بررسی امواج رادیویی-بخش اول

سرویس آموزش و آزمون برق نیوز،  طیف الکترومغناظیسی 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.

شکل (۱): طیف الکترومغناطیسی؛ امواج رادیویی کمترین فرکانس و بلند‌ترین طول موج‌ها را نسبت به سایر ناحیه‌ها دارند. برخی منابع ناحیه میکروویو را جزء ناحیه رادیویی به حساب می‌آورند.

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.

شکل (۲): انتشار هم‌فاز میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی عمود برهم (موج الکترومغناطیس). به صورت کلی بردار‌های و می‌توانند هم‌فاز نباشند.

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 نتیجه می‌شود که امواج رادیویی طول موجی بیشتر از امواج مادون قرمز یا فروسرخ دارند.

ناحیه فرکانسی امواج رادیویی از در طول موج شروع و تا فرکانس در طول موج 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 ۱) با سرعت نور () 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:

شکل (۳): شماتیکی ساده از عملکرد یک آنتن. نوسانگر LC جریانی متناوب تولید کرده که این جریان از طریق ترانسفورماتور، باعث القای جریانی در مدار آنتن شده و در نتیجه آنتن شروع به تابش امواج الکترومغناطیسی رونده می‌کند.

امواج رادیویی به صورت طبیعی نیز توسط رعد و برق یا اجرام نجومی نیز ساطع می‌شوند.  که این امواج به صورت مصنوعی توسط آنتن‌های فرستنده تولید و توسط آنتن‌های گیرنده دریافت می‌شوند.

تصویر (۴): نمایی از دکل‌های مخابراتی با آنتن‌های مختلف

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.

شکل (۵): مهم‌ترین کاربرد فرکانس‌های مختلف امواج رادیویی در صنعت مخابرات است.

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 و استانداردسازی شده‌اند.

شکل (۶): کانال‌بندی سیگنال‌های Wi-Fi در محدوده فرکانسی

کشف امواج رادیویی

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

تصویر (۷): ماکسول (۱۸۷۹-۱۸۳۱)

امروزه کمتر کسی پیدا می‌شود که نام معادلات ماکسول که توصیف کننده تمامی پدیده‌های الکترومغناطیسی است را نشنیده باشد. این ۴ معادله به شکل زیر بوده که در آن جا‌به‌جایی الکتریکی، چگالی بار، چگالی شار مغناطیسی، شدت میدان مغناطیسی، شدت میدان الکتریکی و چگالی جریان الکتریکی است.

در سال ۱۸۸۷ 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.

تصویر (۸): نمایی از آنتن لوپ استفاده شده توسط هرتز

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.

تصویر (۹): هرتز (۱۸۹۴-۱۸۵۷)

در اواسط دهه ۱۸۹۰ 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.

تصویر (۱۰): مارکونی (۱۹۳۷-۱۸۷۴)

در سال ۱۹۱۲ 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.

تصویر (۱۱): نمایی از اولین لینک مخابراتی جهان