Radioaallot

Radioaallot ovat sähkömagneettisia aaltoja, joiden taajuusspektri on määrittelijästä riippuen 30–3 000 hertsistä noin 300–3 000 gigahertsiin (GHz) ja aallonpituus millimetreistä kymmeniin tuhansiin kilometreihin.^[1] Periaatteessa radioaaltoja ovat kaikki tätäkin pidemmät (pienitaajuisemmat) sähkömagneettiset aallot.^[2]

Radioaallot eivät ole vain ihmisen tuottamia radiolähetysten lähetysaaltoja, sillä radioaaltoja on ympärillämme myös luonnostaan: kaikki kappaleet, joiden lämpötila on absoluuttista nollapistettä korkeampi, emittoivat radioaaltoja.^[2]

Luonnolliset säteilylähteet, kuten salamat, Aurinko ja pulsarit – kuten myös ihmiskeho – tuottavat radiotaajuusalueen sähkömagneettista säteilyä.^[2][3][1]

Pääartikkeli: Sähkömagneettinen säteily

Sähkömagneettisen säteilyn yksittäisen kvantin eli fotonin energia on suoraan verrannollinen säteilyn taajuuteen ja kääntäen verrannollinen aallonpituuteen. Kuiva ilma on radioaalloille käytännössä tyhjiöön verrattava väliaine. Tyhjiössä sähkömagneettisen kentän energia jakautuu tasan magneetti- ja sähkökentän kesken. Se mikä ei ole vakio, on säteilyn intensiteetti, eli pinta-alayksikölle osuvan säteilynergian määrä aikayksikössä. Intensiteetti määritellään yleensä watteina yhden neliömetrin alalle. ^[2](s. 42)

Fotonin energia E määräytyy taajuudesta: ${\displaystyle E=hf}$, jossa h on Planckin vakio 6,626196 · 10^-34 Js, ja f on taajuus. Fotonilla on myös liikemäärämomentti p, suuruudeltaan ${\displaystyle p=h/\lambda }$, missä λ on aallonpituus.^{[2](s. 42, 45)}

Sähkömagneettinen aalto hidastuu väliaineessa, jolloin sen aallonpituus lyhenee, mutta taajuus ja kvantin energia eivät muutu. Sähkömagneettisen aallon nopeus väliaineessa riippuu väliaineen suhteellisesta permeabiliteetista ja suhteellisesta permittiivisyydestä. Koaksiaalikaapelissa nopeus hidastuu noin 2/3:aan verrattuna valon nopeuteen tyhjiössä.^[2](s. 43)

Sähkömagneettisen aallon nopeus tyhjiössä on valonnopeus, eli 299 792 458 m/s. Likiarvo 300 000 000 m/s on usein riittävän tarkka moniin käytännön laskuihin. Aallonpituus saadaan jakamalla nopeus taajuudella. 300 MHz:n taajuudella aallonpituus on yksi metri: 300 10⁶ m/s ÷ 300 10⁶ Hz = 1 m. (Taajuuden yksikkö Hz = 1/s). ^[2](s. 43)

Pääartikkeli: Radio#historia

Radioaaltojen olemassaolon ennusti skotlantilainen matemaattinen fyysikko James Clerk Maxwell vuonna 1867. Katso Maxwellin yhtälöt.

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

Italialainen keksijä Guglielmo Marconi kehitti ensimmäiset käytännön radiolähettimet ja -vastaanottimet noin 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^[1]. Nykyisin yleisradiotoiminnassa käytetään yleisesti 87–108 megahertsin taajuisia radioaaltoja (Suomessa ja Länsi-Euroopassa 87,5–108 MHz^[4]).

Pääartikkeli: Radio

Lähes kaikki langattomat yhteydet^[a] perustuu radioaaltojen käyttöön. Radioaaltoja hyödyntäviä laitteita ovat muun muassa televisio, radio, WLAN- ja muut langattomat tiedonsiirtolaitteet, bluetooth-laitteet, langattomat kuulokkeet ja matkapuhelimet.^[1] Sen sijaan television kaukosäädin toimii pääsääntöisesti infrapuna-aaltoalueella.

