Главная › Тарифы › Генераторы и приемники радиоволн. Прием, передача радиоволн на примере обобщенных схем радиоприемника и радиопередатчика

Генераторы и приемники радиоволн. Прием, передача радиоволн на примере обобщенных схем радиоприемника и радиопередатчика

В учебниках по физике приведены заумные формулы на тему диапазона радиоволн, которые порой не до конца понятны даже людям со специальным образованием и опытом работы. В статье постараемся разобраться с сутью, не прибегая к сложностям. Первым, кто обнаружил радиоволны, был Никола Тесла. В своем времени, где отсутствовало высокотехнологичное оборудование, Тесла не до конца понимал, что это за явление, которое он впоследствии назвал эфиром. Проводник с переменным электрическим током является началом радиоволны.

Источники радиоволн

К природным источникам радиоволн относятся астрономические объекты и молнии. Искусственным излучателем радиоволн является электрический проводник с движущимся внутри переменным электрическим током. Колебательная энергия распространяется в окружающее пространство посредством радиоантенны. Первым рабочим источником радиоволн был радиопередатчик-радиоприёмник Попова. В этом устройстве функцию высокочастотного генератора выполнял высоковольтный накопитель, подключенный на антенну − вибратор Герца. Созданные искусственным способом радиоволны применяются для стационарной и мобильной радиолокации, радиовещания, радиосвязи, спутников связи, навигационных и компьютерных систем.

Диапазон радиоволн

Применяемые в радиосвязи волны находятся в диапазоне частот 30 кГц − 3000 ГГц. Исходя из длины и частоты волны, особенностей распространения, диапазон радиоволн подразделяется на 10 поддиапазонов:

СДВ - сверхдлинные.
ДВ - длинные.
СВ - средние.
КВ - короткие.
УКВ - ультракороткие.
МВ - метровые.
ДМВ - дециметровые.
СМВ - сантиметровые.
ММВ - миллиметровые.
СММВ - субмиллиметровые

Диапазон частот радиоволн

Спектр радиоволн условно поделен на участки. В зависимости от частоты и длины радиоволны подразделяются на 12 поддиапазонов. Диапазон частот радиоволн взаимосвязан с частотой переменного тока сигнала. радиоволн в международном регламенте радиосвязи представлены 12 наименованиями:

При увеличении частоты радиоволны ее длина уменьшается, при уменьшении частоты радиоволны - увеличивается. Распространение в зависимости от своей длины - это важнейшее свойство радиоволны.

Распространение радиоволн 300 МГц − 300 ГГц называют сверхвысокими СВЧ вследствие их довольно высокой частоты. Даже поддиапазоны очень обширны, поэтому они, в свою очередь, поделены на промежутки, в которые входят определенные диапазоны телевизионные и радиовещательные, для морской и космической связи, наземной и авиационной, для радиолокации и радионавигации, для передачи данных медицины и так далее. Несмотря на то что весь диапазон радиоволн разбит на области, обозначенные границы между ними являются условными. Участки следуют друг за другом непрерывно, переходя один в другой, а иногда и перекрываются.

Особенности распространения радиоволны

Распространение радиоволн - это передача энергии переменным электромагнитным полем из одного участка пространства в другой. В вакууме радиоволна распространяются со При воздействии окружающей среды на радиоволны распространение радиоволн может быть затруднено. Это проявляется в искажении сигналов, изменении направления распространения, замедлении фазовой и групповой скоростях.

Каждая из разновидностей волн применяется по-разному. Длинные лучше могут обходить преграды. Это означает, что диапазон радиоволн может распространяться по плоскости земли и воды. Применение длинных волн широко распространено в подводных и морских суднах, что позволяет быть на связи в любой точке местонахождения в море. На в шестьсот метров с частотой пятьсот килогерц настроены приемники всех маяков и спасательные станций.

Распространение радиоволн в различных диапазонах зависит от их частоты. Чем меньше длина и выше частота, тем прямее будет путь волны. Соответственно, чем меньше ее частота и больше длина, тем она более способна огибать преграды. Каждый диапазон длин радиоволн обладает своими особенностями распространения, однако на границе соседних диапазонов резкого изменения отличительных признаков не наблюдается.

Характеристика распространения

Сверхдлинные и длинные волны огибают поверхность планеты, распространяясь поверхностными лучами на тысячи километров.

Средние волны подвержены более сильному поглощению, поэтому способны преодолевать расстояние лишь 500-1500 километров. При уплотнении ионосферы в данном диапазоне возможна передача сигнала пространственным лучом, который обеспечивает связь на несколько тысяч километров.

Короткие волны распространяются лишь на близкие расстояния вследствие поглощения их энергии поверхностью планеты. Пространственные же способны многократно отражаться от земной поверхности и ионосферы, преодолевать большие расстояния, осуществляя передачу информации.

Сверхкороткие способны передавать большой объем информации. Радиоволны этого диапазона проникают сквозь ионосферу в космос, поэтому для целей наземной связи практически непригодны. Поверхностные волны этих диапазонов излучаются прямолинейно, не огибая поверхность планеты.

В оптических диапазонах возможна передача гигантских объемов информации. Чаще всего для связи используется третий диапазон оптических волн. В атмосфере Земли они подвержены затуханию, поэтому в реальности передают сигнал на расстояние до 5 км. Зато использование подобных систем связи избавляет от необходимости получать разрешения от инспекций по электросвязи.

