§ 29. Свойства и применения электромагнитных волн

В настоящее время для генерирования электромагаитных волн радиодиапазона обычно используют ламповые или транзисторные генераторы, которые позволяют получать незатухающие колебания

правильной синусоидальной формы в очень широких диапазонах частот. Генератор специальным кабелем связан с антенной-вибратором. Благодаря антенне волны излучаются в пространство.

Диапазоны радиоволн. В различных диапазонах частот (длин волн) используют антенны различных типов. Применяемые в радиовещании длинные средние и короткие волны излучаются антеннами в виде вертикального проводящего стержня. Для увеличения дальности приема антенну стремятся поднять как можно выше. Для телевидения, космической радиосвязи и радиолокации используются ультракороткие волны длина волны которых лежит в интервале от 10 до . В случае метровых волн применяют антенны в виде вибраторов в половину длины волны или целого ряда таких вибраторов, образующих антенну, которая создает направленное излучение. В дециметровом и сантиметровом диапазонах для получения направленного излучения используют параболические отражатели, подобные зеркалам оптических прожекторов.

Распространение радиоволн. Распространение радиоволн обусловлено целым рядом факторов, среди которых наибольшую роль играют состояние земной и водной поверхности и ионосфера — слой ионизированного газа на высоте 100—300 км над поверхностью Земли. Ионосфера прозрачна для волн короче примерно Именно поэтому они и применяются в радиоастрономии и космической радиосвязи. Над Землей УКВ-радиоволны распространяются, подобно свету, прямолинейно в пределах прямой видимости. Волны КВ-диапазона отражаются ионосферой и могут распространяться на большие расстояния в результате многократных отражений от ионосферы и поверхности Земли. Длинные и средние волны благодаря дифракции способны огибать земную поверхность и обеспечивать устойчивую радиосвязь на значительных расстояниях.

Поле сферической волны. Характер электромагнитного поля волны, излучаемой простым вибратором, существенно зависит от того, на каком расстоянии от него расположена рассматриваемая точка. Наибольший практический интерес представляет так называемая волновая зона, для которой . В свободном пространстве излучение распространяется по всем направлениям с одной и той же скоростью с. Поэтому время распространения до всех точек, удаленных на одинаковое расстояние от излучателя, одно и то же, и во всех точках сферы с центром в излучателе фазы колебаний одинаковы. Такая волна называется сферической, хотя ее электромагнитное поле сферической симметрией не обладает: на одном и том же расстоянии от излучателя напряженность максимальна для направлений, перпендикулярных к вибратору (т. е. в экваториальной плоскости), и уменьшается до нуля для направлений вдоль оси вибратора.

Так как напряженность электрического поля Е в такой поперечной волне перпендикулярна направлению распространения волны, вектор Е в любой точке перпендикулярен проведенному в нее радиусу-вектору (рис. 188а).

Рис. 188. Форма линий напряженности поля излучающего вибратора

При прохождении волны поле периодически изменяется со временем, и в точках, отстоящих одна от другой на в радиальном направлении, векторы Е в один момент времени направлены в противоположные стороны (рис. 1886). Соединяя на этом рисунке векторы Е, получим одну из замкнутых линий напряженности вихревого электрического поля. Примерная картина линий напряженности электрического поля волны, излучаемой простым вибратором, показана на рис. 188а.

Вектор В индукции магнитного поля в каждой точке перпендикулярен Е и направлению распространения волны. Поэтому линии

Рис. 189. Линии напряженности (а) и индукции (б) в сферической электромагнитной волне простого вибратора

индукции представляют собой концентрические окружности, лежащие в плоскостях, перпендикулярных вибратору (рис. 1896). Направление этих линий противоположно в точках, отстоящих одна от другой на в радиальном направлении.

Принцип радиосвязи. Простейшая схема радиосвязи показана на рис. 190. На передающей станции А колебания в контуре, связанном с излучающей антенной, возбуждаются генератором. Антенна вместе с контуром образуют колебательную систему. Параметры соединенного с антенной контура подбираются так, чтобы собственная частота такой колебательной системы совпадала с частотой генератора.

В приемнике В соединенный с антенной колебательный контур служит для настройки, т. е. выделения из всех возбуждаемых в антенне колебаний только тех колебаний, которые происходят на частоте нужной нам передающей радиостанции.

Рис. 190. Схема радиосвязи

Основной физический принцип радиосвязи заключается в том, что токи проводимости в цепях передатчика сначала превращаются в токи смещения, не требующие для своего распространения проводников, а затем эти токи смещения снова преобразуются в токи проводимости в цепях приемника.

