無線電廣播發(fā)射原理(1).doc

一無線電廣播原理無線電是20世紀(jì)初期才發(fā)展起來的，開始人們把它用于通訊，無線電廣播則是無線電的一個分支。這一門科學(xué)技術(shù)在發(fā)明至今短短幾十年的時間里，發(fā)生了翻天覆地的變化。已經(jīng)被廣泛地應(yīng)用在工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、國防軍事、交通運(yùn)輸、廣播通訊和日常生活等各個方面。在這本書里，我們將從無線電廣播的基本原理開始，學(xué)習(xí)一些初級的無線電技術(shù)。并指導(dǎo)大家用一些簡單的元器件，自己組裝收音機(jī)。如果讀者能夠刻苦鉆研，克服理論學(xué)習(xí)上的困難，一邊動腦學(xué)習(xí)一邊動手實(shí)踐。不但會對本書的內(nèi)容感到濃厚的興趣，而且還會對今后進(jìn)一步學(xué)習(xí)無線電技術(shù)創(chuàng)造有利的條件。1無線電波及其發(fā)射原理在無線電廣播中我們會經(jīng)常聽到：“這里是廣播電臺，千赫”這是在告訴我們這家電臺的名稱和發(fā)射的無線電波頻率。我們知道：交流電每秒發(fā)生50次改變方向和大小的周期性變化。在電學(xué)里，把電流強(qiáng)度隨時間作周期性變化的電流叫作振蕩電流。交流電就是一種振蕩電流。振蕩電流每秒周期性變化的次數(shù)叫作振蕩頻率。在無線電技術(shù)里，向外發(fā)射的是高輻射能量的高頻（一般在幾百千赫以上）振蕩電流，而每秒振蕩幾十次的低頻振蕩電流的輻射能量很低，在無線電廣播技術(shù)中是不適用的。當(dāng)處于空間的導(dǎo)線通過高頻振蕩電流時，在它的周圍空間就要產(chǎn)生不可分割的電場和磁場。電場和磁場是統(tǒng)一的客觀物質(zhì)電磁場的兩個方面，當(dāng)導(dǎo)線周圍產(chǎn)生變化的磁場時，變化的磁場附近空間又會產(chǎn)生變化的電場；這種變化的電場又會產(chǎn)生變化的磁場（如圖1-1所示）。這種不斷交變著的電場和磁場，越來越遠(yuǎn)地向周圍空間傳播，就形成了電磁波。電磁波的傳播速度極快，在真空或空氣中的傳播速度和光速（用“c”表示）差不多，約為30萬千米秒。在高頻振蕩電流振蕩一個周期的時間內(nèi)，電磁場在空間的傳播距離叫作電磁波的波長（用“l(fā)”表示）。假定高頻振蕩電流的頻率用f表示，則有：。fc=l無線電所應(yīng)用的電磁波的波長范圍是很廣的（從幾毫米到幾千米）。并根據(jù)一定的波長范圍把電磁波劃分為幾個波段。表1-1：無線電波段的劃分波段名稱波長范圍波段名稱頻率范圍用途極長波100000米以上極低頻(ELF)3千赫以下超長波10000010000米甚低頻(VLF)330千赫長波100001000米低頻(LF)30300千赫電報中波1000100米中頻(MF)3003000千赫廣播短波10010米高頻(HF)330兆赫電報、廣播超短波101米甚高頻(UHF)30300兆赫廣播電視導(dǎo)航微波分米波101分米特高頻(UHF)3003000兆赫電視雷達(dá)導(dǎo)航厘米波101厘米超高頻(SHF)330千兆赫電視雷達(dá)導(dǎo)航毫米波101毫米極高頻(EHF)30300千兆赫雷達(dá)導(dǎo)航圖1-1電磁波的傳播過程示意圖磁場電場電場電場電場電場磁場磁場磁場不同波長的無線電波具有不同的傳播特性，其用途也各不相同（參見表1-1）。不同波長的無線電波具有不同的特性。例如中波基本上是沿地表傳播，受地面的吸收作用，使中波的傳播距離受到限制。但中波的信號穩(wěn)定，多用于省市以內(nèi)較近距離的無線電廣播。