Принцип модуляции

Для того чтобы передать информацию, радиоволну нужно модулировать сигналом. Передатчик испускает модулированные радиоволны, то есть измененные. Короткие, средние и длинные волны имеют амплитудную модуляцию, поэтому они обозначаются как АМ. Перед модуляцией несущая волна движется с постоянной амплитудой. Амплитудная модуляция для передачи изменяет ее по амплитуде, соответственно напряжения сигнала. Амплитуда радиоволны изменяется прямо пропорционально напряжению сигнала. Ультракороткие волны имеют частотную модуляцию, поэтому они обозначаются как ЧМ. накладывает дополнительную частоту, которая несет информацию. Для передачи сигнала на расстояние его нужно промодулировать более высокочастотным сигналом. Для принятия сигнала нужно отделить его от поднесущей волны. При частотной модуляции помех создается меньше, однако радиостанция вынуждена вещать на УКВ.

Факторы, влияющие на качество и эффективность радиоволн

На качество и эффективность приема радиоволн влияет метод направленного излучения. Примером может послужить спутниковая антенна, которая направляет излучение в точку нахождения установленного приемного датчика. Этот метод позволил существенно продвинуться в области радиоастрономии и сделать множество открытий в науке. Он открыл возможности создания спутникового вещания, беспроводным методом и многое другое. Выяснилось, что радиоволны способны излучать Солнце, многие планеты, находящиеся вне нашей Солнечной системы, а также космические туманности и некоторые звезды. Предполагается, что за пределами нашей галактики существуют объекты, обладающие мощными радиоизлучениями.

На дальность радиоволны, распространение радиоволн оказывают влияние не только солнечное излучение, но и метеоусловия. Так, метровые волны, по сути, не зависят от метеоусловий. А дальность распространения сантиметровых сильно зависит от метеоусловий. Происходит из-за того, что водной среде во время дождя или при повышенном уровне влажности в воздухе короткие волны рассеиваются или поглощаются.

Также на их качество влияют и препятствия, оказывающиеся на пути. В такие моменты происходит замирание сигнала, при этом значительно ухудшается слышимость или вообще пропадает на несколько мгновений и более. Примером может послужить реакция телевизора на пролетающий самолет, когда мигает изображение и появляются белые полосы. Это происходит за счет того, что волна отражается от самолета и проходит мимо антенны телевизора. Такие явления с телевизорами и радиопередатчиками чаще происходят в городах, поскольку диапазон радиоволн отражается на зданиях, высотных башнях, увеличивая путь волны.

Передача информации в пространстве с помощью радиоволн осуществлялась со времени изобретения радио в конце девятнадцатого века. В настоящее время интерес к радиосвязи возрос в связи с тенденцией отказа от проводов. Появился модный термин «беспроводная связь» (wireless), что является синонимом «радиосвязи».

Передают обычно речь, музыку, тексты, изображения и др. Эту информацию преобразуют в видеосигнал, т.е. зависимость тока или напряжения от времени. Видеосигнал может быть аналоговым, как в имеющихся и отживающих системах, либо цифровым – в новейших системах. В последнем случае аналоговый сигнал преобразуется в поток цифр, как правило, записанных в двоичном виде.

С этой целью осуществляется квантование аналогового видеосигнала по времени и уровню. В результате каждому дискретному моменту времени ставится в соответствие ближайший цифровой уровень. Поток цифр посредством импульсно – кодовой модуляции преобразуется в двоичный вид. В конечном итоге передаче подлежит поток единиц и нулей, представляющих собой начальную информацию.

Спектр видеосигнала, в какой бы форме он ни был представлен – аналоговой или цифровой – содержит весьма низкие частоты – порядка герц и килогерц. Такие частоты бесполезно излучать в пространство, поскольку, как это будет видно в дальнейшем, антенна излучает только в том случае, когда ее размеры соизмеримы с длиной излучаемой волны или больше ее.

Необходимо переместить спектр видеосигнала по оси частот вверх в тот диапазон, частоты которого эффективно излучаются. С этой целью необходимо осуществить две операции:

создать высокочастотное электромагнитное поле;

преобразовать видеосигнал в радиосигнал путем модуляции видеосигналом высокочастотных колебаний.

Эти операции выполняются в передатчике радиосистемы. Высокочастотные электромагнитные колебания называют несущими, поскольку они переносят информацию.

Ширину излучаемого спектра стремятся ограничить с тем, чтобы не создавать помехи другим станциям. С целью ограничения спектра видеосигнал подвергают специальной обработке – фильтрованию и кодированию.

В соответствии с основными функциями, выполняемыми передатчиком, его обобщенная схема приведена на рис.В.1.

В приемную антенну радиосигнал поступает весьма ослабленным. Кроме него, в антенне имеются помехи, обусловленные внешними наводками, либо собственными шумами приемника, а так же сигналы других радиостанций. Задача приемника состоит в том, чтобы, во-первых, выделить полезный радиосигнал из помех, и во-вторых, извлечь из принятого сигнала переданную информацию. Выделение радиосигнала осуществляется фильтрованием, извлечение информации – демодуляцией.

Успешно отфильтровать помехи и мешающие сигналы можно в том случае, когда частота полезного сигнала невелика. С этой целью в приемниках предусмотрено понижение принятой несущей частоты до некоторой промежуточной, на которой и осуществляется основная фильтрация. Типичная блок – схема радиоприемника приведена на рис.В.2.

Преселектором является предварительный фильтр, настроенный на частоту полезного сигнала и устраняющий перегрузку усилителя высокой частоты (УВЧ). В схеме имеется преобразователь частоты, состоящий из смесителя и высокочастотного генератора, называемого гетеродином. На выходе преобразователя стоит фильтр, выделяющий промежуточную частоту и отфильтровывающий все мешающие сигналы.

Усиление слабых сигналов осуществляется на трех частотах: высокой – усилитель высокой частоты, промежуточной – усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и низкой – усилитель низкой частоты (УНЧ), где усиливается выделенный видеосигнал. В результате, удается достигнуть весьма высокого усиления – от микровольт на входе до единиц вольт на выходе.

Оконечным устройством в приемнике может быть динамический громкоговоритель, наушники, цифровое устройство, экран и др.

