darblapas

Radiosakaru pamati

On the Run from the CIA: The Experiences of a Central Intelligence Agency Case Officer (Decembris 2018).

Anonim

Radiosakaru pamati

AC elektriskās shēmas


jautājums 1

Ko RF saista ar formātu, atsaucoties uz radiosakaru elektroniku "# 1"> Atklāt atbildi Slēpt atbildi

"RF" ir radio frekvence, kas nozīmē, ka maiņstrāvas (AC) frekvence ir daudz lielāka nekā tā, kas radusies maiņstrāvas vai audio ķēdē.

Piezīmes:

Jautājiet saviem skolēniem par dažu radiofrekvenču piemēru sarakstu ar savu iecienītāko radiostaciju frekvenci. Parādiet viņiem tipisku benchtop signālu ģeneratoru (bez RF), lai salīdzinātu frekvenču diapazonu, un viņiem jāsāk izprast jēdzienu.

2. jautājums

Šajā brīdī mēs zinām, ka jebkura kontūra, kas sastāv no induktivitātes (L) un kapacitātes (C), spēj rezonēt : sasniegt lielas vērtības maiņstrāvas spriegumam un strāvai, ja "tiek ierosināta" pareizajā frekvencē. Tā sauktais tvertnes ķēde ir vienkāršākais piemērs tam:

Jo mazāka pretestība (R) šādai shēmai ir, jo labāk tā spēj rezonēt.

Mēs arī zinām, ka jebkura stieņa gabals satur gan induktivitāti, gan kapacitāti, sadalot gar garumu. Šīs īpašības ne vienmēr ir apzinātas - tās pastāv vai nu mēs gribētu vai nevēlas:

Ņemot vērā to, ka nepārtrauktā metāla stieples metāla stieples elektriskā pretestība parasti ir diezgan zema, aprakstiet, kādas ir šīs induktīvās un kapacitātes īpašības, ņemot vērā šī stieņa funkcijas kā elektrības elementu.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Fakts, ka stiepļu elements satur gan induktivitāti, gan kapacitāti, nozīmē, ka tai ir spēja rezonēt tāpat kā jebkura tvertnes ķēde!

Pārbaudes jautājums: kvalitatīvi novērtējiet frekvenci, kādu domājat, ka stieples garums būs rezonansēts. Vai jūs domājat, ka f r būtu ļoti zema vērtība (desmitiem hercju), ļoti augsta vērtība (tūkstošiem, miljonus vai miljardus hercu) vai kaut kur starp "visiem">

f r = 1


2 π


LC

Piezīmes:

Ja jūsu skolēniem ir grūti zināt, no kurienes sākt ar pārraudzības jautājumu, lūdz viņiem kvalitatīvi novērtēt sadalīto L un C stieņa gabalu, teiksim, 10 pēdas garu. Ņemot vērā to, ka trūkst augstas caurlaidības kodols materiāla un trūkst augstas elastības dielektriskās (taisnā gaisā), abām atbildēm jābūt "ļoti mazām". Tad atkal vaicājiet viņiem, kā viņi kvalitatīvi novērtētu stieņa rezonanses frekvenci.

3. jautājums

Šeit ir parādīta vienkārša cetrvateriņas antena, kas sastāv no viena stieņa, kas izvirzās vertikāli no viena RF sprieguma avota, otra termināļa pieslēgta zem zemes:

Atkārtoti izdariet šo zīmējumu, parādot līdzvērtīgu induktivitāti un kapacitāti, ko izstāda šī antena. Parādiet šīs īpašības, izmantojot faktiskos induktora un kondensatora simbolus.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Pārbaudes jautājums: kā jūs sagaidāt, ka šīs antenas induktivitāte un kapacitāte ir saistīta ar tā fizisko garumu "piezīmes paslēptas"> Piezīmes:

Nebrīnieties, ja daži no saviem skolēniem jautās, vai antena spēj rezonēt vai nē, jo tai piemīt gan induktivitāte, gan kapacitāte. Patiesībā šis jautājums ir graujošs jautājums: lai skolēni saprastu, ka pat vienkāršu vadu pāri var uzskatīt par rezonanses sistēmu, un tad lolot jautājumu par to, kas notiek rezonanses laikā! Pēcpārbaudes jautājums liecina par attiecībām starp fizisko izmēru un rezonanses frekvenci, lūdzot, kas notiek gan ar L, gan C kā garuma izmaiņām. Izpētiet šīs idejas ar saviem skolēniem un vērojiet, ka viņi iegūst pārsteidzoši dziļu izpratni par to, kā antena darbojas, pamatojoties uz viņu zināšanām par LC rezonanses ķēdēm.

4. jautājums

Šeit ir parādīta vienkārša dipola antena, kas sastāv no diviem vienāda garuma vadiem, kas izstaro no RF sprieguma avota spailēm:

Atkārtoti izdariet šo zīmējumu, parādot līdzvērtīgu induktivitāti un kapacitāti, ko izstāda šī antena. Parādiet šīs īpašības, izmantojot faktiskos induktora un kondensatora simbolus.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Pārbaudes jautājums: kā jūs sagaidāt, ka šīs antenas induktivitāte un kapacitāte ir saistīta ar tā fizisko garumu "piezīmes paslēptas"> Piezīmes:

Nebrīnieties, ja daži no saviem skolēniem jautās, vai antena spēj rezonēt vai nē, jo tai piemīt gan induktivitāte, gan kapacitāte. Patiesībā šis jautājums ir graujošs jautājums: lai skolēni saprastu, ka pat vienkāršu vadu pāri var uzskatīt par rezonanses sistēmu, un tad lolot jautājumu par to, kas notiek rezonanses laikā! Pēcpārbaudes jautājums liecina par attiecībām starp fizisko izmēru un rezonanses frekvenci, lūdzot, kas notiek gan ar L, gan C kā garuma izmaiņām. Izpētiet šīs idejas ar saviem skolēniem un vērojiet, ka viņi iegūst pārsteidzoši dziļu izpratni par to, kā antena darbojas, pamatojoties uz viņu zināšanām par LC rezonanses ķēdēm.

5. jautājums

Skotijas fiziķis James Clerk Maxwell deviņpadsmitajā gadsimtā veica pārsteidzošu teorētisko prognozi, ko viņš izteica ar šiem diviem vienādojumiem:

╚ (│) E · d l = - d Φ B


dt

╚ (│) B · d l = μ 0 I + μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Pirmais vienādojums nosaka, ka atveramajā laukumā elektrisko lauku ( E ) veidos mainīga magnētiskā plūsma (((d Φ B ) / dt)). Otrais vienādojums nosaka, ka magnētiskais lauks ( B ) atklātā laukā tiek radīts vai nu ar elektrisko strāvu (I), vai mainot elektrisko plūsmu (((d Φ E ) / dt)). Ņemot vērā šīs papildinošās attiecības, mainījis Maxwell, mainīgajam elektriskajam laukam bija iespējams mainīt magnētisko lauku, kas tad radītu citu mainīgu elektrisko lauku un tā tālāk. Šis cēloņsakarības cikls varētu turpināties, bezgalīgi ātri, ar strauji mainīgiem elektriskiem un magnētiskiem laukiem, kas izstaro atklātu telpu, bez nepieciešamības izmantot vadus vai vadīt tos. Citiem vārdiem sakot, papildinošie lauki būtu pašpietiekami, jo tie ceļoja.

Izskaidrojiet Maxwella prognozes nozīmi, jo īpaši tā attiecas uz elektroniku.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Ko prognozēja James Clerk Maxwell, bija elektromagnētisko viļņu esamība, zemākais frekvences veids, ko mēs parasti saucam par radioviļņiem .

Pētījuma jautājums: nosauciet zinātnieku, kas pirmo reizi eksperimentāli apstiprināja Maxwella prognozi par elektromagnētiskajiem viļņiem.

