Radijo ryšys, informacijos perdavimas radijo bangomis, yra neatsiejama šiuolaikinės visuomenės dalis. Jis apima įvairias formas - nuo vaizdinio (televizija) ir garsinio (radijas) iki vis sparčiau populiarėjančio mobiliojo radijo ryšio ir bevielių duomenų perdavimo sistemų. Visa tai įmanoma dėl fundamentalių fizikos dėsnių ir daugybės išradėjų bei mokslininkų pastangų, kurių darbai leido suprasti ir pritaikyti radijo bangų sklidimo principus.
Radijo bangų atsiradimas ir teorinis pagrindas
Kelionė į radijo ryšio pasaulį prasideda nuo teorinių atradimų. 1864 m. Džeimsas Klarkas Maksvelas (James Clerk Maxwell) aprašė elektrodinamikos dėsnius ir išvedė matematines lygtis, vėliau pavadintas jo vardu. Šios lygtys numatė egzistuojant elektromagnetines bangas, kurios gali sklisti erdvėje. Tačiau to meto eksperimentinė fizika dar nebuvo pasirengusi praktiškai patikrinti šių išvadų.
Vis dėlto, 1873 m. Maksvelo darbas „Traktatas apie elektrą ir magnetizmą” padėjo pamatus būsimiems atradimams. Tik 1887 m. Heinrichas Hercas (Heinrich Hertz) sėkmingai patvirtino D. K. Maksvelo teiginius, pateikdamas įrodymus apie radijo bangų sklidimą laisvoje erdvėje. Hercas naudojo tobulintą kibirkštinį siųstuvą, kuris generavo elektromagnetines bangas, ir savo sukonstruotu imtuvu jas priėmė. Jo imtuvas buvo primityvus - storos vielos žiedas su tarpu, kuriame pasirodydavo maža kibirkštis, reaguojant į elektromagnetines bangas. Hercas taip pat atrado, kad elektromagnetines bangas galima aprašyti diferencialine lygtimi dalinėmis išvestinėmis, žinoma kaip bangos lygtis.
Ankstyvieji eksperimentai ir išradimai
Po Hercas atradimų prasidėjo aktyvi paieška informacijos perdavimo galimybių radijo bangomis. 1879 m. Deividas Hjūzas (David Hughes) pastebėjo, kad kibirkštį galima išgirsti kaip traškesius per ausines. Jis pasigamino primityvų kibirkštinį siųstuvą ir sugebėjo perduoti Morzės signalus 460 metrų nuotoliu. Nors 1880 m. jis pademonstravo savo sistemą Londono karališkosios draugijos atstovams, šie jį sukritikavo, neteisingai manydami, kad tai ne elektromagnetinės bangos, o indukcija.
1884 ir 1885 m. italų fizikų žurnale „Nuovo Cimento” pasirodė italų išradėjo Temistoklio Kalzekio-Onesčio (Temistocles Calzetta-Onesti) straipsniai, aprašantys jo eksperimentus. Jis sukūrė vamzdelį, pripildytą metalo drožlėmis, kuris reaguodavo į elektromagnetines bangas: atsiradus elektromagnetiniam laukui, drožlės „išsirikiuodavo” taip, kad sumažėdavo bendra jų varža, padidindavo laidumas. Norint laidumą atstatyti, vamzdelį reikėdavo sukrėsti.
Šis prietaisas buvo toliau tobulinamas. 1890 m. lapkričio 20 d. Eduardas Branli (Édouard Branly) pademonstravo prietaisą, reaguojantį į elektromagnetines bangas, sukeltas kibirkšties iškrovų. Iš esmės tai buvo Kalzekio-Onesčio prietaiso modifikacija, kurią Branli pavadino „radijo laidininku” (radioconducteur). Prietaisas, užpildytas metalo drožlėmis, padidindavo savo elektrinį laidumą „pagavęs” elektromagnetines bangas, tačiau tai galėjo padaryti tik vieną kartą - dingus bangoms, laidumas nesumažėdavo.
