Длинные, средние, короткие и УКВ
Ближайшая наша задача — познакомиться с реальными колебательными контурами, с их устройством, применяемыми деталями, схемами включения, с особенностями работы контуров на различных частотах. Но мы почти ничего еще не говорили о том, какие частоты применяются для радиовещания, как они распределяются между радиостанциями, каковы особенности распространения радиоволн различной длины. С этих вопросов мы и начнем.
Теперь уже ясно, что для эффективного излучения радиоволн нужны токи высокой частоты (стр. 49). Самая низкая из этих высоких частот, применяемых для радиовещания, — 150 кгц. Легко подсчитать, что при такой частоте передатчик излучает радиоволны длиной 2000 м. Самая высокая частота, используемая для радиовещания, — 73 Мгц соответствует длине волны 4,11 м. Но не нужно думать, что радиовещательные станции работают на всех частотах между этими двумя граничными. Им отводятся четыре строго ограниченных частотных участка — диапазоны длинных, средних, коротких и ультракоротких радиоволн (рис. 16, таблица). Границы этих диапазонов хоть и не очень точные, с некоторым запасом, вы можете найти на шкале настройки вашего радиоприемника.
Нужно заметить, что коротковолновый диапазон не полностью отдан симфоническим оркестрам и спортивным комментаторам. Радиовещательным станциям на коротких волнах предоставлено лишь несколько сравнительно небольших участков, которые находятся в районе волн длиной 25, 31, 42, 49, 75 метров. Эти участки так и называются «Участок 25 метров», «Участок 41 метр» и так далее.
Радиовещательные диапазоны — острова и островки в огромном океане радиоволн. В промежутках между этими диапазонами так же, как и за их пределами, работает огромное количество радиостанций самого различного назначения — телевизионные передатчики, радиолокаторы, межконтинентальные линии радиотелефона и радиотелеграфа, телеметрические линии связи со спутниками, морские, речные, авиационные и космические системы навигации, любительские станции, службы связи скорой помощи, милиции, такси, радиорелейные линии, системы наведения зенитных ракет, «радиопилюли» для исследования желудка, аппаратура телеуправления промышленными объектами. Несколько десятков лет тому назад число радиостанций во всем мире можно было пересчитать по пальцам, и вопрос о том, на какой частоте работать той или иной станции, не имел серьезного значения. Сейчас потребности в свободных радиочастотах настолько велики, что их распределением и учетом занята специальная международная служба, а проблема «тесноты в эфире» стала одной из главных проблем современной радиотехники.
На первый взгляд может показаться, что никакой проблемы быть не должно, что с появлением какой-нибудь новой станции остальные могут потесниться, сблизить свои частоты и высвободить место в любом участке любого диапазона. В действительности это совсем не так. Каждой станции необходима для работы не одна частота, а целый комплект близких частот пли, как принято говорить, полоса частот. Ведь модулированный сигнал — это далеко не синусоидальное колебание и его, так же как мы это делали с другими подобными сигналами, можно представить как сумму синусоидальных составляющих.
И вот оказывается, что спектр модулированного сигнала содержит составляющие с частотами более высокой и более низкой, чем основная, как ее официально называют, несущая частота передатчика (рис. 29).
Рис. 29
Например, если несущая 200 кгц и мы модулируем ее синусоидальным низкочастотным сигналом с частотой 1 кгц, то передатчик будет дополнительно излучать радиоволны, соответствующие частотам 199 и 201 кгц. Одна из них называется нижней, а вторая верхней боковой частотой. Если вместо 1 кгц использовать для модуляции 3 кгц, то нижняя боковая окажется равной 197, а верхняя 203 кгц. Одним словом, чем выше модулирующая частота, тем дальше отстоят боковые частоты от несущей.
В реальном случае, при передаче речи или музыки, низкочастотный модулирующий сигнал содержит большое количество синусоидальных составляющих и для того, чтобы в месте приема можно было в точности воспроизвести передаваемый звук, канал связи должен пропустить все его составляющие от 20 гц и вплоть до 20 кгц. В этом случае передатчик займет полосу 40 кгц — верхняя граница будет на 20 кгц выше несущей, а нижняя на 20 кгц ниже. К сожалению, по ряду причин, в том числе из-за тесноты в эфире передавать такой широкий спектр частот оказывается невозможным — приходится идти на жертвы и резко ограничивать его. Так, в частности, для большинства радиостанций самая высокая из передаваемых низких частот — 5 кгц и при этом передатчик излучает полосу частот 10 кгц. Некоторой привилегией пользуются коротковолновые радиовещательные станции: каждой из них отводится полоса 16 кгц и таким образом можно передавать низкие частоты до 8 кгц.
