Раздел 1. Излучение и распространение радиоволн.

Оглавление.

 

Предисловие.                                                                                               2.

Введение.                                                                                                 3.                           

 

Раздел 1. Излучение и распространение радиоволн.                            5.

1.1. Основы приёма-передачи радиосигнала.                                        5.

1.2. Распространение радиоволн.                                                            6.

Раздел 2. Радиотехнические цепи и сигналы.                                  12.

2.1. Сигналы.                                                                                       12.

2.2. Модуляция.                                                                                         17.

2.3. Свободные колебания в контуре.                                                    20.

2.4.    Вынужденные колебания в контуре.                                              24.

2.4.1. Вынужденные колебания в последовательном контуре.              25.

2.4.2. Вынужденные колебания в параллельном контуре.                     28.

2.5. Связанные колебательные контуры.                                               31.

2.6. Фильтры.                                                                                            35.

2.6.1. Фильтр нижних частот.                                                                    37.

2.6.2. Фильтр верхних частот.                                                                    39.

2.6.3. Полосовые фильтры.                                                                         40.

2.6.4. Режекторные фильтры.                                                                     42

2.6.5. RC-фильтры.                                                                                      43.

2.6.6. Фильтры сосредоточенной селекции (избирательности).             46.

2.7. Длинные линии (цепи с распределёнными параметрами).          47.

 

Раздел 3. Радиоприёмные устройства.                                         49.      

3.1. Антенны.                                                                                            49.

3.2. Классификация радиоприёмных устройств.                                  52.

3.3. Основные качественные показатели радиоприёмников.             53.

3.4. Структура радиовещательного приёмника.                                   55.

3.5. Принцип стереофонического вещания.                                                      59.

3.6. Принцип цифровой связи.                                                               60.

 

Раздел 4. Реализация узлов радиовещательных приёмников.        63.

4.1. Входная цепь.                                                                                     63.

4.2. Усилитель радиочастоты.                                                            63.

4.3. Преобразователи частоты.                                                                64.

4.4. Усилитель промежуточной частоты.                                               66.

4.5. Детектор.                                                                                            68.

4.5.1. Амплитудный детектор.                                                                   68.

4.5.2. Частотный детектор.                                                                         69.

4.6. Автоматические регулировки.                                                         70.

 

Литература.                                                                                                 72.

Предисловие.

 

       Настоящее учебно-методическое пособие составлено в соответствии с Государственными требованиями к минимуму содержания и уровню подготовки выпускников средних специальных учебных заведений по специальности 210313.

       В пособии рассмотрены процессы, связанные с возникновением, излучением и распространением электромагнитных колебаний; распределение радиоволн по диапазонам.

       Приведена классификация сигналов и анализ свойств основных из них. Особое внимание уделено радиовещательным сигналам и видам модуляции; приведены параметры этих сигналов, а также примеры спектрального состава и полос частот, занимаемых радиопередатчиками различного типа.

       Основное внимание уделено электрическим цепям сосредоточенного типа. Изложены процессы свободных и вынужденных колебаний в идеальных и реальных колебательных контурах, принцип построения и основы расчетов электрических фильтров. Даны понятия о длинных линиях.

       Рассмотрим основы приема- передачи радиосигналов и принцип действия антенн, основные параметры радиовещательной приемной аппаратуры, структурные схемы радиовещательных приемников ЧМ и АМ колебаний.

       В качестве обобщения приведены примеры схем радиовещательных приемников супергетеродинного типа, а также рассмотрены принципы стереофонического и цифрового радиовещания.

       Весь теоретический материал разбит на темы и снабжен контрольными вопросами, приведены примеры расчетов различных колебательных контуров и фильтров..

       Выполнение лабораторных работ предполагает использование компьютерных программ схемотехнического моделирования, например, Multisim9. Это позволяет разнообразить варианты исследуемых сигналов и цепей.

       Данное учебно-методическое пособие рассчитано на 24 часа теоретических занятий и 24 часа лабораторных работ.

 

Примерный тематический план.

