Излучение и Прием Электромагнитных Волн. Принципы Радиосвязи
Возможность практического применения электромагнитных волн для установления связи без проводов продемонстрировал 7 мая 1895 г. знаменитый русский физик Александр Степанович Попов (1859-1906). Этот день считается днем рождения радио.
Для осуществления радиосвязи необходимо обеспечить возможность излучения электромагнитных волн.
Закрытый колебательный контур не излучает электромагнитные волны в окружающее пространство. Если колебательный контур состоит из катушки и двух пластин плоского конденсатора, не параллельных друг другу, то чем под большим углом развернуты эти пластины, тем более свободно выходит электромагнитное поле в окружающее пространство. Предельным случаем раскрытия колебательного контура является удаление пластин конденсатора на противоположные концы прямой катушки. В действительности контур состоит из катушки и длинного провода - антенны. Один конец антенны заземлен, второй поднят над поверхностью земли.
Катушка антенны имеет индуктивную связь с катушкой колебательного контура генератора незатухающих электромагнитных колебаний. Вынужденные колебания высокой частоты в антенне создают в окружающем пространстве переменное электромагнитное поле. Со скоростью 300 000 км/с электромагнитные волны распространяются от антенны. Энергия излучаемых электромагнитных волн при одинаковой амплитуде колебаний силы тока в антенне пропорциональна четвертой степени частоты колебаний. Поэтому для осуществления радио- и телевизионной связи используются электромагнитные волны с частотой от нескольких сотен тысяч герц до тысяч мегагерц. Эти высокочастотные волны называют несущими волнами, которые модулируют в простейшем случае звуковой частотой. Процесс наложения колебаний одной частоты на колебания другой называется модуляцией (рис. 75).
Рассмотрим процесс амплитудной модуляции, состоящий в изменении амплитуды несущей волны по закону сигнала низкой частоты.
В электрическую цепь транзисторного генератора последовательно с колебательным контуром включают катушку трансформатора. На вторую катушку трансформатора подается переменное напряжение звуковой частоты с выхода микрофона после необходимого усиления.
Переменное напряжение звуковой частоты, складываясь с постоянным напряжением источника генератора, приводит к изменению со звуковой частотой амплитуды колебаний силы тока высокой частоты в контуре генератора.
Амплитуда колебаний тока несущей частоты изменяется амплитудой тока звуковой частоты. В результате получаются модулированные колебания тока несущей частоты, которые излучаются в пространство (рис. 76).
Электромагнитные волны, излученные антенной радиопередатчика, вызывают вынужденные колебания свободных электронов в любом проводнике.
Напряжение между концами проводника, в котором электромагнитная волна возбуждает вынужденные колебания электромагнитного тока, пропорциональны длине проводника. Поэтому для приема электромагнитных волн в простейшем радиоприемнике применяется длинный провод - приемная антенна.
Вынужденные колебания в антенне 1 возбуждаются электромагнитными волнами от всех радиостанций. Для
того чтобы слушать только одну радиопередачу, колебания напряжения не направляют непосредственно на вход усилителя, а сигналы подают на колебательный контур 2 с изменяющейся собственной частотой колебаний.
Изменение собственной частоты колебаний в контуре приемника производится обычно изменением электроемкости переменного конденсатора.
При совпадении частоты вынужденных колебаний в антенне с собственной частотой колебаний контура наступает резонанс, при этом амплитуда вынужденных колебаний напряжения на обкладках конденсатора контура достигает максимального значения. Таким образом, из большого числа электромагнитных колебаний, возбужденных в антенне, выделяются колебания нужной частоты.
С колебательного контура приемника модулированные колебания высокой частоты поступают на детектор 3 (рис. 77).
В качестве детектора можно использовать полупроводниковый диод, пропускающий переменный ток высокой частоты только в одном направлении.
После прохождения детектора сила тока в цепи изменяется во времени по закону, представленному на рис. 78.
