1. Принципы радиосвязи
7 мая 1895 года русский инженер Л. С. Попов продемонстрировал прибор, регистрирующий электромагнитные волны, порождённые удалённой молнией. В следующем году Попов передал первую в мире радиограмму, а ещё через год его радиограмма спасла жизнь рыбакам, унесённым в море на льдине.
Рассмотрим основные принципы радиосвязи на примере передачи звука по радио.
На первом этапе звуковые волны надо преобразовать в переменный электрический ток. Для этого используют микрофон (рис. 15.1).
Рис. 15.1
Можно ли преобразовать этот переменный ток в радиоволны, которые будут распространяться на большие расстояния? Увы, пет, хотя бы потому, что электромагнитные волны с частотами, характерными для звуковых волн, очень быстро затухают.
А. С. Попов (1859-1906)
°1. Каков диапазон частот звуковых волн, которые слышит человеческое ухо?
Для радиосвязи используют электромагнитные волны намного большей частоты — от 0,15 МГц до 30000 МГц. Их генерируют с помощью уже знакомого вам колебательного контура. В радиопередатчике «совмещают» электрические колебания со звуковой частотой с колебаниями высокой частоты (её называют несущей частотой, потому что радиоволны с такой частотой могут распространяться на большие расстояния). В результате получаются модулированные колебания, то есть колебания высокой частоты, амплитуда которых изменяется со звуковой частотой (рис. 15.2). Такое совмещение колебаний различной частоты называют амплитудной1) модуляцией. Далее мы расскажем об этом подробнее.
Рис. 15.2
Модулированные колебания в радиопередатчике преобразуют в модулированную электромагнитную волну, то есть волну высокой частоты, амплитуда которой изменяется со звуковой частотой. Такую волну можно передавать на огромные расстояния — не только на другой материк, по даже на другие планеты (или с других планет на Землю)!
Когда модулированная волна попадает на антенну радиоприёмника (или телевизора) (рис. 15.3), в ней возникают такие же модулированные электрические колебания, как в передающей антенне радиопередатчика.
На следующем этапе из модулированных колебаний в радиоприёмнике «извлекают» колебания звуковой частоты (рис. 15.4). Этот процесс называют демодуляцией или детектированием. Об этом мы тоже расскажем дальше подробнее.
Рис. 15.3
Рис. 15.4
1) Кроме амплитудной модуляции, используют также частотную, при которой частота несущей волны изменяется со звуковой частотой.
На последнем этапе электрические колебания снова преобразуют в звуковые волны. Для этого используют динамики (рис. 15.5).
Рис. 15.5
Каждая радиостанция использует свою несущую частоту, благодаря чему радиостанции работают, не мешая друг другу.
*2. Передача радиоволн
Генератор на транзисторе
Электромагнитные колебания высокой частоты генерируют в колебательном контуре. Чтобы они не затухали, их надо подпитывать энергией от источника тока. В «ручном режиме» это можно было бы делать, используя простейшую схему, изображённую на рисунке 15.6: чтобы периодически подзаряжать конденсатор, надо замыкать ключ, когда знаки зарядов пластин конденсатора совпадают со знаками полюсов источника постоянного тока, и размыкать, когда знаки зарядов становятся противоположными.
Рис. 15.6
Главный недостаток столь простой схемы состоит в том, что при частоте в тысячи или миллионы герц не может быть и речи о «ручном режиме» подзарядки контура. Значит, необходимо сделать так, чтобы сам колебательный контур управлял подзарядкой конденсатора в подходящие для этого промежутки времени. Тогда колебания в контуре станут незатухающими.
Незатухающие колебания, обусловленные тем, что колебательная система сама управляет поступлением энергии в систему, называют автоколебаниями.
Генератор незатухающих электромагнитных колебаний можно создать с помощью транзистора, который будет играть роль автоматического ключа в приведённой выше схеме.
На рисунке 15.7 показано одно из обозначений транзистора на электрических схемах. Напомним основное свойство транзистора: при очень небольшом изменении напряжения между эмиттером и базой существенно изменяется сила тока в цепи, в которую включены эмиттер и коллектор.
