Все о радиоволнах. Радиоволны: Основы теории, характеристики и применение — Производство и поставка электростанций, Бензиновые и дизельные генераторы от 1 до 100 кВт. Мини ТЭЦ на базе двигателя Стирлинга.

Что такое радиоволны и как они работают. Какие основные характеристики имеют радиоволны. Где применяются радиоволны в современном мире. Как классифицируются радиоволны по диапазонам частот.

Содержание

Что такое радиоволны и как они образуются

Радиоволны представляют собой один из видов электромагнитных волн. Они образуются при колебании электрических зарядов в проводнике, например, в антенне радиопередатчика. При этом вокруг проводника формируется переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде радиоволн.

Основные свойства радиоволн:

Распространяются со скоростью света (около 300 000 км/с)
Могут проходить через диэлектрики (воздух, пластик и т.д.)
Отражаются от металлических поверхностей
Могут огибать препятствия (дифракция)
Способны проникать сквозь ионосферу Земли

Основные характеристики радиоволн

Ключевыми параметрами, характеризующими радиоволны, являются:

Длина волны

Длина волны — это расстояние между двумя соседними гребнями или впадинами волны. Измеряется в метрах. Чем меньше длина волны, тем выше ее частота.

Частота

Частота определяет количество колебаний волны за единицу времени. Измеряется в герцах (Гц). Связана с длиной волны обратно пропорциональной зависимостью:

f = c / λ

где f — частота, c — скорость света, λ — длина волны.

Амплитуда

Амплитуда характеризует максимальное отклонение колеблющейся величины от среднего значения. Определяет мощность сигнала.

Классификация радиоволн по диапазонам частот

В зависимости от частоты радиоволны подразделяются на следующие основные диапазоны:

Сверхдлинные волны (СДВ): 3-30 кГц
Длинные волны (ДВ): 30-300 кГц
Средние волны (СВ): 300 кГц — 3 МГц
Короткие волны (КВ): 3-30 МГц
Ультракороткие волны (УКВ): 30-300 МГц
Дециметровые волны: 300 МГц — 3 ГГц
Сантиметровые волны: 3-30 ГГц

Миллиметровые волны: 30-300 ГГц

Области применения радиоволн

Радиоволны нашли широкое применение в различных сферах:

Радиосвязь и радиовещание

Радиоволны используются для передачи аудио- и видеосигналов в радиовещании и телевидении. Различные диапазоны применяются для разных видов вещания:

AM-радиовещание: средние волны (530-1700 кГц)
FM-радиовещание: УКВ-диапазон (88-108 МГц)
Телевизионное вещание: дециметровые волны (470-862 МГц)

Мобильная связь

Сотовые сети используют радиоволны для передачи голоса и данных между мобильными устройствами. Современные стандарты связи 4G и 5G работают в диапазонах:

4G (LTE): 700-2600 МГц
5G: 3,4-3,8 ГГц, 24-29 ГГц

Спутниковая связь и навигация

Спутниковые системы связи и навигации (GPS, ГЛОНАСС) используют радиоволны для передачи сигналов между спутниками и наземными приемниками. Применяются частоты:

GPS: 1575,42 МГц, 1227,60 МГц
ГЛОНАСС: 1602 МГц, 1246 МГц

Особенности распространения радиоволн

На распространение радиоволн в атмосфере Земли влияют различные факторы:

Отражение от ионосферы

Короткие волны способны отражаться от ионосферы — ионизированного слоя верхней атмосферы. Это позволяет осуществлять дальнюю радиосвязь за счет многократных отражений волны между поверхностью Земли и ионосферой.

Поглощение в атмосфере

Некоторые диапазоны радиоволн (особенно миллиметровые) сильно поглощаются водяным паром и кислородом в атмосфере. Это ограничивает дальность их распространения.

Огибание препятствий

Длинные волны способны огибать препятствия за счет дифракции. Это позволяет им распространяться за горизонт и обеспечивать связь в условиях пересеченной местности.

Влияние радиоволн на человека

Воздействие радиоволн на организм человека зависит от их частоты и интенсивности:

Низкочастотные радиоволны (до 100 кГц) при высокой интенсивности могут вызывать нагрев тканей
Волны СВЧ-диапазона (выше 300 МГц) способны вызывать термические эффекты в тканях
Допустимые уровни электромагнитного излучения для населения регламентируются санитарными нормами

При соблюдении установленных норм радиоизлучение бытовых и коммуникационных устройств безопасно для здоровья.

