Получение электромагнитных колебании в колебательном контуре. Резонанс напряжений и резонанс токов

3. Получение электромагнитных колебании в колебательном контуре. Резонанс напряжений и резонанс токов

Колебательный контур - один из важнейших элементов большинства радиотехнических устройств. Он представляет собой электрическую цепь, состоящую из катушки индуктивности (L), конденсатора (С) и соединительных проводов. Основное назначение колебательного контура - получение электромагнитных колебаний высокой частоты.

Если конденсатор колебательного контура зарядить от какого-либо источника тока, а затем подключить к нему катушку индуктивности, конденсатор станет разряжаться через эту катушку и в цепи колебательного контура потечет ток. Катушка индуктивности обладает индуктивным сопротивлением, и ток нарастает в цепи постепенно, достигая наибольшей величины в тот момент, когда конденсатор полностью разрядится. За счет энергии, накопленной в магнитном поле катушки, ток продолжает течь в том же направлении, постепенно убывая. Разряженный конденсатор будет теперь заряжаться противоположно. Энергия будет накапливаться в электрическом поле конденсатора, и, когда она достигнет максимума, ток в контуре прекратится. Но в тот же момент конденсатор снова начнет разряжаться. В контуре потечет ток, но уже в обратном направлении. Он постепенно возрастет до максимальной величины, а затем снова постепенно упадет до нуля. Этот цикл составляет одно полное колебание. Затем колебательный процесс повторяется.

Проходя по соединительным проводам и виткам катушки, ток совершает работу по преодолению активного сопротивления. Часть энергии электрических колебаний превращается при этом в тепло, которое рассеивается (нагреваются током провода катушки и диэлектрик конденсатора). Вследствие этих неизбежных потерь колебания в контуре в течение малых долей секунды затухают (амплитуда их быстро уменьшается, и колебания прекращаются).

Для поддержания незатухающих колебаний в колебательном контуре воздействие внешней периодической э.д.с. должно быть тем сильнее, чем больше разница между этой внешней э.д.с. и собственной частотой контура. Если частота внешней э.д.с. равна собственной частоте контура, амплитуда колебаний в контуре становится максимальной и для поддержания этих колебаний достаточно незначительной энергии. Это явление называется резонансом.

Практически резонанс может быть получен двумя способами: изменением частоты э.д.с. внешнего источника при неизменной частоте собственных колебаний контура и изменением частоты колебаний контура (изменением емкости, индуктивности или того и другого) при неизменной частоте э.д.с. внешнего источника.

Для резонанса характерно получение мощных колебаний при небольшой затрате энергии внешнего источника, необходимой только для компенсации потерь энергии при колебаниях в контуре.

Имеются два случая резонанса в колебательных контурах: резонанс напряжений и резонанс токов.

Резонанс напряжений получается тогда, когда источник внешней э.д.с. включен внутрь контура, т.е. соединен последовательно с катушкой индуктивности и конденсатором контура. В этом случае общее реактивное сопротивление контура равно разности индуктивного и емкостного сопротивлений

Х = XL - ХC,

так как индуктивное и емкостное сопротивления оказывают противоположные влияния на ток (напряжения на катушке и на конденсаторе всегда действуют навстречу друг другу).

При равенстве частот источника внешней э.д.с. f и контура fo или индуктивного и емкостного сопротивлений общее реактивное сопротивление контура оказывается равным нулю, а общее сопротивление контура - активному сопротивлению. Благодаря этому ток в контуре становится максимальным, превышая ток источника внешней э.д.c; в Q раз (Q - добротность контура). Добротность контура тем выше, чем меньше активное сопротивление контура.

Если частота внешнего источника э.д.с. больше собственной частоты контура, индуктивное сопротивление преобладает над емкостным. Если частота внешнего источника э.д.с. меньше частоты контура, то емкостное сопротивление больше индуктивного. В любом из этих случаев при отклонении от резонанса полное сопротивление контура возрастает по сравнению с его величиной при резонансе и ток в контуре будет меньше, чем при резонансе.

