Elektromagnetisch spectrum: radiostraling

Het elektromagnetische spectrum is ingedeeld naar de golflengte/frequentie van de straling. Het spectrum begint met de kortste golflengte van gammastraling, een golflengte tussen de 3/100ste en 3/1000ste van een nanometer, waarvan er minimaal 3 triljoen golven per seconde voorbij komen. Het elektromagnetische spectrum eindigt met radiogolven waarvan de golflengte varieert tussen de één millimeter en meer dan 10.000 kilometer. Van de kortste radiogolven passen er 300 miljard in een seconde en van de langste radiogolven komen er maar slechts enkelen per seconde voorbij. Het radiofrequentiespectrum is een zeer uitgebreid spectrum en heeft veel toepassingen waarvan we dagelijks gebruik maken, denk alleen maar aan: mobile telefoon, weersatellieten, Wi-Fi, enzovoort.

Inhoud

• Eigenschappen van radiostraling
• De ontdekking van radiostraling
• Voortplanting van radiogolven
• Invloed van de ionosfeer en de ruimtegolf
• De verschillende onderdelen van het radiofrequentiespectrum en hun toepassingen

Eigenschappen van radiostraling

Alle objecten met een temperatuur boven de 0 Kelvin zenden elektromagnetische straling uit. Des te warmer een object is des te korter is de golflengte. Koudere objecten zenden dus steeds langere elektromagnetische golven uit. Radiostraling komt in het elektromagnetische spectrum na infrarode straling. Radiostraling bezit niet genoeg energie om atomen te ioniseren en dit is dus niet-ioniserende straling. Het gebied in het elektromagnetische spectrum waar radiostraling is ingedeeld bestaat uit veel verschillende onderdelen. Het radiofrequentiespectrum is in de eerste instantie ingedeeld in radiofrequente velden (RF) en extreem laagfrequente velden (ELF). Beide delen van het radiofrequentiespectrum zijn verder ingedeeld aan de hand van de golflengte van de straling. Men dient wel in gedachte te houden dat de grenzen tussen de verschillende onderdelen van het radiofrequentiespectrum geen precieze afbakeningen zijn.

(1) ITU = International Telecommunication Union is een internationale organisatie die in 1865 werd opgericht om op het gebied van radio en telecommunicatie internationale standaarden vast te stellen. In het nationaal frequentieplan staat, aan de hand van de ITU standaard, beschreven welke frequentieband welke toepassing heeft.

De ontdekking van radiostraling

Al heel lang hebben mensen geprobeerd om draadloos informatie uit te wisselen. Dit waren voornamelijk zichtbare signalen zoals vuur, rooksignalen, vlagsignalen en seinlampen. Het nadeel hierbij was dat de ontvanger altijd in het zichtveld van de verzender moest blijven. Na de ontdekking van radiogolven kwam hier een eind aan en kon informatie over grote afstand worden uitgewisseld.

De Deen Hans Christian Oersted ontdekte als eerste het verband tussen elektriciteit en magnetisme. Hij ontdekte in 1820 dat met een elektrische stroom een magneetnaald van richting kon worden veranderd. Het bestaan van radiogolven werd in 1867 in het wiskundige model van elektromagnetische straling voorspeld door James Clerk Maxwell, een Schots wis- en natuurkundige. Maar het was de Duitser Heinrich Hertz die in 1888 de theorie van James Clerk Maxwell in de praktijk toepaste. Heinrich Hertz bouwde in 1886 een oscillator waaraan twee metalen bollen waren bevestigd met een kleine ruimte tussen beide bollen. Zodra de oscillator zijn periodieke signaal opwekte ontstond er een vonk tussen de twee bollen. Hierna maakte hij, met de theorie van James Clerk Maxwell in gedachten, een kleine draadboog waarvan de twee uiteinden elkaar net niet raakten. Toen de oscillator een vonk veroorzaakte tussen de twee bollen zag hij dat er gelijktijdig ook een vonk ontstond tussen de twee draadeinden van de draadboog die zich in dezelfde kamer bevond. Hiermee bracht hij de theorie van James Clerk Maxwell in praktijk en heden ten dage kunnen we niet meer zonder de technologische ontwikkelingen die hieruit zijn voortgekomen.

Voortplanting van radiogolven

Voortplanting of propagatie is een term waarmee de voortplanting van elektromagnetische golven, waaronder radiogolven, en geluidsgolven mee wordt aangeduid. Wanneer een wisselend elektrisch veld wordt opgewekt wekt dit gelijk een wisselend magnetisch veld op, dit wisselende magnetische veld wekt weer een wisselend elektrisch veld op enz. enz. Zo plant een elektromagnetische golf zichzelf met de snelheid van het licht voort.

