§ 113. Радиосвязь

Идея использования электромагнитных волн для передачи сигналов на большие расстояния (идея радиосвязи), была впервые высказана в 1889 г. Л. С. Поповым. Им же в 1895 г. был построен и продемонстрирован в действии первый радиоприемник, основанный на релейной схеме: ничтожно малая энергия электромагнитных волн использовалась посредством когерера для управления местным

источником энергии (электробатареей), питающим регистрирующий аппарат (электрозвонок). Уже в 1896 г. Попов осуществил радиотелеграфную связь на расстоянии 250 м, а в 1899 г. (применив изобретенную им антенну) - на расстоянии 50 км. В 1900 г. IV Всемирный электротехнический конгресс присудил Попову почетный диплом и золотую медаль за изобретение радио.

В современных радиоприемниках для управления местным источником энергии применяются электронная лампа или транзистор (вместо когерера).

Рис. 280

Схемы современной передающей и приемной радиоаппаратуры весьма разнообразны и сложны. Знакомясь с принципом радиосвязи, ограничимся рассмотрением простейших (принципиальных) схем радиопередатчика и радиоприемника, приведенных на рис. 280.

Схема радиопередатчика (рис. 280, а) подобна схеме автоколебательного контура, рассмотренной в предыдущем параграфе (см. рис. 279). Различие между ними заключается только в том, что в сеточную цепь лампы передатчика включена вторичная обмотка повышающего трансформатора а открытый колебательный контур, излучающий электромагнитные волны, осуществлен в виде катушки самоиндукции соединенной с высоко поднятой антенной А и землей В. В первичную обмотку трансформатора включены батарея и угольный микрофон

Если в микрофон не поступают звуковые волны, то в контуре передатчика совершаются обычные электрические колебания постоянной амплитуды (рис. 281, а; I - амплитуда, t - время). Если же на мембрану микрофона падает звуковая волна, вызванная, например,

речью или музыкой, то мембрана приходит в колебание, соответствующее этой звуковой волне (рис. 281, б). Звуковые колебания мембраны оказывают на угольный порошок микрофона переменное давление, в связи с чем такие же колебания испытывают сопротивление микрофона и сила тока в первичной, а следовательно, и во вторичной обмотках трансформатора. В результате на сетке лампы создается дополнительное переменное напряжение, изменяющееся в соответствии со звуковыми колебаниями мембраны. Колебания сеточного напряжения изменяют амплитуду электрических колебаний контура передатчика. Теперь, как говорят, высокочастотные электрические колебания контура несут на себе звуковые колебания мембраны микрофона (рис. 281, в). Процесс наложения звуковых колебаний на электрические колебания контура называется звуковым модулированием электрических колебаний.

Очевидно, что электромагнитные волны, излучаемые передатчиком, несут на себе звуковые колебания, т. е. также будут модулированными. Достигнув антенны приемника (см. рис. 280, б), эти волны вызовут в катушке и в индуктивно связанном с ней контуре электрические колебания, подобные колебаниям в контуре передатчика (рис. 281, в). Контур включен в сеточную цепь лампы. Поэтому совершающиеся в нем электрические колебания будут управлять током и

Рис. 281 (см. скан)

напряжением в анодной цепи лампы. В результате в анодной цепи возникнут электрические колебания, подобные колебаниям в сеточной цепи, но усиленные и выпрямленные (рис. 281, г). Обладая большой инерцией, мембрана телефона не успевает следовать за колебаниями высокой частоты (электрическими), она реагирует только на звуковые колебания, наложенные на колебания высокой частоты. Благодаря этому мембрана телефона воспроизводит звуковые колебания, совершаемые мембраной микрофона, т. е. воспроизводит звуки, поступающие в микрофон передатчика (рис. 281,5).

Таков в общих чертах процесс телефонной радиосвязи. Эта связь осуществляется посредством электромагнитных волн длиной от нескольких километров до нескольких десятков метров. Принципиальные схемы передатчика и приемника, приведенные на рис. 280, используются и для телевизионной радиосвязи, но в этом случае микрофон передатчика заменяется иконоскопом, а телефон приемника — кинескопом.

Рис. 282

Иконоскоп представляет собой электроннолучевую трубку (см. § 102) особого устройства: вместо люминесцирующего экрана в ней находится светочувствительная мозаика (рис. 282). Эта мозаика составлена из очень большого числа (порядка миллиона) изолированных друг от друга серебряных шариков 1 (диаметром около 0,1 мм), покрытых цезием. Шарики размещены на одной стороне слюдяной пластинки 2, обратная сторона которой покрыта слоем металла, образующим сигнальную пластину 3. Каждый шарик является миниатюрным фотоэлементом (см. § 136): при освещении из него вырываются электроны и шарик заряжается положительно. В совокупности с сигнальной пластиной шарики светочувствительной мозаики составляют конденсатор.

