Wysyłanie i odbiór fal radiowych

Fale radiowe są formą promieniowania elektromagnetycznego. Teorię przewidującą i objaśniającą własności fal elektromagnetycznych stworzył James Clerk Maxwell. Poprawności wyliczeń Maxwella dowiodły prace eksperymentalne przeprowadzone w latach 80.XIX wieku przez Niemca Henryka Hertza.

W 1887roku Hertz zademonstrował publicznie nadawanie i odbiór fal elektromagnetycznych. Jego nadajnik wytwarzał prąd elektryczny, którego kierunek przepływu zmieniał się gwałtownie przy przeskoku iskry między elektrodami. Szybko zmienny prąd elektryczny zmuszał dwie płyty do emitowania fal radiowych, które były natychmiast rejestrowane przez Hertza za pomocą oddalonego o 3m odbiornika. Składał się on z pętli drutu z przerwa pomiędzy końcami.

Połączenia międzykontynentalne
Badania rozpoczęte przez Hertza były kontynuowane przez wielu naukowców i inżynierów z całego świata. Najbardziej zasłużył się w dziedzinie radiofonii Włoch Guglielmo Marconi. Do 1899 roku Marconiemu udało się uzyskać łączność na dystansie około 50km, tak więc połączenie radiowe Wielkiej Brytanii z Francją kanałem La Manche przestało być problemem. Lecz jego triumf nadszedł w grudniu 1901 roku, gdy fale radiowe przeleciały ponad Atlantykiem. Odbiornik ustawiony w St, John na Nowej Fundlandii odebrał sygnał nadany z Poldhu w Kornwalii. Miejsca te dzieliła odległość ponad 3000km. W rezultacie aparatura radiowa zaczęła być instalowana na wielu statkach, dzięki czemu mogły one pozostawać w łączności z lądem i wzywać pomocy w razie niebezpieczeństwa.

Rodzaje modulacji
Stacje nadające w paśmie fal długich i średnich używają do transmisji modulacji amplitudowej. Oznacza to, że sygnał modulujący zmienia amplitudę fali nośnej. Tak nadawane sygnały są zniekształcane przez burze i oddziaływanie różnych elektrycznych urządzeń domowych. Dzieje się tak ,gdyż urządzenia te również emitują słabe fale elektromagnetyczne zniekształcające amplitudę fali nośnej, w rezultacie opór audycji jest zwykle mocno zniekształcony szumami. Wad tych pozbawiona jest w dużej mierze technika modulacji częstotliwości (FM), w której sygnał dźwiękowy jest wykorzystywany do zmieniania w pewnym zakresie częstotliwości fali nośnej. Odbiorniki FM są konstruowane do rejestracji zmian częstotliwości, a nie amplitudy i większość szumów nie jest przez nie wykrywalna, nie wpływając w ten sposób na jakość odbioru. Niedogodnością jest jednak to, że stacja nadająca w tej technice musi zajmować stosunkowo szerokie pasmo częstotliwości i pracować w zakresie fal ultrakrótkich (UKF).

Transmisje radiowe
Technologia elektroniczna potrzebowała czasu, aby się rozwinąć i upowszechnić, poza tym pierwsze lampy elektronowe były stosunkowo drogie. Gdy w latach dwudziestych XX wieku rozpoczęto nadawanie audycji radiowych, ludzie słuchali ich za pomocą słuchawek podłączonych bezpośrednio do odbiornika kryształowego. Wewnątrz słuchawek elektromagnes, zasilany energią fali radiowej, powodował drgania cienkiej metalowej płytki zwanej diafragmą, które to drgania wytwarzały dźwięki. Większość odbiorników tego typu rozdzielała dźwiękową falę modulującą od fali nośnej za pomocą kryształu galeny i zaostrzonego drutu, Gdy drut ustawiono odpowiednio pod względem kryształu, tak aby miał z nim kontakt, całość tworzyła prostą diodę prostowniczą, która pozwalała na przepływ prądu tylko w jednym kierunku. Jeśli przepuścić odbierany sygnał radiowy bezpośrednio przez słuchawki, to nie otrzymalibyśmy żadnego dźwięku. Diafragma nie jest bowiem w stanie poruszać się zgodnie z częstotliwością fal radiowych.

