Sóng vô tuyến là gì?

Sóng vô tuyến là một loại bức xạ điện từ được biết tới nhất với công dụng của chúng trong các công nghệ truyền thông, ví dụ như truyền hình, điện thoại di động và radio. Các dụng cụ này thu nhận sóng vô tuyến và biến đổi chúng thành các dao động cơ trong loa để tạo ra sóng âm.

Phổ tần số vô tuyến là một phần tương đối nhỏ của phổ điện từ (EM). Phổ điện từ thường được phân chia làm bảy vùng theo trật tự bước sóng giảm dần và năng lượng cùng tần số tăng dần. Tên gọi phổ biến cho các vùng đó là sóng vô tuyến, vi sóng, tia hồng ngoại (IR), ánh sáng nhìn thấy, tia tử ngoại (UV), tia X và tia gamma.

Các sóng vô tuyến có bước sóng dài nhất trong phổ điện từ, biến thiên từ khoảng 1 mm (0,04 inch) đến hơn 100 km (62 dặm). Chúng cũng có tần số thấp nhất, từ khoảng 3.000 chu kì mỗi giây, hay 3 kilo-hertz, lên tới khoảng 300 tỉ hertz, hay 300 giga-hertz.

Phổ vô tuyến là một tài nguyên hạn chế và thường được ví như đất trồng trọt. Y hệt như những người nông dân phải tổ chức đất đai của họ nhằm thu được gặt hái tốt nhất về chất lượng và số lượng, phổ vô tuyến cũng phải được phân chia giữa các người dùng theo cách hiệu quả nhất. Ở nước Mĩ, Cục Viễn thông và Thông tin Quốc gia trực thuộc Bộ Thương mại nắm quyền chỉ định tần số vô tuyến cho toàn quốc.

Một máy radio thu lấy sóng vô tuyến và biến đổi thành các dao động cơ trong loa để tạo ra sóng âm có thể nghe được. Ảnh: Ensuper

Khám phá

Nhà vật lí người Scotland James Clerk Maxwell, người đã phát triển một lí thuyết thống nhất về điện từ học vào thập niên 1870, đã dự đoán sự tồn tại của sóng vô tuyến. Vào năm 1886, Heinrich Hertz, một nhà vật lí Đức, áp dụng các lí thuyết Maxwell để tạo ra và thu nhận sóng vô tuyến. Hertz sử dụng các dụng cụ đơn giản tự làm, gồm một cuộn dây cảm ứng và một chai Leyden (một loại tụ điện xưa cũ gồm một chai thủy tinh có các lớp mỏng kim loại ở bên trong và bên ngoài) để tạo ra sóng điện từ. Hertz trở thành người đầu tiên truyền phát và thu nhận sóng vô tuyến có điều khiển. Đơn vị tần số của sóng điện từ – một chu kì trên giây – được gọi là hertz, là để tôn vinh ông.

Các dải sóng vô tuyến

Cục Viễn thông và Thông tin Quốc gia Mĩ thường phân chia phổ vô tuyến làm chín dải sóng:

Từ thấp tần đến trung tần

Các sóng vô tuyến ELF, tần số thấp nhất dải tần vô tuyến, có tầm truyền xa và hữu ích trong việc xâm nhập nước và đá để giao tiếp với tàu ngầm và bên trong các hầm mỏ và hang động. Nguồn phát sóng ELF/VLF thiên nhiên mạnh nhất là tia sét. Các sóng được sinh ra bởi tia sét có thể phản xạ tới lui giữa Trái Đất và tầng điện li (lớp khí quyển có hàm lượng cao ion và electron tự do). Các nhiễu loạn do tia sét này có thể làm biến dạng các tín hiệu vô tuyến quan trọng truyền đến các vệ tinh.

Dải vô tuyến LF và MF bao gồm radio hàng hải và hàng không, radio thương mại AM (biến điệu biên độ). Dải tần radio AM rơi vào từ 535 kHz đến 1,7 MHz. Radio AM có tầm truyền xa, nhất là vào ban đêm khi tầng điện li khúc xạ các sóng trở lại mặt đất tốt hơn, song nó vẫn chịu tác động nhiễu làm ảnh hưởng đến chất lượng âm thanh. Khi một tín hiệu bị chặn cục bộ – ví dụ, bởi một tòa nhà tường kim loại như nhà chọc trời – thì âm lượng của âm thanh giảm đi đáng kể.