Резонанс напряжений широко используется в радиотехнике для получения максимального тока и напряжения на контуре при помощи настройки контура на нужную частоту.

Резонанс токов наблюдается при параллельном включении внешнего источника э.д.с. по отношению к индуктивности и емкости контура (источник находится вне контура). Условия получения резонанса токов те же, что и для резонанса напряжений: f = fо и XL = ХC.

Но так как в данном случае весь контур является нагрузкой для внешнего источника э.д.с., внешний источник э.д.с. и контур соединены последовательно. В данном случае при резонансе сопротивление контура максимально, а ток внешнего источника э.д.с. минимален. В самом контуре при резонансе токов происходят сильные колебания, амплитуда которых во много раз (в Q раз) больше, чем амплитуда тока внешнего источника э.д.с.

Резонанс токов используется в радиотехнике в ламповых генераторах и усилителях высокой частоты для создания большого сопротивления для токов определенной частоты.

В колебательном контуре емкость и индуктивность сосредоточены соответственно в конденсаторе и катушке, вследствие чего электрическое и магнитное поля ограничены небольшим объемом. Такой колебательный контур называется замкнутым колебательным контуром. Способность замкнутого колебательного контура излучать электромагнитные волны практически ничтожна. Если раздвигать пластины конденсатора и одновременно увеличивать их размеры (так как при увеличении расстояния между пластинами конденсатора емкость его уменьшается и частота колебаний изменяется), то интенсивность излучения электромагнитных волн в пространство возрастает.

Замкнутый колебательный контур превращается в открытый колебательный контур - антенну следующим образом. Емкость у открытого колебательного контура образована двумя длинными проволоками. Одну из проволок можно зарыть в землю, так как земля является хорошим проводником и может заменить одну из пластин конденсатора, а вторую проволоку следует поднять как можно выше над землей.

Если в антенне происходят колебания электрического тока, то вокруг нее существуют переменные магнитное и электрическое поля. Их совокупность называется электромагнитным полем. Это электромагнитное поле распространяется в пространстве в виде электромагнитных волн. Частота колебаний электромагнитного поля соответствует частоте колебаний тока в антенне, а интенсивность электромагнитного поля - амплитуде тока в антенне. Чем больше интенсивность электромагнитного поля, тем на более далеком расстоянии оно может быть принято радиоприемником.

В практике интенсивность электромагнитного поля часто характеризуют напряженностью Е его электрического поля - величиной э.д.с., которую наводит поле в проводнике длиной 1 м. Если, например, э.д.с., равная 150 мкВ, наводится в проводнике, длина которого 2 м, то напряженность электрического поля в месте приема будет равна 75 мкВ/м.

Радиоприемные устройства

Радиоприемные устройства входят в состав радиотехнических систем связи, т.е. систем передачи информации с помощью электромагнитных волн

Радиоприемное устройство состоит из приемной антенны, радиоприемника и оконечного устройства предназначенного для воспроизведения сигналов. Радиоприемники можно классифицировать по ряду признаков, из которых основными являются: тип схемы, вид принимаемых сигналов, назначение приемника, диапазон частот, вид активных элементов, используемых в приемнике, тип конструкции приемника.

По типу схем различают приемники детекторные, прямого усиления (без регенерации и с регенерацией), сверхрегенеративные и супергетеродинные приемники, обладающие существенными преимуществами перед приемниками других типов и широко применяемые на всех диапазонах приемников.

Принимаемые сигналы служат для передачи сообщений или измерения положения и параметров относительного движения объектов. Сигналы могут передавать сообщения от одного источника или нескольких. Для передачи информации используется изменение одного из параметров сигнала по закону изменения информационного сигнала. Используются: непрерывные колебания с изменяемой (модулированной) амплитудой, частотой или фазой; колебания, скачкообразно изменяемые (манипулированные) по амплитуде, частоте, или разности фаз; колебания с изменяемой амплитудой, частотой или фазой, которые обусловлены видеоимпульсами с амплитудной, широтной, временной, или дельта-модуляцией, а также кодовыми группами видеоимпульсов.

