EM-spectrum

Wat zijn radiogolven?

Westerbork Synthesis Radio Telescope
Westerbork Synthesis Radio Telescope. De radiotelescoop bestaat uit verschillende verrijdbare antennes die samen één grote telescoop vormen. (Credit: Wikimedia Commons)

Radiogolven zijn een type elektromagnetische straling die het best bekend is van hun gebruik voor communicatietechnologieën zoals televisie, radio en mobiele telefoons. Deze apparaten ontvangen radiogolven en zetten deze om naar mechanische vibraties in een luidspreker, Op deze manier worden er geluidsgolven van gemaakt.

Het radiofrequentiespectrum is maar een relatief klein deel van het elektromagnetische spectrum. Dit EM-spectrum wordt meestal in zeven verschillende gebieden verdeeld in volgorde van afnemende golflengte en toenemende energie en frequentie. De algemene aanduidingen zijn radiogolven, microgolven, infrarode golven, zichtbaar licht, ultraviolette golven, röntgengolven en gammastraling.

In het elektromagnetische spectrum hebben radiogolven de langste golflengtes. Ze variëren van ongeveer 1 millimeter tot meer dan 100 kilometer. Ze hebben ook de laagste frequenties, variërend van 3 KHz tot meer dan 300 GHz.

Het radiospectrum heeft maar een gelimiteerd bereik, we kunnen het een beetje vergelijken met akkerland. Net zoals akkerbouwers hun land moeten indelen om de maximale oogst qua hoeveelheid en gevarieerdheid te behalen moet het radiospectrum op de meest efficiënte manier worden verdeeld onder alle gebruikers.

Ontdekking

Omstreeks 1870 had de Schotse natuurkundige James Clerk Maxwell een uniforme theorie over elektromagnetisme opgesteld. Hij voorspelde ook het bestaan van radiogolven. In 1886 was het de Duitse natuurkundige Heinrich Hertz die de theorieën van Maxwell in de praktijk toepaste. Hij produceerde en registreerde radiogolven. Hertz maakte gebruik van huis-tuin-en-keukengereedschap waaronder een inductiespoel en een zogenaamde Leidse fles. Dit is een hele vroege versie van een weerstand bestaande uit een glazen pot met aan de binnen en de buitenzijde laagjes metaalfolie. Hertz was de eerste die gecontroleerd radiogolven kon opwekken en ontvangen. De eenheid van frequentie in het EM-spectrum, een cyclus per seconde, is naar Hertz vernoemd.

Banden van radiogolven

Radiogolven worden vaak in 9 banden opgedeeld

Band Frequentiebereik Golflengtebereik
Emtremely Low Frequency (ELF) < 3 kHz > 100 km
Very Low Frequency (VLF 3 – 30 kHz 10 – 100 km
Medium Frequency (MF) 300 kHz – 3 MHz 100 meter – 1 km
High Frequency (HF) 3 – 30 MHz 10 – 100 meter
Very High Frequency (VHF) 30 – 300 MHz 1 – 10 meter
Ultra High Frequency (UHF) 300 MHz – 3 GHz 10 cm – 1 meter
Super High Frequency (SHF) 3 – 30 Ghz 10 – 100 mm
Extremely High Frequency (EHF) 30 – 300 Ghz 1 mm tot 1 cm

Lage tot gemiddelde frequenties

ELF radiogolven, de laagste van alle radiofrequenties, hebben een lange range en kunnen door water en gesteente heen dus ze worden gebruikt voor de communicatie met duikboten en in mijnen en grotten. De sterkste natuurlijke bron van ELF/VLF-golven is bliksem. Golven die door bliksem zijn geproduceerd kunnen op en neer tussen de Aarde en de ionosfeer (de atmosferische laag waar hoge concentraties ionen en vrije elektronen voorkomen) kaatsen. Deze verstoringen door bliksem kunnen belangrijke radiosignalen naar satellieten verstoren.

De LM en MF banden worden o.a. gebruikt voor de zeevaart en de luchtvaart maar ze worden ook gebruikt voor commerciële AM-radio. AM radiofrequenties bevinden zich tussen 535 KHz tot 1,7 MHz. AM-radio heeft, in het bijzonder ’s nachts als de ionosfeer radiogolven beter terug kan kaatsen naar de Aarde, een groter bereik. Maar AM-radio heeft ook last van interferenties die de geluidskwaliteit beïnvloeden. Als een signaal gedeeltelijk wordt geblokkeerd, bijvoorbeeld door een wolkenkrabber met veel metaal in zijn structuur, dan neemt het volume van het geluid ook af.