Как можно заметить, в радиосистемах связи осуществляются следующие основные операции:

Генерирование электромагнитных колебаний несущей частоты;

Обработка видеосигнала;

Модуляция колебаний несущей частоты видеосигналом, т.е. образование радиосигнала;

Усиление мощности радиосигнала;

Преобразование частоты;

Демодуляция.

В настоящем пособии рассмотрены эти процессы. Существенное внимание уделено радиоволнам, их формированию, распространению и излучению.

Радиоволны

Электромагнитное поле

Радиоволны – это распространяющиеся в среде электромагнитные колебания, частоты которых лежат в диапазоне 3 кГц – 3 ТГц, что соответствует длинам волн в вакууме от 100 км до 0,1 мм. Электромагнитные волны есть форма существования электромагнитного поля, которое определяется следующими основными физическими величинами:

вектором напряженности электрического поля , В/м или Н/Кл;

вектором магнитной индукции ,[Тесла].

Напряженность Е – это сила F, действующая со стороны электрического поля на тело, имеющее электрический заряд q = 1 Кл:

Магнитная индукция В – это сила Ампера , с которой магнитное поле действует на проводник длиной l = 1 м с током I = 1 А, при условии, что вектор перпендикулярен проводнику:

Параметры среды

Условия распространения радиоволн в различных средах имеют особенности в зависимости от параметров среды. Для распространения радиоволн важны следующие параметры:

Абсолютная диэлектрическая проницаемость

где е’-относительная диэлектрическая проницаемость, , е0= Ф/м -диэлектрическая постоянная. Относительная диэлектрическая проницаемость е’ показывает, во сколько раз уменьшается напряженность электрического поля в среде по сравнению с вакуумом;

Абсолютная магнитная проницаемость

где м’-относительная магнитная проницаемость, Гн/м, для ферромагнитных сред >>1. Относительная магнитная проницаемость м’ показывает, во сколько раз увеличивается магнитная индукция B в магнитной среде, по сравнению с вакуумом;

Удельная электропроводность g - это коэффициент пропорциональности между плотностью тока проводника и напряженностью электрического поля :

Уравнение (1.1) - это закон Ома в дифференциальной форме.

Дополнительные векторы электромагнитного поля

Наряду с основными физическими величинами и , характеризующими поле, применяют дополнительные:

вектор электрической индукции :

вектор напряженности магнитного поля:

При изучении распространения радиоволн обычно применяется пара векторов и , поскольку уравнения поля получаются симметричными.

Скалярные величины, характеризующие электромагнитное поле

Наряду с векторами, для описания поля применяют скалярные величины:

1) потенциал электрического поля

где - потенциальная энергия заряда q в электрическом поле;

2) магнитный поток

где интеграл от скалярного произведения векторов и берётся по замкнутой поверхности S.

1.2 Уравнения Максвелла

Теория электромагнитного поля основана на уравнениях Максвелла, которые он сформулировал в «Трактате по электричеству и магнетизму», опубликованном в 1873 г.

При выводе уравнений электромагнитного поля Максвелл использовал результаты исследований статических (т.е. постоянных во времени) электрического и магнитного полей (см. Приложение 1). Известные уравнения статических полей Максвелл развил применительно к переменному электромагнитному полю, благодаря двум идеям (Приложение 2):

1) возникновение замкнутых силовых линий напряженности электрического поля вокруг линий магнитной индукции при условии, что величина B меняется со временем (это следует из закона электромагнитной индукции Фарадея);

2) введению понятия «плотность тока смещения»

Отсюда следует, что замкнутые линии вектора магнитной индукции возникают не только вокруг вектора плотности тока проводимости (т.е. вокруг траектории движущихся электрических зарядов), но и вокруг силовых линий , если E меняется во времени.

Число уравнений Максвелла было сокращено Г.Герцем и О.Хевисайдом, по сравнению с тем, что было написано в трактате, они привели их к современному компактному виду. В настоящее время принята следующая запись уравнений Максвелла..

Дифференциальная формаИнтегральная форма

; ;

Здесь Iпр - ток проводимости:

где в правой части – интеграл по замкнутой поверхности S от скалярного произведения векторов и ; с - плотность электрического заряда q: – проекции вектора на соответствующие оси.

Геометрический смысл уравнений Максвелла в дифференциальной форме следующий. Ротор вектора – это ось, вокруг которой закручиваются замкнутые линии соответствующего поля. Из первого уравнения Максвелла следует, что такой осью для магнитного поля являются линии плотности тока проводимости или линии напряженности электрического поля , если E меняется со временем.

Осью возникающих замкнутых линий электрического поля являются силовые линии магнитного поля , при условии, что H зависит от времени. Это следует из второго уравнения Максвелла.

Дивергенция вектора – это точка в пространстве, откуда начинаются незамкнутые силовые линии поля. Как видно из третьего уравнения Максвелла, незамкнутые силовые линии напряженности электрического поля начинаются в точках, где есть электрические заряды. Из четвертого уравнения Максвелла следует, что незамкнутых линий напряженности магнитного поля не существует.

Решая уравнения Максвелла в различных средах, можем найти 6 проекций векторов и : , , , , , .

Генераторы и приемники радиоволн

В 1873 г. знаменитый английский ученый Максвелл опубликовал «Трактат об электричестве и магнетизме», привлекший внимание ученых всех стран. Основываясь на физических опытах Фарадея, Томсона и других ученых, Максвелл математически доказал, что любой металлический проводник, по которому течет переменный ток, излучает в пространство электромагнитные волны. Эти волны распространяются со скоростью света (300 000 километров в секунду) и имеют ту же природу, что и свет. Для электромагнитных волн имеются «непрозрачные» тела - металлы, которые поглощают и отражают эти волны. Другие тела, например непроводники электрического тока, являются для них «прозрачными» и не создают почти никакого препятствия. Максвелл утверждал, что электромагнитные волны, представляющие собой совокупность взаимосвязанных электрических и магнитных сил, обладают определенной энергией.

