Radyo
Doğada çok geniş bir elektromagnetik ışınım tayfı, yani ışınım dalga boyu aralığı vardır. Işınımın saniyedeki salınım ya da titreşim sayısına bağlı olarak, bu tayfın en üst ucunda kozmik ışınlar yer alır; kozmik ışınları sırasıyla gamma ışınları, X ışınları, morötesi ışınlar, görünür ışık ve kızılötesi ışınlar izler. Tayfın alt ucunda ise radyo dalgaları bulunur. (Elektromagnetik ışınım tayfına ilişkin ayrıntılı bilgi IŞINIM maddesinde verilmiştir.)
Eğer sesler kendileriyle aynı frekansta elektrik salımmlarına dönüştürülürse, elektromagnetik dalgalar aracılığıyla uzaklara taşınabilir. İşte radyo iletişiminde, seslerin bu elektriksel kopyalarının elektromagnetik dalgalarca taşınmasından yararlanılır. Elektrik salınımı, sürekli olarak tek bir yönde akmak yerine, akış yönü düzenli aralıklarla tersine dönen bir elektrik akımıdır. Birbirini izleyen bu yön değiştirmelerden bir tam dönüşe “çevrim” ; çevrim sıklığına, yani bir saniyedeki çevrim sayısına da “frekans” denir.
Radyo dalgalarının frekans aralığı yaklaşık 30 milyon kHz ile 10 kHz arasındadır (kHz, kilohertzin kısaltılmışıdır; 1 kHz, saniyede 1.000 çevrimlik bir salınım demektir). Bu dalgalar uzayda saniyede yaklaşık 300.000 km hızla yayılır. Bu maddede, radyo iletişiminin bugüne kadar geçirmiş olduğu evreler anlatılmaktadır. Radyo programlarının planlanması ve hazırlanması RADYO VE TELEVİZYON YAYINLARI maddesinde; radyo dalgalarının uzaktaki cisimlerin yerini belirlemek için kullanılması RADAR maddesinde; bu dalgaların evlerimizde televizyon ekranında izlediğimiz görüntünün taşınabilmesi için kullanılması ise TELEVİZYON maddesinde anlatılmaktadır.
Radyo İletişiminin İlk Günleri
19. yüzyıla kadar radyo dalgalarına ilişkin hiçbir şey bilinmiyordu. 1864’te İskoç matematikçi James Clerk Maxwell , elektromagnetik tayf üzerindeki kuramsal çalışmaları sonucunda, frekansı kızılötesi dalgaların frekansından daha düşük, yani dalga boyu onlarınkinden daha kısa dalgaların bulunması gerektiğini saptadı. Ama, gözle görülmeyen bu gizemli dalgaları ancak 22 yıl sonra Alman bilim adamı Heinrich Hertz üretmeyi başardı; bu dalgaların da yansıma, kırılma ve girişim gibi optik yasalarına uyduğunu ortaya çıkardı. Ama ne Hertz, ne de dönemin öbür bilim adamları bu dalgalar için pratik bir kullanım alanı bulabildi.
O dönemde Hertz’in adıyla anılan bu dalgalar 1894-95’e kadar yalnızca ilginç sonuçlar veren bir laboratuvar araştırma konusu olarak kaldı. Mors anahtarı ve anten sistemini, Hertz vericisiyle birlikte ilk kez kimin kullandığı tartışmalıdır. Ama bu kişi ya Rus bilim adamı Aleksandr Stepanoviç Popov (1859-1906) ya da o tarihlerde adı henüz duyulmamış genç bir araştırmacı olan İtalyan Guglielmo Marconi’ydi. Popov, Rusya’da Çarlık Deniz Kuvvetleri’nde gizli bir görevde çalışıyordu; Marconi de çalışmalarını gizlilik içinde yürütüyordu, bu nedenle de buluşa ilişkin kesin bir tarih saptamak ve bunlardan hangisinin bu buluşu daha önce gerçekleştirdiğini söylemek olanaksızdır. Gene de Marconi’nin radyonun gelişmesindeki katkısının çok büyük olduğunu söylemek yanlış olmaz.