Поскольку каждый передатчик излучает не одну частоту, а целую полосу, то уже не может быть речи о беспредельном сближении несущих частот. Для того, чтобы станции не налезали друг на друга, несущие соседних, то есть ближайших но частоте станций, должны отстоять одна от другой не менее, чем на 10 кгц. По существующему стандарту несущие частоты располагаются на «расстоянии» 10 кгц, причем даже в этом случае во избежание взаимных помех приходится применять сложную систему распределения частот, систему, которая строго учитывает мощности радиостанций, их радиус действия, район, в котором станция работает, ее расписание и условия распространения радиоволн.
Исходя из условия «10 кгц между несущими», можно подсчитать вместимость каждого радиовещательного диапазона. Так, например, в диапазоне ДВ могут одновременно работать, не мешая друг другу, 27 станций, СВ — больше ста, КВ — около тысячи и на УКВ — несколько тысяч станций. Если бы мы захотели расширить радиовещательный УКВ-диапазон, скажем, сделать его границами волны длиной в 10 м и 10 см, то в этом диапазоне можно было бы разместить около 300 000 обычных радиостанций.
Тут у вас, наверное, появился вопрос: а стоит ли вообще в подобной ситуации возиться с длинными, средними и даже с короткими волнами? Не лучше ли совсем забросить эти старые и тесные квартиры и все радиостанции перевести в просторный диапазон УКВ?
Как видите, с подобным переселением никто не торопится. Дело в том, что каждый из диапазонов имеет свои особенности, свои достоинства и специфические недостатки. Многие из этих особенностей связаны с условиями распространения радиоволн различной длины.
Когда-то мы отметили, что радиоволны, покинув передающую антенну, свободно перемещаются в пространстве и в итоге переносят какую-то часть энергии к антенне радиоприемника. Однако если внимательно проследить за процессом распространения радиоволн, то окажется, что перемещаются они не так-то уж свободно и, во всяком случае, встречают на своем пути множество разных, иногда непреодолимых препятствий.
Прежде всего зафиксируем такой очевидный факт — радиовещательный передатчик находится на Земле. На Земле находится также и подавляющее большинство радиослушателей. Это значит, что радиоволны могли бы проделать свой долгий путь над самой земной поверхностью. И они, конечно, легко проделали бы этот путь, если бы… если бы Земля не имела форму шара.
…Теплый летний вечер где-нибудь на черноморском побережье. Темнеет, в береговых поселках зажигаются огни, появляются огоньки и в море. Вот видно, как вышел из порта огромный залитый электрическим светом лайнер и, подмаргивая красными и зелеными глазками, направился в открытое море. Все дальше уходит от берега яркое световое пятно и вдруг резко исчезает из виду, как будто лайнер нырнул под воду. Все понятно — корабль скрылся за линией горизонта и его свет не доходит до берега. Не доходит потому, что Земля — шар, а световые лучи не искривляют своего пути, не хотят огибать кривизну земной поверхности.
Но всегда ли так прямолинейны световые лучи? Поставьте перед электрической лампочкой какой-нибудь небольшой предмет, скажем, иголку, и вы не обнаружите на стене никакой тени. Свет обошел препятствие, обогнул его. Это явление называется диффракцией. Нетрудно догадаться, что световые волны диффрагируют, огибают препятствие только в том случае, когда оно достаточно мало (в действительности в нашем примере происходят более сложные явления, однако диффракция световых лучей играет в них ведущую роль).
Но что значит маленькое препятствие? В сравнении с чем маленькое? Человек может легко перешагнуть через толстое бревно, а для муравья такое бревно кажется огромной горой. Кто знает, может быть, за штурм подобного препятствия в муравейнике можно получить звание муравья-альпиниста! Одним словом, понятия большой или маленький имеют смысл лишь тогда, когда известно, с чем можно сравнивать.