Многие ученые недоверчиво встретили теорию Максвелла. Лишь спустя пятнадцать лет немецкий ученый Генрих Герц у себя в лаборатории сумел получить электромагнитные волны и обнаруживать их на расстоянии до 3 метров. Однако Герц не видел возможности использования электромагнитных волн для практических целей.

Замечательный русский ученый А. С. Попов 7 мая 1895 года продемонстрировал свой первый в мире радиоприемник и высказал надежду, что «прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний». Так оно и получилось: менее чем через год, 24 марта 1896 г., А. С. Поповым и его помощником П. И. Рыбкиным была установлена радиосвязь на расстоянии 250 метров и передана первая в мире радиограмма. Радио было поставлено на службу человеку.

С тех пор прошло шестьдесят лет. За это время ученые двинули далеко вперед науку об электромагнитных колебаниях. Они доказали, что не только радиоволны, но и видимый свет, тепловые и рентгеновские лучи - есть электромагнитные колебания, отличающиеся друг от друга только длиной волны и частотой. Среди электромагнитных колебаний наибольшую длину волны имеют радиоволны- от нескольких миллиметров до многих километров.

По мере развития радиотехники совершенствовались и методы получения, или генерирования, радиоволн. Если в первых генераторах радиоволны возникали благодаря проскакиванию электрической искры в шаровом разряднике, то позднее их стали получать с помощью десятков других, более совершенных устройств.

Коротко остановимся на устройстве современных генераторов радиоволн.

Основой любого радиогенератора служит так называемый колебательный контур, состоящий из двух главных частей: проволочной катушки индуктивности и конденсатора (рис. 1).

Рис. 1. Внешний вид и схема устройства колебательного контура.

Электрический конденсатор - это две металлические пластины, разделенные слоем изолятора: слюды, бумаги или просто воздуха. Прибор этот обладает замечательной способностью: он может запасать электрическую энергию - на его пластинах могут сосредоточиваться электрические заряды - на одной положительные, на другой отрицательные. Конденсаторы отличаются друг от друга своей емкостью - способностью вмещать в себя заряды. Чем больше площадь пластин и чем ближе они расположены друг к другу, тем больше емкость конденсатора и, следовательно, тем больше энергия, которую он может запасти.

Катушка индуктивности по внешнему виду напоминает катушку ниток, но здесь на каркас намотана не хлопчатобумажная нить, а покрытый изоляцией металлический провод. Если через такую катушку пропускать электрический ток, то вокруг нее возникает сильное магнитное поле.

В колебательном контуре колеблются электроны. Чтобы колебания возникли, необходимо «подтолкнуть» электроны, сообщить им некоторое количество энергии. Это можно сделать, если на мгновение подключить к конденсатору электрическую батарею. Конденсатор зарядится: на одной из пластин будет избыток электронов, а на другой недостаток; между пластинами образуется электрическое поле, в котором и запасается полученная от батареи энергия.

Сразу же после зарядки конденсатора электроны, имевшиеся в избытке на одной из его пластин, устремляются через катушку на другую пластину. В контуре возникает электрический ток.

Хотя катушка сделана из металлической проволоки, она оказывает сильное противодействие возникшему току. Вокруг ее витков образуется магнитное поле, в котором запасается часть энергии, полученной конденсатором при зарядке. Благодаря этому в момент, когда конденсатор разрядится полностью, ток в контуре не прекратится. Он будет течь в том же направлении, но уже не под влиянием энергии конденсатора, а под влиянием энергии, запасенной катушкой. Когда же катушка отдаст свою энергию, ее магнитное поле исчезнет, конденсатор контура снова окажется заряженным, но избыток электронов в этом случае будет на той пластине, на которой вначале их недоставало.

Вновь зарядившийся конденсатор опять начинает разряжаться через катушку, и в контуре снова возникает электрический ток, но уже обратного направления.

Так в колебательном контуре возникают колебания многих миллионов электронов. Эти колебания продолжаются до тех пор, пока вся энергия, запасенная конденсатором при зарядке, не израсходуется на нагревание проводов и на другие потери.

Чтобы поддерживать колебания в этом «электрическом маятнике», необходимо восполнять потери энергии в нем, производить в такт с колебаниями «подзарядку» конденсатора. Никакое механическое устройство не справится с этой работой, так как оно не в состоянии обеспечить сотни тысяч переключений каждую секунду. Только изобретение радиолампы позволило осуществить такой генератор, в котором электрические колебания могут существовать сколь угодно длительное время.

Радиолампа - это стеклянный или металлический баллон, из которого тщательно выкачан воздух. В баллоне имеются электроды. В простейшей радиолампе их три: катод, анод и так называемая сетка (см. рис. 2).

Рис. 2. Так устроена радиолампа.

Катод представляет собой металлическую нить, изготовленную из такого материала, который при нагревании может в большом количестве испускать электроны. Анод имеет форму металлического цилиндра или пластины, на него подается положительное напряжение от анодной батареи. Под действием электрических сил электроны, вылетевшие из катода, устремляются к аноду, и через лампу начинает течь электрический ток.

Между катодом и анодом находится третий электрод - сетка. Это спираль из тонкой проволоки. Если на сетке есть электрический заряд, то она может либо увеличивать, либо уменьшать ток через лампу. В связи с этим сетку, расположенную вблизи от катода, называют управляющей: изменяя ее заряд, можно управлять током, протекающим через лампу.

Электроды лампы так подключены к колебательному контуру, что контур в такт с возникшими в нем колебаниями постоянно получает все новые и новые порции энергии, которые восполняют электрические потери.

Совместное действие электрической батареи и лампы аналогично действию пружины в часах, не позволяющей маятнику остановиться.

