Undele radio proiect fizică

1. UNDELE RADIO
si radiodifuziunea
Lazar
Bogdan
a XI-a A

2. Unde radio
 Undele radio sînt unde electromagnetice
utilizate în special pentru transmisii de radio şi
televiziune, cu frecvenţe de la cîţiva kilohertzi
pînă la cîţiva gigahertzi (1 GHz = 109Hz). În
anumite aplicaţii speciale însă domeniul de
frecvenţe poate fi mult extins. Astfel, în
comunicaţiile cu submarinele se folosesc uneori
frecvenţe de doar cîţiva herţi, iar în comunicaţiile
digitale fără fir sau în radioastronomie frecvenţele
pot fi de ordinul sutelor de gigahertzi. Uniunea
Internaţională a Telecomunicaţiilor, forul care
reglementează telecomunicaţiile prin unde radio,
stabileşte prin convenţie limita superioară a
frecvenţei undelor radio la 3000 GHz.

4.  Benzi
 Pentru transmisii radio şi TV se definesc benzile:
 Radio
• Unde lungi: 153 kHz - 279 kHz
• Unde medii: 531 kHz - 1620 kHz
• Unde scurte: 2310 kHz - 25.820 kHz
• Unde ultrascurte: 88 MHz - 108 MHz
 Televiziune
• Banda I (canalele 2-6): 54 MHz - 88 MHz
• Banda III (canalele 7-13): 174 MHz - 216 MHz
• Benzile IV şi V (canalele 14-69): 470 MHz - 806 MHz

5. Radiodifuziunea
 Radiodifuziunea este o formă de radiocomunicaţie
unilaterală destinată transmiterii programelor pentru
recepţia publică. Principalele forme de radiodifuziune sunt:
 radiodifuziunea sonoră, destinată transmiterii programelor
de radio, şi
 radiodifuziunea vizuală (televiziunea radiodifuzată),
destinată transmiterii programelor de televiziune.
 În prezent, în radiodifuziune sunt folosite ca purtătoare de
sunet, undele kilometrice, hectometrice, decametrice şi
metrice, iar în televiziune undele metrice şi decimetrice, ca
purtătoare de sunet şi imagine. Folosirea lungimilor de
undă mici prezintă avantaje în ceea ce priveşte reducerea
perturbaţiilor, creşterea numărului de canale de
transmisiune fără perturbare reciprocă, lărgirea domeniului
de frecvenţe a semnalului transmis, dirijarea emisiei, dar se
micşorează zona de serviciu a emiţătoarelor.

6.  În radiodifuziunea sonoră sunt folosite, în funcţie de tipul
programului transmis, modulaţia în amplitudine sau modulaţia în
frecvenţă. Sunt modulate în amplitudine undele kilometrice,
hectometrice şi decametrice, iar undele metrice sunt modulate în
frecvenţă. În televiziune, semnalul de imagine modulează în
amplitudine purtătoarea de imagine, iar semnalul de sunet
modulează în amplitudine sau în frecvenţă purtătoarea de sunet.
Pentru evitarea perturbării emisiilor cu frecvenţe purtătoare
învecinate, se stabileşte prin acorduri internaţionale repartizarea
frecvenţelor şi a benzilor de frecvenţe pe tipuri de
radiocomunicaţii, regiuni ale lumii, respectiv ţări şi staţii de
emisie.
 Prima demonstraţie de radiodifuziune sonoră a avut loc în 1906,
fiind efectuată de către Reginald Fessenden. Organizarea
emisiunilor regulate de radiodifuziune sonoră datează din perioada
anilor 1919 - 1920 (în special în SUA şi URSS). În 1922 s-au
realizat emisiuni radiofonice în Anglia şi Franţa, în 1923 în
Germania, iar în 1924 în Italia. În România primele emisiuni
radiofonice au avut loc în 1925, iar primul organism oficial, creat
în 1928 cu scopul realizării unor programe radiofonice regulate, a
fost „Societatea de Difuziune Radiotelefonică”. Postul naţional de
radio din România a fost inaugurat la 1 noiembrie 1928, iar
Studioul naţional de televiziune la 31 decembrie 1956.

