Свойства радиоволн

Электромагнитная безопасность[править]

Излучения электромагнитного диапазона при определённых уровнях могут оказывать отрицательное воздействие на организм человека, животных и других живых существ, а также неблагоприятно влиять на работу электрических приборов. Различные виды неионизирующих излучений (электромагнитных полей, ЭМП) оказывают разное физиологическое воздействие. На практике выделяют диапазоны магнитного поля (постоянного и квазипостоянного, импульсного), ВЧ- и СВЧ-излучений, лазерного излучения, электрического и магнитного поля промышленной частоты от высоковольтного оборудования, СВЧ-излучения и др..

Влияние на живые существаправить

Существуют национальные и международные гигиенические нормативы уровней ЭМП, в зависимости от диапазона, для селитебной зоны и на рабочих местах.

Оптический диапазонправить

Существуют гигиенические нормы освещённости; также разработаны нормативы безопасности при работе с лазерным излучением.

Радиоволныправить

Допустимые уровни электромагнитного излучения (плотность потока электромагнитной энергии) отражаются в нормативах, которые устанавливают государственные компетентные органы, в зависимости от диапазона ЭМП. Эти нормы могут быть существенно различны в разных странах.

Нахождение в зоне с повышенными уровнями ЭМП в течение определённого времени приводит к ряду неблагоприятных последствий: наблюдается усталость, тошнота, головная боль. При значительных превышениях нормативов возможны повреждение сердца, мозга, центральной нервной системы. Излучение может влиять на психику человека, появляется раздражительность, человеку трудно себя контролировать. Возможно развитие трудно поддающиеся лечению заболеваний, вплоть до раковых. В частности, корреляционный анализ показал прямую средней силы корреляцию заболеваемости злокачественными заболеваниями головного мозга с максимальной нагрузкой от ЭМИ даже от использования такого маломощного источника, как мобильные радиотелефоны. Эти данные не должны быть причиной для радиофобии, однако очевидна необходимость в существенном углублении сведений о действии ЭМИ на живые организмы.

В России действует СанПиН 2.2.4.1191—03 Электромагнитные поля в производственных условиях, на рабочих местах. Санитарно-эпидемиологические правила и нормативы, а также гигиенические нормативы ГДР(ПДУ) 5803-91 (ДНАОП 0.03-3.22-91) Предельно допустимые уровни (ПДУ) воздействия электромагнитных полей (ЭМП) диапазона частот 10—60 кГц Промышленное электроснабжение 50 Гц

Допустимые уровни излучения базовых станций мобильной связи (900 и 1800 МГц, суммарный уровень от всех источников) в санитарно-селитебной зоне в некоторых странах заметно различаются:

Украина: 2,5 мкВт/кв.см. (самая жёсткая санитарная норма в Европе)
Россия, Венгрия: 10 мкВт/кв.см.
США, Скандинавские страны: 100 мкВт/кв.см.

Параллельное развитие гигиенической науки в СССР и западных странах привело к формированию разных подходов к оценке действия ЭМИ. Для части стран постсоветского пространства сохраняется преимущественно нормирование в еденицах плотности потока энергии (ППЭ), а для США и стран ЕС типичным является оценка удельной мощности поглощения (SAR).

«Современные представления о биологическом действии ЭМИ от мобильных радиотелефонов (МРТ) не позволяют прогнозировать все неблагоприятные последствия, многие аспекты проблемы не освещены в современной литературе и требуют дополнительных исследований. В связи с этим, согласно рекомендациям ВОЗ, целесообразно придерживаться предупредительной политики, т. е. максимально уменьшить время использования сотовой связи.»

Проникающая неионизирующая радиацияправить

Допустимые нормативы регулируются нормами радиационной безопасности — НРБ-99.

Рентгеновское излучение — длина волны 10−8 м до 10−13 м; частоты 3 * 1016 Гц до 3 * 1030 Гц. Доказано, что при превышении допустимых норм облучения излучение губительно действует на живые клетки.

Существует административные и контролирующие органы — инспекция по радиосвязи (на Украине, например, Укрчастотнадзор), которая регулирует распределение частотных диапазонов для различных пользователей, соблюдение выделенных диапазонов, отслеживает незаконное пользование радиоэфиром.

