Как работает радиопередача по радиоволнам, генератор, передатчик

Шесть часов утра по московскому времени. В пространство несутся мерные удары кремлевских курантов, и затем раздаются торжественные звуки гимна. Едва отзвучали его последние ноты, как раздается спокойный, четкий голос диктора: «Говорит Москва».

Так начинается день центрального радиовещания. Знаете ли Вы, как происходят эти передачи?

Каким образом каждый звук, возникший в радиостудии, на театральной сцене или в другом месте, откуда ведут радиопередачу, мгновенно доносится к вам за сотни и тысячи километров?

Для того чтобы мы могли услышать радиопрограмму, нужно ее, во-первых, передать, а затем принять.

Рис. 1. Звуковые волны вокруг камертона.

Задача передающей радиостанции состоит в том, чтобы превратить речь, пение музыку в электрический ток, а затем преобразовать последний в электромагнитные волны и излучать их в окружающее пространство.

Как же практически решается эта задача? Чтобы выяснить это, вспомним, что такое звук. Звук — это колебания какой-либо среды: воздуха, дерева, металла, воды и т. п.

Звуковые колебания в неограниченном пространстве распространяются от источника звука по радиусам во всех направлениях. Средняя скорость распространения звука в воздухе 330 м/сек.

На рис. 1 условно показаны (на самом деле невидимые глазу) периодические «сгущения» и «разрежения» в звукопроводящей среде, которые и представляют собой звуковые колебания или звуковую волну.

Наше ухо способно воспринимать как звук только колебания определенных частот (от 16 до 20 000 колебаний в секунду). Кроме того, амплитуда этих колебаний должна быть достаточно большой, т. е. звук должен обладать определенной силой, иначе мы не сможем его услышать.

Микрофон

И электромагнитные волны и звук — это колебания, но разной природы. Нет ли способа превратить звуковые колебания в электромагнитные? Есть. Для этого сначала нужно звук превратить в колебания электрического .тока.

Прибор, преобразующий звуковые колебания в электрические, называется микрофоном. Опишем принцип действия простейшего микрофона.

Рис. 2. Работа микрофона.

• а—звука нет, в цепи микрофона течет .постоянный ток;
• б— под действием звука мембрана вогнута, сопротивление уменьшилось, ток возрос:
• в —под действием звука мембрана выгнута, сопротивлению увеличилось, ток уменьшился.

На рис. 2 показана металлическая камера,, в которую насыпан угольный порошок. С одной стороны эту камеру закрывает гибкая пластинка, укрепленная на изоляторах; со всех остальных сторон камера закрыта наглухо.

Камера и пластинка присоединены к источнику постоянного напряжения, создающего в цепи постоянный ток. Но представьте себе, что мы начали говорить, приблизившись к пластинке.

Если пластинка достаточно тонка, то под действием звуковых волн, т. е. сгущений и разрежений воздуха, она начинает колебаться. При колебаниях пластинки будет изменяться сила ее давления на угольный порошок, отчего будет меняться сопротивление, оказываемое этим порошком электрическому току.

Величина тока начнет меняться. В результате в цепи будет течь пульсирующий ток. Применив довольно простые электротехнические устройства, легко разделить пульсирующий ток на переменный и постоянный.

Мы сумели превратить звуковые колебания в переменный электрический ток. Но дело в том, что электрические колебания, созданные микрофоном, очень слабы; их следует усилить с помощью радиоламп, применяемых в специальных аппаратах — усилителях низкой частоты, а после этого можно передать их по проводам на радиостанцию.

Чтобы понять, как работает радиостанция, придется вернуться к колебательному контуру.

Снова о колебательном контуре. Вспомним наши рассуждения. Излучая радиоволны, антенна непрерывно посылает в пространство электромагнитную энергию высокой частоты, порцию за порцией. Эту энергию антенна поручает из колебательного контура.

Откуда же беспрерывно черпает энергию сам колебательный контур? Очевидно, нужно осуществить устройство, передающее контуру все новые и новые количества энергии взамен тех, которые он с пользой передает антенне, и тех, которые бесполезно затрачивает в самом себе. Нельзя предполагать, что колебательный контур работает как какой-то «вечный» маятник.