Когда мы говорим, что волны, в нашем примере световые, огибают небольшие препятствия, то сравниваем размеры этих препятствий с длиной волны. Точных соотношений мы разбирать не можем и ограничимся лишь самым общим замечанием — диффракция наблюдается, когда препятствие соизмеримо с длиной волны. В отношении радиоволн это выглядит примерно так — длинные волны сравнительно хорошо огибают земной шар, радиус кривизны которого около 6000 километров. Практически длинные волны при достаточной мощности передатчика могут легко пройти с одного конца Земли на другой. Еще каких-нибудь 40–50 лет тому назад линии радиосвязи между континентами работали только на длинных и сверхдлинных волнах.
* * *
ЭЛЕКТРОННАЯ «ЛУПА»Даже на сравнительно небольшом расстоянии от глаз механизм ручных часов похож на обычный полтинник — мелкие детали почти не видны и сложная машина кажется сплошным серебряным кружком. Но вот часовщик одевает на глаз лупу — нехитрый прибор с увеличительным стеклышком — и ему уже заметны не только маленькие шестеренки, не только отдельные их зубцы, но даже царапины и зазубрины на каждом зубце.Можно довольно просто ввести в приемник «электронную лампу», которая позволит внимательно рассматривать самые небольшие участки коротковолнового диапазона, а точнее, позволит вести на этих участках плавную настройку. В отличие от обычной растянутой настройки электронная лупа не связана с каким-нибудь определенным участком, она обслуживает весь диапазон. С помощью ручки основной настройки вы выбираете нужный участок, а затем уже внимательно просматриваете его, «вооружившись лупой».Для того чтобы сделать такую «лупу», можно закрепить на шасси воздушный подстроечный конденсатор небольшой емкости (20–30 пф), ось его вывести наружу (например, на боковую стенку) и снабдить ручкой. Конденсатор подключается к части катушки гетеродинного контура (рис. 31, в) или ко всей катушке, но уже через сопротивление 5—50 ком. Подбирая это сопротивление, легко установить нужную степень «растяжки».Вместо конденсатора в «электронной лупе» можно использовать любую катушку, которая содержит 50—100 витков и имеет подвижный сердечник (рис. 31, г).
* * *
Для средних волн Земля представляет уже значительно большее препятствие. Они обычно на несколько десятков, реже — на несколько сот километров уходят за линию горизонта. Что же касается коротких и особенно ультракоротких волн, то на этих диапазонах наблюдается совсем незначительное огибание нашего «шарика». Кажется, уже настал момент сделать вывод — радиопередачу на большие расстояния можно осуществить только на длинных волнах. Однако не будем торопиться. До сих пор мы вели разговор только о Земле. Теперь поговорим о Солнце.
Солнечные лучи, попав на Землю, выполняют здесь гигантскую работу. Нефть, уголь, сложные химические соединения, расплавленные льды, грозовые тучи, наконец, сама жизнь, бессчетные виды растений, насекомых, животных — во всем этом доля солнечного труда огромна. Нужно сказать, что, активно участвуя в самых разнообразных процессах, Солнце пользуется сравнительно небольшим арсеналом методов воздействия на вещество. Один из таких методов — ионизация.
Различные виды солнечного излучения, врываясь в атомы и молекулы, выбивают из них электроны, а в результате появляются пары электрических зарядов: электрон — положительный ион. Ионизированные газы и жидкости — это проводники тока, так как электрические заряды в них не связаны и могут перемещаться в пространстве. Ионизируя сильно разреженные газы на большой высоте от Земли, солнечные излучения создают так называемую ионосферу — несколько слоев, несколько расположенных на высоте 50—200 км невидимых сферических оболочек со сравнительно большой плотностью свободных зарядов — тысячи и даже миллионы на кубический сантиметр. Эти ионизированные слон довольно хорошо отражают радиоволны, подобно тому, как зеркало отражает свет.
Радиоволны, излучаемые передатчиком, распространяются не только над поверхностью Земли. Значительная их часть уходит вверх, «в небо», и, отразившись от ионосферы, вновь возвращается на Землю (рис. 30).