Частота колебаний в радиогенераторе зависит от того, какова емкость конденсатора и как велико число витков катушки индуктивности. Изменяя эти величины, можно создавать (генерировать) колебания в сотни тысяч и миллионы колебаний в секунду.

Таким образом, при помощи радиолампы и колебательного контура удается преобразовать энергию постоянного тока, заключенную в анодной батарее, в энергию переменного тока высокой частоты. Однако полученные при помощи одной лампы высокочастотные колебания тока по своей мощности очень слабы. Если этот высокочастотный ток направить в антенну передатчика, то она почти не будет излучать радиоволны.

Чтобы создать в антенне радиопередатчика мощные высокочастотные токи, производят усиление электрических колебаний. Для этой цели используются другие радиолампы, имеющие свои конструктивные особенности. Они называются в отличие от генераторных ламп усилительными.

Подавая на управляющую сетку усилительной лампы слабые электрические колебания, в анодной цепи этой лампы получают электрические колебания той же частоты. Но «размах» колебаний увеличивается в десятки раз. Если и этого оказывается недостаточно, то прибегают к помощи еще одной усилительной лампы и т. д.

На крупных радиостанциях получение мощных электромагнитных колебаний производится с помощью ламп, имеющих нередко водяное охлаждение (для отвода излишнего тепла) и достигающих по высоте человеческого роста.

Радиоволны, излучаемые антенной передатчика, обладают энергией. Достигая металлического провода приемной антенны, они отдают часть этой энергии свободным электронам, которых в металлах очень много. Подобно тому, как плавающая на воде пробка начинает колебаться, когда к ней подходят волны от брошенного камня, так и электроны повторяют все изменения электромагнитного поля. В антенне приемника возникает переменный ток, частота которого зависит от длины пришедшей радиоволны.

Окружающее пространство заполнено, множеством различных электромагнитных волн. Поэтому и в антенне радиоприемника циркулирует огромное количество разнообразных токов.

Назначение радиоприемника как раз и состоит в том, чтобы выбрать из большого числа возникающих в приемной антенне токов лишь тот ток, который создан радиоволнами какой-либо одной определенной станции.

В приемнике, как и в передатчике, важнейшей частью является колебательный контур. К нему и подключается приемная антенна. Этот контур выполняет роль «сита» - он отсеивает все высокочастотные токи, кроме одного, на частоту которого он настроен. Настройка контура изменяется поворотом рукоятки конденсатора, что позволяет принимать различные радиостанции.

После «отбора» нужной радиоволны происходит усиление выделенного сигнала. Это делается, как и в передатчике, с помощью радиоламп. По размерам эти приемно-усилительные лампы во много раз меньше мощных ламп передатчика. Усиленный до необходимой величины сигнал после некоторых преобразований заставляет звучать громкоговоритель, или приводит в действие телеграфный аппарат.

Отличие радиоэлектронных устройств от других электрических приборов заключается в том, что радиоэлектронное устройство обязательно имеет в своей схеме радиолампу или другой электронный прибор - фотоэлемент, электронно-лучевую трубку, полупроводниковый элемент и т. п.

Выше было коротко рассказано о том, как работает трехэлектродная лампа, т. е. лампа, состоящая из катода, анода и управляющей сетки. В современных радиосхемах используются и более сложные лампы, имеющие не одну, а две, три и больше сеток. Более сложные лампы обладают лучшими техническими характеристиками.

Изменение поданного на управляющую сетку лампы напряжения вызывает, как уже отмечалось, изменение величины тока, текущего через лампу. Нужно отметить важную особенность этого явления: оно происходит почти мгновенно. И в этом - огромное преимущество радиоламп. Стоит подвести на сетку большое отрицательное напряжение, ток через лампу мгновенно прекратится, если же затем подать положительное напряжение, ток снова появится.

Благодаря своей способности быстро отзываться на малейшие изменения электрического сигнала электронную лампу часто называют безынерционным реле, т. е. таким устройством, которое почти не обладает инерцией и мгновенно реагирует на малейшие изменения режима работы.

Эта особенность радиоламповых схем явилась одной из причин широкого внедрения электроники в современную технику.

Использование электронных приборов

За шестьдесят лет развития радиотехники создано огромное количество радиоэлектронных устройств, имеющих самое различное назначение. Ни одно крупное современное сооружение не обходится без применения электронных ламп. Например, современный тяжелый самолет имеет радиооборудование, включающее в себя около 1000 различных радиоламп и других электровакуумных приборов. На крупном морском корабле их уже насчитывается более 9 тысяч, не считая ламп во взрывателях снарядов и торпед. Электронная аппаратура современного самолета стоит почти столько же, сколько стоит сам самолет. Современные электронные математические машины имеют десятки тысяч ламп.

Если внимательно познакомиться со всем многообразием радиоэлектронных устройств, то можно отчетливо различить основные линии их использования, что соответствует основным направлениям развития радиотехники.

Все радиоэлектронные устройства по своему использованию можно разделить на три большие группы:

Первая группа - это радиоэлектронные устройства, используемые для целей радиосвязи, или передачи сигналов на расстояние без проводов.

Передача сигналов с помощью радиоволн успешно применяется в радиовещании, радиосвязи, телевидении, радиолокации, радионавигации, радиоастрономии, радиометеорологии и т. д.

Вторую группу составляют радиоэлектронные устройства, используемые для нагрева, различных веществ. Эти устройства не излучают и не принимают радиоволн, созданная ими высокочастотная энергия превращается в тепло, которое используется в различных производствах - металлургическом, деревообрабатывающем и др. Высокочастотный нагрев широко используется и в медицине как средство лечения.

К радиоэлектронным эти устройства относятся потому, что в них широко используются высокочастотные генераторы, волноводы и другие чисто «радиотехнические» элементы.

