Ваш радиоприемник

Сворень Рудольф Анатольевич

Но как бы там ни было, электромагнитные волны связывают передающую антенну с приемной, образуют беспроволочную линию электрической связи. Кстати говоря, подобные линии существуют уже миллиарды лет. В природе на каждом шагу встречается передача энергии или информации с помощью электромагнитных волн. Возьмите, к примеру, глаз человека или животного. Он представляет собой своеобразный приемник электромагнитных волн, излучаемых всяким освещенным предметом. Вы, конечно, знаете, что свет — это самые обычные электромагнитные волны (с очень малой длиной волны. Излучение их также происходит за счет движения электрических зарядов). Так волны, соответствующие красному или зеленому свету, могут появиться, если в атоме водорода электрон перейдет с одной орбиты на другую. Прием световых волн также сопровождается движением зарядов в масштабах атомов или молекул. Подобные молекулярные приемники света работают и в нашем глазу. Так что напрасно мы дали электромагнитным волнам

прозвище «невидимые». Как раз эти волны мы и видим. Правда, не все, а лишь те, которые имеют длину волны примерно от 400 до 800 тысячных долей микрона. Более длинные и более короткие электромагнитные волны наши органы чувств действительно не воспринимают.

Однако мы с вами слитком отвлеклись. Уже давно пора сделать шаг на пути к главной цели — выяснить, как осуществляется радиопередача речи и музыки.

Это делается так

На первый взгляд кажется, что построить беспроволочную линию телефонной связи довольно просто. Нужно включить микрофон в цепь передающей, а телефон (наушник) — в цепь приемной антенны. Во время разговора будет меняться ток в передающей антенне, и она будет излучать радиоволны. Эти волны в свою очередь дойдут до приемной антенны и наведут в ней соответствующий ток, который заставит мембрану колебаться и создавать звук. Как видите, все получится отлично — линия работает. Но это только на первый взгляд. В действительности подобные системы связи практически неосуществимы [1] , и по многим причинам.

1

Исключение составляют низкочастотные системы беспроволочной связи с небольшим — несколько сот метров — радиусом действия. Однако в этих системах не происходит «настоящего» излучения электромагнитных волн, и энергия передается от передатчика к приемнику иначе, в основном за счет емкостной связи между антеннами.

Вот две из них, пожалуй, самые главные.

Мы уже говорили, что излучение электромагнитных волн происходит потому, что ток в передающей антенне довольно быстро меняется. Поле не успевает за время одного цикла колебаний тока пройти весь путь вдоль проводника и вернуться обратно к генератору. Именно поэтому эффективность излучения зависит от соотношения между частотой тока и длиной антенны. Если частота мала, то есть если ток меняется не очень быстро, то для того, чтобы получить необходимое запаздывание поля, приходится брать очень длинный проводник Слышимый звук имеет сравнительно небольшую частоту — до 20 кгц. Совершенно ясно, что такую же частоту будет иметь и ток в передающей антенне, куда включен микрофон. Для эффективного излучения электромагнитных волн с помощью этого низкочастотного тока нужно строить антенны высотой в несколько километров и даже несколько десятков километров. Стоит ли пояснять, что практически это неприемлемо?

* * *

КИЛОГЕРЦЫ И МЕТРЫ

Представьте себе такую картину. По шоссе быстро едет автоцистерна, и из плохо закрытого крана на землю то и дело падают белые капельки молока. Совершенно ясно, что при равномерном движении автомобиля расстояние между двумя соседними каплями будет зависеть только от того, с какой частотой они падают: чем больше эта частота, тем ближе друг к другу будут «молочные точки» на асфальте.

Эта картинка хорошо иллюстрирует зависимость длины радиоволн от рабочей частоты передатчика. Длина волны — это расстояние между соседними «гребнями», или, что то же самое, расстояние. которое успеет пройти радиоволна за время одного периода высокочастотных колебаний.

Скорость распространения радиоволн всегда одинакова и поэтому  зависит только от частоты. Чем выше частота, тем меньшее расстояние успеет пройти радиоволна за время одного периода, тем, следовательно, короче длина волны.

Длина волны и частота связаны очень простой зависимостью, и любую из этих величин можно легко вычислить, если известна другая:

В этих формулах постоянное число получено из скорости света и учитывает единицы, в которых выражена частота f и длина волны .

