Почему радиоволны предпочтительны для ближней связи

Почему радиоволны выбирают для удалённой и ближней передачи?

ВВЕДЕНИЕ

В каменном веке информация передавалась пешком или на животных — лошадях, верблюдах. Скорость была очень низкой: пешеход тратил дни или месяцы на доставку сообщения.

С животными стало быстрее, и со переходом в XXI век — эру изученной науки и технологий — всё стало ещё проще и быстрее.

Вы можете сидеть в комнате, набрать номер в телефоне и мгновенно связаться с другом за миллионы миль. Сообщения, разговоры по сотовым телефонам передаются через электромагнитные волны (ЭМ-волны).

Существует разные типы ЭМ-волн, но мы сосредоточимся на радиоволнах: что это, как распространяются, как детектируются и как сделать простой радиоприёмник. Для лучшего понимания рассмотрим несколько моментов.

ЭМ ВОЛНА

Электромагнитная волна — форма электромагнитного излучения, возникающая при разряде электричества или даже молнии. Любой разряд электричества может породить ЭМ-волну с длиной волны, близкой к радиоволне.

ЭМ-излучение обладает волновыми свойствами: может распространяться, дифрактироваться, преломляться. ЭМ-волны интерферируют — испытывают интерференцию, когда волна с той же или близкой частотой пересекает её путь. Диапазон ЭМ-волн — от радиоволны (низкая частота, большая длина волны) до гамма-излучения (высшая частота, кратчайшая длина волны, максимальная энергия).

РАДИОВОЛНА

Радиоволна — форма электромагнитного излучения. Низкая частота, примерно от 150 кГц до 100 МГц.

ГЕНЕРАТОРЫ (ОСЦИЛЛЯТОРЫ)

Для понимания передачи данных по радио нужно поговорить об осцилляторе. Осцилляторы бывают механическими и электрическими — рассмотрим только электрические. Электрический осциллятор (вибратор) можно сделать, соединив конденсатор с катушкой.

Систему заставляют осциллировать, заряжая конденсатор. Энергия накапливается поочерёдно на обкладках конденсатора и в катушке в виде магнитного поля. Энергия переходит из катушки в конденсатор и обратно при осцилляциях.

Поток энергии включает поток электрического тока. Ток вызывает превращение части энергии системы во внутреннюю энергию в конденсаторе, катушке и соединительных проводах.

РАДИОПЕРЕДАТЧИК

При разряде электричества возникает электромагнитное излучение радиочастоты. На радиоприёмнике слышен треск при грозе из-за интерференции между радиоволной от молнии и волной от ближайшей станции. Маленькая искра в быту может дать шум на радиоприёмнике.

Искра возникает при замыкании/размыкании выключателя, особенно с большим током. Искры от термостатов в плитах и холодильниках, контактов электрозвонка — все способны породить ЭМ-волну, детектируемую радиоприёмником. Ранние радиопередатчики работали на принципе генерации искры. Современные — иначе. Они состоят из секций:

1. Осциллятор: состоит из конденсатора и катушки. Подбираются так, чтобы цепь осциллировала на частоте нескольких кГц или МГц. Если цепь подключена к антенне, в проводе создаётся осциллирующее электрическое поле.
2. Обратный усилитель: Из-за потерь энергии осциллятор не может снабжать антенну энергией, если не получать энергию для компенсации потерь. Энергия, подаваемая осциллятору, должна быть в резонансе с ним. Для этого малую часть осциллирующего тока отводят от осциллятора (остальное уходит к антенне). Эту малую часть подают в усилитель. Выход усилителя — большой осциллирующий ток той же частоты. Этот большой ток подают обратно в осциллятор для непрерывных осцилляций.

МОДУЛЯТОР

Радиопередатчик с только осциллятором и обратным усилителем выдавал бы только непрерывную радиоволну постоянной частоты и амплитуды. Модулятор модулирует частоту (ЧМ).

В радиопередатче аудиочастотное ЭДС подаётся в модулятор. Несущая волна тоже подаётся в модулятор. Модулятор модулирует амплитуду несущей волны по форме аудиочастотного ЭДС. Амплитудно-модулированная несущая волна подаётся на антенну.

ДЕТЕКЦИЯ РАДИОВОЛН

По некоторым причинам радиоволны отражаются параболическим рефлектором, нацеленным на приёмную станцию в тысячах милях. Рефлекторы используют для передачи к телекоммуникационным спутникам и для микроволновых радиосвязей в системах телекоммуникаций.

Когда ЭМ-излучение достигает металлического объекта, в нём возникает малый электрический ток. Антенна ловит радиоволны. Антенна улавливает токи от всех ближайших передач. Если слушать напрямую — звук будет неразборчивым из-за множества сигналов.

Чтобы услышать чёткий звук от одной передающей станции, радиоприёмник настраивают на конкретный канал. Приёмник состоит из:

• Настройка (Tuner): в основном конденсатор-катушечная цепь. Частота осцилляций меняется изменением ёмкости конденсатора, чтобы совпасть с частотой нужной передающей станции.
• Выпрямитель (Rectifier): Если подключить наушник к конденсатору, звука не будет, хотя ток осциллирует. Потому что частота (150 кГц и выше) выше порога слуха. Выпрямитель позволяет слышать звуки чётко.
• Усилитель (Amplifier): Усилит ток, чтобы звук был слышен даже в громком динамике.

КАК СОБРАТЬ ПРОСТОЙ РАДИОПРИЁМНИК

Для сборки простого радиоприёмника выполните шаги:

• Соедините антенну, диод, заземляющий кабель и настройку в цепи с переменным конденсатором, параллельно подключённым к катушке. Антенна — любой изолированный провод длиной 25 м.
• Закопайте металлическую полосу в почву и подключите к ней заземляющий провод. Если почва сухая, смочите её водой.
• Сделайте катушку, намотав около 80 витков изолированного провода на ферритовый стержень (улучшает свойства катушки).
• Используйте переменный конденсатор малой ёмкости — около 100 пФ. Если нет — фиксированный от 10 пФ до 470 пФ.
• Диод — OA91. Это германиевый диод. Подойдут и другие германиевые диоды.
• Если нет результата — попробуйте 40 витков катушки. Если всё равно нет — вероятно, ближайшая передающая станция недостаточно мощная для такого приёмника.

Думаете, станция мощная, но результат нет? Не волнуйтесь! В таком случае введите усилитель в схему. Сделайте соединения как на диаграмме. Вот ваш простой радиоприёмник. Радиосигнал имеет наименьшую энергию и не может передавать большие объёмы данных за раз. Подходит для локальной/ближней передачи, так как по радио в основном передают аудио, которое радиоволна передаёт без задержки.

Почему радиоволны выбирают для удалённой/ближней передачи?

Вы могли задаваться вопросом, почему другие ЭМ-волны не используют для ближней передачи и не могут передавать сигналы в отдалённые районы. Радиоволны не дают теплового эффекта, в отличие от микроволн.

Радиоволны с низкой частотой дифрактируются, позволяя людям за холмами принимать сигналы. В отличие от других ЭМ-волн, радиоприёмникам не нужно находиться в прямой видимости передатчика для приёма сигналов.

Для низкочастотного радио способность к дифракции позволяет принимать сигналы за холмами. Повторители (репитеры) улучшают качество сигналов. Другие ЭМ-волны не дифрактируются так легко.

Также читайте:

• Почему коаксиальные кабели высоко изолированы?
• Почему ядерная энергия — последний вариант?
• Почему линии электропередач висят вязко?
• Последовательная связь на Arduino
• Arduino PWM программирование
• Arduino программирование. Как запрограммировать?