7. Emiţătorul
 Emiţătorul (sau radioemiţătorul) este un aparat sau o instalaţie care produce
energie de radiofrecvenţă modulată în vederea asigurării unei radiocomunicaţii
Emiţătorul de radiodifuziune sonoră
 Acesta produce energie de radiofrecvenţă modulată, reprezentând un semnal de
audiofrecvenţă.
 Se compune, în principal, dintr-un oscilator de radiofrecvenţă, stabilizat cu cuarţ, un
amplificator separator, un modulator, un amplificator de putere şi o sursă de
alimentare.
 Funcţionează în gamele de unde lungi (UL), medii (UM) şi scurte (US), producând
oscilaţii electromagnetice modulate în amplitudine, precum şi în gama de ultrascurte
(UUS), producând oscilaţii electromagnetice modulate în frecvenţă.
 Pentru a asigura un raport semnal/zgomot cât mai mare, frecvenţele înalte ale
spectrului audio sunt accentuate (dezaccentuarea corespunzătoare revenind
radioreceptorului).

9. Emiţătorul cu modulaţie în
amplitudine
 În cazul emiţătorului cu modulaţie în amplitudine,
modulaţia se efectuează în etajul final al
amplificatorului de putere (modulaţie la nivel
ridicat al semnalului), sau în unul din etajele
precedente (modulaţie la nivel scăzut al
semnalului).
 Emiţătorul cu modulaţie în amplitudine radiază
puteri de până la 1.000 kW, într-o singură
unitate, în gama de UL sau UM şi 300 - 500 kW în
gama US. În gama de UUS, puterile sunt limitate
la 20 - 50 kW, raza de acţiune a emiţătorului fiind
redusă datorită fenomenelor de propagare. Are
randament ridicat (până la 70% în gama UM şi
55 - 60% în gama US).

10. Emiţătorul cu modulaţie în frecvenţă
 În cazul emiţătorului cu modulaţie în frecvenţă se
utilizează modulaţia la nivel scăzut.
 Emiţătorul cu modulaţie în frecvenţă radiază
puteri variind de la câţiva waţi până la cca. 50
kW. Acet tip de emiţător poate transmite şi
emisiuni stereofonice, dacă au în componenţa lor
uncodor stereofonic.
Emiţătorul de televiziune
 Acesta produce energie de radiofrecvenţă
modulată, reprezentând semnalul de televiziune
de radiofrecvenţă, împreună cu semnalul modulat
de sunet asociat. Se compune, de fapt, din două
emiţătoare, unul de imagine şi unul de sunet,
cuplate la aceeaşi antenă cu ajutorul unui
diplexer imagine-sunet. Pentru o recepţie optimă,
raportul puterilor emiţătorului de imagine şi a
emiţătorului de sunet este normat: 10:1 sau 5:1.

11. Emiţătorul de imagine
 Se compune dintr-un oscilator de radiofrecvenţă stabilizat cu
cuarţ, un multiplicator de frecvenţă, un modulator, un amplificator
de putere, un etaj pentru refacerea componentei de curent
continuu, filtre de rejecţie, linia de transmitere a energiei de la
emiţător la antenă şi sursa de alimentare.
 Funcţionează în gamele de unde metrice şi decimetrice, respectiv
benzile de televiziune I - III (FÎF - foarte înaltă frecvenţă) şi IV - V
(UÎF - ultra înaltă frecvenţă), producând oscilaţii electromagnetice
modulate în amplitudine. Emiţătorul de imagine radiază puteri
atingând zeci sau sute de kW. Modulaţia în amplitudine se
efectuează în etajul final (la nivel înalt al semnalului) sau într-unul
din etajele precedente (la nivel scăzut al semnalului). În scopul
reducerii benzii de frecvenţe ocupate de semnal (cu aproximativ
30 - 35%), una din benzile laterale se reduce cu ajutorul unui
filtru sau prin acordarea circuitelor oscilante ale etajelor
amplificatoare de putere în mod convenabil, transmisiunea
purtând numele de transmisiune cu rest de bandă laterală.
 Potrivit normelor din România, emiţătorul de imagine trebuie să
permită transmiterea uniformă, cu distorsiuni mici, a
componentelor laterale într-o bandă de 6,75 MHz.

