无线电波是什么?关于无线电波的详细介绍

创闻科学2020-11-16 15:46:10

无线电波是电磁波谱中波长比红外光长的一种电磁辐射。无线电波的频率最高可达300千兆赫,最低可达30赫兹。在300千兆赫时,相应的波长为1毫米,在30 Hz时为10,000公里。像所有其他电磁波一样,无线电波以光速传播。它们是由加速运动的电荷产生的,例如交变电流。自然产生的无线电波是由闪电和天文物体发出的。

无线电波由发射机人工产生,由无线电接收机使用天线接收。在现代技术中,无线电波非常广泛地用于固定和移动无线电通信、广播、雷达和其他导航系统、通信卫星、无线计算机网络和许多其他应用。不同频率的无线电波在地球大气中具有不同的传播特性;长波可以绕着像山脉这样的障碍物衍射,沿着地球的轮廓(地波)传播,短波可以被电离层反射,越过地平线返回地球(天波),而更短的电磁波弯曲或衍射很弱,在可视范围内传播,因此它们的传播距离被限制在可见的地平线内。

为了防止不同用户之间的干扰,无线电波的人工产生和使用受到法律的严格管制,由一个名为国际电信联盟(国际电联)的国际机构协调,该机构将无线电波定义为“频率任意低于3000千兆赫、在没有人工引导的情况下在空间传播的电磁波”。无线电频谱根据频率分成若干无线电波段,分配给不同的用途。

发现和探索

地球对不同波长电磁辐射(包括无线电波)的大气透射率(或不透明度)的粗略绘图。

无线电波最初由英国数学物理学家詹姆斯·克拉克·麦克斯韦在1867年所做的数学工作预测出来。麦克斯韦注意到光的波动性质与电学和磁学观测的相似性。他的数学理论,现在称为麦克斯韦方程,其将光波和无线电波描述为在空间中传播的电磁波,由带电粒子在加速时辐射产生。1887年,海因里希·赫兹在他的实验室实验性地产生无线电波,证明了麦克斯韦电磁波的真实性,证明电磁波可以表现出与光相同的波特性:驻波、折射、衍射和偏振。无线电波,最初被称为“赫兹波”,在19世纪90年代中期首次被古格里莫·马可尼用于通信,他开发了第一批实用的无线电发射机和接收机。现代术语“无线电波”在1912年左右取代了最初的名称“赫兹波”。

速度、波长和频率

半波偶极天线接收无线电波的动画。天线由两个连接到接收器r的金属棒组成。入射的电场(绿色箭头)来回推动金属棒中的电子,交替给正极(+)和负极(-)充电。由于天线的长度是波长的一半,振荡场在棒中感应出电压(V,由红色带表示)和电流的驻波。振荡电流(黑色箭头)沿着传输线流过接收器(由电阻R表示)。

无线电波在真空中以光速传播。当穿过物质介质时,它们会根据物体的磁导率和介电常数而变慢。空气足够稀薄,所以无线电波在地球大气中的传播速度非常接近光速。

波长是从波的电场的一个峰值(波的峰值/波峰)到下一个峰值的距离,并且与波的频率成反比。无线电波在真空中一秒钟传播的距离是299,792,458米(983,571,056英尺),这是1赫兹无线电信号的波长。1兆赫的无线电信号波长为299.8米(984英尺)。

传播

对无线电传播的研究,例如无线电波如何在自由空间和地球表面移动,在实际无线电系统的设计中至关重要。穿过不同环境的无线电波经历反射、折射、偏振、衍射和吸收。不同的频率在地球大气层中经历这些现象的不同组合,使得某些无线电波段比其他波段更适用于特定目的。实用的无线电系统主要使用三种不同的无线电传播技术进行通信:

  • 视线传播:指从发射天线到接收天线沿直线传播的无线电波。它不一定需要一条畅通的视线路径;在较低的频率下,无线电波可以穿过建筑物、树叶和其他障碍物。这是30 MHz以上频率下唯一可能的传播方法。在地球表面,视线传播被地平线限制在大约64公里(40英里)。这是手机、调频、电视广播和雷达使用的方法。通过使用碟形天线发射微波束,点对点微波中继链路将电话和电视信号远距离传输到可视地平线的距离上。地面站可以与距离地球数十亿英里的卫星和宇宙飞船通信。
    • 间接传播:无线电波可以通过衍射和反射到达视线以外的点。衍射允许无线电波绕着障碍物弯曲,例如建筑物边缘、车辆或大厅的转角。无线电波也可以从墙壁、地板、天花板、车辆和地面等表面部分反射。这些传播方法出现在短距离无线电通信系统中,例如手机、无绳电话、对讲机和无线网络。这种模式的缺点是多径传播,其中无线电波通过多条路径从发射天线传播到接收天线。电波干扰,经常导致衰减和其他接收问题。
  • 地波:在低于2兆赫的较低频率下,在中波和长波波段,由于衍射,垂直极化的无线电波可以弯曲越过山丘和山脉,传播到地平线以外,作为地面波沿着地球的轮廓传播。这使得中波和长波广播站可以覆盖地平线以外数百英里的区域。随着频率下降,损耗降低,可达到的范围增加。军用甚低频和极低频通信系统可以在地球的大部分地区进行通信,并且可以与水下数百英尺的潜艇进行通信。
  • 天波:在中波和短波波长,无线电波从大气层中称为电离层的带电粒子(离子)导电层反射出去。所以指向天空某个角度的无线电波可以越过地平线返回地球;这被称为“跳跃”或“空中”传播。通过使用多次跳跃,可以实现洲际距离的通信。天空传播是可变的,取决于大气条件;它在晚上和冬天最可靠。在20世纪上半叶被广泛使用,由于它的不可靠性,空中通信大部分被放弃了。剩余的用途是军事超视距(OTH)雷达系统、一些自动化系统、业余无线电爱好者和短波广播电台向其他国家广播。

