Podstawy komunikacji radiowej

Podstawy budowania zdrowego związku | Audycja Life Architect #4 (Lipiec 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Podstawy komunikacji radiowej

Obwody elektryczne prądu zmiennego


Pytanie 1

Co oznacza skrót RF w odniesieniu do elektroniki związanej z radiem "# 1"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

"RF" oznacza częstotliwość radiową, co oznacza częstotliwość prądu przemiennego (AC) znacznie większą niż napotyka się w zasilaczach prądu przemiennego lub obwodach audio.

Uwagi:

Poproś uczniów, aby podali częstotliwości swoich ulubionych radiostacji jako przykład niektórych częstotliwości radiowych. Pokaż im typowy generator sygnału stacjonarnego (nie-RF) do porównania zakresu częstotliwości i powinni zacząć rozumieć koncepcję.

pytanie 2

W tym momencie wiemy, że każdy obwód składający się z indukcyjności (L) i pojemności (C) może rezonować : osiągając duże wartości napięcia i prądu AC, jeśli "wzbudził" się przy właściwej częstotliwości. Tak zwany obwód zbiornikowy jest najprostszym przykładem tego:

Im mniejszy opór (R) taki obwód, tym lepsza jest jego zdolność rezonansu.

Wiemy również, że każdy kawałek drutu zawiera zarówno indukcyjność, jak i pojemność, rozmieszczoną wzdłuż jej długości. Te właściwości niekoniecznie są zamierzone - istnieją niezależnie od tego, czy chcielibyśmy, czy nie:

Biorąc pod uwagę, że rezystancja elektryczna ciągłego kawałka drutu metalowego jest zwykle dość niska, należy opisać, jakie są te naturalne właściwości indukcyjności i pojemności w odniesieniu do funkcji tego drutu jako elementu elektrycznego.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Fakt, że kawałek drutu zawiera zarówno indukcyjność, jak i pojemność, oznacza, że ​​ma on zdolność rezonansu, tak jak każdy obwód zbiornika!

Pytanie uzupełniające: oszacuj jakościowo częstotliwość, na którą miałaby wpływ długość przewodu. Czy uważasz, że f r byłaby bardzo niską wartością (dziesiątki herców), bardzo wysoką wartością (tysiące, miliony lub miliardy herców) lub gdzieś pomiędzy "wszystkimi">

f r = 1


2 π


LC

Uwagi:

Jeśli Twoi uczniowie mają trudności z ustaleniem, od czego zacząć pytanie uzupełniające, poproś ich, aby oszacowali rozkład L i C na kawałek drutu, powiedzmy, o długości 10 stóp. Biorąc pod uwagę brak jakiegokolwiek materiału rdzeniowego o wysokiej przenikalności i brak dielektryka o wysokiej przenikalności (tylko powietrze), odpowiedzi dla obu powinny być "bardzo małe". Następnie, zapytaj ich ponownie, jak będą jakościowo oceniać częstotliwość rezonansową drutu.

pytanie 3

Pokazano tutaj prostą antenę ćwierćfalową, składającą się z pojedynczego przewodu wystającego pionowo z jednego zacisku źródła napięcia RF, a drugi z terminala podłączonego do uziemienia:

Ponownie narysuj tę ilustrację, pokazując równoważną indukcyjność i pojemność wyświetlaną przez tę antenę. Pokaż te właściwości, używając rzeczywistych cewek i symboli kondensatorów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: jak można się spodziewać indukcyjności i pojemności tej anteny w odniesieniu do jej fizycznej długości "uwagi ukryte"> Uwagi:

Nie zdziw się, jeśli niektórzy z twoich uczniów zapytają, czy antena jest zdolna do rezonansu, ponieważ ma ona zarówno indukcyjność, jak i pojemność. W rzeczywistości jest to wywrotowy punkt tego pytania: aby uczniowie uświadomili sobie, że nawet prosta para przewodów może być uważana za system rezonansowy, a następnie żebrać o to, co dzieje się w rezonansie! Kolejne pytanie sugeruje związek między wielkością fizyczną a częstotliwością rezonansową, pytając, co dzieje się z L i C jako zmianami długości. Poznaj te pomysły ze swoimi uczniami i zobacz, jak zyskują zaskakująco głębokie zrozumienie działania anteny opartej na znajomości obwodów rezonansowych LC.

