книги из ГПНТБ / Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

стоты внешней силы с частотой свободных колебаний системы. Частоту таких колебаний называют резонансной частотой.

Колебательный контур — это своеобразный «электрический маятник». Если в простейшем маятнике происходят колебания грузика, то в контуре — колебания свободных электронов. Дви­ жение маятника совершается медленно, а движение электро­ нов — очень быстро.

Чтобы вызвать колебания маятника, его необходимо от­ вести в сторону или дать толчок. Своеобразный «толчок» тре­ буется и колебательному контуру: к нему необходимо подвести некоторую энергию, чтобы электроны начали колебательное движение.

Рис. 6. Заряд конденсатора контура от источ­ ника постоянного тока

На рис. 6 показан заряд конденсатора контура от источ­ ника постоянного тока.

Когда конденсатор зарядится, энергия будет сосредоточена в электрическом поле, образовавшемся между пластинами. Между обкладками конденсатора появится напряжение U, равное э. д. с. источника тока.

Соединим заряженный конденсатор с катушкой индуктив­ ности L. Конденсатор начнет разряжаться через катушку, но мгновенного разряда не произойдет, так как этому будет пре­ пятствовать возникающая э. д. с. самоиндукции. Разрядный ток, проходящий через катушку, будет постепенно возрастать, а напряжение на обкладках конденсатора — уменьшаться. Ток в цепи достигнет наибольшей величины в тот момент, когда напряжение на конденсаторе упадет до нуля, т. е. кон­ денсатор полностью разрядится. Энергия, которая была сосре­ доточена в электрическом поле конденсатора при его заряде от источника постоянного тока, теперь перешла в катушку и со­ средоточилась в ее магнитном поле (рис. 7, а).

Когда напряжение на конденсаторе упало до нуля, каза­ лось бы, ток в цепи должен прекратиться. Но подобно отве­ денному в сторону маятнику, который, дойдя до положения равновесия, продолжает свое движение по инерции, электроны также не могут мгновенно остановиться. Они продолжают свое движение, но скорость их уменьшается, т. е. уменьшается

величина тока, а следовательно, и магнитный поток катушки. Изменение магнитного потока приводит к возникновению в ка­ тушке э. д. с. самоиндукции, которая по правилу Ленца пре­ пятствует уменьшению тока. За счет появившейся э. д. с. са­ моиндукции катушки происходит перезаряд конденсатора: на нижней его обкладке начинают накапливаться положительные заряды. Ток в цепи уменьшается, а напряжение на обкладках

Рис. 7. Колебательный процесс в замкнутом контуре

конденсатора увеличивается. Этот процесс происходит до тех пор, пока полностью не исчезает магнитное поле катушки. При этом ток становится равным нулю, а напряжение на конденса­ торе достигает примерно прежней величины, но на нижней обкладке теперь «плюс», а на верхней —- «минус». Энергия снова сосредоточивается в электрическом поле конденсатора

(рис. 7,6).

Появившееся на обкладках конденсатора в результате пе­ резаряда напряжение снова вызывает разрядный ток, по­ скольку цепь остается замкнутой. Процесс перезаряда кон­ денсатора повторяется (рис. 7, в и г). На этом заканчивается полный цикл одного электрического колебания, т. е. полный цикл изменений напряжения и тока в контуре.

20

Далее процесс колебаний тока и напряжения будет по­ вторяться.

Переходом кинетической энергии (энергии движения) в по­ тенциальную (энергию покоя) и обратно объясняются колеба­ ния в механических системах. Переходом энергии магнитного поля, связанной с наличием тока в проводах (кинетическая энергия), в энергию электрического поля, связанную с накоп­ лением зарядов (потенциальная энергия), объясняются колеба­ ния в электрических цепях.

В контуре получается переменный ток высокой частоты. Но практически использовать этот ток нельзя, потому что из-за потерь энергии в контуре колебания быстро затухают.

Свободные электрические колебания в контуре, подобно свободным механическим колебаниям маятника, затухающие. Они существуют в контуре небольшие доли секунды. С каж­ дым периодом колебаний амплитуда тока уменьшается, и, на­ конец, ток прекращается. Это объясняется тем, что электриче­ ская энергия, сообщенная первоначально конденсатору при заряде, расходуется на нагревание соединительных проводов и самой катушки контура, т. е. на преодоление сопротивления. Кроме того, энергия расходуется на излучение электромагнит­ ных волн.