К третьей, самой большой группе радиоэлектронных устройств относятся устройства, применяемые в различных контрольных и измерительных приборах, счетных машинах, а также в установках для автоматизации производственных процессов и для управления механизмами на расстоянии.

Радиосхемы этих устройств включают электронные лампы, фотоэлементы, электронно-лучевые трубки и другие приборы. Эти схемы не возбуждают радиоволн в пространстве и не являются источником тепла. Однако в них широко используются генераторы электромагнитных колебаний, ламповые усилители, выпрямители и другие «радиотехнические» элементы. Количественно эта группа радиоэлектронных устройств наиболее многочисленна.

Конечно, такое разделение радиоэлектронных устройств на группы очень условно. Так, современные мощные радиовещательные устройства включают в себя большое число электронных схем, служащих для контроля за работой различных узлов передатчика и обеспечивающих автоматизацию их работы. Это относится и к радиолокационным станциям, к установкам для высокочастотного нагрева и к другим электронным устройствам.

Излучение и приём радиоволн

Излучение радиоволн - процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн (См. Антенна).

Излучение радиоволн . Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц ) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны λ, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А (рис. 1 ), существует другой участок В , удалённый от А на расстояние, меньшее, чем λ/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В , ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает Колебательный контур , содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем λ/2.

Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с λ/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с λ км.

Излучатели . Простейший излучатель радиоволн состоит из двух отрезков А и В прямолинейного проводника, присоединённых к концам OO" двухпроводной линии, вдоль которой распространяется электромагнитная волна (рис. 2 ). В отрезках А и В под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. е. переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О и О" равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А и В образуют электрический диполь, что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А и В совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, - окружности (рис. 3 ). Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле, в котором поля Е и Н перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя (рис. 4 ).

Волны, излучаемые диполем, имеют определённую поляризацию. Вектор напряжённости электрического поля Е волны в точке наблюдения О (рис. 3 ) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r , проведённый от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н перпендикулярен этой плоскости.

Переменное электромагнитное поле возникает во всём пространстве, окружающем диполь, и распространяется от диполя во всех направлениях. Диполь излучает сферическую волну, которую на большом расстоянии от диполя можно считать плоской (локально-плоской). Однако амплитуды напряжённостей электрического и магнитного полей, создаваемых диполем, а следовательно и излучаемая энергия, в разных направлениях различны. Они максимальны в направлениях, перпендикулярных диполю, и постепенно убывают до нуля вдоль оси диполя. В этом направлении диполь практически не излучает. Распределение излучаемой мощности по различным направлениям характеризуется диаграммой направленности. Пространственная диаграмма направленности диполя имеет вид тороида (рис. 5 ).

Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал Г. Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор) возбуждались с помощью искрового разряда - единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор (рис. 6 ), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости.

Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна. Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью μ, на который намотана катушка из тонкого провода. Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя (рис. 7 , а, б), что обусловлено принципом двойственности.

Если в стенках Радиоволновод а или объёмного резонатора (См. Объёмный резонатор), где текут переменные поверхностные токи сверхвысоких частот, прорезать щель так, чтобы она пересекла направление тока, то распределение токов резко искажается, экранировка нарушается и электромагнитная энергия излучается наружу. Распределение полей щелевого излучателя подобно распределению полей магнитной антенны. Поэтому щелевой излучатель называется магнитным диполем (рис. 7 , в, г; см. также Щелевая антенна). Диаграмма направленности магнитного и щелевого излучателей, так же как и электрического диполя, представляет собой тороид.

Более направленное излучение создают антенны, состоящие из нескольких проволочных или щелевых излучателей. Это - результат интерференции радиоволн (См. Интерференция радиоволн), излучаемых отдельными излучателями. Если токи, питающие их, имеют одинаковые амплитуду и фазу (равномерное синфазное возбуждение), то на достаточно далёком расстоянии в направлении, перпендикулярном излучающей поверхности, волны от отдельных излучателей имеют одинаковые фазы и дают максимум излучения. Поле, созданное в других направлениях, значительно слабее. Некоторое увеличение напряжённости поля имеет место в тех направлениях, где разность фаз волн, приходящих от крайних излучателей, равна (n + 1) π/2, где n - целое число. В этом случае сечение диаграммы направленности плоскостью содержит ряд лепестков (рис. 8 ), наибольший из которых называется главным и соответствует максимуму излучения, остальные называются боковыми.

В современной антенной технике применяются антенные решётки, содержащие до 1000 излучателей. Поверхность, на которой они расположены, называется апертурой (раскрывом) антенны и может иметь любую форму. Задавая различное распределение амплитуд и фаз токов на апертуре, можно получить любую форму диаграммы направленности. Синфазное возбуждение излучателей, образующих плоскую решётку, позволяет получить очень высокую направленность излучения, а изменение распределения тока на апертуре даёт возможность изменять форму диаграммы направленности.

Для повышения направленности излучения, которое характеризуется шириной главного лепестка, необходимо увеличивать размеры антенны. Связь между шириной главного лепестка θ, наибольшим размером апертуры L и излучаемой длиной волны λ определяется формулами:

если излучатели расположены вдоль некоторой оси, а сдвиг фаз в них подобран так, что максимум излучения направлен вдоль этой оси (рис. 9 ). С - постоянные, зависящие от распределения амплитуды токов по апертуре.

Если радиоволновод постепенно расширяется к открытому концу в виде воронки или рупора (рис. 10 ), то волна в волноводе постепенно преобразуется в волну, характерную для свободного пространства. Такая рупорная антенна даёт направленное излучение.