Pytanie 4

Pokazano tutaj prostą antenę dipolową, złożoną z dwóch równych długości przewodów wystających z końcówek źródła napięcia RF:

Ponownie narysuj tę ilustrację, pokazując równoważną indukcyjność i pojemność wyświetlaną przez tę antenę. Pokaż te właściwości, używając rzeczywistych cewek i symboli kondensatorów.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Pytanie uzupełniające: jak można się spodziewać indukcyjności i pojemności tej anteny w odniesieniu do jej fizycznej długości "uwagi ukryte"> Uwagi:

Nie zdziw się, jeśli niektórzy z twoich uczniów zapytają, czy antena jest zdolna do rezonansu, ponieważ ma ona zarówno indukcyjność, jak i pojemność. W rzeczywistości jest to wywrotowy punkt tego pytania: aby uczniowie uświadomili sobie, że nawet prosta para przewodów może być uważana za system rezonansowy, a następnie żebrać o to, co dzieje się w rezonansie! Kolejne pytanie sugeruje związek między wielkością fizyczną a częstotliwością rezonansową, pytając, co dzieje się z L i C jako zmianami długości. Poznaj te pomysły ze swoimi uczniami i zobacz, jak zyskują zaskakująco głębokie zrozumienie działania anteny opartej na znajomości obwodów rezonansowych LC.

Pytanie 5

Szkocki fizyk o nazwisku James Clerk Maxwell dokonał zadziwiającej teoretycznej prognozy w XIX wieku, którą wyraził tymi dwoma równaniami:

⌠ () ⌡E · d l = - d Φ B


dt

⌠ () ⌡B · d l = μ 0 I + μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Pierwsze równanie stwierdza, że ​​pole elektryczne ( E ) będzie wytwarzane w otwartej przestrzeni przez zmienny strumień magnetyczny (((d Φ B ) / dt)). Drugie równanie stwierdza, że ​​pole magnetyczne ( B ) będzie wytwarzane w otwartej przestrzeni przez prąd elektryczny (I) lub przez zmienny strumień elektryczny (((d Φ E ) / dt)). Biorąc pod uwagę tę komplementarną relację, rozumował Maxwell, było możliwe, że zmieniające się pole elektryczne tworzy zmienne pole magnetyczne, które następnie tworzy kolejne zmieniające się pole elektryczne i tak dalej. Ten cykl przyczynowo-skutkowy może trwać nieprzerwanie, w nieskończoność, z szybko zmieniającymi się polami elektrycznymi i magnetycznymi emitującymi promieniowanie w otwartą przestrzeń bez potrzeby stosowania kabli lub prowadzenia. Innymi słowy, pola uzupełniające byłyby samowystarczalne podczas podróży.

Wyjaśnij znaczenie prognoz Maxwella, szczególnie w odniesieniu do elektroniki.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

To, co przewidywał James Clerk Maxwell, to istnienie fal elektromagnetycznych, czyli tych o najniższej częstotliwości, które zwykle nazywamy falami radiowymi .

Pytanie uzupełniające: nazwij naukowca, który pierwszy eksperymentalnie potwierdził prognozę Maxwella dotyczącą fal elektromagnetycznych.

Uwagi:

To pytanie nie tylko odnosi się do koncepcji fal radiowych do pojęć, które uczniowie powinni już znać (pola elektryczne i magnetyczne), ale także wprowadza kawałek niesamowitej historii naukowej. To, że fale radiowe zostały po raz pierwszy przewidziane matematycznie, a nie odkryte przypadkowo przez eksperyment, jest zarówno zadziwiające, jak i oświecające.

Może się okazać, że jeden lub więcej twoich jaśniejszych uczniów zauważy, że przewidywania Maxwella dotyczą zmiany jednego rodzaju pola do wielkości statycznej drugiego (tj. E α ((dΦ B ) / dt) i B α ((dΦ E ) / dt)) i to sprawia, że ​​trudno jest dostrzec, w jaki sposób jedno zmieniające się pole może stworzyć kolejne zmienne pole. Jeśli ktoś zadaje to pytanie, wskaż im, że istnieje zestaw podobnych funkcji matematycznych powiązanych ze sobą pochodnymi, i są to:

sint = - re


dt

koszt kosztu = re


dt

sint

Czy coś wygląda znajomo (z pominięciem równania μ 0 I z drugiego równania)?

⌠ () ⌡E · d l = - d Φ B


dt

⌠ () ⌡B · d l = μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Ponieważ wiemy, że strumień elektryczny jest związany z polem elektrycznym przez geometrię (Φ E = ∫ E · d A ), a strumień magnetyczny jest również powiązany z polem magnetycznym przez geometrię (Φ B = ∫ B · d A ), możemy zapisać następujące proporcjonalności:

Φ E α - d Φ B


dt

Φ B α d Φ E


dt

Teraz, czy rzeczy wyglądają podobnie do związku pochodnego sinus / kosinus? Tak więc, jeśli strumień elektryczny Φ E oscyluje jako fala sinusoidalna, strumień magnetyczny Φ B będzie oscylował jako fala cosinusoidalna, i tak dalej.

