فیزیک امواج رادیویی

مقدمه:

انسان بیش از 100سال است که با امواج الکترومغناطیسی آشناست و امروزه از آنها به طور وسیعی در زندگی خود استفاده می کند و این فیزیک امواج در یک میدان مغناطیسی و یک میدان الکتریکی عمود برهم بوجود آمده اند. ویژگی بارزشان که آنها را متمایز ساخته این است که برای سیر نیاز به محیط هادی ندارد و در خلاء به راحتی حرکت می کنند. فیزیک امواج رادیویی نیز دسته ای از این فیزیک امواج هستند.

ماهیت فیزیک امواج رادیویی:

هر اتم از الکترون و نوترون تشکیل شده است. نوترون و پروتون در مرکز قرار گرفته اند و هسته اتم را تشکیل می دهند و الکترونها اطراف هسته می چرخند. هسته بعضی از اتم ها به دلیل پروتون های آنها خنثی می شود. دارای حرکت وضعی هستند. یعنی به دور محور خود می چرخند. این نوع حرکت را حرکت اسپنی می گویند که ویژگی های طبیعی هسته ها است. همچنین هسته به دلیل وجود پروتون دارای بار مثبت هست و از هر ذره بارداری که حرکت داشته باشد فیزیک امواج الکترومغناطیس تابش می شود.
بطور کلی فیزیک امواج از جمله فیزیک الکترومغناطیسی دارای فرکانس هستند. در اینجا فرکانس به معنی تعداد نوسان های میدان الکتریکی با مغناطیسی در واحد زمان از هر نقطه از فضا است. اگر نیروی محرکی را با فرکانس یکسان با فرکانس طبیعی نوسانگر بکار ببریم دامنه حرکت نوسانی یعنی حداکثر فاصله ای تا نقطه ای از امواج از مرکز تعادل می گیرد افزایش می یابد که این پدیده را تشدید می گویند.

نحوه برخورد فیزیک امواج رادیویی با بافتها:

در بیشتر اجسام مانند بافت نرم هسته ای دارای راستای دو قطبی تصادفی هستند در نتیجه برآیند کلی موجها به دلیل اینکه همدیگر را خنثی می کنند صفر است. ولی اگر میدان مغناطیسی در اطراف نمونه ایجاد کنیم بخشی از اتم های h که انرژی کمتری دارند درراستای میدان و عده ای دیگر که انرژی بیشتر دارند در خلاف راستای میدان قرار می گیرند. در اثر ایجاد این میدان h یا هر هسته فعال تشدید مغناطیسی دارای حرکت انتقالی نیز می شود و در راستای یک دایره با زاویه نسبت به خط عمود چرخش می کند. بسماند این حرکت برای اتمها متفاوت است و به نوع هسته و بزرگی میدان بستگی دارد.
هر چقدر مغناطیسی قویتر باشد بسماند چرخش انتقالی افزایش می یابد. بسماند چرخش هسته دارای حرکت اسپینی را حول میدان بزرگتر بسماند لارمور می گویند. با محاسبه فرکانس لارمو می توان نسبتی به نام نسبت ژیرومغناطیسی را محاسبه کرد. که آنرا با ((y)) نشان می دهند. هر هسته دارای نسبت ژیرومغناطیسی ویژه خود است و با کمک آن می توان نوع هسته را تعیین کرد. این نسبت برای اتم h وقتی در میدان مغناطیسی یک تسلا قرار می گیرد. برابر 42.57 است.

امواج rf در فیزیک امواج رادیویی:

با ایجاد یک میدان مغناطیسی رادیو فرکانسی (امواج rf در گسترده فیزیک امواج الکترومغناطیسی است) تمام هسته ها را در راستای آن قرار دهیم, در rf برای ایجاد تصویر مطلوب باید به گونه ای باشد که زاویه انحراف راستای حرکت از حالت و پایه برابر 90 درجه شود. اگر فرکانس میدان با فرکانس لامور هسته یکی باشد پدیده تشدید رخ می دهد. این حالت را برانگیختگی هسته می گویند. وقتی که میدان قطع می شود پروتونها که انرژی دریافت کرده به تراز انرژی بالاتر رفته بود انرژی را به صورت فیزیک امواج rf و به مقدار ناچیزی هم به صورت گرما از دست می دهند.

