книги из ГПНТБ / Учебник механика военно-воздушных сил. Радиооборудование самолетов

действуют колебания задающего генератора и управ­ ляющий сигнал. На выходе модуляционного устройства получаются модулированные колебания, у которых ам­ плитуда, частота или фаза высокочастотных колебаний изменяются в соответствии с управляющим сигналом. Модулированные колебания представляют собой радио­ сигнал.

д

Рис. 1.3. Графики управляющих сигналов и радио­ сигналов:

а — многотональный управляющий сигнал; б — амплитудно-мо- дулированный радиосигнал; ѳ — импульсные управляющие сиг­ налы; г — импульсные радиосигналы; д — однотональный гар­ монический управляющий сигнал; е — частотно-модулированный радиосигнал

ю

ла та или иная электрическая цепь передающего или приемного устройства; какими выбрать параметры цепи, чтобы она не вызывала изменения формы сигнала или вызывала такие изменения лишь в допустимых преде­ лах. Для решения этих задач весьма важное значение приобретает знание спектральной структуры используе­ мых в радиотехнических средствах сигналов.

Простейшим сигналом, используемым в радиотехни­ ке, является гармонический сигнал, который достаточно хорошо изучен и весьма удобен при анализе процессов в радиотехнических цепях.

На практике же приходится иметь дело с сигналами более сложными, отличными от гармонических. Такие сигналы, как известно, можно представить в виде сум­ мы того или иного числа простых гармонических сигна­ лов с различными частотами, амплитудами и начальны­ ми фазами.

Совокупность гармонических колебаний, на которые можно разложить некоторый сложный сигнал, назы­ вается спектром этого сигнала.

В качестве примера рассмотрим спектр радиосигна­ ла, представляющего собой амшштудно-моДулирован- ное колебание, показанное на рис. 1.4.

Предположим, что передаваемое по радио сообще­ ние представляет собой гармонический сигнал звуковой частоты Q, описываемый выражением uM=UMms \n 2 t (рис. 1.4,а). До того как этот сигнал начнет действо­ вать, радиопередатчик вырабатывает гармонические колебания высокой частоты со, характеризуемые посто­ янной амплитудой .Umo (рис. 1.4,6). С момента начала действия сигнала (^) амплитуда колебаний радиопере­ датчика начинает изменяться, повторяя закон измене­ ния управляющего сигнала им■ Степень воздействия управляющего сигнала на высокочастотные колебания оценивается коэффициентом амплитудной модуляции

т — TT21 (рис. 1.4,6), который выражается в процен- О/яО д

тах ( т = — ■• 100%) и может изменяться от 0 до 100%.

Uта

Амплитудно-модулированное колебание может быть представлено выражением

и = А0 sin о)t + Aj sin (w — 2) t A2sin (<o 4- 2 ) t, (ІД)

12

частоты ш + й.

Рис. 1.4. Графики сигналов и амплитудно-частотных спектров:

13

Из приведенного выражения видно, что рассматри­ ваемый радиосигнал представляет собой сумму трех гармонических высокочастотных колебаний:

—колебания несущей частоты со;

—колебания суммарной частоты co + Q, называемой верхней боковой частотой;

—колебания разностной частоты ш—Q, называемой нижней боковой частотой.

Спектры сигналов изображают в виде графиков, по горизонтальной оси которых откладываются частоты ко­

лебаний, образующих спектр сигнала, и в полученных точках проводят вертикальные линии, величины кото­ рых пропорциональны амплитудам соответствующих гармонических колебаний.