短波的傳播主要靠地面和天空中電離層之間的反射，雖然信號沒有中波穩(wěn)定，但傳播距離遠(yuǎn)，多用于國際間的無線電廣播。超短波能夠穿透電離層而不被其反射，與光線的傳播性質(zhì)相似，主要用于電視、雷達(dá)和近距離通訊。我們已經(jīng)知道，無線電發(fā)射靠的是高頻振蕩電流。那高頻電流又是怎樣產(chǎn)生的呢？產(chǎn)生高頻振蕩電流的電路叫作高頻振蕩電路，它一般是由一個線圈（用字母L表示）和電容（用字母C表示）構(gòu)成的回路組成，所以叫LC振蕩電路，如圖1-2（a）所示。在電路（a）中，電容C經(jīng)由一個開關(guān)K和電池組并聯(lián)，電池組向C充電。當(dāng)C充滿電荷時，兩極板間的電場最強(qiáng)，其兩端的電壓圖1-2振蕩電路中的電流變化曲線(c)(b)(a)(e)(d)OitiiCDCBKACCCCLLLLLKKKK也最大（等于電池組的電壓）。這時開關(guān)沒有把線圈接入，LC回路呈開路狀態(tài)，電路中的能量全部是電能。當(dāng)開關(guān)K扳向線圈，把電池組和電容斷開，LC就構(gòu)成了閉合回路。這時電容C便通過線圈L放電，由于L的自感作用，放電電流i不能立刻達(dá)到最大值而只能逐漸增大。在放電過程中，電容極板上的電荷逐漸減少，電場逐漸減弱。但隨著L中的電流增大，線圈中的磁場卻逐漸加強(qiáng)。在C放電的過程中，LC回路中的電場能被逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈中的磁場能。C放電完畢，極板上的電荷和電場全部消失，通過L中的電流達(dá)到最大值，電容C中的電場能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈L中的磁場能，如圖1-2（b）。在此過程中形成了振蕩電流i的OA段。隨后，由于線圈L的自感作用，電流到達(dá)最大值后并不立即消失，而是逐漸減小，線圈L中的磁場也開始減弱。磁場的變化要產(chǎn)生感生電流。因此電容C又被感生電流反方向重新充電，這時，電容極板上的電荷極性和極板間的電場方向跟以前相反。在這個過程中，L中的磁場能又被逐漸轉(zhuǎn)變成為電容器中的電場能。隨著磁場的逐漸減弱，感生電流也逐漸減小。當(dāng)L中的磁場減小到零時，全部能量返回電容C，此時C極板兩端的電壓和極板間的電場又達(dá)到最大值，但方向和原來相反，如圖1-2（c）所示。于是形成了振蕩電流i的AB段。接著，電容器C又要通過線圈L進(jìn)行放電，產(chǎn)生和前面放電電流方向相反的電流。放電完畢時，電路中的磁場又再一次的全部轉(zhuǎn)變成磁場能。只是這時線圈中的磁場方向和圖1-2（b）相反，如圖1-2（d）所示。這個過程形成了振蕩電流i的BC段。而后，在線圈L的自感作用下，感生電流再次使電容C充電，線圈中的磁場能又如圖1-2（e）所示，全部轉(zhuǎn)化為電容器的電場能，形成了振蕩電流的CD段。這樣上述電場和磁場周期性轉(zhuǎn)化的過程就會反復(fù)循環(huán)地進(jìn)行下去，從而在LC回路中得到周期性變化的振蕩電流。其實(shí)，在LC振蕩回路中，由于線圈導(dǎo)線中有電阻的存在，必然要引起能量損失，所以振幅（振蕩電流i的最大值）會逐漸減小，最終導(dǎo)致停振。這種振蕩被稱作減幅振蕩或阻尼振蕩，其振蕩波形如圖1-3（a）。如果能在振蕩過程中適時地給LC回路補(bǔ)充能量，來補(bǔ)償電路上的能量損耗，那么振幅就會保持不變。這種振幅不變的振蕩叫作等幅振蕩，如圖1-3（b）所示。在無線電發(fā)射技術(shù)中，所需要的是等幅振蕩，這就需要不斷地給振蕩回路補(bǔ)充能量。