Så färdas radiovågor
Radiovågor kan följa marken, studsa mot jonosfären eller gå rakt fram som ljus. Vilket sätt som gäller beror främst på frekvensen, och det avgör om räckvidden blir några meter eller hela jorden runt.
Innehåll
En radiovåg som lämnar en antenn kan ta sig fram på flera olika sätt: längs marken, upp till jonosfären och ned igen, eller rakt fram som en ljusstråle. Vilket sätt som dominerar beror framför allt på frekvensen. Därför når en långvågssändare över hela Europa, medan en Wi-Fi-router knappt täcker en villa. Den här artikeln ger en översikt över hur radiovågor färdas och vad som avgör räckvidden.
Vågor som sprids ut#
En radiovåg är en elektromagnetisk våg, samma sorts våg som ljus fast med mycket längre våglängd. Sambandet mellan frekvens och våglängd är , där km/s. En FM-sändare på 100 MHz har alltså en våglängd på 3 m (läs mer i Frekvens, våglängd och periodtid).
Tänk dig en lampa i ett mörkt rum. Ju längre bort du står, desto svagare lyser den på dig, eftersom ljuset sprids över en allt större yta. Radiovågor beter sig på samma sätt. På dubbla avståndet sprids effekten över fyra gånger så stor yta, och signalen blir en fjärdedel så stark. Det kallas fri rymd-dämpning och gäller även i ett perfekt vakuum. Hur man räknar på det visas i Fri rymd-dämpning och länkbudget.
På jorden tillkommer mer: marken, luften, jonosfären, berg, hus och träd påverkar vågen. Det är de effekterna som ger de olika utbredningssätten.
Tre huvudvägar: markvåg, rymdvåg och siktlinje#
Markvåg (eng. ground wave). Vid låga frekvenser, under några megahertz, kan vågen ”klamra sig fast” vid jordytan och följa jordens krökning långt bortom horisonten. Markvågen fungerar bäst över havsvatten, som leder ström bra, och sämre över torr mark och berg. Den dämpas också snabbare ju högre frekvensen är. Mer om detta finns i Markvåg och utbredning på låga frekvenser.
Rymdvåg (eng. sky wave). Högt upp i atmosfären, ungefär 60–400 km över marken, finns jonosfären: ett lager av gas som solens strålning har gjort elektriskt laddad. Den kan böja tillbaka radiovågor mot jorden, ungefär som en spegel. En kortvågssignal kan studsa flera gånger mellan jonosfären och marken och på så sätt nå andra sidan jordklotet. Hur bra det fungerar beror på tid på dygnet, årstid och solens aktivitet, vilket beskrivs i Kortvågsutbredning.
Siktlinje (eng. line of sight). Vid högre frekvenser går vågen i stort sett rakt fram, och jonosfären släpper igenom den. Sändare och mottagare måste då ”se” varandra, eller nästan. Det gäller för FM-radio, mobilnät, Wi-Fi och satelliter. Eftersom jorden är rund tar sikten slut vid radiohorisonten. Därför står FM- och tv-sändare på höga master och berg.
Det som händer på vägen#
Oavsett utbredningssätt påverkas vågen av det den möter. Fyra fenomen är viktiga, och de känns igen från ljus och vattenvågor (figur 2).
Reflektion. Radiovågor studsar mot ytor som är stora jämfört med våglängden, till exempel husväggar, berg, vattenytor och metallplåt. Inne i städer når mobilsignalen ofta fram efter en eller flera studsar. När samma signal når mottagaren via flera vägar samtidigt kan de förstärka eller släcka ut varandra. Det kallas flervägsutbredning och är skälet till att mottagningen kan variera på några decimeters avstånd. Läs mer i Fresnelzoner, diffraktion och flervägsutbredning.
Brytning (refraktion). När vågen går genom luft vars täthet ändras med höjden böjs den, precis som ljus i vatten. Normalt böjs radiovågor svagt nedåt, vilket gör att de når lite längre än den synliga horisonten. Ibland, till exempel över ett kallt hav en varm sommardag, böjs de så mycket att de kan färdas hundratals kilometer. I jonosfären är det också brytning som får kortvågen att vända tillbaka mot jorden.
Diffraktion (böjning). En våg kan böja sig runt kanter, till exempel en bergskam eller en takfot. Ju längre våglängd, desto bättre fungerar det. Därför hörs långvåg och mellanvåg bakom berg, medan en 5G-signal på 26 GHz nästan helt skuggas bakom en byggnad.
Spridning och dämpning. Regndroppar, löv, väggar och fönster kan sprida vågen åt olika håll eller ta upp en del av energin som värme. Vid frekvenser över ungefär 10 GHz blir regn märkbart, och kring 60 GHz tar luftens syre upp så mycket att räckvidden blir mycket kort. Mer finns i Mikrovåg och millimetervåg.
