Pronikněte do světa rádiových vln

Některá elektronická zařízení, která modelujete v nástroji Fusion 360, budou možná využívat rádiové vlny. Jak tyto vlny fungují a kde se s nimi setkáváme?

Rádiové vlny jsou všude. Kdybyste je mohli vidět na vlastní oči, nestačili byste se divit. Doslova utváří naše moderní životy a bez nich bychom si nikdy nemohli užít spoustu užitečných vynálezů, přístrojů a nástrojů. Pokud pomocí Fusion 360 modelujete produkt s elektronikou, možná že i tento bude ke svému fungování potřebovat rádiové vlny.

 

 

Bez rádiových vln by to nešlo

Dokážete spočítat, kolik zařízení denně používáte? Od notebooků a smartphonů přes GPS navigaci až po obyčejné dětské chůvičky. Rozhlas, televize, internet. To vše funguje tak, jak má, právě díky rádiovým vlnám. Pokaždé, když si přes bezdrátové připojení prohlížíte webové stránky, čtete e-maily nebo vytváříte digitální vlákno pomocí cloud computingu, využíváte rádiové vlny.

Moderní bezdrátová komunikace staví na jednoduchém principu uvnitř konvenčního (pro někoho už prehistorického) rádia, což umožňuje přinášet lidem po celém světě:

• informace,
• video,
• zvuk,
• data
• a mnoho dalšího.

Pojďme teď prozkoumat, co vlastně jsou rádiové vlny a jak fungují.

 

Elektromagnetické spektrum jako základ

Abychom skutečně pochopili, jak rádiové vlny fungují, je důležité vědět, že jsou pouze jedním typem vln v celém spektru, které se nazývá elektromagnetické. Toto spektrum je stupnice rozdělující záření podle vlnové délky a odpovídající frekvence na jednotlivé typy:

• rádiové,
• mikrovlnné,
• infračervené,
• viditelné,
• ultrafialové,
• rentgenové,
• gama.

Přestože je dělení celkově přesné, může občas dojít k překryvům sousedních typů.

Každá z těchto vln má své specifické vlastnosti, ale všechny zvládají vzdorovat fyzickým bariérám a řítí se vakuem vesmíru rychlostí světla.

Výše zmíněná frekvence stanovuje, kolik elektromagnetických vln projde daným bodem každou sekundu. Měří se to počtem hřebenů každé vlny (nejvyšší bod ve vlně), hodnoty se udávají v hertzech.

Vlnová délka je skutečná vzdálenost, kterou můžete změřit mezi dvěma nejvyššími body vlny nebo periody. Vlnové délky mohou být u některých vln kratší než velikost atomu, u jiných delší než průměr celé naší planety. Měrnou jednotkou je zde metr.

 

[1]

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Autor: Domestomas. Original version in English by Inductiveload – Translation from English version, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=100189339

 

Rádiové vlny mají mnoho pásem

Rádiové vlny disponují nejdelší vlnovou délkou a nejnižší frekvencí, díky čemuž jsou pomalé a stabilní, jde o výborné „běžce na dlouhé tratě“. V každou jednu chvíli jsme ze všech stran doslova obaleni rádiovými vlnami FM a AM, signály mobilních telefonů a WiFi. Jak ale mohou všechny tyto vlny sdílet stejný prostor? Dělají to díky různým pásmům, které se výrazně liší přenosovou kapacitou i dosahem.

• Extrémně nízká frekvence, anglicky extremely low frequency – ELF
  • frekvence 300 Hz až 3 kHz
  • vlnová délka 105–104 km
  • komunikace s ponorkami
• Super nízká frekvence, anglicky super low frequency – SLF
  • frekvence 3–30 kHz
  • vlnová délka 100–10 km
  • komunikace s ponorkami
• Ultra nízká frekvence, anglicky ultra low frequency – ULF
  • frekvence 300–3000 Hz
  • vlnová délka 1000–100 km
  • komunikace v dolech
• Velmi nízká frekvence, anglicky very low frequency – VLF
  • frekvence 30–300 kHz
  • vlnová délka 10–1 km
  • komunikace s ponorkami, bezdrátové měřiče pulsu, vládní rozhlasové stanice
• Nízká frekvence, anglicky low frequency – LF
  • frekvence 30–300 kHz
  • vlnová délka 10–1 km
  • rozhlasové dlouhé vlny (AM), časové signály, meteorologické služby, navigace
• Střední frekvence, anglicky medium frequency – MF
  • frekvence je 0,3–3 MHz
  • vlnová délka 1 km – 100 m
  • přenos rozhlasového vysílání AM, radionavigace a komunikace na malé a střední vzdálenosti
• Vysoká frekvence, anglicky high frequency – HF
  • frekvence 3–30 MHz
  • vlnová délka 100–10 m
  • radiokomunikace na střední a velké vzdálenosti, rozhlasové krátké vlny, amatérská pásma
• Velmi vysoká frekvence, anglicky very high frequency – VHF
  • frekvence 30–300 MHz
  • vlnová délka 10–1 m
  • frekvenčně modulované rozhlasové vysílání (FM), televizní kanály v I., II. a III. televizním pásmu, mobilní radiostanice
• Ultra vysoká frekvence, anglicky ultra high frequency – UHF
  • frekvence 0,3–3 GHz
  • vlnová délka
  • televizní kanály IV. a V. pásma, digitální televize, mobilní telefony, WiFi, GPS, vojenská komunikace, komunikace typu země-vzduch nebo vzduch-vzduch
• Super vysoká frekvence, anglicky super high frequency – SHF
  • frekvence 3–30 GHz
  • vlnová délka 10–1 cm
  • mikrovlnná zařízení, WiFi, radiolokace, radioreléové spoje, telekomunikace, satelitní spojení
• Extrémně vysoká frekvence, anglicky extremely high frequency – EHF
  • frekvence 30–300 GHz
  • vlnová délka 1 cm – 1 mm
  • přistávací a říční radiolokátory, letecké výškoměry, radary, vysokorychlostní mikrovlnný přenos dat