 

1. Введение. Понятия об электромагнитном колебании. Излучение радиоволн. Антенны.
2. Диапазоны волн и особенности их распространения.
3. Радиотехнические сигналы. Виды модуляции. Полосы частот, занимаемые радиопередачами.
4. Колебательный контур. Свободные колебания в идеальном и реальном контурах.
5. Вынужденные колебания в последовательном и параллельном контурах.
6. Связанные колебательные контуры.
7. Электрические фильтры и длинные линии.
8. Основы приема- передачи. Качественные показатели работы приемника.
9. Структурные схемы радиовещательных приемников.
10. Основные узлы радиовещательных приемников, АМ и ЧМ- сигналов.
11. Примеры принципиальных схем радиовещательных приемников.
12. Основы стереофонического и цифрового радиовещания.

 

Примерный перечень лабораторных работ.

 

1. Исследование простых электрических сигналов.
2. Исследование модулированных колебаний.
3. Исследование свободных колебаний в идеальном и реальном контурах.
4. Исследование вынужденных колебаний в последовательном контуре.
5. Исследование вынужденных колебаний в параллельном контуре.
6. Исследование свойств, связанных колебательных контуров.
7. Исследование свойств фильтров нижних и верхних частот.
8. Исследование свойств полосового фильтра.
9. Исследование свойств режекторного фильтра.
10. Исследование принципа работы диодного детектора амплитудно-модулированных колебаний.
11. Измерение режимов работы радиовещательного приемника и определение основных показателей работы его.
12. Снятие и построение характеристики направленности антенны.

 

Примечание. Темы теоретических занятий и лабораторных работ рассчитаны на два учебных часа каждая.

 

       Предусмотренное программой время на самостоятельную работу студентов целесообразно отвести на выполнение домашних заданий по расчетам контуров и фильтров, а также самостоятельное изучение строения ионосферы Земли и особенностей конструкции радиоантенн различных диапазонов.

       Задания по расчетам контуров и фильтров можно использовать на лабораторных работах, где студенту предлагается исследовать рассчитанную ранее цепь (схему).

Введение.

 

       Радиотехника рассматривает принципы передачи на расстояние различных сообщений при помощи излучаемых электромагнитных волн (радиоволн).

 

       Сообщением становится любая информация с момента ее передачи. В устройствах электрической связи, сообщения передаются при помощи электрических сигналов.

Для передачи информации, она представляется в электрической формой в виде сигналов той или иной формы. Если же используется радиосвязь, то сигналы управляют одним из параметров электромагнитной волны, т.е. модулируют ее по амплитуде, частоте или фазе.

 

       Сигнал есть, электрический процесс, отображающий собою сообщение. Способы преобразования сообщений в сигналы и характер самих сигналов определяются видом связи.

       Если линия связи представляет собой пару проводов, то сигналы могут распространяться в своем «естественном» виде, т.е. в виде постоянного или переменного тока.

       В случае радиосвязи линией или каналом связи служит поле электромагнитных волн. Электрические сигналы управляют током высокой частоты, питающим антенну. Процесс управления называется модуляцией. Различают три типа модуляции: амплитудную, частотную и фазовую.

       В приемных устройствах, наоборот, токи высокой частоты преобразуются в переменные электрические сигналы. Этот процесс называется детектированием.

 

Рис. 1. Структурная схема радиосвязи.

 

       Итак, характерным признаком радиосвязи является передача сообщений при помощи электромагнитных волн высокой частоты, излучаемых в пространство (Рис. 1).

       Совокупность переменных электрического и магнитного полей, распространяющихся в пространстве, и называется электромагнитными волнами (радиоволнами).

 

Рис. 2. Графическое представление электромагнитного колебания.

 

Радиоволна характеризуется следующими основными параметрами.

Длина волны λ – это путь, проходимый электромагнитным полем в течение одного периода тока излучателя (Рис. 2).

Радиоволны тем длиннее, чем меньше частота переменного тока в излучателе f.

Скорость распространения радиоволн в атмосфере приблизительно равно скорости их распространения в безвоздушном пространстве и составляет С = 300 000 км/с.

 ,  где  λ – м;    С – м/с;     Т – с;   f – с^-1, где Т – период переменного тока.

       Задание на дом. Определить длину волны для следующих значений частоты тока, питающего антенну: f₁=10⁶Гц; 10⁷Гц; 10⁸Гц; 10⁹Гц.

       Запишите связь между размерностью величин для кратных значений (кГц, мГц, км, см, мм) ГГц.

