Elektromagnetisk strålning och frekvenser

Elektromagnetisk strålning förekommer naturligt i vår omgivning. Den naturliga elektromagnetiska strålningen kommer främst från solen, men även från rymden, jorden i sig och alla föremål i omgivningen som själva genererar elektromagnetisk strålning eller reflekterar sådan strålning från andra strålkällor.

Den elektromagnetiska strålningen rör sig i vågor genom rymden eller luften i ljusets hastighet, det vill säga cirka 300 000 km/sek. En elektromagnetisk våg består av ett elektriskt och ett magnetiskt fält som oscillerar i en rät vinkel mot varandra och mot rörelseriktningen.

Elektromagnetiska vågor kan uppstå på olika sätt.

Elektromagnetisk strålning har olika våglängd. En våglängd brukar mätas som avståndet mellan två motsvarande punkter i vågen, till ex-empel två på varandra följande vågtoppar. Våglängden beror av fre-kvensen, det vill säga antal svängningar (till exempel vågtoppar) som passerar en punkt per tidsenhet (till exempel en sekund). Ju högre frekvens desto kortare våglängd. Frekvensen för elektromagnetisk strålning brukar mätas i Hertz (Hz), där 1 Hz betyder en svängning per sekund, 1 kHz betyder 1000 svängningar per sekund och så vidare.

Elektromagnetisk strålning karaktäriseras av

• frekvensen,

• våglängden,

SOU 2018:92 Om radiospektrum och radioteknik

Det elektromagnetiska spektrumet spänner över ett mycket stort frekvensområde där radiovågorna tillhör det lägre området, och har olika egenskaper beroende på frekvensen. Elektromagnetiskt spekt-rum brukar delas upp i följande strålningstyper:

• Radiovågor

• Mikrovågor

• Infrarött ljus

• Synligt ljus

• Ultraviolett ljus

• Röntgenstrålning

• Gammastrålning.

Källa: Utredningens bearbetning.

För all elektromagnetisk strålning gäller följande samband mellan frekvens och våglängd:

λ = c/ƒ där

λ är våglängden mätt i meter (m), ƒ är frekvensen mätt i Hertz (Hz),

Gammastrålning

Radiovågor Mikrovågor Infrarött Synligtljus Ultraviolett Röntgen

10 m 10 cm 1 mm 0,3 mm 780 nm 380 nm 10 nm 0,01 nm 0,000001 nm

.

Byggnader Människor Insekter Celler Bakterier

partiklar Molekyler Atomer Atomkärnor Subatomära Ungefärlig

skala och våglängd Strålningstyp i meter (m)

( Frekvens i Hertz Hz)

10⁸

10⁴ 10¹² 10¹⁵ 10¹⁶ 10²⁰

Penetrerar

atmosfären Ja Nej Ja Nej

och c betecknar vågens utbredningshastighet mätt i meter per sekund (m/s). En radiovåg med frekvensen 3 MHz har våglängden 100 meter och en radiovåg med frekvensen 3 GHz har en våglängd om 10 cm.

Gammastrålning och röntgenstrålning har kortast våglängder och är joniserande strålning, det vill säga strålningen kan slå ut elektroner ur atomer i det bestrålade materialet. Övrig elektromagnetisk strål-ning är icke-joniserande strålstrål-ning. Frekvenserna är i dessa fall för låga för att ge upphov till jonisering. Det är endast synligt ljus som människor kan uppfatta med ögat.

Radiovågor är elektromagnetisk strålning, precis som ljus men med frekvenser från 9 kilohertz (kHz) till 3 000 gigahertz (GHz) som breder ut sig utan särskilt anordnad ledare. Med radiospektrum (eller i detta betänkande enbart spektrum) avses den delen av radio-vågorna som lämpar sig för radiokommunikation, radiobestämning och radiodetektion.

Det förekommer olika indelningar och benämningar av radio-frekvenser utifrån våglängd. Den exakta gränsdragningen av dessa indelningar är inte direkt fysikaliskt motiverad då radiovågornas egen-skaper förändras successivt med våglängden. Internationella tele-unionen (ITU) gör följande indelning:

Förkortningarna LF, MF och HF har även en annan innebörd på svenska.