Invloed van de ionosfeer en de ruimtegolf

De ionosfeer is een deel van de atmosfeer, ongeveer 70 - 400 km boven de aarde, waar deeltjes in de aanwezige gassen onder invloed van straling van de zon worden geïoniseerd, voornamelijk zuurstof en stikstof. Ioniseren wil zeggen dat een atoom of molecuul een elektron kwijtraakt of er één bij krijgt. Een atoom of molecuul bevindt zich in een neutrale toestand. In de kern van een atoom bevinden zich protonen die positief geladen zijn en neutronen die geen lading hebben. Om de atoomkern bevindt zich een wolk van elektronen die negatief geladen zijn. Het aantal negatieve elektronen om de atoomkern houdt het aantal positieve protonen in de atoomkern in evenwicht, waardoor een atoom geen lading heeft. Raakt een atoom of molecuul een elektron kwijt dan krijgt het atoom of molecuul een positieve lading. Krijgt een atoom of molecuul er een elektron bij dan krijgt het atoom of molecuul een negatieve lading.

Ruimtegolf

Onder invloed van de ionosfeer kunnen radiogolven van richting worden veranderd of gereflecteerd. Dit houdt in dat voor sommige delen van het radiofrequentiespectrum de atmosfeer ondoordringbaar is. Net zo goed als de atmosfeer gammastraling, röntgenstraling en een groot deel van ultraviolette straling tegenhoudt, kunnen sommige frequenties van radiogolven ook niet door de atmosfeer. Hiervan kan men echter wel gebruik maken. Door radiogolven richting de ionosfeer te zenden worden deze gereflecteerd en hebben zo een veel groter bereik dan wanneer ze rechtstreeks zouden worden uitgezonden, omdat dan het bereik afhankelijk is van de bolling van de aarde. Radiogolven die gebruik maken van deze reflectie worden ruimtegolven genoemd.

De verschillende onderdelen van het radiofrequentiespectrum en hun toepassingen

Het radiofrequentiespectrum is verdeeld in 11 verschillende delen aan de hand van de golflengte/frequentie. We beginnen met de kortste golflengte en eindigen met de extreem lange radiogolven. Bij al de verschillende golflengtes zijn tal van toepassingen gevonden waar we dagelijks gebruik van maken.

Extremely High Frequency

Extremely High Frequency of EHF heeft de kortste golflengte van het radiofrequentiespectrum. De golflengte zit tussen de 1 en 10 millimeter, hierdoor wordt dit deel van het radiofrequentiespectrum ook wel millimetergolf of MMW genoemd. De frequentie ligt tussen de 30 en 300 GHz. In vergelijking met kortere radiogolven heeft EHF een kort bereik. Dit komt mede doordat EHF-straling wordt geabsorbeerd door de atmosfeer. Voor communicatiedoeleinden moet men dan ook gebruik maken van een straalverbinding. Straalzenders zijn radioverbindingen tussen twee antennes die op elkaar zijn gericht en ze moeten vrij zicht op elkaar hebben. Een straalverbinding gaat rechtdoor en heeft door de kromming van de aarde een bereik van ongeveer 75 kilometer. Naast diverse communicatiedoeleinden wordt EHF ook gebruikt bij:

• Verschillende satelliet verbindingen,
• Radioastronomie, onderzoek in het gebied van radiogolven afkomstig vanuit het heelal. Dit gebeurt meestal vanaf satellieten.
• Als een niet dodelijk wapen zoals het Amerikaanse Active Denial System (ADS),
• In de snelheidsradar van de politie, deze werkt voornamelijk op een golflengte van 33.4 - 36.0 GHz
• Microwave Wireless System: een communicatiesysteem dat het mogelijk maakt om omroepsignalen te verspreiden via frequenties met een zeer korte golflengte (40.5-43.5 GHz band)
• Radionavigatie.
• Security Scan op Amsterdam Airport Schiphol.

Super High Frequency

De golflengte van de Super High Frequeny of SHF zit tussen de 1 en 10 centimeter en wordt dus ook wel de centimetergolf genoemd. De frequentie ligt tussen de 3 en 30 GHz. We maken dagelijks gebruik van dit golflengtegebied wanneer we de buienradar bekijken. Het SHF-gebied wordt voornamelijk toegepast in:

• Radar rond de 3 GHz,
• Weersatellieten rond de 5 GHz,
• Datacommunicatie via radio LAN (Local Area Network) op 5 GHz,
• IEEE 802.11ac Gigabit Wi-Fi op 5GHz.