Перспективы развития радиотехнологий

Основные направления развития технологий радиосвязи:

Освоение более высоких частотных диапазонов (терагерцовый диапазон)
Повышение спектральной эффективности систем связи
Развитие технологий пространственного мультиплексирования (MIMO)
Создание программно-определяемых радиосистем
Разработка когнитивного радио с динамическим управлением спектром

Это позволит увеличить пропускную способность беспроводных сетей и расширить области применения радиотехнологий.

Теория радиоволн: ликбез / Хабр

Думаю все крутили ручку радиоприемника, переключая между «УКВ», «ДВ», «СВ» и слышали шипение из динамиков.
Но кроме расшифровки сокращений, не все понимают, что скрывается за этими буквами.
Давайте ближе познакомимся с теорией радиоволн.

Радиоволна

Длина волны(λ) — это расстояние между соседними гребнями волны.
Амплитуда(а) — максимальное отклонения от среднего значения при колебательном движении.
Период(T) — время одного полного колебательного движения
Частота(v) — количество полных периодов в секунду

Существует формула, позволяющая определять длину волны по частоте:

Где: длина волны(м) равна отношению скорости света(км/ч) к частоте (кГц)

«УКВ», «ДВ», «СВ»

Сверхдлинные волны — v = 3—30 кГц (λ = 10—100 км).
Имеют свойство проникать вглубь толщи воды до 20 м и в связи с этим применяются для связи с подводными лодками, причем, лодке не обязательно всплывать на эту глубину, достаточно выкинуть радио буй до этого уровня.

Эти волны могут распространяться вплоть до огибания земли, расстояние между земной поверхностью и ионосферой, представляет для них «волновод», по которому они беспрепятственно распространяются.

Длинные волны(ДВ) v = 150—450 кГц (λ = 2000—670 м).

Этот тип радиоволны обладает свойством огибать препятствия, используется для связи на большие расстояния. Также обладает слабой проникающей способностью, так что если у вас нет выносной антенны, вам вряд ли удастся поймать какую-либо радиостанцию.

Средние волны (СВ) v = 500—1600 кГц (λ = 600—190 м).

Эти радиоволны хорошо отражаются от ионосферы, находящейся на расстоянии 100-450 км над поверхностью земли.Особенность этих волн в том, что в дневное время они поглощаются ионосферой и эффекта отражения не происходит. Этот эффект используется практически, для связи, обычно на несколько сотен километров в ночное время.

Короткие волны (КВ) v= 3—30 МГц (λ = 100—10 м).

Подобно средним волнам, хорошо отражаются от ионосферы, но в отличии от них, не зависимо от времени суток. Могут распространяться на большие расстояния(несколько тысяч км) за счет пере отражений от ионосферы и поверхности земли, такое распространение называют скачковым. Передатчиков большой мощности для этого не требуется.

Ультракороткие Волны(УКВ) v = 30 МГц — 300 МГц (λ = 10—1 м).

Эти волны могут огибать препятствия размером в несколько метров, а также имеют хорошую проникающую способность. За счет таких свойств, этот диапазон широко используется для радио трансляций. Недостатком является их сравнительно быстрое затухание при встрече с препятствиями.

Существует формула, которая позволяет рассчитать дальность связи в УКВ диапазоне:

Так к примеру при радиотрансляции с останкинской телебашни высотой 500 м на приемную антенну высотой 10 м, дальность связи при условии прямой видимости составит около 100 км.

Высокие частоты (ВЧ-сантиметровый диапазон) v = 300 МГц — 3 ГГц (λ = 1—0,1 м).
Не огибают препятствия и имеют хорошую проникающую способность. Используются в сетях сотовой связи и wi-fi сетях.
Еще одной интересной особенностью волн этого диапазона, является то, что молекулы воды, способны максимально поглощать их энергию и преобразовывать ее в тепловую. Этот эффект используется в микроволновых печах.
Как видите, wi-fi оборудование и микроволновые печи работают в одном диапазоне и могут воздействовать на воду, поэтому, спать в обнимку с wi-fi роутером, длительное время не стоит.

Крайне высокие частоты (КВЧ-миллиметровый диапазон) v = 3 ГГц — 30 ГГц (λ = 0,1—0,01 м).
Отражаются практически всеми препятствиями, свободно проникают через ионосферу. За счет своих свойств используются в космической связи.

AM — FM

Зачастую, приемные устройства имеют положения переключателей am-fm, что же это такое:

AM — амплитудная модуляция

Это изменение амплитуды несущей частоты под действием кодирующего колебания, к примеру голоса из микрофона.
АМ — первый вид модуляции придуманный человеком. Из недостатков, как и любой аналоговый вид модуляции, имеет низкую помехоустойчивость.

