無線電

無線電長。無線電波的頻率範圍為300GHz以下，其對應的波長範圍為1毫米以上；即頻率介於300 GHz到3 kHz之間，但也有定義將任何1 GHz或3 GHz以上的電波劃為微波。當頻率在300 GHz時，無線電波對應的波長為；在3 kHz時，波長為。和其他電磁波一樣，無線電波也以光速行進。自然界中的無線電波，主要是由閃電或者宇宙天體形成。由人工產生的無線電波，被應用在無線通訊、廣播、雷達、通訊衛星、導航系統、電腦網路等應用上。無線電波由無線電發射器產生，並由無線電接收器使用天線接收。無線電波在現代技術中廣泛用於固定和移動無線電通訊、廣播、雷達和無線電導航、通訊衛星、無線計算機網路等。不同頻率的無線電波在地球大氣層中具有不同的傳播特性；長波可以在山脈等障礙物周圍衍射並隨地球表面進行傳播，而短得多的波長則很少彎曲或衍射並繼續以視線傳播，因此它們的傳播距離僅限於地平線。為了防止不同無線電臺之間的干擾，無線電波的人為操作行為受到法律的嚴格監管，由國際電信聯盟協調，該國際機構將無線電波定義為“在太空中傳播的頻率低於 3,000 GHz的電磁波”。 無線電頻譜根據頻率分為多個無線電頻段，分配不同的用途。無線電發射機，藉由交流電，經過振盪器，變成高頻率交流電，產生電磁場，而經由電磁場可產生無線電波。無線電波像磁鐵，有同性相斥、異性相吸的現象。同類電子會互相排斥，因此當無線電波射出時，會將前方電波往前推，當連續電波一直射出來時，電波就會在空氣中傳播。無線電技術是透過無線電波傳播訊號的技術，其原理在於，導體中電流強弱的改變會產生無線電波。利用這一現象，透過調製可將資訊載入於無線電波之上。當電波透過空間傳播到達收信端，電波引起的電磁場變化又會在導體中產生電流。透過解調將訊息從電流變化中提取出來，就達到了資訊傳遞的目的。麥克斯韋最早在他遞交給英國皇家學會的論文《電磁場的動力理論》中闡明瞭電磁波傳播的理論基礎。他的這些工作完成於1861年至1865年之間。海因裡希·魯道夫·赫茲在1886年至1888年間首先透過試驗驗證了麥克斯韋爾的理論。他證明瞭無線電輻射具有波的所有特性，並發現電磁場方程可以用偏微分方程表達，通常稱為波動方程。1906年聖誕前夜，範信達在美國麻薩諸塞州採用外差法實現了歷史上首次無線電廣播。範信達廣播了他自己用小提琴演奏「平安夜」和朗誦《聖經》片段。位於英格蘭切爾姆斯福德的馬可尼研究中心在1922年開播世界上第一個定期播出的無線電廣播娛樂節目。發現和利用.1867 年，蘇格蘭數學物理學家 詹姆斯·克拉克·麥克斯韋在數學理論上首次預測了無線電波。 他的數學理論，現在稱為麥克斯韋方程組，預測耦合的電場和磁場可以作為“電磁波”穿過空間。麥克斯韋提出光是由波長很短的電磁波組成的。 1887 年，德國物理學家海因裡希·赫茲 (Heinrich Hertz ) 在他的實驗室中透過實驗產生無線電波證明了麥克斯韋電磁波的真實性， 表明它們表現出與光相同的波特性：駐波、折射、衍射和偏振。義大利發明家古列爾莫·馬可尼在 1894-1895 年左右開發了第一臺實用的無線電發射器和接收器。他因無線電獲得了 1909 年的諾貝爾物理學獎。無線電通訊在 1900 年左右開始在商業上使用。現代術語“"無線電波"”在 1912 年左右取代了原來的名稱“"赫茲波"”。無線電通訊的發明.關於誰是無線電通訊的發明人還存在爭議，由於定義不同，英國、法國、俄國都有其說法，但一般定義為完整系統的開發者，對此一般都認為是義大利人及諾貝爾獎得獎人馬可尼。#重定向1893年，尼古拉·特斯拉在美國密蘇裡州聖路易斯首次公開展示了無線電通訊。在為「費城佛蘭克林學院」以及全國電燈協會做的報告中，他描述並演示了無線電通訊的基本原理。他所製作的儀器包含電子管發明之前無線電系統的所有基本要素。