Амплитудно-частотные спектры рассмотренных сиг­ налов показаны на рис. 1.4, в и г. Спектр однотональ­ ного гармонического управляющего сигнала им, приве­ денного на рис. 1.4, а, изображается одной линией, вы­ ражающей собой амплитуду колебаний UMm на частоте

рис. 1.4,в). Спектр же радиосигнала, приведен­

ного на рис. 1.4, б, содержит три спектральные линии. Ширина полосы частот, занимаемая спектром и назы­ ваемая шириной спектра, определяется выражением

ваемые с помощью микрофона при передаче речи, му­ зыки и т. п., имеют сложную форму и являются много­ тональными управляющими сигналами. Они могут быть представлены в виде суммы конечного числа простых гармонических колебаний с различными частотами Fu F2, ..., Fn, амплитудами (Аи А2, ..., А„) и начальными фазами.. Амплитудно-частотный спектр многотонального

восходит значения 20 кгц.

При амплитудной модуляции высокочастотных коле­ баний на частоте f многотональным управляющим сиг­ налом каждая гармоническая составляющая спектра

14

этого сигнала создает две боковые составляющие в спектре соответствующего радиосигнала (рис. 1.4, е). Таким образом, спектр модулированных колебаний со­ держит составляющую несущей частоты / и симметрич­ но расположенные относительно нее гармонические со­ ставляющие нижней и верхней боковых полос. Ширина такого спектра определяется выражением

(1.2)

т е Лмакс /+ ■

Спектры рассмотренных сигналов характеризуются конечным, ограниченным числом гармонических состав­

импульсные) имеют в принципе неограниченный спектр, простирающийся от / = 0 до /-> <х>. Однако, как пра­ вило, гармоники с наибольшей амплитудой таких спект­ ров группируются около основной для данного сигнала гармоники. По мере удаления от этой гармоники в обе стороны амплитуды составляющих уменьшаются. На этом основании при определении ширины подобных спектров пользуются понятием так называемой актив­ ной ширины спектра. Она определяется как полоса ча­ стот, охватывающая наиболее интенсивные гармоники, в пределах которой содержится условно заданное коли­ чество энергии всего сигнала (например, 95% энергии).

§2. КОЛЕБАТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

ССОСРЕДОТОЧЕННЫМИ ПАРАМЕТРАМИ

Кколебательным системам с сосредоточенными па­ раметрами относятся электрические цепи, составленные из катушек индуктивностей и конденсаторов постоян­ ных или переменных емкостей, способные резонировать на одной или нескольких частотах.

Простейшей колебательной системой является зам­ кнутая цепь, состоящая из конденсатора С, катушки ин­ дуктивности L и активного сопротивления R. Такая цепь обычно называется замкнутым колебательным конту­ ром (рис. 1.5,а). Активное сопротивление контура экви­ валентно сопротивлению суммарных потерь электриче­

ской энергии в нем (в катушке, конденсаторе, соедини­

15

тельных проводах и на возможное паразитное излуче­ ние). У большинства колебательных контуров сопротив­ ление R имеет величину порядка единиц и десятков ом.

Рис. 1.5. Колебательный контур и графики, поясняющие физические процессы свободных колебаний в нем

1. СВОБОДНЫЕ КОЛЕБАНИЯ В КОНТУРЕ

Для упрощения изучения свойств контура рассмот­ рим физические процессы, происходящие в идеальном одиночном контуре, т. е. контуре без потерь (R = 0). Если такому контуру сообщить некоторый запас элек­ трической энергии, то в нем возникнут свободные элек­ тромагнитные колебания. На рис. 1.5,6 приведена схе­ ма подключения конденсатора контура к источнику электрической энергии. При нахождении переключате­

16

ля П в положении А конденсатор С зарядится от бата­ реи до напряжения ІІИ.