Piezīmes:

Šis jautājums attiecas ne tikai uz radioviļņu jēdzienu uz jēdzieniem, par kuriem jūsu skolēni jau būtu jāzina (elektriskie un magnētiskie lauki), bet arī ievieš kādu pārsteidzošu zinātnisko vēsturi. Šie radioviļņi vispirms tika prognozēti matemātiski, nevis atklāti nejauši, eksperiments ir gan pārsteidzošs, gan izprotams.

Jūs varat uzzināt, ka viens vai vairāki no spilgtākajiem skolēniem paziņo Maxwella prognozi, ka viena lauka veida izmaiņas mainās uz otru statisko lielumu (ti, E α ((dΦ B ) / dt) un B α ((dΦ E ) / dt)), un tas apgrūtina to, kā viens mainīgais lauks varētu radīt vēl mainīgu jomu. Ja kāds uzdod šo jautājumu, norādiet viņiem, ka ir vairāki līdzīgi matemātiskie uzdevumi, kas savstarpēji saistīti ar atvasinātajiem instrumentiem, un tie ir:

sint = - d


dt

izmaksu izmaksas = d


dt

sint

Vai kaut kas izskatās pazīstams (neizmantojot otrajā vienādojumā μ 0 I terminu)?

╚ (│) E · d l = - d Φ B


dt

╚ (│) B · d l = μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Tā kā mēs zinām, ka elektriskā plūsma ir saistīta ar elektrisko lauku pēc ģeometrijas (Φ E = ∫ E · d A ), un magnētiskais plūsma ir saistīta arī ar magnētisko lauku pēc ģeometrijas (Φ B = ∫ B · d A ), mēs varam uzrakstīt šādu proporcionalitātes:

Φ E α - d Φ B


dt

Φ B α d Φ E


dt

Vai tagad lietas izskatās līdzīgi sine / cosine derivāta attiecībām? Tādējādi, ja elektriskā plūsma Φ E svārstās kā sinusoidāls viļņojums, magnētiskā plūsma Φ B svārstīsies kā kosinussvilns utt.

6. jautājums

1887. gadā vācu fiziķis Heinrihs Hertss veiksmīgi parādīja elektromagnētisko viļņu esamību. Pārbaudiet sekojošo shematiskos aparātus, kurus viņš to izmantoja, un paskaidrojiet, kāda nozīme Herča atklājumam ir saistīta ar jūsu elektronikas pētījumu:

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Herča eksperiments empīriski parādīja James Clerk Maxwell teorētisko atklājumu, kurš pirms gadiem noslēdza elektromagnētiskos viļņus, kas sastāvēja no elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem, kas savstarpēji perpendikulāri svārstās, spēj izstarot tukšo vietu. Tas ir radio sakaru pamats: šo elektromagnētisko viļņu ģenerēšana, lai informētu par informāciju lielos attālumos bez vadiem.

Piezīmes:

Šādu eksperimentu nav grūti iestatīt. Noteikti nodrošiniet atbilstošus drošības pasākumus pret elektriskās strāvas triecienu, jo šādi dzirksteļlāpju raidītāji (kā tie tika dēvēti) prasa ievērojami augstu spriegumu darbībai.

7. jautājums

Ņemot vērā James Clerk Maxwell's prognozi par elektromagnētiskajiem viļņiem, kas rodas no mainīgajiem elektriskajiem un magnētiskajiem laukiem pašpietiekamajā telpā, kāda veida ierīce vai ierīču kolekcija, jūsuprāt, mums vajadzētu radīt elektromagnētiskos viļņus, kas svārstās frekvenču diapazonā sasniedzams ar elektrisko ķēdi "# 7"> atklāt atbildi slēpt atbildi

Ideālā gadījumā jums būs nepieciešama ierīce, kas ražo gan elektriskos, gan magnētiskos laukus kosmosā: kaut kas, kam ir gan kapacitāte, gan induktivitāte neekranētā formā, kurā elektriskie un magnētiskie lauki būtu atvērti telpai. Citiem vārdiem sakot, jums būs nepieciešama antena .