Рис. 15.7
Рассмотрим схему, изображённую на рисунке 15.8. Опа отличается от схемы, изображённой на рисунке 15.6, тем, что в повой схеме вместо ключа — транзистор, причём эмиттер и база транзистора соединены через катушку Lсв.
Эта катушка намотана на один сердечник с катушкой L колебательного контура (такие катушки называют индуктивно связанными). Поэтому обе катушки пронизываются одним и тем же магнитным полем, благодаря чему при изменении силы тока в катушке L колебательного контура индуцируется переменная ЭДС индукции в катушке Lсв, причём с частотой, равной частоте колебаний контура.
Изменения напряжения между эмиттером и базой транзистора управляют силой тока в цепи эмиттера и коллектора — а в этой цепи находится источник тока, подпитывающий колебательный контур. Благодаря этому транзистор замыкает и размыкает цепь в нужные моменты при каждом колебании в контуре.
Рис. 15.8
Амплитудная модуляция
Чтобы осуществить амплитудную модуляцию, спроектируем устройство, позволяющее изменять амплитуду генератора высокочастотных колебаний со звуковой частотой.
Для наглядности начнём снова с «ручного режима». На рисунке 15.9 показана схема, с помощью которой можно изменять амплитуду колебаний в контуре, перемещая движок реостата, соединённого последовательно с источником тока.
Рис. 15.9
При изменении сопротивления реостата изменяется сила тока в цепи, подпитывающей конденсатор колебательного контура. При увеличении силы тока амплитуда колебаний в контуре будет увеличиваться, а при уменьшении силы тока — уменьшаться.
A теперь снова сделаем так, чтобы амплитуда колебаний в контуре автоматически изменялась с нужной звуковой частотой. С этой целью заменим резистор в схеме, показанной на рисунке 15.9, катушкой L1, индуктивно связанной с катушкой L2, включённой в цепь микрофона (рис. 15.10). Поскольку эти катушки пронизываются одним и тем же магнитным потоком, ЭДС индукции в катушке L1 будет изменяться со звуковой частотой, равной частоте тока в цепи микрофона. Вследствие этого результирующая ЭДС в цепи источника тока (равная алгебраической сумме ЭДС источника тока и ЭДС индукции в катушке) также будет изменяться со звуковой частотой. A это будет приводить к изменению амплитуды высокочастотных колебаний в контуре с той же звуковой частотой.
В результате зависимость силы тока от времени в колебательном контуре будет иметь вид высокочастотных колебаний, амплитуда которых изменяется со звуковой частотой (рис. 15.11). Это и есть модулированные колебания.
Рис. 15.10
Рис. 15.11
Модулированные колебания порождают модулированные радиоволны, которые излучаются в пространство с помощью передающей антенны.
*3. Приём радиоволн
Настройка на нужную частоту
Перенесёмся теперь мысленно вместе с радиоволной от радиопередатчика к радиоприёмнику.
На антенну радиоприемника падает множество электромагнитных волн из многих радиопередатчиков, порождая в ней вынужденные электромагнитные колебания, являющиеся суммой колебаний со многими частотами. Поэтому первым делом надо отобрать из множества этих колебаний те, частота которых равна частоте волны интересующей нас радиостанции.
Этот отбор мы произведём, прибегнув к помощи колебательного контура и воспользовавшись явлением резонанса. Включим в цепь приёмной антенны колебательный контур с конденсатором переменной электроёмкости (рис. 15.12). Обратите внимание на обозначение такого конденсатора на схеме (его обозначают со стрелкой). Плавно изменяя электроёмкость конденсатора, мы можем сделать собственную частоту контура равной частоте радиоволн, передаваемых интересующей нас радиостанцией.
Рис. 15.12
Вследствие явления резонанса амплитуда вынужденных колебаний в контуре имеет резкий максимум при частоте, равной собственной частоте колебательной системы. Поэтому контур будет отбирать из всех вынужденных электромагнитных колебаний те, частота которых равна его собственной частоте (колебания с другими частотами будут быстро затухать).