Измерение распространения ВЧ

Условия распространения ВЧ могут быть смоделированы с использованием моделей распространения радиоволн , таких как Программа анализа покрытия «Голос Америки» , а измерения в реальном времени могут выполняться с использованием передатчиков ЛЧМ . Для радиолюбителей режим WSPR предоставляет карты с условиями распространения в реальном времени между сетью передатчиков и приемников. Даже без специальных радиомаяков можно измерить условия распространения в реальном времени: всемирная сеть приемников декодирует сигналы кода Морзе на любительских радиочастотах в реальном времени и обеспечивает сложные функции поиска и карты распространения для каждой принимаемой станции.

Основные пункты

  • Наименьшие частоты именуется как «радио». Длина волны охватывает 1-100 км, а частота: 300ГГц – 3кГц.
  • Есть множество подкатегорий, включая AM и FM радио. Они способны генерироваться в природных источниках, вроде молнии или астрономического явления, а также искусственными, вроде радиостанций, спутников и сотовых телефонов.
  • АМ используют для транспортировки коммерческих радиосигналов (540-1600 кГц). Аббревиатура – амплитудная модуляция. Волны обладают стабильной частотой, но изменчивой амплитудой.
  • FM также применяют для коммерческих целей (88-108 МГц). Это частотная модуляция, где меняется частота, но остается стабильной амплитуда.

Генерация и прием

Анимированная диаграмма полуволновой дипольной антенны, принимающей радиоволны. Антенна состоит из двух металлических стержней , соединенных с приемником R . Электрическое поле ( Е , зеленые стрелки ) входящей волна толкает электроны в стержнях вперед и назад, заряжая концы попеременно положительный (+) и отрицательный (-) . Поскольку длина антенны составляет половину длины волны, осциллирующее поле индуцирует стоячие волны напряжения ( V , представленные красной полосой ) и тока в стержнях. Колебательные токи (черные стрелки) текут по линии передачи и через приемник (представленный сопротивлением R ).

Радиоволны излучаются заряженными частицами при их ускорении . Они создаются искусственно изменяющимися во времени электрическими токами , состоящими из электронов, текущих вперед и назад в металлическом проводнике особой формы, называемом антенной . Электронное устройство, называемое радиопередатчиком, подает колебательный электрический ток на антенну, и антенна излучает энергию в виде радиоволн. Радиоволны принимаются другой антенной, прикрепленной к радиоприемнику . Когда радиоволны попадают на приемную антенну, они толкают электроны в металле вперед и назад, создавая крошечные колебательные токи, которые обнаруживаются приемником.

С точки зрения квантовой механики , как и другое электромагнитное излучение, такое как свет, радиоволны также можно рассматривать как потоки незаряженных элементарных частиц, называемых фотонами . В антенне, передающей радиоволны, электроны в антенне излучают энергию дискретными пакетами, называемыми радиофотонами, в то время как в приемной антенне электроны поглощают энергию в виде радиофотонов. Антенна — это когерентный излучатель фотонов, как лазер , поэтому все радиофотоны находятся в фазе . Однако из соотношения Планка энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, от 10 −22 до 10 −30 джоулей . Он настолько мал, что, за исключением некоторых процессов молекулярных электронных переходов, таких как атомы в мазере, излучающем микроволновые фотоны, излучение и поглощение радиоволн обычно рассматривается как непрерывный классический процесс, управляемый уравнениями Максвелла .
Eзнак равночасν{\ Displaystyle Е = ч \ ню} 

Генерация и прием [ править ]

Анимированная диаграмма полуволновой дипольной антенны, принимающей радиоволны. Антенна состоит из двух металлических стержней , соединенных с приемником R . Электрическое поле ( Е, зеленые стрелки ) поступающей волна толкает электроны в стержнях вперед и назад, заряжая концы попеременно положительный (+) и отрицательный (-) . Поскольку длина антенны составляет половину длины волны, осциллирующее поле индуцирует стоячие волны напряжения ( V, представленные красной полосой ) и тока в стержнях. Колебательные токи (черные стрелки)течет по линии передачи и через приемник (представлен сопротивлением R ).

