Radioviļņi: definīcija, īpašības un pielietojumi

Uzzini, kas ir radioviļņi, to īpašības, frekvences un praktiskie pielietojumi — no radio un radara līdz satelītiem un radioastronomijai.

Radio viļņi veido daļu no elektromagnētiskā spektra. Tie ir elektromagnētiskie viļņi — enerģijas un informācijas pārnēsātāji ar dažādiem viļņu garumiem un radiofrekvencēm. Tāpat kā redzamās gaismas, rentgena vai gamma stari, arī radioviļņiem ir viļņu daba, taču to viļņa garumi parasti ir daudz lielāki nekā redzamajai gaismai.

Viļņa garums, frekvence un izplatīšanās

Viļņa garumu parasti mēra kā attālumu no viena viļņa grēdas virsotnes līdz blakus esošās grēdas virsotnei. Frekvence (f) un viļņa garums (λ) ir saistīti ar gaismas ātrumu (c) vienādojumā λ = c / f, tātad augstāka frekvence nozīmē īsāku viļņa garumu. Radioviļņu viļņa garums var svārstīties no daudziem kilometriem līdz milimetriem un pat mazāk, atkarībā no izmantotās frekvenču joslas. Praktiskos piemēros FM radio (daži metri, dažas pēdas) vai AM radio (simtiem metru, apmēram tūkstoš pēdu) signāli demonstrē, cik lielas atšķirības var būt.

Radioviļņi vakuumā izplatās ar apmēram 299 792 km/s — gaismas ātrumu. To uzvedība ietver atstarošanos, laušanos, difrakciju un polārizāciju. Atkarībā no frekvences radioviļņi var ceļot gar zemes virsmu (zemes viļņi), atspoguļoties no jonosfēras un sasniegt tālas vietas (varoša “skywave” izplatība) vai izplatīties tiešā redzamībā (line-of-sight), kā tas ir UHF un SHF joslām.

Antenas un viļņa garuma nozīme

Antenas, kas paredzētas radioviļņu raidīšanai un uztveršanai, bieži ir izmēros saistītas ar viļņa garumu — efektīvai uztveršanai antenas lineārais izmērs bieži ir salīdzināms ar frakciju no viļņa garuma (piem., ceturtdaļviļņa dipols). Tāpēc daudzas radioantenas, piemēram automašīnu antenas, ir garākas, ja tās paredzētas FM radio (vidējā viļņa garums mērot metros) uztveršanai, bet AM radio (garāki viļņi) antenas var būt būtiski garākas.

Klasifikācija un terminoloģija

Mazākos radioviļņus parasti sauc par mikroviļņiem (bieži UHF/SHF joslās). Ir arī termini kā īsie viļņi, vidējie un garie viļņi, kā arī speciālas joslas (ELF, VLF, LF, MF, HF, VHF, UHF, SHF, EHF), ko izmanto sakariem, radarā un zinātnē. Katras joslas īpašības (piem., spēja apiet šķēršļus, jūtība piekļuvei jonosfērai) nosaka piemērotākos pielietojumus.

Vēsture un atklājumi

Cilvēka radītos radioviļņus saziņai sāka izmantot 19. gadsimta beigās un 20. gadsimtā, kad tehnoloģijas attīstījās pietiekami, lai radītu un kontrolētu RF signālus. Radiosakaru un bezvadu telegrāfa pionieri bija tādi zinātnieki kā Heinrich Hertz, Guglielmo Marconi un Nikola Tesla. Radioviļņus no citām planētām pagājušā gadsimta 30. gados pirmo reizi atklāja Karls Gute Janskis, kurš strādāja Bell Laboratories. Bell atklāja radio kanālu trokšņus (elektroniku) un lika Janskim mēģināt atrast šo statisko traucējumu jeb interferenču avotu. Pēc tam, kad viņš identificēja troksni, ko radīja zibens, viņš pavadīja daudz laika, pētot pārējos trokšņus; daļa no tiem izrādījās kosmiskā izcelsme. Tas bija radioastronomijas aizsākums — kopā ar parastajiem gaismas viļņiem astronomi sāka pētīt arī radioviļņus.

Radioastronomija un radioteleskopi

Radioastronomi izmanto lielas antenas un radioteleskopus, kas bieži ir veidoti kā plašas satelītantenas, lai vāktu un analizētu vāju radio signālu no Visuma. Ar radioastronomiju atklāj materiālu ap melnajiem caurumiem, pulsāriem, galaktikām un citām kosmiskām struktūrām, kuras dažkārt nav redzamas optiskajos spektrā.

Pielietojumi mūsdienās

• Apraides — FM/AM radio, televīzijas signāli.
• Satelītsakari — sakarusatelīti nodrošina globālus sakarus, televīzijas pārraides un meteoroloģiskus datus.
• Mobilie sakari — mobilie tālruņi, mobilā datu pārraide (3G/4G/5G) un mašīnmācīšanās tīklu saziņa.
• Bezvadu lokālie tīkli — Wi‑Fi, Bluetooth un citi īssajūgas risinājumi ļauj datoriem un ierīcēm apmainīties ar datiem bez vadiem.
• Radarā — Radaru izmanto, lai noteiktu objektu atrašanās vietu, ātrumu un formas, atstarojot radioviļņus no objekta un izmērījot atgriešanās laiku.
• Navigācija — GPS un citi sistēmas balstās uz radioviļņu signāliem no satelītiem.
• Rūpniecība un medicīna — mikroviļņu tehnoloģijas tiek izmantotas apkures procesiem, diatermijai un diagnostikā.
• Identifikācija — RFID un bezkontakta kartes izmanto radioviļņus datu nolasīšanai.

Drošība un ietekme uz veselību

Radioviļņi ir nejonizējoša starojuma veids — tiem nav pietiekami daudz enerģijas, lai tie tieši nojauktu ķīmiskās saites vai jonizētu atomus. Tomēr intensīva vai ilgstoša ekspozīcija var radīt termiskus efektus (sildīšanu), tāpēc pastāv drošības vadlīnijas un ierobežojumi, ko nosaka organizācijas kā ICNIRP. Ikdienas līmeņi, ko rada mobilie tālruņi, Wi‑Fi un apraides stacijas, parasti ir daudz zem drošības robežām.

Mūsdienās radioviļņi ir neatņemama mūsu tehnoloģiskās vides sastāvdaļa — no masveida apraidēm un sakariem līdz zinātniskai izpētei un rūpnieciskajai lietošanai. To īpašības, piemēram, viļņa garums, frekvence, polārizācija un izplatīšanās režīmi, nosaka katras joslas stiprās puses un ierobežojumus, tādēļ inženieri un zinātnieki šos parametrus rūpīgi izvēlas atbilstoši mērķim.

Jautājumi un atbildes

J: Kas ir radioviļņi?

J: Kā mēra viļņu garumu?

J: Kāds ir radio viļņu lielums salīdzinājumā ar redzamās gaismas viļņiem?

J: Kas ir mikroviļņi?

J: Kas ir īsviļņi?

J: Kā antenas izmērs ir saistīts ar to, kam tā paredzēta?

Meklēt pēc burta