Глава VIII. ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЕ ВОЛНЫ

§ 59. РАДИОВОЛНЫ

Радиоволны были открыты и детально изучены экспериментально немецким физиком Герцем (1888 г.). Толчком к его открытию послужила теория Максвелла, предсказывающая существование и свойства электромагнитных волн, а также электромагнитную природу света. Подчеркнем, что опыты Герца были не просто проверкой

одной из теорий, они доказали реальность электромагнитного поля и послужили фундаментом современных представлений об электромагнитных явлениях, а также открыли дорогу их практическим применениям, которые сегодня так изменили условия нашего существования.

Интересно отметить, что сам Герц не только не думал о практическом приложении своего открытия, но и отрицал возможность использования радиоволн для связи на расстоянии. Эти возможности ясно понимал другой физик того времени — англичанин Крукс, изложивший в 1892 г. главные, по его мнению, особенности метода радиосвязи, сохранившиеся и до сих пор (в частности, основу современной радиосвязи — избирательность по частоте). Крукс четко сформулировал также основные технические проблемы, которые предстояло решить для практического осуществления радиосвязи. Начало этому важнейшему применению электромагнитных явлений было положено изобретениями Попова и Маркони (1896 г.). Бурное развитие радиотехники началось после 1901 г., когда удалось осуществить первую межконтинентальную радиосвязь Европа — Америка. Основное применение радиоволн остается неизменным. Однако в связи с бурным развитием радиотехники, существенно расширились возможности радиосвязи. Появились телевидение и радиолокация, большие успехи достигнуты в области дальней (космической) радиосвязи на расстояния более миллиарда километров. Интенсивно развивается одна из областей космофизики — радиоастрономия. До недавнего времени наблюдение за небесными телами производилось лишь в оптическом диапазоне. Однако оказалось, что многие «активные» небесные тела — звезды, туманности, квазары, пульсары и пр. — излучают электромагнитные волны в широком диапазоне. Кроме того, были обнаружены «невидимые» источники радиоизлучения, так что картина неба в радиодиапазоне существенно отличается от привычной.

Основной метод генерации радиоволн — возбуждение собственных колебаний в LC-контуре или в резонаторе с последующим их усилением и излучением в пространство через специальное устройство — антенну. Характерной особенностью такого метода является генерация волны, близкой к монохроматической. В конечном счете это связано с использованием явления резонанса как в генераторах, так и в приемниках радиоволн. Методы регистрации принципиально те же: в антенне наводятся электромагнитные колебания, которые затем усиливаются (резонансно) и обрабатываются радиоприемником.

Основной метод передачи информации по радио — модуляция «несущей» радиоволны. Чаще всего применяется амплитудная модуляция, на которой работает большинство радиостанций, а также частотная модуляция. Модулированная волна, конечно, уже не монохроматична, однако, как мы увидим дальше (см. § 79), занимаемую ей полосу частот можно сделать относительно малой Благодаря этому возможна одновременная независимая работа многих радиостанций, что лежит в основе современной радиосвязи.

Рис. VIII.1. Фазоимпульсная (широтно-импульсная) модуляция. 1 — передаваемый сигнал; 2 — модулирующие импульсы; 3 — сигналы на выходе радиостанции (на входе приемника); 4 — импульсы в приемнике после ограничения и детектирования.

Соответственно важнейшее свойство радиоприемника — его избирательность, т. е. способность регистрировать радиоволны только в узкой полосе частот.

Подчеркнем, что радиосвязь с помощью почти монохроматических волн, конечно, не является единственно возможной. Просто такой метод оказался технически наиболее эффективным благодаря применению резонанса. Отметим, что в настоящее время все большее распространение получают устройства, применяющие совсем немонохроматические волны. Они получаются, например, с помощью особой так называемой фазоимпульсной (или широтно-импульсной) модуляции (рис. VIII.1). Радиостанция излучает пакеты одинаковых прямоугольных видеоимпульсов, которые смещаются относительно некоторых фиксированных (реперных) моментов времени на интервалы пропорциональные мгновенному значению передаваемого сигнала. В приемнике после обычного детектирования воспроизводится последовательность импульсов, из которой в специальном фазовом детекторе выделяется полезный (передаваемый) сигнал. Селективность этой системы связана с определенным законом расположения реперных точек. Основным ее преимуществом является высокая помехоустойчивость, так как связь осуществляется в широкой полосе частот.

Другим интересным примером может служить так называемая шумовая радиолокация, в которой используется непрерывный шумовой сигнал с широким спектром.

Опыты с радиоволнами наглядно демонстрируют их оптические свойства: отражение, преломление, поляризацию, интерференцию и дифракцию. Именно такие опыты и были сделаны в свое время Герцем и позволили ему, в частности, установить электромагнитную природу света.