Радиоволны излучаются заряженными частицами при их ускорении . Они создаются искусственно с помощью изменяющихся во времени электрических токов , состоящих из электронов, текущих вперед и назад в металлическом проводнике особой формы, называемом антенной . Электронное устройство, называемое радиопередатчиком, подает колебательный электрический ток на антенну, и антенна излучает энергию в виде радиоволн. Радиоволны принимаются другой антенной, прикрепленной к радиоприемнику . Когда радиоволны попадают на приемную антенну, они толкают электроны в металле вперед и назад, создавая крошечные колебательные токи, которые обнаруживаются приемником.

С точки зрения квантовой механики , как и другое электромагнитное излучение, такое как свет, радиоволны также можно рассматривать как потоки незаряженных элементарных частиц, называемых фотонами . В антенне, передающей радиоволны, электроны в антенне излучают энергию в виде дискретных пакетов, называемых радио-фотонами, а в приемной антенне электроны поглощают радио-фотоны. Антенна — это когерентный излучатель фотонов, как лазер , поэтому все радиофотоны находятся в фазе . Однако из соотношения Планка энергия отдельных радиофотонов чрезвычайно мала, от 10 −22 до 10 −30 джоулей.Eзнак равночасν{\ Displaystyle Е = ч \ ню}. Он настолько мал, что, за исключением определенных процессов молекулярных электронных переходов, таких как атомы в мазере, излучающем микроволновые фотоны, излучение и поглощение радиоволн обычно рассматривается как непрерывный классический процесс, управляемый уравнениями Максвелла .

Измерение

Поскольку радиочастотное излучение имеет как электрическую, так и магнитную составляющие, часто бывает удобно выражать интенсивность поля излучения в единицах, специфичных для каждого компонента. Единица измерения вольт на метр (В / м) используется для электрического компонента, а единица измерения ампер на метр (А / м) — для магнитного компонента. Можно говорить об электромагнитном поле , и эти единицы используются для предоставления информации об уровнях напряженности электрического и магнитного поля в месте измерения.

Другой обычно используемой единицей измерения радиочастотного электромагнитного поля является плотность мощности . Плотность мощности наиболее точно используется, когда точка измерения находится достаточно далеко от РЧ-излучателя, чтобы находиться в так называемой зоне дальней зоны диаграммы направленности. В непосредственной близости от передатчика, то есть в зоне «ближнего поля», физические отношения между электрическими и магнитными компонентами поля могут быть сложными, и лучше всего использовать единицы напряженности поля, описанные выше. Плотность мощности измеряется в единицах мощности на единицу площади, например, в милливаттах на квадратный сантиметр (мВт / см 2 ). Говоря о частотах в микроволновом диапазоне и выше, для выражения интенсивности обычно используется плотность мощности, поскольку воздействие, которое может произойти, скорее всего, будет в зоне дальней зоны.

ТВ

Электромагнитные волны также обеспечивают телевизионное вещание. Но здесь они обязаны передавать сразу звуковую и визуальную информацию, поэтому охватывают большой диапазон частот: 54-89 МГц и 174-222 МГц. Подобные каналы именуют VHF (очень высокая частота). Есть также UHF (сверхвысокая частота): 470-1000 МГц.

Сигнал – АМ, а звук – FM. Отметьте, что они используют устаревшую антенну на крыше. Дело в том, что кабельное ТВ и спутниковое осуществляется на более высоких частотах с форматом HD.

Электромагнитный спектр
  • Радиоволны
  • Микроволны
  • Инфракрасные волны
  • Видимый свет
  • Ультрафиолетовое излучение
  • Рентгеновские лучи
  • Гамма-излучение
Электромагнитные волны и их свойства
  • Уравнения Максвелла
  • Создание электромагнитных волн
  • Энергия и импульс
  • Скорость света
  • Эффект Допплера
  • Импульс переноса и радиационного давления
Применение электромагнитных волн

Радио FM

Также FM задействованы в коммерческих целях (88-109МГц). Это частотная модуляция, где волна обладает базовой частотой и модулируется по ней, формируя волну со стабильной амплитудой, но меняющейся частотой.