1896’da Marconi İngiltere'ye gitti ve geliştirdiği “telsiz aygıtı”nı orada sergiledi. Bunun vericisi Hertz’in kullandığı vericinin bir benzeriydi. Vericinin indükleme bobini bataryaya bağlandığında, birbirine yakın yerleştirilmiş iki metal küre arasında yüksek bir elektrik gerilimi oluşuyor ve Marconi'nin Hertz’in aygıtına eklemiş olduğu mors anahtarına basıldıkça, bu gerilim nedeniyle bir küreden ötekine kıvılcım atlıyordu.
Marconi, kıvılcım atlama aralığının bir yanma bir tel anten bağlamış, öbür yanını ise topraklamış, yani ikinci küre ile toprak arasına bir bağlantı teli çekmişti. Böylece iki küre arasındaki kıvılcım atlamaları antenden uzaya yayılan bir dizi salınım yaratıyor; bu da mors anahtarına daha uzun ya da daha kısa süreli basarak, antenden mors alfabesine uygun işaretler yaymayı olanaklı kılıyordu.
Alıcı, koherör denen bir aygıttı. Bu aygıt, içine gevşek halde metal parçacıkları doldurulmuş küçük bir cam tüpten oluşuyordu ve bir anten ile toprak arasına bağlanmıştı. Alıcı antende herhangi bir sinyal yokken metal parçacıkların elektrik direnci yüksek bir düzeyde kalıyordu. Ama, antene bir sinyal ulaşır ulaşmaz metal dolgu sıkışıyor ve direnci önemli ölçüde azalıyordu. Direnç bu biçimde azaldığında elektromekanik röleler harekete geçiyor ve bir mors yazıcısını çalıştırıyordu. Koherörün bir sakıncası şuydu: Sinyalin neden olduğu her sıkışma sonrasında metal parçacıklarını yeniden yüksek dirençli duruma getirmek için tüpe hafifçe vurulması gerekiyordu. Bu, tüpe bir elektrikli zil mekanizmasının çekiciyle otomatik olarak vurulması yoluyla gerçekleştiriliyordu.
Vericideki operatör mors alfabesiyle bir mesaj yolladığında, bu mesajı taşıyan radyo dalgaları alıcı tarafından toplanıyor ve sonuçta kâğıt bir şerit üzerinde, mors karakterleriyle basılı hale geliyordu. Bu yeni telsiz aygıtının erimi yalnızca birkaç kilometreydi ve bu yöntemle mesajlar çok yavaş iletilebiliyordu. Ayrıca istenilen frekansta çalışılamıyordu, bu nedenle de birbirinin menzili içinde kalan iki verici aynı anda çalıştırılamıyordu. Çalıştırıldığında ise alıcılar her iki mesajı da eşzamanlı olarak alıyor ve ortaya karmaşık sonuçlar çıkıyordu.
Ama 1896 ile 1901 arasında Marconi bu alanda büyük bir yenilik gerçekleştirdi. Bataryayla çalışan masa üstü vericilerin yerini, ilk olarak İngiltere’nin güneybatısında Cornwall’daki Poldhu kayalıkları üzerinde kurulan yüksek güçte bir istasyon aldı. Frekans ayar ya da seçme devresi geliştirildi ve böylece istasyonlar arasındaki girişim önlendi; ayrıca alıcılar daha gelişkin hale getirildi. 1901’de Marconi, Poldhu’dan gönderilen sinyallerin Atlas Okyanusu’nu aşarak Kanada’nın doğusundaki Newfoundland'da St. John’s’a kadar ulaştırıldığını bütün dünyaya duyurdu.
İyonosfer
Aslında o dönemin bilgilerine göre böyle bir şey kuramsal olarak olanaksızdı. Hertz, radyo dalgalarının optik yasaları uyarınca düz bir hat üzerinde yol aldığını göstermişti. Bu durumda, radyo dalgalarının Avrupa ile Amerika arasında düz bir yol izleyerek Atlas Okyanusu’nu aşabilmesi için her iki yanda da yükseklikleri 150 kilometreyi aşan antenlerin kurulu olması gerekmez miydi? Marconi’nin tanığı yoktu ve bu nedenle aynı telsiz mesajını 1902’de bir dizi gözlemcinin önünde tekrarlayana kadar ileri sürmüş olduğu sav kabul görmedi.