Ultra High Frequency

Het Ultra High Frequency gebied of UHF heeft een golflengte tussen de 100 en de 1000 millimeter (10 cm en 1 meter). De frequentie van het UHF-gebied zit tussen de 0,3 en 3 GHz of in MHz tussen de 300 en 3000 MHz. De propagatie van UHF-frequenties verloopt in principe rechtlijnig. Van deze golflengtes wordt heel veel gebruik gemaakt. Dicht bij huis zijn dit onder andere:

• De magnetron in de keuken werkt op een frequentie van 2,4 GHz.
• Wie gebruikt er tegenwoordig nou geen mobiele telefoon ofwel Global System for Mobile communications GSM . De frequenties waarop de mobile telefonie werkt zijn:
  Band	Naam	Uplink (1) in MHz	Downlink (2) in MHz	Bijzonderheden
  GSM400	GSM450	450,4 - 457,6	460,4 - 467,6
  	GSM480	478,8 - 486,0	488,8 - 496,0
  GSM700	GSM750	777,0 - 792,0	747,0 - 762,0
  GSM850	GSM850	824,0 - 849,0	869,0 - 894,0
  GSM900	Primary GSM	890,0 - 915,0	935,0 - 960,0	De oorspronkelijke GSM band.
  	Extended GSM	880,0 - 890,0	925,0 - 935,0	Uitbreiding op de oorspronkelijke band.
  	GSM Rail	876,0 - 880,0	921,0 - 925,0	GSM Rail
  GSM1800	GSM1800	1 710 - 1 785	1 805 - 1 880
  GSM1900	GSM1900	1 850 - 1 910	1 930 - 1 990

• 1) Uplink is de verbinding vanuit de gebruiker naar het netwerk toe. 2) Downlink is de verbinding vanuit het netwerk naar de gebruiker toe.
• Verschillende TV-banden zoals band IV op 470 - 582 MHz en band V op 582 - 862 MHz.
• UTMS of Universal Mobile Telecommunications System het bekende 3G-systeem op 2,1 GHz en 2,6 GHz (2500 - 2690 MHz).
• Uitwisseling van data via Bluetooth, een universele radio interface op 2,4 GHz.
• Satellietcommunicatie.

Very High Frequency

Het Very High Frequency of VH- gebied bestrijkt het golflengtegebied van 1 tot 10 meter en deze wordt ook wel de metergolf genoemd. De frequentie van de VHF ligt tussen de 30 tot 300 MHz. De propagatie van VHF-frequenties verloopt in principe rechtlijnig. Tot ongeveer 60 MHz hebben de radiogolven nog last van reflectie in de ionosfeer, boven de 60MHz gaat de radiogolf er doorheen. Het VHF-gebied wordt onder andere gebruikt voor:

• Draadloze telefonie zoals tussen de draadloze huistelefoon met basisstation.
• Marifooncommunicatie voor de scheepvaart op 156 - 162 MHz.
• Radionavigatiesysteem of ILS voor de landing van vliegtuigen. Het bestaat uit markerbakens op 74,8 - 75,2 MHz, een localizer (LOC of LLZ) die aangeeft waar de baan zich bevindt op 108 - 117,975 MHz en een elektronische glide path beacons op 328,60 - 335,40 MHz.
• FM-radio op een frequentie tussen 87,5 en 108 MHz. De FM zenders hebben een bereik van maximaal 80 kilometer.
• TV-banden I en III band I op 47 - 68 MHz en band III op 174 - 230 MHz.
• Satellietsystemen voor meteorologie.
• LOFAR (Low Frequency Array) is een radiotelescoop die wordt gebruikt voor radioastronomie en onderzoek aan het klimaat op aarde op 10 - 150 MHz.

High Frequency

Het High Frequency of HF-gebied heeft een golflengte dat zit tussen de 10 en de 100 meter. Het frequentiegebied zit tussen de 30 en de 3 MHz. Rond de 3 MHZ vindt nog propagatie langs de aarde plaats (grondgolf) en tussen de 3 en 6 MHZ is nog communicatie via de grondgolf mogelijk, hoewel de afstand beperkt is tot ongeveer 100 kilometer. Dit radiofrequentiegebied wordt voornamelijk gebruikt bij:

• Korte golfomroep (de Wereldomroep) deze maakt gebruik van frequenties die liggen tussen 4,95 en 26,11 MHz en een golflengte hebben tussen 60 en 11,5 meter.
• Als golflengte voor radioamateurs.
• Inductieve systemen zoals: antidiefstalpoortjes, metaaldetectoren, startonderbrekers, alarmsystemen, toegangsbeveiliging en gehoorlussen.
• Mobiele verbindingen tussen scheep- en luchtvaart.