Частотная модуляция для FM. (а) – Несущая волна на базовой частоте станции. (b) – Звуковой сигнал на более низких частотах. (с) – Частота модулируется звуковым сигналом, не задевая амплитуду

Слышимые частоты располагаются в диапазоне до 20кГц, FM может опускаться до 0.020 МГц. Приемник настраивается на резонанс транспортируемой волны и обладает схемой, воспроизводящей информацию. FM не так сильно подвергается шуму сторонних радиоисточников. А вот АМ добавляет шум к амплитуде в качестве части информации.

Поля и волны

Вы могли бы потратить годы на изучение деталей электромагнетизма. К счастью, вам не нужен такой опыт для успешного проектирования и реализации радиочастотных схем. Но вам нужно иметь базовое представление о таинственной энергии, излучаемой антенной вашего устройства.

Как следует из названия, электромагнитное излучение (ЭМИ) включает в себя как электрические поля, так и магнитные поля. Если у вас есть напряжение (напряжение, приложенное к импедансу антенны), то у вас есть электрическое поле (с математической точки зрения электрическое поле пропорционально пространственной скорости изменения напряжения). Если у вас есть электрический ток (ток, проходящий через импеданс антенны), то у вас есть магнитное поле (сила поля пропорциональна величине тока).

Электрическое и магнитное поля присутствуют, даже если величина напряжения или тока постоянна. Однако эти поля не будут распространяться. Если мы хотим, чтобы волна распространялась во вселенной, нам нужны изменения напряжения и тока.

Электрическая и магнитная составляющие электромагнитной волны представлены в виде перпендикулярных синусоид

Ключом к этому явлению распространения является самоподдерживающаяся связь между электрической и магнитной составляющими электромагнитного излучения (ЭМИ). Изменяющееся электрическое поле создает магнитное поле, а изменяющееся магнитное поле создает электрическое поле. Эта взаимная регенерация проявляется как отдельная сущность, а именно, как электромагнитная волна. Один раз образовавшись, эта волна будет распространяться в направлении от своего источника изо дня в день, со скоростью света, в сторону глубин неизвестного.

Мобильные спутниковые станции Минобороны — помеха для 5G

Как уже отмечалось, земные станции и центры спутниковой связи могут быть как стационарными, так и мобильными. Стационарные центры и станции устанавливаются в специальных технических зданиях (незащищенных) или в подземных сооружениях (защищенные).

Мобильные станции могут быть оперативно транспортированы к месту развертывания и способны к автономной работе в полевых условиях либо в составе подвижного пункта управления. Основу таких станций составляют полевые станции, устанавливаемые на автомобилях и бронеобъектах, а также перевозимые в контейнерах или носимые.

При запуске сетей 5G для исключения создания помех стационарным станциям спутниковой связи можно будет рассчитать координационные зоны и обозначить их на карте. А вот для мобильных станций сделать это не представляется возможным в силу неопределенности мест их стояния.

Кроме того, в диапазоне 3,4-3,45 ГГц у Минобороны работают командно-измерительные станции (КИС), предназначенные для управления спутниковыми аппаратами и входящими в состав отдельного командно-измерительного комплекса (ОКИК). В свою очередь, такой комплекс входит в состав основных частей управления космическими аппаратами (НАКУ) Главного испытательного центра испытаний и управления космическими средствами им. Г.С. Титова.

НАКУ Минобороны управляет 85% российских космических аппаратов. Центр может управлять всеми типами спутников военного и двойного назначения и большинством спутников научного и социально-технического назначения. Также НАКУ используется при управлении объектами пилотируемых программ и дальнего космоса, которые не подчиняются Минобороны.

Количество каналов

h22,0,0,0,0—>

Диапазон хороших колонок во многом зависит от количества каналов. Динамики разного размера способны воспроизводить только определенный диапазон частот. При этом наблюдается такая закономерность: чем больше диаметр, тем более басовито может «гудеть» такой излучатель.

p, blockquote11,0,0,0,0—>

Для того, чтобы передать звуковые частоты в полной мере, их разделяют по каналам, оснащая каждую несколькими динамиками под каждый диапазон. Сегодня самыми распространенными являются:

p, blockquote12,1,0,0,0—>

  • Двухканальные – один НЧ динамик, плюс излучатель для СЧ и ВЧ;
  • Трехканальные – по одному динамику на НЧ, СЧ и ВЧ.