Kuramsal açıdan dalgaların ufuk çizgisinin hemen ötesinde Dünya’nın yüzeyinden ayrılıp uzayda kaybolması gerekirken, Marconi’nin gerçekleştirdiği deneyde, Dünya’nın eğriliğini izleyerek yol alıyorlarmış gibi bir sonucun ortaya çıkması nasıl açıklanabilirdi? Başlangıçta buna kimse yanıt getiremedi. Ama 1902’de ABD’li elektrik mühendisi Arthur E. Kennelly ve İngiliz fizikçi Oliver Heaviside, Dünya atmosferinin üst katmanlarında ayna görevi gören ve radyo dalgalarını yeniden Dünya’ya yansıtan bir iyonlaşma katmanının (elektrik yüklü parçacıklardan oluşan bir katman) bulunduğunu öne sürdüler. Önceleri bu iddiayı pek az kişi kabul etti. Ama 1924’te İngiliz bilim adamı Edward Appleton, Kennelly-Heaviside katmanının varlığını deneysel olarak belirledi.
Aslında Dünya’nın çevresinde farklı yükseltilerde birkaç iyonlaşma katmanı vardır. İki ana grup halinde kümeleşmiş olan bu katmanlar, atmosferin üst kesimlerinde yer alan gaz atomlarındaki bazı elektronların, Güneş’ten kaynaklanan morötesi ışınımın etkisiyle serbest kalması sonucunda oluşur. Bu serbest elektronlar, radyo dalgalarının bir bölümünü Dünya yüzeyine geri yansıtırlar; kalan bölümünü iyonosfer denen katmanlar soğurur. Yeryüzüne geri yansıyan miktar, iyonlaşma katmanının yoğunluğuna ve yüksekliğine, radyo dalgasının frekansına, iyonosfer katmanıyla karşılaşma açısına ve bir dizi başka etmene bağlıdır.
İki ana katmandan birine (yeryüzünden yüksekliği 80 ile 140 km arasında olanına) Kennelly-Heaviside katmanı denir. Appleton katmanı olarak bilinen öbür katman ise yeryüzünden yaklaşık 240 km yüksektedir. Bu katmanlar olmasaydı, ilk uydu fırlatılıp Dünya çevresinde bir yörüngeye oturtulana kadar uzun menzilli radyo iletişimi gerçekleştirilemezdi.
Radyo Dalgalarının Frekans Dağılım Aralığı
Radyo dalgalarının frekans dağılım aralığı yedi ana banda ayrılır. Bu sınıflandırma bilim adamları tarafından, dalgaların iletim özelliklerine bağlı olarak yapılmıştır. Bir banttan öbürüne geçiş, ani bir sıçrama biçiminde değil, dalga özelliklerinin giderek değişmesi biçiminde gerçekleşir; iki bandı birbirinden ayıran kesin bir sınır yoktur.
Frekanslar alçaktan yükseğe doğru sıralanacak olursa, ilk bant çok alçak frekans (VLF; İngilizce Very Low Frequency sözcüklerinin başharflerinden) bandıdır. Bu bantta yalnızca birkaç özel amaçlı istasyon çalışır. Çok alçak frekanslı dalgalar hemen hemen bütünüyle iyonosferden yansıtma yoluyla iletilir ve böylece yeryüzü ile atmosferin oluşturduğu bir “kanal” içinde dünyanın bir noktasından bir başka noktasına ulaştırılabilir. Bu nedenle VLF vericilerinin yayın alanı çok geniştir, ama işletme maliyetleri yüksektir.
Alçak frekans (LF; İngilizce Low Frequency sözcüklerinin başharflerinden) bandında yayım alanı o kadar geniş değildir, çünkü bu banttaki dalgaların bir bölümü iyonosferde soğurulur. Bununla birlikte LF istasyonlarının kapsadığı yayım alanı hem gündüz, hem gece oldukça geniş olabilmektedir. Pek çok radyo alçısının LF bandı ya da “uzun dalga”sı vardır. Ama pek az istasyon bu banttan yayım yapar.
