Радиобайланыс принциптері

Дәріс №15

Курс тақырыбы: №13.3 Радиобайланыс принциптері

Сабақ тақырыбы: №15. Радиобайланыс принциптері

1888 ж орыс ғалымы А.С.Попов электромагниттік толқындар арқылы алыс қашықтықтарға сигнал жеткізудің ғылыми болжамын ұсынды. Бұл проблеманың практикалық шешімін ол 1896ж тапты. Сол жылдың 24 наурызында Ресейдің физика-химия қоғамының мәжілісінде А.С.Попов әлемде бірінші рет 250м қашықтыққа сымсыз радиограмма арқылы Генрих Герц деген екі сөзді жеткізді.

Поповпен бір мезгілде радиобайланыс идеяларын дамытып, радиоаппаратура жасау мәселесімен италяндық ғалым Г.Маркони да шұғылданды. Ол 1897ж электромагниттік толқындарды пайдаланып, хабар таратуға болатыны жөнінде патентті А.С.Поповтан бұрын алды.ХІХ ғасырдың аяғы мен ХХ ғасырдың басында электромагниттік толқындар көзі ретінде электр ұшқындары қолданылды. Электр ұшқындарының табиғатта кездесетін түрі-найзағай.

Теориялық ізденістер мен практикалық зерттеулер ақпаратты алысқа жеткізуде өшпейтін синусоидалық электромагниттік тербелістердің аса маңызды екенін көрсетті. Осыған байланысты ақпарат таратуда шығатын радиотолқынның қуаты жиіліктің төртінші дәрежесіне тура пропорционал. Электромагниттік тербелістерді тербелмелі контур шығарады. Мұндай тербелмелі контурда электромагниттік тербеліс пайда болғанымен, олар кеңістікке толқын түрінде тарай алмайды. Себебі электр өрісі конденсатор астарларының арасында, ал магнит өрісі катушка ішінде жинақталады. Сондықтан оларды жабық тербелмелі контур деп атайды.

1894ж Попов генераторлар мен радиотолқындарды қабылдайтын қондырғылыарға ұзын сымдарды жалғағанда, радиобайланыстардың жақсаратынын байқады. Осылай радиотаратқыштар мен радиоқабылдағыштардың маңызды бөлігі болып табылатын антенна ойлап шығарылды. Антенна ашық тербелмелі контур болып табылады.

Тұрмыста, техникада сондай ақ ғылыми мақсаттар үшін антенналардың көптеген түрлері қолданылады.

Кез келген электромагниттік сәулелер сияқты радиотолқындар да өздері түскен беттен кері шағыла алады. Бұл құбылысты алыстағы денелерді радиотолқындар арқылы анықтайтын радиолокацияда қолданылады. Радиолокация арқылы нысананың қозғалу жылдамдығын және одан бақылаушыға дейінгі арақашықтықты табуға болады. Ол үшін кеңістіктің белгілі бір аймағына бағытталған электромагниттік сигнал тарататын арнайы радиотелескоптың антеннасы қолданылады.

3.18-сурет

Радиобайланыстың қарапайым сұлбасы 3.18-суретте көрсетілген. Осы сұлбаға сүйене отырып, радиобайланыстың негізгі физикалық принципін жүзеге асырады. Таратқыш радиостанцияда жоғары жиілікті тербелістер генераторы антеннада қоздыратын жиілігі жоғары айнымалы ток кеңістікте шапшаң өзгеретін электромагниттік өріс туғызады да, ол электромагниттік толқын түрінде тарайды (3.18, а-сурет). Қабылдағыш антеннаға жеткен электромагниттік толқын таратқыш станция қандай жиілікпен жұмыс істейтін болса, жиілігі дәл сондай айнымалы ток туғызады. Қабылдағыш антеннаға қосылған тербелмелі контур резонансқа түсу нәтижесінде жиілігі бізге қажетті таратқыш радиостанцияның жиілігіндей еріксіз тербелісті ғана күшейтіп, бөліп алады (3.18, в-сурет).

а) Радиобайланыс принциптері

Радиобайланыстың дамуындағы ең бір маңызды кезең 1913 жылы өшпейтін электромагниттік тербелістердің генераторын жасау болды.

Электромагниттік толқындардың қысқа және ұзақтау импульстеріненқұралатын телеграф сигналдарын ғана жеткізумен қатар, электромагниттік толқындардың көмегімен сөзді, музыканы жеткізу мүмкіндігі туды, яғни сенімді және жоғары сапалы радиотелефон байланысы іске асырылады.