Pytanie 6

W 1887 roku niemiecki fizyk o nazwisku Heinrich Hertz z powodzeniem udowodnił istnienie fal elektromagnetycznych . Sprawdź poniższy schemat urządzenia, którego używał do tego celu, i wyjaśnij, jakie znaczenie ma odkrycie Hertza w twoich badaniach nad elektroniką:

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Eksperyment Hertza empirycznie zademonstrował teoretyczne odkrycie Jamesa Clerk Maxwella, który stwierdził przed laty, że "fale elektromagnetyczne" składające się z pól elektrycznych i magnetycznych, oscylujących prostopadle do siebie, muszą być w stanie promieniować przez pustą przestrzeń. Jest to podstawa komunikacji radiowej: generowanie tych fal elektromagnetycznych w celu przekazywania informacji na duże odległości bez przewodów.

Uwagi:

Eksperyment taki jak ten nie jest trudny do skonfigurowania. Upewnij się, że zapewniono odpowiednie środki bezpieczeństwa przeciwko porażeniu prądem elektrycznym, ponieważ takie nadajniki iskiernikowe (jak nazwano je) wymagają zasadniczo wysokiego napięcia do działania.

Pytanie 7

Biorąc pod uwagę prognozę Jamesa Clerk'a Maxwella dotyczącą fal elektromagnetycznych powstających w wyniku samozachowania zmieniających się pól elektrycznych i magnetycznych w otwartej przestrzeni, jakiego rodzaju urządzenie lub zbiór urządzeń myślisz, że musielibyśmy stworzyć fale elektromagnetyczne oscylujące z częstotliwością mieszczącą się w zakresie możliwe do osiągnięcia przez obwód elektryczny "# 7"> Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Idealnie byłoby potrzebne urządzenie wytwarzające w przestrzeni zarówno pola elektryczne, jak i magnetyczne: coś, co ma zarówno pojemność, jak i indukcyjność w nieekranowanej postaci, w której pola elektryczne i magnetyczne będą otwarte w przestrzeni. Innymi słowy, potrzebujesz anteny .

Uwagi:

Celem tego pytania jest powiązanie pojęcia rozproszonej pojemności i indukcyjności wzdłuż prostego kawałka drutu z samą naturą fal elektromagnetycznych (oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych). Jeśli studenci sugerują użycie kondensatorów i cewek, są dość blisko znaku. Niestety urządzenia te są zwykle zaprojektowane tak, aby zawierały odpowiednie pola, aby zapobiec promieniowaniu w kosmos. Tutaj chcemy, aby pola promieniowały z dala od urządzenia, więc używamy otwartego drutu (lub szeregu otwartych przewodów).

Pytanie 8

Chociaż anteny nadajnika radiowego idealnie posiadają tylko indukcyjność i pojemność (brak oporu), w praktyce okazuje się, że są bardzo rozpraszające. Innymi słowy, mają tendencję do działania jako duże rezystory do przekaźników, z którymi są połączone. Wyjaśnij, dlaczego tak jest. W jakiej formie jest rozproszony manifest energii (ciepło, światło lub coś innego)?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Idealnie, 100% energii dostarczanej do anteny pozostawia w postaci promieniowania elektromagnetycznego.

Uwagi:

Chociaż uczniowie mogą mieć pewne skojarzenia z koncepcją "rozpraszania" wyłącznie z rezystorami, nie jest to całkowicie poprawne. Wszystko, co rozumie się przez "rozproszenie", to rozproszenie energii; to znaczy, energia opuszcza obwód elektryczny i nie wraca. W przypadku rezystorów występuje to w postaci ciepła, ale nie jest to jedyny rodzaj rozpraszania! W silnikach elektrycznych większość energii jest rozpraszana w postaci energii mechanicznej, która idzie do pracy (i trochę ciepła, oczywiście). Żarówki rozpraszają energię w postaci światła, a nie tylko ciepła.

Pytanie 9

Kryształowa kielich może zostać rozbity, jeśli zostanie wystawiony na dźwięk o wysokiej intensywności. Mniejsza objętość jest wymagana do rozbicia czara, jeśli dźwięk jest na takiej częstotliwości, że rezonuje z naturalną częstotliwością czara. Oznacza to, że maksymalne przeniesienie energii do kubka nastąpi, jeśli fale dźwiękowe będą przesyłane dokładnie z częstotliwością rezonansową kubka.

Jak to zjawisko wiąże się z odbiorem fal radiowych, ponieważ wiemy, że antena radiowa działa skutecznie jako rezonansowa sieć LC (indukcyjność / pojemność)?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Antena radiowa będzie najskuteczniej odbierać energię elektromagnetyczną, jeśli będzie ona dostosowywana (dostrojona) do dokładnej częstotliwości pożądanych fal radiowych.