Напомним, что частота собственных колебаний контура выражается формулой
Отсюда следует, что для настройки контура на нужную частоту можно изменять индуктивность катушки L или электроёмкость конденсатора С. На практике применяют и то, и другое:
— для скачкообразного перехода от одного диапазона радиоволн к другому (например, от коротких волн к средним) обычно заменяют в колебательном контуре одну катушку на другую, используя переключатель;
— для настройки в пределах одного диапазона радиоволн обычно изменяют электроёмкость конденсатора, поворачивая ручку настройки радиоприёмника, которая изменяет площадь перекрытия пластин конденсатора.
2. Индуктивность катушки колебательного контура радиоприёмника равна 3 мкГн.
Демодуляция
На следующем шаге из модулированных высокочастотных колебаний надо выделить интересующие нас колебания звуковой частоты. Этот процесс называют демодуляцией или детектированием. Осуществим его в три этапа.
Первый этап. Превратим переменный ток в пульсирующий: при этом сила тока изменяется с несущей частотой, по ток течёт в одном направлении (рис. 15.13).
Рис. 15.13
3. На рисунке 15.14 изображена простейшая схема электрической цепи, с помощью которой подаваемый на клеммы переменный ток преобразуют в пульсирующий ток, текущий через резистор. Объясните принцип работы этой схемы.
Рис. 15.14
Второй этап. Пульсирующий ток сглаживают, в результате чего сила тока будет изменяться уже со звуковой частотой (рис. 15.15).
Рис. 15.15
Для сглаживания тока в схему, изображенную на рисунке 15.14, добавляют конденсатор, параллельно соединённый с резистором (рис. 15.16). Параллельно соединённые конденсатор и резистор называют RC-филътром.
В течение краткого промежутка времени, когда через диод идёт ток, он разветвляется на резистор и конденсатор. В результате сила тока в резисторе уменьшается, а конденсатор заряжается. А в течение следующего краткого промежутка времени, когда ток через диод не идёт, конденсатор разряжается через резистор — при этом направление тока в резисторе остаётся всё время одним и тем же. Следовательно, через резистор будет течь сглаженный ток в одном направлении, причём сила тока будет изменяться со звуковой частотой.
Рис. 15.16
4. Перенесите рисунок 15.16 в тетрадь и изобразите на нём красным цветом, в каком направлении будет течь ток через резистор, когда ток идёт через диод, и синим цветом, в каком направлении будет течь ток при разрядке конденсатора. Укажите знаки зарядов обкладок конденсатора.
Третий этап. На последнем этапе надо убрать постоянную составляющую сглаженного тока, чтобы получить переменный ток звуковой частоты (рис. 15.17), который будет течь в динамике для воспроизведения передаваемого по радио звука.
Рис. 15.17
Чтобы убрать постоянную составляющую, можно использовать ещё один конденсатор: он пропустит только переменную составляющую сглаженного тока, так как постоянный ток через конденсатор не идёт. Мы не изображаем этот конденсатор на схеме, чтобы по усложнять её.
Простейшая схема радиоприёмника
Описанные выше этапы приёма радиоволн реализованы в простейшей схеме радиоприёмника, изображённой на рисунке 15.18. Справа на схеме — условное изображение наушника, роль которого на предыдущих схемах играл резистор. Наушник преобразует электрические колебания звуковой частоты в звуковые волны.
Рис. 15.18
5. Используя рисунок 15.18, опишите основные этапы радиоприёма.
Почему радиоволны можно передавать на другой континент?
Для передачи радиоволн на большие расстояния обычно используют так называемые «короткие волны» (с длиной волны примерно от 10 м до 100 м). Дело в том, что короткие волны хорошо отражаются от ионосферы — так называют слой земной атмосферы, содержащий большое число ионов. Он расположен на высотах от 50 км до 100 км над поверхностью Земли (рис. 15.19).
Рис. 15.19
Радиосвязь на большие расстояния осуществляют также с помощью спутников связи, движущихся по геостационарной орбите. Для этого используют «ультракороткие волны» (УКВ-диапазон) с длиной волны примерно от 1 см до 10 м, потому что такие волны свободно проходят сквозь ионосферу.