По назначению различают приемники связные, радиовещательные, телевизионные, радиорелейных и телеметрических линий, радиолокационные, радионавигационные и другие. Связные радиоприемники чаще всего служат для приема одноканальных непрерывных сигналов с АМ (с несущей и боковыми полосами), ОБП (однополосной) и ЧМ или дискретных сигналов с амплитудной манипуляцией, частотной или фазовой. Радиовещательные приемники (монофонические) принимают одноканальные непрерывные сигналы с АМ на длинных, средних и коротких волнах и с ЧМ на ультракоротких волнах. Приемники черно-белых телевизионных программ принимают непрерывные сигналы с АМ и частичным подавлением одной боковой полосы частот и звуковые сигналы с ЧМ. Приемники цветных телевизионных программ принимают также сигналы, создающие цветное изображение. Приемники оконечных станций радиорелейных и телеметрических линий обычно предназначены для приема и разделения каналов многоканальных сигналов с частотным и временным уплотнением.

Приемники промежуточных станций радиорелейных линий (наземных и спутниковых) отличаются от приемников оконечных станций тем, что в них не происходит разделения многоканальных сигналов.

Импульсные радиолокационные приемо-передающие станции обычно излучают зондирующие радиоимпульсы с фиксированными периодами следования, длительностью импульсов, амплитудой и несущей частотой. Приемники таких станций служат для приема части энергии зондирующих сигналов, отраженной от целей. Отраженные сигналы могут быть импульсными или непрерывными, причем информация о целях может содержаться в изменении во времени амплитуды (или отношения амплитуд) и частоты (или спектре) сигналов.

Согласно рекомендации МККР (Международного консультативного комитета по радио) спектр радиосвязи делится на диапазоны. Наиболее широко распространенные приемники работают в диапазоне 30 кГц - 300 ГГц (на волнах 10 км - 1мм).

В качестве активных элементов каскадов приемников, работающих на частотах 30 кГц - 300 МГц, используются полупроводниковые приборы и электронные лампы. Предпочтение отдается полупроводниковым приборам благодаря их преимуществам (малые габаритные размеры и масса; низкие напряжения и токи питания; большой срок службы и механическая прочность).

Приемники конструктивно выполняются из отдельных (навесных) активных и пассивных элементов с печатным или объемным монтажом или из готовых интегральных микросхем, представляющих собой каскады, узлы приемников и даже целые приемники.

Разработка структурной схемы

Структурные схемы приемников различаются построением тракта радиочастоты, в котором может осуществляться прямое усиление входных сигналов и усиление их с преобразованием частоты.

В приемниках прямого усиления тракт радиочастоты содержит входную цепь (ВЦ) и усилитель поступающего с антенны радиосигнала – так называемый усилитель радиосигнала (УРС). В этом случае все избирательные цепи настроены на частоту принимаемого радиосигнала, на которой осуществляется усиление. Входная цепь обеспечивает предварительную частотную селекцию до первого каскада УРС, а сам УРС – основную частотную селекцию и детекторное усиление сигналов. Так как обычно необходимы высокая избирательность и усиление, то может потребоваться несколько усилительных каскадов и резонансных контуров. Из-за конструктивной сложности реализации перестройки число контуров редко превышает 3...4. При этом усиление на радиочастоте может оказаться неустойчивым, а селективность недостаточной.

Наибольшее распространение для подавляющего большинства радиосистем различного назначения получила супергетеродинная структура приемника с одно- или многократным преобразованием частоты (Рисунок 1). Часть приемника – преселектор, включающий ВЦ и УРС, подобен структуре приемника прямого усиления и обеспечивает чувствительность и предварительную селекцию по частоте. С выхода преселектора напряжение сигналов и помех поступает на преобразователь частоты (ПЧ), где происходит изменение несущей частоты сигнала

Рисунок 1. Структурная схема приемника супергетеродинного типа

Для этого сигнал и колебания местного генератора - гетеродина (Г) одновременно воздействуют на смеситель (См), представляющий собой нелинейный или параметрический элемент.