Очень высокая направленность излучения (до долей градуса на дециметровых и более коротких волнах) достигается с помощью зеркальных и линзовых антенн. В них благодаря процессам отражения и преломления сферический фронт волны, излучаемой электрическим или магнитным диполем либо рупорным излучателем, преобразуется в плоский. Однако из-за дифракции (См. Дифракция) волн в этом случае диаграмма также имеет главный и боковые лепестки направленности. Зеркальная антенна (См. Зеркальные антенны) представляет собой металлическое зеркало 1 , чаще в виде части параболоида вращения или параболического цилиндра, в фокусе которого находится первичный излучатель (рис. 11 ). Линзы для радиоволн представляют собой трёхмерные решётки из металлических шариков, стерженьков и т.п. (искусственные диэлектрики) или набор прямоугольных волноводов.

Приём радиоволн. Каждая передающая антенна может служить приёмной. Если на электрический диполь действует распространяющаяся в пространстве волна, то её электрическое поле возбуждает в диполе колебания тока, которые затем усиливаются, преобразуются по частоте и воздействуют на выходные приборы. Можно показать, что диаграммы направленности диполя в режимах приёма и передачи одинаковы, т. е. что диполь принимает лучше в тех направлениях, в которых он лучше излучает. Это является общим свойством всех антенн, вытекающим из принципа взаимности: если расположить две антенны - передающую А и приёмную В - в начале и в конце линии радиосвязи, то генератор, питающий антенну А , переключенный в приёмную антенну В , создаёт в приёмном устройстве, переключенном в антенну А , такой же ток, какой, будучи включенным в антенну А , он создаёт в приёмнике, включенном в антенну В . Принцип взаимности позволяет по свойствам передающей антенны определить её характеристики как приёмной.

Энергия, которую диполь извлекает из электромагнитной волны, зависит от соотношения между его длиной l , длиной волны λ и углом ψ между направлением v прихода волны и диполем. Существен также угол φ между направлением вектора электрической волны и диполем (рис. 12 ). Наилучшие условия приёма, при φ = 0. При φ = π/2 электрический ток в диполе не возбуждается, т. е. приём отсутствует. Если же 0 Ecos φ) 2 . Иными словами, эта энергия связана с поляризацией приходящей волны. Из сказанного выше следует, что в случае излучающего и принимающего диполей для наилучших условий приёма необходимо, чтобы оба диполя лежали в одной плоскости и чтобы приёмный диполь был перпендикулярен направлению распространения волны. При этом приёмный диполь извлекает из приходящей волны столько энергии, сколько несёт с собой эта волна, проходя через сечение в форме квадрата со стороной равной

Шумы антенны. Приёмная антенна всегда находится в таких условиях, когда на неё, кроме полезного сигнала, воздействуют шумы. Воздух и поверхность Земли вблизи антенны, поглощая энергию, в соответствии с Рэлея - Джинса законом излучения (См. Рэлея - Джинса закон излучения) создают электромагнитное излучение. Шумы возникают и за счёт джоулевых потерь в проводниках и диэлектриках подводящих устройств.

Все шумы внешнего происхождения описываются так называемой шумовой, или антенной, температурой T A . Мощность Р ш внешних шумов на входе антенны в полосе частот Δν приёмника равна:

Р ш =k T A Δν

(k - Больцмана постоянная). На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140-250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50-80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15-20 К.

Лит.: Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. - Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. - Л., 1950.

Под редакцией Л. Д. Бахража.

Рис. 4. Мгновенные картины электрических силовых линий вблизи диполя для промежутков времени, отстоящих друг от друга на 1 / 8 периода Т колебаний тока.

Большая советская энциклопедия. - М.: Советская энциклопедия . 1969-1978 .

Смотреть что такое "Излучение и приём радиоволн" в других словарях:

Электромагнитное, процесс образования свободного электромагнитного поля. (Термин «И.» применяют также для обозначения самого свободного, т. е. излученного, электромагнитного поля см. Максвелла уравнения, Электромагнитные волны.)… …

Электромагнитное, в классич. электродинамике образование эл. магн. волн ускоренно движущимися заряж. ч цами (или перем. токами); в квант. теории рождение фотонов при изменении состояния квант. системы; термин «И.» употребляется также для… … Физическая энциклопедия

ИЗЛУЧЕНИЕ - ИЗЛУЧЕНИЕ, или радиация, в общем смысле процесс переноса энергии от тела в окружающее пространство. Обыкновенно термин И. применяют к элементарным атомным или молекулярным процессам, различая при этом 2 вида И.: корпускулярное и световое. Перенос … Большая медицинская энциклопедия

ИЗЛУЧЕНИЕ - распространяющиеся в пространстве (см.) какой либо природы или потоки каких либо частиц, а также процесс И. волн или потока частиц какой либо физ. системой; (1) И. электромагнитное: а) видимое оптическое И., непосредственно воспринимаемое глазом… … Большая политехническая энциклопедия

Устройства для преобразования сигналов электромагнитного излучения (См. Излучение) (в диапазоне от рентгеновских лучей с длиной волны λ = 10 9 см до радиоволн с λ = 10 1 см, о приёмниках электромагнитного излучения с меньшей длиной волны… … Большая советская энциклопедия

Излучение радиоволн — процесс возбуждения бегущих электромагнитных волн радиодиапазона в пространстве, окружающем источник колебаний тока или заряда. При этом энергия источника преобразуется в энергию распространяющихся в пространстве электромагнитных волн. Приём радиоволн является процессом, обратным процессу излучения. Он состоит в преобразовании энергии электромагнитных волн в энергию переменного тока. И. и п. р. осуществляются с помощью передающих и приёмных антенн (См. Антенна).

Излучение радиоволн.

Рис. 1. Виток катушки индуктивности.

