§51. Радио- и СВЧ-волны в средствах связи

Определения и обозначения

Радиоволны — электромагнитные волны, которые используют для передачи сигналов. Их частота f и длина волны λ связаны со скоростью распространения c формулой c = λf. Эта связь помогает выбирать длину волны для связи и рассчитывать параметры антенн.

Радиосвязь — передача информации с помощью радиоволн от передающей антенны к приёмной. Информация сначала превращается в сигнал, который можно передать волной, а затем снова становится доступной на приёмной стороне. Так можно обмениваться сообщениями без проводов между передатчиком и приёмником.

Амплитудная модуляция — изменение амплитуды высокочастотной несущей волны по закону передаваемого сигнала. Несущая — это колебание высокой частоты, которое удобно излучать антенной, а изменения её амплитуды несут сообщение. Модуляция нужна, чтобы «наложить» информацию на радиоволну и передать её на расстояние.

Детектирование — выделение низкочастотного информационного сигнала из модулированной радиоволны. Низкочастотный сигнал соответствует переданному сообщению, например звуку. Детектирование позволяет отделить его от высокочастотной несущей перед воспроизведением.

Как это устроено

Звук — это колебания давления в воздухе, а не радиоволна, поэтому напрямую его нельзя эффективно передать радиосистемой на большие расстояния. Микрофон преобразует колебания воздуха в электрический сигнал, который меняется вслед за звуком. Такой сигнал и становится образцом для изменения параметров несущей, переносящей сообщение.

В передатчике генератор создаёт высокочастотные несущие колебания, а модулятор изменяет их в соответствии с поступившей информацией. При амплитудной модуляции меняется амплитуда; именно эти изменения соответствуют сигналу сообщения. Затем передающая антенна создаёт электромагнитную волну, потому что переменный ток в ней порождает переменное электромагнитное поле, распространяющееся в пространстве.

Радиоволна переносит энергию от передающей антенны, но на пути её интенсивность уменьшается, а на приёмную антенну приходится лишь часть энергии. Электромагнитное поле волны вызывает в ней электрические колебания, которые поступают в приёмник. Настройка приёмника выделяет колебания нужной частоты: без неё одновременно могли бы приниматься передачи разных станций.

Принятый сигнал обычно усиливают, поскольку он слабее сигнала передатчика. Затем детектор выделяет из модулированных колебаний низкочастотную составляющую, соответствующую переданной информации. Громкоговоритель превращает электрические колебания в звук, а другое устройство может преобразовать их, например, в изображение или данные.

СВЧ-волны — радиоволны очень высоких частот; их используют, когда важны направленная передача и большой объём передаваемой информации. Однако такие волны обычно распространяются преимущественно в пределах прямой видимости и хуже огибают препятствия, чем волны с большей длиной. Поэтому на пути устанавливают ретрансляторы, которые принимают и передают сигнал дальше, или используют спутники, связывающие удалённые пункты.

Этапы передачи радиосигнала

Таблица показывает последовательность преобразований: сообщение становится электрическим сигналом, затем частью радиоволны и снова сигналом на приёмной стороне. При разборе работы системы полезно прослеживать, где именно информация кодируется и где извлекается. Если один этап выпадает, передать сообщение полностью не получится.

Разбор задач

Задача 1. Длина волны передатчика

Передатчик работает на частоте 100 МГц. Найдём длину волны, считая скорость распространения равной 3·10⁸ м/с. Частота задана в мегагерцах, поэтому сначала переведём её в герцы, а затем используем связь c = λf.

1. Запишем данные: f = 100 МГц = 100·10⁶ Гц = 10⁸ Гц, c = 3·10⁸ м/с.
2. Выразим длину волны: λ = c/f. Подстановка даёт λ = (3·10⁸)/(10⁸) м = 3 м.

Размерность результата — метры, как и должно быть для длины. Ответ: длина волны равна 3 м.

Задача 2. Четвертьволновая антенна

Для передатчика с длиной волны 6 м оценим длину четвертьволновой антенны. Такая антенна резонансно настраивается на волну, если её длина составляет примерно четверть длины волны. Поэтому нужно разделить заданную длину на четыре.

1. Запишем условие настройки: l ≈ λ/4.
2. Подставим λ = 6 м: l ≈ 6/4 м = 1,5 м.

Полученное значение является оценкой, поскольку реальная конструкция и условия работы могут влиять на настройку. Ответ: длина антенны примерно 1,5 м.

Задача 3. Время прохождения сигнала от спутника

Спутник находится на высоте 3,6·10⁷ м. Оценим минимальное время прохождения сигнала до приёмника, пренебрегая дополнительным путём и задержками аппаратуры. Радиоволна является электромагнитной, поэтому для оценки используем скорость, близкую к скорости света.

1. Запишем формулу времени движения: t = s/c, где s = 3,6·10⁷ м, c = 3·10⁸ м/с.
2. Подставим значения: t = (3,6·10⁷)/(3·10⁸) с = 0,12 с.

Это время в одну сторону по кратчайшему пути; реальная линия связи может быть длиннее, а аппаратура добавляет задержку. Ответ: сигнал проходит путь минимум примерно за 0,12 с.

Типичные ошибки

Ошибка — считать, что на большие расстояния передаётся сам звук. Так можно подумать, потому что сообщение изначально слышно как звуковые колебания, но в радиосвязи его переносит модулированная электромагнитная волна. Проверь себя: между антеннами распространяется радиоволна, а звук появляется снова только после работы устройства воспроизведения.

Несущую частоту иногда принимают за частоту звукового сигнала. Причина в том, что обе частоты участвуют в одном процессе, хотя несущая значительно выше, а информация задаёт изменение её параметров. Проверь себя по записи сигнала: при амплитудной модуляции меняется амплитуда несущей, а не её несущая частота становится звуковой.

Неверно говорить, что детектор сам создаёт исходное сообщение. Путаница возникает из-за того, что после детектирования становится доступен низкочастотный сигнал, но детектор лишь выделяет его из принятого колебания. Проверь себя: если на вход не пришла модулированная волна, детектору нечего выделять.

Не следует считать, что СВЧ-волны всегда огибают препятствия так же хорошо, как волны более низких частот. Ошибка связана с общим представлением, что электромагнитные волны свободно обходят любые преграды, тогда как распространение СВЧ обычно сильнее зависит от прямой видимости. Проверь себя: если между пунктами есть препятствие или горизонт, для связи может потребоваться ретранслятор или спутник.

Связь с другими темами

Для понимания радиосвязи нужны свойства электромагнитной волны и соотношение c = λf. Оно позволяет переходить от частоты к длине волны и обратно, а знание о переносе энергии объясняет работу антенн. Эти сведения связывают тему с изучением электромагнитного излучения.

Гармонические колебания помогают описать несущую и сигнал, а резонанс — понять настройку антенны и приёмника. Также важно представлять, как микрофон преобразует звук в электрический сигнал. Позднее эти знания пригодятся при изучении радиолокации, спутниковой и мобильной связи и распространения электромагнитных волн.

Что запомнить

• Радиосвязь передаёт информацию посредством электромагнитных волн.
• Передатчик преобразует сообщение в сигнал, пригодный для переноса несущей волной.
• При модуляции параметры несущей изменяются в соответствии с передаваемым сигналом.
• Антенна передатчика излучает волну, а антенна приёмника преобразует её энергию в электрические колебания.
• Приёмник настраивают на частоту нужной передачи.
• Детектирование позволяет выделить информационный сигнал из модулированной несущей.
• СВЧ-связь часто требует прямой видимости или ретрансляции сигнала.