آشنایی با امواج رادیویی
امواج رادیویی مانند مانند میکروفون، اشعه مادون قرمز، اشعه ایکس و اشعه گاما نوعی اشعه الکترومغناطیسی هستند. بیشترین و متداول ترین استفاده از امواج رادیویی
در زمینه ارتباطات است؛ تلویزیون، تلفن های همراه و رادیو همگی امواج رادیویی را دریافت می کنند و آنها را تبدیل به ارتعاشات مکانیکی در بلندگو می کنند تا امواج صوتی ای که بتواند شنیده شود را ایجاد کنند.
تابش الکترومغناطیسی در امواج و ذرات در طول موج و فرکانس های مختلف انتقال می یابد. این طیف گسترده از طول موج ها به عنوان طیف الکترومغناطیسی (EM) شناخته می شود. طیف به صورت کلی برای کاهش طول موج و افزایش انرژی و فرکانس به ۷ منطقه تقسیم می شود. نامگذاری مشترک امواج رادیویی، میکروفون، مادون قرمز (IR)، نور مرئی، اشعه ماوراء بنفش (UV)، اشعه ایکس و اشعه گاما است.
طبق نظر NASA، امواج رادیویی طولانی ترین طول موج را در طیف EM دارند، از حدود ۱ میلیمتر (۰٫۰۴ اینچ) تا بیش از ۱۰۰ کیلومتر (۶۲ مایل). آنها همچنین کمترین فرکانس را دارند، از حدود ۳۰۰۰ سیکل در ثانیه یا ۳ کیلوهرتز (کیلوهرتز) تا حدود ۳۰۰ میلیارد هرتز یا ۳۰۰ گیگاهرتز (گیگاهرتز).
کشف
جیمز کلرک ماکسول، فیزیکدان اسکاتلندی، که در طی سالهای ۱۸۷۰ تئوری الکترومغناطیس یکپارچه را گسترش داد، پیش بینی کرد که امواج رادیویی وجود داشته باشد. چند سال بعد، هاینریش هرتز، یک فیزیکدان آلمانی، نظریه های ماکسول را برای تولید و دریافت امواج رادیویی اعمال کرد. واحد فرکانس موج EM – یک چرخه در ثانیه – در افتخار او هرتز نام دارد.
هرتز از یک شکاف جرقه متصل به یک سیم پیچ القایی و یک فاصله جرقه جداگانه در یک آنتن دریافتی استفاده کرد. هنگامی که امواج ایجاد شده توسط جرقه فرستنده سیم پیچ توسط آنتن دریافتی برداشته شد، جرقه نیز شکاف خود را پر می کند. هرتز در آزمایش های خود ثابت کرد که این سیگنال همه ویژگی های امواج الکترومغناطیسی را دارد.
باندهای امواج رادیویی در لینک رادیویی
اداره ملی مخابرات و اطلاعات به طور کلی طیف رادیویی را به ۹ دسته تقسیم می کند.
دامنه محدوده فرکانس طیف موج
فرکانس بسیار پایین (ELF) <3 kHz> 100 کیلوهرتز
فرکانس بسیار پایین (LVF 3) تا ۳۰ کیلو هرتز ۱۰ تا ۱۰۰ کیلومتر
فرکانس پایین ((LF30 تا ۳۰۰ کیلوهرتز ۱ تا ۱۰ کیلومتر
فرکانس متوسط ((MF 300 کیلوهرتز تا ۳ مگاهرتز ۱۰۰ تا ۱ کیلومتر
فرکانس بالا ((HF 3 تا ۳۰ مگاهرتز ۱۰ تا ۱۰۰ متر
فرکانس بسیار بالا ((VHF 30 تا ۳۰۰ مگاهرتز ۱ تا ۱۰ متر
فرکانس فوق العاده بالا ((UHF 300 مگاهرتز تا ۳ گیگاهرتز ۱۰ سانتی متر تا ۱ متر
فرکانس فوق العاده بالا ((SHF 3 تا ۳۰ گیگاهرتز ۱ تا ۱ سانتیمتر
فرکانس بسیار بالا ((EHF 30 تا ۳۰۰ گیگاهرتز ۱ تا ۱ سانتیمتر
طبق گفته گروه استنفورد VLF، قوی ترین منبع طبیعی امواج ELF / VLF در زمین، رعد و برق است. امواج تولید شده به وسیله اعتصابات رعد و برق می توانند بین زمین و یونوسفر به عقب و جلو بروند، بنابراین می توانند در سراسر جهان سفر کنند. امواج رادیویی نیز توسط منابع مصنوعی بوجود می آید، از جمله ژنراتور برق، خطوط برق، لوازم خانگی و فرستنده های رادیویی. رادیو ELF به دلیل طیف وسیعی از آن و توانایی آن برای نفوذ آب و سنگ برای ارتباط با زیردریایی ها و داخل معادن و غار ها مفید است.
