Radioaallot

Radioaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja, joiden taajuusspektri on määrittelijästä riippuen 30– hertsistä noin 300–3 000 gigahertsiin (GHz) ja aallonpituus millimetreistä kymmeniin tuhansiin kilometreihin. Periaatteessa radioaaltoja ovat kaikki tätäkin pidemmät (pienitaajuisemmat) sähkömagneettiset aallot.

Radioaallot eivät ole vain ihmisen tuottamia radiolähetysten lähetysaaltoja, sillä radioaaltoja on ympärillämme myös luonnostaan: kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttista nollapistettä korkeampi, emittoivat radioaaltoja.

Luonnolliset säteilylähteet, kuten salamat, Aurinko ja pulsarit – kuten myös ihmiskeho – tuottavat radiotaajuusalueen sähkömagneettista säteilyä.

Sähkömagneettinen säteily yleisesti 

Sähkömagneettisen säteilyn yksittäisen kvantin eli fotonin energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen ja kääntäen verrannollinen aallonpituuteen.  
Kuiva ilma on radioaalloille käytännössä tyhjiöön verrattava väliaine. Tyhjiössä sähkömagneettisen kentän energia jakautuu tasan magneetti- ja sähkökentän kesken. Se mikä ei ole vakio, on säteilyn intensiteetti, eli pinta-alayksikölle osuvan säteilynergian määrä aikayksikössä. Intensiteetti määritellään yleensä watteina yhden neliömetrin alalle.

Fotonin energia E määräytyy taajuudesta: , jossa h on Planckin vakio 6,626196 · 10-34 Js, ja f on taajuus. Fotonilla on myös liikemäärämomentti p, suuruudeltaan , missä λ on aallonpituus.

Sähkömagneettinen aalto hidastuu väliaineessa, jolloin sen aallonpituus lyhenee, mutta taajuus ja kvantin energia eivät muutu. Sähkömagneettisen aallon nopeus väliaineessa riippuu väliaineen suhteellisesta permeabiliteetista ja suhteellisesta permittiivisyydestä. Koaksiaalikaapelissa nopeus hidastuu noin 2/3:aan verrattuna valon nopeuteen tyhjiössä.

Sähkömagneettisen aallon nopeus tyhjiössä on valonnopeus, eli . Likiarvo  on usein riittävän tarkka moniin käytännön laskuihin. Aallonpituus saadaan jakamalla nopeus taajuudella. 300 MHz:n taajuudella aallonpituus on yksi metri: 300 106 m/s ÷ 300 106 Hz = 1 m. (Taajuuden yksikkö Hz = 1/s).

Radioaaltojen historiaa 

Radioaaltojen olemassaolon ennusti skotlantilainen matemaattinen fyysikko James Clerk Maxwell vuonna 1867. Katso Maxwellin yhtälöt.

Maxwellin teorian todisti oikeaksi Heinrich Hertz,  joka ei kuitenkaan nähnyt radioaalloilla mitään hyötypotenttiaalia.

Italialainen keksijä Guglielmo Marconi kehitti ensimmäiset käytännön radiolähettimet ja -vastaanottimet noin v. 1894–1895.

Pitkiä ja matalataajuisia 30–300 kilohertsin radioaaltoja käytettiin 1920- ja 1930-lukujen varhaisissa yleisradiolähetyksissä. Yleisradion radiolähetykset alkoivat 
vuonna 1926 ja TV-lähetykset 
vuonna 1955. Nykyisin yleisradiotoiminnassa käytetään yleisesti 87–108 megahertsin taajuisia radioaaltoja (Suomessa ja Länsi-Euroopassa 87,5–108 MHz).

Hyödyntäminen 

Lähes kaikki langattomat yhteydet perustuu radioaaltojen käyttöön. Radioaaltoja hyödyntäviä laitteita ovat muun muassa televisio, radio, WLAN- ja muut langattomat tiedonsiirtolaitteet, bluetooth-laitteet, langattomat kuulokkeet ja matkapuhelimet. Sen sijaan television kaukosäädin toimii pääsääntöisesti infrapuna-aaltoalueella.

Radioaalloilla voidaan välittää signaaleja radioaaltoa moduloimalla. Yksinkertaisin radiotoiminnassa käytettävä modulaatio on amplitudimodulaatio (AM) ja yleisin taajuusmodulaatio (FM).

Radiovastaanottimen pitää tukea lähetyksessä käytettyä modulaatiota kyetäkseen vastaanottamaan lähetystä.

Tuottaminen 

Katso: Radiolähetin

Radio(aalto)lähetin muodostaa käyttötarkoituksensa mukaisen (määrätaajuinen radioaalto (kantoaalto), mahdolliset apukantoaallot, informaatio, modulaatio ja teho) sähkömagneettisen kentän, jonka piirissä radioaallot ovat vastaanotettavissa.

Radioaaltoja voidaan lähettää eri polarisaatioilla, kuten esimerkiksi vaaka-, pysty- ja ympyräpolarisaatiolla. Lähetysantenni määrittää polarisaation. Vastaanottimen antenni pitää sovittaa lähetyksen polarisaatioon radioaaltojen mahdollisimman hyvän vastaanottamisen tukemiseksi.

Käytännössä radioaalto synnytetään johtamalla määrätaajuinen vaihtojännite antenniin, joka siirtää energian radioaaltoina etenevään sähkömagneettiseen kenttään.

Radioaaltojen eteneminen 

Radioaaltojen liikettä lähettimestä eteenpäin kutsutaan etenemiseksi. Tyhjiössä, johon mittatarkkuuden puitteissa voidaan lukea maan ilmakehä, ympärisäteilevän lähetysantennin kentän signaalin tehotiheys vaimenee verrannollisena etäisyyden neliöön lähetysantennista loitonnuttaessa, kun aallot leviävät yhä laajemmalle alueelle. Hukkatehoa voidaan minimoida suunta-antennilla.