1894 m. rugpjūčio 14 d. seras Oliveris Lodžas (Oliver Lodge) ir Aleksandras Mjurhedas (Alexander Muirhead) pademonstravo savo „elektromagnetinių bangų registracijos prietaisą”, kuriame naudojo Branlio „radijo laidininką”, kurį Lodžas pavadino „kohereriu”. Kad atsistatytų kohererio laidumas, Lodžas pridėjo mechanizmą, kuris tam tikrais laiko tarpais sukrėsdavo kohererį, paruošdamas jį naujam priėmimui.
1895 m. gegužės 7 d. Aleksandras Popovas (Alexander Popov) pademonstravo dar labiau patobulintą prietaisą, pavadintą „žaibo žymekliu” (грозоотметчик). Po kiekvieno sureagavimo į elektromagnetines bangas tam tikras mechanizmas iš karto sukrėsdavo kohererį, todėl jis būdavo pasiruošęs darbui iš karto.
Gulielmas Markonis ir radijo ryšio patentas
Nors daugybė mokslininkų prisidėjo prie radijo technologijos vystymo, Gulielmas Markonis (Guglielmo Marconi) yra plačiai laikomas radijo išradėju. 1896 m. birželio 2 d. jis pateikė paraišką savo sukurtos radijo ryšio sistemos užpatentavimui ir 1897 m. gegužės 20 d. gavo D. Britanijos patentą Nr. 12039 „Elektrinių impulsų ir signalų perdavimo bei tam skirtų aparatų patobulinimai”. Tai buvo pirmasis ryšių sistemos, paremtos elektromagnetinių bangų sklidimu, patentas. Markonio eksperimentinis prietaisas tapo pirmąja iš inžinerijos pusės išbaigta, komerciškai sėkminga radijo perdavimo sistema. Tai jau buvo tikra ryšio sistema (siųstuvas ir imtuvas), skirta būtent informacijos perdavimui ir priėmimui, o ne tik „Herco bangoms” aptikti.
Visgi, Markonio sistema dar nebuvo tobula. Signalai buvo siunčiami kibirkštiniu siųstuvu, kuris generuodavo paprasčiausią kibirkštį, sukeldama elektromagnetinį lauką visose radijo bangose. Šis trūkumas buvo pašalintas vėliau.
Nikola Tesla ir bangos ilgio nustatymas
Serbų kilmės amerikiečių išradėjas Nikola Tesla (Nikola Tesla) sukūrė sistemos patobulinimus, įvesdamas į ją bangos ilgio nustatymo mechanizmą. 1897 m. rugsėjo 2 d. jis gavo JAV patentą Nr. 645576, patvirtinantį šį išradimą. Dabar siųstuvas spinduliuodavo tik tam tikro ilgio bangą, o imtuvas būdavo nustatomas būtent tai bangai priimti. Markonis taip pat patobulino savo sistemą bangos nustatymo mechanizmu ir 1900 m. balandžio 26 d. gavo jai D. Britanijos patentą Nr. 7777.
Ginčas dėl radijo ryšio sistemos patobulinimo įvedant bangos ilgio nustatymo mechanizmą buvo išspręstas 1943 m. JAV Aukščiausiojo Teismo sprendimu, kuris nusprendė, kad šio patobulinimo pirmumas priklauso Teslai - jo patentas Nr. 645576 yra pirmesnis už Markonio patentą Nr. 11913. Tačiau šis sprendimas buvo priimtas jau po Teslos mirties. Teismo sprendime taip pat buvo pabrėžta, kad Markonio reputacija kaip žmogaus, kuris pirmasis užmezgė radijo ryšį, jokiu būdu nenukenčia, nes ji yra paremta pirmuoju Markonio patentu.
1893 m. Sent Luise Nikola Tesla jau apibūdino ir pademonstravo savo radijo ryšio principus, apimdamas visus elementus, kurie vėliau buvo panaudoti radijo sistemose iki vakuuminio vamzdelio išradimo. Apie 1900 m. Tesla sukūrė Vardenklaifo Bokšto infrastruktūrą, kuri turėjo tarnauti bevielio ryšio eksperimentams.