* * *

А вот вторая причина. В радиусе действия нашей низкочастотной системы беспроволочной связи другие подобные системы уже работать не смогут. Почему? Да потому, что при одновременной работе нескольких передающих станций каждая из них наведет свой ток в приемной антенне, и телефон будет воспроизводить сразу все программы. Сами понимаете, не позавидуешь человеку, которому придется слушать одновременно десяток разных разговоров или музыкальных передач. Даже сейчас, при очень высоком уровне развития радиотехники трудно предложить реальный способ разделения программ в подобной системе.

И все-таки, об этом знает любой ребенок, передача речи и музыки без проводов с помощью электромагнитных волн — задача решенная. Решение ее основано на использовании токов высокой частоты. Высокая частота — понятие условное. Тут официальных границ никто не устанавливал, хотя обычно к высоким относят все частоты выше 20–25 кгц. Практически для передачи сообщений без проводов используются частоты от нескольких сот килогерц до многих тысяч мегагерц, которые создают электромагнитные волны длиной от нескольких тысяч метров до малых долей сантиметра. Весь этот диапазон электромагнитных колебаний называют радиоволнами и радиочастотами. Совершенно ясно, что более высоким частотам соответствуют более короткие волны.

Применение токов высокой частоты позволяет эффективно излучать радиоволны при сравнительно небольших антеннах. Кроме того, появляется возможность частотного разделения каналов — каждой станции присваивается определенная, отличная от других частота, а в месте приема удается по известной частоте найти нужную станцию и выделить ее среди всех остальных. Правда, с применением высокочастотного тока возникает дополнительная трудность — ведь нам нужно переслать с передающей станции на приемную не высокочастотный, а низкочастотный сигнал — электрическую копию звуковых колебаний. Это значит, что нужно каким-то образом заставить электромагнитные волны, созданные высокочастотным током, переносить на себе «подробное описание» низкочастотного тока. Во многих случаях, пытаясь как можно проще объяснить сущность этого процесса, так и говорят, что низкая частота оседлала высокую частоту и на ней пролетела путь от передатчика к приемнику. Это, конечно, не очень понятный образ. Как это так: одна частота оседлала другую? И как вообще частота может что-либо делать — ведь не говорим же мы, что один вес уместился в другом или одна толщина вытеснила другую. Но если даже применить более точные выражения и говорить о электромагнитных полях, то все равно остается неясным, как одно поле — низкочастотное — может ездить на другом — высокочастотном. В действительности дело обстоит совсем иначе и, кстати говоря, настолько просто, что для объяснения совсем не нужно привлекать на помощь коней и всадников.

Прежде всего давайте представим себе линию радиосвязи. На передающей стороне имеется генератор тока высокой частоты, к которому подключена передающая антенна. На приемной стороне также имеется антенна, в цепь которой включен индикатор высокочастотного тока, ну, скажем, какая-нибудь сверхчувствительная электрическая лампочка. Когда работает передатчик, от его антенны во все стороны расходятся радиоволны и часть из них приходит к приемной антенне. В антенне при этом появляется ток и лампочка загорается.

Совершенно ясно, что такую линию можно легко использовать для передачи телеграмм (теперь они уже называются радиограммами) с помощью азбуки Морзе. Для этого достаточно в цепь передающей антенны включить телеграфный ключ и с его помощью соединять или разъединять антенну и генератор. Это позволит излучать радиоволны длинными и короткими импульсами, то есть в виде точек и тире, а лампочка в месте приема будет давать такие же длинные и короткие вспышки. Произойдет примерно то же самое, что и в линии уже знакомого нам простейшего телеграфа (стр. 33). Только вместо постоянного тока лампочку будут зажигать импульсы высокочастотного тока, а вместо проводной линии передатчик с приемником свяжут электромагнитные волны.

Теперь попробуем по аналогии сделать следующий шаг — передать по линии радиосвязи речь или музыку. С передающей стороной все обстоит сравнительно просто. Давайте в цепь передающей антенны, то есть в ту цепь, где циркулирует высокочастотный ток, включим угольный микрофон (рис. 17).

Рис. 17

Не какой-нибудь другой, а именно угольный, тот, который под действием звуковых волн меняет свое сопротивление.

Переменный ток так же подчиняется закону Ома, как и постоянный. Во всяком случае, с увеличением сопротивления цепи ток уменьшается. Это значит, что ток в передающей антенне помимо очень быстрых изменений (вы, конечно, помните, что этот ток создается с помощью специального высокочастотного генератора) будет сравнительно медленно изменяться из-за меняющегося сопротивления микрофона. Практически окажется, что в такт со звуковыми колебаниями, в точности следуя за всяким изменением звукового давления, будет меняться амплитуда высокочастотного тока, а следовательно, и интенсивность излучения радиоволн.