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(gè)分支。這一門科學(xué)技術(shù)在發(fā)明至今短短幾十年的時(shí)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(guó)防軍事、交通運(yùn)輸、廣播通訊和日常生活等各個(gè)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(jí)的無線電技術(shù)。并指導(dǎo)大家用一些簡(jiǎn)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(dòng)腦學(xué)習(xí)一邊動(dòng)手實(shí)踐。不但會(huì)對(duì)本書的內(nèi)容感到濃厚的興趣，而且還會(huì)對(duì)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(huì)經(jīng)常聽到：“這里是廣播電臺(tái)，千赫”這是在告訴我們這家電臺(tái)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(shí)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(shí)，在它的周圍空間就要產(chǎn)生不可分割的電場(chǎng)和磁場(chǎng)。電場(chǎng)和磁場(chǎng)是統(tǒng)一的客觀物質(zhì)電磁場(chǎng)的兩個(gè)方面，當(dāng)導(dǎo)線周圍產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)時(shí)，變化的磁場(chǎng)附近空間又會(huì)產(chǎn)生變化的電場(chǎng)；這種變化的電場(chǎng)又會(huì)產(chǎn)生變化的磁場(chǎng)（如圖1-1所示）。這種不斷交變著的電場(chǎng)和磁場(chǎng)，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(gè)周期的時(shí)間內(nèi)，電磁場(chǎng)在空間的傳播距離叫作電磁波的波長(zhǎng)（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(zhǎng)范圍是很廣的（從幾毫米到幾千米）。并根據(jù)一定的波長(zhǎng)范圍把電磁波劃分為幾個(gè)波段。表1-1：無線電波段的劃分波段名稱波長(zhǎng)范圍波段名稱頻率范圍用途極長(zhǎng)波100000米以上極低頻(ELF)3千赫以下超長(zhǎng)波10000010000米甚低頻(VLF)330千赫長(zhǎng)波100001000米低頻(LF)30300千赫電報(bào)中波1000100米中頻(MF)3003000千赫廣播短波10010米高頻(HF)330兆赫電報(bào)、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(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)電場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)磁場(chǎng)不同波長(zhǎng)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(zhǎng)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(hào)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(hào)沒有中波穩(wěn)定，但傳播距離遠(yuǎn)，多用于國(guó)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(gè)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(gè)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(shí)，兩極板間的電場(chǎng)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(shí)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(shí)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(chǎng)逐漸減弱。但隨著L中的電流增大，線圈中的磁場(chǎng)卻逐漸加強(qiáng)。在C放電的過程中，LC回路中的電場(chǎng)能被逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈中的磁場(chǎng)能。C放電完畢，極板上的電荷和電場(chǎng)全部消失，通過L中的電流達(dá)到最大值，電容C中的電場(chǎng)能全部轉(zhuǎn)變?yōu)榫€圈L中的磁場(chǎng)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(chǎng)也開始減弱。磁場(chǎng)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(shí)，電容極板上的電荷極性和極板間的電場(chǎng)方向跟以前相反。在這個(gè)過程中，L中的磁場(chǎng)能又被逐漸轉(zhuǎn)變成為電容器中的電場(chǎng)能。隨著磁場(chǎng)的逐漸減弱，感生電流也逐漸減小。當(dāng)L中的磁場(chǎng)減小到零時(shí)，全部能量返回電容C，此時(shí)C極板兩端的電壓和極板間的電場(chǎng)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(shí)，電路中的磁場(chǎng)又再一次的全部轉(zhuǎn)變成磁場(chǎng)能。只是這時(shí)線圈中的磁場(chǎng)方向和圖1-2（b）相反，如圖1-2（d）所示。這個(gè)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(chǎng)能又如圖1-2（e）所示，全部轉(zhuǎn)化為電容器的電場(chǎng)能，形成了振蕩電流的CD段。這樣上述電場(chǎng)和磁場(chǎng)周期性轉(zhuǎn)化的過程就會(huì)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(huì)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(shí)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(huì)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(gè)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(chǎng)和線圈L內(nèi)的磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)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(chǎng)和磁場(chǎng)盡可能地分布到周圍空間，這就必須對(duì)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(huì)使電容器內(nèi)部電場(chǎng)向外輻射增多。如果繼續(xù)變化，直至把兩個(gè)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(chǎng)分布的空間，電場(chǎng)的周圍又產(chǎn)生磁場(chǎng)，磁場(chǎng)的周圍又產(chǎn)生電場(chǎng)，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(zhǎng)和發(fā)射天線的尺寸相差不多時(shí)，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(zhǎng)大約為15000KM20KM之間。可見要想制造這樣高大的天線是根本不可能的。雖然音頻信號(hào)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(duì)應(yīng)的電信號(hào)（稱為音頻信號(hào)）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(hào)作為運(yùn)載工具，把音頻信號(hào)裝載在高頻信號(hào)上，就能把音頻信號(hào)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(hào)（或其它低頻信號(hào)）的高頻無線電波稱為載波。