В статье рассмотрен физический принцип радиосвязи, представлены результаты анализа видов радиоприёмников, собрана модель детекторного УКВ-приёмника. Практическим результатом проведенного исследования стала сборка модели радиоприёмника со следующими преимуществами: низкая стоимость образца, высокое качество звучания, широкий диапазон принимаемых частот и автоматический поиск сигнала. Приводятся сведения о процессе сборки и тестирования образца приёмника ультракоротких волн в жёстком корпусе, время автономной работы которого составляет до 100 часов.
Ключевые слова: детекторный радиоприемник, радиоволны, частотная модуляция, УКВ диапазон
Человечество начало изучать электромагнитные волны с целью беспроводной передачи информации на большие расстояния достаточно давно. Но до сих пор не утихают споры, кому принадлежит первенство в изобретении первого радиоприемника. В прессе всплывают исторические сведения о первых патентах на изобретения в области связи. Однако исследование профессора В. Г. Бартенева. убедительно доказывают, что изобретателем первого в мире детекторного приемника является наш соотечественник А. С. Попов [1, с. 439]. Этот факт вызвал у автора неподдельный интерес и обусловил выбор темы работы, целью которой стало изучение физических принципов радиосвязи, особенностей создания моделей детекторных радиоприемников и сборка экспериментального образца приёмника ультракоротких волн (УКВ).
Сформулируем терминологическую базу настоящего исследования. Так под электромагнитной волной будем понимать возмущение электромагнитного поля, распространяющееся в пространстве с конечной скоростью, а под радиоволной — электромагнитные волны, частоты которых находятся в диапазоне от 3 Гц до 3000 ГГц и которым присвоены условные наименования (длинные, средние, короткие и ультракороткие волны и другие). Ниже будет представлена разработанная автором модель детекторного приемника УКВ с частотой от 76 до 108 МГц.
Принцип радиосвязи заключается в следующем: сначала на микрофон записывается низкочастотное колебание, в котором заложена передаваемая информация. Затем это колебание модулирует несущее высокочастотное колебание, получая переменный электрический ток высокой частоты. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в колебательном контуре переменный ток, который затем обрабатывает приёмник, выделяя огибающую, и отправляет её на динамик, активируя его. Важно отметить, что модуляция — это процесс изменения одного или нескольких параметров высокочастотного несущего колебания, которая бывает частотной, амплитудной, фазовой или гибридной (рисунок 1).
Рис. 1. Иллюстрация принципа радиосвязи
В частности, разработанный в ходе исследования радиоприёмник принимает частотно модулированные волны. Частотная модуляция (ЧМ) — это изменение частоты колебаний генератора под действием модулирующего напряжения. Эта модуляция применяется в радиотелефонии, так как она позволяет уменьшить помехи при приеме по сравнению с амплитудной и фазовой модуляцией.
Принципиальная схема любого радиоприёмника включает антенну, заземление, колебательный контур и обрабатывающую электросхему (рисунок 2): переменный электрический ток высокой частоты, созданный в передающей антенне, вызывает в окружающем пространстве быстроменяющееся электромагнитное поле, которое распространяется в виде электромагнитной волны. Достигая приемной антенны, электромагнитная волна вызывает в колебательном контуре переменный ток.
Рисунок 2. Принципиальная схема функционирования радиоприёмника
Далее переменный ток отправляется на обрабатывающую электросхему, принципиальная схема работы которой представлена на рисунке 3: диод обрезает отрицательную составляющую радиосигнала. Затем, фильтрующая емкость производит выделение огибающей выпрямленного сигнала высокой частоты — получается сигнал низкой частоты, который в последствие выводится на преобразователь сигнала в звук — динамик. [4]
Рис. 3. Принцип работы обрабатывающей электросхемы радиоприёмника
УКВ-приемники сегодня используются повсеместно — в автомобилях, домах, офисах, что обусловлено развитой сетью установленных по всему миру радиостанций, а также высоким качеством звучания приемников частотно-модулированных по сравнению с амплитудно-модулированными волнами. Однако есть ряд проблем с качеством имеющихся в продаже радиоприемников и с их использованием в городах, в условиях наличия большого количества радиостанций близкой частоты. Часть этих проблем решает образец детекторного радиоприемника, собранный автором в ходе данного исследования.