Период свободных колебаний в контуре зависит от скоро­ сти разряда и заряда конденсатора. Быстрому разряду и за­ ряду конденсатора препятствует индуктивность катушки. Чем больше индуктивность, тем больше э. д. с. самоиндукции, а значит, тем медленнее конденсатор будет разряжаться и за­ ряжаться. Таким образом, чем больше индуктивность контура, тем больше период свободных (собственных) колебаний.

Возрастание периода собственных колебаний происходит также при увеличении емкости конденсатора. С увеличением емкости возрастает количество электричества, которое может накопить конденсатор, и, следовательно, требуется больше времени для его разряда и заряда.

Зависимость периода собственных колебаний от индуктив­

Путем подбора индуктивности и емкости можно получить любой период собственных колебаний тока, т. е. любую ча­ стоту переменного тока. Частота собственных колебаний кон­ тура f определяется по формуле

7Г ~ 2 я \/Тс '

21

Для практических целей нужен переменный ток высокой частоты с постоянной амплитудой.

Чтобы получить незатухающие колебания, необходимо каж­ дый период пополнять энергию в контуре, т. е. добавлять столько энергии, сколько ее теряется в активном сопротивле­ нии проводов и катушки. Это значит, что контур в такт со свободными колебаниями нужно подключать к источнику тока. Но частота колебаний в контуре может составлять миллионы герц. Ясно, что никаким механическим переключателем выпол­ нить такие быстрые подключения не удастся. Эту задачу можно решить только при помощи электронной лампы. Даже при очень высоких частотах (десятки миллионов герц) она в состоянии поддерживать в контуре незатухающие колебания.

Выше мы рассмотрели свободные электрические колебания, т. е. колебания, происходящие самостоятельно, без воздействия посторонних э. д. с. Эти колебания затухающие, и период их зависит от индуктивности катушки и емкости конденсатора.

Посмотрим, что произойдет в контуре при включении по­ следовательно с катушкой и конденсатором источника с пере­ менной э. д. с. Оказывается, в контуре возникнет переменный

тора, т. е. в контуре возникнут вынужденные колебания тока. Если частота свободных колебаний равна частоте вынуж­ денных колебаний, т. е. частоте источника, то амплитуда ко­ лебаний в контуре резко возрастает (явление резонанса) — происходит как бы усиление тока свободных колебаний током

вынужденных колебаний.

При резонансе напряжение на катушке индуктивности и на конденсаторе во много раз превышает напряжение источника тока, т. е. контур усиливает напряжение.

Антенны. Всякий провод, по которому протекает перемен­ ный ток высокой частоты, излучает электромагнитные волны. Тем не менее не всякая электрическая цепь может создать в пространстве достаточно эффективное излучение.

Если в цепи имеются два провода, по которым ток проте­ кает в противоположных направлениях, излучаемые этими про­

Для образования радиоволн в пространстве нельзя исполь­ зовать и обычный замкнутый контур — так называемый кон­ тур с сосредоточенными параметрами LC. Магнитное поле его сосредоточено вблизи витков катушки, а электрическое поле занимает ещё меньшее пространство между обкладками кон­ денсатора. Изменения величины и направления магнитного и электрического полей создают вблизи контура очень слабую радиоволну, которая не способна распространяться на боль­ шие расстояния. Чтобы контур мог хорошо излучать, его

22

Рис. 8. Переход от контура, имеющего сосредоточенные емкость и индуктивность, к открытому контуру—антенне

Качество антенны как излучателя тем выше, чем ближе ее длина к четверти или половине длины волны контура. Антенна начинает заметно излучать, если ее длина превышает десятую часть длины волны.

Кроме свойства излучать электромагнитные волны, антенна обладает свойством улавливать (извлекать) энергию из про-

ВОЛНЬ^/£\%у/ волны

V,

Рис. 9. Образование волн на поверхности воды

странства. Приходящая из пространства электромагнитная волна индуктирует токи высокой частоты в антенне. Антенны обладают также свойством обратимости: хорошо излучающая антенна хорошо улавливает волны из пространства.

Образование и распространение радиоволн в некоторой степени аналопично образованию и распространению волн на поверхности воды (рис. 9).

