§ 5.12. Простейший радиоприемник

Определения и обозначения

Радиоприёмник — устройство для выделения из радиосигнала передаваемой информации и преобразования её в звук. Он принимает не сам звук, а электромагнитную волну, несущую сведения о звуке. Это нужно для беспроводной передачи речи и музыки на большие расстояния.

Колебательный контур — цепь из катушки индуктивности и конденсатора, в которой возникают собственные электромагнитные колебания. Катушка характеризуется индуктивностью L, а конденсатор — ёмкостью C. Контур нужен для выбора сигнала с определённой частотой благодаря явлению резонанса.

Детектор — элемент, который выделяет низкочастотную составляющую из модулированного высокочастотного сигнала. Он не создаёт новую информацию, а отделяет уже переданный звуковой сигнал от несущей. Поэтому после детектора электрические колебания можно подать на наушник.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотной несущей волны по закону передаваемого звука. Частота несущей при этом остаётся практически постоянной, а её амплитуда повторяет изменения звукового сигнала. Такой способ позволяет передавать низкочастотную информацию с помощью радиоволны.

Как это устроено

Антенна принимает электромагнитные волны разных радиостанций, потому что каждая волна создаёт в проводнике переменное электрическое поле и вызывает движение зарядов. В результате в цепи возникает сложный сигнал, содержащий колебания сразу многих частот. Одной антенны недостаточно для выбора станции: её задача — принять энергию волн и передать электрический сигнал дальше.

Колебательный контур выделяет нужную станцию благодаря резонансу. Если частота сигнала близка к собственной частоте контура, энергия колебаний передаётся особенно эффективно, поэтому амплитуда выбранного сигнала возрастает сильнее, чем амплитуды сигналов других частот. Чем дальше частота станции от резонансной частоты, тем слабее её отклик.

Собственная частота контура зависит от индуктивности катушки и ёмкости конденсатора: ν₀ = 1/(2π√(LC)). Изменяя ёмкость конденсатора, изменяют ν₀ и перемещают область резонанса. Поэтому для настройки на другую станцию достаточно повернуть ручку переменного конденсатора и добиться совпадения частот.

Передатчик обычно изменяет амплитуду высокочастотной несущей по закону звуковых колебаний. Детектор выпрямляет модулированный сигнал, то есть пропускает ток преимущественно одного направления, и устраняет быстро меняющуюся несущую. Оставшаяся медленно меняющаяся амплитуда соответствует звуковому сигналу, который можно усилить или непосредственно подать на наушник.

Наушник получает электрические колебания низкой частоты и заставляет мембрану двигаться с такой же частотой. Мембрана попеременно сжимает и разрежает воздух, создавая звуковую волну. Ухо воспринимает эти колебания как речь или музыку, поэтому цепочка заканчивается уже не электрическим, а звуковым сигналом.

Устройство и назначение элементов простейшего радиоприёмника

Таблицу удобно читать слева направо: сначала определяется элемент или этап, затем физический процесс и его результат. Цепочка показывает, как один и тот же сигнал последовательно меняет форму, сохраняя переданную информацию.

Разбор задач

Задача 1

Определить собственную частоту контура с индуктивностью L = 10 мкГн и ёмкостью C = 100 пФ и установить, какую станцию он может принять. Искомую частоту нужно сравнить с частотой несущей радиостанции.

1. Переведём величины в СИ: L = 10⁻⁵ Гн, C = 10⁻¹⁰ Ф.
2. Подставим их в формулу ν₀ = 1/(2π√(LC)). Произведение LC = 10⁻¹⁵, поэтому √(LC) ≈ 3,16 · 10⁻⁸.
3. Получим ν₀ ≈ 1/(2π · 3,16 · 10⁻⁸) ≈ 5,0 · 10⁶ Гц.

Ответ: собственная частота контура примерно равна 5 МГц. Лучше всего он примет радиостанцию, несущая частота которой близка к 5 МГц, потому что именно тогда возникнет резонанс.

Задача 2

Радиостанция работает на частоте ν = 1,5 · 10⁶ Гц. Нужно вычислить длину волны и оценить требуемую длину антенны. Используем скорость электромагнитной волны в вакууме c ≈ 3 · 10⁸ м/с.

1. Свяжем длину волны и частоту формулой λ = c/ν.
2. Подставим значения: λ = (3 · 10⁸)/(1,5 · 10⁶) = 200 м.
3. Длина антенны должна быть соизмерима с длиной волны или с её частью, например четвертью: λ/4 ≈ 50 м. Точная конструкция зависит от типа антенны и условий приёма.

Ответ: длина радиоволны равна 200 м, а ориентировочная четвертьволновая антенна имеет длину около 50 м. Антенна нужна для эффективного преобразования энергии электромагнитной волны в электрический сигнал.

Задача 3

Объяснить, почему в наушнике слышен звук, хотя антенна принимает высокочастотные колебания. Причина станет понятной, если проследить превращения сигнала от передатчика до мембраны наушника.

1. Звуковой сигнал изменяет амплитуду высокочастотной несущей, то есть происходит амплитудная модуляция.
2. Антенна принимает такую волну, а контур резонансом выбирает несущую частоту нужной станции.
3. Детектор выпрямляет сигнал и выделяет его медленно меняющуюся огибающую, повторяющую звуковые колебания.
4. Наушник превращает эту низкочастотную составляющую в движение мембраны и колебания воздуха.

Ответ: звук слышен не благодаря непосредственному воспроизведению высокочастотной несущей, а благодаря её детектированию. В наушник поступает выделенный низкочастотный сигнал, соответствующий переданной речи или музыке.

Типичные ошибки

Ошибка 1. Считать, что колебательный контур одинаково усиливает любые сигналы. Так ошибаются, потому что видят в контуре усиление амплитуды, но забывают о резонансе. Проверка проста: сравните частоту сигнала с ν₀ — сильный отклик возникает только вблизи собственной частоты.

Ошибка 2. Путать частоту несущей с частотой звука. Их смешивают, поскольку обе указаны в одной единице измерения, хотя несущая намного выше звуковой частоты. Проверьте себя: звук лежит примерно в диапазоне от 20 Гц до 20 кГц, а радиочастоты обычно значительно больше.

Ошибка 3. Называть детектором усилитель. Детектор выделяет информационную составляющую, но сам по себе не обеспечивает значительного увеличения мощности. Чтобы проверить рассуждение, спросите: изменяет ли элемент амплитуду сигнала за счёт энергии источника или только преобразует его форму?

Ошибка 4. Забывать о влиянии ёмкости конденсатора на настройку. Иногда считают, что смена станции требует другой антенны, хотя частоту можно изменить параметрами контура. Используйте формулу ν₀ = 1/(2π√(LC)): при изменении C меняется и резонансная частота.

Связь с другими темами

Для понимания работы приёмника нужны электромагнитная индукция, свободные электромагнитные колебания и условие резонанса. Эти явления объясняют появление тока в антенне и частотный отбор контура.

Также необходима связь λ = c/ν между скоростью, частотой и длиной электромагнитной волны, а также понимание модуляции. Тема служит основой для изучения радиосвязи, усилителей, передатчиков и современных радиоприёмников.

Что запомнить

• Радиоприёмник выделяет из радиоволны передаваемую звуковую информацию.
• Антенна принимает сигналы многих радиостанций.
• Колебательный контур выбирает сигнал по частоте.
• Резонансная частота контура определяется его индуктивностью и ёмкостью.
• Детектор выделяет низкочастотный сигнал из модулированных колебаний.
• Наушник преобразует электрический сигнал в звук.
• Настройка на станцию осуществляется изменением параметров колебательного контура.