12. Emiţătorul de sunet
 Acesta este un emiţător cu modulaţie
în frecvenţă, în România având
frecvenţa purtătoare mai mare cu
6,5 MHz decât a emiţătorului de
imagine, conform normelor de
televiziune D şi K. În principal, are
caracteristici asemănătoare cu ale
emiţătoarelor modulate în frecvenţă
pentru radiodifuziunea sonoră.

13. Radioreleul
 Radioreleul reprezintă un sistem de radiocomunicaţii dirijate pe unde
metrice, decimetrice, sau centimetrice, utilizate la transmiterea semnalelor
radio între două puncte prin recepţii şi retransmisii succesive efectuate în
puncte intermediare. În general între punctele de emisie şi recepţie există
vizibilitate directă.
 Comunicaţiile prin radiorelee se realizează pe următorul principiu: o undă
electromagnetică concentrată într-un fascicul îngust, cu ajutorul unei
antene de emisie directive, este orientată spre punctul de recepţie în care,
cu ajutorul unei antene de recepţie directive, se culege maximum de
energie posibil. Semnalul recepţionat este amplificat şi retransmis către
punctul următor. Astfel, din aproape în aproape, semnalele pot fi
transmise pe disanţe de ordinul miilor de kilometri. În cazul unnei legături
bilaterale, un al doilea fascicul de unde electromagnetice se propagă în
sens invers.
 Tehnica radioreleelor foloseşte pentru transmiterea informaţiilor domeniul
de frecvenţe 30 MHz - 40 GHz, în benzi alocate prin Regulamentul
Radiocomunicaţiilor, cu puteri ale emiţătoarelor până la 20 W.

14.  Radioreleele fixe sunt folosite pentru stabilirea unor legături
stabile între anumite puncte. În general, intră în compunerea
liniilor şi a reţelelor de radiorelee, cu ajutorul cărora se asigură
legături de semnal naţionale şi internaţionale. O linie de radiorelee
poate cuprinde mai multe căi telefonice (de la 24 la 2.700),
fiecare dintre acestea putând cuprinde, la rândul lor, mai multe
canale telegrafice sau de fototelegrafie; canale de radiodifuziune
sonoră, canale de telecomandă, telesemnalizare, telecontrol,
transmisii de date; canale de televiziune cu sunetul asociat;
canale pentru imagini sau date de radiolocaţie.
 Radioreleele mobile servesc atât pentru realizarea legăturilor
telefonice temporare, cât, mai ales, pentru transmiterea
semnalului de televiziune şi a sunetului asociat de la carul de
reportaj de televiziune la staţia de recepţie sau la o staţie a reţelei
de radiorelee fixe, pentru a fi transportat la centrul de televiziune.

15. RADAR
 RADAR (radio detection and ranging, adică detectarea prin radio
şi determinarea distanţei) reprezintă o instalaţie de radiolocaţie
care radiază microunde electromagnetice şi foloseşte reflexia
acestora pe diferite obiecte pentru a determina existenţa şi
distanţa lor faţă de antenă. Se compune, de obicei, dintr-un
emiţător, un receptor şi un sistem de antene (care, de obicei, se
poate roti în plan orizontal şi/sau vertical) cu directivitate
pronunţată. Receptorul cuprinde şi un indicator al existenţei şi
poziţiei obiectului (de obicei un tub catodic cu persistenţă mărită a
imaginii).
 Deşi principiile radarului au fost enunţate de către Nicolae Tesla la
sfârşitul secolului al XIX-lea, primele implementări fizice au avut
loc în Marea Britanie, pe coasta de sud, în 1935 - 1936. Iniţial,
aparatele erau destinate navigaţiei maritime, însă ele s-au dovedit
foarte utile în timpul celui de-Al Doilea Război Mondial, pentru
detecţia din timp a bombardierelor inamice.

