امواج رادیویی – به زبان ساده

در مقاله «طیف الکترومغناطیسی -- به زبان ساده» با ناحیه‌های فرکانسی مختلف این طیف آشنا شدیم. دیدیم که طیف مذکور از فرکانس‌های پایین (طول موج بلند) یعنی از امواج رادیویی شروع و تا فرکانس‌های بالا (طول موج کم) در امواج گاما و پرتو‌های کیهانی گسترش پیدا می‌کند. شکل زیر طیف الکترومغناطیسی را نشان می‌دهد.

در این مقاله در نظر داریم تا با زبانی ساده کمی بیشتر به معرفی و بررسی امواج رادیویی بپردازیم. با ما در ادامه این مقاله همراه باشید.

امواج رادیویی

همان‌طور که اشاره کردیم، امواج رادیویی که ماهیتی الکترومغناطیسی دارند، بخشی از طیف الکترومغناطیسی بوده که فرکانسی کمتر از ناحیه مادون قرمز (Infrared) داشته و طبق رابطه $$f=\frac{c}{\lambda}$$ نتیجه می‌شود که امواج رادیویی طول موجی بیشتر از امواج مادون قرمز یا فروسرخ دارند.

ناحیه فرکانسی امواج رادیویی از $$30Hz$$ در طول موج $$10.000km$$ شروع و تا فرکانس $$300GHz$$ در طول موج $$1mm$$ ادامه دارد. البته در علوم مهندسی و برخی مراجع، فرکانس‌های باند VHF به بالا را خود ناحیه‌ای جداگانه موسوم به امواج میکروویو در نظر می‌گیرند (شکل ۱).

امواج رادیویی همانند سایر امواج الکترومغناطیسی در محیط خلأ (ضریب شکست 1) با سرعت نور ($$c=3\times10^{8}\ (\frac{m}{s})$$) منتشر می‌شوند. امواج رادیویی، حاصل حرکت بارهای الکتریکی شتابدار، از جمله جریان‌های الکتریکی متغیر با زمان (AC) است. شکل زیر شماتیک مداری ساده‌ای را جهت تولید امواج رادیویی نشان می‌دهد:

امواج رادیویی به صورت طبیعی نیز توسط رعد و برق یا اجرام نجومی نیز ساطع می‌شوند. در مقاله «آنتن و فرستنده -- به زبان ساده» دیدیم که این امواج به صورت مصنوعی توسط آنتن‌های فرستنده تولید و توسط آنتن‌های گیرنده دریافت می‌شوند.

امروزه امواج رادیویی جزء جداناپذیری از زندگی روزمره انسان‌ها بوده و فناوری‌های مهم ارتباطی نظیر تلفن همراه، شبکه و اینترنت بی‌سیم، رادار، سیستم‌های ناوبری، ماهواره‌ها و ... بر پایه فیزیک امواج رادیویی کار می‌کنند. شکل زیر برخی از کاربرد‌های امواج رادیویی را در طیف الکترومغاطیسی نشان می‌دهد.

چگونگی انتشار امواج رادیویی در اتمسفر زمین، تابعی از فرکانس یا طول موج آن است. امواج با طول موج بلند می‌توانند از موانع بزرگ نظیر کوه‌ها پراکنده یا از طریق امواج زمین منتشر شوند. امواج با طول موج کوتاه‌تر می‌توانند از طریق یونسفر بازتاب و در فاصله‌های خیلی دوری به آنتن گیرنده فرود آیند. انتشار امواج با طول موج‌های خیلی کوتاه‌تر (فرکانس بالا) را نیز همانند نور (لیزر)، می‌توان به صورت خطی صاف در نظر گرفت. در ادامه بیشتر در خصوص این مطلب صحبت خواهیم کرد.

جهت جلوگیری از تداخل امواج بین کاربرد‌های مختتف، پروتکل، قوانین و استاندارد‌هایی توسط سازمان‌های جهانی IEEE و ITU تدوین و باند‌های فرکانسی خاصی برای کاربرد‌های مختلف اختصاص داده شده است. به طور مثال فرکانس امواج Wifi در دو فرکانس $$2.4GHz$$ و $$5GHz$$ استانداردسازی شده‌اند.