Odbiorniki kryształowe zapewniają zupełnie przyzwoitą jakość odbioru, a poza tym były bardzo wygodne, gdyż nie
wymagały żadnego źródła czy to sieciowego, czy bateryjnego. Do wytwarzania dźwięku używały energii fali radiowej chwytanej przez antenę. Jednak powodowało to, że aby móc słuchać oddalonych stacji o słabym sygnale, należało używać bardzo długich anten. Inna wadą takiego typu odbiorników była rozdzielczość

FALE RADIOWE
Fale radiowe, a właściwie fale elektromagnetyczne, o dł. 10–4–105 m (odpowiada im częstotliwość 3 · 1012–3 · 103 Hz). Tradycyjnie dzielą się na fale radiowe długie 1–100 km, średnie 100–1000 m, krótkie 10–100 m, ultrakrótkie 1–10 m i mikrofale 10–4–1 m.

WYKORZYSTANIE:
Fale elektromagnetyczne są nośnikiem energii elektrycznej. Są wykorzystywane w łączności radiowej, radiofonii, telewizji, radiolokacji, radioastronomii, spektroskopii i badaniach nieniszczących, grzejnictwie indukcyjnym, medycynie.

Źródłami fal radiowych są prądy wielkiej częstotliwości, płynące w antenach urządzeń nadawczych, radioźródła. Fale radiowe mogą rozchodzić się w przestrzeni w sposób swobodny lub być prowadzone w falowodach; rozchodząc się ulegają odbiciu, załamaniu, ugięciu, rozproszeniu i pochłanianiu.

Na propagację (rozchodzenie się) fal radiowych w warunkach ziemskich mają wpływ: powierzchnia ziemi, troposfera i jonosfera. Ze względu na sposób propagacji rozróżnia się fale:
- przyziemne - rozchodzące się w pobliżu powierzchni ziemi jako fale powierzchniowe oraz nad powierzchnią ziemi jako fale nadziemne
- troposferyczne - rozchodzące się w troposferze
- jonosferyczne - odbite od jonosfery

Prędkość rozchodzenia się fali jest zależna od rodzaju zjawiska okresowego i środowiska. Przyjmuje się że fale elektromagnetyczne rozchodzą się z prędkością światła
c=300 000 000 m/s. Mogą się rozchodzić w próżni, gazach, cieczach i ciałach stałych (z wyjątkiem metali). Ich częstotliwość jest narzucona przez źródło (generator) i w drodze nie ulega zmianie.
*****
Aby móc przesłać dźwięk drogą radiową musimy mieć nadajnik i odbiornik fal elektromagnetycznych. W mikrofonie dźwięk zamieniany jest na sygnał elektryczny odpowiadający fali akustycznej. Urządzenie zwane modulatorem nakłada go na falę nośną tworząc tzw. Sygnał zmodulowany, który w postaci fali radiowej wysyłany jest w przestrzeń i dociera do odbiorników radiowych.
W antenach odbiorników fale te pobudzają elektrony fal elektrycznych o takich samych częstotliwościach jak fala radiowa.
W odbiorniku znajduje się demodulator, który oddziela sygnał modulujący (ten z mikrofonu) od fali nośnej. Po wzmocnieniu sygnał ten wprawia w ruch membranę głośnika, która pobudza do drgań cząsteczki powietrza.
Wytworzona w ten sposób fala dźwiękowa pozwala nam zdalnie uczestniczyć w koncercie trwającym w studiu radiowym.
Podobnie przesyłany jest dźwięk i obraz ze studia telewizyjnego.
Sygnał modulujący jest jednak bardziej złożony gdyż są w nim również informacje o jasności i kolorze punktów wyświetlanych potem kolejno na ekranie telewizora.
Dzięki bezwładności naszego wzroku punkty te postrzegany jako jeden obraz.
Odświeżany jest on 50 razy na sekundę za każdym razem pokazywana jest kolejna faza ruchu.