Orta frekans. (MF; İngilizce Medium Frequency sözcüklerinin başharflerinden) bandındaki istasyonlarda dalga iletim özellikleri öbürlerinkinden tümüyle farklıdır. Gündüz çok zayıf işitilen MF bandı ya da “orta dalga” istasyonları hava karardıktan sonra, çoğu zaman başka yayınları bozacak ölçüde güçlü alınmaya başlar. Ayrıca bu banttan gönderilen sinyaller zaman zaman zayıflama eğilimi gösterir. Bu etkilerin nedeni iyonosferdir.
Yayımlanan bütün radyo dalgalarının, iyonosferden yansıyarak yayılan dalgalar ve doğrudan Dünya’nın yüzeyinden yayılan dalgalar olmak üzere iki bileşeni vardır. Gündüzleri MF istasyonlarının yaydığı dalgalardan iyonosfere ulaşanlar hemen hemen bütünüyle soğurulur ve bu nedenle de yayım alanındaki alıcı istasyonlar gündüzleri yalnızca Yer dalgalarını alırlar (Yer dalgaları da oldukça geniş bir alan içinde, düzenli olarak alınabilir). Ama iyonosfer katmanları Güneş’in etkisiyle oluştuğundan, bu katmanların yoğunlukları ve yükseklikleri de hem mevsimlere bağlı olarak, hem de gece ve gündüz farklılığından etkilenerek değişir. Bu nedenle hava karardıktan sonra dalgaların iyonosferden yansıması çok daha güçlü ve daha geniş açılı olur. İyonosferden yansıyıp yeryüzüne geri dönen dalgalardan Yer dalgalarının yayılma alanı içine düşenler, sinyallerin güçlenmesine ya da zayıflamasına yol açar. İyonosferden yansıyıp gelen dalgalar bu kez yeryüzünden yansıyıp tekrar iyonosfere geri döner, ama oradan tekrar Yer’e yansır. Bu yansımalar süresi birkaç kez yinelenebilir ve sinyaller gündüz ulaşamadıkları yerlere hava karardıktan sonra bu yoldan ulaşabilir.
Kutup ışıkları denen atmosfer etkileri, yüksek enerji yüklü parçacıkların iyonosfere girmesine neden olur. Kutup ışıklarının görüldüğü sırada ansızın ortaya çıkan bu iyonlaşmış parçacık birikimi, çoğu zaman radyo işaretlerinin uzayda yitip gitmesine yol açar.
Yüksek frekans (HF; İngilizce High Frequency sözcüklerinin başharflerinden) bandının uzun yıllar kısa menzilli radyo yayınlarından başka bir işe yaramayacağı düşünülmüştü. Ama bugün uzun menzilli iletişimde HF bandı ya da “kısa dalga” yaygın olarak kullanılmaktadır. O dönemde böyle sanılmasının nedeni, yüzeyden giden dalgaların (Yer dalgalarının) çok kısa menzilli olması ve 1920’lere kadar radyo dalgalarının iyonosferden yansıması konusunda hiçbir şeyin bilinmemesindendi. Radyo dalgalarının bir bölümünün iyonosferin alt katmanlarının içine girdiği, ama bunların daha üstteki Appleton katmanınca yansıtıldığı 1920’lerde keşfedildi. İlk yansıma, Yer dalgalarının ulaşabileceği menzilin çok ötesinde bir yerde yeryüzüne geri döner ve birkaç kez daha gidip geldikten sonra çok büyük bir uzaklığa ulaşır, hatta dünyanın çevresini dolanabilir. Yer dalgalarının eriştiği uzaklık ile ilk yansıma noktası arasında, hiçbir sinyalin işitilemediği bir bölge kalır.
Çok yüksek frekans (VHF; İngilizce Very High Frequency sözcüklerinin baş harflerinden),
ultra yüksek frekans (UHF; İngilizce Ultra High Frequency sözcüklerinin başharflerinden) ve süper yüksek frekans (SHF; İngilizce Süper High Frequency sözcüklerinin başharflerinden) bantlarındaki istasyonların iyonosfere ulaşan dalgaları, iyonosferin bütün katmanlarını geçip uzaya kaçar. Bu istasyonların yüzeyden giden dalgalarının menzili frekans artışıyla kısalır ve SHF bandının üst ucundaki dalgalar artık ufuk çizgisinin pek fazla ötesine geçemez. Mühendisler istasyonları tepelerin ya da dağların üstünde kurarak bu uzaklığı artırmaya çalışırlar.
