4. Приём радиоволн

Определения и обозначения

Радиоприёмник — устройство для выделения из принятой радиоволны переданной информации и преобразования её в звуковой или иной сигнал. Иначе говоря, он не просто улавливает электромагнитную волну, а обрабатывает её так, чтобы сообщение можно было услышать или использовать. Для этого в приёмнике последовательно работают несколько узлов.

Антенна — проводник или система проводников, в которых под действием радиоволны возникают электрические колебания. Переменное электромагнитное поле волны воздействует на заряды в проводнике и создаёт переменное напряжение. Антенна нужна, чтобы передать эти колебания в электрическую цепь приёмника.

Колебательный контур — соединение катушки и конденсатора, собственная частота которого используется для настройки на нужную радиостанцию. Собственная частота зависит от индуктивности катушки L и ёмкости конденсатора C: f₀ = 1/(2π√(LC)). Изменяя параметры контура, выбирают частоту станции, которую хотят принимать.

Детектор — устройство, выделяющее низкочастотный информационный сигнал из модулированных высокочастотных колебаний. Он нужен потому, что сигнал в антенне содержит не только информацию, но и высокочастотную несущую. После детектирования остаётся изменение, связанное с переданным звуком или сообщением.

Как это устроено

Радиоволна — распространяющееся в пространстве электромагнитное поле. Когда волна достигает антенны, её электрическое поле действует на свободные заряды в проводнике и заставляет их двигаться то в одну, то в другую сторону. Поэтому между точками антенны возникает переменное напряжение, а в подключённой цепи — электрические колебания частоты принятой волны. В антенне могут возникать колебания сразу от нескольких станций, поскольку каждую из них достигает её волна.

Чтобы выделить нужную станцию, используют колебательный контур из катушки и конденсатора. Энергия в нём переходит от электрического поля конденсатора к магнитному полю катушки и обратно, а частота таких колебаний задаётся значениями L и C. Если частота сигнала близка к собственной частоте контура, возникает резонанс: контур особенно сильно откликается на этот сигнал. Колебания с другими частотами выражены слабее, поэтому изменение ёмкости или индуктивности позволяет настроиться на другую радиостанцию.

Передатчик обычно накладывает информацию на высокочастотное колебание-носитель; этот процесс называют модуляцией. Поэтому после настройки в контуре остаётся высокочастотный сигнал, амплитуда которого меняется в соответствии с передаваемым звуком. Детектор выпрямляет колебание: например, пропускает ток преимущественно в одном направлении. Благодаря этому становится заметна медленно меняющаяся огибающая сигнала — форма, повторяющая изменения информационной составляющей.

Детектор не делает сигнал громче: после выделения его амплитуда часто слишком мала, чтобы непосредственно привести в действие громкоговоритель. Усилитель увеличивает амплитуду электрических колебаний, получая энергию для усиления от источника питания. Затем переменный ток поступает в громкоговоритель, где заставляет колебаться мембрану. Движение мембраны создаёт изменения давления воздуха, которые мы воспринимаем как звук.

В простейшем радиоприёмнике сигнал проходит последовательно через антенну, настроенный контур, детектор, усилитель и громкоговоритель. Сначала радиоволна превращается в электрические колебания, затем контур выбирает нужную частоту, а детектор извлекает информацию. Усилитель подготавливает сигнал к воспроизведению, после чего громкоговоритель превращает электрические изменения в звуковые. Каждый узел выполняет отдельную задачу, поэтому один из них не может заменить всю цепочку.

Узлы радиоприёмника и их назначение

Таблица показывает путь сигнала от приёма радиоволны до появления звука. При разборе схемы полезно определить, на каком этапе находится сигнал и какую задачу решает соответствующий узел. Если в задаче спрашивают о выборе станции, ищите контур; если об извлечении сообщения — детектор.

Разбор задач

1. Длина радиоволны при частоте 1,5 МГц

Радиостанция передаёт сигнал с частотой 1,5 МГц. Чтобы найти длину волны, используем связь λ = c/f, где c — скорость электромагнитной волны в воздухе, приблизительно равная 3·10⁸ м/с. Сначала приведём частоту к герцам: 1,5 МГц = 1,5·10⁶ Гц. Затем разделим скорость на частоту, следя за единицами измерения.

1. Запишем формулу: λ = c/f.
2. Подставим значения: λ = (3·10⁸ м/с)/(1,5·10⁶ с⁻¹).
3. Разделим коэффициенты и степени десяти: 3/1,5 = 2, а 10⁸/10⁶ = 10², значит λ = 200 м.