کشف امواج رادیویی

امواج رادیویی برای اولین بار بر اساس محاسبات ریاضی فیزیکدان مشهور، جیمز کلارک ماکسول (James Clerk Maxwell) پیش‌بینی شدند.

امروزه کمتر کسی پیدا می‌شود که نام معادلات ماکسول که توصیف کننده تمامی پدیده‌های الکترومغناطیسی است را نشنیده باشد. فرم دیفرانسیلی معادلات ماکسول به شکل زیر بوده که در آن $$D$$ جا‌به‌جایی الکتریکی، $$\rho$$ چگالی بار، $$B$$ چگالی شار مغناطیسی، $$H$$ شدت میدان مغناطیسی، $$E$$ شدت میدان الکتریکی و $$J$$ چگالی جریان الکتریکی است.

$$\large \triangledown.D=\rho$$

$$\large \triangledown.B=0$$

$$\large \triangledown \times E=-\frac{\partial B}{\partial t}$$

$$\large \triangledown \times H=\frac{\partial D}{\partial t}+J$$

در سال 1887 میلادی، هاینریش هرتز (Heinrich Rudolf Hertz) در آزمایشگاه خود برای اولین بار موقق به تولید امواج رادیویی شد و در نتیجه درستی معادلات ماکسول تایید شد.

هرتز نشان داد که امواج رادیویی همانند نور رفتار کرده و ویژگی‌هایی نظیر قطبش، شکست، پراش و ... را از خود نشان می‌دهند. امواج تولید شده توسط هرتز در آن زمان امواج هرتزی (Hertzian waves) نام داشتند.

در اواسط دهه 1890 میلادی، برای اولین بار این امواج به صورت عملی جهت برقراری ارتباط توسط مارکونی (Guglielmo Giovanni Maria Marconi) که اولین فرستنده و گیرنده‌های رادیویی عملی را ساخت، استفاده شد.

در سال 1912 میلادی عبارت مدرن‌تر امواج رادیویی جایگزین امواج هرتزی شد. شکل زیر نمایی از اولین لینک ارتباطی ساخته شده توسط مارکونی با استفاده از آنتن ساده Monopole را نشان می‌دهد.

سرعت، طول موج و فرکانس امواج رادیویی

همان‌طور که پیش‌تر اشاره کردیم، انتشار امواج الکترومغناطیسی از جمله امواج رادیویی در محیط خلأ با سرعت نور صورت می‌گیرد. در واقع از آنجا که ضریب شکست محیط خلأ برابر با یک است، سرعت فاز امواج الکترومغناطیسی برابر با همان سرعت نور می‌شود.

$$\large v=\frac{c}{n}=\frac{299,792,458\ (\frac{m}{s})}{n}$$

فیلم آموزش الکترومغناطیس مهندسی – مرور و حل تست کنکور ارشد در فرادرس

کلیک کنید

با توجه به رابطه فوق، در محیط‌های مختلف بسته به ضریب شکست که خود در حالت کلی، تابعی از طول موج (فرکانس) است، سرعت موج می‌تواند متفاوت باشد. با تقریب نسبتاً خوبی می‌توان ضریب شکست هوا را نیز یک در نظر گرفت. طول موج و فرکانس امواج الکترومغناطیسی نیز مطابق با رابطه زیر با یکدیگر رابطه عکس دارند.

$$\large f=\frac{c}{\lambda}=\frac{299,792,458\ (\frac{m}{s})}{\lambda \ (m)}\ \ \ (Hz=\frac{1}{s})$$

به طور مثال امواج رادیویی با فرکانس $$1MHz$$ دارای طول موج حدود $$300m$$ هستند. باند‌های مختلف فرکانسی در ناحیه امواج رادیویی به شکل زیر هستند. لازم به ذکر است که فرکانس‌های VHF به بالا در سیستم‌های راداری کاربرد بسیار زیادی دارند. جهت آشنایی با رادارها که از امواج رادیویی فرکانس بالا استفاده می‌کنند، به مقاله «رادار (Radar) -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید. غالباً امواج با فرکانس‌های ناحیه UHF تا انتهای EHF را، مایکروویو یا ریز موج می‌نامند. جهت آشنایی با امواج مایکروویو/میکروویو به مقاله «مایکروویو (Microwave) یا ریز موج -- به زبان ساده» مراجعه فرمایید.