FM — частотная модуляция

Это изменение несущей частоты под воздействие кодирующего колебания.

Хотя, это тоже аналоговый вид модуляции, но он имеет более высокую помехоустойчивость чем АМ и поэтому широко применяется в звуковом сопровождении ТВ трансляций и УКВ вещании.

На самом деле у описанных видом модуляции есть подвиды, но их описание не входит в материал данной статьи.

Еще термины

Интерференция — в результате отражений волн от различных препятствий, волны складываются. В случае сложения в одинаковых фазах, амплитуда начальной волны может увеличиться, при сложении в противоположных фазах, амплитуда может уменьшиться вплоть до нуля.
Это явление более всего проявляется при приеме УКВ ЧМ и ТВ сигнала.

Поэтому, к примеру внутри помещения качество приема на комнатную антенну ТВ сильно «плавает».

Дифракция — явление, возникающее при встрече радиоволны с препятствиями, в результате чего, волна может менять амплитуду, фазу и направление.

Данное явление объясняет связь на КВ и СВ через ионосферу, когда волна отражается от различных неоднородностей и заряженных частиц и тем самым, меняет направление распространения.
Этим же явлением объясняется способность радиоволн распространяться без прямой видимости, огибая земную поверхность. Для этого длина волны должна быть соразмерна препятствию.

PS:

Надеюсь, информация описанная мной будет полезна и принесет некоторое понимание по данной теме.

Академия «Инфинет» | Основы беспроводных сетей

Радиоволны представляют собой электромагнитные колебания, распространяемые в среде. В контексте беспроводных систем связи под средой подразумевается свободное пространство, где скорость распространения волн соответствует скорости света. Источником электромагнитной волны является проводник, выступающий в роли антенны, через который протекает переменный электрический ток. Важно понимать, что электромагнитное поле будет существовать только вокруг проводника, через который протекает переменный ток, причём излучаемая проводником энергия и характеристики напряжённости поля будут соответствовать протекающему току.

Природа радиоволн

Известно, что электрическое поле формируется вокруг электрически заряженных тел, а магнитное — вокруг проводников с переменным электрическим ток. Рассмотрим незамкнутый проводник, вибратор, заряды вдоль которого распределены неравномерно, как на рисунке 1.

Рисунок 1 — Распределение зарядов по телу вибратора

Поскольку заряд вдоль вибратора распределён неравномерно, то между отдельными участками проводника формируется электрическое поле, под действием которого начнётся движение зарядов и возникнут электрические колебания. Переменное электрическое поле вокруг вибратора формирует переменное магнитное поле, которое, в свою очередь, вновь формирует переменное электрическое поле. Такое явление обеспечивает распространение электромагнитного излучения в пространстве и называется электромагнитной волной.

Поляризация

Одной из характеристик электромагнитных волн, подобно световым волнам, является поляризация, под которой понимается ориентация вектора напряжённости электрического поля, который перпендикулярен направлению распространения волны и вектору магнитного поля.

Как видно на рисунке 2, выделяют три вида поляризации: линейная вертикальная, линейная горизонтальная и круговая. На иллюстрации отсутствуют частные виды поляризаций: угловая (вектор напряжённости электрического поля направлен под углом 45 градусов) и эллиптическая (конец вектора электрического поля описывает эллипс в плоскости колебаний).

Рисунок 2 — Поляризация электромагнитных волн: а — линейная вертикальная, б — линейная горизонтальная, в — круговая

Важно понимать, что характер поляризации зависит от источника излучения. Приёмник, в свою очередь, для построения эффективных каналов связи, должен быть согласован по поляризации с источником.

Поскольку электрический ток, наводимый волной горизонтальной поляризации в вертикально-установленном вибраторе, будет минимальным из-за рассогласования приёмной и передающей сторон, то волны горизонтальной и вертикальной поляризации не будут оказывать влияния друг на друга. Аналогичный эффект будет наблюдаться при взаимодействии двух волн угловых поляризаций, угол поворота которых отличается на 90°С. Явление слабой интерференции между двумя радиосигналами различной поляризации может быть использовано для увеличения ёмкости системы связи: за счёт одновременной передачи сигнала с вертикальной и горизонтальной поляризациями в одной полосе частот пропускная способность увеличивается в два раза.

Базовые характеристики волны

Поскольку электромагнитная волна формируется в соответствии с переменным током в вибраторе, то распределение напряжённости электрического и магнитного полей будет носить периодический характер, который, как и любое колебание, можно описать с помощью следующих понятий:

амплитуда;
длина волны;
частота;
фаза.

Для пояснения базовых характеристик электромагнитного колебания, обратимся к рисунку 3, на котором представлено распределение напряженности электрического поля во времени.