В результате на выходе смесителя возникает колебание, содержащие составляющие с частотой сигнала  и его гармоник, гетеродина  и его гармоник и большое число комбинационных составляющих с частотами  (n,m=0,1,2...- целые числа). Одна из этих комбинационных частот используется в качестве новой несущей частоты выходного сигнала и называется промежуточной частотой:

Поскольку сигнал несет в себе полезную информацию, в процессе преобразования частоты эта информация должна сохраняться, то есть ПЧ должен быть линейным. Таким образом, в процессе преобразования частоты происходит перенос спектра сигнала в область промежуточной частоты без нарушения амплитудных и фазовых соотношений его составляющих. Частотно-избирательные блоки, расположенные за смесителем, настроены на частоту  и называются усилителями сигналов промежуточной частоты (УПЧ). Промежуточная частота  всегда фиксирована, не зависит от частоты принимаемого сигнала  и выбирается намного ниже частоты сигнала. Поэтому на частоте  легко обеспечить требуемое устойчивое усиление. Так как УПЧ не перестраивается по частоте, то это позволяет получить в супергетеродинном приемнике высокую частотную избирательность при неизменной полосе пропускания, а также реализовать оптимальную фильтрацию сигнала от помех, применяя согласованные фильтры на промежуточной частоте.

Приемник многоканальных сигналов с временным уплотнением должен преобразовывать радиоимпульсы в видеоимпульсы; разделить видеоимпульсы, служащие для передачи сообщений по различным каналам, и преобразовать видеоимпульсы, следующие с тактовой частотой, в модулирующее напряжение. После линейного тракта радиоимпульсы промежуточной частоты поступают на входе демодулятора (ДРИ), который в свою очередь преобразует их в видеоимпульсы. Т.е. Uпор ≥Uп При приеме сигналов с ШИМ в качестве ДРИ может выступать амплитудный детектор. Радиоимпульсы синхронизации также преобразуются ДРИ в видеоимпульсы. Они, как правило, отличаются большой длительностью, что позволяет с помощью интегратора (И) и пороговой схемы (ПС) выделить их. Они поступают на ждущий мультивибратор (МВ), который при этом запускается и открывает каскад совпадения (КС), который пропускает соответствующий канал на время приема импульса. Срез импульса МВ1 запускает МВ2, который открывает следующий канал и т.д. Затем приходит следующий синхроимпульс и все повторяется. Для демодуляции сигналов с широтно-импульсной модуляцией (ШИМ) необходимо пропустить видеоимпульсы через ФНЧ с граничной частотой Fв, где 0.5Fи>Fв>Fmax. Для ослабления помех нужно использовать двухсторонний ограничитель (ДО) или электронное реле, которое будет перебрасываться во время прохождения напряжения через некоторое пороговое напряжение. Уровень ограничения следует выбрать из условия Uпор ≈ 0.5Uи, где Uи – амплитуда видеоимпульсов. В этом случаи уровень ограничения попадает на участок наибольшей крутизны фронта импульсов, и действие помех станет минимальным. ДО необходимо включить между КС и ДРИ, тем самым уменьшая необходимое число активных элементов. В итоге структурная схема приемника будет выглядеть как показано на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема многоканального приемника с ШИМ и временным уплотнением.

При расчёте структурной схемы необходимо определить число преобразователей частоты, определить промежуточные частоты и частоты гетеродинов, к-ты передачи блоков УРС, ПЧ и УПЧ, чтобы обеспечить на выходе тюнера достаточный уровень сигнала для работы усилителя.

