Фізика. Повторне видання. 9 клас. Засєкіна

§ 26. Принцип радіозв’язку. Радіолокація

Ви дізнаєтесь

• Як передавати інформацію на відстань за допомогою електромагнітних хвиль

Пригадайте

• Досліди Генріха Герца

Принцип радіозв’язку. З дослідів Генріха Герца випливає можливість практичного застосування електромагнітних хвиль для встановлення зв’язку й передачі сигналів без провідників.

Першими досягли успіху в цьому напрямі російський фізик Олександр Степанович Попов, який продемонстрував 7 травня 1895 р. роботу свого радіоприймача, та італієць Гульельмо Марконі, який у 1902 р. здійснив радіозв’язок через Атлантичний океан. Дослідження Марконі були відзначені в 1909 р. Нобелівською премією.

Важливим етапом у розвитку радіозв’язку стало створення в 1913 р. генератора незатухаючих електромагнітних коливань, за допомогою якого можна здійснювати надійний високочастотний радіотелефонний зв’язок — передачу розмови чи музики за допомогою електромагнітних хвиль.

У наступні роки зусиллями багатьох видатних учених та інженерів радіотехніка перетворилася на галузь, без якої сьогодні неможливо уявити сучасний світ комунікацій.

Основні принципи радіозв’язку показано на малюнку 167.

Мал. 167 Принцип радіозв’язку

Коливання тиску повітря у звуковій хвилі за допомогою мікрофона перетворюються в електричний струм, величина якого змінюється синхронно з коливанням мембрани мікрофона. Отримані коливання величини електричного струму є низькочастотними і практично не придатні для передачі на відстань (випромінювання). Тому електричний струм підсилюють і модулюють. Будь-який з параметрів електромагнітної хвилі — частоту, амплітуду, фазу — можна використовувати для кодування інформації (модуляції). Найчастіше використовують амплітудну модуляцію — зміну амплітуди високочастотних електромагнітних коливань за законом електричних коливань низької частоти.

Модуляція — зміна одного або кількох параметрів високочастотного коливання за законом низькочастотного коливання.

Промодульована електромагнітна хвиля випромінюється антеною передавача і, досягнувши антени приймача, викликає в ній модульовані високочастотні коливання електричного струму.

У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяють низькочастотні коливання звукової частоти. Такий процес перетворення сигналу називають демодуляцією (детектуванням).

Детектування (демодуляція) — процес виділення низькочастотних коливань із прийнятих модульованих коливань високої частоти.

Отриманий у результаті детектування сигнал відповідає тому звуковому сигналу, який діяв на мікрофон у передавачі. Цей сигнал підсилюється й передається на гучномовець, що відтворює звук.

Такий сигнал і спосіб передавання називають аналоговим, тобто неперервним у часі та значеннях (мал. 168, а).

Передавати сигнал можна і в інший спосіб — закодувавши його. Так, звук з мікрофона (який по суті є аналоговим сигналом) можна закодувати за допомогою двох цифр (0 і 1). Звичайно, у простір не поширюється потік цифр. Просто звуку певної частоти й гучності присвоюється певний порядковий номер (десяткове число), а потім спеціальний пристрій перетворює його в послідовність 0 і 1, яка керує роботою генератора. Генератор утворює імпульси, які й передаються в простір. Тривалість і частота імпульсів має бути однаковою в передавача та приймача сигналів. Наявність імпульсу відповідає одиниці, відсутність — нулю. Тому такий сигнал і спосіб передавання називають цифровим (мал. 168, б).

Мал. 168. Способи передавання сигналу: а — аналоговий; б — цифровий

Властивості радіохвиль. Радіохвилі з різними довжинами хвиль по-різному поширюються біля поверхні Землі (мал. 169). Радіозв’язок здійснюють на довгих (10 000-1000 м), середніх (1000-100 м), коротких (100-10 м) та ультракоротких (менш ніж 10 м) хвилях.

Мал. 169. Властивості радіохвиль різних діапазонів довжин хвиль

Довгі хвилі поширюються далеко за межі видимого горизонту. Тому радіопередачі на довгих хвилях можна приймати на великих відстанях за межами прямої видимості антени.

Середні хвилі поширюються біля поверхні Землі на менші відстані за межі прямої видимості.

Короткі хвилі можна прийняти в будь-якій точці на поверхні Землі. Поширення коротких радіохвиль на великі відстані від передавальної радіостанції пояснюється їхньою здатністю відбиватися від іоносфери, як від металевої пластинки.

Ультракороткі хвилі не відбиваються іоносферою й не огинають поверхню Землі. Тому зв’язок на ультракоротких хвилях здійснюється тільки в межах прямої видимості антени передавача.