Вот о работе устройств, обеспечивающих создание радиоволн, мы теперь и должны сказать.

Радиотехника знает много всяких способов «подбрасывания» энергии в колебательный контур. Все они, за исключением одного, были отвергнуты практикой. Дело в том, что подбрасывание новых порций электрической энергии в контур нужно производить в такт с колебаниями.

Не вовремя подброшенная порция электрической энергии не только не поддержит колебания, но будет заглушать их.

Наиболее пригодный способ, посредством которого производится передача в контур новых и новых количеств электрической энергии, применяется уже около 40 лет. Мы имеем в виду использование электронной лампы, которая является душой современной радиотехники.

Для ознакомления с тем, как электронная лампа вместе с колебательным контуром создает токи высокой частоты, в качестве главного «действующего лица» мы возьмем трехэлектродную лампу. 

Для простоты объяснения принципа работы радиопередатчика мы воспользуемся этой старой заслуженной ветеранкой, а не современными более сложными генераторными лампами.

Поучительный эпизод. Известен интересный эпизод из истории развития паровой машины. Один мальчик был приставлен к примитивной старинной паровой машине.

Обязанности мальчика были несложные, но весьма однообразные. В строго определенные моменты времени он должен был открывать и закрывать кран. Важно было не спутаться и н-е открыть кран раньше времени, чтобы не остановить машину. Мальчику; наделенному природной сообразительностью, надоело утомительное занятие.

Желая выкроить хотя бы немного свободного времени для своих игр, он пустился на хитрость. Веревками соединил он кран с качающимся коромыслом машины, предоставив самой машине заботиться об открывании и закрывании крана в нужные моменты.

Машина была переведена с ручного обслуживания на автоматическое. Краны открывались и закрывались без прикосновения рук.

Этот эпизод напоминает то, что двумя столетиями позже произошло с изобретением лампового генератора токов высокой частоты. В 1913 г. была разработана первая схема лампового генератора, положившая начало ряду других схем, обеспечивающих удобные способы получения токов высокой частоты.

В это время знали, что радиолампа может усиливать слабые переменные электрические токи практически любой частоты. Знали и то, что если усиления одной лампы недостаточно, можно последовательными ступенями включить несколько электронных ламп одну вслед за другой.

Несомненно, и до этого времени считали возможным усиленные таким образом мощные колебания высокой частоты подать прямо в антенну. В дверь стучалась идея создания ламповой передающей радиостанции.

Не хватало одного: умения решить задачу — откуда взять первоначальный переменный ток, который следует подвести к сетке первой усилительной лампы.

И ученым пришла идея, с внешней стороны имевшая много общего с детской хитростью мальчика, обслуживавшего паровую машину. Они решили перевести электронную лампу на самообслуживание. Пусть она не ждет, когда ей соберутся подать к сетке переменное напряжение, а сама заботится об этом.

Рис. 3. Схема генератора с трансформаторной связью.

Иными словами, лампу заставили заниматься не только усилением уже ранее где-то и чем-то созданных переменных токов, но и самой возбуждать, генерировать их..

Таким образом, был создан первый ламповый генератор незатухающих колебаний. Первый ламповый генератор. Схема этого генератора исключитель но проста (рис. 3).

В анодной цепи электронной лампы (триода) Л включен колебательный контур LC, а в цепи сетки лампы — катушка L_c, близко расположенная в контурной катушке L. Вот и весь генератор.

Чтобы понять, как работает ламповый генератор, сделаем небольшое допущение. Оно нужно только на короткое время, и мы от него вскоре откажемся.

Представим дебе, что в колебательном контуре LC уже поддерживаются незатухающие колебания. Ток в катушке L непрерывно меняет свое направление, и с такой же частотой заряжается и разряжается конденсатор С.

Следуя за изменениями тока в контуре, меняются величина и направление магнитного поля вокруг катушки L То возникая, то исчезая, оно воздействует на витки катушки L_с (пересекает их) и,как это получается в любом трансформаторе, по индукции наводит в них напряжение.

