Grunnleggende om radiokommunikasjon

Grunnleggende om Geogebra (Kan 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Grunnleggende om radiokommunikasjon

AC elektriske kretser


Spørsmål 1

Hva betyr akronym RF- stativformen, i forhold til radiorelatert elektronikk "# 1"> Reveal svar Skjul svar

"RF" betyr radiofrekvens, noe som betyr en frekvens av vekselstrøm (AC) mye større enn den som oppstår i vekselstrøm eller lydkrets.

Merknader:

Be elevene dine om å oppgi frekvensene til deres favoritt-radiostasjoner som et eksempel på noen radiofrekvenser. Vis dem en typisk benchtop-signalgenerator (ikke-RF) for sammenligning av frekvensområde, og de skal begynne å forstå konseptet.

Spørsmål 2

Vi vet på dette tidspunkt at en hvilken som helst krets bestående av induktans (L) og kapasitans (C) er i stand til å resonere : oppnå store verdier av vekselstrøm og strøm hvis "spenst" på riktig frekvens. Den såkalte tankkretsen er det enkleste eksempelet på dette:

Jo mindre motstand (R) en slik krets har, desto bedre er dens evne til å resonere.

Vi vet også at et stykke ledning inneholder både induktans og kapasitans, fordelt langs lengden. Disse egenskapene er ikke nødvendigvis tilsiktede - de eksisterer om vi vil ha dem til eller ikke:

Gitt at den elektriske motstanden til et kontinuerlig stykke metalltråd vanligvis er ganske lavt, beskriv hva disse naturlige egenskapene til induktans og kapasitans betyr med hensyn til ledningens funksjon som elektrisk element.

Avslør svar Skjul svar

Det faktum at et stykke ledning inneholder både induktans og kapasitans betyr at den har evnen til å resonere akkurat som enhver tankkrets!

Oppfølgingsspørsmål: Kvalitativt estimere frekvensen du antar at en lengde av ledningen ville resonere på. Tror du at det ville være en veldig lav verdi (titalls Hertz), en svært høy verdi (tusenvis, millioner eller milliarder Hertz) eller et sted mellom "alt">

f r = 1


2 π


LC

Merknader:

Hvis elevene dine har problemer med å vite hvor du skal begynne med oppfølgingsspørsmålet, be dem om å kvalitativt estimere distribuert L og C for et stykke ledning, si 10 meter lang. På grunn av mangelen på kjernemateriale med høy permeabilitet og mangel på høy-permittivitet dielektriske (bare luft), bør svarene for begge være "svært små." Spør deretter dem igjen hvordan de kvalitativt skal vurdere trådens resonansfrekvens.

Spørsmål 3

Vist her er en enkel kvartbølgeantenn, bestående av en enkelt ledning som projiserer vertikalt fra en terminal av en RF-spenningskilde, den andre terminal er koblet til jordbunn:

Tegn denne illustrasjonen igjen, og vis den tilsvarende induktansen og kapasitansen som denne antennen viser. Vis disse egenskapene ved hjelp av faktiske spoler og kondensatorsymboler.

Avslør svar Skjul svar

Oppfølgingsspørsmål: hvordan ville du forvente at induktansen og kapasitansen til denne antennen skal relateres til dens fysiske lengde "notater skjult"> Merknader:

Ikke bli overrasket hvis noen av elevene spør om en antenne er i stand til å resonere, siden den har både induktans og kapasitans. Faktisk er dette det subversive punktet i dette spørsmålet: For å få studentene til å innse at selv et enkelt par ledninger kan betraktes som resonanssystem, og deretter å spørre om hva som skjer ved resonans! Oppfølgingsspørsmålet antyder et forhold mellom fysisk størrelse og resonansfrekvens, ved å spørre hva som skjer med både L og C ettersom lengden endres. Utforsk disse ideene med elevene dine, og se på dem få en overraskende dyp forståelse av hvordan en antenne fungerer, basert på deres kunnskap om LC resonanskretser.

Spørsmål 4

Vist her er en enkel dipolantenn, bestående av to ledninger med like lengde som projiserer fra klemmene til en RF-spenningskilde:

Tegn denne illustrasjonen igjen, og vis den tilsvarende induktansen og kapasitansen som denne antennen viser. Vis disse egenskapene ved hjelp av faktiske spoler og kondensatorsymboler.