За допомогою радіохвиль передають на відстань не тільки звукові сигнали, а й зображення предмета. Телевізійні передачі ведуть у діапазоні 50-230 МГц. У цьому діапазоні електромагнітні хвилі поширюються майже в межах прямої видимості. Тому будують високі антени, використовують ретранслятори у вигляді антен та штучних супутників Землі.

Радіолокація. Ультракороткі хвилі використовують у радіолокації.

Радіолокація — це виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль.

Радіолокація ґрунтується на властивості електромагнітних хвиль відбиватися від металевих предметів або будь-яких тіл, що проводять електричний струм.

Основним пристроєм, що використовується під час радіолокації, є радар (від англ. Radar — скорочення від radio detection and ranging), або радіолокаційна станція, — система для виявлення повітряних, морських і наземних об’єктів, а також для визначення відстані до них та їхніх геометричних розмірів.

Радіолокаційні станції досліджують планети Сонячної системи й поверхню нашої Землі, визначають параметри орбіт супутників і виявляють скупчення грозових хмар.

Визначення координат цілі радаром відбувається в певній системі координат. Вибір тієї чи іншої системи координат пов’язаний зі сферою застосування радіолокаційної установки. Наприклад, наземна радіолокаційна станція спостереження за повітряною обстановкою вимірює три координати цілі: азимут, кут місця та дальність (мал. 170).

Мал. 170. Схема наземної радіолокаційної станції

Розрізняють два основні режими роботи станції: режим огляду (сканування) простору й режим спостереження за об’єктом. У режимі огляду промінь по строго визначеній системі сканує весь простір чи заданий сектор. Антена, наприклад, може повільно повертатися по азимуту й у той же час швидко рухатися вгору і вниз. У режимі спостереження антена увесь час спрямована на обраний об’єкт, і спеціальні системи стеження повертають її слідом за рухомим об’єктом.

Радіолокаційні розвідки, проведені в космічному просторі, дозволяють досліджувати навколоземні астероїди, що дає змогу прогнозувати траєкторії їхнього руху. Ці дослідження найбільш актуальні для так званих потенційно небезпечних астероїдів, траєкторії яких наближаються до Землі. За допомогою радіолокаторів «розглядають» астероїди, віддалені на мільйони кілометрів. Зафіксовані сигнали аналізують і на основі отриманої інформації створюють тривимірні моделі досліджених космічних об’єктів.

За допомогою радіолокації вперше експериментально виявлено компактне ядро комети. Природне космічне сміття, що оточує ядро комети і являє собою рій сантиметрових часток, також уперше було виявлене й досліджене за допомогою радіолокації. Крім того, саме радіолокація дає змогу визначити точну траєкторію небезпечної комети.

Підбиваємо підсумки

• Радіозв’язок — передача та прийом інформації за допомогою радіохвиль, які поширюються в просторі (бездротовий вид зв’язку).

• Для передачі звуку високочастотні коливання змінюють за допомогою електричних коливань низької частоти (цей процес називають модуляцією).

• У приймачі з модульованих коливань високої частоти виділяються низькочастотні коливання (цей процес називається детектуванням). Після підсилення коливання низької частоти можуть бути перетворені на звук.

• Радіолокація — це виявлення різних предметів і вимірювання відстані до них за допомогою радіохвиль. В основу радіолокації покладено властивість електромагнітних хвиль відбиватися від металевих предметів або будь-яких тіл, що проводять електричний струм.

ФОРМУЄМО КОМПЕТЕНТНІСТЬ

Я поміркую й зможу пояснити

• 1. Накресліть схему процесу радіопередачі. Поясніть призначення кожного блока та сутність процесу, що відбувається в кожному блоці.
• 2. Що називають модуляцією; детектуванням?
• 3. Що ви знаєте про особливості поширення середніх і довгих радіохвиль?
• 4. Що ви знаєте про особливості поширення коротких й ультракоротких радіохвиль? Яку роль у їх поширенні відіграє іоносфера?
• 5. Які радіохвилі (за довжиною та частотою) використовують у радіолокації?
• 6. Що таке радар і в яких режимах він може працювати?
• 7. Запишіть формулу, за якою визначають відстань до цілі в радіолокації.

Я можу застосовувати знання й розв'язувати задачі

Вправа 14

1. Радіолокатор працює на довжині хвилі 20 см і відправляє імпульс із частотою 4 кГц і тривалістю 2 мкс. Визначте частоту хвилі, на якій працює радар.

2. Відправлений радіолокатором сигнал повернувся назад через 43 мкс. Визначте відстань до перешкоди.

3. Визначте найбільшу й найменшу відстані, на яких радіолокатор може виявити ціль, якщо тривалість імпульсу 10^-6 с, інтервал між імпульсами 10^-4 с.

4. Довжина хвилі радіолокатора 20 см, частота випромінювання 500 імпульсів за секунду, тривалість кожного імпульсу 0,02 мкс. Скільки коливань міститься в одному імпульсі та яка найбільша відстань дії локатора?