在實(shí)際電路中的做法是，從振蕩回路取出一部分振蕩電流送給放大器進(jìn)行放大，然后把經(jīng)放大器放大的振蕩電流再補(bǔ)充給振蕩回路，就使得振蕩電路能夠保持等幅振蕩。這種放大器和LC回路被統(tǒng)稱為振蕩電路或振蕩器，圖1-4就是一個振蕩電路的示意圖。由振蕩器產(chǎn)生的高頻等幅振蕩電流在LC回路中不斷地使電容器C內(nèi)的電場和線圈L內(nèi)的磁場發(fā)生轉(zhuǎn)變。由于電容器C極板間圖1-3阻尼振蕩和等幅振蕩iitt(b)(a)圖1-4由放大器組成的振蕩器放大器LC振蕩器的距離很小，線圈L也繞成螺線管狀，回路中的電場和磁場幾乎完全集中在電容器和線圈的內(nèi)部。這種振蕩回路向外輻射的電磁能量極小，是不利于向外輻射電磁波的。通常把這種振蕩電路叫作閉合振蕩電路。為了有效地發(fā)送電磁波，就要使振蕩電路中的電場和磁場盡可能地分布到周圍空間，這就必須對閉合振蕩電路加以變化。把電容器的極板尺寸加大，并把極板間的距離也相應(yīng)變化和增大，就會使電容器內(nèi)部電場向外輻射增多。如果繼續(xù)變化，直至把兩個極板變成兩條導(dǎo)線，一條伸入高空成為天線，另一條埋入地下成為地線，就變成了如圖1-5所示的開放式振蕩電路。開放式電路的天線和地線之間形成的分布電容替代了原來的電圖1-5把LC振蕩回路變成開放式電路LCLC天線L地線圖1-6用耦合的開放電路發(fā)射電磁波天線LC耦合線圈容器C，大大地增加了電場分布的空間，電場的周圍又產(chǎn)生磁場，磁場的周圍又產(chǎn)生電場，于是有效地把電磁波向周圍空間輻射出去。在實(shí)際的電路中，開放振蕩電路的線圈是和閉合電路的線圈繞在一起的。如圖1-6所示。振蕩器LC閉合回路當(dāng)中的振蕩電流能有效地耦合到開放式電路的耦合線圈內(nèi)，使得開放電路的線圈內(nèi)產(chǎn)生同頻率的振蕩電流，這一電流被傳送到天線，就向四周的空間發(fā)射了電磁波。2無線電波的調(diào)制理論和實(shí)踐證明，只有無線電波的波長和發(fā)射天線的尺寸相差不多時，才能有效地向外發(fā)射。說話的聲音、演奏的音樂是聲波，它們的頻率在20HZ15000HZ之間，波長大約為15000KM20KM之間?？梢娨胫圃爝@樣高大的天線是根本不可能的。雖然音頻信號可借助空氣傳向四周。但聲波的傳播距離很近，在距聲源稍遠(yuǎn)的地方就聽不到了。把聲音的變化轉(zhuǎn)變成相對應(yīng)的電信號（稱為音頻信號）雖然能夠用導(dǎo)線傳向較遠(yuǎn)的地方，但因頻率過低而不能用來進(jìn)行發(fā)射。而高頻率的無線電波在空間卻可傳播得很遠(yuǎn)很遠(yuǎn)。如果能將高頻信號作為運(yùn)載工具，把音頻信號裝載在高頻信號上，就能把音頻信號通過空間傳向遠(yuǎn)方了。在無線電技術(shù)里，把載運(yùn)音頻信號（或其它低頻信號）的高頻無線電波稱為載波。把音頻信號（或其它低頻信號）加載到高頻無線電波的過程叫作調(diào)制。沒有加載音頻信號（或其它低頻信號）的無線電波稱為等幅波，加載音頻信號以后的無線電波被叫作調(diào)制波。用來調(diào)制載波的音頻信號也叫作調(diào)制信號。無線電廣播中采用的調(diào)制方式一般是用音頻電流去調(diào)制高頻電流的振幅，也就是使載波的振幅隨著廣播的語言、音樂等音頻信號的變化而變化。這種調(diào)制方式叫作調(diào)幅。被調(diào)制后的無線電波被叫作調(diào)幅波，其調(diào)制原理和波形如圖1-7所示。圖中的（a）表示未調(diào)制前的等幅波，（b）表示音頻調(diào)制信號，（c）表示被調(diào)制以后的調(diào)幅波。從圖中可以看出，調(diào)幅波振幅的包絡(luò)線（即振幅變化的軌跡）與音頻調(diào)制信號完全一樣。