Рис. 30
Иногда происходит даже несколько отражений, и радиоволна проходит зигзагообразный путь между Землей и ионосферой. Отраженный радиолуч может покрывать огромные расстояния, например, легко добираться с Северного полюса на Южный и даже, обогнув Землю, вновь возвратиться к месту передачи. Самое интересное, что отраженный луч на своем пути почти не теряет энергии, так как мало соприкасается с Землей. Это позволяет устанавливать дальнюю связь с помощью передатчиков очень небольшой мощности.
По-разному относится Земля к радиоволнам различной длины, по-разному относится к ним и ионосфера. Так, слой, от которого отражаются средние волны, «работает» только в ночное время, когда солнечная активность резко снижается. Поэтому и дальние станции на средневолновом диапазоне слышны только с наступлением темноты. Коротковолновый участок коротковолнового диапазона, наоборот, в основном прослушивается в дневное и утреннее время, а волны длиннее 30–40 м лучше слышны ночью и вечером. Кроме того, состояние ионосферы, а значит и ее отражающие способности, сильно зависят и от времени года. Зимой улучшается прохождение средних волн, летом — самых коротких — 10–30 м. Но и это еще не все — на состояние ионосферы, а значит и на условия распространения радиоволн влияет любое изменение солнечной активности, в том числе и одиннадцатилетние циклы. Так, в частности, несколько лет тому назад наблюдалось сильное отражение от ионосферы даже ультракоротких волн, хотя обычно они «протыкают» ионизированные слои насквозь и на Землю не возвращаются. Одним словом ионосфера — не какая-то застывшая масса. Высота ее слоев, их плотность, отражающие способности для разных длин волн сложным образом меняются и при этом, естественно, меняются и условия дальнего распространения радиоволн.
Практический вывод отсюда можно сделать очень простой — не нужно требовать от приемника большего, чем он может дать. Даже самый отличный приемник ничего не «поймает» в том участке диапазона, где в длинный момент нет прохождения, где из-за плохих условий распространения радиоволны вообще не уходят далеко от передающей станции. Но, конечно, не нужно сетовать на то, что в эфире «ну совсем нет станций!» Часто этим оправдывают «лодыря» — приемник, который просто-напросто обладает слабой чувствительностью, то есть недостаточно усиливает слабые радиосигналы.
Помимо настоящих радиостанций — телевизионных, радиовещательных, связных — на всех диапазонах работает еще бессчетное количество передатчиков, которых никто специально не строил и которые совсем никому не нужны. Вот черное грозовое небо прошила длинная игла молнии, и от нее, как от огромной антенны, по которой проскочил импульс тока, во все стороны расходятся радиоволны с очень широким спектром частот. Искрит коллекторный двигатель — и опять излучение радиоволн. Заработал сварочный или рентгеновский аппарат — и снова в эфире появляются тысячи незваных гостей, тысячи электромагнитных колебаний, расползающихся по всем диапазонам от сверхдлинных до ультракоротких волн. Они проникают в радиоприемник вместе с сигналом принимаемой станции и создают сильные помехи, которые чаще всего прослушиваются в виде тресков или сплошного шума.
Больше всего помех оказывается на длинных волнах, меньше — на средних, еще меньше — на коротких и совсем мало на УКВ. К сожалению, избавиться от помех не так-то просто, а иногда и совсем невозможно. Отдельные их составляющие имеют ту же частоту, что и сам полезный сигнал, и колебательный контур, который различает сигналы только по их частоте, просто не в состоянии «узнать», какой из двух резонансных токов принадлежит нужной радиостанции, а какой — вредной помехе.
Атмосферные помехи — неизбежное зло, а вот с промышленными ведется активная борьба. Существует ряд эффективных мер, в частности, экранирование и применение специальных фильтров, позволяющих «задавить» на месте источник помехи, «замуровать» его, не позволить ему излучать радиоволны. Пример эффективного подавления помех можно найти в автомобиле. Несмотря на большое количество искрящих устройств, расположенных совсем рядом — к их числу относятся генератор, реле, свечи, стартер, прерыватель и распределитель системы зажигания — автомобильный приемник практически огражден от помех «местного производства».
Обнаружением и подавлением радиопомех промышленного происхождения занимается специальная служба Министерства связи, представители которой имеются во многих городах.
Однако пора возвращаться к нашей главной теме, к колебательному контуру.
Назад: В мире качающихся маятников
Дальше: Знакомая табличка «Вход»