Радиотелефон байланысы. Радиотелефон байланысында дыбыс толқынындағы ауа қысымының тербелісі микрофонның көмегімен дәл сондай электр тербелістеріне айналдырады. Бір қарағанда, егер осы тербелістерді күшейтіп, антеннаға жеткізсе, электромагниттік толқындар арқылы сөз бен музыканы алысқа жеткізуге болатын сияқты. Бірақ шынында ондай тәсілмен жеткізу іске аспайды. Мәселе былай: дыбыс жиілігіндегі тербелістер едәуір баяу тербелістер болады, ал жиілігі төмен (дыбыстікіндей) электромагниттік толқындар мүлде дерлік шығарылып таратылмайды.

2-сурет

Модуляция. Радиотелефон байланысын жүзеге асыру үшін, антенна күшті шығарып тарататын, жиілігі жоғары тербелістерді пайдалану қажет. Жиілігі жоғары өшпейтін гармоникалық тербелістерді генератор, мысалы транзисторлы генератор өндіріп береді.

3-сурет

Дыбыс жеткізу үшін осы тербелістерді өзгертеді, яғни басқаша айтқанда, модуляциялайды. Оны жиілігі төмен (дыбыстікіндей) электр тербелістерінің көмегімен жасайды. Мысалы, жиілігі жоғары тербеліс амплитудалық модуляция деп атайды. 2-суретте үш график көрсетілген: а) жиілігі жоғары тербелістердің графигі, осы әкелуші жиілігі деп атайды; ә) дыбыс жиілігіндей тербелістердің, яғни модуляциялайтын тербелістердің графигі, в) амплитудасы бойынша модуляцияланған тербелістердің графигі. Модуляциясыз ең әрі кеткенде, станция жұмыс істей ме, жоқ па соны ғана бақылай аламыз, одан басқа еш нәрсені істей алмаймыз. Модуляциясыз телеграфпен де, телефонмен де, телевизиямен де ешбір хабар беруге болмайды.

Модуляция – баяу процесс. Бұл жоғары жиілікті тербелмелі. Бұл жоғарғы жиілікті тербелмелі жүйедегі өзгерістер процесі, онда ол өздерінің амплитудасы елерліктей өзгертуден бұрын, өте көп жоғары жиілікті тербелістер жасап үлгереді.

Детектирлеу. Қабылдағыш ішінде жиілігі жоғары модуляцияланған тербелістерден жиілігі төмен тербелістерді айырып, бөліп алады. Сигналды осылай түрлендіру процесін детектирлеу деп атайды.

Детектирлеу нәтижесінде алынған сигнал, хабарлағыштың микрофонына әсер еткен дыбыс сигналына сәйкес болады. Жиілігі төмен электр тербелістерін күшейтіп алып, дыбысқа айналдырады.

б) Модуляция мен детектирлеу қалай жүзеге асырылады

Жиілігі жоғары тербелістерді амплитудалық модуляциялық өшпейтін тербелістер генераторына арнайы әсер ету арқылы жүзеге асырылады. Атап айтқанда, тербелмелі контурға көздің беретін кернеуін өзгерте отырып, модуляцияны жүзеге асыруға болады (22-парагрофты қара). Генератор контурындағы кернеу неғұрлым көп болса, контурға бір период ішінде энергия көзінен келетін энергия соғұрлым көп болады.

4-сурет

Бұл контурдағы тербелістердің амплитудасын үлкейтуге себебші болады. Кенеу кеміген кезде контурға берілетін энергия да кемиді. Сондықтан контурдағы тербелістер амплитудасы да кемиді.

Егер контурдағы кернеуді генератор өндіретін тербелістердің жиілігінен көп кіші жиілікпен өзгертетін болсақ, онда бұл тербелістердің амплитудасының өзгерістері шамамен кернеудің өзгерістеріне тура пропорционал болады. Амплитудалық модуляцияны жүзеге асыратын ең қарапайым құрылғыда тұрақты кернеу көзіне тізбектей, қосымша төменгі жиіліктегі айналмалы кернеу көзін қосады. Бұл кернеу көзі ретінде мысалы, трансформатордың екінші реттік орамасы (бірінші реттік орамасымен жиілігі дыбыс жиілігіндей ток ағатын болса) қызмет атқарады. Нәтижесінде тербелмелі амплитудасы транзистордағы кернеудің өзгерістерімен үйлесе өзгереді. Жоғары жиіліктегі сигналмен амплитудасы бойынша модуляцияланады дегеніміз осы.