در مقاله «امپدانس ذاتی محیط -- به زبان ساده» دیدیم که امواج الکترومغناطیسی به هنگام انتشار در خلأ و هوا (ضریب شکست تقریبی ۱) مقاومتی در حدود 377Ω احساس می‌کنند. هوا مهم‌ترین کانال ارتباطی جهت انتقال امواج رادیویی است. همچنین جهت انتقال امواج رادیویی از فرستنده به آنتن جهت تشعشع (یا بلعکس) بسته به فرکانس ممکن است که از کابل‌های کواکسیال استفاده کنند. این کابل‌ها به طور معمول دارای امپدانس 50Ω هستند.

انتشار امواج رادیویی

مطالعه چگونگی انتشار امواج رادیویی در محیط‌های مختلف، جهت طراحی سیستم‌های مخابراتی امری بسیار مهم است. امواج رادیویی همانند نور به هنگام عبور از محیط‌های مختلف که توسط پارامتر‌هایی نظیر ضریب شکست، ضریب نفوذپذیری الکتریکی و ضریب تراوایی مغناطیسی توصیف می‌شوند، پدیده‌هایی نظیر بازتاب، شکست، تغییر قطبش، پراش و جذب را تجربه می‌کنند.

از آنجایی که ضریب شکست یک محیط تابعی از فرکانس یا طول موج امواج الکترومغناطیسی است، چگونگی انتشار امواج رادیویی در هر قسمت از جو زمین می‌تواند متفاوت باشد. این امر ایجاب می‌کند که برخی از باند‌های فرکانسی که در جدول فوق مشاهده کردید، جهت کاربرد‌هایی خاص، کارایی بیشتری داشته باشند. عموماً انتشار امواج رادیویی از ۳ طریق کلی زیر در فضای آزاد انجام می‌شود.

انتشار در خط مستقیم

منظور از انتشار در خط مستقیم، ارسال امواج رادیویی از یک آنتن فرستنده به آنتن گیرنده‌ای است که در راستا یا روبه‌روی آنتن فرستنده قرار گرفته باشد. البته توجه داشته باشید که لزوماً نیازی نیست تا فضای بین فرستنده و گیرنده خالی باشد. به عبارت دیگر فرکانس‌های بیشتر از $$30MHz$$ بسته به قدرتشان می‌توانند از موانعی نظیر ساختمان، درختان و ... عبور کنند. در سطح زمین، انتشار به این روش تقریباً محدود به فاصله 40 مایلی (64 کیلومتر) است. تلفن‌های همراه، رادیو و تلویزیون، رادار و ... از این روش جهت انتتقال امواج استفاده می‌کنند. یکی دیگر از تکنولوژی‌های مخابراتی (امواج اپتیکی) که از این روش نیز برای ارسال اطلاعات استفاده میکند، مخابرات نوری فضای آزاد (Free Space Optical Communication) است. البته در این روش هیچ‌گونه مانعی نباید بین فرستنده لیزری و گیرنده وجود داشته باشد.

با استفاده از آنتن‌های سهمی شکل و استفاده از لینک‌های Point To Point مایکروویو، از این روش می‌توان تا فاصله‌های بیشتر از 64 کیلومتر جهت ارسال اطلاعات استفاده کرد. ایستگاه‌های زمینی جهت برقراری ارتباط با ماهواره‌ و فضاپیما‌ها نیز از این روش استفاده می‌کنند.

انتشار غیر مستقیم

امواج رادیویی می‌توانند به واسطه پراش و بازتاب از سطوح مختلف به نقاطی با فاصله زیاد بروند. به زبانی ساده، پدیده پراش باعث پراشیده شدن و تغییر مسیر دادن (به اصطلاح خم شدن یک باره) امواج می‌شود. این امر در نقاط خاصی نظیر لبه‌های ساختمان، وسایل نقلیه، دیوار‌های داخلی و ... اتفاق می‌افتد.