Сама по себе схема на рис. 190 не может обеспечить передачу сигналов. Поясним это. На первый взгляд может показаться, что для передачи сигнала достаточно превратить его в электрические колебания и возбудить в антенне переменный ток с частотой и силой, соответствующими данному сигналу. Так, например, желая передать речь или музыку, можно с помощью микрофона получить соответствующий переменный ток и после надлежащего усиления послать его в антенну. Однако в действительности этим способом передать сигналы нельзя. Дело в том, что все сигналы, с которыми приходится иметь дело на практике, представляют собой колебания низкой частоты. Для речи и музыки эти частоты лежат в интервале Гц. Но для излучения радиоволн необходимы высокие частоты, так как только с быстрыми колебаниями можно получать достаточно сильные токи смещения. Направляя ток, соответствующий низкочастотному сигналу непосредственно в антенну, мы не получим практически никакой излученной мощности. Это отчетливо видно из формулы (10) предыдущего параграфа, согласно которой излучаемая мощность пропорциональна четвертой степени частоты.

Поэтому в радиотехнике для передачи энергии используют высокочастотные колебания, которые изменяют определенным образом колебаниями низкой частоты, содержащими информацию, подлежащую передаче. Такое изменение «несущих» высокочастотных колебаний называется модуляцией. На приемной стороне из этих сложных высокочастотных колебаний вновь выделяют колебания низкой частоты, которые после усиления направляют в громкоговоритель, телеграфный аппарат и т. п. Процесс восстановления низкочастотного сигнала называется демодуляцией или детектированием.

Амплитудная модуляция. Модуляцию высокочастотных колебаний можно производить, изменяя их амплитуду, частоту или фазу. На практике используются все три вида модуляции. Остановимся только на амплитудной модуляции, употребляемой наиболее часто. Во время паузы в радиопередаче немодулированные колебания тока в антенне имеют вид

Рис. 191. Амплитудная модуляция колебаний

Они показаны на рис. 191а. При передаче речи или музыки эти колебания превращаются в более сложные:

Здесь — модулирующая функция, выражающая передаваемую информацию, для которой

В простейшем случае передачи чистого музыкального тона, например звука камертона, ток через микрофон изменяется по гармоническому закону, и модулирующая функция записывается в виде

Здесь — так называемая глубина модуляции, причем (рис. 191б). Частота звуковых колебаний много меньше частоты несущих колебаний: Колебания тока в антенне в этом случае описываются формулой

График такого амплитудно-модулированного сигнала показан на рис. 191а.

Выражение (4), используя известное тригонометрическое тождество для произведения косинусов двух углов

можно переписать в другом виде:

Частотный спектр модулированного сигнала. Таким образом, амплитудно-модулированное колебание (4) можно рассматривать либо как одно «гармоническое колебание частоты с медленно меняющейся амплитудой», либо как сумму трех настоящих гармонических колебаний на частотах постоянными амплитудами. Основная частота передатчика со называется в радиотехнике несущей частотой, а дополнительные частоты возникающие при модуляции, — соответственно нижней и верхней боковыми частотами. Другими словами об этом говорят так: спектр модулированного сигнала (4) состоит из трех дискретных частот (рис. 192).

Рис. 192. Частотный спектр модулированного сигнала (4)

Если передаваемый низкочастотный сигнал представляет собой не одно гармоническое колебание, а имеет более сложную форму, то вместо одной определенной частоты модуляции мы будем иметь много частот. В этом случае в спектре модулированного высокочастотного сигнала вместо двух боковых частот будет целая совокупность частот, лежащих слева и справа от несущей частоты и образующих так называемые боковые полосы частот.

Реальность боковых частот. Обратим внимание на следующее обстоятельство. Математически выражения (4) и (5) тождественны. Но ведь речь идет о математическом представлении физического процесса. Так что же такое амплитудно-модулированный сигнал на самом деле: существует ли реально три гармонических колебания с различными частотами которые можно зарегистрировать по отдельности приемниками, настроенными на эти частоты, или же реально есть только одно колебание с частотой , но происходящее с переменной амплитудой?

Оказывается, что такой вопрос не имеет физического смысла. Никакой приемник не в состоянии отличить, действует ли на него одна модулированная электромагнитная волна или три соответствующие ей немодулированные волны от трех передатчиков. Вопрос о реальности боковых частот — это такой же вопрос, как, например, что реально: то, что или то, что Правильно ставить вопрос можно только так: как целесообразно в данном конкретном случае представить число 10? А это зависит от того, что вы хотите сделать.