5-сурет

Егер тербелмелі контурдан кернеуді оциллографқа берсе, онда модуляцияланған тербелістердің уақыттық қаймасын оциллографтың экранынан тікелей бақылауға болады.

6-сурет

Бағзы бір жағдайларда амплитудалық модуляциядан басқа жиілік модуляциясы қолданылады – мұнда тербеліс жиілігін басқарушы сигналға сәйкес өзгертеді. Мұның артықшылығы ол бөгеттерге қатысты көбірек орнықты болады.

7-сурет

Дитектірлеу. Жиілігі жоғары модуляцияға сигналды қабылдағыш тұтқанан соң, тіпті күшейтілгеннен кейін де ол сигналдың, телефон мембранасында не дыбыс зорайтқыш рупорында тікелей дыбыстікіндей киілікпе тербеліс туғызарлық қабілеті жоқ. Ол тек біздің құлағымыз сезбейтін жиіелігі жоғары тербелістерді ғана қоздыра алады. Сондықтан қабылдағышта әуелі киелігі жоғары модуляцияланған тербелістерден дыбыстікіндей жиілігі бар сигналды бөліп алу керек.

Детектирлеу бір жақта өткізгіштігі бар элементтен-детектордан тұратын құрылғы арқылы іске асырылады. Ондай элемент қызметін электрондық шам (вакумдық диод) немесе дартылай өткізгіштік диод

атқара алады.

8-сурет

Жартылай өткізгіштік детекрордың жұмысын қарастырайық. Тізбікке осы прибор модуляцияланған тербелістер көзімен және жүктемемен тізбектей жалғанған делік (5-сурет). Берілген тізбекте ток көбінесе бір бағытпен ағады (суретте бағдарсызықпен көрсетілген), өйткені тура бағыттағы диодтың кедергісі кері бағыттағыдан көп кіші. Жалпы алғанда, кері тоқты ескермей тастап, диод бір жақты өткізгіш деп есептеуімізге болады. Диодтың вольтемперлік сипаттамасын шамамен түзу сызықты екі кесіндіден тұратын сызық түрінде көрсетуге болады (4-сурет).

Тізбекте (5-сурет) графині 7-суретте көрсетілген толықсымен ток ағады. Осы толықсымен ток сүзгіні көмегімен тегістелген. Ең онай сүзгі жүктемеге жалғанған конденсатор болып табылады (8-сурет). Сүзгі былайша жұмыс істейді. Диод токты өткізген уақыт мезеттерінде, оның бір бөлігі жүктеме арқылы өтеді, ал екінші бөлігі конденсаторға тармақталып бөлініп кетеді де, оны зарядтайды (8-суреттегі тұтас бағдарсызықтар). Тоқтың тармақталуы жүктеме арқылы жартылай разрядталады.

9-сурет

Сондықтан импульстар арасындағы интервалда ток жүктеме арқылы бәрібір әлгі жаққа қарай ағады (6-суреттегі үзік бағдарсызықтар.). Әрібір жаңа импульс конденсаторы астыртын зарядтайды. Осының әрқайсысында жүктеме арқылы жиілілігі дыбыстікіндей ток ағады да, тербеліс пішіні хабарлаушы станциядағы диілігі төмен сигналдың пішінін дәлме-дәл дерліктей жыртып береді (9-сурет).

Күрделі сүзгілер кіші сызықша кішігірім жоғарғы жиілікті толықсуларды тегістеп жібереді де, жиілілігі дыбыстікіндей тербелістер 9-суретте кескінделгеннен гөрі, жатығырақ болып өтеді.

Ең қарапайым радиоқабылдағыш. Ең қарапайым радиоқабылдағыш антеннамен байланысқан тербелмелі контурдан тұрады да, ол детектордан, конденсатордан және телефоннан тұратын тізбек контурына жалғанады (10-сурет).

Тербелмелі контурда модуляцияланған тербелістерді радиотолқын тербелістерді радиотолқын қоздырады. Телефондардың катушкалары жүктеме ролін атқарады. Олар арқылы дыбыс жиілігіндей жиілігі бар ток ағады. Жоғары жиіліктің аздаған толықсулары мембрананың тербелістеріне елеулі әсер етпейді де, құлаққа сезілмейді.