Но к катушке L_c присоединена сетка лампы; следовательно, с такой же частотой, с какой колеблется ток в контуре, будет меняться и напряжение на сетке. Сетка действует автоматически, она не ошибается: «плюс» на сетке увеличивает анодный ток, протекающий через лампу, а «минус»— уменьшает его.

Качели можно раскачивать, подталкивая их в такт. Эту обязанность в лампе с большим прилежанием выполняет сетка, получающая то положительные, то отрицательные заряды. Она не дает покоя анодному току, заставляя его совершать непрерывные колебания.

Так и, не удается анодному току течь спокойно. Все время, пока нить (катод) лампы накалена, а на аноде лампы имеется положи-, тельное напряжение, ламповый генератор создает незатухающие колебания.

Лампа за счет энергии анодной батареи Б покрывает все потери в контуре. Получается своего рода «идеальный» колебательный контур. Решена задача , получения незатухающих колебаний.

Ламповый генератор может быть уподоблен заведенным пружинным часам или стенным часам с поднятыми гирями. Упругость пружины или вес гирь полностью компенсирует все тормозящие силы трения и заставляет часовой механизм работать безостановочно.

Теперь мы уже можем отбросить наше допущение. Пусть в анодном контуре нет затухающих колебаний: Но первый же толчок тока, вызванный включением генератора, импульсом создаст магнитное поле вокруг контурной катушки.

Этот импульс будет передан сетке, и та незамедлительно сделает свое дело. Качели придут в движение. Раскачиваясь все более, они достигнут максимальных размахов, при которых раскачивающих усилий как раз хватит на преодоление всех сил, стремящихся остановить колебания.

Удалось точно построить генератор, который работает сам, без ручного или механического управления. Он сам себя принуждает к действию, самовозбуждается. Поэтому такой генератор называется самовозбуждающимся.

Обратная связь. Разнесите контурную и сеточную катушки на большое расстояние, чтобы магнитное поле контурной катушки не «зацепляло» за витки сеточной катушки, и все кончится.

Колебания создаются только потоку что анодная цепь связана с сеточной и передает‘ей возбуждающие импульсы.

Такая связь называется обратной связью: вместо того, чтобы колебания из анодной цепи поступали куда-либо дальше, «на выход», они (не полностью, а частично) передаются обратно, на сетку своей Же собственной лампы.

Сеточная катушка, посредством которой сетка связывается с цепью анода, называется катушкой обратной связи. Чем больше витков в ней и чем ближе она расположена к контурной катушке, тем большее напряжение индуктируется в ней, тем сильнее связь.

Итак, не электронная лампа создает колебания — они создаются в колебательном контуре. Но никогда бы контур не создал незатухающих колебаний, если бы лампа не подбрасывала в контур все новые и новые количества электрической энергии для компенсации всех потерь — полезных и вредных.

Но и лампа не могла бы ничего передать контуру, если бы не получала энергию от источников питания— батарей или электрогенераторов, подающих напряжение на анод.

Темп колебаний или, лучше сказать, частоту навязывает колебательный контур. Колебания медленные, и электронная лампа будет в таком же медленном темпе передавать контуру очередные порции электрической энергии.

Но ей никакого труда не составит производить это со скоростью нескольких миллионов или десятков и сотен миллионов раз в секунду. Попробуйте-ка вручную управлять электрической энергией с такой скоростью!

Трехточка

Мы уже указывали, что сетке лампы совершенно безразлично, откуда ей подается «раскачка». В схеме на рис. 3 обратная связь анодного контура с сеткой — трансформаторная.

Вскоре было доказано, что иметь отдельную катушку обратной связи совершенно не обязательно. Для этого применили схему, у которой сетка (рис. 4) непосредственно присоединена к контурной катушке L.

На сетку лампы Л подается напряжение, возникающее на части А—Б витков контурной катушки. Чем больше витков между точками А и Б, тем большее напряжение подается на сетку, тем сильнее обратная связь.

Наоборот, передвигая соединительный проводник сетки к точке Б, мы уменьшали бы обратную связь. Такая связь называется автотрансформаторной.

В принципе она ничем не отличается от трансформаторной. Оба способа представляют разновидности индуктивной связи: напряжение на сетке создается благодаря электромагнитной индукции.