除調(diào)幅以外，無線電廣播采用的調(diào)制方法還有調(diào)頻，它是使載波信號的頻率隨著調(diào)制信號的幅度發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)制信號為零時，載波信號的頻率為一個定值，被稱作調(diào)頻信號的中心頻率。調(diào)制時，這個中心頻率隨著調(diào)制信號的幅度發(fā)生偏移，如圖1-8所示。在調(diào)頻波中，既反應(yīng)了調(diào)制信號正負(fù)的變化，也反應(yīng)了調(diào)制信號振幅的變化。從圖中還可看出，調(diào)頻波是等圖1-7調(diào)幅波的示意圖(c)高頻調(diào)幅波信號(b)低頻或音頻調(diào)制信號(a)高頻等幅振蕩信號包絡(luò)線圖1-8調(diào)頻波的示意圖(c)高頻調(diào)頻波信號(b)低頻或音頻調(diào)制信號(a)高頻等幅振蕩信號等幅幅波，不管中心頻率怎樣偏移，它的振幅都不改變。由于調(diào)頻波的抗干擾能力強(qiáng)，頻帶寬，被廣泛地應(yīng)用于電視（伴音）和廣播。由此可見，廣播電臺的廣播過程就是一個調(diào)制和發(fā)射無線電波的過程。圖1-9是一個調(diào)幅廣播電臺的示意圖。從圖中看出，廣播節(jié)目的聲音通過話筒或錄音機(jī)變成音頻信號，然后被送入音頻放大器進(jìn)行放大，經(jīng)過放大的音頻信號和高頻振蕩器產(chǎn)生的高頻載波一起又被送入調(diào)制電路中，在調(diào)制電路的輸出端就得到了被調(diào)制的高頻調(diào)幅信號。高頻調(diào)幅信號再經(jīng)高頻放大獲得足夠的強(qiáng)度后，耦合到發(fā)射天線向外發(fā)射出去。3無線電波的解調(diào)解調(diào)和調(diào)制的過程正好相反。在無線電技術(shù)中，把調(diào)制信號加載到載波信號上的過程叫作調(diào)制，把調(diào)制信號從載波信號中分離出來叫作解調(diào)。調(diào)幅波的解調(diào)被稱為檢波，調(diào)頻波的解調(diào)稱為鑒頻。檢波是由檢波器來完成的。圖1-10是檢波器的輸入信號和輸出信號的波形圖，高頻調(diào)幅信號輸入檢波器后，在輸出端即可得到還原出的音頻信號。檢波器一般由二極管（也有用三極管的）、電阻和電容等元件構(gòu)成的電路組成，也叫作檢波電路。它是利用二極管的單向發(fā)射機(jī)圖1-9調(diào)幅波的發(fā)射過程示意圖話筒發(fā)射天線高頻振蕩器調(diào)制電路高頻放大器音頻放大器導(dǎo)電的特性或非線性特性來實(shí)現(xiàn)的。高頻調(diào)幅波經(jīng)過二極管后，就變成了具有調(diào)制信號低頻成份的波形，用電容等元件把剩余的高頻部分濾掉，就得到了原來的調(diào)制信號。有關(guān)檢波的詳細(xì)原理，將在后面介紹。調(diào)頻信號的解調(diào)過程比檢波復(fù)雜，一般要分兩步進(jìn)行。第一步是先將等幅的調(diào)頻波變成幅度隨頻率變化的調(diào)幅波，使其幅度的變化規(guī)律和頻率的變化規(guī)律相同（也就是和調(diào)制信號的大小變化規(guī)律相同），第二步再從調(diào)幅波中解調(diào)出低頻信號。在本書介紹的制作中沒有涉及到調(diào)頻收音機(jī)和調(diào)頻信號的解調(diào)，故未把鑒頻作為詳細(xì)介紹，對此感興趣的讀者可參考其它有關(guān)書籍。4無線電波的接收原理通過前面的學(xué)習(xí)已經(jīng)知道：無線電廣播時必須用音頻信號去調(diào)制高頻載波，然后通過發(fā)射天線把經(jīng)過調(diào)制的高頻電波發(fā)射到空間去。