В частности, из трех типовых схем радиоприемников, сравнительная характеристика которых представлена в таблице, была выбрана схема детекторного УКВ-приемника с применением кварцевого резонатора, поскольку по сравнению с остальными в данной схеме можно использовать общий провод разъема jack 3.5 вместо антенны, а также имеется возможность автоматического поиска радиостанций.
Таблица
Сравнительная характеристика типовых схем радиоприемников
|
Характеристика |
Наименование приемника |
||
|
Сверхрегенеративный радиоприемник |
Двухтранзисторный приёмник прямого усиления |
Детекторный приёмник с применением кварцевого резонатора |
|
|
Наличие встроенной антенны |
есть |
нет |
есть |
|
Автоматический поиск радиостанций |
нет |
есть |
есть |
|
Возможность подключения разных воспроизводящих устройств |
есть |
нет |
есть |
Схема для сборки детекторного радиоприемника, представленная на рисунке 4, использует следующие радиодетали: микросхему HEX3653; 2 диода 1N414B; керамический конденсатор типа 104; светодиод; 4 резистора 10кОм; транзистор S6050; кварцевый резонатор 32.766 кГц; 5 ключей-кнопок; конденсатор 100 нФ 10 В; дроссель.
Рис. 4. Схема для сборки детекторного радиоприемника
Затем была спаяна и помещена в жёсткий корпус плата приемника (рисунок 5).
Рис. 5. Визуализация процесса сборки радиоприемника
К безусловным преимуществам собранной модели можно отнести: небольшие размеры; широкий диапазон (76–108 МГц); простоту использования; возможность подключения разных воспроизводящих устройств, при условии, что их разъем — jack 3.5; невысокую стоимость (185 рублей, без учета таких расходных материалов, как припой, соединительные провода и канифоль). В ходе проведенных испытаний было выявлено, что собранный образец:
— на никель-магниевых аккумуляторах ёмкостью 2500 мАч имеет расчётное непрерывное время работы на протяжении 100 часов (потребление схемы — 25мАч);
— принимает десять радиостанций, в том числе в лесу на расстоянии 30 км от города Калининграда (например, «Дорожное» радио, радио «Monte Carlo» и другие).
Таким образом, в ходе проведенного исследования была разработана модель детекторного ЧМ-радиоприёмника, принимающий частотно модулированные волны в диапазоне 76–108 МГц. Практическим результатом данной работы стала сборка модели радиоприёмника со следующими преимуществами: низкой стоимостью образца, высоким качеством звучания, широким диапазоном принимаемых частот и автоматическим поиском сигнала. В результате был собран и протестирован образец приёмника УКВ волн в жёстком корпусе, время автономной работы которого составляет до 100 часов вне зависимости от погодных условий.
Литература:
- Бартенев, В. Г. Первый в мире детекторный радиоприемник А. С. Попова / В. Г. Бартенев. — Текст: непосредственный // REDS: Телекоммуникационные устройства и системы. Том 4. — 2014. — № 4. — С. 436–440.
- Мякишев, Г. Я. Физика. Колебания и волны. Углубленный уровень. 11 класс. Учебник / Г. Я. Мякишев, А. З. Синяков. — М: ДРОФА, корпорация «Российский учебник», 2017. — 288 c. — Текст: непосредственный.
- Основы радиосвязи и телевидения. — Текст: электронный // “Банк лекций”: Учебные материалы ОКСО 210000. Электронная техника, радиотехника и связь. Лекции для преподавателей и студентов вузов.: [сайт]. — URL: https://www.siblec.ru (дата обращения 22.12.2020)
- Техника УКВ ЧМ связи. — Текст: электронный // Технический портал: [сайт]. — URL: https://www.siblec.ru (дата обращения: 12.02.2021)
- 11 схем простейших радиоприемных устройств. — Текст: электронный // Для радиолюбителей: [сайт]. — URL: https://www.radiostorage.net (дата обращения: 12.02.2021)
- Фомин, Н. Н. Радиоприемные устройства. Учебник для вузов / Н. Н. Фомин, Н. Н. Буга, О. В. Головин и др.. — 3-е издание, стереотипное. — М: Горячая линия, 2007. — 520 c. — Текст: непосредственный.
