§ 29. Свойства и применения электромагнитных волн

В настоящее время для генерирования электромагнитных 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 (ДВ, X « 10⁴—10³ м), средние (СВ, л « 10³—10² м) и корот­кие (KB, л « 10²— 10 м) 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 (УКВ), длина волны которых лежит в интервале от 10 до Ю^-3 м. 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 10 м. Именно поэтому они и применяются в радиоастрономии и космической ра­диосвязи. Над Землей УКВ-радиоволны распространяются, подобно свету, прямолинейно в пределах прямой видимости. Волны КВ-диа-пазона 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 г от него расположена рассматриваемая точка. Наибольший практический интерес представляет так называемая волновая зона, для которой г^>\. 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.

Рис. 188. Форма линий напряженности поля из­лучающего пибратора

Так как напряженность электрического поля Е в такой попереч- ной волне перпендикулярна направлению распространения волны, вектор Е в любой точке перпендикулярен проведенному в нее радиу- су-вектору (рис. 188а). При прохождении волны поле периодически изме- няется со временем, и в точках, отстоящих одна от другой на А./2 в радиаль- ном направлении, векторы Е в один момент времени направлены в противопо- ложные стороны (рис. 1886). Соединяя на этом рисунке векторы Е, получим одну из замкну- тых 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

индукции представляют собой концентрические окружности, лежа­щие в плоскостях, перпендикулярных вибратору (рис. 1896). На­правление этих линий противоположно в точках, отстоящих одна от другой на Х/2 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.

_{е +}

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 от 10² до 10⁴ 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 не-модулированные колебания тока в антенне имеют вид

/(О = /₀ cos со/. (1)

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

I(t) = /₀ [1 +/(01 cos со/. (2)

Здесь /(/) — модулирующая функция, выражающая переда­ваемую информацию, для кото­рой |/(01 < 1.

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

/(/) = mcosQ/. (3)

Здесь т — так называемая глубина модуляции, причем т < 1 (рис. 1916). Частота звуковых колебаний Q много меньше частоты со несущих колебаний: £2« со. Колебания тока в антенне в этом случае описываются формулой

⁷(0 = ^Jo [1 + ^{т cos c}°s <o*. (4)

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

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

cos a cos (3 = \ [cos (а + (3) + cos (а — (3) ], можно переписать в другом виде:

I(t) = /₀ cos Ш + ^ mI_Q cos [(со — Q)t] + ^ ml₀ cos [(со + Q)t]. (5)

Частотный спектр модулированного сигнала. Таким образом, амплитудно-модулированное колебание (4) можно рассматривать либо как одно «гармоническое колебание частоты со с медленно ме­няющейся амплитудой», либо как сумму трех настоящих гармони­ческих колебаний на частотах со, со — Q и ю + й с постоянными ам­плитудами. Основная частота передатчика со называется в радиотех­нике несущей частотой, а дополнительные частоты со — Q и со + Q, 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).

I I _ Если передаваемый низкочастот- но—Q to to + Q ный сигнал представляет собой не одно Рис. 192. частотный спектр моду- гармоническое колебание, а имеет бо- лированного сигнала (4) лее сложную форму, то вместо одной

определенной частоты модуляции Q 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 со 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 со, со — Q и со + Q, которые можно зареги­стрировать по отдельности приемниками, настроенными на эти час­тоты, или же реально есть только одно колебание с частотой со, 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 10 = 2 + 8 или то, что 10 = 5 + 5? 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,

а б

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

обладающей подходящей постоянной времени (рис. 193а). Последо­вательные этапы преобразования колебаний при детектировании по­казаны на рис. 1936. Выпрямление происходит благодаря односто­ронней проводимости диода Д, 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-симметричным?

• 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.

д 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 10 кГц, 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 Дсо много больше частоты модуляции Q, колебательный контур приемника при­мерно одинаково откликается на синусоидальные колебания с частотами со и co±Q. 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 со₀ мы получаем чисто синусоидальный отклик при совпадении со₀ с каж­дой из частот со, со + Q 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 (В) резиновое кольцо. Теперь камертоны «расстроены» — их частоты ш_л и ш_в немного различаются. Возбудим оба камер­тона одновременно. Когда разность их частот £2 = со_д — ш_в много меньше средней частоты со = (со_д + ш_в)/2, 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 Q = ш_А — ш_в. 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, ког­да 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 со_д и со_в 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.