История радиовещания

В 10 часов утра 7 ноября 1917 года радиостанция на борту крейсера «Аврора» передала радиограмму о крушении буржуазного строя и об установлении в России Советской власти

Ночью 12 ноября мощная радиостанция Петроградского военного порта передала обращение Ленина по радио: «Всем. Всем». С первых дней Октябрьской революции радио было использовано правительством как средство политической информации.

2 декабря 1918 года Ленин утвердил декрет, касающийся радиолабораторин в Нижнем Новгороде. Основные установки декрета сводились к следующему: «Радиолаборатория с мастерскими рассматривалась как первый этап к организации в России государственного радиотехнического института, целью которого является объединить в себе и вокруг себя все научно-технические силы России, работающие в области радио, радиотехнические учебные заведения и радиопромышленность».

По всей стране началось строительство радиосети. Радиостанции возникали там, где этого требовали условия новой экономики — в Поволжье, Сибири, на Кавказе. Телеграфное радиовещание, которое вел московский мощный искровой передатчик на Ходынке, передавало ежедневно по 2—3 тыс. слов радиограмм. Эти передачи организовывали жизнь государства в то время, когда была нарушена нормальная работа транспорта и проводной связи.

В Нижнем Новгороде небольшой коллектив (17 человек), переехавший сюда из Тверской радиоприемной станции, организовал первоклассный научно-исследовательский радиоинститут, объединивший крупнейших радиоспециалистов того времени во главе с М. А. Бонч-Бруевичем, А. Ф. Шориным, В. П. Вологдиным, В. В. Татариновым, Д. А. Рожанским, П. А. Остряковым и другими.

В радиолаборатории Нижнего Новгорода уже в 1918 году были разработаны генераторные лампы, а к декабрю 1919 года построена радиотелефонная передающая станция мощностью в 5 кет. Опытные передачи этой станции имели историческое значение для развития радиовещания. М. А. Бонч-Бруевич писал в декабре 1919 года: «В последнее время я перешел к испытаниям металлических реле, делая анод в виде металлической закрытой трубы, которая вместе с тем служит и баллоном реле... Предварительные опыты показали, что принципиально такая конструкция вполне возможна...».

Такие лампы с медными анодами и водяным охлаждением впервые в мире были изготовлены М. А. Бонч-Бруевичем в Нижегородской радиолаборатории весной 1920 года. Нигде в мире не было в то время ламп такой мощности; их конструкция явилась классическим прототипом для всего последующего развития техники генераторных ламп и до настоящего времени составляет основу этой техники. К 1923 году Бонч-Бруевич довел мощность генераторных ламп с водяным охлаждением до 80 кВт.

Для обеспечения радиосвязей с другими государствами профессор В. П. Вологдин в той же Нижегородской радиолаборатории построил машину высокой частоты мощностью 50 кВт, которая была установлена на Октябрьской радиостанции (б. Ходынской) в 1924 году и заменила искровой передатчик. В 1929 году на этой же станции начала работать машина высокой частоты В. П. Вологдина мощностью 150 кет.

Ведя огромную работу, направленную на выполнение правительственных заданий, советские радиотехники сумели осуществить оригинальные теоретические исследования. Примером могут служить работы профессора В. М. Шулейкина по расчету емкости антенн, расчету излучения антенн и рамок и распространению радиоволн, работы Н. Н. Луценко о емкости изоляторов, И. Г. Кляцкина о методах повышения полезного действия антенн, экспериментальные работы Б. А. Введенского с очень короткими волнами.

Значительные успехи были достигнуты в СССР в области радиовещания. В 1933 году начала работу радиостанция имени Коминтерна мощностью 500 кВт, опередившая по мощности на 1—2 года американское и европейское радиостроительство. Это замечательное сооружение было выполнено по системе высокочастотных блоков, предложенной профессором А. Л. Минцем и осуществленной под его руководством. На очереди стояла задача создания прямой радиосвязи с Сибирью, Дальним Востоком и Западом.