 

 

Šíření rádiových vln

Rádiové vlny se na svých konkrétních frekvencích dostávají z místa na místo přenosem informací pomocí vysílače a přijímače. Ať už mluvíte s někým po telefonu, nebo posloucháte rádio, vysílač přenáší vzduchem informace ve formě sinusové vlny. Ta je zachycena přijímačem, který dekóduje informace v sinusoidě a extrahuje z ní lidský hlas, hudbu, data atd.

Zajímavé je, že samotná sinusoida neobsahuje žádná konkrétní data, je to v podstatě prázdný signál. To je důvod, proč musíme vzít tuto vlnu a modulovat ji. Modulace je proces přidávání další vrstvy užitečných informací.

Existuje celá řada různých typů jednoduchých a složených modulací, přičemž u rádiových vln se jedná zejména o spojité analogové a spojité digitální modulace.

Mezi jednoduché spojité modulace patří například amplitudová modulace, která se používá u rozhlasového vysílání AM, dříve také u analogových televizních signálů. Zde je sinusoida překryta další vlnou informací, jako je například hlas člověka. Amplitudových modulací je několik typů lišících se tím, které z různých informací a v jakém poměru se v signálu ponechají.

Rozhlasové stanice FM a prakticky všechny ostatní bezdrátové technologie využívají frekvenční modulaci. Na rozdíl od amplitudové, která vytváří některé významné fluktuace sinusové vlny, frekvenční modulace mění sinusoidu jen málo. Informace je tedy kódována nikoliv změnou amplitudy nebo fáze, ale změnou frekvence nosné vlny.

Jakmile jsou všechny modulované vlny odeslány vysílačem a přijaty přijímačem, vlna informací je extrahována a my s ní můžeme nakládat, jak potřebujeme:

• přehrát jako zvuk,
• prohlížet jako video,
• přečíst jako text.

 

Jak se vlny dostanou z vysílače do přijímače

Odeslání modulované rádiové vlny není vždy jednoduchý proces cestování z bodu A do bodu B. To, jak se šíří, závisí na tom, jakou frekvenci chcete vysílat.

 

Přímá vlna

Šíří se v oblasti mezi vysílačem a přijímačem na relativně krátké vzdálenosti, podmínkou její existence je přímá viditelnost mezi vysílací a přijímací anténou.

 

Povrchová vlna

Rádiové vlny můžete také vysílat podél zakřivení zemského povrchu ve formě povrchové vlny. Tímto způsobem putují AM rádiové vlny na krátké až střední vzdálenosti, což je důvod, proč chytíte tento signál, i když nemáte vysílač v zorném poli.

 

Prostorová vlna

Jde o vlnu složenou z rádiové vlny přímé a rádiové vlny odražené.

 

Troposférický rozptyl

Odraz rádiové vlny v troposféře je dán existencí atmosférické refrakce. Dálkové troposférické šíření je vytvořeno rozptylem na turbulentních nehomogenitách, odrazem od vrstvových nehomogenit, nebo rozptylem rádiových vln v celé tloušťce troposféry.

 

Odraz od ionosféry

Nakonec můžete také vysílat rádiové vlny přímo k obloze, kde se odrazí od zemské ionosféry zpět dolů k zemi a znovu nahoru. Tímto procesem odrážení tam a zpět vlna doputuje až do konečného cíle. Rádiové spojení s odrazem od ionosféry se využívá na velké vzdálenosti, řádově na tisíce kilometrů.

 

 

Antény jsou nezbytnou součástí procesu

Ve vysílači se antény používají k vysílání rádiových vln a v přijímačích k zachycení rádiové frekvence.

Délka antény je úměrná délce nosné vlny, takže jejich rozměry jsou v rozmezí milimetrů až stovek metrů. Antény se vyrábějí v mnoha různých tvarech. Najdete antény jako dlouhé kovové dráty trčící z FM rádia, kulaté satelitní paraboly, ale i jako kus mědi na desce plošných spojů.

Antény se liší také šířkou pásma, což je její konkrétní rozsah užitečných frekvencí. Čím vyšší je šířka pásma, tím více rádiových vln může zachytit. To je ideální pro televizory, protože jim umožňuje získat více kanálů. Ale například u smartphonu, který potřebuje pouze konkrétní rádiové vlny, není plná šířka pásma nutná.

 

 

Pusťte se do vlastního projektu s rádiovými vlnami

O rádiových vlnách teď víte to nejnutnější a určitě jste připraveni začít s vlastním projektem bezdrátové elektroniky. K tomu vám dokonale poslouží Fusion 360, jediný nástroj pro 3D modelování, který obsahuje vyhrazený pracovní prostor pro elektroniku. Obraťte se na osvědčené dodavatele, kteří vám s instalací Fusion 360 pomohou.