В течение каждого полупериода высокой частоты импульсы тока заряжают конденсатор 4, вместе с тем конденсатор медленно разряжается через резистор 5.
Значения электроемкости конденсатора 4 и сопротивления 5 выбраны таким образом, что через резистор 5 протекает ток, изменяющийся во времени со звуковой частотой, использованной при модуляции колебаний в генераторе.
Для преобразования электрических колебаний в звуковое переменное напряжение звуковой частоты подается на телефон 6 (рис. 79).
Для повышения чувствительности в современных радиоприемниках сигнал с колебательного контура поступает на вход усилителя высокой частоты (УВЧ), а с выхода усилителя высокой частоты электрические колебания поступают на детектор.
Для усиления мощности звукового сигнала на выходе радиоприемника электрические колебания звуковой частоты с выхода детектора поступают на вход усилителя низкой частоты (УНЧ).
Переменное напряжение звуковой частоты с выхода УНЧ подается на обмотку электродинамического громкоговорителя - динамика. Динамик преобразует энергию переменного тока звуковой частоты в энергию звуковых колебаний.
Описана схема простейшего детекторного приемника. В современных радиоприемниках используются довольно сложные электронные микросхемы, включающие в себя генераторы электромагнитных колебаний. Сложение электрических колебаний от внутреннего генератора приемника с колебаниями, возбужденными в контуре приемника электромагнитными волнами от передающих радиостанций, позволяет настраивать приемник на очень узкий диапазон принимаемых частот.
Шкала электромагнитных волн изображена ниже на рис. 80.
Электромагнитные волны охватывают огромный диапазон длин волн от 104 до 10-10 м. По способу получения можно выделить следующие области длин волн:
а) радиоволны охватывают диапазон от 106 м до 1 мм. Здесь выделяют область длинных волн - не более 103 м, средних - от 103 до 100 м, коротких - от 100 м до 10 м, ультракоротких - от 10 м до 1 мм;
б) область ультракоротких радиоволн смыкается с участком инфракрасных лучей. Граница между ними условная и определяется способом их получения: ультракороткие радиоволны получают с помощью особых генераторов (радиотехнические методы), а инфракрасные лучи излучаются нагретыми телами;
в) за видимым участком спектра лежат ультрафиолетовые лучи, их длина от 400 нм до 1 нм. Ультрафиолетовые лучи получают с помощью тлеющего разряда, обычно в парах ртути;
г) с коротковолновой границей ультрафиолетовой области смыкается участок, соответствующий рентгеновским лучам. Они охватывают диапазон длин от 1 нм до 0,01 нм;
д) за рентгеновскими лучами идет область гамма-лучей с длинами волн менее 0,1 нм.
Область рентгеновских и гамма-лучей частично перекрывается, и различать эти волны можно не по свойствам, а по методу получения: рентгеновские лучи возникают в специальных трубках, а гамма-лучи испускаются при радиоактивном распаде ядер некоторых элементов.
Все излучения представляют собой электромагнитные волны, порождаемые электрическими зарядами и токами, изменяющимися со временем.
Обнаруживаются электромагнитные волны в конечном счете по их действию на заряженные частицы.
В вакууме излучения любой длины волны распространяются с одинаковой скоростью - скоростью света.
По мере уменьшения длины волны количественные различия в длинах волн приводят к существенным качественным различиям. Излучения различной длины волны очень сильно отличаются друг от друга по поглощению веществом. Коэффициент отражения веществом электромагнитных волн также зависит от длины волны.
Но главное различие между длинноволновыми и коротковолновыми излучениями в том, что коротковолновое излучение обнаруживает свойства частиц.
Электромагнитные волны отражаются и преломляются согласно законам отражения и преломления. Для
электромагнитных волн можно наблюдать явления интерференции, дифракции, поляризации. Электромагнитные волны - волны поперечные. Объемная плотность энергии электромагнитной волны пропорциональна частоте в четвертой степени (v ~ v4).
Комментарии: (0)