Uwagi:

Analogia czara rozbita falami dźwiękowymi pomaga uczniom łatwo identyfikować się z koncepcją, która jest poza tym abstrakcyjna: odbiór fal elektromagnetycznych przez antenę. Poproś uczniów, aby powiązali dopasowanie częstotliwości do transmisji fal radiowych, a także ich odbioru.

Pytanie 10

Fale radiowe składają się z oscylujących pól elektrycznych i magnetycznych, które promieniują z dala od źródeł prądu o wysokiej częstotliwości przy (prawie) prędkości światła. Ważną miarą fali radiowej jest jej długość fali, zdefiniowana jako odległość, jaką fala podróżuje w jednym pełnym cyklu.

Załóżmy, że nadajnik radiowy działa ze stałą częstotliwością 950 kHz. Oblicz przybliżoną długość fali (λ) fal radiowych pochodzących z wieży nadawczej, w metrycznej jednostce odległości liczników. Napisz również równanie, którego użyłeś do rozwiązania dla λ.

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

λ ≈ 316 metrów

Pozwolę ci znaleźć równanie na własną rękę!

Uwagi:

Celowo pomijam prędkość światła, a także równanie czasu / odległości / prędkości, aby uczniowie musieli wykonać proste badania, które obliczyły tę wartość. Żadna z tych koncepcji nie znajduje się poza uczniami szkół średnich i nie powinna stwarzać trudności uczniom na poziomie uniwersyteckim.

Pytanie 11

Antena radiowa ma zarówno pasożytniczą pojemność, jak i rozproszoną indukcyjność, rozmieszczoną na całej długości:

Idealnie, antena wykazuje tylko te właściwości elektryczne, bez oporu. Co to sugeruje na temat zachowania elektrycznego anteny, szczególnie w porównaniu do zachowania innych obwodów LC, które znasz "# 11"> Odsłoń odpowiedź Ukryj odpowiedź

Antena radiowa ma częstotliwość rezonansową, podobnie jak obwód LC.

Pytanie uzupełniające: jakie zmienne fizyczne określają częstotliwość rezonansową anteny?

Uwagi:

Ważne jest, aby uczniowie mogli powiązać nowe informacje z tymi, które już rozumieją. Przyrównując antenę do obwodu LC (rezonansowego), uczniowie powinni być w stanie przewidzieć coś na temat zachowania się anten i dlaczego ważne jest dopasowanie anteny do częstotliwości transmisji.

Pytanie 12

Podczas wykonywania testów nadajnika radiowego często jest to konieczne bez faktycznego nadawania sygnału przez antenę. W takich sytuacjach rezystor zastępczy jest podłączony do wyjścia nadajnika zamiast rzeczywistej anteny. Po prawidłowym wybraniu rezystor "wygląda" tak samo jak antena z perspektywy nadajnika.

Wyjaśnij, jak to jest możliwe, ponieważ prawdziwe anteny są tak zbudowane, aby mieć jak najmniejszy opór. W jaki sposób rezystor może zastąpić antenę, która nie przypomina rezystora ani w konstrukcji, ani w celu?

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

Chociaż antena ma niewielki faktyczny opór, to emituje energię w kosmos, tak jak rezystor rozprasza energię w postaci ciepła. Jedyna znacząca różnica polega na tym, że promieniowanie anteny ma postać fal elektromagnetycznych o tej samej częstotliwości, co sygnał wyjściowy nadajnika.

Uwagi:

Zapytaj uczniów, jakie kryteria muszą spełniać opornik, aby prawidłowo służył jako "obojętna" antena. Omów impedancję, współczynnik Q, moc znamionową itp.

Pytanie 13

Oblicz teoretyczną długość anteny "półfalowej", przyjmując częstotliwość nadawczą "nośną" 105, 3 MHz:

Oblicz także praktyczną długość anteny, biorąc pod uwagę efekt ", co sprawia, że długość elektryczna anteny nieznacznie różni się od długości fizycznej (przyjmując współczynnik K równy 0, 95).

Ujawnij odpowiedź Ukryj odpowiedź

((((λ) / 2)) teoretyczne = 1, 425 metrów

((((λ) / 2)) praktyczne = 1, 353 metrów

Uwagi:

W tym przypadku uczniowie muszą rozumieć związek matematyczny między długością anteny a częstotliwością działania, zarówno teoretyczną, jak i praktyczną.

  • ← Poprzedni arkusz roboczy

  • Indeks arkusza roboczego

  • Następny arkusz roboczy →