همانند نور که می‌تواند از مرز دو محیط مختلف بازتاب شود، با توجه به ضریب شکست و زوایای فرود، امواج رادیویی نیز می‌توانند از سطوح خاصی مثل زمین، سقف، دیوار‌ها و ... بازتاب شوند. سیستم‌های مخابراتی بردکوتاه نظیر تلفن همراه، بی‌سیم (walkie-talkies)، شبکه‌های وایرلس و Wi-Fi و ... از این روش جهت انتشار نیز استفاده می‌کنند. همچنین ممکن است که یک آنتن واسط بین فرستنده و گیرنده اصلی قرار گیرد. در این صورت ارتباط هر یک از آنتن‌های فرستنده و گیرنده با آنتن واسط مستقیم (Line Of Sight) بوده و ارتباط کلی بین فرستنده و گیرنده اصلی، غیر مستقیم است.

یکی از مهم‌ترین معایب این روش (پراش و بازتاب از سطوح) این است که امواج از مسیر‌های مختلفی با زمان‌های متفاوتی به آنتن گیرنده رسیده و در نتیجه باعث تداخل و از بین رفتن اطلاعات می‌شود.

امواج زمین (Ground Waves)

در فرکانس‌های پایین‌تر از $$2MHz$$ (طول موج‌های بلند)، امواج رادیویی با قطبش عمودی به واسطه پراش از موانع (کوه، تپه و ...) خم شده و می‌توانند همانند شکل زیر فراتر از افق (فراتر از انتشار مستقیم) منتشر شوند. امواجی که به این روش منتشر می‌شوند، به امواج زمین موسوم هستند.

می‌توان گفت دلیل اینکه می‌توانیم امواج رادیویی AM را در فاصله‌های خیلی دور از ایستگاه فرستنده دریافت کنیم، انتشار این امواج به صورت فوق است. با کاهش فرکانس و در نتیجه افزایش طول موج، تلفات کاهش یافته و در نتیجه انتشار از طریق امواج زمین در فرکانس‌های پایین VLF و ELF کاربردهایی نظامی نیز دارد.

امواج آسمان (Skywaves) - بازتاب از یونوسفر

در این روش با ارسال امواج رادیویی به سمت آسمان، می‌توان بازتاب آن‌ها را از لایه یونوسفر (Ionosphere) یا یون‌سپهر در سمت دیگر (مسیرهایی خیلی طولانی) دریافت کرد (شکل ۲۰). همان‌طور که در شکل زیر مشاهده می‌کنید، یونوسفر لایه‌ای بسیار بالاتر از تروپوسفر که ما در آن زندگی می‌کنیم است. لایه مذکور حاوی چگالی بسیار بالایی از الکترون‌ها بوده که می‌تواند برای امواج رادیویی همانند فلز، به منزله یک بازتاب‌دهنده عمل کند (به شرط زاویه فرود مناسب).

استفاده از این روش برای ارسال امواج الکترومغناطیسی در طیف رادیویی، در شب بهتر عمل می‌کند، چرا که در روز بخش زیادی از امواج توسط لایه‌های زیرین یونوسفر جذب و یا ممکن است که با امواج خورشیدی (دارای فرکانس‌های رادیویی ) تداخل کنند.

دقت داشته باشید که طول موج یا فرکانس موج ارسالی، زاویه تابش آنتن فرستنده، روز و شب (از حیث دما و وجود امواج خورشیدی)، موقعیت جغرافیایی و … همه عواملی هستند که بر کیفیت انتشار این روش تاثیرات بسزایی دارند.

فرکانس‌های ناحیه رادیویی از طیف الکترومغناطیسی، تنها امواجی هستند که می‌توانند به طور کامل از اتمسفر زمین عبور کرده و وارد جو زمین شوند. علت اینکه ایستگاه‌های نجوم رادیویی در زمین مستقر هستند نیز همین امر است. این در حالی است که جهت بررسی سایر امواج الکترومغناطیسی تابشی از ستاره‌ها باید ایستگاه‌هایی خارج از سطح زمین تاسیس کرد. میزان عبور امواج الکترومغناطیسی از اتمسفر زمین در شکل زیر نشان داده شده است.