آسایش فیزیک امواج rf:

میزان انرژی جذب شده توسط هسته به شدت rf در مدت زمان اعمال موج rf بستگی دارد و میزان انرژی که پروتون به اطراف می فرستد به هسته و ترکیبات شیمیایی مواد اطراف مربوط می شود. این پدیده از دست دادن انرژی و با گذشت به حالت پایه را آسایش و زمان لازم برای رسیدن به حالت پایه را زمان آسایش می گویند. پدیده آسایش یا از دست دادن انرژی به صورت فیزیک امواج rf به دو صورت روی می دهد. یا موج روی بافت اثرمی گذارد که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش طولی می گویند و با t2 نشان می دهند و t1 اسپین خود مولکول یا مولکول های دیگر اثر می گذارد که به آن آسایش اسپین شبکه یا آسایش عرضی می گویند و با t2 نشان می دهند و به عبارت دیگر t1 مدت زمانی است که طول می کشد تا پروتون به انرژی اولیه اش برسد و t2 مدت زمانی است که طول می کشد تا دامنه موج rf ضعیف شود و از بین برود.

امواج رادیویی و تقسیم بندی باند ها و فرکانس ها:

امروزه و در عصر پيشرفت تكنولوژي، كاربرد و استفاده از طيف‌هاي فركانسي و امواج راديويي در حال گسترش روزافزون است. مهم‌ترين مزیت اين فناوري كاهش حجم اتصالات و وسايل رابط همچون سيم‌ها و كابل‌ها هستند كه در نتيجه موجب كاهش چشم‌گير هزينه‌ها مي‌گردند. به طوري كه روابط بدون سيم جايگزين مطمئن آنها مي‌شوند.
ارتباطات به وسيله امواج راديويي، برپايه قوانين فيزيك و انرژي امواج الكترومغناطيسي استوار است. بدين منظور برخي مفاهيم اوليه مربوط به اين موضوع را به اجمال از نظر مي‌گذرانيم.
* همه ما تاكنون عباراتي نظير UHF, VHF, AM, FM و ... را شنيده‌ايم. فضاي اطراف ما آكنده از امواج راديويي است كه در تمام جهات در حال انتشار و عبور و مرور مي‌باشند. اصولا يك موج راديويي يك موج الكترومغناطيسي مي‌باشد كه معمولا توسط آنتن منتشر مي‌گردد. امواج راديويي داراي فركانس‌هاي مختلفي هستند، كه برحسب كاربري مطابق با استانداردهايي تقسيم‌بندي شده‌اند. در آمريكا FCC كميته ملي ارتباطات مسئوليت مديريت و تصميم‌گيري در مورد تخصيص طيف‌هاي فركانسي و صدور مجوز و يا تعيين استانداردها را برعهده دارد.
امواج راديويي در هوا با سرعتي نزديك به سرعت نور انتقال مي‌يابند. اين امر يكي از مهم‌ترين مزاياي اين فناوري مي‌باشد كه نقش بسزايي در تسريع ارتباط به عهده دارد.
واحد اندازه ‌گيري فركانس راديويي hertz "هرتز" يا "سيكل بر ثانيه" است و براي فركانس‌هاي بزرگ‌تر، جهت خواندن و نوشتن از عباراتي مانند KHz "كيلوهرتز"، MHz "مگا هرتز" و ... استفاده مي‌شود. در جدول تقسيم بندي فركانس‌ها برحسب واحد آمده است.