Pirmoji garsinė radijo laida ir radijo transliavimo pradžia
1906 m. Kūčių vakarą Redžinaldas Fesendenas (Reginald Fessenden) iš Brant Roko (Masačiūsetsas, JAV) transliavo pirmąją pasaulyje garsinę radijo laidą. Jis grojo muziką, skaitė Biblijos ištrauką ir kvietė klausytojus rašyti raportus apie laidos girdimumą. Nors šios demonstracijos iš pradžių nesulaukė didelio atgarsio, jos žymėjo naują etapą radijo technologijos vystyme.
Pirmosios pasaulyje žinių laidos prasidėjo 1920 m. rugpjūčio 31 d. Detroito (JAV) radijo stotyje 8MK. Vėliau, 1922 m., prasidėjo pirmosios reguliarios pasaulio transliacijos. Oro pajėgos naudojo komercines viduriniųjų bangų radijo stotis navigacijai.
Radijo bangų sklidimo ypatumai
Radijo bangų sklidimui turi įtakos sklidimo terpės savybės ir kelyje sutikti objektai. Tai gali sukelti atspindžius, refrakciją, difrakciją, absorbciją, sklaidą ir poliarizacijos pokyčius. Dėl šių reiškinių radijo bangos gali įveikti skirtingus kelius ir atstumus.
- Laisvoji erdvė: Radijo bangos sklinda tiesiai, panašiai kaip šviesa.
- Paviršinis sklidimas: Ilgosios ir vidutinės bangos sklinda išilgai žemės, sekdamos jos kreivumą. Jos prasiskverbia į žemės paviršių, jame sukelia sroves ir kiekvienas žemės paviršiaus taškas tampa nauju radijo bangų šaltiniu.
- Jonosferinis sklidimas: Dekametrinės ir metrinės radijo bangos atsispindi nuo jonosferos, viršutinio atmosferos sluoksnio. Tai leidžia pasiekti didelius atstumus, net ir už horizonto. Ryšio kokybė ir galimybė labai priklauso nuo atmosferos būklės.
Stabiliam ryšiui pagerinti naudinga iškelti siųstuvo ir imtuvo antenas kuo aukščiau. Pavyzdžiui, Varšuvos radijo stiebas, stovėjęs iki 1991 m., siekė 646 metrų aukštį.
Radijo dažnių spektras ir jo valdymas
Šiuolaikinėje visuomenėje radijo dažnių spektras yra ribotas gamtinis resursas, kurį valdo valstybė. Nuolat augantis poreikis naudotis pažangiomis ryšių technologijomis didina radijo dažnių paklausą. Siekiant užtikrinti suderinamumą tarp naudotojų ir sudaryti sąlygas verslui bei visuomenei, atliekamas radijo dažnių valdymas. Efektyvus valdymas yra prielaida naujoms technologijoms įsitvirtinti.
Radijo dažnių spektras apima diapazoną nuo 30 Hz iki 300 GHz. Šiame diapazone esančios elektromagnetinės bangos, vadinamos radijo bangomis, plačiai naudojamos telekomunikacijose, įskaitant belaidžio plačiajuosčio ryšio korinio ryšio technologijas (pvz., 4G, 5G) ir „WiFi“ sistemas.
ES valstybės narės valdo radijo spektrą, laikydamosi ES lygmens teisės aktų ir tarptautinių susitarimų. Komisija kartu su valstybėmis narėmis plėtoja ES masto spektro politiką ir koordinuoja derinimą bei įgyvendinimą, siekdama remti bendrąją rinką ir mažinti žalingųjų trukdžių riziką.
Radijo ryšio režimai ir technologijos
Radijo ryšys gali būti suskirstytas į tris pagrindinius perdavimo režimus pagal duomenų srauto kryptį:
- Vienpusis (simplex): Signalas perduodamas tik viena kryptimi. Tai paprasta įranga, taupanti energiją, bet nepatogu naudoti dėl PTT (Push-To-Talk) jungiklio. Pavyzdys - ryšys tarp kompiuterio ir spausdintuvo.
- Pusiau dvipusis (half-duplex): Signalai gali būti perduodami dviem kryptimis, bet vienu metu tik viena. Tai vienpusis ryšys su perjungiamomis kryptimis. Tradicinės racijos naudoja šį režimą.