16. Principiu de funcţionare
 Sistemul de coordonate polare ale
radarului, raportat la sistemul cartezian
 Principiul de bază al radarului este
reprezentat de reflexia microundelor pe
suprafeţe solide. Receptorul, analizând
diferenţa de timp dintre emisia şi recepţia
undei reflectate de către un corp detectat,
poate aprecia distanţa r a acestuia faţă de
sursa microundelor. Antena de microunde
este reciprocă, putând atât emite cât şi
recepţiona undele electromagnetice. Cele
două stări ale antenei funcţionează
secvenţial (pe rând).

17.  Pentru obiectele în zbor, poziţia este caracterizată de trei
coordonate. În practică nu se foloseşte sistemul
tridimensional (cartezian) ci se lucrează cu coordonate
polare (vedeti slide-ul urmator). Azimutul Θ şi unghiul de
înălţre β nu pot fi deduse prin procedeul radar. Ele sunt
stabilite la sol, cu ajutorul mecanismului de orientare al
antenei. Poziţia curentă a acesteia se compară cu cea de
referinţă: orientarea către nord (Θ = 0) pe o traiectorie
paralelă cu solul (β = 0).
 În mediile militare, unghiul Θ nu se exprimă în grade sau
radiani, ci în sutimi. Acestea sunt unităţi fixe,
corespunzătoare principalelor puncte cardinale, în sens
antitrigonometric (N = 000 sutimi, E = 100 sutimi, S = 200
sutimi, V = 300 sutimi şi iarăşi N = 400 sutimi). Spre
exemplu, unghiul corespunzător direcţiei NNE va avea 25
sutimi, iar cel corespunzător direcţiei SVV — 275 sutimi.

19. Limitări ale radarului
 Distanţa maximă rmax până la care un radar poate detecta corpurile zburătoare
depinde de puterea de emisie a antenei:
 În formula de mai sus, σ reprezintă suprafaţa de reflexie eficace (ori secţiunea
transvesrsală), Pe — puterea emisă de antenă, Pr min — puterea reflectată minimă,
încă detectabilă, G — câştigul antenei (gain), iar λ — lungimea de undă a radiaţiei
emise.
 Distanţa minimă rmin de detecţie a radarului este limitată de valoarea minimă a
intervalului Δt măsurabil. În practică, rmin < 100 m, ceea ce înseamnă că obiectele
ce zboară la o altitudine mai mică de 100 m nu sunt detectate de către radar.
 Lipsa reflexiei sau mai bine zis lipsa unei unde reflectate care să poată fi captată de
către radar este un fenomen caracteristic corpurilor fără porţiuni rotunjite. Acest fapt
a fost exploatat de către fabricanţii avioanelor cu tehnologie stealth, care pe lângă
dotarea lor cu un strat absorbant de microunde, le-au creat având la bază o
arhitectură numai cu unghiuri şi suprafeţe plane. Astfel, posibilitatea ca o undă
reflectată de către suprafeţele plane ale avionului să ajungă înapoi la radar este
foarte mică, iar în cazul în care ar avea loc, s-ar întâmpla doar pentru o fracţiune de
secundă (avionul mişcându-se, următoarea undă reflectată va ajunge în alt loc).
Lockheed F-117A Nighthawk este primul avion operaţional din lume care foloseşte
tehnologia stealth.

20. Radarul de circulatie
 Termenul de „radar” este deseori folosit greşit pentru dispozitivele
de detecţie a vitezei corpurilor mobile, folosite şi de către
organele de ordine în monitorizarea circulaţiei auto. Aceste
dispozitive au la bază un alt fenomen fizic, diferit de cel radar:
efectul Doppler. Antena emite, la intervale fixe τ, pachete de
microunde cu frecvenţa fe.
 Între intervalele de emisie, ea recepţionează frecvenţa undei
reflectate fr. Viteza de mişcare a corpului este calculată automat
după formula
 În formulă, c reprezintă viteza de propagare a undei emise, iar θ
este unghiul dintre direcţia de emisie a antenei şi orizontală.
Deoarece în calculul final se face aproximaţia cosθ ≈ 1, înseamnă
că acest unghi trebuie să fie mai mic de 10°. În practică, „radarul”
auto este orientat de-a lungul drumului şi frecvenţa emisă de
acesta are valori de la 3 GHz în sus. La 3 GHz, dispozitivul poate
detecta viteze între 36 şi 144 km/h.