей частотой 95.2 Мегагерца.
Спектр ее сигнала имеет примерно такой вид. Это – информационный сигнал.
Чтобы передать его на расстояние, эту информацию нужно зашифровать. Передатчик на радиостанции отправляет несущую синусоидальную волну в пространство, проводя частотную модуляцию.
Приемник в кабине у водителя, наоборот, выделяет из пришедшего сигнала полезную составляющую. Далее сигнал отправляется на усилитель, с усилителя — на динамик. Как следствие – все счастливо путешествуют под музыку!
Зная принцип действия радио, можно при желании самостоятельно собрать радиоприемник из простых компонентов. Как это сделать с помощью картошки – узнаете из видео. Сразу скажем, сами не проверяли, но если вы попробуете — расскажите нам, как получилось. А если перед вами задачка посложнее и нужна помощь в ее решении обращайтесь в студенческий сервис.
- Контрольная работа от 1 дня / от 120 р. Узнать стоимость
- Дипломная работа от 7 дней / от 9540 р. Узнать стоимость
- Курсовая работа 5 дней / от 2160 р. Узнать стоимость
- Реферат от 1 дня / от 840 р. Узнать стоимость
Иван Колобков, известный также как Джони. Маркетолог, аналитик и копирайтер компании Zaochnik. Подающий надежды молодой писатель. Питает любовь к физике, раритетным вещам и творчеству Ч. Буковски.