Piezīmes:

Šī jautājuma mērķis ir saistīt sadalītās kapacitātes un induktivitātes jēdzienu pa vienkāršu stiepli līdz elektromagnētisko viļņu (svārstīgo elektrisko un magnētisko lauku) būtībai. Ja skolēni iesaka izmantot kondensatorus un induktorus, tie ir diezgan tuvu zīmei. Diemžēl šīs ierīces parasti ir paredzētas, lai ietvertu to atbilstošos laukus, lai novērstu starojumu kosmosā. Šeit mēs vēlamies, lai lauki tiktu izstaroti prom no ierīces, un tādēļ mēs izmantojam atvērtā vadu (vai atvērtā vadu masīvu).

8. jautājums

Lai gan radio raidītāja antenas ideālā gadījumā ir tikai induktivitāte un kapacitāte (bez pretestības), praksē tiek konstatēts, ka tās ir ļoti izkliedētas. Citiem vārdiem sakot, tie mēdz būt kā lieli rezistori raidītājiem, kuriem tie ir saistīti. Paskaidrojiet, kāpēc tas tā ir. Kādā veidā izkliedētā enerģija parādās (siltums, gaisma vai kaut kas cits)?

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Ideālā variantā 100% no antenas enerģijas izdalās elektromagnētiskā starojuma veidā.

Piezīmes:

Lai gan studentiem var būt kāda saikne ar jēdzienu "izkliedēšana" tikai ar rezistoriem, tas nav pilnīgi pareizi. Viss, ko nozīmē "izkliedēšana", ir enerģijas izkliede; tas ir, enerģija atstāj elektrisko ķēdi un neatgriežas. Ar rezistoriem tas notiek siltuma formā, bet tas nav vienīgais izkliedes veids! Elektrodzinēs lielākā daļa enerģijas izkliedējas mehāniskās enerģijas veidā, kas nonāk darbā (protams, un siltumu). Spuldzes izkliedē enerģiju gaismas formā, ne tikai siltumu.

9. jautājums

Ja tiek pakļauta augstas intensitātes skaņa, var tikt sagrauta kristāla kauss. Ja skaņa ir tādā frekvencē, ka tā sakrīt ar dabisko kausu dabisko frekvenci, tas ir nepieciešams mazāk tilpuma. Tas nozīmē, ka maksimālā enerģijas pārnešana uz kausu tiks nodrošināta, ja skaņas viļņi tiek pārraidīti precīzi ar kausa rezonanses frekvenci.

Kā šī parādība attiecas uz radioviļņu uztveršanu, jo mēs zinām, ka radio antena efektīvi darbojas kā rezonanses LC (induktivitātes / kapacitātes) tīkls?

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Radio antena saņems elektromagnētisko enerģiju visefektīvāk, ja tā izmērs (pielāgots) līdz precīzai vajadzīgo radioviļņu biežumam.

Piezīmes:

Skaņu viļņu sagrautas kausa analogija palīdz studentiem viegli identificēt ar koncepciju, kas citādi ir abstrakta: elektromagnētisko viļņu uztveršana ar antenu. Vaicājiet saviem skolēniem saistīt frekvenču saskaņošanu ar radioviļņu pārraidīšanu, kā arī to uztveršanu.

10. jautājums

Radioviļņus veido vibrējošie elektriskie un magnētiskie lauki, kas izstaro no augstfrekvences AC avotiem (gandrīz) ar gaismas ātrumu. Svarīgs radioviļņu mērs ir tā viļņa garums, kas definēts kā attālums, kādā viļņi pārvietojas vienā pilnā ciklā.

