امواج رادیویی – به زبان ساده

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

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.

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.

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

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

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

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

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.

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

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

فیلم آموزش الکترومغناطیس مهندسی برای 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.

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

انتشار امواج رادیویی

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

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 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.

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

فیلم آموزش الکترومغناطیس 2 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.

اثرات زیست شناختی و زیست محیطی

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

^^