با این حال، فرکانس حامل گاهی پایین تر از محدوده فرکانس شنیداری است که ۲۰ تا ۲۰۰۰۰ هرتز در نظر گرفته می شود. به همین علت رادیو ELF نمی تواند به اندازه کافی مدولاسیون شود تا صدا را پخش کند، برای همین است که آن را فقط برای داده های دیجیتال با سرعت بسیار کم استفاده می کنند.
گروه های رادیویی LF و MF شامل رادیو دریایی و هوایی و همچنین رادیو تجاری AM می باشد. اکثر رادیو در این گروهها از مدولاسیون دامنه (AM) استفاده می کند تا یک سیگنال قابل شنیدن روی موج رادیویی را تحت تأثیر قرار دهد. قدرت یا دامنه سیگنال با نرخی که مربوط به فرکانس های سیگنال شنیداری مانند صدا یا موسیقی است متنوع یا مدولاسیون می شود. رادیوی AM دارای دامنه وسیعی است، خصوصا در شب، اما در معرض دخالت است که کیفیت صدا را تحت تاثیر قرار می دهد. هنگامی که یک سیگنال به طور جزئی مسدود می شود، میزان صدای آن کاهش می یابد.
گروه های HF، VHF و UHF شامل رادیو FM، پخش تلویزیونی، رادیو خدمات عمومی، تلفن های همراه و GPS است. این نوارها به طور معمول از مدولاسیون فرکانسی استفاده می کنند تا سیگنال های صوتی یا داده ای را روی موج حامل تحت تاثیر قرار دهند. در این طرح، دامنه سیگنال ثابت باقی می ماند در حالی که فرکانس کمی بالاتر یا کم تر با نرخ و مقدار مربوط به سیگنال صوتی یا داده متفاوت است. این نتیجه کیفیت بهتر سیگنال نسبت به AM است، زیرا فاکتورهای محیطی بر فرکانس تاثیری بر میزان دامنه آن ندارند و گیرنده از تغییرات در دامنه تا جایی که سیگنال بالاتر از حداقل آستانه است، در نظر گرفته نمی شوند.
رادیو موج کوتاه
با توجه به انجمن ملی فرستنده های کوتاه موج (NASB)، رادیو موج کوتاه با استفاده از فرکانس در گروه HF، از حدود ۱٫۷ تا ۳۰ مگاهرتز است. در این طیف، طیف موج کوتاه به چند قسمت تقسیم می شود، بعضی از آنها به ایستگاه های پخش منظم مانند Voice of America، Broadcasting Corporation بریتانیا و Voice of Russia اختصاص داده شده است. به گفته NASB، در سراسر جهان، صدها ایستگاه کوتاه مدت وجود دارد. حدود ۲۵ ایستگاه خصوصی کوتاه مدت در ایالات متحده توسط کمیسیون ارتباطات فدرال مجوز دارند.
به گفته NASB، ایستگاه های کوتاه مدت می توانند برای هزاران کیلومتر شنیده شوند؛ چرا که سیگنالها از یونوسفر گسیل می کنند و صدها یا هزاران مایل از نقطه شروع آنها به عقب می روند.
استریو FM
به عنوان موسیقی دو کاناله استریو محبوبیت به دست آورد، تقاضای رادیو رادیویی استریو نیز انجام شد. با این حال، رادیوهای تک کانال (مونو) در حال استفاده گسترده بودند و احتمالا برای آینده قابل پیش بینی باقی خواهند ماند. پس از آن، مشکل ایجاد یک سیستم بود که می تواند موزیک استریو تولید کند اما هنوز هم با گیرنده های موجود مونو سازگار است.