把音頻信號(hào)（或其它低頻信號(hào)）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(hào)（或其它低頻信號(hào)）的無線電波稱為等幅波，加載音頻信號(hào)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(hào)也叫作調(diào)制信號(hào)。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(hào)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(hào)，（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(hào)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(hào)的頻率隨著調(diào)制信號(hào)的幅度發(fā)生變化。當(dāng)調(diào)制信號(hào)為零時(shí)，載波信號(hào)的頻率為一個(gè)定值，被稱作調(diào)頻信號(hào)的中心頻率。調(diào)制時(shí)，這個(gè)中心頻率隨著調(diào)制信號(hào)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(hào)正負(fù)的變化，也反應(yīng)了調(diào)制信號(hào)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(hào)(b)低頻或音頻調(diào)制信號(hào)(a)高頻等幅振蕩信號(hào)包絡(luò)線圖1-8調(diào)頻波的示意圖(c)高頻調(diào)頻波信號(hào)(b)低頻或音頻調(diào)制信號(hào)(a)高頻等幅振蕩信號(hào)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(tái)的廣播過程就是一個(gè)調(diào)制和發(fā)射無線電波的過程。圖1-9是一個(gè)調(diào)幅廣播電臺(tái)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(hào)，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(hào)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(hào)。高頻調(diào)幅信號(hào)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(hào)加載到載波信號(hào)上的過程叫作調(diào)制，把調(diào)制信號(hào)從載波信號(hào)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(hào)和輸出信號(hào)的波形圖，高頻調(diào)幅信號(hào)輸入檢波器后，在輸出端即可得到還原出的音頻信號(hào)。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(hào)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(hào)。有關(guān)檢波的詳細(xì)原理，將在后面介紹。調(diào)頻信號(hào)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(hào)的大小變化規(guī)律相同），第二步再?gòu)恼{(diào)幅波中解調(diào)出低頻信號(hào)。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(hào)的解調(diào)，故未把鑒頻作為詳細(xì)介紹，對(duì)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(shí)必須用音頻信號(hào)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(duì)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(tái)信號(hào)中把所需要的電臺(tái)信號(hào)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(hào)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(hào)進(jìn)一步放大。放大后的高頻信號(hào)還要進(jìn)行解調(diào)，使之還原成音頻信號(hào)，然后再對(duì)音頻信號(hào)進(jìn)行放大，使音頻信號(hào)達(dá)到足夠的強(qiáng)度后再去推動(dòng)揚(yáng)聲器發(fā)出聲音。收音機(jī)是怎樣從眾多的電臺(tái)信號(hào)中選擇電臺(tái)的呢？要弄清這個(gè)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(shí)候，曾講過LC振蕩回高頻調(diào)幅信號(hào)輸入輸出圖1-10檢波器的輸入波形和輸出波形音頻信號(hào)檢波器路。當(dāng)LC回路中的電容充滿電荷后，就會(huì)產(chǎn)生電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能的連續(xù)轉(zhuǎn)換，從而形成所謂的振蕩。電場(chǎng)能和磁場(chǎng)能每轉(zhuǎn)換兩次就形成了振蕩電流的一個(gè)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(dòng)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(shí)間有關(guān)。電容C越大，線圈L的電感越大，電容充放電的時(shí)間（振蕩的周期）越長(zhǎng)；電容C越小，線圈L的電感越小，電容充放電的時(shí)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(gè)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(gè)LC回路能夠產(chǎn)生振蕩的頻率稱為這個(gè)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(gè)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(chǎng)也會(huì)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(shí)候，天線接收下來的各個(gè)電臺(tái)不同頻率的高頻信號(hào)就會(huì)在L2中產(chǎn)生出和各個(gè)電臺(tái)同頻率的感生電流。這個(gè)電流也會(huì)感應(yīng)到L1中。由天線接收到的電臺(tái)信號(hào)是很微弱的，感應(yīng)到L1中的電流也很微弱。假如某電臺(tái)的信號(hào)頻率剛好和L1C回路的固有頻率相同，則該電臺(tái)在L1C回路中產(chǎn)生的感生電流就會(huì)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(shí)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(tái)的諧振電流比其它不諧振電臺(tái)的感生電流大出Q倍，就很容易把諧振電臺(tái)的信號(hào)從眾多的電臺(tái)信號(hào)中挑選出來。L1Ce電臺(tái)L2c電臺(tái)b電臺(tái)d電臺(tái)a電臺(tái)圖1-11電諧振的原理諧振電流i在實(shí)際的選臺(tái)電路中，每個(gè)電臺(tái)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(tái)信號(hào)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(gè)收音機(jī)的實(shí)際選臺(tái)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(dòng)可變電容的旋柄改變其容量時(shí)，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(tái)頻率諧振時(shí)，在可變電容C的兩端就可把強(qiáng)于其它電臺(tái)信號(hào)Q倍的諧振信號(hào)取出來。取出的諧振信號(hào)，可直接經(jīng)檢波后推動(dòng)耳機(jī)發(fā)聲，也可送到下