對于無線電接收設(shè)備收音機(jī)來說，則要求能從空間眾多的電臺信號中把所需要的電臺信號選擇接收下來，并把它還原成聲音。天線從空中感應(yīng)接收下來的高頻信號是非常微弱的，在收音機(jī)中還需要把選擇接收到的高頻信號進(jìn)一步放大。放大后的高頻信號還要進(jìn)行解調(diào)，使之還原成音頻信號，然后再對音頻信號進(jìn)行放大，使音頻信號達(dá)到足夠的強(qiáng)度后再去推動揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。收音機(jī)是怎樣從眾多的電臺信號中選擇電臺的呢？要弄清這個問題需要搞清除什么是電諧振。前面介紹振蕩電流是怎樣產(chǎn)生的時候，曾講過LC振蕩回高頻調(diào)幅信號輸入輸出圖1-10檢波器的輸入波形和輸出波形音頻信號檢波器路。當(dāng)LC回路中的電容充滿電荷后，就會產(chǎn)生電場能和磁場能的連續(xù)轉(zhuǎn)換，從而形成所謂的振蕩。電場能和磁場能每轉(zhuǎn)換兩次就形成了振蕩電流的一個周期（參見圖1-2），振蕩電流每秒變化的周期數(shù)就叫作振蕩頻率。由于振蕩是電容C向L放電，L內(nèi)的感生電動流又向C反向充電形成的，所以振蕩的周期和電容充放電的時間有關(guān)。電容C越大，線圈L的電感越大，電容充放電的時間（振蕩的周期）越長；電容C越小，線圈L的電感越小，電容充放電的時間（振蕩的周期）越短。也就是說，LC越小振蕩頻率就越高，反之振蕩頻率就降低。一個LC振蕩回路，只要LC的數(shù)值一經(jīng)確定，它的振蕩頻率就是固定不變的。在電子學(xué)中，把某個LC回路能夠產(chǎn)生振蕩的頻率稱為這個LC回路的固有頻率。在圖1-11所示的電路中，L1和L2是繞在同一螺線管上的兩個線圈，它們之間的距離很近，通過L2的交變電流產(chǎn)生的磁場也會通過L1，并在其中感應(yīng)出和L2頻率相同的交變電流。當(dāng)把L2的兩端分別與天線和地線連接的時候，天線接收下來的各個電臺不同頻率的高頻信號就會在L2中產(chǎn)生出和各個電臺同頻率的感生電流。這個電流也會感應(yīng)到L1中。由天線接收到的電臺信號是很微弱的，感應(yīng)到L1中的電流也很微弱。假如某電臺的信號頻率剛好和L1C回路的固有頻率相同，則該電臺在L1C回路中產(chǎn)生的感生電流就會增強(qiáng)數(shù)十至數(shù)百倍。這一現(xiàn)象被稱為電諧振。電諧振時感生電流增強(qiáng)的倍數(shù)，被叫作該LC回路的Q值。如果某電臺的諧振電流比其它不諧振電臺的感生電流大出Q倍，就很容易把諧振電臺的信號從眾多的電臺信號中挑選出來。L1Ce電臺L2c電臺b電臺d電臺a電臺圖1-11電諧振的原理諧振電流i在實(shí)際的選臺電路中，每個電臺的頻率是固定不變的。為了使LC諧振回路能夠產(chǎn)生不同的固有頻率來和不同的電臺信號諧振，需要改變LC的數(shù)值才能實(shí)現(xiàn)。在實(shí)際的收音機(jī)電路中，多采用改變電容C的方法來實(shí)現(xiàn)諧振。圖1-12是一個收音機(jī)的實(shí)際選臺電路（也叫作調(diào)諧回路），它和圖1-11的電路完全一樣，只是把電容C變成了可變電容器。可變電容的容量是可以改變的，旋動可變電容的旋柄改變其容量時，LC回路的固有頻率就發(fā)生改變。當(dāng)固有頻率與需要選擇的電臺頻率諧振時，在可變電容C的兩端就可把強(qiáng)于其它電臺信號Q倍的諧振信號取出來。取出的諧振信號，可直接經(jīng)檢波后推動耳機(jī)發(fā)聲，也可送到下