Bu bantlar kısa menzilli olmakla birlikte yaygın olarak kullanılır. Televizyon görüntüsünü veren karmaşık sinyaller, teknik nedenlerle LF, MF ve HF bantları üzerinden gönderilemez. Televizyon yayınlarında, menzilleri sırasıyla yaklaşık 60 km ve 35 km olan VHF ve UHF istasyonları kullanılır.
Radyo dalgasının frekansı ne kadar yüksekse, taşıyabileceği telefon ya da telgraf sinyallerinin sayısı da o ölçüde büyük olur. Örneğin bir SHF dalgası aynı anda 900 kadar telefon görüşmesinin iletilebilmesini sağlar. İki kent arasında belirli aralıklarla kurulacak istasyonların yardımıyla mesajlar hat boyunca tekrarlanabilir ve böylece dalgaların kısa menzilli olmasının getirdiği sınırlamalar aşılabilir. Bu tekrarlama otomatik olarak yapılabilir ve birbirinden ormanlar ya da çöllerle ayrılmış kentler arasında bu tür bir istasyon zinciri kurularak 1.500 kilometreye kadar olan uzaklıklara ulaşılabilir.
Eğer bir VHF dalgası iyonosfere dar bir açıyla girerse, enerjinin çoğu uzaya kaçar. Ama bu dalganın küçük bir bölümü iyonosferde saçılıma uğrar ve bunun da bir bölümü verici istasyona uzak bir noktada yeryüzüne geri döner. Böylece bu “iyonosfer saçılımı”ndan yararlanılarak verici istasyona uzaklıkları yaklaşık 1.500 kilometrenin üzerinde olan noktalarda, oldukça duyarlı bir alıcıyla VHF dalgaları alınabilir.
Termoiyonik Lamba
1920’lere kadar hemen hemen bütün radyo istasyonları mors alfabesiyle mesaj göndermek için kullanılırdı. Radyo dalgaları aracılığıyla ve mors alfabesiyle mesaj iletimine telsiz telgraf denir. O dönemde vericilerde lamba kullanılmazdı; radyo dalgası üretmenin başlıca aracı, elektrik kıvılcımları, Poulsen arkı ya da Alexanderson yüksek frekans alternatörüydü. Bu yöntemlerden hiçbiri telsiz telefon tekniği, yani konuşmaların ya da genel olarak seslerin radyo dalgaları biçiminde gönderilmesi için uygun değildi.
1904’te İngiliz bilim adamı Sir John Ambrose Fleming, termoiyonik diyot lambayı buldu; ABD’li fizikçi Lee de Forest ise 1906’da bu lambaya ızgara denen üçüncü bir parça ekledi. Triyot lamba denen bu aygıt zayıf sinyalleri güçlendirebilmekteydi. Ama triyot lambanın telsiz telefon için gerekli olan pürüzsüz salınımlar da üretebildiği ancak 1913’te keşfedildi.
I. Dünya Savaşı sırasında triyot lambanın verimliliği ve çıkış gücü büyük ölçüde artırıldı. 1918’e gelindiğinde pek çok ülkenin silahlı kuvvetlerinde alçak güçlü telsiz telefonlar kullanılıyordu. Savaş sona erdiğinde radyo üreticileri yeni bir pazar aramaya başladılar. Genel radyo yayını 1920’de başladı. Bugün termoiyonik lambanın yerini büyük ölçüde transistor almıştır; termoiyonik lamba ancak büyük çıkış gücünün gerekli olduğu yerlerde kullanılmaktadır.
