О радиолюбительстве. Баян №6. 18.07.2023⁠⁠

Физика радио самыми простыми словами.

Здравствуйте, мои Уважаемые Читатели! Сегодня (возможно) будет совсем скучно.
Дело в том, что рано или поздно, если Вас радио зацепило, Вы решите сдать экзамен на радиолюбительскую лицензию. Вот тут-то и понадобятся самые базовые знания физики электричества и радио. Ведь не сдавать же экзамен тупо вызубрив ответы? Поэтому давайте углубимся в дебри... Так, краем глаза :)

Известно, что радио - электромагнитный процесс. И чтобы голос далекого друга принять и услышать, надо этот голос как-то в эфир передать. Известно, что радиоволна является электромагнитной волной. Следовательно, все радио - взаимодействия производятся с использованием электрических сигналов. Вот и получается, что, для начала, из звука милого голоса надо каким-то образом сделать сделать электрический сигнал. Для решения задачи преобразования звуковой волны, распространяющейся в воздухе (голоса), в сигнал электрический, человеческий гений изобрёл микрофон.

1. Получение электрического сигнала из голоса.
Микрофон создает из звука, распространяемого в воздухе, подобный ему (звуку) электрический сигнал. В микрофоне есть тонкая мембрана (диафрагма), к ней приклеена катушка провода, рядом закреплен магнит. Звук голоса - это колебания воздуха. Эти колебания качают мембрану микрофона, а если двигать катушку провода в магнитном поле (вспоминаем школу), в ней возникает электрический ток. Мембрана колеблется в такт звукам голоса. Вместе с ней в поле постоянного магнита колеблется и катушка... По тонким и гибким проводам, подключенным к этой катушке, очень слабый электрический сигнал звуковой частоты поступает на выход микрофона. Готово! Электрический сигнал из звука получен!
Ниже - схема классического микрофона в разрезе. Микрофоны бывают и иных конструкций, но это уже совсем другая история (с).

Если к выходу микрофона подключить прибор, который визуализирует электрические сигналы (он называется ОСЦИЛЛОГРАФ), мы увидим примерно такую картинку:

Электрические колебания, полученные в результате преобразования голоса в звук, занимают полосу частот от 100 до 3000 Герц. 1 Герц - это единица измерения частоты. Названа в честь великого физика.
https://ru.wikipedia.org/wiki/Герц,_Генрих_Рудольф
Например, комар машет крыльями с частотой 1000 герц, то есть 1000 раз в секунду, а шмель - 200. Ну а наши голосовые связки колеблются в диапазоне частот 100 - 3000 герц, если мы конечно не оперные певцы - у них диапазон шире. Это сигналы звуковой частоты.

2. Перенос электрического сигнала на радиочастоту.
Полученный электрический сигнал надо отправить в эфир, чтобы голос наш долетел до доброго друга на другом конце земли. Для этого его надо усилить (мощность сигнала от микрофона - примерно 1/100 000 доля ватта, это очень мало. Для сравнения посмотрите на мощности динамиков всяких там бубмбоксов), и отправить в антенну.

Первопроходцы радио так и делали - подключали микрофон к усилителю, усилитель к антенне и ...??? И ничего. Дальность радиосвязи была метров 10. И все... Оказалось, что электрические сигналы звуковой частоты создают радиоволны очень большой длины, использовать которые без огромных антенн невозможно (размеры антенны должны быть не менее 1/4 длины волны).

Попробуем вычислить длину волны для сигнала с частотой 1000 герц (1 килогерц). Это очень просто. Надо скорость распространения радиоволны (а она равна скорости света - 300 тысяч километров в секунду) поделить на частоту. Поделили? Получилось 300 километров? Правильно. Минимальная антенна на такую волну должна быть не короче 75 километров.

Теперь посмотрим на любой старый приемник. Там на шкале написаны длины волн. Самая длинная - 2 км. А наиболее популярные длины волн у радиолюбителей - 80, 40, 20, 15 и 10 метров. Какая же должна быть частота чтобы попасть на длину волны 40 метров?

Не утомляя расчетами - скажу. Примерно 7 100 000 герц (7,1 Мегагерц). Это - сигнал радиочастоты. К радиочастотам относятся частоты от в диапазоне от 30 Килогерц (длина волны 10 километров) до 3 Терагерц (длина волны 0,1 миллиметра).
https://ru.wikipedia.org/wiki/Радиоволны

Что же придумали товарищи ученые? Они взяли генератор электрического сигнала с частотой
7 100 000 герц (сигнал радиочастоты, в диапазоне коротких волн), и пропустили полученный от генератора сигнал через модулятор - простой прибор, который изменяет напряжение проходящего через него сигнала радиочастоты в такт сигналу звуковой частоты. В результате, получился МОДУЛИРОВАННЫЙ ПО НАПРЯЖЕНИЮ СИГНАЛ радиочастоты (правильный термин: амплитудно-модулированный сигнал).
На экране осциллографа сигнал радиочастоты, модулированный сигналом звуковой частоты выглядит так:

Мелкие волны - это сигнал радиочастоты. А пологая волна - это звук нашего голоса, сигнал звуковой частоты.

Радиосигнал готов. Усиливаем его усилителем до приличной мощности, ватт до 10 минимум, а лучше до ста, или ещё больше - и в антенну! Пусть летит по эфиру, со скоростью света, в антенну приемника нашего далекого друга. Ну и во все антенны во всем мире тоже. Пути радиоволн неисповедимы (с).

3. Радиоприем и демодуляция сигнала.
Чтобы наш далекий друг услышал наш сигнал, надо этот радиосигнал принять, и преобразовать из электрической формы в звуковую. Для этого надо проделать действия, описанные выше, но в обратном порядке: поймать слабый радиосигнал (его мощность не превышает одной миллионной доли ватта) антенной, усилить его немного, примерно до мощности 1/100 ватта, демодулировать (вычленить сигнал звуковой частоты из сигнала радиочастоты, модулированного сигналом звуковой частоты), еще усилить (примерно до 0,5 - 1 ватта) и подать в динамик (динамическую головку) - прибор который преобразует относительно мощный сигнал звуковой частоты в звук.

Для демодуляции сигнала используют радиоэлемент (радиодеталь) с односторонней проводимостью, который называется ДИОД.

В составе диодного детектора. Диод пропускает ток только в одну сторону - от минуса к плюсу. Эта способность диода позволяет выделить сигнал звуковой частоты из модулированного сигнала радиочастоты. Вот наименее заумная картинка, которая иллюстрирует работу диодного демодулятора (детектора). Сверху - сигнал до детектирования, снизу - после.

А вот и схема собственно диодного детектора, с иллюстрацией того, как происходит демодуляция (детектирование). Подробное описание работы диодного детектора широко доступно.

В общем, диодный детектор вычищает из принятого антенной сигнала все, что относится к радиочастоте, и оставляет только сигнал звуковой частоты. Если интересно разобраться в деталях - отвечу в комментах.

Усиливаем полученный сигнал звуковой частоты - и подаем на динамик (динамическую головку). А в динамике что? Правильно! Большая мембрана, к ней приклеена катушка, и рядом расположен магнит.

Только мы не снимаем электрический сигнал с катушки - а наоборот, подаем сигнал на нее! Катушка начинает двигаться в магнитном поле с частотой подаваемого на нее сигнала, и мы слышим звук голоса нашего далекого друга:))

Ну, или мяуканье кота, если вдруг кот помяукает в микрофон радиопередатчика.

Всем удачи, и 73!

P.S. Все картинки - из сети. Спасибо неведомым авторам за помощь в подготовке поста!