Физические основы радиосвязи

После того как Г. Герц экспериментально подтвердил справедливость теории Максвелла, были получены электромагнитные волны, изучены их свойства и доказано, что они во многом аналогичны волновым процессам иной природы. Начали совершенствоваться излучатели и приемники электромагнитных волн.

Учащихся прежде всего следует ознакомить с работами А. С. Попова — его приемником с когерером, приемной антенной с заземлением, выполненной им первой в мире передачей и приемом радиограммы, осуществлением радиосвязи на дальние расстояния.

После ознакомления с работами Г. Герца и А. С. Попова, положившими начало развитию радиосвязи, целесообразно познакомить школьников с принципами современной радиосвязи и ее физическими основами. Они уже знакомы с распространением электромагнитных волн, их излучением и приемом на дипольную антенну. Выясняют необходимость использования достаточно мощных высокочастотных колебаний. Высокие частоты нужны по нескольким причинам: а) чем выше диапазон частот, тем больше независимых радиостанций можно в нем разместить; б) интенсивность излучения пропорциональна четвертой степени частоты, это одна из причин того, что низкие частоты для радиосвязи не используют; в) интенсивность излучения пропорциональна квадрату амплитуды. Для получения колебаний достаточно большой амплитуды антенна должна быть настроена в резонанс с генератором колебаний. Если антеннапрямолинейный провод, то для этого ее длина должна быть равна половине длины волны. Поэтому в радиовещании используют высокие частоты от 105 до 108 Гц, соответственно длины волн порядка от километров до метров. В телевидении и радиолокации используют также волны дециметрового и сантиметрового диапазонов.

Строят функциональную схему радиопередачи и радиоприема. Изучение модуляции можно провести в таком порядке:

• 1. Необходимость модулирования колебаний. Способы его осуществления.
• 2. Амплитудная модуляция. Демонстрационные опыты, позволяющие уяснить ее сущность.
• 3. Спектр амплитудно-модулированных колебаний. Получение осциллограмм несущих, управляющих и модулированных колебаний.
• 4. Условия, необходимые для амплитудной модуляции колебаний.

При разъяснении сущности амплитудной модуляции вначале формулируют задачу: имеются незатухающие гармонические электромагнитные колебания высокой частоты, необходимо с их помощью передать звуковой сигнал. Пусть этот сигнал будет максимально простым, например гармоническое колебание камертона частотой 440 Гц. Итак, несущая частота — сотни килогерц, управляющая (сигнал сообщения) — сотни герц, т. е. частота сигнала сообщения много меньше несущей.

Полезно на графике изобразить колебания несущей частоты, частоты сигнала сообщения, модулированные колебания, а также график их суммы.

Таким образом, модулированные колебания — это колебания высокой частоты, которые в своем спектре низкой, управляющей частоты не содержат.

Демонстрацию амплитудной модуляции осуществляют с помощью уже известного учащимся генератора на транзисторе. В его цепь последовательно с катушкой контура включают катушку (на 120 В) от прибора «Трансформатор на панели». Вторую катушку этого трансформатора (на 4 В) подключают к низкоомным зажимам звукового генератора. Вначале подключают осциллограф поочередно к генератору на транзисторе и звуковому генератору и наблюдают электрические колебания высокой и звуковой частоты, а затем, собрав всю схему, подключают электронный осциллограф и наблюдают модулированные по амплитуде колебания.

С изучением модулирования тесно связан процесс детектирования колебаний, изучение которого во времени не следует отодвигать от изучения модуляции. Прежде всего выясняют задачу, которую решает процесс детектирования: из высокочастотного амплитудно-модулированного сигнала необходимо получить отсутствующий в его спектре низкочастотный сигнал сообщения. Так как эта задача обратная той, которую мы ставили перед собой, рассматривая модуляцию, то детектирование называют иногда демодуляцией. В случае детектирования из высокочастотного сигнала получают те частоты, которые до преобразования в нем отсутствуют. Установка для детектирования колебаний должна состоять из:

• 1) нелинейного элемента, благодаря которому в составе спектра высокочастотного сигнала должны появиться низкие частоты;
• 2) устройства, которое позволит отделить напряжение низкой частоты от высокой несущей частоты (фильтр).

Выясняют, что устройство фильтра может быть различным, но его составляют элементы, сопротивление которых не одинаково для низких и высоких частот. К этому заключению подводят учащихся, предложив им вспомнить характер зависимости емкостного и индуктивного сопротивлений от частоты. Отмечают, что в качестве фильтров для низкой частоты часто используют параллельно соединенные конденсатор и резистор. После того как освоена сущность процессов модуляции и детектирования, нетрудно изучить устройство простейшего радиоприемника.

Каким образом осуществляется радиосвязь? Известно, что её можно осуществить через космическое пространство, через атмосферу.

Одна из основных задач техники связи — создание новых линий связи (оптических кабельных систем). В настоящее время для космических и наземных связей используют лазерное излучение.

Оптические кабельные системы на конечных пунктах обеспечивают преобразование электрических сигналов в оптические и обратно. Замена электрических кабелей оптическими будет иметь огромное научное, техническое и экономическое значение.