Radiovågor

Radiovågor omfattas inom radiofrekvent strålning som är en icke-joniserande strålning. Radiovågor är till större delen skapad på konstgjord väg. De används inom trådlös kommunikation och de kallas ofta radiofrekvens-signaler eller RF signaler. En RF-signal börjar som en elektrisk växelströmssignal (AC) som ursprungligen genereras av en sändare. Denna AC-signal sänds via en kopparledare (typiskt en koaxialkabel) och utstrålas ur en antenn i form av en elektromagnetisk våg. Denna elektromagnetiska våg är den RF-signalen.

Bild 1: Trådlösa signaler

Förändringar av elektronflöde i en antenn (strömflöde) ger förändringar i de elektromagnetiska fälten runt antennen. En växelström är en elektrisk ström med en magnitud och riktning som varierar cykliskt, i motsats till likström, vars riktning förblir i konstant form. AC-signalens form definieras som en sinus våg.

Bild 2: Representation av vågor

En RF-signal strålar bort från antennen i ett kontinuerligt mönster som styrs av vissa egenskaper, såsom våglängd, frekvens, amplitud och fas. Dessutom kan dessa elektromagnetiska signaler resa genom medium av olika materia, inklusive i ett perfekt vakuum. När en RF-signal reser genom ett vakuum rör den sig vid ljusets hastighet, vilket är 299 792 458 meter per sekund eller 300 000 000 meters per sekund.

Våglängd

En RF-signal i form av en växelström ändrar kontinuerligt mellan positiv och negativ spänning. En våglängd är avståndet mellan de två successiva toppar eller två på varandra följande dalar av ett vågmönster. Med andra ord är en våglängd det avstånd en RF-signal faktiskt färdas under en och samma tidsperiod.

Bild 3: RF signalers våglängd

Det är väldigt viktigt att förstå att det finns ett omvänt förhållande mellan våglängd och frekvens. En förenklad förklaring är att ju högre frekvens, desto kortare våglängd eller lägre frekvens desto längre våglängd. Till exempel:

  • 300 GHz till 430 THz ger 700 till 380 nm våglängd
  • 30 KHz till 3 GHz ger 1 km till 10 cm våglängd

Följande referensformler illustrerar förhållandet: λ = c / f och f = c / λ.

  • Frekvens, ( f, uppmätt i Hertz eller Hz)
  • våglängd (λ, Mätt i meter eller M)
  • ljusets hastighet (c, vilket är ett konstant värde av 300 000 000 m / sek )
  • Vid beräkningar av våglängder används ljusets hastighet avrundat till 300 000 km per sekund och frekvenser i kHz (per sekund). Det ger våglängden i m

Exempel 1:

Vilken våglängd motsvarar 2310 kHz?

\lambda =\frac{c}{f}=\frac{300 000 000 \frac{m}{s}}{2 310 000 Hz}=\frac{3,0*10^{8}}{2,31*10^{6}}*\frac{m}{s}*\frac{s}1{}=\frac{3,0*10^{8}}{2,31*10^{6}}m

 

\lambda =\frac{3,0*10^{8}*10^{-6}}{2,31}m=\frac{3,0*10^{2}}{2,31}m=\frac{300}{2,31}m\approx 129,9m

Exempel 2:

En AM radiostationen i Atlanta (USA) sänder RF-signaler vid 750 kHz. Vilken våglängd har de RF-signalerna?

  • f = 759 kHz
  • c = 300 000 km/s

\lambda =\frac{300000}{750}=400 m

Exempel 3:

Vilken våglängd har WiFi signaler vid 2,4 och 5 GHz?

  • f = 2,4 GHz = 2400 000 kHz
  • f = 5 GHz = 5000 000 kHz
  • c = 300 000 km/s

\lambda =\frac{300000}{2400000}=0,125 m = 12,5 cm

\lambda =\frac{300000}{5000000}=0,06 m =6,0 cm

RF-signaler vid 2,4 GHz har en våglängd på 12,5 cm och vid 5 GHz en våglängd på 6,0 cm

Exempel 4:

Vissa satellitsignaler har frekvenser nära 252 GHz. Vilken våglängd har dessa satellitsignaler?

  • f = 252 GHz = 252 000 000 kHz
  • c = 300 000 km/s

\lambda =\frac{300000}{252000000}= 0,00119 m \approx 1,2 mm

Frekvens

Frekvens är det antal gånger en specifik händelse inträffar inom ett bestämt tidsintervall. En standardmätning av frekvens är hertz (Hz), som namnges efter den tyska fysikern Heinrich Rudolf Hertz. En händelse som inträffar en gång per sekund har en frekvens på 1 Hz. En händelse som inträffar 325 gånger per sekund mäts som 325 Hz.

För att underlätta arbetet med mycket stora frekvenser kan appliceras lämpliga prefix:

  • 1 hertz (Hz) = 1 period per sekund
  • 1 kilohertz (KHz) = 1 000 perioder per sekund
  • 1 megahertz (MHz) = 1 00 000 perioder per sekund
  • 1 gigahertz (GHz) = 1 000 000 000 perioder per sekund
  • 2.4 GHz radiovågor oscillerar 2.4 miljarder gånger per sekund.