I Sverige har radiofrekvensspektrum ofta delats upp utifrån våg-utbredningsegenskaperna, särskilt utifrån hur de påverkas av sin om-givning såsom marken och atmosfären. Dessa beteckningar används

SOU 2018:92 Om radiospektrum och radioteknik

fortfarande men i takt med att tekniken utvecklats har de högre fre-kvensområdena, det som nedan benämns mikrovågor, fått ett större fokus för radioanvändningen vad gäller utveckling av radiotekniken såväl som av nya användningsområden och tjänster.

Radiovågors räckvidd och vågutbredning

Olika frekvenser har olika räckvidd. Signalstyrkan av en radiovåg när det finns fri sikt mellan sändare och mottagare minskar proportionellt mot avståndet i kvadrat till mottagaren (~1/d², där d är avståndet mellan sändaren och mottagaren). Det innebär att det elektromagne-tiska fältet två meter från sändaren endast är en fjärdedel så stort som fältet en meter från sändaren.

Långvåg, mellanvåg och kortvåg omfattar frekvensområden som reflekteras genom brytning (refraktion) i jordens jonosfärs olika skikt.

Reflektionen i jonosfären möjliggör överföring av radiovågor över mycket långa avstånd, det vill säga radiovågorna följer jordens rund-ning och begränsas inte av horisonten. Dessa frekvenser har också god genomträngningsförmåga och låg markdämpning. För att sända radio-signaler på långa avstånd över långvåg krävs hög sändareffekt. Genom-trängningsförmågan hos radiovågor i långvågsområdet är så god att den medger exempelvis kommunikation med ubåtar i undervattens-läge.

Jordens jonosfär innehåller olika skikt med olika reflexionsegen-skaper vilket kan ge flervägsutbredning av radiovågorna. Radio-vågors reflektion i jonosfären varierar med radiovågens frekvens och med solbelysningen av jonosfären, det vill säga med tiden på dygnet.

Jonosfärens egenskaper beror av inflödet av joniserande strålning,

vilket till största delen styrs av solens aktivitet och således kan variera över dygn, årstid och så kallad solfläckscykel. Detta skapar olika radiomässiga förutsättningar som påverkar vågutbredningen, inte minst för kortvågssändningar.

Frekvenser inom ultrakortvågsområdet och uppåt möjliggör för-bindelser på avstånd fram till horisonten med relativt lägre effekt och mindre antenner än vad som krävs för lång- till kortvågssändningar.

Vågutbredningen i ultrakortvågsområdet påverkas inte av jonosfären (det vill säga rymdvåg saknas) men vågutbredningen dämpas och påverkas av marken och hinder som byggnader, berg etcetera.

Utöver detta utsätts radiovågen i sin väg från en sändare till en mottagare för en mängd olika situationer då dess signalstyrka mins-kar. En och samma radiovåg kan nå mottagaren via flera olika vägar på grund av att signalen möter hinder på vägen, vilket kan orsaka pro-blem som att signalstyrkan lokalt minskar på grund av reflektioner, då tidsförskjutna kopior av samma signal når mottagaren.

På samma vis är radiovågors förmåga att tränga igenom materia, som till exempel tjocka väggar, beroende av frekvensen. Ju högre fre-kvenser radiovågor har, desto svårare har de att tränga igenom materia.

Högfrekventa radiovågor reflekteras av till exempel större byggnader.

Signalerna kommer även att vinklas i en förändrad riktning då de går från ett medium till ett annat, beroende på tätheten av dessa två media.

De viktigaste vågutbredningsfenomenen är reflektion, diffraktion och spridning (scattering).

Reflektion sker när en radiovåg träffar en yta som är stor i relation till våglängden. Egenskaperna hos ytan tillsammans med radiovågens frekvens avgör hur mycket strålning som reflekteras. Reflektion kan uppstå från mark eller byggnader i stadsmiljö, eller från vägg, golv eller tak inomhus.

Diffraktion sker när en radiovåg träffar ett skarpt hörn, till exem-pel ett hörn på en byggnad, och innebär att radiovågen kan utbreda sig runt hörn och på så sätt nå en mottagare som inte är inom en obruten siktlinje från sändaren. Hur mycket diffraktion som sker beror på radiofrekvensen och hur hörnet ser ut.

Spridning uppstår när den yta som radiovågen träffar är liten i för-hållande till våglängden, till exempel en lyktstolpe, en ojämn yta eller ett träd. Då reflekteras radiovågen i många olika riktningar från ytan.

SOU 2018:92 Om radiospektrum och radioteknik