Ответ: длина радиоволны равна 200 м. Проверка здравого смысла: частота относится к радиодиапазону, поэтому длина волны получается значительно больше метра. При увеличении частоты длина волны при той же скорости распространения уменьшается.

2. Частота контура с индуктивностью 2,0 мГн и ёмкостью 200 пФ

Найдём собственную частоту контура по формуле Томсона f₀ = 1/(2π√(LC)). Перед подстановкой нужно перевести величины в основные единицы СИ: миллигенри — это 10⁻³ Гн, а пикофарад — 10⁻¹² Ф. Такая проверка важна, потому что ошибка в приставке меняет результат во много раз. Индуктивность равна 2,0·10⁻³ Гн, ёмкость — 200·10⁻¹² Ф.

1. Запишем формулу: f₀ = 1/(2π√(LC)).
2. Вычислим произведение: LC = (2,0·10⁻³)(200·10⁻¹²) = 4,0·10⁻¹³.
3. Найдём корень: √(LC) ≈ 6,32·10⁻⁷ с.
4. Подставим: f₀ ≈ 1/(2π·6,32·10⁻⁷ с) ≈ 2,52·10⁵ Гц.

Ответ: контур настроен примерно на 252 кГц, или 0,252 МГц. Герц получился как единица частоты, поскольку в знаменателе формулы стоит время. При изменении L или C резонансная частота изменится, поэтому настройку можно перестроить.

3. Два сигнала в антенне

Антенна принимает одновременно сигналы двух радиостанций. Это возможно, потому что электрическое поле каждой волны вызывает в ней колебания своей частоты, и эти колебания накладываются друг на друга. Настроенный контур имеет резонансную частоту; сигнал, частота которого ближе к ней, вызывает более сильный отклик. Поэтому контур позволяет выделить одну станцию, хотя антенна приняла обе.

1. Сравним частоты станций с резонансной частотой контура.
2. Определим, какая частота ближе к резонансной: её колебания будут выражены сильнее.
3. После отбора подадим сигнал на детектор, который выпрямит высокочастотные колебания и выделит их огибающую.

Ответ: контур выбирает станцию благодаря резонансу, а детектор извлекает из её модулированного сигнала низкочастотную информацию. Контур не превращает радиосигнал в звук и не извлекает сообщение сам. Для слышимого звука выделенный сигнал затем усиливают и подают на громкоговоритель.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что нужную станцию выбирает сама антенна. Её допускают, потому что антенну называют принимающим элементом и не различают приём волны и частотную настройку. Проверьте себя: если в вопросе говорится об изменении настройки, нужно назвать параметры колебательного контура, а не антенны.

Ошибка: путать частоту несущей радиоволны с частотой звукового сигнала. Несущая — высокочастотное колебание, которое переносит информацию, а звуковая частота связана с высотой тона; смешение возникает из-за того, что обе величины измеряются в герцах. При проверке проследите, о чём спрашивают: длину радиоволны находят по частоте несущей, а звучание задаётся информационным сигналом.

Ошибка: думать, что детектор усиливает сигнал. Такое представление появляется потому, что после работы детектора сообщение становится различимым, но различимость не означает увеличения амплитуды. Детектор выделяет информационную составляющую, а усилитель увеличивает амплитуду; проверьте, какой узел схемы отвечает за каждое действие.

Ошибка: учитывать в формуле частоты контура только катушку или только конденсатор. Это случается, если помнить о настройке, но забыть зависимость f₀ = 1/(2π√(LC)). Проверьте решение, подставив и индуктивность, и ёмкость, предварительно переведённые в единицы СИ: изменение любого из этих параметров меняет резонансную частоту.

Связь с другими темами

Для понимания приёма радиоволн нужны формула λ = c/f, понятие резонанса и знание устройства колебательного контура. Эти знания объясняют, почему сигнал имеет определённую длину волны и почему контур реагирует на одну частоту сильнее других. Приём связан с модуляцией: передатчик кодирует информацию в изменениях несущего колебания, а детектор помогает её восстановить. Принципы настройки и обработки сигналов используются в радиосвязи, телевидении, мобильной связи и электронных устройствах.

Что запомнить

• Радиоприёмник принимает электромагнитную волну и восстанавливает переданную информацию.
• В антенне радиоволна создаёт переменное электрическое напряжение.
• Резонансный контур выделяет сигнал нужной частоты.
• Детектор извлекает низкочастотный информационный сигнал из модулированного колебания.
• Усилитель увеличивает амплитуду сигнала до уровня, необходимого для работы громкоговорителя.
• Настройка приёмника означает изменение резонансной частоты его колебательного контура.