مخابرات رادیویی

در اکثر سیستم‌های مخابراتی، اطلاعات با استفاده از امواج رادیویی منتقل می‌شوند. اطلاعات به روش‌های مختلفی موسوم به مدولاسیون (Modulation) بر امواج الکترومغناطیسی نظیر رادیویی، مایکروویو، اپتیکی سوار شده و از طریق فرستنده (در اینجا آنتن) منتقل می‌شوند. اطلاعات ارسال شده، توسط آنتن گیرنده، دریافت و پس از کدگشایی مدولاسیون به شکل اولیه (صوتی، ویدئویی، سیگنال‌های دیجیتالی (بیت‌ها) و ...) در می‌آیند.

همان‌طور که در شکل (3) مشخص است، در فرستنده یک نوسان‌ساز الکترونیکی که توسط جریان متغیر با زمان (AC) تغذیه می‌شود، در فرکانس خاصی موج رادیویی حامل را تولید می‌کند. واژه حامل (Carrier Signal) از این حیث به کار می‌رود که اطلاعات روی آن سوار شده و از طریق این موج منتقل می‌شوند. پس از انجام عمل مدولاسیون (سوار کردن اطلاعات روی موج) و عمل تقویت‌کنندگی، سیگنال مذکور متناسب با فرکانسی که دارد توسط کابل، موجبر، سیم یا ... به آنتن منتقل شده و در نتیجه تابش می‌شود.

در واقع جریان‌های نوسانی با نرخ مشخصی باعث حرکت الکترون‌های درون ساختار آنتن شده و از آنجایی که ذرات باردار متحرک امواج الکترومغناطیسی تولید می‌کنند، آنتن شروع به تابش می‌کند.

امواج تابش شده از آنتن فرستنده که فرکانس مشخصی دارند، با برخورد به آنتن گیرنده باعث نوسان یا حرکت الکترون‌های آن شده (القای فارادی) و در نتیجه ولتاژ نوسانی ناچیزی با فرکانسی مشابه با آنتن فرستنده ایجاد می‌شود. با تقویت این سیگنال (ولتاژ)، فیلتر کردن نویزها و عمل کدگشایی (دمدولاسیون - Demodulation) می‌توان به اطلاعات اولیه دست پیدا کرد. شکل زیر شماتیکی ساده از مطلب گفته شده را برای سیگنال‌های رادیویی نشان می‌دهد.

همان‌طور که می‌دانید تعداد بسیاری زیادی آنتن فرستنده و گیرنده در منطقه‌ای نظیر یک شهر وجود دارد. دلیل عدم تداخل امواج رادیویی منتشر شده، این است که هر موج با فرکانسی متفاوت منتشر می‌شود. به عبارت دیگر هر فرستنده فرکانسی متفاوت دارد. به عبارت دیگر آنتن‌های فرستنده و گیرنده یک لینک رادیویی با یکدیگر هماهنگ (sync) هستند.

در مدار آنتن گیرنده فیلترهایی تنظیم شونده (نوسانگر - Resonator) به کار می‌رود که در فرکانس رزونانس یا تشدید (Resonant Frequency) خود کار می‌کنند. در صورتی که فرکانس موج دریافتی با فرکانس تشدید مدار یکسان نباشد، مدار موج را فیلتر می‌کند.

اندازه‌گیری

از آنجایی که امواج رادیویی ماهیتی الکترومغناطیسی دارند، از دو مولفه عمود برهم میدان الکتریکی با واحد سنجش ($$\frac{V}{m}$$) و میدان مغناطیسی با واحد سنجش ($$\frac{A}{m}$$) تشکیل شده‌اند. در واقع می‌توان شدت (قدرت) هر کدام از میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی را جداگانه توسط ابزارهایی اندازه‌گیری کنیم.

