4. Приём радиоволн

Определения и обозначения

Приёмная антенна — проводник, в котором электромагнитная волна вызывает переменный электрический ток. Электрическое поле волны действует на заряженные частицы в проводнике и заставляет их двигаться. Возникающие колебания повторяют частоту принятой волны, а их изменение связано с переданным сигналом. Антенна нужна, чтобы превратить электромагнитное воздействие в электрические колебания, с которыми может работать приёмник.

Приёмный колебательный контур — электрическая цепь из конденсатора и катушки индуктивности, обладающая собственной частотой. В контуре энергия попеременно запасается в электрическом поле конденсатора и магнитном поле катушки. Изменяя ёмкость конденсатора или индуктивность катушки, меняют собственную частоту цепи. Контур нужен для выбора частоты станции, а не для создания радиосигнала.

Резонанс — резкое увеличение амплитуды вынужденных колебаний, когда частота внешнего воздействия совпадает с собственной частотой контура. При такой настройке контур сильнее откликается на сигнал нужной станции, чем на сигналы с заметно отличающимися частотами. Это позволяет выделить выбранную передачу среди нескольких одновременно принятых сигналов. Резонанс не усиливает все частоты одинаково.

Детектирование — преобразование высокочастотных модулированных колебаний в низкочастотный сигнал, соответствующий передаваемому звуку. Высокочастотная часть нужна для передачи сигнала радиоволной, но для воспроизведения звука требуется выделить медленно меняющуюся звуковую составляющую. Детектор выполняет это преобразование после выбора станции контуром. Без детектирования громкоговоритель не получил бы звуковой сигнал в подходящей форме.

Как это устроено

Радиоволна, дошедшая до антенны, создаёт в ней переменное электрическое поле. Это поле приводит в движение свободные заряды в проводнике, поэтому появляется переменный ток. Его частота соответствует частоте принятой радиоволны: колебания заряда повторяют изменения поля. Амплитуда зависит от принятого сигнала, поэтому в ней отражается информация, переданная радиостанцией.

Из антенны электрические колебания поступают в приёмный контур, содержащий конденсатор и катушку. У такой цепи есть собственная частота, определяемая её параметрами; для идеального контура она равна f₀ = 1/(2π√(LC)), где L — индуктивность, а C — ёмкость. Меняя ёмкость конденсатора или индуктивность катушки, изменяют собственную частоту. Так контур можно согласовать с частотой выбранной станции и перестраивать приёмник для выбора других станций.

Когда частота радиоволны совпадает с собственной частотой контура, возникает резонанс. В этом случае внешнее воздействие каждый раз поддерживает колебания в подходящем ритме, поэтому их амплитуда заметно возрастает. Сигналы станций с другими частотами не совпадают с настройкой и вызывают более слабый отклик. Поэтому резонанс помогает выделить нужную станцию, хотя не означает полного исчезновения всех остальных сигналов.

После выбора станции в контуре остаются высокочастотные модулированные колебания. Высокая частота позволяет передавать сигнал радиоволной, а модуляция связывает его изменения со звуком. Детектор преобразует эти колебания и выделяет низкочастотную звуковую составляющую. Она меняется в соответствии с переданной речью или музыкой и уже подходит для дальнейшего воспроизведения.

Звуковой сигнал поступает на усилитель, если его мощности недостаточно для громкоговорителя. Усилитель повышает мощность сигнала, сохраняя его изменения, необходимые для передачи звука. Затем в громкоговорителе электрические колебания заставляют колебаться его мембрану. Мембрана создаёт колебания воздуха, которые распространяются до слушателя как звук.

Этапы приёма радиосигнала

Таблица показывает последовательность преобразований от электромагнитной волны до звука и назначение каждого этапа. По ней удобно проследить, какое устройство принимает сигнал, какое выбирает станцию и где появляются звуковые колебания. Если передача не слышна, такая последовательность помогает определить, на каком этапе следует искать причину.

Разбор задач

Задача 1. Собственная частота приёмного контура равна 1,0 МГц. Объясните, какую радиостанцию он будет принимать наиболее эффективно.

1. Находим, какое условие помогает выбрать станцию: наиболее сильный отклик возникает при резонансе.
2. Для резонанса частота сигнала станции должна совпадать с собственной частотой контура.
3. Собственная частота дана: 1,0 МГц. Значит, именно сигнал с такой частотой вызовет наиболее сильные колебания контура.