Изображение передаваемого объекта 4 фокусируется на поверхность мозаики посредством оптической системы 5. При этом каждый шарик мозаики приобретает положительный заряд, величина которого пропорциональна освещенности данного шарика.

Электронный луч 6 пробегает по всей площади мозаики в течение 1/25 с (описывая 625 горизонтальных строчек) и поочередно нейтрализует положительные заряды шариков. При каждой такой нейтрализации происходит изменение заряда сигнальной пластины,

вызывающее соответствующее изменение напряжения на сетке лампы передатчика. Таким образом, электрические колебания передатчика модулируются колебаниями заряда сигнальной пластины, зависящими от освещенности отдельных участков передаваемого изображения.

Приемник (телевизор) воспроизводит модулированные колебания передатчика и после выпрямления и усиления подает их на специальное устройство, управляющее интенсивностью электронного луча кинескопа (электроннолучевой трубки). Электронный луч кинескопа движется строго синхронно с электронным лучом иконоскопа, воспроизводя за 1/25 с на люминесцирующем экране (посредством светящегося пятна переменной яркости) все передаваемое изображение — кадр. В течение 1 с сменяется 25 таких кадров, поэтому глаз воспринимает их как единое движущееся изображение (подобное кинематографическому изображению).

Рис. 283

Число сигналов, передаваемых за 1 с, при телевизионной связи значительно больше, чем при радиотелефонной. Поэтому телевизионная связь осуществляется на электромагнитных волнах более высокой частоты — порядка 107 Гц, что соответствует длине волны порядка 10 м. Столь короткие волны не отражаются от верхних ионизированных слоев атмосферы, а распространяются только по прямой линии. Поэтому телевизионная связь возможна лишь на расстоянии прямой видимости между передающей и приемной антеннами.

Важным применением радиосвязи является радиолокация, позволяющая определять на расстоянии до 200-300 км местоположение крупных предметов, например самолетов, кораблей, айсбергов, скрытых темнотой или туманом, а также наблюдать на экране локатора силуэты этих предметов, очертания береговой полосы и т. п.

Радиолокация основана на отражении ультракоротких (обычно дециметровых) радиоволн от препятствий. Местоположение препятствия определяется следующим образом. В течение очень короткого промежутка времени, измеряемого миллионными долями секунды, радиолокатор посылает в пространство узкий пучок радиоволн (импульс электромагнитного излучения). Попадая на препятствие, импульс отражается от него, возвращается на станцию отправления и улавливается приемником локатора. Отправленный и отраженный электромагнитные импульсы регистрируются на экране электроннолучевой трубки локатора в виде пиков и 2, появляющихся на горизонтальной развертке (рис. 283). Локатор отправляет импульсы периодически через малые промежутки времени, поэтому пики и 2 видны на экране все время. Время прошедшее с момента отправления импульса до момента приема отражения этого же импульса, определяется по скорости движения электронного луча, производящего горизонтальную развертку, и расстоянию d между пиками 1 и 2:

Тогда расстояние I между локатором и препятствием, отразившим импульс, определится из очевидного соотношения

где скорость распространения электромагнитного импульса.

Направление на препятствие определяется по положению (углу поворота) антенны локатора.

Задача 59. Колебательный контур состоит из воздушного конденсатора с площадью пластин каждая и катушки с индуктивностью Период электрических колебаний в контуре Определить расстояние между пластинами конденсатора.

Решение. Исходя из формулы Томсона (3), получим

С другой стороны (см. § 83), емкость плоского конденсатора

где — электрическая постоянная, относительная диэлектрическая проницаемость воздуха.

Приравнивая между собой правые части двух равенств, выражающих С, получим

Задача 60. Колебательный контур состоит из катушки с индуктивностью и двух конденсаторов, соединенных между собой параллельно, емкостью каждый. Определить период электрических колебаний в контуре и длину X излучаемых контуром электромагнитных волн.

Решение. При параллельном соединении конденсаторов их общая емкость С равна сумме емкостей соединяемых конденсаторов (см. § 83). Поэтому Тогда, пользуясь формулой Томсона (3), получим

поскольку

Согласно формуле (1), где скорость распространения электромагнитных волн, период этих волн. Так как период электромагнитных волн равен периоду создающих их электрических колебаний (см. § 110), то