Непременным условием действия схемы является такое соединение трех проводников от лампы Л к контуру LC, при котором провод от катода (нити) присоединяется между проводами от анода и сетки.

Только тогда сеточные и анодные импульсы будут действовать в такт. Если анодный ток, например, должен увеличиваться, то для этого должно возрастать положительное напряжение на сетке.

Подачу порций энергии от лампы в контур строго в такт радиоспециалисты называют подачей в фазе. Схема с трансформаторной связью может не возбудиться, если импульсы на сетке не в фазе с импульсами анодного тока.

В этой схеме правильная фазировка достигается очень просто: если генератор не возбуждается, достаточно переключить концы сеточной катушки. В схеме с автотрансформаторной связью нужно расположить проводники только так, как показано на рис. 4.

Весьма простая по своему устройству, состоящая всего лишь из колебательного контура, в трех точках соединенного с лампой, эта схема пользовалась в свое время особым расположением радиолюбителей. Почти все радиопередатчики первых коротковолновиков имели генератор «трехточку».

Задающий генератор

Ламповому самовозбуждающемуся генератору не хватает еще антенны, чтобы стать радиопередатчиком. Различие между мощными и маломощными радиостанциями заключается главным образом в степени усиления первоначально полученных в ламповом генераторе высокочастотных колебаний.

Рис. 4. Схема генератора с автотрансформаторной связью.

Если требуется мощность больше той, которую в состоянии отдать непосредственно самовозбуждающийся генератор, то применяют ступенчатое усиление все более мощными лампами.

Иногда в одном усилительном мощном каскаде для увеличения мощности одновременно включают «в общую упряжку» несколько ламп — две, три и больше. Нередко можно встретить передатчик с тремя-четырьмя и даже семью-восемью каскадами.

В таких условиях самовозбуждающийся ламповый генератор, первоисточник электрических колебаний, получает название задающего генератора: он «задает тон» всем остальным — усилительным каскадам, «раскачивает» их.

Задающий генератор —«сердце» передатчика. Остановится «сердце»—и все остановится. Первый усилительный каскад ничего не получит на сетку лампы от задающего каскада и поэтому ничего не передаст второму каскаду, второму нечего будет передавать третьему и т. д. Тщетно антенна будет ожидать получения токов высокой частоты от мощного оконечного каскада.

И «сердце» передатчика тщательно оберегают. Ему вредна перегрузка. На него действуют тепло, выделяемое током в различных деталях установки.

Всякое изменение температуры приводит к изменению размеров металлических конструкций, в частности к изменению размеров деталей конденсатора и катушки контура.

Меняется индуктивность — меняется емкость, а от этого меняется генерируемая частота, «гуляет» волна радиостанции. В поисках сигналов станции приходится все время перестраивать приемник.

Чтобы избежать неприятностей, от задающего генератора не требуют большой мощности— лишь бы он генерировал колебания строго определенной частоты.

Как нежное растение помещают в оранжерею, так и задающий генератор часто помещают в камеру со строго постоянной температурой.

Чаще же применяют особые стабилизаторы частоты, которые не позволяют генерируемой частоте отклоняться от заранее установленного значения, от номинала частоты.

Связующим звеном между ламповым генратором и антенной является питающая линия (фидер). Она играет роль плюса в несложном арифметическом выражении:

радиопередатчик = ламповый генератор + антенна.

Питающая линия состоит из проводов или кабеля, соединяющих антенну с ламповым генератором. Таким образом, мы познакомились с общим принципом действия радиопередатчика.

Включаем радиопередатчик. Через радиопередатчики может быть осуществлен любой вид работы: передача радиограмм с помощью телеграфной азбуки (радиотелеграфная передача), передача речи и музыки (радиотелефонная передача), буквопечатание и передача изображений.

Самый простой вид работы — прерывание колебаний; так поступают радисты, выстукивая ключом знаки телеграфной азбуки: при нажатии -ключа замыкаются его контакты и серия высокочастотных колебаний поступает в антенну, при размыкании контактов подача колебаний в антенну прерывается.