Radioaaltojen etenemisnopeus riippuu väliaineesta. Tyhjiössä radioaallot etenevät valonnopeudella. Radioaallon aallonpituus saadaan jakamalla radioaallon etenemisnopeus sen taajuudella:

missä:
v on radioaallon etenemisnopeus (m/s) (tyhjiössä 299 792 458 m/s),
f on radioaallon taajuus (Hz).

Aallonpituus muutetaan taajuudeksi vastaavasti jakamalla etenemisnopeus aallonpituudella:

Radioaaltojen etenemisessä on kyse energian siirtymisestä paikasta toiseen sähkömagneettisen kentän värähtelyinä.

Kaikki radioaallot eivät etene samalla tavalla. Eritaajuisilla radioaalloilla on erilaiset etenemisominaisuudet maan ilmakehässä: pitkät aallot (, LW, 148,5–283,5 kHz) voivat hajaantua esteiden, kuten vuorten, ympäri ja seurata maan muotoa (maa-aallot). Keskipitkät aallot (, MW, 526,5–1 606,5 kHz) voivat heijastua ionosfääristä ja palata maahan horisontin ulkopuolelle (taivasallot), jopa toiselle puolelle maapalloa, kun taas lyhyet aallot (, SW, 2 300–26 100 kHz) taipuvat tai hajautuvat hyvin vähän ja kulkevat suoraviivaisesti, joten niiden etenemisetäisyydet rajoittuvat horisonttiin.

Ilmakehä on lähes läpinäkymätön radioaalloille noin 30 GHz:stä (10 mm) noin 20 terahertsiin (15 um) asti. Tämä johtuu radioaaltojen absorboitumisesta ilmakehän vesihöyryyn

Paikallisesti radioaaltojen etenemiseen vaikuttaa ilmasto, vuodenaika, vuorokaudenaika ja säätila kuten lämpötila, sade, kosteus, sumu, utu, tuuli ja pilvipeite. Vaikutus ei välttämättä ole negatiivinen. Niin sanotulla hyvällä radiokelillä kantamat voivat moninkertaistua. Myös keinovalaistuksella, pölyllä, kuin pilvikorkeudellakin voi tajuusalueesta riippuen olla etenemistä heikentävä vaikutus.

Vastaanottaminen 

Katso: Radiovastaanotin

Vastaanotossa otetaan vastaan radioaallon energiaa. Antenni on sovitin sähkömagneettisten aaltojen ja radiovastaanottimen virtapiirien välillä.

Radiovastaanottimen pitää tukea lähetystaajuutta ja lähetyksessä käytettyä modulaatiota kyetäkseen vastaanottamaan lähetyksiä.

Vastaanotossa saattaa olla tarpeen ottaa huomioon myös lähetetyn radioaallon polarisaatio vastaanoton varmistamiseksi. Tämä on lähes välttämätöntä maanpäällisiä TV-lähetyksiä vastaanotettaessa.

Termistöä 

Termistön lähteet
 radiokeli

Katso myös 
 Aallonpituus
 Aalto (fysiikka)
 Absorptio (sähkömagneettinen säteily)
 Albedo (heijastuskyky)
 Amplitudi
 Emissiivisyys
 Fotoni (sähkömagneettisen säteilyn välittäjähiukkanen)
 Gaussin laki sähkökentille
 Gravitaatiosäteily
Hertz, Heinrich
 Infrapunasäteily
 Intensiteetti
 Koherenssi (Koherentit aallot)
 Lorentzin voima (voima, jonka sähkömagneettinen kenttä aiheuttaa varattuun hiukkaseen)
 Lämpösäteily
 Marconi, Guglielmo
 Maxwellin yhtälöt (sähkömagneettisen kentän malli makroskooppisessa mittakaavassa)
 Maxwellin yhtälöt#Kenttien riippuvuudet väliaineissa
 Magneettikentän voimakkuus
 Magneettivuo
 Magneettivuon tiheys
 Magnetismi
 Mikroaallot
 Musta kappale
 Mustan kappaleen säteily
 Mustan kappaleen lämpö­säteilyn teho
 Tesla, Nikola
 Näkyvän valon spektri
 Optinen datansiirto vapaassa tilassa
 Permeabiliteetti (aineen (sähkö)magneettista käyttäytymistä kuvaava suure)
 Permittiivisyys (suure, joka kuvaa, miten sähkökenttä vaikuttaa väliaineeseen)
 Planckin laki
 Planckin vakio
 Polarisaatio (aaltoliikkeen värähtelysuuntien samankaltaisuus)
 Rayleigh’n–Jeansin laki
 Röntgensäteily
 Spektri
 Stefanin–Boltzmannin laki
 Sähkö (sähkövaraukseen liittyvä luonnonilmiö)
 Sähkökentän voimakkuus
 Sähkömagneettinen vuorovaikutus
 Sähkömagneettisen säteilyn ja aineen vuorovaikutus
 Sähkömagnetismi
 Sähkönjohtavuus (väliaineen johtavuus)
 Sähkövaraus
 Sähkövuo
 Sähkövuon tiheys
 Säätutka
 Säteilyn kulmataajuus
 Säteily (aallon eteneminen avaruudessa)
 Tutka
 Tšerenkovin säteily
 Ultraviolettisäteily
 Valo
 Wienin siirtymälaki
 Värähtely

Lähteet

Kirjallisuutta

Aiheesta muualla 

 Metsähovi : Sähkömagneettinen säteily

 Yle Areena : Mitä tarkoitetaan hyvällä radiokelillä?

 
Seulonnan keskeiset artikkelit

es:Radiofrecuencia