Cao tần

Các dải tần HF, VHF và UHF bao gồm radio FM, âm thanh truyền hình, radio dịch vụ công, điện thoại di động và GPS (hệ thống định vị toàn cầu). Các dải tần này thường sử dụng “biến điệu tần số” (FM) để mã hóa, hay trộn, một tín hiệu audio hoặc dữ liệu vào sóng mang. Trong biến điệu tần số, biên độ của tín hiệu vẫn không đổi trong khi tần số biến thiên cao thấp theo tốc độ nhất định và độ lớn tương ứng với tín hiệu audio hay dữ liệu.

FM đem lại chất lượng tín hiệu tốt hơn AM bởi vì các yếu tố môi trường không ảnh hưởng đến tần số theo cách mà chúng ảnh hưởng đến biên độ, và máy thu bỏ qua các biến thiên biên độ miễn là tín hiệu vẫn ở trên một ngưỡng tối thiểu. Các tần số radio FM rơi vào từ 88 MHz đến 108 MHz.

Radio sóng ngắn

Radio sóng ngắn sử dụng các tần số trong dải HF, từ khoảng 1,7 MHz đến 30 MHz. Trong dải tần đó, phổ sóng ngắn được phân chia làm vài đoạn, một số đoạn dược dành riêng cho các đài phát thanh thường xuyên, ví dụ Đài Tiếng Nói Hoa Kì, Tập đoàn Phát Thanh Anh Quốc và Đài Tiếng Nói Nước Nga. Trên thế giới, có hàng trăm đài phát thanh sóng ngắn. Các đài phát thanh sóng ngắn có thể nghe được từ xa hàng nghìn dặm do tín hiệu được phản xạ bởi tầng điện li và dội đi cách trạm phát của chúng hàng trăm đến hàng nghìn dặm.

Những tần số cao nhất

SHF và EHF tiêu biểu cho những tần số cao nhất trong dải vô tuyến và thỉnh thoảng được xem là một phần của dải vi sóng. Các phân tử trong không khí có xu hướng hấp thụ những tần số này, làm hạn chế tầm xa và ứng dụng của chúng. Tuy nhiên, bước sóng ngắn của chúng cho phép tín hiệu được hướng thành những chùm hẹp bởi các anten đĩa parabol (anten chão vệ tinh). Điều này cho phép sự truyền thông tầm ngắn băng thông cao xảy ra giữa các điểm cố định.

SHF bị ảnh hưởng bởi không khí ít hơn so với EHF, và được dùng cho các ứng dụng tầm ngắn ví dụ như Wi-Fi, Bluetooth và USB không dây. SHF chỉ có thể hoạt động theo đường-nhìn-thẳng vì các sóng có xu hướng bị phản xạ bởi các vật như xe cộ, tàu thuyền và máy bay. Và bởi vì các sóng này bị các vật làm phản xạ, nên SHF còn được dùng làm radar.

Các nguồn phát thiên văn

Không gian ngoài kia ngập tràn các nguồn phát sóng vô tuyến: các hành tinh, các sao, các đám mây khí và bụi, các thiên hà, pulsar và cả các lỗ đen. Bằng cách nghiên cứu các sóng này, các nhà thiên văn có thể tìm hiểu về sự chuyển động và thành phần hóa học của các nguồn phát vũ trụ này cũng như các quá trình gây ra sự phát xạ của chúng.

Một kính thiên văn vô tuyến “nhìn” bầu trời rất khác với cách nó hiện diện trong ánh sáng nhìn thấy. Thay vì nhìn thấy các sao như chất điểm, kính thiên văn vô tuyến thu nhặt được các pulsar xa xôi, các vùng đang hình thành sao và các tàn dư sao siêu mới. Kính thiên văn vô tuyến còn phát hiện các quasar, tên gọi tắt cho nguồn phát vô tuyến giả-sao. Quasar là một lõi thiên hà cực sáng được cấp năng lượng bởi một siêu lỗ đen. Các quasar bức xạ năng lượng rộng rãi trong vùng phổ điện từ, song tên gọi của nó có xuất xứ từ thực tế các quasar đầu tiên được nhận dạng chủ yếu phát ra năng lượng vô tuyến. Các quasar mang năng lượng rất cao; một số quasar phát ra năng lượng gấp chừng 1.000 lần so với toàn bộ Ngân Hà.

Các nhà thiên văn vô tuyến thường kết hợp một vài kính thiên văn nhỏ, hay các đĩa thu, thành một ma trận để thu được ảnh chụp vô tuyến rõ nét hơn, hay phân giải cao hơn. Ví dụ, kính thiên văn vô tuyến Ma trận Rất Lớn (VLA) ở New Mexico gồm 27 anten sắp xếp thành hình chữ “Y” có bề ngang đến 22 dặm (36 km).

Nguồn: LiveScience