Назначение передатчика — излучить несущие информацию о сигнале колебания в пространство в виде электромагнитных волн. Поскольку, как мы видели, излучаться могут только высокочастотные

колебания, то естественным будет представление сигнала в антенне в виде (5): модулируя колебания, мы при помощи низкочастотного сигнала превращаем одно-единственное гармоническое колебание передатчика в несколько гармонических колебаний, которые, однако, все являются высокочастотными и поэтому пригодны для излучения радиоволн.

Детектирование. Чтобы при демодуляции в приемнике получить опять низкочастотный сигнал неискаженной формы, необходимо, очевидно, чтобы в приемник попали колебания всех частот, возникших при модуляции. А для этого нужно, чтобы настройка приемника хотя и была очень острой (для отсечения сигналов от других «мешающих» радиостанций), но все же такой, чтобы ширина резонансной кривой приемника, т. е. ширина полосы пропускания, охватывала все боковые частоты спектра модулированного сигнала.

В приемнике из высокочастотных колебаний снова формируются колебания низкой частоты, соответствующие передаваемому сигналу. Детектирование осуществляется выпрямлением модулированных колебаний при прохождении тока через какое-либо нелинейное устройство — диод, электронную лампу, и последующим сглаживанием высокочастотных пульсаций выпрямленного тока цепью, обладающей подходящей постоянной времени (рис. 193а).

Рис. 193. Схема демодулятора (а) и преобразование сигнала при детектировании (б)

Последовательные этапы преобразования колебаний при детектировании показаны на рис. 1936. Выпрямление происходит благодаря односторонней проводимости диода а сглаживание пульсаций — RC-фильтром: в те моменты, когда диод пропускает ток, конденсатор фильтра заряжается, уменьшая ток через нагрузку (громкоговоритель, телефон), зато в промежутках между проходящими импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку, поддерживая уровень тока в нагрузке.

Радиосвязь. Схема простейшего радиоприемника получается объединением входной цепи с колебательным контуром (рис. 190), настраиваемым на частоту передающей станции, и демодулятора (рис. 193а), к выходу которого подключается телефон. В реальных приемниках колебания высокой частоты перед детектированием усиливаются. Продетектированные колебания также усиливаются широкополосным усилителем низкой частоты. Впервые практическое применение радиоволн для целей связи было осуществлено

А.С. Поповым и Г. Маркони. В дальнейшем бурное развитие радиотехники оказало сильное влияние на технический прогресс и радикально изменило весь облик современной цивилизации.

• Чем различаются электромагнитные волны разных радиодиапазонов? Какими свойствами обусловлены особенности их применения в радиосвязи?

• Опишите структуру электромагнитного поля излучаемой простым вибратором сферической волны в волновой области. Почему это поле не может быть сферически-симметричпым?

• Поясните роль токов смещения в физическом принципе радиосвязи.

• Что такое модуляция? С какой целью она используется? Почему она принципиально необходима для передачи информации с помощью радиоволн?

• Что такое частотный спектр модулированных высокочастотных колебаний? Какой вид он имеет?

• Что реально представляет собой модулированный сигнал: одно высокочастотное колебание с медленно меняющейся амплитудой или несколько гармонических колебаний разных частот с постоянными амплитудами?

• Почему приемник должен воспринимать кроме несущей частоты еще обязательно и боковые полосы частот?

• С какой целью в приемнике необходимо детектирование? Объясните принцип действия простейшей схемы демодулятора.

• Нарисуйте схему простейшего радиоприемника и объясните, как он работает.

Полоса пропускания и избирательность. Обсудим несколько подробнее вопрос о ширине полосы пропускания приемника и ее связи с его избирательностью. Все работающие радиостанции одновременно вызывают электромагнитные колебания в антенне радиоприемника. Если бы эти радиостанции излучали идеальные монохроматические волны, то какими бы большими ни были колебания от мешающих станций, всегда можно было бы выделить нужное колебание, сделав полосу пропускания достаточно узкой выбором контура с высокой добротностью. Однако чисто синусоидальное колебание — это еще не сигнал. Оно не несет никакой информации, кроме разве что информации о том, что передатчик включен.

Несущий информацию сигнал — это, как мы видели, обязательно модулированное колебание, частотный спектр которого

кроме основной частоты содержит также боковые полосы частот. Для воспроизведения передаваемой информации без искажений нужно, чтобы полоса пропускания приемника охватывала весь частотный спектр модулированного сигнала.

