Материал: Листов, Константин Михайлович. Радио и радиолокационная техника и их применение

Третье назначение приемника и заключается в выделении колебаний звуковой частоты' из модулированных колебаний высокой частоты, т. е. в детектировании принятых сигналов.

Выделенные токи звуковой частоты после дополнительного усиления поступают в телефон,- вызывая в нем колебания мембраны, которые и воспринимаются нами как звук.

ЭЛЕМЕНТЫ РАДИОСТАНЦИИ

Чтобы уяснить принцип работы радиостанции, следует оста­ новиться на назначении и работе основных ее элементов.

Колебательный контур. Как уже отмечалось, для получения радиоволн в пространстве передающую антенну необходимо питать переменным током высокой частоты. Для получения такого тока испс льзуется колебательный контур, состоящий из катушки индуктивности и конденсатора.

Непосредственно наблюдать электрические колебания нельзя. Поэтому мы рассмотрим их в сравнении с простейшим видом механических колебаний, например колебаниями маят­ ника — грузика, подвешенного на нитке.

Достаточно отвести грузик в сторону и отпустить его, как он начинает совершать ритмичное движение из стороны в сто­ рону. Такое движение называется свободным колебательным движением.

Время, в течение которого грузик совершает одно полное колебание, называется периодом свободных колебаний.

Наибольшее отклонение грузика от положения равновесия называется aiмплитyдoй колебаний.

Чтобы колебания маятника не затухали, его необходимо каждый период слегка подталкивать. Такое «подталкивание» маятника часов осуществляет либо заведенная пружина, либо гиря при своем опускании под действием силы тяжести. В этом случае колебания маятника в отличие от свободных назы­ ваются вынужденными. Маятник находится под непрерывным воздействием внешней силы.

Явление, когда под воздействием слабых внешних колеба­ ний возникают колебания большой амплитуды, называется ре­ зонансом (от латинского слова «резонаре», что означает «по­ вторять», «отзываться»), , Явление резонанса в жизни встречается довольно часто.

Проследите за движениями детей, качающихся на качелях. Дети небольшими толчками в такт со свободными колебаниями качелей добиваются большего размаха колебаний и затем бо­ лее слабыми толчками поддерживают эти колебания. Если толчки делать не в такт со свободными колебаниями качелей, то раскачать качели не удастся, потому что одни толчки будут ускорять движение качелей, а другие — тормозить его.

Другими словами, резонансом называется совпадение чд-

18

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