无线电通信

在无线电通信系统中,信息通过无线电波在空间中传播。在发送端,无线电发射机将信息以时变电信号的形式发送。信息可以是来自麦克风的声音的音频信号、来自摄像机的运动图像的视频信号或者来自计算机的数据的数字信号。在发射机中,电子振荡器产生以射频振荡的交流电,称为载波,因为它用来通过空气“传送”信息。信息信号用于调制载波,改变载波的某些方面,将信息“携带”到载波上。调制载波被放大并传送到天线上。振荡电流来回推动天线中的电子,产生振荡电场和磁场,将能量以无线电波的形式从天线辐射出去。无线电波将信息传送到接收器位置。

在接收器处,输入无线电波的振荡电场和磁场来回推动接收天线中的电子,产生微小的振荡电压,该电压是发射天线中电流的较弱副本。该电压被施加到无线电接收器,接收器则提取信息信号。接收器首先使用带通滤波器将所需无线电台的信号与天线拾取的其他信号分离,然后放大信号使其更强,最后在解调器中提取承载信息的调制信号。恢复的信号被发送到扬声器或耳机以产生声音,或者发送到电视显示屏以产生可视图像,抑或发送到其他设备。数字数据信号被应用于与人类用户交互的计算机或微处理器。

来自许多发射机的无线电波同时通过空气,不会互相干扰。它们可以在接收器中分离,因为每个发射器的无线电波以不同的速率振荡,换句话说,每个发射器具有不同的频率,以千赫(kHz)、兆赫(MHz)或千兆赫(GHz)计。接收器中的带通滤波器由一个调谐电路组成,其作用类似于谐振器,类似于音叉。它有一个振荡的自然共振频率。谐振频率被设置为等于所需无线电台的频率。来自所需电台的振荡无线电信号使调谐电路产生共鸣振荡,并将信号传递给接收机的其余部分。其他频率的无线电信号被调谐电路阻断,无法传递。

生物和环境影响

无线电波是非电离辐射,这意味着它们没有足够的能量将电子从原子或分子中分离出来,电离它们,或者破坏化学键,导致化学反应或脱氧核糖核酸损伤。材料吸收无线电波的主要作用是加热它们,类似于空间加热器或木火等热源辐射的红外波。波的振荡电场使极性分子来回振动,从而提高温度;微波炉就是这样烹饪食物的。然而,与主要在物体表面被吸收并引起表面发热的红外波不同,无线电波能够穿透物体表面并将能量沉积在材料和生物组织内。无线电波穿透的深度随着其频率而减小,并且还取决于材料的电阻率和介电常数;它由材料趋肤深度给出,该深度是63%的能量吸收的深度。例如,微波炉中的2.45千兆赫无线电波(微波)穿透大多数食物,大约2.5至3.8厘米(1至1.5英寸)。100年来,无线电波在透热疗法中应用于身体,用于对身体组织进行深度加热,以促进血液流动和愈合。最近,它们被用于在热疗中创造更高的温度,并杀死癌细胞。近距离观察无线电波源,如工作中的无线电发射器的波导管,会因加热而损坏眼睛的晶状体。一束足够强的无线电波可以穿透眼睛,加热晶状体,导致白内障。

由于热效应原理上与其他热源没有什么不同,大多数关于暴露于无线电波可能对健康造成危害的研究都集中在“非热效应”上;除了加热引起的影响,无线电波是否对组织有任何影响。电磁辐射被国际癌症研究机构(IARC)归类为“可能对人类致癌”。我们已经找到了可以想见的长居,证明使用移动电话接触射频电磁场有癌症风险。

无线电波可以被导电金属片或屏蔽罩屏蔽,金属片或屏蔽罩被称为法拉第笼。只要屏蔽罩或金属片上的孔小于电波波长的1/20,它就能屏蔽无线电波。

测量

由于射频辐射既有电分量又有磁分量,所以用每个分量特有的单位来表示辐射场的强度通常是比较方便的。每米单位电压(伏/米)用于电气部件,每米单位安培(安/米)用于磁性部件。在讨论电磁场时,这些单位用于提供测量位置的电场和磁场强度水平的信息。

另一个常用的表征射频电磁场的单位,是功率密度。当测量点离射频发射器足够远以位于辐射图的远场区时,功率密度最为准确。靠近发射器,即在“近场”区域,场的电和磁分量之间的物理关系可能很复杂,最好使用上面讨论的场强单位。功率密度是以单位面积的功率来测量的,例如,毫瓦每平方厘米(毫瓦/平方厘米)。当谈到微波范围和更高的频率时,常用功率密度来表示强度,因为可能发生的曝光通常在远场区。