Frekvensen avgör#
Eftersom de olika effekterna beror så starkt på frekvensen brukar man dela in radiospektrum i band. Indelningen kommer från Radioreglementet och beskrivs i Frekvensband och bandbeteckningar. Figur 3 och tabell 1 visar vilket utbredningssätt som dominerar i varje band.
Tabell 1. Översikt över utbredning per frekvensband. Räckvidderna är typiska storleksordningar för markbundna system och varierar mycket med effekt, antenner, terräng och tid.
| Band | Frekvens | Våglängd | Dominerande utbredning | Typisk räckvidd | Exempel |
|---|---|---|---|---|---|
| VLF | 3–30 kHz | 100–10 km | Vågledare mellan jord och jonosfär | Tusentals km | Ubåtskommunikation, SAQ Grimeton 17,2 kHz |
| LF | 30–300 kHz | 10–1 km | Markvåg | Hundratals till över tusen km | Tidssignalen DCF77 (77,5 kHz) |
| MF | 300–3 000 kHz | 1 km–100 m | Markvåg på dagen, även rymdvåg på natten | 100–1 000 km | Mellanvågsrundradio, NAVTEX 518 kHz |
| HF | 3–30 MHz | 100–10 m | Rymdvåg via jonosfären | Från några hundra km till hela jorden | Kortvågsradio, amatörradio, flyg över hav |
| VHF | 30–300 MHz | 10–1 m | Siktlinje, lite bortom horisonten | 10–100 km | FM-radio, DAB+, marin VHF, flygradio |
| UHF | 300–3 000 MHz | 1 m–10 cm | Siktlinje och reflektioner | 1–30 km | Mobilnät, digital-tv, Wi-Fi 2,4 GHz, GNSS |
| SHF | 3–30 GHz | 10–1 cm | Fri sikt, regn börjar påverka | 0,1–50 km | Radiolänk, satellit-tv, 5G 3,5 och 26 GHz |
| EHF | 30–300 GHz | 10–1 mm | Fri sikt, stark dämpning i regn och gaser | Upp till några km | Radiolänk i E-bandet (71–86 GHz), bilradar 77 GHz |
Det finns undantag i alla band. VHF-signaler kan ibland nå 2 000 km genom sporadiskt E, och kortvåg kan vara helt död under ett kraftigt solutbrott (se Solaktivitet, rymdväder och radio). Tabellen visar det normala.
Vad avgör räckvidden?#
Räckvidden för en radioförbindelse beror på flera saker samtidigt:
- Frekvensen bestämmer utbredningssättet, som tabellen visar.
- Sändareffekt och antenner. Mer effekt och antenner med högre förstärkning ger starkare signal hos mottagaren. Antennens höjd är ofta viktigast på VHF och uppåt (se Så fungerar en antenn).
- Mottagarens känslighet och bruset. En signal måste vara starkare än bruset för att gå fram. På låga frekvenser finns mycket naturligt och människoskapat brus, på höga frekvenser är mottagarens eget brus viktigast (se Brus och signal-brusförhållande).
- Terräng och miljö. Berg, hus, skog och regn kan skugga eller dämpa signalen.
- Tid och väder. Jonosfären ändras med dygn, årstid och solens aktivitet. Troposfären ändras med väderleken.
Ingenjörer räknar ihop allt detta i en länkbudget, och för större områden används utbredningsmodeller som tar hänsyn till terräng och bebyggelse.
Kontrollfrågor#
Vilka är de tre huvudvägarna som en radiovåg kan ta?
Markvåg som följer jordytan, rymdvåg som böjs tillbaka av jonosfären och siktlinje där vågen går rakt fram från sändare till mottagare.
Varför blir signalen svagare med avståndet även i tomma rymden?
Effekten sprids över en allt större yta. På dubbla avståndet fördelas den över fyra gånger så stor yta, så signalen blir en fjärdedel så stark. Det kallas fri rymd-dämpning.
Varför står FM-sändare på höga master?
FM-radio (87,5–108 MHz) går i stort sett med siktlinje. Radiohorisonten ligger längre bort ju högre antennen sitter, så en hög mast ger större täckningsområde.
Ungefär hur långt är det till radiohorisonten från en antenn på 25 m höjd?
Med tumregeln blir det km.
Varför kan kortvåg nå andra sidan jorden men inte FM-radio?
Kortvåg (3–30 MHz) böjs tillbaka mot jorden av jonosfären och kan studsa flera gånger. FM-radio ligger kring 100 MHz, en så hög frekvens att vågen normalt går rakt igenom jonosfären och försvinner ut i rymden.
Vad är diffraktion och vid vilka frekvenser fungerar den bäst?
Diffraktion är när en våg böjer sig runt en kant, till exempel en bergskam. Den fungerar bäst vid långa våglängder, alltså låga frekvenser.
Varför har 5G på 26 GHz kortare räckvidd än mobilnät på 700 MHz?
Vid högre frekvens är fri rymd-dämpningen större för samma antennstorlek, diffraktionen runt hinder sämre och dämpningen i väggar, träd och regn större. Därför används 26 GHz främst för korta avstånd med fri sikt.