В этом случае энергия, запасенная в электрическом

Если установить переключатель П в положение Б, то конденсатор С окажется подключенным к катушке L (рис. 1.5, в), в результате чего образуется колебатель­ ный контур. В этом случае конденсатор начнет разря­ жаться и в контуре потечет ток, который создаст вокруг катушки индуктивности магнитное поле. Последнее воз­ будит в катушке ЭДС, препятствующую нарастанию тока. Благодаря этому разряд конденсатора происходит не мгновенно, а длится некоторое время, в течение ко­ торого напряжение Uc постепенно спадает до нуля. По мере разряда конденсатора ток в контуре нарастает и при и с = 0 достигает максимального значения і = Іт (рис. 1.5,г). В этот момент времени вся энергия кон­ тура сосредоточена в магнитном поле и может быть вы­

По достижении максимального значения ток в контуре начинает уменьшаться. Уменьшающееся вместе с ним магнитное поле наводит в катушке ЭДС, которая стремится поддержать убывающий ток. Поэтому ток спадает до нуля не мгновенно, а постепенно, продолжая протекать в том же направлении. Уже после полного разряда конденсатора происходит его перезаряд, бла-

17

Го.-. - і;

научно-техьиче-

библяотлкд С

точена в электрическом поле конденсатора. Затем кон­ денсатор опять разряжается на катушку индуктивно­ сти, но теперь ток протекает в обратном направлении (рис. 1.5, е). После разряда конденсатора вновь проис­ ходит его заряд до напряжения Ѵи, которое по знаку совпадает с первоначальным (рис. 1.5, ж). С этого мо­ мента времени процесс в контуре повторяется и проте­ кает совершенно аналогично описанному.

Процесс непрерывного превращения энергии элек­ трического поля конденсатора в энергию магнитного поля катушки и наоборот называется электромагнитны­ ми колебаниями в контуре. График изменения напря­ жения и тока в контуре приведен на рис. 1.5, з. Из гра­ фика видно, что напряжение и ток в контуре сдвинуты по фазе на 90°. Колебания, которые возникают в кон­ туре без непрерывного воздействия источника перемен­ ной ЭДС, называются свободными, или собственными, колебаниями.

Время, в течение которого происходит один цикл из­ менения величины тока в контуре и напряжения на кон­ денсаторе, называется периодом колебания Т, а число периодов колебаний в секунду — собственной частотой

При свободных электромагнитных колебаниях в иде­ альном контуре напряжения на индуктивности и на ем­ кости по абсолютной величине равны друг другу. По­ этому должны быть равны между собой индуктивное и емкостное сопротивления:

0-7)

где «о — угловая частота, связанная с частотой /0 соот­ ношением соо = 2'т:/о.

18

= 2 T ty LC .

Чем больше емкость конденсатора, тем больший электрический заряд сосредоточивается на его обклад­ ках и тем больше время разряда конденсатора. Чем большую индуктивность имеет катушка, тем большее сопротивление оказывает она изменениям тока, тем медленнее происходит процесс заряда и разряда кон­ денсатора. Поэтому с увеличением L и С возрастает период и уменьшается частота свободных колебаний.

Индуктивное сопротивление катушки (или емкостное сопротивление конденсатора) на частоте /0 называют характеристическим сопротивлением контура р. Величи­ ну его можно определить из выражения (1.5)

(1.8)

Свободные электромагнитные колебания в идеаль­ ном контуре (в контуре без потерь) будут происходить бесконечно долго. В реальном же контуре колебания будут происходить до тех пор, пока первоначально за­ пасенная энергия в конденсаторе не израсходуется на его активном сопротивлении. Следовательно, в реаль­ ном контуре электромагнитные колебания будут всегда затухающими (рис. 1.5, и). Чем больше величина актив­ ного сопротивления контура, тем скорее прекратятся колебания в нем. *

Потери электрической энергии имеют место как в проводах, так и в диэлектриках. Потери в проводах контура связаны с выделением тепла на их активном сопротивлении (главным образом в катушке). С возра­ станием частоты сопротивление проводов возрастает за счет поверхностного эффекта, поэтому потери увеличи­ ваются. Потери в диэлектриках происходят за счет сме­ щения орбит электронов в атомах диэлектрика под действием электрического поля. Это смещение орбит элек­ тронов то в одном, то в другом направлении, называе­ мое изменением поляризации диэлектрика, вызывает его нагревание.

19