Это касается не только стереофонических систем, но колонок 2.1. Разница лишь в том, что массивный НЧ динамик в последнем случае вынесен в отдельный корпус. Замечено, что звучит такая стереосистема лучше, так как «бочка» обычно располагается отдельно и не перебивает звук СЧ и ВЧ излучателей.Это же справедливо по отношению к колонкам 5 1. Конструкция фронтальных и тыльных колонок у них обычно не различается, поэтому они воспроизводят те же звуковые частоты.

p, blockquote13,0,0,0,0—>

Впрочем, на позиционирование источника звука при просмотре фильма на ПК или домашнем кинотеатре, это никак не влияет, а именно для этого и устанавливается такая акустика.

p, blockquote14,0,0,0,0—>

Скорость Интернета 5G — насколько быстро?

Для удобства, я буду сравнивать характеристики уже активно работающего стандарта  мобильной связи – 4G LTE и нового 5G.

Теоретически, технология 4G LTE предлагает теоретически достижимую скорость передачи данных для неподвижного или просто медленно передвигающегося абонента до 1 Гбит/с. Минимальная задержка сигнала при этом составляет 10 миллисекунд. Такой скорости сейчас без проблем хватит на всё — мультимедийный контент, видео в высоком разрешении,передача больших массивов информации. На практике, конечно же, максимальная скорость в разы ниже, но всё равно, даже 90-100 мегабит в секунду сейчас — это отличный показатель для мобильной связи.

Технология 5G (стандарт IMT-2020) уже предлагает предельно достижимую скорость передачи данных аж до 20 Гбит/с. для неподвижного или медленно передвигающегося абонента с минимальной задержкой сигнала составляет 1 миллисекунду. Круто, неправда ли?! Этого уже хватит для воспроизведения «тяжелого» видео UHD уже в формате 4K или 8K.

Такие высокие скоростные характеристики достигаются благодаря технологии Massive MIMO, которая будет использоваться в сетях 5G и предполагает развитие нод сотовой сети. Базовые станции смогут обрабатывать сигнал от огромного числа подключенных абонентов, причём практически в реальном времени. Благодаря этому будут созданы максимальные возможности для работы сверхсовременных решений типа дополненной реальности, виртуальной реальности, Интернета вещей и даже искусственного интеллекта.

Зачем нужен 5G?

Технология связи пятого поколения должна решить следующие проблемы, которые встают перед операторами связи:

— рост мобильного трафика
— сокращение задержек для реализации новых услуг
— расширение частотного диапазона
— увеличение числа устройств с доступом в Интернет подключаемых к сети

Интернета конечно же хорошо — это и ежу понятно, но это не главное сети 5G. Тем более, что той скорости, которую даёт сейчас LTE, практически достаточно на текущий момент. Связь пятого поколения разрабатывается под новые потребности. В первую очередь под IoT — Интернет вещей! Умные камеры, розетки, лампочки,чайники и прочая интеллектуальная техника — всё это требует хорошей связи и беспроблемного доступа к Интернету.

И это только в начале. Дальнейшее развитие предполагает развитие беспилотного транспорта и систем искусственного интеллекта. И во всех этих сферах важна даже не столько скорость обмена информацией, сколько низкие задержки перед отправкой и приёмом. Всё это в разы увеличит нагрузку на ноды мобильной связи. А вот чтобы нагрузка не привела к потере скорости и повышению задержек в в 5G сетях создана технология Massive MIMO. Интернет не будет «просаживаться» даже в густонаселённых районах, где полно как людей со смартфонами, так и IoT-техники.

Конечно, востребованной технология 5G станет только через несколько лет. По оценкам экспертов коммерчески привлекательной она станет примерно к 2025 году. Но всё же время летит быстро. Пройдут испытания, отработают пилотные проекты и мы с удивлением для себя обнаружим, что уже прочно вошли в новую эпоху и не заметили этого. Стриминг больших объёмов информации, беспилотный транспорт, виртуальная реальность, искусственный интеллект, дистанционное управление транспортом и техникой — всё это уже есть и активно развивается. И для этого нужна отличная и быстрая связь!

Частоты 5G сети

Несмотря на то, что в сети много говорят от том, что новые технологии будут использовать диапазон 6 ГГц и выше, сейчас в России для 5G планируют использовать частотные диапазоны 3,4 – 3,8 ГГц и 25,25 – 29,5 ГГц. При использовании этих частот операторам связи потребуются не настолько значительные капитальные вложения, как в случае с оборудованием 6 ГГц.