Итак, для правильного воспроизведения сигнала требуется расширять полосу пропускания приемника, а для отстраивания от мешающих радиостанций, т. е. для увеличения избирательности, — сужать эту полосу.

В результате для нормальной работы нескольких радиостанций их несущие частоты должны отстоять одна от другой на величину, превышающую ширину боковых полос спектра излучаемых ими модулированных колебаний. Но при этом в эфире становится тесно: число одновременно работающих в радиодиапазоне передающих станций ограничено. Поэтому приходится идти на компромисс: международное соглашение ограничивает максимальную частоту модуляции величиной что позволяет без заметных искажений передавать речь и музыку.

Для высококачественного радиовещания и тем более для телевидения, где объем передаваемой информации значительно больше, необходима более широкая полоса частот, которую можно обеспечить только в УКВ-диапазоне. Здесь допустимо взаимное перекрывание полос удаленных передающих станций, поскольку радиоволны УКВ-диапазона распространяются только в пределах прямой видимости.

Различные представления модулированного колебания. Для понимания всех этих вопросов очень важно отдавать себе отчет в том, на каком языке следует описывать модулированное высокочастотное колебание в каждом конкретном случае: когда о нем можно говорить как о «гармоническом колебании с медленно меняющейся амплитудой», а когда нужно представлять его как совокупность нескольких чисто гармонических колебаний с разными частотами. Например, для широкополосного приемника целесообразно использовать представление о колебании одной частоты с изменяющейся амплитудой. Действительно, когда ширина полосы пропускания много больше частоты модуляции колебательный контур приемника примерно одинаково откликается на синусоидальные колебания с частотами со и Это значит, что приемник воспринимает модулированное колебание как обычное синусоидальное.

Для приемника с высокой избирательностью, ширина полосы которого существенно меньше частоты модуляции, необходимо использовать представление о нескольких чисто гармонических колебаниях, так как при перестройке его резонансной частоты мы получаем чисто синусоидальный отклик при совпадении с каждой из частот спектра модулированного сигнала.

Пример из акустики. Описываемые положения очень легко проиллюстрировать на опыте, используя акустические колебания. Возьмем два одинаковых камертона А и В, имеющих одну и ту же частоту собственных колебаний. Наденем на ножку одного из них (Б) резиновое кольцо. Теперь камертоны «расстроены» — их частоты немного различаются. Возбудим оба камертона одновременно. Когда разность их частот много меньше средней частоты мы воспринимаем одновременное звучание камертонов как один звук переменной громкости. Для нашего уха ситуация такая же, как если бы звучал один камертон, резонансный ящик которого периодически открывали и закрывали с частотой сол Наше ухо — это широкополосный приемник звуковых колебаний, и действие двух близких по частоте колебаний воспринимает как одно модулированное колебание.

Совсем иное дело, если в качестве приемника используется узкополосный высокодобротный резонатор, например еще один точно такой же камертон С. Возбудим сначала только один камертон А, и через некоторое время заглушим его, притронувшись рукой к ножкам. В наступившей тишине отчетливо слышен звук, издаваемый камертоном С — он откликнулся на колебания камертона А. Повторим опыт, возбуждая только «расстроенный» камертон В. Теперь С «молчит», не откликается на колебания

В. При одновременном возбуждении двух камертонов А и В, ког-да мы слышим звук переменной громкости, реакция камертона С будет точно такой же, как и при возбуждении только одного камертона А. Его вынужденные колебания происходят с постоянной амплитудой. Он как бы не замечает, что звук имеет переменную громкость. Ясно, что в данном случае целесообразно представление модулированного колебания в виде суммы двух чисто гармонических колебаний с частотами и постоянными амплитудами.

• Почему требования, предъявляемые к полосе пропускания приемника для правильного воспроизведения передаваемого сигнала и для возможности отстраиваться от мешающих радиостанций, оказываются противоречивыми?

• Почему для одновременной работы различных радиостанций место в эфире оказывается ограниченным?

• Поясните, в каких случаях модулированное колебание целесообразно представлять как колебание на единственной частоте с медленно меняющейся амплитудой, а в каких — как совокупность чисто гармонических колебаний с несколькими частотами.

• Проделайте описанные опыты с камертонами и объясните их. Попробуйте воспроизвести эти опыты, используя вместо камертонов какие-либо струнные музыкальные инструменты, например, гитары.