Radyo Nasıl Çalışır
Ses dalgaları farklı frekanslarda titreşir; bu titreşimler stüdyoda mikrofonlarla toplanır ve aynı frekanslardaki elektrik salınmalarına, yani elektrik sinyallerine dönüştürülür. Bu sinyaller yükselteçlerden (amplifikatör) geçirilerek güçlendirilir ve ardından bu “ses frekansları” , vericide üretilen daha yüksek frekanstaki radyo dalgalarının üzerine “bindirilir” . Bu radyo dalgaları ses frekanslarını uzaklara taşır. Ses sinyalleri ile taşıyıcı radyo dalgalarının aynı dalga düzeninde birleştirilmesi, yani her iki dalganın üst üste bindirilerek tek bir dalga haline getirilmesi gerekir; bu işleme “modülasyon” denir. “Modüle edilmiş” ses sinyalleri antene beslenir ve oradan elektromagnetik dalgalar biçiminde yayılır. İki tür modülasyon sistemi vardır: Genlik modülasyonunda (kısaca “AM”), elektrik salınımları yüksek frekanslı taşıyıcı dalgaların genliğini değiştirir. Frekans modülasyonunda (kısaca “FM”) taşıyıcı dalganın genliği aynı kalır, ama frekansı ses frekanslarıyla değişir. Televizyon vericilerinde görüntü sinyallerini göndermek için AM, ses sinyalleri için de FM sisteminden yararlanılır.
Radyo alıcısında, iletkenlerden (bobinlerden) ve sığaçlardan oluşan bir düzeneğin yardımıyla frekans ayarı yapılır ve böylece istenen sinyaller alınır, öbür sinyaller ise alıcı devresinin dışında bırakılır. Transistörler (ya da bugün pek fazla kullanılmayan radyo lambaları), zayıflamış olarak alıcıya ulaşan sinyalleri güçlendirir. Ses frekansları ayrılır ve elektrik salınımları hoparlöre gönderilerek burada yeniden ses titreşimlerine dönüştürülür.
Uydular Aracılığıyla İletişim
Radyo dalgalarıyla iletişimde son zamanlarda sağlanan en önemli ilerleme, Dünya yörüngesine oturtulan uyduların yaygın olarak kullanılmaya başlanması olmuştur. VHF ve öbür yüksek frekans bantlarında, yüzeyden yayılan radyo dalgalarından yararlanılarak yapılan yayınların ulaşabileceği sınır, kabaca ufuk hattının biraz ötesine kadar uzanır. Radyo vericisinden yayılan sinyalleri uzaydaki bir uyduya göndermek ve oradan yeryüzüne geri yansıtmak, bu “ufuğu” çok önemli ölçüde genişletir.
Diyelim ki, İngiltere’deki bir UHF istasyonu ABD’deki benzer bir istasyonla iletişim kurmak istiyor. Dünya’nm eğriliği nedeniyle, normal olarak bu gerçekleştirilemez. Ama, Atlas Okyanusu’nun üzerindeki bir yörüngeye her iki istasyonu da doğrudan görebilen bir uydu yerleştirilmişse, bu haberleşme başarılabilir. Sinyaller birinci istasyondan uyduya gönderilir; uydu alıcısı bunları toplar ve güçlendirir. Sonra da bu sinyaller uydudaki küçük bir vericiye aktarılır, buradan Dünya’daki alıcı istasyona gönderilir ve burada yeniden güçlendirilir. Bu tür güçlendirmelerde yükseltici olarak maserlerden yararlanılabilir. (Maser, “Uyarılmış Işınım Yayımıyla Mikrodalga Yükseltimi” anlamına gelen İngilizce Microwave Amplification by Stimulated Emission of Radiation sözcüklerinin başharflerinden oluşturulmuştur.)
Bu tip bir haberleşme uydusunda, bütün alıcı ve verici donanımları ile bunların yedekleri bulunur. Uydular, Dünya’dan roketlerle fırlatılır ve yerden genellikle 36.000 km yüksekteki bir yörüngeye oturtulur. Bu yükseklikte uydu, Dünya’nm çevresinde Dünya ile birlikte döner ve böylece Dünya üzerindeki verici ve alıcı istasyonlara göre her zaman doğru konumda kalır. Uydularda enerji, bataryalardan ya da güneş ışınlarını elektriğe çeviren güneş pillerinden sağlanır. Gelecekte bunun için belki de nükleer enerji kullanılacak ve böylece uydunun çalışma ömrü neredeyse sonsuz olacaktır. Gezegenler arası yolculuklarda laserlerden yararlanma olanağı vardır. Laserin ürettiği çok yoğun ışık demeti, sinyallerle modüle edilerek ses sinyalleri için taşıyıcı dalga görevi görebilir