На текущий момент основная задача это поделить с военными частоты, так как последние совсем не хотят уступать диапазон под гражданские нужды.

Дата запуска 5G

Как я уже сказал выше, активное использование связи пятого поколения ожидается в 2023-2025 годах.
Пилотные проекты операторы начали запускать уже в 2019 году. Уже запущена первая коммерческая сеть 5G, появляются первые образцы оборудования. Первый пуск подобной сети в России ожидается в 2020 году. Каждый оператор — Ростелеком, Мегафон, МТС и Билайн — предложат свои варианты. Конечно, это будет ещё далеко от ожидаемого, но тем не менее начало будет положено, а остальное уже дело техники!

Что такое микроволны?

Свойства сверхвысокочастотных волн

В современной жизни сверхвысокочастотные волны используются весьма активно. Взгляните на ваш сотовый телефон – он работает в диапазоне сверхвысокочастотного излучения.

Все технологии, такие как Wi-Fi, беспроводной Wi-Max, 3G, 4G, LTE (Long Term Evolution), радиоинтерфейс малого радиуса действия Bluetooth, системы радиолокации и радионавигации используют сверхвысокочастотные (СВЧ) волны.

СВЧ нашли применение в промышленности и медицине.

По-другому СВЧ волны ещё называют микроволнами. Работа бытовой микроволновой печи также основана на применении СВЧ излучения.

Микроволны – это те же самые радиоволны, но длина волны у таких волн составляет от десятков сантиметров до миллиметра. Микроволны занимают промежуточное место между ультракороткими волнами и излучением инфракрасного диапазона.

Такое промежуточное положение оказывает влияние и на свойства микроволн. Микроволновое излучение обладает свойствами, как радиоволн, так и световых волн. Например, СВЧ излучению присущи качества видимого света и инфракрасного электромагнитного излучения.

Микроволны, длина волны которых составляет сантиметры, при высоких уровнях излучения способны оказывать биологическое воздействие.

Кроме этого сантиметровые волны хуже проходят через здания, чем дециметровые.

СВЧ излучение можно концентрировать в узконаправленный луч.

Это свойство напрямую сказывается на конструкции приёмных и передающих антенн, работающих в диапазоне СВЧ. Никого не удивит вогнутая параболическая антенна спутникового телевидения, принимающая высокочастотный сигнал, словно вогнутое зеркало, собирающее световые лучи.

Микроволны подобно свету распространяются по прямой и перекрываются твёрдыми объектами, наподобие того, как свет не проходит сквозь непрозрачные тела. Так, если в квартире развернуть локальную Wi-Fi сеть, то в направлении, где радиоволна встретит на своём пути препятствия, вроде перегородок или перекрытий, сигнал сети будет меньше, чем в направлении более свободном от преград.

Излучение от базовых станций сотовой связи GSM довольно сильно ослабляют сосновые леса, так как размеры и длина иголок приблизительно равны половине длины волны, и иголки служат своеобразными приёмными антеннами, тем самым ослабляя электромагнитное поле.

Также на ослабление сигнала станций влияют и густые тропические леса. С ростом частоты увеличивается затухание СВЧ–излучения при перекрытии его естественными препятствиями.

Распространение микроволн в свободном пространстве, например, вдоль поверхности земли ограничено горизонтом, в противоположность длинным волнам, которые могут огибать земной шар за счёт отражения в слоях ионосферы.

Данное свойство СВЧ излучения используется в сотовой связи.

Область обслуживания делиться на соты, в которых действует базовая станция, работающая на своей частоте. Соседняя базовая станция работает уже на другой частоте, чтобы рядом расположенные станции не создавали помех друг другу. Далее происходит так называемое повторное использование радиочастот.

Поскольку излучение станции перекрывается горизонтом, то на некотором удалении можно установить станцию, работающую на той же частоте.

В результате мешать такие станции друг другу не будут. Получается, что экономиться полоса радиочастот, используемая сетью связи.

Радиочастотный спектр является природным, ограниченным ресурсом, наподобие нефти или газа.

Распределением частот в России занимается государственная комиссия по радиочастотам – ГКРЧ.