Pieņemsim, ka radio raidītājs darbojas ar fiksētu 950 kHz frekvenci. Aprēķiniet radioviļņu, kas izstaro raidītāja torni, aptuveno viļņa garumu (λ) mērītāju metrisko attālumu vienībā. Arī rakstīt vienādojumu, kuru izmantojāt, lai atrisinātu λ.

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

λ ≈ 316 metri

Es tev atradīšu vienādojumu!

Piezīmes:

Es mērķtiecīgi iztērē gaismas ātrumu, kā arī laika / attāluma / ātruma vienādojumu, lai studentiem būtu jāveic daži vienkārši pētījumi, lai aprēķinātu šo vērtību. Neviens no šiem jēdzieniem nav ārpus augstskolas līmeņa zinātņu studentiem, un tiem vispār nevajadzētu radīt grūtības, lai koledžas līmeņa studenti varētu pašiem atrast.

11. jautājums

Radio antenai piemīt gan parasitic capacitance, gan izkliedētā induktivitāte, kas izkliedēta visā tā garumā:

Ideālā gadījumā antenai ir tikai šīs elektriskās īpašības, tām nav pretestības. Ko tas liecina par antenas elektrisko darbību, it īpaši salīdzinot ar citu "LC" shēmu darbību, kuras jūs pazīstat ar "# 11"> Atklāt atbildi Nerādīt atbildi

Radio antenai ir rezonanses frekvence, tāpat kā LC ķēdes.

Sekojošais jautājums: kāds fiziskais (-ie) mainīgais (-i) nosaka antenas rezonanses frekvenci?

Piezīmes:

Ir svarīgi, lai studenti varētu saistīt jauno informāciju ar to, ko viņi jau saprot. Salīdzinot antenu ar LC (rezonanses) ķēdi, studentiem jāspēj kaut ko prognozēt par antenu darbību un kāpēc ir svarīgi saskaņot antenu ar pārraides frekvenci.

12. jautājums

Veicot radio raidītāja testus, tas bieži vien ir jādara, ja faktiski netiek raidīts signāls, izmantojot antenu. Šādos scenārijos ekrāna rezistors ir pieslēgts raidītāja izvadei, nevis faktiskajai antenai. Ja tas tiek pareizi izvēlēts, rezistors "izskatās" tāpat kā antena no raidītāja viedokļa.

Paskaidrojiet, kā tas ir iespējams, jo reālās antenas ir uzbūvētas, lai tās būtu pēc iespējas mazāk pretestības. Kā rezistors var pienācīgi aizvietot antenu, kas nav nekas cits kā rezistors konstrukcijā vai mērķī?

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

Lai gan antenai ir maz faktiskas pretestības, tas izstaro enerģiju kosmosā, tāpat kā rezistors izkliedē enerģiju siltuma formā. Vienīgā nozīmīgā atšķirība ir tā, ka antenas starojums ir elektromagnētisko viļņu formā tādā pašā frekvencē kā raidītāja izeja.

Piezīmes:

Jautājiet saviem skolēniem, kādi kritēriji viņiem domā, ka rezistoram ir jāatbilst, lai pareizi kalpotu kā "fiktīvas" antena. Apspriediet pretestību, Q koeficientu, jaudas vērtību utt.

13. jautājums

Aprēķiniet "pusvilnas" antenas teorētisko garumu, pieņemot, ka raidītāja "nesēja" frekvence ir 105, 3 MHz:

Aprēķiniet arī praktisko antenas garumu, ņemot vērā šo efektu: "kas padara antenas elektrisko garumu nedaudz atšķirīgu no tā fiziskā garuma (pieņemt koeficientu K 0, 95).

Atklāt atbildi Slēpt atbildi

(((λ) / 2)) teorētiskais = 1, 425 metri

(((λ) / 2)) praktiskais = 1, 353 metri

Piezīmes:

Šeit studentiem jāsaprot matemātiskās attiecības starp antenas garumu un darba frekvenci, gan teorētiskas, gan praktiskas.

  • ← Iepriekšējā darba lapa

  • Darba lapa indekss

  • Nākamā darblapa →