Рисунок 3 — График распределения напряжённости поля во времени

Амплитуда — максимальное значение смещения величины напряжённости поля от его среднего значения. Единица измерения — Вольт/метр (В/м).

Частота — количество повторений периодических процессов в единицу времени. Единица измерения — Герц (Гц). На рисунке 2 представлено два полных колебания, произошедших за одну секунду, т.е. частота равна:

Длина волны — расстояние, на которое волна перемещается в течении одного колебания. Единица измерения — метр (м). Данный параметр связан с частотой через скорость распространения электромагнитной волны, которая в свободном пространстве соответствует скорости света:

Для частот 2,4 ГГц и 5 ГГц длины волн соответственно равны:

В общем случае выражение, описывающее колебательный процесс, выглядит следующим образом:

В этой формуле аргумент функции синус называется полной фазой и описывает волновой процесс во времени. Начальная фаза, являющаяся частью полной фазы, определяет начальное состояние колебательного процесса.

Радиочастотный спектр

Привычным инструментом анализа сигналов являются осциллограммы — зависимости напряжения и тока от времени. С помощью осциллограмм можно наблюдать форму сигнала и характер его изменения во времени. Однако, при формировании сложных сигналов или анализе реальных систем связи, удобным инструментом анализа служит частотный спектр. Частотный спектр представляет из себя зависимость интенсивности электромагнитного излучения от частоты и позволяет оценить утилизацию диапазона частот системами связи и другими источниками электромагнитных волн. Важно понимать, что инструмент осциллограмм и спектральных характеристик не является взаимозаменяемым и на практике применяется совместно.

Между временными и частотными характеристиками существует однозначная зависимость: согласно теории Фурье, осциллограмма сигнала может быть представлена как сумма гармонических колебаний кратных частот, называемых гармониками. Таким образом, периодический сигнал частоты F может быть представлен как сумма синусоид с частотами F, 2F, 3F и т. д., что позволяет оценить каждую гармонику отдельно и построить спектральные характеристики. Последствием данного преобразования является то, что спектр сигнала становится бесконечным за счёт высших гармоник. На практике спектр сигнала ограничивают с помощью фильтрации, удаляя высшие гармоники, которые вносят небольшой вклад в суммарный сигнал из-за малой амплитуды.

Если представить спектр гармонического сигнала, рассмотренного выше, то получим следующую картину:

Рисунок 4 — Частотный спектр гармонического сигнала с F=2 Гц

Рассмотренный сигнал не является носителем информации, поскольку, оценив параметры сигнала на приёмной стороне, можно предсказать его поведение в любой момент времени. Для передачи информации одна или несколько из рассмотренных характеристик сигнала — амплитуда, частота или фаза, подвергаются изменению в соответствии с информационным сообщением, при этом исходный гармонический сигнал называется несущим. Подробно данные процессы будут рассмотрены в уроке «Аналоговые и цифровые сигналы».

Продемонстрируем преимущество использования частотного спектра относительно временных диаграмм. Дополнительно к существующему сигналу, сформируем сигнал с частотой, равной 3 Гц:

Рисунок 5 — Осциллограмма напряжения и частотный спектр гармонического сигнала с F=3 Гц

Суммируем полученные сигналы и оценим спектр совместного сигнала. Как видно на рисунке 6, по полученной осциллограмме достаточно трудно судить о присутствующих гармонических составляющих, однако спектральная характеристика позволяет это сделать:

Рисунок 6 — Осциллограмма напряжения и частотный спектр суммарного сигнала

При рассмотрении спектральных характеристик, интересно то, что последствием модуляции несущего сигнала информационным является расширение спектра, т.е. система связи использует для передачи информации полосу частот, а не только несущую.

На рисунке 7 изображён частотный спектр, на котором представлена работа трёх каналов связи:

Рисунок 7 — Частотный спектр при одновременной работе трёх каналов связи

Рассматриваемые системы связи настроены на следующие частоты:

Номер	Центральная частота, МГц	Полоса, МГц
Канал 1	4960	20
Канал 2	4970	20
Канал 3	5000	20

Частотный спектр, представленный на рисунке 7, демонстрирует пересечение по частотам у каналов связи 1 и 2, что приведёт к негативным последствиям в виде взаимного влияния. Канал 3 не имеет пересечения по частотам с другими системами связи, а также, по причине наличия защитного интервала между каналами 2 и 3, влияние рассматриваемых систем связи на канал 3 будет минимальным.