Ответ: наиболее эффективно контур будет принимать радиостанцию, передающую на частоте 1,0 МГц.

Задача 2. Конденсатор приёмного контура заменили на конденсатор большей ёмкости. Как изменится собственная частота контура и в какую сторону нужно изменить ёмкость, чтобы настроиться на более высокую частоту?

1. Собственная частота LC-контура определяется формулой f₀ = 1/(2π√(LC)).
2. Если индуктивность не меняется, увеличение ёмкости увеличивает произведение LC и значение √(LC). Поскольку оно стоит в знаменателе, собственная частота уменьшается.
3. Чтобы настроиться на более высокую частоту, нужно увеличить f₀. При неизменной катушке этого добиваются уменьшением ёмкости.

Ответ: после замены на конденсатор большей ёмкости частота контура станет ниже; для настройки на более высокую частоту ёмкость следует уменьшить.

Задача 3. В антенне принимаются сигналы двух станций с близкими частотами. Опишите, как настроить приёмник на одну из них и какие преобразования сигнала нужны, чтобы услышать передачу.

1. Сначала изменяют ёмкость конденсатора или индуктивность катушки, чтобы собственная частота контура совпала с частотой выбранной станции.
2. При совпадении частот возникает резонанс: колебания выбранной станции усиливаются относительно колебаний станции с другой частотой.
3. Затем детектор выделяет из высокочастотных модулированных колебаний низкочастотную звуковую составляющую.
4. При необходимости усилитель повышает мощность этого сигнала, а громкоговоритель превращает электрические колебания в звук.

Ответ: настроить контур на частоту нужной станции, выделить её резонансом, детектировать звуковую составляющую и подать её через усилитель на громкоговоритель.

Типичные ошибки

Первая ошибка — считать, что колебательный контур сам создаёт радиосигнал. Так можно подумать, потому что в его названии есть слово «колебательный», но контур лишь откликается на колебания, поступившие из антенны, и выделяет нужную частоту. Проверьте себя вопросом: откуда в приёмник приходит энергия сигнала? Её приносит радиоволна, а контур помогает настроить приём.

Вторая ошибка — путать настройку частоты контура с усилением звука. Настройка отвечает за выбор станции, а усилитель увеличивает мощность уже выделенного сигнала. Ошибка возникает из-за того, что после обеих операций сигнал становится заметнее. Чтобы проверить себя, определите, меняется ли частота, которую выбирает приёмник, или только мощность звукового сигнала.

Третья ошибка — считать, что резонанс одинаково усиливает все принимаемые частоты. В действительности наиболее сильный отклик возникает на частоте, близкой к собственной частоте контура; сигналы других частот откликаются слабее. Такое заблуждение появляется, если резонанс воспринимать просто как «усиление». Проверка: сравните частоту сигнала с частотой настройки контура и выясните, совпадают ли они.

Четвёртая ошибка — думать, что детектор непосредственно превращает радиоволну в звук. Детектор работает с электрическими высокочастотными колебаниями, которые уже приняты антенной и выделены контуром, и извлекает из них низкочастотный сигнал. Звук создаёт громкоговоритель, а не детектор. Для самопроверки восстановите порядок: антенна, контур, детектор, усилитель и громкоговоритель.

Связь с другими темами

Чтобы понять приём радиоволн, нужно знать, как возникают электромагнитные волны и как переменный ток создаёт электромагнитное излучение: это объясняет передачу сигнала от передатчика к антенне. Также нужны знания о собственной частоте колебательного контура и резонансе — без них нельзя объяснить выбор станции. Приём радиоволн связывает эти темы с радиосвязью и радиовещанием. Те же общие принципы помогают понять работу современных беспроводных систем, хотя конкретные устройства и способы обработки сигналов могут отличаться.

Что запомнить

• В приёмной антенне под действием радиоволны возникают переменные электрические колебания.
• Частота колебаний в антенне соответствует частоте принятой радиоволны.
• Частоту принимаемой станции выбирают настройкой колебательного контура.
• Резонанс помогает выделить сигнал нужной частоты.
• Детектор выделяет из высокочастотного сигнала низкочастотную составляющую.
• Усилитель повышает мощность сигнала, а громкоговоритель превращает его в звук.