Avslør svar Skjul svar

Oppfølgingsspørsmål: hvordan ville du forvente at induktansen og kapasitansen til denne antennen skal relateres til dens fysiske lengde "notater skjult"> Merknader:

Ikke bli overrasket hvis noen av elevene spør om en antenne er i stand til å resonere, siden den har både induktans og kapasitans. Faktisk er dette det subversive punktet i dette spørsmålet: For å få studentene til å innse at selv et enkelt par ledninger kan betraktes som resonanssystem, og deretter å spørre om hva som skjer ved resonans! Oppfølgingsspørsmålet antyder et forhold mellom fysisk størrelse og resonansfrekvens, ved å spørre hva som skjer med både L og C ettersom lengden endres. Utforsk disse ideene med elevene dine, og se på dem få en overraskende dyp forståelse av hvordan en antenne fungerer, basert på deres kunnskap om LC resonanskretser.

Spørsmål 5

En skotsk fysiker ved navn James Clerk Maxwell gjorde en forbløffende teoretisk prediksjon i det nittende århundre, som han uttrykte med disse to ligningene:

⌠ (⎜).E · d l = - d Φ B


dt

⌠ (⎜).B · d l = μ 0 I + μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Den første ligningen sier at et elektrisk felt ( E ) vil bli produsert i åpent rom ved å skifte magnetisk flux (((d) B ) / dt). Den andre ligningen angir at et magnetfelt ( B ) vil bli produsert i åpen plass, enten ved en elektrisk strøm (I) eller ved en endring av elektrisk fluss (((d Φ E ) / dt). Gitt dette komplementære forholdet, begrunnet Maxwell, var det mulig for et skiftende elektrisk felt å skape et skiftende magnetfelt som da ville skape et annet skiftende elektrisk felt, og så videre. Denne årsak-og-effekt syklusen kan fortsette, ad infinitum, med raskt skiftende elektriske og magnetiske felter som stråler ut i åpent rom uten at ledninger skal bære eller lede dem. Med andre ord, ville de komplementære feltene være selvbærende når de reiste.

Forklar betydningen av Maxwells prediksjon, særlig når det gjelder elektronikk.

Avslør svar Skjul svar

Hva James Clerk Maxwell forutslo var eksistensen av elektromagnetiske bølger, den laveste frekvensen vi vanligvis refererer til som radiobølger .

Oppfølgingsspørsmål: navn forskeren som først eksperimentelt bekreftet Maxwells prediksjon av elektromagnetiske bølger.

Merknader:

Ikke bare er dette spørsmålet relatert til begrepet radiobølger til begreper studentene dine bør allerede være kjent med (elektriske og magnetiske felt), men det introduserer også en del fantastisk vitenskapelig historie. At radiobølgene først ble spådd matematisk fremfor å bli oppdaget ved et uhell av eksperimentet er både forbløffende og opplysende.

Du kan oppleve at en eller flere av dine lysere studenter merker at Maxwells prediksjon er relatert til en endring i en type felt til en statisk størrelsesorden av den andre (dvs. E α ((dΦ B ) / dt) og B α ((dΦ E ) / dt)), og at dette gjør det vanskelig å se hvordan et skiftende felt kan skape et annet endringsfelt . Hvis noen spør dette spørsmålet, pek på dem at det er et sett med lignende matematiske funksjoner knyttet til hverandre av derivater, og de er:

sint = - d


dt

Kostnadskostnad = d


dt

Sint

Ser noe ut kjent (unnlatelse av μ 0 I-termen fra den andre ligningen)?

⌠ (⎜).E · d l = - d Φ B


dt

⌠ (⎜).B · dl = μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Siden vi vet at elektrisk flux er relatert til elektrisk felt etter geometri (Φ E = ∫ E · d A ), og magnetisk flux også er relatert til magnetfeltet ved geometri (Φ B = ∫ B · d A ), kan vi skrive følgende proporsjonalitetsforhold:

Φ E α - d Φ B


dt

Φ B α d Φ E


dt

Nå ser tingene ut som sinus / cosinus derivat forholdet? Således, hvis den elektriske fluxen Φ E svinger som en sinusbølge, vil magnetfluksen Φ B oscillere som en cosinabølge, og så videre.

