Основы ВЧ-технологий

Например, в бытовой электрической розетке напряжение и ток увеличиваются или уменьшаются по времени. Скорость нарастания и спада тока называется «частота». Частота описывает, сколько раз в секунду ток совершает полный цикл нарастания и спада до возврата на исходный уровень. Количество циклов в секунду измеряется в герцах. Например, если в течение одной секунды ток совершает четыре полных цикла, частота равна 4 Гц. В США электрические розетки, как правило, работают с частотой 60 Гц. Это означает, что ток совершает 60 циклов за одну секунду.

Переменный ток как генератор электромагнитных полей

При прохождении через проводник (например, провод или антенну) любой переменный ток создает электромагнитное поле, которое излучается в окружающее пространство. На очень низких частотах, таких как 60 Гц в электрической розетке, это электромагнитное поле имеет недостаточную интенсивность и не распространяется далеко от розетки.

Три основные области применения радиоволн

Существуют три основные области применения радиоволн. Первая область применения радиоволн — это нагревание объектов. Она включает в себя микроволновые печи, а также промышленное и медицинское оборудование.

Вторая область применения радиоволн — это измерение и обнаружение объектов. Для этого передаются радиоволны, и на основе полученных радиоволн определяются характеристики объектов, от которых они отражаются.

А самой известной областью применения является передача информации. Радио- и телевещание стали одной из первых областей применения радиоволн в целях передачи звуковой и визуальной информации. Свойства радиоволн составляют основу современных технологий передачи данных, таких как Wi-Fi, мобильная связь и Bluetooth. Кроме того, возможность передачи информации в космическом пространстве очень важна для спутниковых приложений, включая GPS.

Применение радиоволн в целях нагревания объектов

Микроволновые печи иногда называются «магнетроном», т. к. они генерируют радиоволны с частотой ок. 2,5 ГГц. Этот диапазон частот также применяется в технологиях Wi-Fi и Bluetooth. Радиоволны проникают в продукты питания или жидкости и нагревают их за счет вибрации молекул (особенно молекул воды). При разогреве пищи в микроволновой печи не должно быть никаких металлических предметов, поскольку металл вызывает возврат ВЧ-излучения магнетрона обратно в электрические проводники. Вихревые токи в металле могут привести к искрению или возгоранию.

Кроме приготовления пищи, радиоволны также применяются в целях нагревания на промышленных предприятиях (например, пастеризация молока) и в медицинском оборудовании (разрушение раковых клеток, различные косметические процедуры и пр.).

Измерение объектов посредством радиоволн

Типичным примером измерения объектов посредством радиоволн служат радары. Существуют разнообразные области применения радаров, в число которых входят обнаружение самолетов и кораблей и измерение скорости движения автомобиля. Еще одним примером применения радиоволн в измерительных целях являются сканеры индивидуального досмотра, которые заменили собой металлоискатели в большинстве аэропортов. Некоторые типы датчиков движения в системах сигнализации также работают на основе радиоволн. Менее известным способом применения радиоволн в измерительных целях являются измерения материалов. Радиоволны позволяют определять характеристики материала без его разрушения и таким образом, например, проверять живую ткань на наличие раковых клеток или контролировать деревья на наличие гнили и вредителей.

Передача информации посредством радиоволн

В современном мире радиоволны широко применяются в целях беспроводной передачи информации, т. е. по эфиру. Для передачи информации посредством радиоволн необходимо изменить одно или несколько свойств генерируемого электромагнитного поля, и этот процесс обозначается как «модуляция».

Самым простым способом изменения электромагнитного поля является его включение и выключение, и именно так устроен код Морзе. Краткое включение сигнала соответствует точке, а более длительное включение соответствует тире. Следующим шагом после простого включения и выключения становится амплитудная модуляция (АМ), при которой изменяется амплитуда ВЧ-сигнала и таким образом передается информация. В частотной модуляции (ЧМ) изменяется частота ВЧ-сигнала в зависимости от передаваемой информации.

АМ и ЧМ применяются в основном для модулирования аналоговых сигналов, например в радиовещании. Для передачи информации в цифровом виде требуются более сложные виды модуляции, в которых одновременно изменяются амплитуда и фазовый или частотный сдвиг ВЧ-сигнала.

Частоты радиоволн

Понятие «радиоволны» охватывает очень широкий диапазон частот, при этом конкретные частоты в значительной степени зависят от области применения.

Снижение частоты вызывает два эффекта. Во-первых, излучаемые радиоволны распространяются на более дальние расстояния. Во-вторых, низкочастотные сигналы более легко проникают внутрь или проходят через объекты. Для высоких частот действует противоположное утверждение. Радиостанции с АМ работают на частотах в несколько сотен кГц, а радиостанции с ЧМ используют частоты ок. 100 МГц, поскольку эти относительно низкочастотные сигналы можно передавать на множество километров и принимать внутри зданий.

Wi-Fi работает на частоте 2,4 ГГц или 5 ГГц, что в 25–50 раз превышает частоты радиостанций с АМ и ЧМ. Одна из причин использования таких высоких частот заключается в том, что для сигналов Wi-Fi не требуется передача на большие расстояния, т. к. одна точка доступа является источником помех для всех других точек доступа. Сигналы Wi-Fi, как правило, не покидают пределы квартиры или офиса.

В большинстве стран мира разрешение на использование определенной частоты или диапазона частот выдается правительственными или регулирующими органами. В США это Федеральная комиссия по связи (FCC). Приобретение лицензии на использование определенных частот обычно связано с существенными затратами. Например, операторы сотовых сетей платят миллиарды долларов за исключительное право на использование определенных частот.

Безопасность радиоволн

Излучаемая энергия, т. е. рентгеновское излучение, гамма-излучение и ультрафиолетовое или УФ-излучение, представляет собой ионизирующее излучение. Это означает, что данная энергия способна отделять электроны от атомов или молекул (в т. ч. ДНК) и напрямую вызывать некоторые виды рака и прочие заболевания.

Радиоволны являются неионизирующим излучением, поскольку они не отделяют электроны от атомов или молекул. Это не значит, что радиоволны абсолютно безвредны. Они могут вызывать нагревание, а очень сильные радиоволны способны разрушать живую ткань. Однако отсутствуют убедительные доказательства того, что при обычных обстоятельствах и стандартных уровнях мощности радиоволны представляют серьезную угрозу для живых существ. Тем не менее при работе с передатчиками высокой мощности необходимо соблюдать осторожность и учитывать законодательные и отраслевые предписания касательно радиочастотного облучения.