كلمات كليدي : امواج، امواج راديويي، راديو، ارتباطات راديويي، فركانس، طول موج
نویسنده : قاسم كرباسيان
امواج الکترومغناطیسی که با استفاده از آن، علائم فیزیکی را در ابعاد وسیعی منتقل می‌کنند، امواج رادیویی نامیده می‌شود.[1]
"هنریش هرتز"(1894-1857) آلمانی ضمن آزمایشات خود، ثابت نمود که صوت و نیروی برق را می‌توان به شکل امواج در فضا پخش کرد و همان‌طور که در سطح آب با انداختن یک سنگ، موج‌هایی تولید می‌شوند، صدای انسان و نیروی برق هم می‌توانند، از اطراف سیمی که از آن عبور می‌کنند، موج‌هایی در فضا پخش نمایند. براساس آزمایش وی، هرگاه نیروی برق به امواج تبدیل شود، هنگامی که موج‌ها به یک سیم یا جسم دیگری که هادی برق است، برسند، همان امواج در آن ایجاد می‌شوند و نیروی برق را از مرکز اصلی به آن منتقل می‌کنند. این آزمایشات مبنای ساختمان دستگاه‌های فرستنده و گیرنده تلگراف بی‌سیم قرار گرفتند و بعد از مدتی برای انتقال صدای انسان در رادیو مورد استفاده واقع شدند. امواج رادیویی که اختراع "هرتز" می‌باشند، به امواج هرتزی معروف شده‌اند.[2]
امواج از ارسال تا گیرنده
به‌طور کلی دو روش برای انتقال علائم فیزیکی نظیر صوت، تصویر، دیتا، فرمان، کنترل و ... بین دو نقطه از فضا وجود دارد. روش اول، ارسال علائم به کمک خطوط انتقال و روش دوم؛ که انتقال را در ابعاد وسیع‌تری مقدور می‌سازد، استفاده از انتشار امواج رادیویی از طریق فضا است. در این روش علائم مورد نظر به‌کمک مبدلّ‌های خاص به علائم الکتریکی تبدیل شده و این علائم روی علائم الکتریکی با فرکانس بسیار بالاتر، مدوله می‌شود. مدوله‌سازی یکی از امور مهمی است که برای انتقال موثر و مطمئن اطلاعات در فرستنده صورت می‌گیرد و مدولاسیون فرکانس آن است؛ فرمانس سیگنال حاصل، براساس تغییران سیگنال پیام تغییر داده می‌شود. سپس علائم فرکانس مدوله شده، تقویت شده و از طریق آنتن فرستنده که می‌تواند انرژی الکتریکی را به انرژی الکترومغناطیسی تبدیل کند، در فضا و در جهات مورد نظر به‌صورت امواج الکترومغناطیس، انتشار می‌یابد.
این امواج توسط آنتن گیرنده که عکس عمل آنتن فرستنده را انجام می‌دهد، دریافت می‌شود و آنتن، بخشی از انرژی امواج الکترومغناطیسی را که حاوی علائم فیزیکی است، دریافت می‌کند. علائم دریافتی توسط آنتن گیرنده به کمک یک گیرنده، انتخاب، آشکارسازی و تقویت شده و توسط مبدل‌هایی که عکس عمل مبدل‌های قبلی را انجام می‌دهند، جهت استفاده، در اختیار مصرف‌کننده قرار می‌گیرد.
امواج رادیویی با سرعت نور (300000000m /s) حرکت کرده و از آن‌جا که به خط مستقیم حرکت می‌کنند، برای این‌که انتقال صورت گیرد، باید آنتن گیرنده در دید آنتن فرستنده قرار داشته باشد. در نتیجه، فرستنده‌ها باید در نقاط مرتفع زمینی نصب شوند؛ تا منطقه‌ی بزرگی را پوشش دهند. البّته فواصل دور را نیز می‌توان با بازتابش امواج رادیویی در یونوسفر تحت پوشش قرار داد. یونوسفر لایه‌ی گازی یونیزه شده در اتمسفر بالا در حدود km 200 بالای سطح زمین؛ می‌باشد.