Spørsmål 6

I 1887 demonstrerte en tysk fysiker ved navn Heinrich Hertz, eksistensen av elektromagnetiske bølger . Undersøk følgende skjema for apparatet han pleide å gjøre dette, og forklar hvilken betydning Hertz oppdagelse har å gjøre med studiet av elektronikk:

Avslør svar Skjul svar

Hertz eksperiment demonstrerte empirisk den teoretiske oppdagelsen av James Clerk Maxwell, som konkluderte med år før at "elektromagnetiske bølger" som består av elektriske og magnetiske felt som svinger vinkelrett på hverandre, må kunne utstråle gjennom tomt rom. Dette er grunnlaget for radiokommunikasjon: generering av disse elektromagnetiske bølger med det formål å kommunisere informasjon over lange avstander uten ledninger.

Merknader:

Et eksperiment som dette er ikke vanskelig å sette opp. Sørg for å gi de riktige sikkerhetsforanstaltningerne mot elektrisk støt, da slike gnistgass transmittere (som de ble kalt) krever at det er vesentlig høy spenning for drift.

Spørsmål 7

Gitt James Clerk Maxwells prediksjon av elektromagnetiske bølger som skyldes selvstendigheten til å bytte elektriske og magnetiske felt i åpent rom, hva slags enhet eller samling av enheter tror du at vi trenger å skape elektromagnetiske bølger som svinger med en frekvens innenfor rekkevidde oppnåelig ved en elektrisk krets "# 7"> Reveal svar Skjul svar

Ideelt sett trenger du en enhet som produserer både elektriske og magnetiske felt i rommet: noe som besitter både kapasitans og induktans i en ubeskyttet form hvor de elektriske og magnetiske feltene vil være åpne for rom. Med andre ord trenger du en antenne .

Merknader:

Formålet med dette spørsmålet er å forholde seg til begrepet distribuert kapasitans og induktans langs et vanlig stykke ledning til selve naturen av elektromagnetiske bølger (oscillerende elektriske og magnetiske felt). Hvis studentene antyder bruk av kondensatorer og induktorer, er de ganske nær merket. Dessverre er disse enhetene vanligvis designet for å inneholde deres respektive felter for å forhindre stråling i rommet. Her vil vi at feltene skal utstråle seg fra enheten, og så bruker vi en åpen ledning (eller en rekke åpne ledninger).

Spørsmål 8

Selv om radiosenderantenner fortrinnsvis bare har induktans og kapasitans (ingen motstand), har de i praksis funnet å være svært dissipative. Med andre ord har de en tendens til å virke som store motstander til senderen de er koblet til. Forklar hvorfor dette er. I hvilken form er det forsvunnet energi manifestet (varme, lys eller noe annet)?

Avslør svar Skjul svar

Ideelt sett går 100% av energiinngangen til en antenne i form av elektromagnetisk stråling.

Merknader:

Selv om elevene kanskje har noen til å knytte konseptet "dissipation" utelukkende med motstander, er dette ikke helt riktig. Alt som er ment med "dissipation" er spredning av energi; det vil si at energi forlater en elektrisk krets og ikke vender tilbake. Med motstander oppstår dette i form av varme, men dette er ikke den eneste form for spredning! I elektriske motorer blir det meste av energien spredt i form av mekanisk energi, som går inn i arbeid (og litt varme, selvfølgelig). Lyspærer sprer energi i form av lys, ikke bare varme.

Spørsmål 9

En krystallbrikke kan bli knust hvis den blir utsatt for høy intensitetslyd. Mindre volum er nødvendig for å knuse bølgen hvis lyden er i en slik frekvens at den resonanserer med bølgenes naturlige frekvens. Det vil si at det vil være maksimal overføring av energi til boblen hvis lydbølgene overføres på nøyaktig bølgens resonansfrekvens.

Hvordan relaterer dette fenomenet til mottak av radiobølger, siden vi vet at en radioantenn effektivt virker som resonans LC (induktans / kapasitans) nettverk?