Камень, брошенный в воду, вызывает образование двух видов волн — звуковой (слышен всплеск), распространения

23

которой мы не видим, и волны на поверхности воды, за рас­ пространением которой можно проследить.

Волны воды расходятся от места падения камня в виде концентрических окружностей, которые, расширяясь, охваты­ вают все большую поверхность воды.

Бросим в воду спичку. Мы заметим, что она не будет увле­ чена проходящей волной, а останется на месте, совершая ко­ лебания вверх и вниз. Отсюда ясно, что вода не передвигается вместе с волной. Камень нарушил покой одних частиц воды и заставил их совершать колебательные движения вверх и вниз. Это движение передалось соседним. частицам, которые начали совершать такие же колебания, но с некоторым опозданием. Постепенно в колебательное движение втягивалась все боль­ шая масса воды, и в результате на поверхности воды образо­ валась волна, представляющая собой распространение верти­ кальных колебаний частиц воды. Расстояние между двумя со­ седними гребнями или впадинами называется длиной волны.

Подобно волнам на поверхности воды или звуковым вол­ нам радиоволны, возникая около антенны, распространяются с определенной скоростью в пространстве.

При прохождении тока по проводу вокруг него образуется магнитное поле, а так как между отдельными участками провода существует определенная разность потенциалов, то возникает и электрическое поле.

Между электрическим и магнитным полями существует не­ разрывная связь. Электрическое поле вызывает движение элек­ тронов, т. е. электрический ток. Ток в свою очередь вызывает появление магнитного поля вокруг того или иного проводника. Следовательно, электрическое поле создает магнитное и, на­ оборот, магнитное поле (если оно переменное) создает элек­ трическое и вызывает появление электрического тока. Поэтому принято говорить об электромагнитном поле, под которым сле­ дует понимать совокупность непрерывно изменяющихся элек­ трического и магнитного полей.

Радиоволны представляют собой переменное электромаг­ нитное поле, распространяющееся в пространстве со скоростью света. Именно оно и переносит энергию сигнала от точки излу­ чения волны до точки приема сигнала.

Если волна воды представляет собой колебания частичек воды, а звуковая волна — колебания частичек воздуха, то ра­ диоволна представляет собой колебания самого электромагнит­ ного поля. Поэтому она распространяется не только в воздухе, но и в безвоздушном пространстве.

Заметим, что условия излучения радиоволн тем лучше, чем выше частота тока, создавшего эти радиоволны. Поэтому ан­ тенны передатчиков радиостанций необходимо питать токами высокой частоты.

24

Каждую секунду антенна излучает в пространство огром­ ное количество радиоволн, равное частоте тока в антенне. Рас­ стояние, на которое распространяется радиоволна за время одного колебания тока в антенне, называется длиной волны. Определяется она следующим образом. Допустим, что частота тока в антенне равна 3 Мгц, тогда за 1 сек в пространстве будет создано 3 000 000 радиоволн. «Первая» волна за 1 сек пройдет путь 300 000 км, а все остальные — меньшие расстоя­ ния. Таким образом, на расстоянии 300 000 км уложится в дан­ ном случае 3 000 000 радиоволн. Отсюда длина волны (она обозначается греческой буквой X— «лямбда»)

где X— длина волны в м;

с — скорость света, равная 300 000 000 м/сек\ Т — период колебаний в сек.

где f — частота колебаний ъ гц.

Чем больше частота тока в антенне, тем меньше длина из­ лучаемых радиоволн.

В зависимости от длины волны меняются свойства распро­ странения радиоволн. Поэтому все радиоволны условно делят на диапазоны. Внутри каждого диапазона свойства распростра­ нения радиоволн примерно одинаковы. На прилегающих уча-, стках отдельных диапазонов разницы в условиях распростра­ нения нет, поэтому, например, говоря о коротковолновой радиосвязи, часто имеют в виду и часть частот, входящих в диапазон средних волн.

25

В настоящее время принято следующее деление радиоволн на диапазоны.

Деление радиоволн на диапазоны

РАДИОПЕРЕДАЮЩИЕ УСТРОЙСТВА

Электронные лампы являются важнейшими приборами, обязательно входящими в конструкцию любой радиоаппара­ туры и, в частности, в конструкции радиопередатчиков. По­ этому, прежде чем рассматривать устройство и работу радио­

(выделение сигнала, действующего при модуляции на высоко­ частотное колебание), преобразование одних частот в другие.