امواج الکترومغناطیسی معمولاً با توجه به تواتر نوسان یا فرکانس آنها؛ یعنی تعداد ارتعاشاتشان در یک ثانیه و همچنین طول آنها مشخص می‌شوند. این امواج رادیویی که با واحد اندازه‌گیری "هرتز" (که معادل یک ارتعاش، یک گردش، یک دور یا یک سیکل در ثانیه است)، مورد سنجش قرار می‌گیرند، در سیستم ارتباطات رادیویی، با کیلوسیکل یعنی هزار دور در ثانیه معرفی می‌شوند. لازم به ذکر است تواتر یا نوسان هر موج با طول آن (یعنی فاصله زمانی که دو حد نهایی که ارتفاع ارتعاش موج را در فضا از هم جدا می‌کند)، نسبت معکوس دارد.[3]
طول امواج
مسأله طول امواج در سیستم ارتباطات رادیویی اهمیّت خاصی دارد؛ چراکه اگر طول امواج معلوم نباشد، ضبط آنها عملی نیست. برای شناسایی طول امواج، باید امواج آب را در نظر گرفت. همان‌طور که امواج ناشی از پرتاب یک شیء، به داخل آب با توجه به بزرگی و کوچکی شیء پرتاب شده، با فواصل کمتر و زیادتر به کنار آب می‌رسد، امواج رادیویی نیز فواصل زمانی مختلفی دارند. این زمان، برای موج‌های کوچک کمتر و برای امواج بزرگ‌تر زیادتر است. بنابراین هرقدر تعداد امواج زیادتر باشد، طول آنها کمتر است. باید در نظر داشت، که فاصله امواج روی آب، با سرعت آنها ارتباط دارد و این سرعت، متناسب با عامل پیدایش آنها، متغیر است. در صورتی‌که امواج الکتریکی ثابت بوده و سرعت آنها معادل سرعت نور است و اگر عدد 300 هزار کیلومتر، سرعت موج بر تعداد نوسانات آن؛ یعنی کیلوسیکل در ثانیه، تقسیم شود، طول آن معلوم می‌گردد.
کوتاه‌ترین امواج(کمتر از سه میلیارد میلی‌متر) که تواتر آنها بیش از ده هزار میلیارد میلیارد دور در ثانیه است، با اشعه‌ی گاما و اشعه کیهانی دیگر تطبیق می‌کنند و امواج، برابر با یک صدم تا یک میلیونیم میلی‌متر، با اشعه ایکس انطباق دارند. طول امواج اشعه نورانی رؤیت شدنی، بین 8 تا 4 ده هزارم میلی‌متر بوده و تواتر آنها بین 375 تا 750 هزار میلیارد دور در ثانیه است.
شایان ذکر است که طول امواج هرتزی مورد استفاده انسان، بیش از نیم میلی‌متر بوده و به 30 کیلومتر هم می‌رسد. تواتر این‌گونه امواج، بین هزار میلیارد تا ده هزار دور ثانیه متغیّر است.[4]
شیوه‌های انتشار امواج رادیویی
انرژی تابش امواج رادیویی، به یک یا چند شیوه از پنج شیوه گوناگون منتشر شده و به آنتن گیرنده؛ یا در مورد سیستم‌های پخش یا سیار، به آنتن‌های گیرنده خواهد رسید:
1. موج سطحی؛ در لبه‌ی پایین خود، با سطح زمینی تماس داشته و بنابراین می‌تواند انحنای زمین را طی مسیر خود تعقیب کند. از این موج، برای مخابرات جهان‌گستر در نوارهای V.I.F. و I.F. و برای پخش رادیویی در تارهای m.f. استفاده می‌شود.
2. موج آسمانی؛ این موج که از زمین به‌سوی جوّ است، در سیستم‌های مخابرات h.f. از جمله تلگراف، بی‌سیم دوربرد و پخش رادیویی استفاده می‌شود.