Radioaalloilla voidaan välittää signaaleja radioaaltoa moduloimalla. Yksinkertaisin radiotoiminnassa käytettävä modulaatio on amplitudimodulaatio (AM) ja yleisin taajuusmodulaatio (FM).

Radiovastaanottimen pitää tukea lähetyksessä käytettyä modulaatiota kyetäkseen vastaanottamaan lähetystä.

Pääartikkeli: Radio

Katso: Radiolähetin

Radio(aalto)lähetin muodostaa käyttötarkoituksensa mukaisen (määrätaajuinen radioaalto (kantoaalto), mahdolliset apukantoaallot, informaatio, modulaatio ja teho) sähkömagneettisen kentän, jonka piirissä radioaallot ovat vastaanotettavissa.

Radioaaltoja voidaan lähettää eri polarisaatioilla, kuten esimerkiksi vaaka-, pysty- ja ympyräpolarisaatiolla^[4]. Lähetysantenni määrittää polarisaation. Vastaanottimen antenni pitää sovittaa lähetyksen polarisaatioon radioaaltojen mahdollisimman hyvän vastaanottamisen tukemiseksi.

Käytännössä radioaalto synnytetään johtamalla määrätaajuinen vaihtojännite antenniin, joka siirtää energian radioaaltoina etenevään sähkömagneettiseen kenttään.^[2]

Radioaaltojen liikettä lähettimestä eteenpäin kutsutaan etenemiseksi. Tyhjiössä, johon mittatarkkuuden puitteissa voidaan lukea maan ilmakehä, ympärisäteilevän lähetysantennin kentän signaalin tehotiheys vaimenee verrannollisena etäisyyden neliöön lähetysantennista loitonnuttaessa, kun aallot leviävät yhä laajemmalle alueelle.^[2][1] Hukkatehoa voidaan minimoida suunta-antennilla.

Radioaaltojen etenemisnopeus riippuu väliaineesta. Tyhjiössä radioaallot etenevät valonnopeudella. Radioaallon aallonpituus saadaan jakamalla radioaallon etenemisnopeus sen taajuudella:

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

missä:

• v on radioaallon etenemisnopeus (m/s) (tyhjiössä 299 792 458 m/s),
• f on radioaallon taajuus (Hz).

Aallonpituus muutetaan taajuudeksi vastaavasti jakamalla etenemisnopeus aallonpituudella:

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

Radioaaltojen etenemisessä on kyse energian siirtymisestä paikasta toiseen sähkömagneettisen kentän värähtelyinä.^[4]

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 heijastua ionosfääristä ja palata maahan horisontin ulkopuolelle (taivasallot), jopa toiselle puolelle maapalloa, kun taas lyhyet aallot (engl. short wave, SW, 2 300–26 100 kHz) taipuvat tai hajautuvat hyvin vähän ja kulkevat suoraviivaisesti, joten niiden etenemisetäisyydet rajoittuvat horisonttiin.^[2]

Ilmakehä on lähes läpinäkymätön radioaalloille noin 30 GHz:stä (10 mm) noin 20 terahertsiin (15 um) asti. Tämä johtuu radioaaltojen absorboitumisesta ilmakehän vesihöyryyn^[2](s. 56)

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 radiokelillä^[b] kantamat voivat moninkertaistua. Myös keinovalaistuksella, pölyllä, kuin pilvikorkeudellakin voi tajuusalueesta riippuen olla etenemistä heikentävä vaikutus.^{[2](s. 56-57)}

Katso: Radiovastaanotin

Vastaanotossa otetaan vastaan radioaallon energiaa. Antenni on sovitin sähkömagneettisten aaltojen ja radiovastaanottimen virtapiirien välillä.

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

Vastaanotossa saattaa olla tarpeen ottaa huomioon myös lähetetyn radioaallon polarisaatio vastaanoton varmistamiseksi. Tämä on lähes välttämätöntä maanpäällisiä TV-lähetyksiä vastaanotettaessa.

Termistön lähteet

• radiokeli^[5][6]

• 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

• 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

• Kuvia tai muita tiedostoja aiheesta Radioaallot Wikimedia Commonsissa

• Metsähovi : Sähkömagneettinen säteily

• Yle Areena : Mitä tarkoitetaan hyvällä radiokelillä?