Тербелістердің амплитудасы немесе жиілігін модуляциялауға болады. Амплитудалық модуляциялауды жүзеге асыру жеңілірек түседі.

Дедектірлеу кезінде айнымалы ток түзеліп, жоғары жиілікті толықсулар сүзгіде тегістеледі.

10-сурет

а) Электромагниттік толқындардың қасиеті.

Осы кездегі радиотехникалық құрылғылар электромагниттік толқындардың қасиеттерін бақылайтын өте көрнекі тәжірибелер жүргізуге мүмкіндік береді. Сонда бәрінен де сонтиметрлік диапозондағы толқындарды пайдаланған ыңғайлы. Бұл толқындар аса жоғары жиілікті (АЖЖ) арнаулы генератор арқылы таратып шығарылады. Генератордың элекртлік тербелістеріне дыбыстікіндей жиілікпен модуляция жасайды. Қабылданған сигнал дедектирленген кейін дыбысзорайтқышқа беріледі.

11-сурет

Рупор антеннасы рупор осы бағытымен электромагниттік толқындар шығады. Осы рупор түріндегі қабылдағыш антенна осі бойымен таралатын толқындарды тұтады. Қондырғының жалпы түрі 11-суретте кескінделген.

Электромагниттік толқындардың жұтылуы. Рупорларды біріне-бірін қарсы орналастырып, дыбыс зорайтқышты дыбыс жақсы естілетіндей дағдайды келтіріледі де, рупорлардың арасына әртүрлі диэлектрик денелер қойыады. Осы кезде дыбыстың бәсеңдегені байқалады.

Электромагниттік толқындардың шағылуы. Егер диэлектрикті металл пластинамен алмастырса, онда дыбыс естілмей қалады. Шағылу салдарынан толқындар қабылдағышқа жетпейді. Шағылу, механикалық толқындар жағдайындағыдай, түсу бұрышына тең бұрышпен байқалады. Осыған көз жеткізу үшін рупорларды үлкен қаңылтыр металмен бірдей бұрыштар жасайтындай етіп орналастырады (12-сурет). Егер қаңылтырды алып қойса немесе оны бұрса, дыбыс жоғалады.

12-сурет

Электромагниттік толқындардың сынуы. Электромагниттік толқындар диэлектрик шекарасында өз бағытын өзгертеді (сынады). Мұны фарафинмен жасалған үлкен үшбұрышты призманы пайдаланып көруге болады. Шағылуды тәжірибеде көрсетен сияқты руфорларды бір-бірімен бұрыш жасайтындай етіп орналастырады. Қаңылтырды призмамен байланыстырады (13-сурет). Призманы алып қойып немесе оны бұрса, дыбыстың жоғалып кеткенін байқайды.

13-сурет

Электромагнит толқындардың көлденеңдігі. Электромагниттік толқындар көлденең толқындар болып табылады. Толқындық қозғалыстың ең басты ерекшеліктерін нағыз көрнекті түрде су бетіндегі толқындардын көруге болады. Толқындар дөнгелек жалдар түрінде ілгері жөңкіп бара жатқандай. Сонда жалдардың немесе өркештердің аралары бірдей дерлік болады. Дегенмен, егер суға жеңіл нәрсе, мысалы сіріңке қорабын, тастап жіберсек, ол толқынмен ілесіп алға кетпей, дәл бір орында тұрып, жоғары – төмен тербеле бастайды.

Толқын таралған кезде ішінде толқын таралатын зат тасымалданбайды, тербелуші ортаның айрықша күйінің орын ауыстыруы болады. Бір жерде (мысалы, тасталған тастан) пайда болған судың ұйытқуы көршілес бөліктерге беріліп, осылай біртіндеп жан – жаққа тарайды. Ал су ақпайды: орын ауыстыратын тек оның бетінің пішіні ғана.

Бұл толқынның электромагниттік өрісінің және векторының оның таралу бағытына перпендикуляр екенін көсетеді. Руфордан шығатын толқынның электр өрісі кернеулігінің тербелістері белгілі бір жазықтыққа өтеді, ал магниттік индукция векторының тербелістері – оған перпендикуляр жазықтықта жасалады. Тербелістері белгілі бір юағытта өтетін толқындар поляризацияланған деп аталады. Дәл осы поляризацияланған толқын кескінделген. Детекторы бар қабылдағыш руфор кет белгілі бағытта поляризацияланған толқынды ғана қабылдайды.

Терминологиялық сөздік