Контрольные вопросы.

1. Как обрабатывается информация при подготовке ее к передаче?
2. Что называется сообщением?
3. Какие вопросы рассматривает радиотехника?
4. По каким линиям связи сообщение передается с помощью электрических сигналов?
5. Что такое сигнал?
6. От чего зависит характер сигналов?
7. Что такое «естественный вид» сигнала?
8. В каких случаях используется принцип управления одним сигналом параметрами другого?
9. Как называется процесс обратный модуляции?
10. Что называется модуляцией?
11. Какие виды модуляции Вы знаете?
12. Посредством чего передается сообщение при радиосвязи?
13. Какова скорость распространения радиоволн? С чем она сравнима?
14. Что называется радиоволной?
15. Что называется длиной волны?
16. Какова связь между параметрами радиоволны?
17. Определите диапазон частот метровых волн.
18. Определите диапазон частот сантиметровых волн.
19. Определите диапазон частот дециметровых волн.
20. Определите диапазон частот миллиметровых волн.

 

 

РАЗДЕЛ 1. ИЗЛУЧЕНИЕ И РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.

 

1.1. Основы приёма-передачи радиосигнала.

Для того чтобы осуществить радиосвязь необходимо: во-первых, обеспечить излучение электромагнитного колебания (радиоволны) и, во-вторых, принять это колебание и выделить из него полезную информацию. Электромагнитные колебания, возникающие в колебательном контуре, сосредоточены в его элементах – катушке индуктивности и конденсаторе – и практически не излучаются в пространство. Эффективное излучение радиоволн можно получить в том случае, если электромагнитное поле охватывает значительное пространство.

Простейшим излучателем может быть обыкновенный прямолинейный провод, несущий переменный ток. Однако на практике излучатели
, т.е. передающая антенна сложнее. Если генератор работает на симметричную линию, то излучение электромагнитных колебаний будет весьма слабое. Отрезок линии, разомкнутой на конце, непригоден в качестве излучателя, потому, что токи в проводах направлены противоположно друг другу (Рис. 3), и поэтому поля, создаваемые ими в удалённой точке, равны и почти противоположны по фазе, т.е. взаимно уничтожаются. Взяв отрезок симметричной линии разомкнутой на конце (рис. 3), и развернув провода этого отрезка, получим систему, симметричную относительно генератора и называемую симметричным вибратором. Ту же систему часто называют диполь. У диполя токи в обеих половинах направлены одинаково, т.е. образуют общий ток, который создаёт излучение волны. Рис. 3. Такая электрическая система называется иногда открытым колебательным контуром.

Передающий диполь создаёт в пункте приёма напряжённость электрического поля , где Е – напряжённость электрического поля; I₁ – ток в передающем диполе; l – длина диполя; r – расстояние от передающего диполя до приёмного; λ – длина волны. Это поле наводит в приёмном диполе эдс  и создаёт ток I₂, которым питается входное сопротивление приёмника, подключенного к приёмному диполю. Следовательно, физическая сущность радиоприёма состоит в преобразовании движения радиоволн в движение зарядов в проводе. Энергетический смысл процесса радиоприёма заключается в извлечении энергии радиоволн из некоторого объёма окружающего антенну пространства и преобразовании её в энергию тока высокой частоты, которым питается вход приёмника.

Если расположение диполя условно назвать вертикальным, то напряжённость электрического поля создаваемого им представляет собой напряжённость электрического поля вертикально поляризованной волны. Успешный приём таких волн требует вертикального же расположения приёмной антенны. Если передающий диполь расположен горизонтально, то и волна будет поляризована горизонтально. Приём таких волн следует вести на горизонтальную антенну.

 

Рис. 3. Образование симметричного вибратора из двухпроводной разомкнутой линии и изменение электрического поля.

 

Радиоволны имеют ту же природу, что и световые волны, отличаясь лишь частотой колебаний. Значит, радиоволнам присущи и свойства световых волн. В частности, на границе двух сред, имеющих разные значения параметров (диэлектрической проницаемости, магнитной проницаемости и удельной проводимости), радиоволны отражаются и преломляются. При распространении радиоволны происходит затухание её, причём, чем больше удельная проводимость среды, тем больше затухание радиоволн.