3. موج فضایی؛ این موج که برای سیستم‌های سیار مختلف که در نوارهای v.h.f و s.h.f. کار می‌کنند، سیستم‌های تلفنی چند کاناله و پخش رادیویی و تلویزیونی استفاده می‌شود و معمولاً دارای دو مؤلفه است: یکی به‌کمک یک تک‌بازتابش از زمین دور می‌شود و دیگری در یک خط تقریباً مستقیم بین آنتن‌های فرستنده و گیرنده سیر می‌کند.
4. استفاده از ماهواره‌ی‌مخابراتی؛ این روش که روش نسبتاً جدید است، از توانایی یک ماهواره مخابراتی واقع در مدار زمین بهره می‌گیرد.
5. پراکندن؛ این روش وقتی به‌کار می‌رود که سایر روش‌ها قابل دسترسی نباشد و از آن در نوار u.h.f برای تأمین شبکه‌هاب تلفنی چندکاناله استفاده می‌شود.[5]
طول امواج رادیویی
طول موج به فاصله بین دو قله متوالی موج (یا بین هر دو نقطه تکراری موج که شکل یکسان دارند)، گفته می‌شود و آن را با λ نشان می‌دهند. برای دو موجی که دارای سرعت یکسان باشند، موجی که دارای فرکانس بالاتری است، طول موج کوتاه‌تر دارد و موجی که فرکانس پایین‌تری دارد، طول موج بلندتری دارد.[6] به‌همین جهت امواج رادیویی به امواج بلند، متوسط، کوتاه و بسیار کوتاه تقسیم می‌شوند:
1. امواج بلند؛ طول امواج بلند که به امواج کیلومتری معروفند، بین 2000 تا 1052 متر است و شعاع عمل این امواج، به 500 تا 1000 کیلومتر می‌رسد. این امواج، بیشتر در سطح زمینی پخش شده و از امواج دیگر بسیار منظم‌تر هستند.
2. امواج متوسط(AM یا MW)؛ این امواج بین 571 تا 186 متر طول داشته و شعاع عمل آنها در روی دریا، بیشتر از روی زمین است. از این‌رو برای پوشش خارج از شهرها و مناطق جاده‌ای استفاده می‌شود.
3. امواج کوتاه(SW)؛ این امواج که دکامتری هم گفته‌شده‌اند، فاصله باریک بین 49، 41، 31، 25، 19، 16، 13 و 11 متر را فرا می‌گیرند و شعاع عمل آنها بر قشرهای یونی بالای جوّ بسیار زیاد است. این امواج هم در طول روز و هم شب قابل بهره‌برداری بوده و در تأمین تماس‌های رادیویی بین‌المللی در قاره‌های مختلف جهان نقش مهمی دارند؛ چراکه دارای برد بالایی می‌باشند.
4. امواج بسیار کوتاه(FM)؛ امواج بسیار کوتاه بین 3 تا 43/3 متر طول داشته و نسبت به پارازیت‌های مختلف حساسیّت بسیار کمی دارند. این نوع موج که برد کمی دارد، مناسب مناطق کم وسعت داخل شهری است؛ هرچند از کیفیّت صدایی بالایی برخوردار است؟
طیف فرکانس امواج رادیویی
طیف فرکانس امواج رادیویی، محدوده‌ای از فرکانس‌هاست، که برای ارتباط دو نقطه از فضا به‌کار می‌بریم. طرق مختلف انتشار امواج رادیویی به میزان زیادی به فرکانس آنها بستگی دارد و در هر روش و برای هریک از آنها طیف فرکانس خاصّی استفاده می‌شود. به‌طور کلی می‌توان گفت، طیف امواج الکترومغناطیسی، شامل فرکانس‌های بسیار پایین تا فرکانس‌های بسیار بالا است. این طیف، بسته به نوع و کاربرد، به نواحی مختلفی تقسیم می‌شود و طیف فرکانس امواج رادیویی، تنها ناحیه کوچکی از این طیف است؛ که برای انتقال علائم مختلف از طریق فضا، مورد استفاده قرار می‌گیرد.[7]