روش اتخاذ شده برای پخش استریوی FM بود و نه با استعداد. رایان گید، استاد فیزیک دانشگاه ایالتی میسوری، توضیح داد که پخش کننده کانال های چپ و راست را به ترتیب L + R و L-R2 ترکیب می کند و آنها را با فرکانس های مختلف A و B پخش می کند. یک گیرنده ی مونو می تواند روی A قفل کند و هر دو کانال را بشنوید گیرنده استریو، با این حال، بر روی هر دو فرکانسی قفل می کند و A و B را به صورت A + B و A – B ترکیب می کند. جبر کمی نشان می دهد که A + B = (L + R) + (L – R) = 2L و A – B = (L + R) – (L – R) = 2R، به طور موثر جدا کردن کانال های چپ و راست.
فرکانس های بالاتر
SHF و EHF بالاترین فرکانس های رادیویی را نشان می دهند و گاهی اوقات بخشی از گروه مایکروویو هستند. مولکول های موجود در هوا تمایل به جذب این فرکانس ها دارند، که دامنه و کاربرد آنها را محدود می کند. با این حال، طول موج کوتاه آنها اجازه می دهد تا سیگنال ها را در تیرهای باریک با استفاده از آنتن های دیافراگم هدایت کنند، بنابراین آنها برای ارتباطات پهنای باند کوتاه برد بین مکان های ثابت موثر هستند.
SHF، که کمتر از هوا به نسبت EHF کمتر تحت تاثیر قرار می گیرد، برای کاربردهای کم نور مانند Wi-Fi، بلوتوث و USB بی سیم استفاده می شود. همچنین امواج SHF تماشایی از اشیاء مانند اتومبیل، قایق و هواپیما دارند، بنابراین این گروه اغلب برای رادار استفاده می شود.
منابع نجومی
فضای بیرونی با منابع رادیویی پر است این شامل سیارات، ستاره ها، ابرهای گاز و گرد و غبار، کهکشان ها، تپش ها و حتی سیاهچاله ها است. این منابع به ستاره شناسان اجازه می دهد تا در مورد حرکت و ترکیب شیمیایی این منابع و همچنین فرایندهایی که باعث انتشار این گاز می شوند، یاد بگیرند.
به گفته رابرت پترسون، استاد نجوم در دانشگاه ایالتی میسوری، ستاره شناسان از تلسکوپ های بزرگ رادیویی برای نشان دادن ابرهای هیدروژن خنثی خورشید در کهکشان ها استفاده می کنند. این ابرها علاقه خاصی دارند، زیرا آنها در امتداد سلاح های مارپیچی کهکشان هایی مانند راه شیری قرار گرفته اند، و به دانشمندان اجازه می دهد تا نقشه ساختار ابرها را به نمایش بگذارند.
فرکانس های ویژه رادیویی مربوط به فرکانس های رزونانس اتم و مولکول های رایج توسط FCC برای استفاده منحصر به فرد توسط ستاره شناسان رادیو برای جلوگیری از تداخل با مشاهدات از طریق تلسکوپ های بسیار حساس رادیویی توسط فرستنده های رادیویی محفوظ است. لیستی از این فرکانس ها در وب سایت مرکز ملی نجوم و یونوسفر وجود دارد.
طبق گفته های ناسا، ستاره شناسان رادیو اغلب چندین تلسکوپ کوچکتر یا ظروف را به آرایه ترکیب می کنند تا تصویر رادیویی واضح تر و یا با رزولوشن بالاتری بگیرند. به عنوان مثال، تلسکوپ رادیویی بسیار بزرگ (VLA) در نیومکزیکو شامل ۲۷ آنتن است که در یک الگوی بزرگ “Y” قرار دارند که تا ۲۲ مایل (۳۶ کیلومتری) در آن قرار دارد.
طبق گفته ناسا، یک تلسکوپ رادیویی “آسمان” بسیار متفاوت تر از آنچه که در نور قابل مشاهده است به نظر میرسد. به جای دیدن ستاره هایی مانند نقطه، چنین تلسکوپ تلسارهای دور، مناطق تشکیل ستاره و بقایای ابرنواختر را می گیرد.
تلسکوپ های رادیویی نیز می توانند کوازارها را شناسایی کنند که کوتاه تر از منبع رادیویی نیم ستاره است. کوازار یک هسته هسته ای فوق العاده درخشان است که توسط یک سیاهچاله غول پیکر ساخته شده است. Quasars انرژی را به طور گسترده ای در سراسر طیف EM منتشر می کند، اما نام آن از این واقعیت است که نخستین کوازارهای شناسایی شده بیشتر انرژی رادیویی را منتشر می کنند.