§ 36. Применение радиоволн

Определения и обозначения

Радиосвязь — передача информации на расстояние с помощью радиоволн. Передатчик создаёт и подготавливает сигнал, передающая антенна излучает его, а приёмная антенна и приёмник восстанавливают информацию. Такая цепь позволяет обмениваться сообщениями без соединительного провода.

Модуляция — изменение одного из параметров высокочастотного колебания по закону передаваемого сигнала. Низкочастотный звук или изображение как бы управляет несущей волной, поэтому информация переносится на удобной для излучения частоте. Модуляция нужна, чтобы сигнал эффективно передавался антенной и мог быть отделён от сигналов других передатчиков.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированных высокочастотных колебаний в приёмнике. Детектор отделяет изменения несущей от самой несущей. После этого полученный сигнал можно усилить и подать на громкоговоритель или экран.

Радиолокация — обнаружение объектов и определение их положения с помощью радиоволн, отражённых от этих объектов. Радиолокатор сравнивает момент отправления импульса с моментом прихода эха. По задержке находят расстояние, а по направлению антенны — положение объекта.

Как это устроено

Звуковой сигнал нельзя эффективно передавать на большие расстояния непосредственно: его частота невелика, а для хорошего излучения размер антенны должен быть сравним с длиной волны. Поэтому низкочастотную информацию переносят на высокочастотное колебание — несущую. После модуляции антенна излучает уже радиоволну, которая распространяется в пространстве и переносит сообщение.

Цепь радиосвязи начинается с передатчика, где создаются несущие колебания и выполняется модуляция. Передающая антенна превращает электрические колебания в электромагнитную волну, а та достигает места приёма. Приёмная антенна совершает обратное преобразование: под действием волны в ней возникает электрический сигнал, содержащий и несущую, и информацию.

Радиоприёмник выбирает нужную частоту, чтобы отделить один передаваемый сигнал от других. Затем детектор выделяет низкочастотную составляющую, соответствующую исходному звуку. Усилитель увеличивает её мощность, а громкоговоритель превращает электрические колебания в механические колебания воздуха, которые слышит человек.

В телевидении аналогичная схема используется для изображения и звука, но передаваемые сигналы сложнее. Изображение преобразуется в электрический видеосигнал, а звук — в аудиосигнал; каждый из них модулирует свою несущую или передаётся в составе общего радиосигнала. Телевизионный приёмник разделяет эти сигналы, восстанавливает их и превращает видеосигнал в изображение на экране, а аудиосигнал — в звук.

Радиолокатор действует иначе: ему не нужно передавать непрерывное сообщение. Он излучает короткий импульс, который отражается от объекта и возвращается к антенне. Если время между отправлением и приёмом эха равно t, то импульс прошёл путь 2s, поэтому расстояние вычисляют по формуле 2s = ct, или s = ct/2.

Радиоволны приходят не только от земных передатчиков, но и из космоса. Радиотелескопы принимают слабое излучение небесных объектов, которое может не быть заметно в видимом свете. По частоте, интенсивности и изменению радиосигналов радиоастрономия исследует звёзды, планеты, галактики и процессы в них.

Применение радиоволн

В таблице удобно сравнивать не только устройства, но и назначение радиоволн. Сначала определите, что является источником сигнала, затем проследите, как он распространяется и какой результат получают на приёмной стороне.

Разбор задач

Задача 1

Объясните, зачем в радиопередатчике звуковой сигнал накладывают на высокочастотное колебание. Нужно связать свойства звука с работой антенны. Ответ должен объяснять не только действие модуляции, но и его причину.

1. Звуковой сигнал является низкочастотным и сам по себе плохо излучается антенной на большое расстояние.
2. Передатчик создаёт высокочастотную несущую, которая лучше излучается и распространяется как радиоволна.
3. При модуляции параметр несущей изменяется по закону звукового сигнала, поэтому информация не теряется.

Ответ: звуковой сигнал накладывают на высокочастотную несущую, чтобы эффективно излучить его антенной и передать на большое расстояние. В приёмнике исходный звук выделяется детектированием.

Задача 2

Радиолокатор получил отражённый импульс через 80 мкс после излучения. Скорость радиоволн равна 3·10⁸ м/с. Время включает движение импульса до объекта и обратно, поэтому сначала нужно найти весь пройденный путь, а затем разделить его пополам.

1. Переведём время в секунды: t = 80 мкс = 80·10⁻⁶ с.
2. Полный путь импульса равен ct = 3·10⁸ · 80·10⁻⁶ = 2,4·10⁴ м.
3. Расстояние до объекта вдвое меньше: s = ct/2 = 1,2·10⁴ м = 12 км.

Ответ: радиолокатор обнаружил объект на расстоянии 12 км. Деление на два необходимо, потому что измеренное время относится к пути туда и обратно.

Задача 3

Радиолокатор обнаружил объект на расстоянии 15 км. Нужно определить время возвращения отражённого импульса при скорости радиоволн 3·10⁸ м/с. Поскольку сигнал проходит двойное расстояние, используем формулу t = 2s/c.

1. Переведём расстояние: s = 15 км = 1,5·10⁴ м.
2. Найдём полный путь: 2s = 3·10⁴ м.
3. Вычислим время: t = 3·10⁴/(3·10⁸) = 1·10⁻⁴ с = 100 мкс.

Ответ: отражённый сигнал вернётся через 100 мкс после излучения. Малое значение времени объясняется очень высокой скоростью радиоволн.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что звуковой сигнал непосредственно излучается антенной. Так думают, потому что именно звук является содержанием сообщения, но антенна работает с электрическими высокочастотными колебаниями. Проверка: найдите в цепи несущую и этап модуляции.

Ошибка: путать модуляцию с детектированием. Модуляция выполняется перед передачей и переносит информацию на несущую, а детектирование происходит после приёма и извлекает информацию. Проверка: определите, идёт ли процесс к антенне или от антенны.

Ошибка: не делить путь радиолокационного импульса на два. Причина — в условии часто дано время возвращения, а оно включает путь до объекта и обратно. Проверка: запишите сначала 2s = ct, а уже потом выразите s.

Ошибка: считать, что радиолокатор измеряет только время движения в одну сторону. Отражение означает обязательный обратный путь, поэтому полный путь вдвое больше расстояния до объекта. Проверка: мысленно отметьте два участка — «радар — объект» и «объект — радар».

Связь с другими темами

Для понимания темы нужны знания о распространении электромагнитных волн и переносе ими энергии. Полезно помнить связь длины волны и частоты, а также особенности распространения и отражения волн. Эти сведения связывают применение радиоволн с радиотехникой, средствами связи, радиолокацией и другими практическими задачами.

Что запомнить

• Радиоволны позволяют передавать информацию без проводов.
• Для передачи сигнала используют высокочастотную несущую.
• Модуляция связывает параметры несущего колебания с передаваемой информацией.
• Приёмник выделяет информационный сигнал из принятого модулированного колебания.
• Радиолокация использует отражение радиоволн от объектов.
• Время возвращения импульса радиолокатора соответствует пути до объекта и обратно.