Hogere frequenties

De HF, CHF en UHF-banden worden gebruikt door FM-radio, televisie-uitzendingen, GPS en mobiele telefonie. Deze banden maken gebruik van Frequentie Modulatie (FM) voor het coderen van een audio of een datasignaal naar een draaggolf. Met frequentie modulatie blijft de amplitude van het signaal constant terwijl de frequentie hoger of lager wordt gevarieerd met een snelheid en magnitude die overeenkomst met het audio- of datasignaal.

FM resulteert in een betere signaalkwaliteit dan AM omdat omgevingsfactoren de frequentie niet beïnvloeden op de manier zoals ze de amplitude beïnvloeden. Daarnaast negeert de ontvanger variaties in amplitude zolang het signaal boven een minimum drempel blijft. FM-radiofrequenties bevinden zich tussen 88 MHz en 108 MHz.

Korte golfradio

Kortegolfradio gebruikt frequenties in de HF-band e dat is van ongeveer 1,7 MHz tot 30 MHz. Binnen dat bereik is het kortegolfspectrum onderverdeeld in verschillende segmenten waarvan sommige zijn toebedeeld aan reguliere omroepen. Over de hele wereld zijn er honderden kortegolfstations. Kortegolfstations zijn vaak over duizenden kilometers te horen en dat komt doordat de signalen tegen de ionosfeer stuiteren en honderden of zelfs duizenden kilometers verderop terugkaatsen vanaf hun beginpunt.

De hoogste frequenties

SHF en EHF vertegenwoordigen de hoogste frequenties in de radioband en ze worden soms beschouwd als onderdeel van de microgolfband. Moleculen in de lucht absorberen deze frequenties en dat beperkt hun bereik en hun toepassingen. Door hun korte golflengte kunnen signalen echter wel in smalle bundels m.b.v. parabolische schotelantennes (satellietschotelantennes) worden gericht. Dit maakt communicatie met een hoge bandbreedte op korte afstand tussen vaste locaties mogelijk.

SHF, dat minder door de lucht wordt beïnvloed dan EHF, wordt gebruikt voor toepassingen op korte afstand zoals Wi-Fi, Bluetooth en draadloze USB. SH kan alleen werken op zichtlijnen omdat de golven de neiging hebben om tegen objecten, zoals auto’s boten en vliegtuigen, te stuiteren. Omdat de golven tegen objecten stuiteren kan SHF ook gebruikt worden voor radar.

Astronomische bronnen

De ruimte wemelt van bronnen van radiogolven: planeten, sterren, gas- en stofwolken, sterrenstelsels, pulsars en zelfs zwarte gaten. Door deze te bestuderen kunnen astronomen de beweging en chemische samenstelling van deze kosmische bronnen leren kennen, evenals de processen die verantwoordelijk zijn voor deze emissies.

Een radiotelescoop ziet de sterrenhemel heel anders dan wij die zien in zichtbaar licht. In plaats van puntachtige sterren te zien pikt een radiotelescoop verre pulsars, stervormingsgebieden en supernovarestanten op. Radiotelescopen kunnen ook quasars detecteren. Een quasar is een ongelooflijk heldere galactische kern die wordt aangedreven door een superzwaar zwart gat. Quasars stralen energie uit over het hele EM-spectrum maar de naam komt van het feit dat de eerste te identificeren quasars voornamelijk radio-energie uitstraalden. Quasars zijn erg energierijk; sommigen stoten 1000 * meer energie uit dan ons eigen sterrenstelsel.

Radioastronomen combineren vaak verschillende kleinere radiotelescopen tot een grotere om zo een duidelijk beeld met een hogere resolutie te verkrijgen. Voorbeelden hiervan zijn de Westerbord Synthese Radio Telescoop in Westerbork die  14 bestuurbare antennes van 25 meter combineert en de LOFAR-netwerk waarvan de kern zich ook in Nederland bevindt en dat ongeveer 20.000 antennes binnen West- en Noord-Europa combineert.

Eerste publicatie: 12 april 2015
Volledige revisie: 24 augustus 2020