فیلم آموزش الکترومغناطیس ۲ – جامع و با مفاهیم کلیدی در فرادرس

کلیک کنید

یکی دیگر روش‌های سنجش میدان‌های الکترومغناطیسی (Radio Frequency : RF)، بررسی چگالی توان (Power Density) است. چگالی توان را غالباً در نقطه‌ای به اندازه کافی دور از آنتن (Far Field Zone) محاسبه می‌کنند. در واقع در مکانی که به بتوان امواج را به صورت صفحه‌ای در نظر گرفت. لازم به ذکر است که می‌توان جبهه موج امواج کروی را در نقطه‌ای دور از منبع، صفحه‌ای در نظر گرفت.

چگالی توان، میزان توانی از موج است که بر واحد سطح وارد می‌شود. چگالی توان را معمولاً با واحد ($$\frac{mW}{cm^{2}}$$) اندازه‌گیری می‌کنند. لازم به ذکر است که این تعریف جهت بیان شدت موج نیز بیان می‌شود.

اثرات زیست شناختی و زیست محیطی

امواج رادیویی به واسطه فرکانس کمی که دارند، انرژی فوتون وابسته به آن‌ها کم است. در نتیجه امواج مذکور، تابش‌هایی غیر یونیزه کننده هستند. به عبارت دیگر، امواج رادیویی انرژی کافی جهت جدا کردن الکترون از اتم‌ها یا مولکول‌ها یا شکستن پیوند‌های شیمیایی را ندارند. در نتیجه، قرار گرفتن در مقابل این امواج آسیبی به ساختار‌های DNA وارد نمی‌کند.

اصلی‌ترین تاثیر جذب امواج رادیویی توسط مواد، گرم شدن آن‌ها است. در واقع مولفه میدان الکتریکی امواج مذکور، سبب ارتعاش یا نوسان مولکول‌های قطبی (مخصوصاً آب) شده که در نتیجه آن دما افزایش پیدا می‌کند. اجاق‌های میکروویو از همین نکته جهت گرم کردن غذا استفاده می‌کنند.

امواج رادیویی بر خلاف امواج مادون قرمز که عمدتاً جذب سطح مواد می‌شوند، می‌توانند تا عمق بیشتری نفوذ کرده و انرژی خود را به بافت یا ساختار‌های داخلی مواد بدهند. اجاق‌های برقی مخصوص گریل کردن حاوی المنتی است که با عبور جریان بسیار داغ شده و امواج مادون قرمز که عمدتاً جذب سطح ماده می‌شوند را ساطع می‌کند. در حالی که اجاق‌های میکروویو، با تابش امواج میکروویو (رادیویی فرکانس بالا) تا عمق بیشتری نسبت به امواج مادون قرمز به مواد نفوذ می‌کنند.

عمق نفوذ امواج رادیویی با افزایش فرکانس، کاهش پیدا می‌کند. پارامتر عمق نفوذ که در علوم مهندسی کاربرد فراوانی دارد، برای تمامی ناحیه طیف الکترومغناطیسی مطرح بوده و به طور کلی تابعی از فرکانس، نفوذپذیری الکتریکی (Permittivity) و تراوایی مغناطیسی (Permeability) است.

امواج رادیویی نزدیک به 100 سال است که در علم پزشکی در حیطه گرمادرمانی کاربرد دارد. به وسیله این امواج می‌توان باعث گرم شدن خون و در نتیجه جریان یافتن بهتر آن شد. همچنین جهت ایجاد دماهای بالاتر جهت هایپرترمی (Hyperthermia) و از بین بردن سلول‌های سرطانی از آن‌ها استفاده می‌کنند.

نگاه کردن به چشمه امواج رادیویی با توان بالا در فاصله‌ای خیلی نزدیک، باعث گرم شدن عدسی چشم شده که خود منجر به آسیب و وقوع آب مروارید می‌شود. همچنین شواهد قابل قبولی از مرکز بین‌المللی تحقیقات در حوزه سرطان (International Agency for Research on Cancer) منتشر شده است که استفاده طولانی مدت از موبایل و امواج با فرکانس‌های مشابه ریسک ابتلا به سرطان را افزایش می‌دهد.

اگر این مطلب برای شما مفید بوده است، آموزش‌های زیر نیز به شما پیشنهاد می‌شوند:

• آنتن و فرستنده -- به زبان ساده
• مخابرات فیبر نوری -- راهنمای جامع
• FTTH چیست؟ -- به زبان ساده

^^