Medium Frequency

De Medium Frequency (MF) of middengolf frequentieband heeft een golflengte van 100 tot 1000 meter en een frequentie van 3 tot 0,3 MHz. De propagatie vindt plaats via grondgolven maar het bereik is beperkt. Overdag worden de MF-golven geabsorbeerd door sommige lagen (de D- en E- laag ) in de ionosfeer en 's nachts reflecteren ze tegen de F-laag. De MF is vooral bekend van de middengolf omroep, ook wel AM genoemd. Verder wordt MF veel gebruikt bij:

• Navigatie met behulp van radiobakens, voornamelijk voor de luchtvaart maar ook de scheepvaart.
• Zendamateurs.
• Vaste verbindingen.

Low Frequency

De frequentie van het Low Frequency of LF-gebied, ook wel langegolffrequentieband genoemd, loopt van 30 kHz tot 300 kHz. Het LF-gebied heeft een golflengte tussen de 1 en de 10 kilometer. De propagatie vindt vooral plaats door middel van langs de aarde lopende grondgolven en deze hebben een bereik van ongeveer 1000 kilometer. Ook vind 's nachts weer reflectie in de ionosfeer plaats waardoor het bereik een stuk groter wordt. Vroeger werd dit frequentiegebied gebruikt door langegolfradio op 148,5 - 283,5 kHz, maar deze wordt in Nederland niet meer gebruikt. Het LF wordt wel gebruikt voor:

• DECCA: een radioplaatsbepalingssysteem dat primair is ontwikkeld voor de scheepvaart op 70-200 kHz
• LORAN: LOng RAnge Navigation system is een radioplaatsbepalingssysteem die werkzaam is op 100 kHz.
• Inductieve systemen zoals: anti-diefstalpoortjes en toegangsbeveiliging.
• Tijdsignalen voor de radiografische klok. Dit is een klok die via radiosignalen wordt gelijkgezet.

Very Low Frequency

Het Very Low Frequency gebied heeft een golflengtegebied van 10 tot 100 kilometer en de frequentie ligt tussen de 30 tot 3 KHz. De voortplanting geschiedt voornamelijk als geleide transmissie tussen de aarde en de ionosfeer. Het is wel een heel stabiel frequentiegebied. De signalen kunnen gemakkelijk de hele wereld rond. Het VLF heeft weinig bandbreedte in vergelijking met hogere frequenties en hierdoor kan er niet veel informatie mee worden verstuurd. Zodoende heeft het VLF niet veel toepassingen, het wordt wel gebruikt voor:

• Tijdsignalen voor de radiografische klok.
• Militairen gebruik voor communicatiedoeleinden.

Ultra Low Frequency

Het Ultra Low Frequency of ULF-gebied heeft een golflengte van 100 tot 1000 kilometer en een frequentie die ligt tussen de 300 en 3000Hz. De golflengte van het ULF is zo groot dat de ruimte tussen het aardoppervlak en de ionosfeer werkt als een soort tunnel voor deze frequentie. Voor dit frequentiegebied is het bijna niet mogelijk om effectieve antennes te maken. Vroeger werd dit frequentiegebied gebruikt voor de communicatie in mijnen omdat de golven van het ULF de aarde indringen. Tegenwoordig wordt het gebruikt voor:

• Communicatie met onderzeeërs omdat ULF-golven tot zo een 100 meter in zeewater doordringt.

Super Low Frequency

Het Super Low Frequency of SLF-gebied heeft een golflengte van 1000 tot 10.000 kilometer en een frequentie tussen de 30 en 300 Hz. In dit frequentiegebied zit ook de frequenties van het wisselspanningnet (50 Hz en 60 Hz). Voor dit frequentiegebied zijn niet veel toepassingen gevonden, behalve:

• Communicatie met onderzeeërs omdat SLF-golven tot enkele honderden meters in zeewater doordringt.

Extremely Low Frequency

Het Extremely Low Frequency of ELF-gebied heeft een golflengte van 10.000 tot 100.000 kilometer en een frequentie tussen de 3 en 30 Hz. ELF-golven ontstaan over het algemeen door bliksem en natuurlijke verstoringen in het magnetische veld om de aarde. Vanwege de uitgestrektheid van de golflengte is het bijna niet mogelijk om zendantennes voor dit frequentiegebied te maken. Een zendantenne zou op zijn minst een deel van de lengte van een golf moeten hebben wat neerkomt op een antenne van tientallen kilometers lang. Voor zo ver we weten hebben alleen de Verenigde Staten, Rusland en India communicatiefaciliteiten gebouwd voor gebruik van dit frequentiegebied, met als doel:

• Communicatie met onderzeeërs omdat ELF-golven zeer diep in zeewater kunnen doordringen.

Lees verder

• Het elektromagnetisch spectrum
• Elektromagnetisch spectrum: gammastraling
• Elektromagnetisch spectrum: infrarode straling
• Elektromagnetisch spectrum: röntgenstraling
• Elektromagnetisch spectrum: zichtbaar licht