Короткое время включения соответствует точке, длинное— тире. Этот процесс называется манипуляцией (рис. 5).

Но таким способом можно передавать лишь условные знаки телеграфной азбуки. А если нужно передать речь или музыку, то прежде всего следует обратиться к помощи микрофона.

О первом этапе превращения звука в электрический ток мы уже знаем. Этот ток мы усилили и направили по проводам на радиостанцию. К передатчику, таким образом, звуки пришли в виде электрических колебаний низкой частоты. Что же теперь с ними делать?

Модуляция. Используемые для вещания на больших расстояниях радиоволны имеют длину от 15 до 2000 м, а это значит, что частота, с которой колеблется вызывающий их электрический ток, равна 20 000 000 (20 Мгц) — 150 000 (150 кгц) колебаний в секунду.

Самая же высокая звуковая (низкая) частота, которую способно воспринимать наше ухо, имеет примерно 20 000 колебаний в секунду.

Таким образом, получается, что колебания, которые мы можем услышать, имеют весьма низкую частоту и поэтому неспособны излучаться в пространство.

Рис. 5. Ток высокой частоты в антенне передатчика при телеграфной работе.

Рис. 6. Графическое изображение результата модуляции.

Колебания же, излучающиеся на огромные расстояния в виде электромагнитных волн, имеют очень высокую частоту. Такие колебания мы не можем слышать.

Остается, видимо, как-то приспособить высокочастотные колебания для «транспортировки» колебаний, звуковой частоты. Такой способ был найден.

Колебания звуковой частоты заставляют воздействовать на колебания высокой частоты. Процесс воздействия низкочастотных колебаний на высокочастотные называется модуляцией.

Электрические колебания звуковой частоты трудно передать далеко, а с помощью высокой частоты они свободно перебрасываются вокруг всего земного шара.

Термин «модуляция» издавна применяется в музыке для обозначения перехода из одной тональности в другую — смены ладов.

В электротехнике модуляция — это изменение какой-нибудь из характеристик электрического тока — его величины, частоты, фазы— в соответствии с колебаниями какого-либо другого тока.

Модуляция — это не просто смешение токов, а такое воздействие низкочастотного тока на высокочастотный, когда низкочастотный ток как бы отпечатывает свою форму на высокочастотном.

Ток высокой частоты, на который воздействует телефонный разговор, называется модулируемым током, модулируемым колебанием. Говорят также:гнесущее колебание.

Это удачное название. Оно хорошо показывает сущность процесса. Высокочастотное колебание после модуляции несет на себе (или в себе) отпечаток тока низкой частоты.

Процесс модуляции осуществляется с помощью специального устройства, называемого модулятором. Модулятор осуществляет воздействие токов низких частот на высокочастотные колебания. Делается это в радиопередатчиках посредством специальных модуляторных ламп.

Высокочастотные колебания до модуляции ничем не отличаются одно от другого. Но вследствие действия электрических колебаний, поступающих с микрофона, амплитуда их меняется. Она становится то больше, то меньше.

Эти изменения в точности соответствуют колебаниям микрофонного тока, а следовательно, и звуковым колебаниям. Так, на электрические колебания высокой частоты накладывается «отпечаток» (узор) передаваемых звуков, и в результате получаются модулированные колебания, которые излучаются радиостанцией (рис. 6).

Назначение радиопередающих станций очень разнообразно. Некоторые из них ведут передачи для всей страны и располагаются в больших помещениях.

Любительская радиостанция часто свободно размещается на столе в квартире коротковолновика. Но как бы ни различались они по своему виду и размерам, принципиальной разницы в их работе нет.

Радиотехнические процессы в них почти одинаковы и различаются они в основном только мощностью колебаний и длиной излучаемых радиоволн.

Каждая радиостанция — это фабрика радиоволн. Она потребляет электрическую энергию от батарей или от генератора, или от электрической сети и преобразует ее в высокочастотные электрические колебания, которые после усиления и модуляции попадают в передающую антенну. Отсюда они уже в виде радиоволн начинают свое путешествие к радиоприемникам.

Источник: Бурлянд В.А., Жеребцов И.П. Хрестоматия радиолюбителя. 1963 г.