Radioaallot

Äänen välittäminen radioaaltojen avulla analogisessa tiedonvälityksessä. Kuvan keskellä olevat "amplitude-"ja"frequency modulation"ovat vaihtoehtoja: yleensä vain jompikumpi on käytössä yhdellä siirtotiellä. Modulointi tapahtuu lähetysasemassa ja demodulointi vastaanottimessa. Kuva visualisoi sitä, miltä radioaallot" näyttävät "eri modulaatioilla.

Radioaallotovatsähkömagneettisia aaltoja,joidentaajuusspektrion määrittelijästä riippuen 30–3 000hertsistänoin 300–3 000gigahertsiin(GHz) jaaallonpituusmillimetreistä 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 onabsoluuttista nollapistettäkorkeampi, emittoivat radioaaltoja.

Luonnolliset säteilylähteet, kutensalamat,Aurinkojapulsarit– kuten myös ihmiskeho – tuottavat radiotaajuusalueen sähkömagneettista säteilyä.

Sähkömagneettinen säteily yleisesti

Pääartikkeli:Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettisen säteilyn yksittäisen kvantin elifotoninenergia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen ja kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Kuiva ilma on radioaalloille käytännössätyhjiöönverrattavaväliaine.Tyhjiössäsähkömagneettisen kentänenergia jakautuu tasan magneetti- ja sähkökentän kesken. Se mikä ei ole vakio, on säteilynintensiteetti,eli pinta-alayksikölle osuvan säteilynergian määrä aikayksikössä. Intensiteetti määritellään yleensä watteina yhden neliömetrin alalle.

Fotonin energiaEmääräytyy taajuudesta:$E=hf$,jossahonPlanckin vakio6,626196·10^-34Js,jafontaajuus.Fotonilla on myösliikemäärämomenttip,suuruudeltaan$p=h/\lambda$,missäλon aallonpituus.

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

Sähkömagneettisen aallon nopeus tyhjiössä onvalonnopeus,eli299 792 458 m/s.Likiarvo300 000 000 m/son usein riittävän tarkka moniin käytännön laskuihin. Aallonpituus saadaan jakamalla nopeus taajuudella. 300 MHz:n taajuudella aallonpituus on yksi metri: 300 10⁶m/s ÷ 300 10⁶Hz = 1 m. (Taajuuden yksikköHz= 1/s).

Radioaaltojen historiaa

Pääartikkeli:Radio#historia

Radioaaltojen olemassaolon ennusti skotlantilainen matemaattinen fyysikkoJames Clerk Maxwellvuonna 1867. KatsoMaxwellin yhtälöt.

Maxwellin teorian todisti oikeaksiHeinrich Hertz,joka ei kuitenkaan nähnyt radioaalloilla mitään hyötypotentiaalia.

Italialainen keksijäGuglielmo Marconikehitti ensimmäiset käytännönradiolähettimetja -vastaanottimetnoin 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.Nykyisinyleisradiotoiminnassakäytetään yleisesti 87–108 megahertsin taajuisia radioaaltoja (Suomessa ja Länsi-Euroopassa 87,5–108 MHz).

Hyödyntäminen

Pääartikkeli:Radio

Lähes kaikki langattomat yhteydetperustuu 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 pääsääntöisestiinfrapuna-aaltoalueella.

Radioaalloilla voidaan välittää signaaleja radioaaltoamoduloimalla.Yksinkertaisin radiotoiminnassa käytettävä modulaatio onamplitudimodulaatio(AM) ja yleisintaajuusmodulaatio(FM).

Radiolähetyksissä käytettäviä amplitudimoduloituja (AM) ja taajuusmoduloituja (FM) radioaaltoja.

Radiovastaanottimenpitää tukea lähetyksessä käytettyä modulaatiota kyetäkseen vastaanottamaan lähetystä.

Pääartikkeli:Radio

Tuottaminen

Katso:Radiolähetin

Radioaaltojen eteneminen lähetysantennista (puoliaaltodipoliantennista). Sähkökenttä on suorassa kulmassa etenemissuuntaan nähden. Magneettikenttää ei näytetä, mutta se olisi suorassa kulmassa etenemissuuntaan ja sähkökenttään nähden.