亞歷山大·波波夫於1895年5月7日他在彼得堡物理和化學協會物理學部年會上演示了他製成的一架無線電接收裝置－雷電指示器，這一天後來被俄羅斯定為“無線電日”慶祝。俄羅斯人認為他才是無線電的發明人。古列爾莫·馬可尼擁有通常被認為是世界上第一個無線電技術的專利，英國專利12039號，「電脈衝及訊號傳輸技術的改進以及所需裝置」。1898年，馬可尼在英格蘭切爾姆斯福德的霍爾街開辦了世界上首家無線電工廠，僱傭了大約50人。收發機制.用於遠端通訊的無線電系統通常包含以下的部件。無線電技術經過100多年的發展，這些收發機制的實現方法已經變得多種多樣，而現代的工程師可以根據實際需求選擇最優的方法。調製和發射器.每個無線電系統都具有發射器。發射器的功能藉由能夠製造出所需振盪頻率的交流電源所實現。發射器含有用於調製的系統。其功能是將電源輸送來的訊號加以修改，並藉此傳遞資訊。最簡單的調製方法是不時地切斷電源，正如拍電報時發報員的工作。這種簡單的調製，手工就能完成。而現代無線電通訊所需的複雜調製則涉及到許多交流電屬性的細微調整，如振幅、頻率和相位。載波調幅藉由調整訊號振幅，使之與所要傳遞的訊號的變化相同步，而傳送訊息。例如，訊號強弱可用於描述話筒傳出的聲震動情況，或者用於確定電視熒幕上某個畫素的熒光情況。世界上首個聲訊電臺採用的便是此種調製方式，而時至今日它仍被廣泛使用。"AM"目前常用於指中波廣播電臺。如右圖所示，在調幅這種調諧方式下，所產生的電磁波頻率並不隨時間推移而發生變化。調頻則是透過調整載波的頻率來達到送信的目的。這種情況下，載波的瞬時頻率同步於所傳遞的訊號的瞬時頻率。數位訊號的傳遞可以藉由將載波在數個離散的頻率間切換來實現。此技術被稱為頻率偏移調變。FM現時常指甚高頻高保真廣播。無線電視的音軌訊號也是透過超高頻通道傳送的。天線.天線可以將電流轉換為無線電波，也可以將無線電波轉換為電流。常配合傳送器或接收器一起使用。在傳輸時，傳送器會產生震盪的無線電頻率電流到天線上，而天線會產生電磁輻射。在接收時，天線會拮取電磁波的部份能量，產生微小的電壓，再透過接收器放大。天線可以用來傳送及接收的用途。傳播.電磁波產生後，可以在空間中直接傳播，但其路徑也可能被反射、折射及繞射等影響。電磁波的強度會因幾何距離而變小。雜訊也可能因為裝置本身的特性而產生，如果雜訊的強度太大，就無法分辨電磁波中的訊號及雜訊，這也是無線電通訊的基本限制諧振.無線電中的諧振電路可以選擇接收特定頻段的訊號。諧振電路可以只針對特定頻率的訊號有較大的響應，對其他特定頻率訊號的響應會較小，因此無線電接收器可以區分不同頻率下的訊號。接收器和解調.電磁波可以用調諧過的天線接收其訊號。天線可以拮取一些電磁波的能量，變成電路中的諧振電流。接收器可以將電流解調，轉換成可用的的訊號。接收器一般也會到可以接收特定頻段的訊號，拒絕其他頻段的訊號。早期的無線電系統只靠天線拮取到的能量來產生訊號。後來發明瞭像真空管及電晶體等電子裝置，可以將微弱的訊號放大，因此無線電就更為普及。無線電的應用包括無線對講機、兒童的玩具、到無人行星探測任務先鋒計劃的控制，也包括廣播及其他的應用。無線電接收機從天線中接收訊號，利用電子濾波器從天線接收到的訊號中分離出想要的訊號，再利用放大器將訊號放大到適合後續處理的準位，最後將訊號轉換為使用者需要的形式，例如聲音、影像、數位資料、量測值及導航的位置等。無線電頻段.無線電的頻率範圍從數Hz到300GHz，不過商業上重要的無線電頻段只佔其中的一小部份。其他頻率超過無線電的電磁波包括微波、紅外線、可見光、紫外線、X光及伽馬射線。由於無線電頻率範圍內的光子能量太小，無法遊離原子中的電子，因此無線電歸類為非遊離輻射。無線電的用途.無線電的最早應用於航海中，使用摩爾斯電報在船與陸地間傳遞資訊。現在，無線電有著多種應用形式，包括無線資料網，各種行動通訊以及無線電廣播等。以下是一些無線電技術的主要應用: