top of page

קרינה אלקטרומגנטית

נושא מומלץ המהווה מבוא לקרינה אלקטרומגנטית: שכבת היונוספירה

קרינה אלקטרומגנטית

שדה אלקטרומגנטי הוא ״שדה פיזיקלי״ המורכב משדה חשמלי ומשדה מגנטי.
ניתן להתיחס לכל נקודה במרחב (ריק) כשילוב של שדה חשמלי ושדה מגנטי.

בגלל יחסי הגומלין שבין השדות, הפרעה בשדה החשמלי עשויה לצור הפרעה בשדה המגנטי וכך ההפך.

הפרעה זו, מכונה ״קרינה אלקטרומגנטית״ (גל אלקטרומגנטי).
מספר ההפרעות המחזוריות המתרחשות בשניה, נמדדות בHz (תדירות).
כלומר, גל שהתדירות שלו היא 1Hz - משלים בשניה מחזוריות אחת.

חזית הגל (האלקטרומגנטי), נעה במרחב (בריק) במהירות קבועה, שהיא מהירות האור.

מכיוון שמהירות התפשטות הגל היא ידועה (מהירות האור), וקצב ההשתנות של הגל ידוע (Hz) - ניתן למצוא במרחב נקודות מחזוריות בהן לגל האלקטרומגנטי תכונות זהות (ברגע נתון). המרחק שבין נקודות אלו, נקרא ״אורך הגל״.
אורך הגל משפיע כאמור על תכונות גלי הרדיו.
בגלל שהפערים הם גדולים בין אורכי הגל השונים, ניתן לחלק את הגלים האלקטרומגנטיים ל״סקאלה״ רחבה של קבוצות בעלות מאפיינים שונים כאשר כל אחת משמשת אותנו (בני האדם) בתחומים השונים בהתאם למאפייני הגל הייחודיים הללו.

אורך הגל, מחושב ע״י חלוקת מהירות ההתפשטות (מהירות האור) בתדירות הגל.


נוסחת היחס בין אורך הגל והתדירות:
C/f=λ
f - תדירות
C - מהירות האור
λ - אורך הגל

גלי רדיו - מבוא

גלי הרדיו, הם קבוצת גלים אלקטרומגנטיים המתאפיינים בתדירות שבין 3Hz ל300GHz להם מאפיינים המשמשים את בני האדם בפעולות יום-יום רבות ועליהם נתמקד.
אורכי הגל של גלי הרדיו, נעים בין 1 מילימטר ל100,000 ק״מ.

השימושים הנפוצים של גלי הרדיו
​ הם:

  • מערכות מכ״מ (רדאר).

  • בישול וחימום אוכל באמצעות גלי הרדיו בתנורי מיקרוגל.

  • נווט באמצעות מערכות לווין כגון GPS ומערכות נווט VOR, NDB ועוד.

  • באסטרונומיה - תצפית על גרמי השמים באמצעות רדיו-טלסקום.

  • קשר רדיו להעברת תשדורות רדיו, תקשורת סלולרית, טלוויזיה ועוד.

 

כאמור, מאפייני הגל מביאים לכך שהשימוש שנעשה בהם, תואם להם ונקבע ע״י היחס של אורך הגל.
חלוקת גלי הרדיו, מתבצעת לקבוצות המגדירות את תחומי תדרי הרדיו מתדרים נמוכים, לתדרים גבוהים. 

להלן טבלת סקאלת הרדיו:

stabilize frequencies tab

התפשטות גלי רדיו - תכונות

ציינו במדריך זה מספר פעמים אודות התכונות השונות של גלי הרדיו.
בכדי להבין את התכונות השונות ואת הדרך בה כל תחום תדרים - מותאם לשימוש, יש להכיר את צורת ההתפשטות של גלי הרדיו.

 
מונחים חשובים:

״החזרה״/״השתקפות״ (Reflection | רפלקציה): בהקשר של גלי רדיו, ״החזרה״ היא ההגדרה לסיטואציה בה חזית גל הרדיו המתפשט בתווך מסוים, מגיעה לנקודת מפגש עם תווך אחר (כדוגמת משטח כלשהו) וכתוצאה מכך חוזר בחלקו או בצורה מוחלטת אל התווך ממנו הגיע. 
תופעה זו מקבילה למצב בו מתרחש החזר אור הפוגע במשטח מסוים. כתוצאה מהמפגש עם משטח כלשהו, חלק מהאור או כולו מוחזרים בחזרה אל המרחב כתוצאה מהמפגש ואז - נוצרת ״השתקפות״.


״שבירה״ (Refraction | רפרקציה): היא תופעה בה גל הנע בתווך מסוים, פוגש תווך אחר וכתוצאה מכך משנה את כיוון התנועה שלו.
בשונה מתופעת ״החזרה״ (השתקפות), בה כתוצאה ממפגש של גל הנע מתווך מסוים אחד - לתווך השני אז הגל חוזר בתווך ממנו הגיע, בתופעת ״שבירה״, המפגש של גל מתווך מסוים אחד - עם משטח או תווך אחר, יביא לשינוי בזווית התנועה של הגל.

מה שמביא לשוני העיקרי בין שבירה לבין החזרה, היא הזווית בה המפגש מתרחש, ומקדמי השבירה.
דוגמא לשבירה, מצב בו מכניסים קשית שתיה - אל כוס מים בזווית ישרה ונראה כי הקש, ״עקום״. 

״הנחתה״ (Attenuation): מונח זה מתאר את החלשות קרן האור, אות או גל הרדיו, ככל שנעים במרחב ומתרחקים מנקודת המקור/ השידור.
כאמור, ככל שגל הרדיו יתפשט יותר ברחב, האנרגיה שלו תתפזר על פני שטח גדול יותר ולכן ככל שיתקדם, עוצמת הקרינה שלו תחלש.
הגורמים המשפיעים על ההנחתה (החלשות) הם מרחק התפשטות הגל, סביבת ההתפשטות ותדר הגל.
גלי רדיו בתדרים גבוהים יותר, פחות מושפעים מתופעה זו מאשר גלי רדיו בתדרים נמוכים יותר. 
השפעת סביבת ההפשטות של גל הרדיו, תלויה בגורמים כגון מכשולים, תנאי מזג האוויר, סוג הקרקע ועוד.


״עקיפה״ (Diffraction): מצב בו בין גל רדיו המשודר - מהמשדר, ובין המקלט מונח מכשול.
גל הרדיו ״יעקוף״ את המכשול המוצב בדרך והמקלט יקלוט חלק מהגל המשודר על אף המכשול ״החוסם״ את האות המשודר.
ככל שאורך הגל יהיה גדול ביחס למכשול, כך ה״עקיפה״ תהיה בולטת יותר.
לצורת המכשול חשיבות לגבי האופן בו תתבצע עקיפה.


פיזור/ התפוגגות (Scattering): בה 

מוליכות (חשמלית): בה 

ריבוי (התפשטות): בה 

חלוקת תחומי הרדיו, מתרחשת בעקבות שינויים גסים בין כל תחום רדיו כמצוין קודם.
השוני בין התחומים (תדרים) בא לידי ביטוי בשוני של מאפייני הגל - המשליך על האופן בו גל רדיו משודר - יתפשט בתווך - בריק.


בחלק זה, נגע בצורות התפשטות גלי הרדיו כנגזרת של תחום השידור.
אופן התפשטות גל רדיו משתנה בין תדרים, וכל תחום תדרים מתאפיין בצורת התפשטות שונה.
השימוש המשתנה בין כל תדר רדיו הוא בעקבות ניצול מירבי של כל תחום תדרים בהתאם לאופן בו שואף להתפשט במרחב.

התפשטות הגלים עליהם נלמד:

גלי הקרקע
גלי רקיע
תקשורת ישירה (תקשורת קו-ראיה)

 

גלי קרקע - האופן בו שואפים להתפשט גלים בתחום הLF - MF.

גלי קרקע (פני שטח) - מונח המתאר את התפשטות גלי רדיו במקביל וקרוב לפני השטח, בצורה בה עוקבים אחר עקמומיות כדור הארץ.
השימוש בגלי הקרקע נפוץ בעקבות היתרון הגדול שלהם בעקיפת מכשולים והאפשרות להגיע למרחקים ארוכים על אף עקמומיות כדור הארץ, ומבלי הצורך בשידור אותות בהספקי שידור גבוהים.

גלי קרקע הנמצאים בתחומי הגלים הבינוניים (MF) ובתחום הגלים הנמוכים (LF - ״הגלים הארוכים״). 
הגלים שמתחת ל3MHz (מתחת לתחום MF גלים בינוניים) הם היעילים ביותר בעקיפת מכשולים והתמודדות עם עקמומיות כדור הארץ בגלל אורכי הגל הגבוהים (גלים גבוהים = תדרים נמוכים).
רוב השידורים, מתרחשים בתדרים שבין 30KHz לבין 3,000KHz.

ground waves

הטיית הגל
ככל שהגל מתקדם, חזית הגל להטות בהדרגה את כיוון תווך ההתפשטות - בהתאמה עם עקמומיות כדור הארץ. 
ככל שהגל מתרחק מנקודת השידור, וההטיה גדלה - כך האנרגיה של הגל מופחתת עד להתרחשות התפוגגות מוחלטת של האות בעקבות אבדן האנרגיה.

מרחק השידור
חשוב לדעת כי היכולת של הגל להתפשט על פני השטח (גלי קרקע) למרחקים ארוכים - עם מינימום ״התפוגגות״ ו״הנחתה״ תלויה במספר גורמים ובהם;

  • מצב פני השטחבגורמים הנמצאים על פני השטח ורמת המוליכות שלהם, מכשולים ועוד.
    באופן כללי, אדמת כדור הארץ - אינה מוליכה מושלמת כלל.אינדקס השבירה משתנה מאוד בין אזור לאזור, אך ככלל - כאשר פני הקרקע מוליכים יותר, כמו מי ים, הדבר תורם להתפשטות הגל עם מינימום היחלשות של הגל

  • תדירות (תדר הגל) - ככל שהתדר נמוך יותר, יוכל לנוע על פני השטח בצורה יעילה יותר לטווחים גבוהים יותר ללא צורך בהגדלת ההספק.

  • הספק השידור (כוח השידור) - ככל שעוצמת השידור תגדל, המרחק יגדל.

  • עונות השנה - גלי הקרקע אפקטיבים יותר בעונת החורף - מאשר בקיץ.

 

יתרונות גלי הקרקע

  • היתרון הבולט ביותר של גלי הקרקע הוא היכולת ״לכופף״ עצמם בהתאם לעקמומיות כדור הארץ וגם לעקוף מכשולים.

  • אפשרות לשידור למרחקים גבוהים יחסית מבלי הצורך בהספק שידור גבוה.

  • השפעת שינויי האטמוספירה - זניחה מאוד על התפשטות גלי הקרקע.

​​

חסרונות גלי הקרקע

  • ככל שהתדר יגדל - יהיה צורך בהגברת הספק השידור.

  • אפקט הרים - כאשר בין המשדר לכלי הטיס נמצא הר - שבירת הגל תביא לסטיה בדיוק מכשירי מציאת כוון (DF).

  • סופות רעמים עשויות לשבש את תנועת הגל.

  • אפקט Shore Line (קו חוף) - מעבר מים ליבשה מביא להפרעות קליטה בעקבות שבירת הגל (Refraction).

  • אפקט דמדומים - בזמן שעות דמדומים, 

  • הנחתה - תלויה במאפייני פני השטח.

  • טווח מוגבל - ביחס לכדור הארץ הטווח שגלי הקרקע מכסים נמוך יחסית ומוגבל בדרך כלל לכמה מאות קילומטרים - כאשר השידור האמין ביותר הוא בטווח של כמה קילומטרים בלבד, בהתאם למגבלות השידור שציינו. ובדרך כלל ביום השידור יהיה למרחק קטן יותר מאשר בלילה.

  • השפעת גלי רקיע - שידורי גלי רקיע הנמצאים בטווח של שידור גל קרקע עשויים לגרום לשיבוש הקליטה (שידור צד).

​​​

שימושים בגלי הקרקע - ברדיו​

  • תקשורת ספינות וצוללות - גלי הקרקע עובדים בצורה יעילה בכל הקשור לתקשורת ימית בזכות מאפיין המוליכות של הים.
    היכולת של גלי הקרקע לחדור למים לעומק רב יחסית, או להתפשט על גבי הים למרחק רב - עושים את גלי הקרקע לנפוצים בקרב צוללות וספינות, בעיקר בתקשורת הצבאית.

  • מכ״מים לשידור ״מעבר לקו האופק״ - בזכות העובדה ואינם מוגבלים רק לתקשורת חזותית - ישירה, קיימים מכ״מים העושים שימוש בגלי הקרקע (בעיקר מעל לים) בכדי לאתר עצמים הנמצאים מעבר לקו האופק (הקו הישיר - תקשורת ישירה).

  • בתעופה ובימאות - שימוש בעזרי נווט הפועלים בתדר הנמוך (בגלי הקרקע) כגון מערכות LORAN (Long Range Navigation) ומערכת הנווט המוכרת לנו בשמה ״NDB״ | ״ADF" (מוצא כיוון), בטווח התדרים 215MHz-450MHz (גם LF וגם MF).

​​

גלי רקיע - שאיפת התפשטות גלי הרדיו בתחום הגבוה - (בעיקר HF)

כללי - גלי רקיע (גלי שמים | Sky waves) הגדרה זו מתארת צורת התפשטות נוספת של גלי רדיו, בעיקר בתקשורת בתדרים גבוהים.
גלים בתדרים הגבוהים, ובעיקר (HF), מנוצלים בצורת התפשטות זו. גל הרדיו מתפשט מעלה אל ״הרקיע״, עד למפגש עם שכבות ה״יונוספרה״ ואז גל הרדיו חוזר מטה (״השתקפות״/״החזרה״) תוך ביצוע דילוג או מספר דילוגים כאלו עד למפגש עם המקלט.
כנגזרת מכך, גלי הרקיע לא מוגבלים בעקבות עקמומיות כדור הארץ או מכשולים - מה שמאפשר תקשורת לטווחים ארוכים מאוד - עד למרחקים בין יבשתיים באמצעות שימוש בגלי הרקיע.


התהליך בו גל משנה את כיוונו בחזרה אל כדור הארץ, הוא כתוצאה מהמפגש של הגל עם שכבות הקשורות לקרינה בתו היונוספירה.

 

stabilize - skywave.png

בתקשורת עם גלי רקיע (בעיקר בטווח הHF ״פס הגל הקצר״ שבין 3 מגה הרץ ל30 מגה הרץ) נקודות הטווח אליהן ניתן להגיע (בין נקודת המשדר לנקודת המקלט)  הן כמעט בין כל שתי נקודות על פני כדור הארץ, אך הקשר האמין מוגבל לשעות בודדות ביממה ותלוי בהרבה גורמים משתנים.
בפועל, ניתן לקבל תקשורת לטווחים ארוכים תוך שעושים שימוש בהספקי שידור נמוכים ואנטנות קטנות.
(הטווחים משתנים באופן משמעותי מאוד על ידי השתקפות/ שבירה המתבצעת בתוך שכבות היונוספירה וגם תלויים בתדרים ובזוויות השידור).

 


המונח ״אזור דילוג״  (מכונה גם: ״האזור השקט״, ״אזור דילוג״, ״אזור מת״ | "Silent Zone", "Dead Zone, "Skip Zone")
 

נחזור על עניין ה״דילוג״.
כאמור קודם, תהליך הדילוג, הוא המצב בו גל גבוה משודר אל הרקיע וע״י השתקפות/שבירה בשכבות היונוספירה חוזר חזרה אל הקרקע, משם שוב אל הרקיע וכן הלאה (דילוגים) עד שמגיע אל המקלט.
תהליך זה, הוא המאפשר תקשורת לטווחים ארוכים מאוד.

״אזור הדילוג״, מגדיר מרחב מסוים - בו אין קליטה כלל.
מרחב זה, הוא המרחב שבין אזור הדילוג של גלי הרקיע, זאת אומרת - בין נקודת היציאה של הגל מן המשדר, עד לנקודה הראשונה בה ניתן לקלוט מחדש את גל הרקיע לאחר המפגש שלו עם היונוספירה וההשתקפות חזרה לארץ - אל פני השטח או אל המקלט.

חשוב לדעת, בתקשורת בה נעשה שימוש בתדרי רדיו בתחום הבינוני עד גבוה, מתרחש מצב בו - חלק מהגלים המשודרים, נעים במקביל לקרקע - כגלי קרקע וחלקם האחר מתנהג כגלי רקיע.

במצב בו נעשה שימוש בתחומים אלו, אזי שאזור הדילוג (האזור השקט), נמצא במרחב שבין האזור בו לא ניתן עוד לקלוט את גלי הקרקע המשודרים, ובין הנקודה הראשונה בה ניתן לקלוט את גלי הרקיע החוזרים (משתקפים).

skip zone.png

היתרונות של גלי רקיע ברורים:

  • שידור לטווחים ארוכים מאוד בתחום התדרים הגבוהים.

  • פוטנציאל לשידור יציב יותר בעקבות השתקפות הגל - לעתים בצורה כמעט שווה עם הנחתה מוחלשת ופחות תחנות הקולטות את האות.


לגלי הרקיע חסרונות לא מבוטלים:

  • אזורים שקטים (אזור דילוג SKIP ZONE) עשוי להשאיר מרחבים רבים ללא יכולת לקליטת אותות משודרים.

  • השימוש בגלי הרקיע מצריך תכנון יסודי וידע רב בתחום.

​​​
 

יש חשיבות גבוהה לאזורי הדילוג.
במצבים בהם נדרש שיהיה ״כיסוי שטח גדול״ , השימוש בגלי רקיע יכול להיות בעייתי מכיוון שבשידורי רדיו הפועלים בתחומים הגבוהים והבינוניים, שטחים נרחבים עשויים להיות ללא יכולת לקלוט את האות המשודר.

 

הפחתת מרחק הSKIP ZONE:
בכל הקשור להפחתה או השפעה על ״האזור השקט״ (אזור הדילוג), גם לגלי הקרקע וגם לגלי הרקיע השפעה על הדבר.
בכל הקשור להשפעה של גלי הקרקע, ההשפעה מתקשרת ישירות לגורמים המשפיעים על גלי קרקע כמצוין מעלה במאמר זה.

 

אך גם בשידור גלי הרקיע, יש מספר גורמים הקובעים את מרחק הדילוג שלהם.
בתכנון שידור הרדיו, ניתן להשפיע על מרחק הדילוג של גל הרקיע וגם על האזור השקט המתקבל.
אמנם מה שיתקבל בפועל, הוא השלכה של מספר גורמים ובהם: תדירות השידור (תדר), מצב היונוספירה וזווית השידור.

 

אם יש צורך בצמצום האזור השקט בכדי להגדיל את נפח כיסוי השידור, ניתן להפחית את תדר השידור.
הפחתת תדר השידור תביא להפחתה בהנחתה של גלי הקרקע המתפשטים במרחב - מה שיאפשר כיסוי נרחב יותר של אזורי קליטה שלהם

ובמקביל תאפשר גם להחזיר את גל הרדיו בזווית גבוהה יותר - לכדור הארץ ביתר קלות (כתלות גם בתנאי האטמוספירה). 

​​

השפעת תדרי השידור השונים והיונוספירה על צורת שידור גלי הרקיע:

[המחשת השפעת תדרים על גלי הרקיע בפועל בעקבות תנאי ההתפשטות ומצב היונוספירה]
 

לקריאה מורחבת על ״האטמוספירה״ לחצו כאן.
 

נתחיל בשידור בתחום הבינוני M:

  • במהלך היום, שידורים בתחום הבינוני ישודרו כגלי קרקע בלבד.
    ⬇︎

  • כל השידורים שנקלטים הם הנמצאים בתחום שכבת היונוספירה D.
    (אולם בלילה, השידורים עשויים להגיע למרחקים גדולים יותר בגלל ששכבה D דואכת, שאז האותות פוגשים שכבות גבוהות יותר של היונוספירה)
    ⬇︎

  • ככל שהתדר נהיה גבוה יותר מעבר לתחום הבינוני, ניתן להגיע לנקודה בה גל הרדיו חודר את שכבת D של של היונוספירה - אל שכבה E שאז הוא יחזור בחזרה אל שכבה D וישתקף אל כדור הארץ (במרחק זהה לזה שעבר מהמשדר).
    ⬇︎

  • המשך גדלת התדר תביא להמשך הקטנת זווית השבירה שלו ביונוספירה דרך שכבת הE עד לכדי כך שהגל ממש יחדור גם דרכו.
    אחרי שיעבור את שכבה E - יגיע אל שכבה F1 - ממנה צפוי להשתקף בחזרה אל כדור הארץ.
    [הערה: מכאן ההבנה שככל שהתדר גבוה יותר, אפקט גל הקרקע יקטן, ומנגד גל הרקיע יפגוש את היונוספירה בזווית בה חודר את שכבותיה יותר ויותר - ככל שהתדר יגדל.
    לצורך ההמחשה, נשווה בין שכבה F1 ושכבה E. מחמת המרחק הרב יותר אל שכבה F1 בהשוואה לשכבה E, אזי שבשכבה הגבוהה יותר - מרחק הדילוג יהיה גבוה יותר. בפועל - תקשורת אפשרית לטווח ארוך יותר].

    ⬇︎

  • ככל שהתדר ימשיך לגדול, יעבור בסופו של דבר גם את שכבת F1 - אל שכבה F2.
    שכבת F2 היא השכבה הגבוהה ביותר ביונוספירה,  ממנה התקשורת האפשרית היא לטווחים הארוכים ביותר, בתחום גלי הרקיע.
    בהתאם, גם הSKIP ZONE יגדל.
    לטובת השוואה גסה, מרחק השידור האפשרי משכבה E הוא 2,500 קילומטרים (מרחק דילוג) בעוד שמרחק הדילוג האפשרי משכבה F2 הוא 5,000 קילומטרים.
     בלילה מתאחדות שכבות היונוספירה בגובה של 300 קילומטרים.

 

 

המושגים ״גלי שמים״, ״מרחק דילוג״ ו״אזור דילוג״ (״האזור השקט״, ״האזור המת״ וכו׳) הם מושגי הבסיס, הליבה של התפשטות גלי רדיו בתחום הגבוה (גלים נמוכים - HF).
הבנה אמיתית של מונחים אלה, תאפשר הבנה עמוקה של תקשורת בתחום הHF וגם בסיס לצורות התקשורת המתרחשות עם תחום הHF כדוגמא תקשורת דו-כיוונית וכו׳. כמו מדוע משתמשים בכל אחת, כיצד התקשורת אפשרית בטווחים כה רבים, השפעות חיצוניות ומונחים נוספים בהם נתקלים לעתים גבוהות בתקשורת הרדיו.

 

שבירה ביונוספירה

bottom of page