- Dvipusis (full-duplex): Abi bendraujančios šalys gali perduoti informaciją tuo pačiu metu. Tai panašu į įprastus telefonus ir nereikalauja krypties keitimo. Šis metodas reikalauja, kad abi šalys turėtų siųstuvą ir imtuvą.
XX a. ketvirtojo dešimtmečio pradžioje radijo mėgėjai išrado vienos šalinės juostos (SSB) ir dažnių moduliaciją (FM). Vėliau, 1960 m. ir aštuntajame dešimtmetyje, LORAN tapo pagrindine radijo navigacine sistema. Dešimto dešimtmečio pradžioje eksperimentuotojai pradėjo naudoti kompiuterius radijo signalų apdorojimui, o 1994 m. JAV armija ir DARPA sėkmingai sukūrė skaitmeninį radiją.
Radijo mėgėjų veikla Lietuvoje
Lietuvoje radijo mėgėjų veiklą reglamentuoja Teisės užsiimti radijo mėgėjų veikla suteikimo tvarkos ir užsiėmimo šia veikla sąlygų aprašas. Prieš įjungiant radijo stotį siuntimo režimu, būtina turėti galiojantį leidimą, kurį išduoda LR Ryšių reguliavimo tarnyba (LR RRT). Leidimai būna dviejų klasių: A ir B. Norint gauti leidimą, reikia pateikti dokumentus ir išlaikyti egzaminą.
Radijo mėgėjams draudžiama:
- Naudoti radijo stotis komerciniais tikslais ar ieškoti verslo partnerių.
- Siųsti muziką, naujienas, reklamas, savikūros kodus ar santrumpas.
- Siųsti tarptautinius nelaimės signalus „SOS“ ir „MAYDAY“ nesilaikant ITU taisyklių.
- Transliuoti muziką ar informaciją, pažeidžiančią asmens privataus gyvenimo neliečiamumą.
- Retransliuoti vietinės radiofoninės radijo stoties programą.
Tačiau leidžiama siųsti asmeninius pirkimo ir pardavimo pranešimus, jei informacija tiesiogiai susijusi su radijo mėgėjų radijo stotimis. Taip pat leidžiama naudoti Q kodą ir prisijungti prie skaitmeninių tinklų, įskaitant internetą.
Radijo stoties identifikavimui eteryje naudojamas radijo šaukinys, kurį skiria LR RRT. Lietuvoje šaukinių prefiksas yra „LY“. Radijo šaukinys turi būti perduodamas siuntimo pradžioje arba pabaigoje, ir ne rečiau kaip kas 5 minutes.
5G technologija ir elektromagnetinių bangų poveikis
5G technologija yra penktoji mobiliojo ryšio karta, grindžiama tais pačiais radijo bangų sklidimo principais kaip ir ankstesnės kartos (3G, 4G). Nėra jokio skirtumo tarp 3G, 4G ir 5G technologijų elektromagnetinio lauko poveikio. 5G technologija užtikrina didesnę duomenų perdavimo spartą, mažesnę signalo perdavimo delsą ir galimybes aptarnauti daugiau naudotojų vienu metu.
Supaprastinta 5G tinklo architektūra
Pasaulio sveikatos organizacija (PSO) ir kitos tarptautinės institucijos patvirtina, kad žemo lygio elektromagnetiniai laukai, tokie kaip sklindantys iš radijo ir televizijos stočių ar mobiliojo ryšio bazinių stočių, nekelia grėsmės žmogaus sveikatai. ES nustatytos griežtos elektromagnetinių laukų ribos, atitinkančios Tarptautinės apsaugos nuo nejonizuojančiosios spinduliuotės komisijos (ICNIRP) gaires. Nėra jokio ryšio tarp 5G ir COVID-19.
Išvados
Radijo ryšys peržengė savo ankstyvųjų eksperimentų ribas ir tapo sudėtinga, daugialype technologija, apimančia daugybę sričių. Nuo teorinių Maksvelo bangų atradimo iki modernių 5G tinklų, kiekvienas žingsnis buvo svarbus. Šiuolaikinės technologijos ir reguliavimas užtikrina saugų ir efektyvų radijo spektro naudojimą, atveriantį naujas galimybes informacijos perdavimui ir bendravimui.