Простейшая электронная лампа имеет два электрода — ка­ тод и анод, поэтому она называется двухэлектродной лампой или диодом.

Работа электронной лампы основана на том, что накален­ ная нить испускает отрицательно заряженные частицы — элек­ троны, которые притягиваются анодом, если на него подается положительное напряжение. Благодаря этому диод может пропускать электрический ток только в одном направлении, или, как говорят, имеет одностороннюю проводимость. Благо­ даря этому свойству диод широко используется для выпрям­ ления переменного тока.

В радиоприемниках диод применяется для детектирования (выпрямления переменного тока высокой частоты).

Трехэлектродная лампа, или триод, отличается от диода наличием третьего электрода в виде сетки, расположенной

26

между анодом и катодом на пути движения электронов. Эту сетку назвали управляющей, так как с ее помощью можно управлять потоком электронов в цепи анода, меняя приложен­ ное к ней напряжение. При этом сетка может управлять значительным анодным током при небольших напряжениях на ней, почти не потребляя тока. На этом и основаны усили­ тельные свойства триода. Использование триода для усиле­ ния электрических колебаний способствовало значительному расширению радиуса действия радиостанций.

Вскоре было открыто новое свойство трехэлектродной лампы. Выяснилось, что при помощи триода можно получить незатухающие электрические колебания высокой частоты. Это открытие вызвало переворот в радиотехнике. Появились лам­ повые передатчики, получившие в настоящее время исключи­ тельное распространение.

Наряду с отмеченными достоинствами триоды имеют два больших недостатка. Во-первых, сравнительно небольшое уси­ ление, так как управляющая сетка лишь незначительно экра­ нирует катод от влияния анода. Делать же триоды с очень густой сеткой нельзя, потому что она будет препятствовать движению электронов к аноду, вследствие чего анодный ток будет очень мал, а сеточный — очень велик. Во-вторых, между анодом и сеткой образуется сравнительно большая емкость, оказывающая вредное влияние на работу лампы в диапазоне высоких частот.

Оба эти недостатка триода устраняются при введении еще одной сетки — экранирующей — между анодом и управляющей

•сеткой. Лампы с четырьмя электродами называются четырех­ электродными или тетродами.

Недостатки, присущие триоду, устранены в тетроде, но в нем появляется свой недостаток: возникает сеточный (динатровный) эффект (вторичная эмиссия). Для устранения его между анодом и экранирующей сеткой была введена еще одна сетка — защитная, или противодинатронная. Получилась пяти­ электродная лампа, или пентод.

Большое распространение получили так называемые ком­ бинированные лампы. В баллоне комбинированной лампы смонтированы две или три обычные лампы, поэтому она мо­ жет выполнять несколько различных задач, что позволяет уменьшить габариты радиостанций.

Теперь рассмотрим непосредственно радиопередатчик. Радиопередатчиком называется устройство, предназначен­

ное для создания электрических колебаний высокой частоты и

управления генерируемыми колебаниями, антенное устройство и источники питания.

27

На рис. 10 приведена блок-схема двухкаскадного передат­ чика.

Первым каскадом служит генератор высокочастотных ко­

в нем вырабатываются колебания требуемой высокой частоты, которые как бы задаются последующему каскаду.

Рис. 10. Блок-схема двухкаскадного пере­ датчика

Вторым каскадом является усилитель мощности, который усиливает мощность колебаний, вырабатываемых первым ка­ скадом, и передает их в антенну.

Для управлений генерируемыми колебаниями при телефон­ ной работе применяется модулятор, в состав которого входит микрофон. Под воздействием звука микрофон управляет коле­ баниями передатчика, изменяя их амплитуду или частоту, но не прерывая колебаний. При телеграфной работе управление колебаниями осуществляется манипуляцией ключом. Пере­ менный ток высокой частоты возникает в антенне при нажа­ тии ключа и прекращается при его отпускании.

Антенное устройство служит для излучения электромагнит­ ной, энергии в пространство.

Источники питания снабжают энергией постоянного тока анодные и накальные цепи ламп радиопередатчика.

Рассмотрим процесс создания незатухающих колебаний высокой частоты "в колебательном контуре генератора передат­ чика.

В современных радиопередатчиках для получения высоко­ частотных колебании используются ламповые генераторы, пре­ образующие постоянный ток в переменный ток высокой частоты.

28