امواج راديويي داراي فركانس‌ها و باندهاي مختلفي هستنتد، به وسيله يك گيرنده مخصوص راديويي شما مي‌توانيد، امواج مربوط به همان گيرنده را دريافت نماييد. براي مثال زماني كه شما مشغول گوش دادن به يك ايستگاه راديويي هستيد، گوينده فركانس 91.5 MHz و باند FM را اعلام مي‌كند. راديوي FM شما تنها مي‌تواند گستره فركانسي تخصيص يافته مربوط به خود را دريافت نمايد.
Wavelength يا طول موج يك سيگنال الكترومغناطيسي با فركانس يا بسامد آن رابطه معكوس دارد، بدين معني كه بالاترين فركانس كوتاه ‌ترين طول موج را دارا مي‌باشد. در كل سيگنال‌هاي با طول موج‌هاي بلند تر مسافت بيشتري را مي‌پيمايند و از قابليت نفوذ بهتري در ميان اجسام در برابر سيگنال‌هاي داراي طول موج كوتاه برخوردارند.
مخفف باندها
گستره فرکانس
تقسيمات
نمادها
b.mam
30KHZ-3
امواج۱۰ هزارمتری
VLF
b.km
300khz-30
امواج کيلومتری
LF
b.hm
3000khz-300
امواج هکتامتری
FM
b.dam
30mhz-3
امواج دکامتری
HF
b.m
300MHz-30
امواج متری
VHF
b.dm
3000MHz-300
امواج دسيمتری
UHF
b.cm
30GHz-3
امواج سانتيمتری
SHF
b.mm
300GHz-30
امواج ميليمتری
EHF
3000GHz-300
امواج دسيميليمتر
در زير بخشي از كاربردهاي اين امواج با ذكر محدوده فركانسي آمده است:
راديوهاي AM از 535 کیلو هرتز تا 1.7MHz
راديوهاي موج كوتاه: 509 MHz تا 26.1 MHz
راديوهاي باند شهري: 26.96MHz تا 27.41MHz
راديوهايFM :از 88 تا 108MHz
و برخي تقسيمات جزئي‌تر عبارتند از:
سيستم‌هاي دزدگير، دربازكن بدون سيم پاركينگ و ... : در حدود 40MHz
تلفن‌هاي بدون سيم متداول: در حدود 40 MHz الي 50 MHz
هواپيماهاي مدل كنترلي: در حدود72MHz
ماشين‌هاي اسباب‌بازي راديو كنترلي: درحدود 75MHz
گردنبند رديابي حيوانات: 215MHz الي 220MHz
تلفن‌هاي سلولي (مانند موبايل):824MHz الي 849MHz
تلفن‌هاي جديد بدون سيم:در حدود 900MHz
سيستم‌هاي موقعيت‌ياب ماهواره‌اي:1.227 MHz الي 1.577 MHz
دردسته بندی امواجی که قبلا ذکر شد هر گروه کاربردهای خاص خود را دارد در زیر برخی از آنها آمده است
۱-متحرک هوانوردی
۲-ناوبری رادیویی
۳- آماتور
۴-آماتور ماهواره ای
۵-پخش همگانی صدا
۶- متحرک خشکی
۷-متحرک دریایی
۸- هواشناسی ماهواره ای
۹-تعیین موقعیت رادیویی و ماهواره ای
۱۰-تحقیقات فضایی
۱۱-پخش تصاویر تلویزیونی
و غیره... که خود نیز دارای دسته بندی هستند.
يک موج راديويي يک موج الکترومغناطيسي است که ميتواند بوسيله يک آنتن انتشار يابدوهمانطور که ميدانيد امواج راديويي فرکانسهاي متفاوتی دارند يکي از سوالهاي ابتدايي شما ممکن است اين باشد که چرا برخي از امواج و فرکانسهايي که حتي بر روي يک باند مشترک منتشر مي شوندمثلا باند "F M" چرا بوسيله راديوهاي گيرنده خانگي قابل دريافت نمي باشند؟
پاسخ اين است که گيرنده خانگي شما فقط ميتواند باندهاوفرکانسهايي را که کارخانه سازنده از پيش براي آن تعيين کرده و مثلا براي موج FM بين 88 megahertz تا 108 megahertz می باشد را دريافت نمايد.
منبع:http://forum.parsigold.com
/س