5. Излучение и приём электромагнитных волн радио-и СВЧ-диапазона

Определения и обозначения

Электромагнитные волны радио- и СВЧ-диапазона — волны, используемые для радиосвязи, радиолокации и передачи сигналов; радиодиапазон охватывает приблизительно частоты от 3 кГц до 300 ГГц, а СВЧ обычно относят к частотам от 300 МГц до 300 ГГц. Длина волны λ и частота ν связаны выражением λ = c/ν, где c — скорость распространения волны; в воздухе она близка к 3 · 10⁸ м/с. Эта связь позволяет по частоте определить длину волны и наоборот.

Антенна — проводник или система проводников, которая излучает электромагнитные волны либо принимает их. При передаче в антенне движутся заряды, а при приёме волна вызывает в ней электрические колебания. Антенна нужна, чтобы связать электрическую цепь передатчика или приёмника с распространяющейся в пространстве волной.

Радиопередатчик — устройство, которое создаёт радиосигнал и подаёт его в передающую антенну. В его состав входят источник высокочастотных колебаний и устройство, передающее сигнал в антенну; параметры колебаний изменяются согласно информации. Такое устройство позволяет перенести звук, изображение или другие данные на несущей радиоволне.

Радиоприёмник принимает сигнал антенной, затем выделяет нужную составляющую и преобразует её в полезную информацию. Для выбора станции в нём настраивают колебательный контур на соответствующую частоту, а последующие узлы обрабатывают сигнал. Благодаря этому из множества волн можно получить именно нужную передачу.

Как это устроено

В колебательном контуре энергия периодически переходит из электрической формы в магнитную и обратно. Если проводники контура раздвинуть и сделать их открытыми, электрическое поле перестаёт быть сосредоточено только между пластинами конденсатора. Заряды ускоренно движутся по проводникам, и меняющееся электрическое и магнитное поля распространяются от них в пространство как электромагнитная волна. Такой открытый контур и есть основа простейшей антенны.

В передающей антенне переменный ток непрерывно меняет направление, поэтому заряды в ней движутся с ускорением. Их движение создаёт меняющиеся поля, которые отделяются от антенны и уносят энергию в виде излучения. Частота излучения задаётся частотой тока, а длина волны определяется формулой λ = c/ν. Следовательно, при увеличении частоты длина волны уменьшается.

Передача начинается с получения высокочастотных электрических колебаний в передатчике. Затем модулятор — устройство, которое изменяет параметры колебаний по закону передаваемой информации, — накладывает на них сигнал: например, изменяет амплитуду или частоту. Высокочастотные колебания служат несущей, то есть переносят информацию на расстояние. После этого сигнал поступает в антенну, где энергия электрических колебаний превращается в электромагнитное излучение.

Пришедшая волна действует на заряды в приёмной антенне и заставляет их колебаться, поэтому в антенне возникает переменный ток. Однако одновременно антенна может принимать сигналы разных станций. Чтобы выбрать нужный, изменяют параметры колебательного контура радиоприёмника и настраивают его собственную частоту на частоту сигнала; при совпадении частот возникает резонанс и отклик нужного сигнала усиливается. Затем приёмник выделяет переданную информацию из высокочастотных колебаний.

СВЧ-волны имеют короткую длину, и их можно сформировать в узкий направленный пучок с помощью соответствующих антенн. Это позволяет передать энергию преимущественно в нужном направлении и уменьшить влияние сигналов с других направлений. Такой способ используют в линиях связи, а также в радиолокации: прибор посылает импульс и принимает волну, отражённую от объекта. По задержке отражения можно определить расстояние до цели.

Излучение и приём электромагнитных волн

Сравнивая столбцы, проследи, как при передаче электрические колебания становятся волной, а при приёме происходит обратное преобразование. Настройка особенно важна на стороне приёмника: она помогает выбрать сигнал среди волн разных частот. Формула для длины волны показывает, как связаны параметры излучения и настройки.

Разбор задач

Задача 1. Радиостанция излучает волну с частотой 100 МГц. Определим длину волны в воздухе. Переведём частоту в единицы СИ и применим связь длины волны со скоростью распространения; в воздухе можно считать c ≈ 3 · 10⁸ м/с.