Источником первичных электрических колебаний могут быть переменные токи, текущие по проводникам, переменные поля и т. п. Однако переменные токи относительно низкой частоты (например, промышленной частоты 50 гц) для излучения непригодны: на этих частотах нельзя создать эффективный излучатель. Действительно, если электрические колебания происходят, например, в катушке индуктивности, размеры которой малы по сравнению с длиной волны λ, соответствующей частоте колебаний тока, текущего в катушке, для каждого участка с одним направлением тока, например А (рис. 1), существует другой участок В, удалённый от А на расстояние, меньшее, чем λ/2, в котором в тот же момент времени направление тока противоположно. На больших расстояниях от витка волны, излученные элементами А и В, ослабляют друг друга. Так как виток состоит из таких пар противофазных элементов, то он, а следовательно вся катушка, излучает плохо. Также плохо излучает Колебательный контур , содержащий катушку индуктивности и конденсатор. В каждый момент времени заряды на обкладках конденсатора равны по величине, противоположны по знаку и удалены друг от друга на расстояние, значительно меньшее, чем λ/2. Из сказанного следует, что для эффективного излучения радиоволн необходима незамкнутая (открытая) цепь, в которой либо нет участков с противофазными колебаниями тока или заряда, либо расстояние между ними не мало по сравнению с λ/2. Если размеры цепи таковы, что время распространения изменений электромагнитного поля в ней сравнимо с периодом колебаний тока или заряда (скорость распространения возмущений конечна), то условия квазистационарности не выполняются (см. Квазистационарный процесс) и часть энергии источника уходит в виде электромагнитных волн. Для практических целей обычно применяют электромагнитные волны с λ < 10 км.

Излучатели.

Рис. 2. Электрический диполь.

Простейший излучатель радиоволн состоит из двух отрезков А и В прямолинейного проводника, присоединённых к концам OO’ двухпроводной линии, вдоль которой распространяется электромагнитная волна (рис. 2). В отрезках А и В под действием электрического поля волны возникает движение зарядов, т. е. переменный ток. В каждый момент времени заряды в точках О и О’ равны по величине и противоположны по знаку, т. е. отрезки А и В образуют электрический диполь, что определяет конфигурацию создаваемого им электрического поля. С другой стороны, токи в отрезках А и В совпадают по направлению, поэтому силовые линии магнитного поля, как и в случае прямолинейного тока, — окружности (рис. 3).

Рис. 3. Структура электрического Е и магнитного H полей вблизи диполя: пунктир — силовые линии электрического поля; тонкие линии — силовые линии магнитного поля; О — точка наблюдения.

Таким образом, в пространстве, окружающем диполь, возникает электромагнитное поле, в котором поля Е и Н перпендикулярны друг другу. Электромагнитное поле распространяется в пространстве, удаляясь от диполя (рис. 4).

Волны, излучаемые диполем, имеют определённую поляризацию. Вектор напряжённости электрического поля Е волны в точке наблюдения О (рис. 3) лежит в плоскости, проходящей через диполь и радиус-вектор r, проведённый от центра диполя к точке наблюдения. Вектор магнитного поля Н перпендикулярен этой плоскости.

Рис. 5. Пространственная диаграмма направленности электрического диполя.

Рис. 6. Несимметричный вибратор; Г — генератор электрических колебаний.

Полная мощность, излучаемая диполем, зависит от подводимой мощности и соотношения между его длиной l и длиной волны λ. Для того чтобы диполь излучал значительную долю подводимой к нему мощности, его длина не должна быть мала по сравнению с λ/2. С этим связана трудность излучения очень длинных волн. Если l подобрано правильно и потери энергии на нагрев проводников диполя и линии малы, то преобладающая доля мощности источника тратится на излучение. Таким образом, диполь является потребителем мощности источника, подобно включенному в конец линии активному сопротивлению, потребляющему подводимую мощность. В этом смысле диполь обладает сопротивлением излучения Rи, равным тому активному сопротивлению, в котором потреблялась бы такая же мощность. Описанный выше диполь является простейшей передающей антенной и называется симметричным вибратором. Впервые такой вибратор использовал Г. Герц (1888) в опытах, обнаруживших существование радиоволн. Электрические колебания в диполе Герца (см. Герца вибратор) возбуждались с помощью искрового разряда — единственного известного в то время источника электрических колебаний. Наряду с симметричным вибратором применяется (для более длинных волн) несимметричный вибратор (рис. 6), возбуждаемый у основания и излучающий равномерно в горизонтальной плоскости.

Наряду с проволочными антеннами (проволочными вибраторами) существуют и другие виды излучателей радиоволн. Широкое применение получила магнитная антенна. Она представляет собой стержень из магнитного материала с высокой магнитной проницаемостью μ, на который намотана катушка из тонкого провода. Силовые линии магнитного поля магнитной антенны повторяют картину силовых линий электрического поля проволочного диполя (рис. 7, а, б), что обусловлено принципом двойственности.

Рис. 7. Сопоставление электрического диполя (а), магнитного (6) и щелевого (в, г) излучателей; 1 — проводник с током; 2 — стержень из материала с высокой магнитной проницаемостью; 3 — металлический экран, в котором прорезана щель; 4 — проводники, идущие от генератора высокочастотных электрических колебаний; 5 — силовые линии электрического поля; 6 — силовые линии магнитного поля.

На частотах ниже 30 Мгц преобладающую роль играют атмосферные шумы. В области сантиметровых волн решающий вклад вносит излучение поверхности Земли, которое попадает в антенну обычно за счёт боковых лепестков её диаграммы направленности. Поэтому для слабонаправленных антенн антенная температура, обусловленная Землёй, высока; она может достигать 140—250 К; у остронаправленных антенн она составляет обычно 50—80 К, а специальными мерами её можно снизить до 15—20 К.

О конкретных типах антенн, их характеристиках и применении см. в ст. Антенна .

Лит.: Хайкин С. Э., Электромагнитные волны, 2 изд., М. — Л., 1964; Гольдштейн Л. Д., Зернов Н. В., Электромагнитные поля и волны, М., 1956; Рамо С., Уиннери Дж., Поля и волны в современной радиотехнике, пер. с англ., 2 изд., М. — Л., 1950. Под редакцией Л. Д. Бахража.