Kuvaajamaatasoantenninsäyeilykuviosta. Antenni on musta pystyviiva keskellä kuvaa. Vaihekaavio alhaalla oikealla; kentät (sähkökenttä(E),magneettikenttä(H)) ovat suorassa kulmassa toisiaan ja etenemissuuntaa vasten.

Radio(aalto)lähetinmuodostaa käyttötarkoituksensa mukaisen (määrätaajuinen radioaalto (kantoaalto), mahdolliset apukantoaallot, informaatio, modulaatio ja teho)sähkömagneettisen kentän,jonka piirissä radioaallot ovatvastaanotettavissa.

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

Käytännössä radioaalto synnytetään johtamalla määrätaajuinenvaihtojänniteantenniin,joka siirtää energian radioaaltoina eteneväänsähkömagneettiseen kenttään.

Radioaaltojen eteneminen

Radioaaltojen liikettä lähettimestä eteenpäin kutsutaan etenemiseksi. Tyhjiössä, johon mittatarkkuuden puitteissa voidaan lukea maan ilmakehä, ympärisäteilevän lähetysantennin kentän signaalin tehotiheys vaimenee verrannollisenaetäisyyden neliöönlähetysantennista loitonnuttaessa, kun aallot leviävät yhä laajemmalle alueelle.Hukkatehoa voidaan minimoidasuunta-antennilla.

Radioaaltojen etenemisnopeus riippuu väliaineesta. Tyhjiössä radioaallot etenevätvalonnopeudella.Radioaallonaallonpituussaadaan jakamalla radioaallon etenemisnopeus sentaajuudella:

$\lambda \,={\frac {v}{f}}\,$

missä:

• von radioaallon etenemisnopeus (m/s) (tyhjiössä 299 792 458 m/s),
• fon radioaallontaajuus(Hz).

Aallonpituus muutetaan taajuudeksi vastaavasti jakamalla etenemisnopeus aallonpituudella:

$f={\frac {v}{\lambda }}$

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(engl.long wave,LW, 148,5–283,5 kHz) voivat hajaantua esteiden, kuten vuorten, ympäri ja seurata maan muotoa (maa-aallot).Keskipitkät aallot(engl.medium wave,MW, 526,5–1 606,5 kHz) voivat heijastuaionosfääristäja palata maahan horisontin ulkopuolelle (taivasallot), jopa toiselle puolelle maapalloa, kun taaslyhyet aallot(engl.short wave,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 radiokelilläkantamat 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.

Vaakapolarisaatioisen radioaallon vastaanottoanimaatio. E = sähkökenttä ja V = antenniin indusoituva jännite.

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

Vastaanotossa saattaa olla tarpeen ottaa huomioon myös lähetetyn radioaallonpolarisaatiovastaanoton 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

Kirjallisuutta

• Lehto, Arto:Radioaaltojen maailma.Helsinki: Otatieto, 2006.ISBN 951-672-350-0.
• Lindell, Ismo:Radioaaltojen eteneminen.Helsinki: Otatieto, 2000 (1985).ISBN 951-672-227-X.
• Granlund, Kai:Langaton tiedonsiirto.Jyväskylä: Docundo Finland, 2001.ISBN 951-846-091-4.

Aiheesta muualla

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheestaRadioaallotWikimedia Commonsissa

• Metsähovi: Sähkömagneettinen säteily

• Yle Areena: Mitä tarkoitetaan hyvällä radiokelillä?

Radio

ITU-radiotaajuusalueet	ELF SLF ULF VLF LF MF HF VHF UHF SHF EHF THF
AM-alueet	SW('lyhyet aallot') MW('keskipitkät aallot') LW('pitkät aallot')
FM-alueet	ULA(ultralyhyet aallot)
Modulaatiot	Amplitudimodulaatio (AM) Taajuusmodulaatio (FM)
Muuta	Aallonpituus DAB(digiradiotekn.) DRM(digiradiotekn.) Radioaalto Radiotaajuusalueet

Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettinen spektri:gammasäteily•röntgensäteily•ultraviolettisäteily•valo•infrapunasäteily•alimillimetrisäteily•mikroaallot•radioaallot

---

Radiotaajuusalueet:THF•EHF•SHF•UHF•VHF•HF•MF•LF•VLF•ULF•SLF•ELF

---

Valo:violetti•sininen•syaani•vihreä•keltainen•oranssi•punainen