1. Переводим частоту: ν = 100 МГц = 100 · 10⁶ Гц = 1 · 10⁸ Гц.
2. Используем формулу λ = c/ν: λ = (3 · 10⁸ м/с)/(1 · 10⁸ Гц) = 3 м.
3. Проверяем порядок величины: частота сотни мегагерц соответствует метровым волнам.

Ответ: длина волны в воздухе равна 3 м. Обрати внимание: если оставить частоту в мегагерцах, формулу нельзя применять без учёта приставки «мега».

Задача 2. Приёмник был настроен на одну станцию, но после изменения ёмкости контура принимает другую. Объясним причину и выясним, как изменилась собственная частота. Приёмник выбирает сигнал благодаря резонансу: собственная частота контура должна совпасть с частотой принимаемой станции. Для идеального LC-контура она равна ν₀ = 1/(2π√(LC)), где L — индуктивность, C — ёмкость.

1. Изменение ёмкости меняет собственную частоту контура, даже если индуктивность остаётся прежней.
2. Если ёмкость увеличили, знаменатель формулы возрастает, а ν₀ уменьшается; если ёмкость уменьшили, ν₀ возрастает.
3. Чтобы определить направление изменения в конкретном случае, сравнивают новую и старую ёмкость. Сам факт приёма другой станции означает, что настройка контура сместилась к её частоте.

Ответ: при увеличении ёмкости собственная частота уменьшается, а при уменьшении — увеличивается. Без сведений о том, как именно изменили ёмкость, выбрать одно из этих направлений нельзя.

Задача 3. СВЧ-радиолокатор послал импульс, который вернулся через 20 мкс. Найдём расстояние до объекта. Измеренное время относится не только к пути до объекта, но и к обратному пути отражённого сигнала, поэтому полный путь равен 2r.

1. Переводим время: t = 20 мкс = 20 · 10⁻⁶ с.
2. Записываем путь волны за это время: 2r = ct, следовательно, r = ct/2.
3. Подставляем скорость волны: r = (3 · 10⁸ м/с · 20 · 10⁻⁶ с)/2 = 3000 м.

Ответ: объект находится на расстоянии 3 км. Деление на два необходимо потому, что импульс прошёл расстояние до объекта и обратно.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что волны излучает только сама антенна, а роль переменных зарядов и токов несущественна. Такое представление возникает потому, что антенну видно, а движение зарядов непосредственно не наблюдается. Источник излучения — ускоренно движущиеся заряды в антенне; проверь себя, проследив путь энергии от переменного тока к волне.

Ошибка: путать частоту волны с частотой настройки приёмника. Частота волны задаётся передатчиком, а настройка определяет, на какой сигнал приёмник лучше откликнется. Приёмник выделяет сигнал, частота которого совпадает с его резонансной частотой; проверка — сравнить эти две частоты и вспомнить условие резонанса.

Ошибка: подставлять частоту в формулу λ = c/ν без перевода единиц или принимать частоту за период. Часто это происходит из-за приставок к герцам либо из-за того, что обе величины описывают повторение колебаний. Частота измеряется в герцах, период — в секундах, и ν = 1/T; перед вычислением переведи, например, мегагерцы в герцы.

Ошибка: при расчёте расстояния до объекта считать, что время отражённого импульса соответствует только пути в одну сторону. Время измеряют от отправки сигнала до его возвращения, поэтому волна проходит путь туда и обратно. Проверь запись: если время равно t, полный путь — ct, а расстояние до объекта — r = ct/2.

Связь с другими темами

Для понимания радиопередачи нужны свойства электромагнитных волн и соотношение λ = c/ν: оно связывает скорость распространения, частоту и длину волны. Настройка радиоприёмника опирается на резонанс в колебательном контуре, изученный при разборе электрических колебаний. Эти знания помогают объяснить радиосвязь и радиолокацию, а также понять, как электромагнитное излучение применяют для передачи сигналов и исследования пространства.

Что запомнить

• Переменный ток в антенне создаёт электромагнитное излучение.
• Приёмная антенна преобразует энергию волны в электрические колебания.
• Длина волны и частота связаны соотношением λ = c/ν.
• Для выбора сигнала приёмник настраивают на соответствующую частоту.
• СВЧ-волны применяют, в частности, в радиолокации.
• При радиолокации расстояние до объекта находят с учётом двойного пути импульса.