第四章 3 无线电波的发射和接收

问题?

在普通的 LC 振荡电路中,电场主要集中在电容器的极板之间,磁场主要集中在线圈内部。在电磁振荡的过程中,电场能和磁场能主要是在电路内互相转化,辐射出去的能量很少,怎样才能有效地发射电磁波呢?

问题插图

无线电波的发射

研究表明,要有效地发射电磁波,振荡电路必须具有如下两个特点。

第一,要有足够高的振荡频率。振荡电路向外界辐射能量的本领,与振荡频率密切相关。频率越高,发射电磁波的本领就越大。因此,要发射电磁波,就需要用振荡器产生很高频率的电磁振荡。

电磁波的频率与振荡电路中电磁振荡的频率相同。

第二,振荡电路的电场和磁场必须分散到尽可能大的空间,这样才能有效地把能量辐射出去。

图4.3-1
图 4.3-1 由闭合电路变成开放电路

因此,要改造“问题”图中的LC振荡电路,像图 4.3-1 甲、乙那样,将电容器两个极板拉开,增大电容器极板间的距离,减小极板间的正对面积,从而使电场和磁场扩展到电容器的外部。这样的振荡电路叫作开放电路。开放电路甚至可以演化成为一条导线(图 4.3-1 丙),这样就可以有效地把电磁波发射出去了。

实际应用中的开放电路,线圈的一端用导线与大地相连,这条导线叫作地线;线圈的另一端与高高地架在空中的天线相连。无线电波就能由这样的开放电路有效地发射出去。

这里描述的天线用于长波、中波、短波的无线电广播和通信。电视广播和微波通信的天线,在结构和原理上都与这种天线不同。

为了利用电磁波传递信号,例如传递声音、电视图像,就要让高频的电磁波随着被传递的信号而改变。这种用来携带信号的高频电磁波叫作载波。在电磁波发射技术中,使载波随各种信号而改变的技术叫作调制(modulation)

一种调制的方法是使高频电磁波的振幅随信号的强弱而变,这种调制叫作调幅(AM,图 4.3-2 丙);另一种调制的方法是使高频电磁波的频率随信号的强弱而变,这种调制叫作调频(FM,图 4.3-2丁)。

图4.3-2
图 4.3-2 电磁波的调制

无线电波的接收

电磁波在传播时如果遇到导体,会使导体中产生感应电流。因此,空中的导体可以用来接收电磁波,这就是接收天线。

世界上有许许多多的无线电台、电视台以及各种无线电通信设备,它们不断地向空中发射各种频率的电磁波,这些电磁波弥漫在我们周围。如果不加选择地把它们都接收下来,那必然是一片混乱的信号。所以,接收电磁波后首先要从诸多的信号中把需要的信号选择出来,这就要设法使我们所需的电磁波在接收天线中激起的感应电流最强。

在无线电技术中,利用电谐振可以达到这个目的。当接收电路的固有频率跟收到的电磁波的频率相同时,接收电路中产生的振荡电流最强,这种现象叫作电谐振,相当于机械振动中的共振。

使接收电路产生电谐振的过程叫作调谐(tuning),图 4.3-3 是收音机的一种调谐电路。

图4.3-3
图 4.3-3 调谐电路

调节可调电容器的电容改变电路的固有频率,使它跟要接收的电磁波的频率相同,这个电磁波在调谐电路中激起较强的感应电流,于是就选出了这个电台。由调谐电路接收到的感应电流,是经过调制的高频电流,还不是我们需要的声音或图像信号,因此还要把声音或图像信号从高频电流中还原出来。这个过程是调制的逆过程,所以叫作解调(demodulation)。调幅波的解调也叫检波。

解调之后我们得到原来的信号,经过放大就可以在扬声器或显示器中重现了。

电视广播的发射和接收

电视广播信号也是一种无线电信号。在现代电视发射系统中,首先通过摄像机的感光器件将景物的光信号转变为电信号。这种电信号可以通过线路直接传输,但是由于传输失真、损耗等原因,很难远距离传播。因此,需要通过载波将信号调制成高频信号再进行传播。

目前,高频电视信号的传播方式主要有三种,即地面无线电传输、有线网络传输以及卫星传输。不同的传播方式使用不同频率范围的电磁波,采取不同的调制方式。

在电视接收端,接收到高频电磁波信号以后,经过解调处理,就可以将得到的电信号通过显示设备转变为图像信息。接收天线收到的电磁波除了载有图像信号外,还有伴音信号。伴音信号经解调后送到扬声器。

练习与应用

本节共设置 4 道习题。第 1 题要求设计结构图表示无线电波的发射和接收的过程,并简单区分调幅和调频。第 2 题要求描述调幅波图像的形状。第 3 题要求计算我国第一颗人造卫星发送电磁波的波长。第 4 题以动手制作简单收音机为背景,解决简单的故障。

 

1.有 4 个容易混淆的名词:调制、调幅、调频、解调。请设计一个结构图来表明它们的关系,并说明调幅与调频的区别。

参考解答:低频信号 → 调制(调幅、调频) → 发射 → 接收 → 解调 → 低频信号

调幅与调频的区别:调幅是使高频电磁波的振幅随信号的强弱而改变。调频是使高频电磁波的频率随信号的强弱而改变。

 

2.请向你的同学描述:调幅波(经调幅后的电磁波)图像的形状是怎样的?描述时,要求用到“载波”“音频信号”这两个名词。

参考解答:调幅波是载波波形的基础上叠加了信号,调幅波的形状是上下对称的,以低频的信号作为包络线,载波的高频电磁波被包含在低频信号的包络线中。

 

3.我国第一颗人造卫星用20.009 MHz和19.995 MHz的电磁波发送信号,求这两种电磁波的波长。

参考解答:14.993 m,15.004 m

 

4.某同学自己绕制天线线圈,制作一个最简单的收音机,用来收听中波的无线电广播。他发现有一个频率最高的中波电台收不到,但可以接收其他中波电台。为了收到这个电台,他应该增加还是减少线圈的匝数?说明理由。

参考解答:减少线圈匝数。

提示:频率最高的电台接收不到,是因为收音机调谐电路的固有频率达不到接收信号的频率,不能产生电谐振,这就需要增加电路的固有频率。由 f = \(\frac{1}{{2\pi \sqrt {LC} }}\) 可知,要增加 f 应减小 L,由电感 L 的影响因素可知,应减少线圈匝数。

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发布时间:2020/11/14 22:09:36  阅读次数:2039

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