Диапазоны частот

Согласно регламенту, разработанного международным союзом по электросвязи (МСЭ), выделяют следующие диапазоны частот:

Номер диапазона	Обозначение МСЭ (EN)	Обозначение МСЭ (RU)	Наименование диапазона	Диапазон частот	Применение
-1	ELF	КНЧ	Гигаметровые волны	0,03-0,3 Гц
0	ELF	КНЧ	Гектомегаметровые волны	0,3-3 Гц
1	ELF	КНЧ	Декамегаметровые волны	3-30 Гц	Связь с подводными лодками, геофизические исследования
2	ELF	КНЧ	Мегаметровые волны	30-300 Гц	Связь с подводными лодками, геофизические исследования
3	ULF	УНЧ	Гектокилометровые волны	300-3000 Гц	Связь с подводными лодками
4	VLF	ОНЧ	Мириаметровые волны	3-30 кГц	Служба точного времени, радиосвязь с подводными лодками
5	LF	НЧ	Километровые волны	30-300 кГц	Радиовещание, радиосвязь земной волной, навигация
6	MF	СЧ	Гектометровые волны	300-3000 кГц	Радиовещание и радиосвязь земной волной и ионосферная
7	HF	ВЧ	Декаметровые волны	3-30 МГц	Радиовещание и радиосвязь ионосферная, загоризонтная радиолокация, рации
8	VHF	ОВЧ	Метровые волны	30-300 МГц	Телевидение, радиовещание, радиосвязь тропосферная и прямой волной, рации
9	UHF	УВЧ	Дециметровые волны	300-3000 МГц	Телевидение, радиосвязь тропосферная и прямой волной, мобильные телефоны, рации, УВЧ-терапия, микроволновые печи, спутниковая навигация
10	SHF	СВЧ	Сантиметровые волны	3-30 ГГц	Радиолокация, интернет, спутниковое телевещание, спутниковая- и радиосвязь прямой волной, беспроводные компьютерные сети
11	EHF	КВЧ	Миллиметровые волны	30-300 ГГц	Радиоастрономия, высокоскоростная радиорелейная связь, радиолокация (метерологическая, управление вооружением), медицина, спутниковая радиосвязь
12			Децимиллиметровые волны	300-3000 ГГц	Экспериментальная «терагерцовая камера», регистрирующая изображение в длинноволновом ИК
13			Сантимиллиметровые волны	3-30 ТГц
14			Микрометровые волны	30-300 ТГц
15			Децимикрометровые волны	300-3000 ТГц

Регуляторная работа

Использование частотного ресурса регулируется политикой государства, поэтому важным аспектом при эксплуатации беспроводных систем связи является разрешение со стороны государственных органов и использование сертифицированного оборудования. Поскольку оборудование, функционирующее на смежных частотах, как было сказано, может оказывать влияние друг на друга, то важным показателем сертификации является частотная маска, определяющая уровень внеполосного излучения. Так, например, в соответствии с приказом Министерства связи и массовых коммуникаций Российской Федерации №124 от 14.09.2010, для оборудования беспроводной передачи данных, функционирующего в частотном диапазоне 5150-6425 МГц маска спектра сигнала шириной 20 МГц выглядит следующим образом:

Рисунок 8 — Маска спектра шириной 20 МГц для беспроводного оборудования диапазона 5150-6425 МГц

Таким образом, допустимо использование оборудования с внеполосным излучением на 20 дБ ниже мощности сигнала в полосе. Также следует отметить, что требования к внеполосному излучению ужесточаются при удалении от центральной частоты канала: так на частоте, отстоящей от центральной на 30 МГц, требования к внеполосному излучению составляют -40 дБ.

Для сигнала с шириной полосы 40 МГц:

Рисунок 9 — Маска спектра шириной 40 МГц для беспроводного оборудования диапазона 5150-6425 МГц

Радиоволна | Примеры, использование, факты и диапазон

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Этот день в истории
Викторины
Подкасты
Словарь
Биографии
Резюме
Популярные вопросы
Инфографика
Демистификация
Списки
#WTFact
Товарищи
Галереи изображений
Прожектор
Форум
Один хороший факт

Развлечения и поп-культура
География и путешествия
Здоровье и медицина
Образ жизни и социальные вопросы
Литература
Философия и религия
Политика, право и правительство
Наука
Спорт и отдых
Технология
Изобразительное искусство
Всемирная история

Britannica объясняет
В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
Britannica Classics
Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
Demystified Videos
В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.
#WTFact Видео
В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
На этот раз в истории
В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.

Студенческий портал
Britannica — это главный ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
Портал COVID-19
Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
100 женщин
Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
Спасение Земли
Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
SpaceNext50
Britannica представляет SpaceNext50. От полета на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые питают наше любопытство к космосу!