4. Современные средства связи
Мобильная связь
Трудно представить современную жизнь без мобильных телефонов, а ведь распространение они начали получать сравнительно недавно — с конца 20-го века.
В мобильном телефоне есть и радиопередатчик, и радиоприёмник: радиопередатчик посылает ваши слова «в эфир», преобразовав их в модулированные электромагнитные волны, а радиоприемник превращает модулированные волны, попадающие на антенну вашего телефона, в звук.
Мобильный телефон может принимать и передавать радиоволны только в пределах так называемой зоны покрытия, которая поделена на ячейки, называемые «сотами», — поэтому мобильную связь называют также «сотовой». Каждая ячейка зоны покрытия имеет свою антенну — она является одновременно и передающей, и приёмной. Антенны устанавливают на возвышенных местах — на крышах высоких зданий, телебашнях или специально построенных вышках.
Когда вы находитесь в зоне покрытия, ваш мобильный телефон постоянно поддерживает радиосвязь с ближайшим приёмником-передатчиком этой зоны. При вашем перемещении телефон автоматически переключается на другие приёмники-передатчики.
Интернет
Без Интернета современную жизнь тоже невозможно представить. Пользуясь им, вспоминайте время от времени, что он стал возможен, прежде всего, благодаря достижениям физики.
При использовании Интернета активно применяют радиосвязь.
На наших глазах Интернет становится основным средством получения и передачи информации. Он вытесняет телефонную связь и телевидение, используя в том числе телефонные линии связи и спутники связи.
Отмстим, что Интернет играет всё большую роль в обучении и самообразовании: дойдя практически до каждого, Интернет сделал общедоступными огромные массивы информации и знания.
ЧТО МЫ УЗНАЛИ
ДОПОЛНИТЕЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ И ЗАДАНИЯ
Базовый уровень
6. На какую длину волны нужно настроить радиоприёмник, чтобы слушать передачи радиостанции, работающей на частоте 120 МГц?
7. Одна из частот, на которых работают сотовые телефоны, равна 900 МГц. Какой длине волны соответствует эта частота?
8. Какие частоты соответствуют длинам волн от 1,5 м до 6 м, на которых передаётся видеоизображение?
Повышенный уровень
9. Мобильная связь в автомобиле может пропасть, когда автомобиль проезжает под мостом, в котором есть металлические конструкции. Объясните, почему это происходит.
10. Сколько колебаний происходит в колебательном контуре радиопередатчика за промежуток времени, равный одному периоду звуковых колебаний с частотой 5 кГц, если длина несущей волны передатчика равна 60 м?
11. Индуктивность катушки колебательного контура радиопередатчика уменьшили в 4 раза. Как при этом изменились: период колебаний тока в контуре; частота излучаемых волн; длина волны излучения?
12. Радиоприёмник настроен на длину волны 292 м. Индуктивность катушки колебательного контура радиоприёмника равна 2 мГн. Чему равна электроёмкость конденсатора контура?
13. Радиоприёмник настроен на частоту 6 МГц. Как надо изменить электроёмкость конденсатора колебательного контура радиоприёмника, чтобы он принимал радиоволны с длиной волны 150 м?
14. На какую длину волны настроен колебательный контур радиоприёмника, если зависимость заряда от времени в единицах СИ на обкладках конденсатора контура выражается формулой q = 5 • 10-6 cos(6,28 • 107t)?
Высокий уровень
15. Приёмник настроен на длину волны 25 м. Как изменится длина принимаемых волг, если заполнить воздушный конденсатор контура диэлектриком, — увеличится или уменьшится? Насколько изменится длина принимаемой волны, если диэлектрическая проницаемость диэлектрика равна 6?
16. Колебательный контур приёмника содержит две сменные катушки, причём L2 > L1. Электроёмкость конденсатора колебательного контура радиоприёмника можно увеличивать от С1 до С2.
17. Радиоприёмник содержит колебательный контур, электроёмкость конденсатора которого можно изменять от 56 пФ до 670 пФ. Наименьшая длина волны, которую может принимать приёмник, равна 40 м.
ГЛАВНОЕ В ЭТОЙ ГЛАВЕ