1 Hz = en radiovåg/oscillation per sekund och 1 KHz = 1000 radiovågor/oscillationer per sekund.

Radiofrekvensintervaller

Frekvensintervallet mellan 3 kHz och 300 GHz är känd som radiofrekvens, eller bara RF. Som radiofrekvenser inkluderas flera olika typer av radiokommunikation såsom lågfrekvens radio, AM radio, kortvåg radio, television, FM radio, mikrovåg, och radar.

Bild 4: Radiofrekvens

Frekvensband

Eftersom flera frekvenser oftast används med samma syfte brukar man definiera dessa frekvenser som en band av frekvenser eller frekvensband. Till exempel frekvensintervallet från 530 kHz till 1710 kHz används för AM radiostationer därmed definieras frekvensintervallet som AM band eller AM broadcast band.

Ett annat exempel är wireless LAN frekvensintervallet från 2 400 till 2 483 GHz som är känd som 2,4 GHz band, även om det inte inkluderas hela frekvensintervallet mellan 2,4 och 2,5 GHz. Den andra wireless LAN känd som 5-GHz band utsträcker sig mellan 5 150 och 5 825 GHz. I det intervallet finns egentligen fyra:

  • 5 150 till 5 250 GHz
  • 5 250 till 5 350 GHz
  • 5 350 till 5470 GHz Det kan regleras senare, används inte annars
  • 5 470 till 5 725 GHz
  • 5 725 till 5 825 GHz

Kanaler

En frekvensband (en samling av flera frekvenser) kan delas upp i flera kanaler. Varje kanal identifieras med ett nummer och tilldelas ett frekvensintervall inom samma band. Till exempel 2.4 GHz band delas i 14 kanaler och varje kanal får ett visst frekvensintervall

Bild 5: 2,4 GHz band och dess kanaler

Observera att varje kanal tilldelas en specifik frekvens ifrån varandra, varför det mellanrum? Signalerna är som starkast just i mitten av mellanrummet och inte i kanterna, se bilden nedan:

Bild 6: Mittfrekvens

Ideellt ska signalens bandbredd bredda sig mindre än själva kanalen så att signalerna inte trampar på varandra, se bilden nedan:

Bild 7: Signalens bandbredd mindre än kanalbredd

Men i verkligheten överlappar trådlösa signaler med varandra eftersom varje signal egentligen utsträcker sig genom fyra kanaler! Studera bilden nedan där två signaler överlappar varandra:

Bild 8: Signalers överlapp

Amplitud

En annan egenskap hos en RF-signal är amplituden. Beskriven med enkla ord så är det signalens styrka eller kraft. När man talar om trådlösa transmissioner refereras det ofta till hur hög eller stark signalen är. När man tittar på en RF-signal med ett oscilloskop representeras amplituden av sinus vågens positiva toppar och negativa dalar.

Bild 9: RF signalers amplitud

I bilden ovan kan du se att λ representerar våglängden och a representerar amplituden. Den första signalens topp och dal har större magnitud således högre amplitud än den andra signalen.

När man diskuterar signalstyrka i ett WLAN kallas radiovågornas amplitud vanligtvis som antingen sändningsamplitud eller mottagningsamplitud. Sändningsamplituden är den styrka i watt som signalen har när den lämnar radiosändaren. Om du till exempel konfigurerar en åtkomstpunkt (AP) för att sända vid 50 milliwatt (mW), är detta sändningsamplituden.

Kablar och kontakter dämpar sändningsamplituden medan de flesta antenner förstärker sändningsamplituden. När en radiomottagare mottar en RF-signal kallas den mottagna signalstyrkan oftast för mottagningsamplitud.

Olika typer av RF-tekniker kräver varierande grader av sändningsamplituder. AM-radiostationer kan överföra smala bandsignaler med så mycket effekt som 50 000 watt. Radiosignaler som används i de flesta inomhus 802.11 åtkomstpunkter (Access Points) har ett sändningsområde mellan 1 mW och 100 mW.

Fas

Bild 10: RF signal fas

Fas är inte bara en egenskap av en RF-signal utan ett förhållande mellan två eller flera signaler som delar samma frekvens. Fasen involverar förhållandet mellan amplituden i toppen och dalen hos två vågor. Fas kan mätas i avstånd, tid eller grader. Om topparna hos två signaler med samma frekvens är samtidigt i exakt samma inriktning sägs de vara i fas. Omvänt, om toppar av två signaler med samma frekvens inte är i exakt samma inriktning samtidigt sägs de vara ur fas. Bild 11 illustrerar detta koncept.

När flera RF signaler tas emot är det viktig att förstå ändringar i signalernas amplituder när de är i fas eller ur fas. Signaler som är i fas kombinerar faktiskt deras amplitud vilket resulterar i mycket större signalstyrka.

Om två RF-signaler är 180 grader ur fas avbryter de varandra och den effektiva signalstyrkan är noll. Det innebär att signalernas fas har en kumulativ effekt.
Fasskillnaden mellan två signaler är mycket viktig för att förstå effekterna av ett RF-fenomen som kallas multipath.

Radiovågors fysikaliska egenskaper