Avslør svar Skjul svar

En radioantenn vil motta elektromagnetisk energi mest effektivt dersom den er størrelse (innstilt) til den nøyaktige frekvensen av de ønskede radiobølgene.

Merknader:

Analysen av en bølle knust av lydbølger hjelper elevene til lett å identifisere med et konsept som ellers er abstrakt: mottak av elektromagnetiske bølger med en antenne. Be elevene om å forholde seg til frekvensene til overføring av radiobølger, samt mottak av dem.

Spørsmål 10

Radiobølger består av oscillerende elektriske og magnetiske felt, som utstråler seg fra kilder til høyfrekvent vekselstrøm ved (nesten) lysets hastighet. Et viktig mål for en radiobølge er dens bølgelengde, definert som avstanden bølgen beveger seg i en komplett syklus.

Anta at en radiosender opererer med en fast frekvens på 950 kHz. Beregn den omtrentlige bølgelengden (λ) av radiobølgene som kommer fra sendertårnet, i metriske avstandsenheten på meter. Skriv også ligningen du brukte til å løse for λ.

Avslør svar Skjul svar

λ ≈ 316 meter

Jeg lar deg finne ligningen på egen hånd!

Merknader:

Jeg slipper forsiktig lysets hastighet, så vel som tid / avstand / hastighetsligningen, slik at elevene må gjøre litt enkel forskning, dette beregner denne verdien. Ingen av disse konseptene ligger utenfor videregående vitenskapsstudenter, og bør ikke stille noen problemer for studenter på college-nivå å finne på egenhånd.

Spørsmål 11

En radioantenn har både parasittisk kapasitans og distribuert induktans, fordelt langs hele lengden:

Ideelt sett viser en antenne bare disse elektriske egenskapene, uten motstand. Hva tyder dette på om en antennes elektriske oppførsel, spesielt i forhold til oppførselen til andre LC-kretser, er du kjent med "# 11"> Reveal svar Skjul svar

En radioantenn har en resonansfrekvens, akkurat som en LC-krets.

Oppfølgingsspørsmål: hvilken fysisk variabel (er) bestemmer resonansfrekvensen til en antenne?

Merknader:

Det er viktig for elevene å kunne forholde seg til ny informasjon til det de allerede forstår. Ved å likne en antenne til en LC (resonans) krets, bør studentene kunne forutsi noe om antennens oppførsel, og hvorfor det er viktig å matche en antenne til overføringsfrekvensen.

Spørsmål 12

Når du utfører tester på en radiosender, er det ofte nødvendig å gjøre det uten å sende et signal via en antenne. I slike scenarier er en ekvivalent motstand forbundet med senderens utgang i stedet for en faktisk antenne. Hvis valgt riktig, ser motstanden "det samme ut som en antenne fra senderens perspektiv.

Forklar hvordan dette er mulig, siden ekte antenner er bygget for å ha så lite motstand som mulig. Hvordan kan en motstand tilstrekkelig erstatte en antenne, noe som ikke er noe som en motstand i enten konstruksjon eller formål?

Avslør svar Skjul svar

Selv om en antenne har liten faktisk motstand, utstråler det energi i rommet, akkurat som en motstand sprer energi i form av varme. Den eneste signifikante forskjellen er at en antenne stråling er i form av elektromagnetiske bølger med samme frekvens som senderutgangen.

Merknader:

Spør elevene hvilke kriterier de mener en motstand må møte for å kunne fungere som en "dummy" antenne. Diskuter impedans, Q-faktor, maktvurdering etc.

Spørsmål 13

Beregn den teoretiske lengden for en "halvbølge" antenne, forutsatt at en sender "carrier" frekvens på 105, 3 MHz:

Beregne også den praktiske antennelengden i forhold til "effekten", som gjør at antennens elektriske lengde er litt forskjellig fra dens fysiske lengde (antar en K-faktor på 0, 95).

Avslør svar Skjul svar

(((λ) / 2)) teoretisk = 1, 425 meter

(((λ) / 2)) praktisk = 1, 353 meter

Merknader:

Her må studentene forstå det matematiske forholdet mellom antennelengde og driftsfrekvens, både teoretisk og praktisk.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Neste regneark →