Простые приёмники АМ сигналов

Свойства и диапазоны радиоволн

Структура электромагнитной волны показана на рис. 1.1. Она содержит два переменных во времени и в пространстве (колеблющихся) поля: электрическое Е, направленное по оси у, и магнитное Н, направленное по оси z. Оба они перпендикулярны друг другу и направлению распространения, то есть электромагнитная волна поперечная. Поля не могут существовать независимо: колебания электрического поля порождают магнитное, а колебания магнитного - электрическое. Только так, поддерживая друг друга, они и распространяются в пространстве, «оторвавшись» от источника (передающей антенны).

Волна распространяется вдоль оси х, и путь, проходимый волной за один период колебаний Т, называется длиной волны λ = сТ. Период обратно пропорционален частоте колебаний f: Т - 1 / f. Отсюда выводится важная формула, связывающая частоту колебаний и длину волны: λ = с / f. Практически удобно брать частоту в мегагерцах; тогда длина волны в метрах λ, м = 300 / f, МГц.

Структура электромагнитной волны

Электромагнитные волны называются по-разному в соответствии с частотой или длиной волны (табл. 1.1):

Таблица 1.1 Длины электромагнитных волн

Радиоволны

Инфракрасные

Видимый свет

Ультрафиолетовые

Рентгеновские

Гамма

> 0,1мм

100-0,7 мкм

0,7-0,3 мкм

0,3-0,01 мкм

10-8-10-11м

< 10-11м

Как видим, радиоволны относятся к самой длинноволновой части электромагнитного спектра. В свою очередь, они делятся на километровые, гектометровые, декаметровые, метровые и так до миллиметровых и субмиллиметровых. На практике такое десятичное деление в соответствии с ГОСТ и системой единиц СИ применяется редко, в обиходе другое: длинные волны (ДВ), средние волны (СВ), короткие волны (KB) и ультракороткие волны (УКВ). Так же называются и диапазоны радиоприемников.

Для радиовещания выделены специальные участки в диапазонах ДСКВ и УКВ, в разных странах они несколько различаются, поэтому приведем частоты, рекомендованные Международным союзом электросвязи и используемые в Европе и у нас (табл. 1.2).

Таблица 1.2 Радиовещательные диапазоны

Диапазон Поддиапазон Частоты в МГц

ДВ

-

0,15-0,285

СВ

-

0,525-1,605

KB

75м

3,950-4,000

60м

4,750-5,060

49 м

5,950-6,200

41 м

7,100-7,300

31 м

9,500-9,775

25 м

11,700-11,975

19м

15,100-15,450

16 м

17,700-17,900

13м

21,450-21,750

11 м

25,600-26,100

УКВ-1 (OIRT)

Отечественный

65,8-73

УКВ-2 (CCIR)

Западный

87,5-108

Раньше часто пользовались обозначениями длин волн, и они сохранились в названиях коротковолновых радиовещательных диапазонов. Но для радиостанций теперь указывают только частоту, а не длину волны. Связано это с широким применением цифровых шкал и синтезаторов частоты в приемниках, но есть и важная общефизическая причина. Частота может быть определена точно, опираясь на государственный эталон времени и частоты (атомный стандарт), в то время как длина волны зависит еще и от скорости распространения волн, которая в вакууме лишь приближенно равна 3 х 108 м/с и уменьшается при распространении волны в более плотных средах (в атмосфере у поверхности Земли коэффициент укорочения равный показателю преломления, составляет 1,0003).

Кроме частоты колебаний радиоволна характеризуется поляризацией - направлением вектора электрического поля Е в пространстве. Радиоволны в однородной среде распространяются прямолинейно. Нарисуем несколько лучей (рис. 1.2а), распространяющихся параллельно друг другу. Если во всех лучах соединить точки, колеблющиеся в одинаковой фазе, получится поверхность, называемая волновым фронтом. Для плоской волны это плоскость, перпендикулярная оси х. Когда же волны расходятся из одной точки во все стороны, как показано на рис. 1.2б, волновой фронт имеет форму сферы, и тогда говорят о сферической волне. Поскольку на больших расстояниях от источника радиус кривизны поверхности велик, сферическую волну можно приближенно считать плоской.

Фронт электромагнитной волны

Амплитуды колебаний характеризует напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля Н. Напряженности полей могут быть любыми - они зависят от мощности источника. Куда же девается эта мощность? Она уносится электромагнитной волной! Поток мощности, переносимый волной через единичную площадку, перпендикулярную направлению распространения, называется вектором Пойнтинга: П = Е х Н. Обратите внимание на размерность: если Е измеряется в вольтах на метр, а Н - в амперах на метр, то для П получаем ватты на квадратный метр. Например, плотность потока мощности электромагнитного излучения Солнца у поверхности земли в наших широтах составляет в среднем 600 Вт/м2, правда, большая его часть приходится не на радиодиапазон, а на оптический и инфракрасный. Такого же порядка может быть плотность потока мощности в радиодиапазоне, создаваемая антеннами мощных радиовещательных станций.

Поскольку электрическое поле порождает магнитное и наоборот, между амплитудами полей должна быть прямо пропорциональная зависимость. Так оно и есть - уравнения Максвелла дают простую связь: Е = W х Н, где W - волновое сопротивление пространства. Это соотношение полностью эквивалентно закону Ома в электротехнике. Размерность волнового сопротивления - омы, и для вакуума оно составляет 120π, или 377 Ом. Примерно таково его значение и в атмосфере Земли. С учетом последней формулы плотность потока мощности можно связать с напряженностью электрического поля: П = Е2/120π. Напряженностью магнитного поля пользуются редко.

Обратимся снова к рис. 1.2б. Пусть в точке S передатчик излучает мощность Р равномерно по всем направлениям. Тогда на расстоянии D эта мощность распределится по площади сферы, равной 4πD2, и плотность потока мощности будет равна П = Р / 4πD2. Легко найти и напряженность поля: Е = (30Р)1/2/ D. Мы получили простую формулу для расчета напряженности поля передатчика с всенаправленной антенной. Здесь использованы единицы СИ - ватт, метр, вольт/метр. Удобнее мощность взять в киловаттах, расстояние - в километрах, а напряженность поля - в милливольтах на метр. Тогда формула будет выглядеть так: Е, мВ/м = 173 (Р, кВт)1/2/ D, км.

Читать дальше - Передающие радиоцентры