Grundlag for radiokommunikation

Phiri: Grundlag for en bedre halvsæson | brondby.com (Juni 2019).

$config[ads_text] not found
Anonim

Grundlag for radiokommunikation

AC elektriske kredsløb


Spørgsmål 1

Hvad betyder akronym RF- standformet, i forhold til radiorelateret elektronik "# 1"> Reveal svar Skjul svar

"RF" betyder radiofrekvens, hvilket indebærer en frekvens af vekselstrøm (AC) meget større end den, der opstår i vekselstrøm eller lydkredsløb.

Bemærkninger:

Bed dine elever om at angive frekvenserne for deres favorit-radiostationer som et eksempel på nogle radiofrekvenser. Vis dem en typisk benchtop-signalgenerator (ikke-RF) til sammenligning af frekvensområde, og de skal begynde at forstå konceptet.

Spørgsmål 2

Vi ved på dette tidspunkt, at ethvert kredsløb bestående af induktans (L) og kapacitans (C) er i stand til at resonere : at opnå store værdier af vekselstrøm og strøm, hvis "spændt" ved den korrekte frekvens. Den såkaldte tankkrets er det enkleste eksempel på dette:

Jo mindre modstand (R) et sådant kredsløb har, desto bedre er dets evne til at resonere.

Vi ved også, at ethvert stykke wire indeholder både induktans og kapacitans fordelt langs dens længde. Disse egenskaber er ikke nødvendigvis tilsigtede - de eksisterer, om vi vil have dem til eller ej:

I betragtning af at den elektriske modstand af et kontinuerligt stykke metaltråd normalt er ret lavt, beskriv hvad disse naturlige egenskaber ved induktans og kapacitans betyder med hensyn til trådens funktion som elektrisk element.

Reveal svar Skjul svar

Det faktum, at et stykke wire indeholder både induktans og kapacitans betyder, at den har evnen til at resonere ligesom enhver tankkrets!

Opfølgningsspørgsmål: Skal kvalitativt estimere den frekvens, du antager, at en længde af ledningen ville resonere på. Synes du, at f r ville være en meget lav værdi (titus hertz), en meget høj værdi (tusinder, millioner eller milliarder hertz) eller et sted i mellem "alle">

f r = 1


2 π


LC

Bemærkninger:

Hvis dine elever har svært ved at vide, hvor man skal starte med opfølgningsspørgsmålet, bedes de kvalitativt estimere den distribuerede L og C for et stykke ledning, siger 10 fod lang. I betragtning af manglen på kernelematerialer med høj permeabilitet og mangel på dielektriske højelektricitet (lige luft), skal svarene for begge være "meget små". Spørg dem derefter igen, hvordan de kvalitativt skal vurdere trådens resonansfrekvens.

Spørgsmål 3

Vist her er en simpel kvartbølget antenne bestående af en enkelt tråd, der rager lodret ud fra en terminal af en RF spændingskilde, den anden terminal er forbundet med jordbunden:

Træk denne illustration igen, og vist den tilsvarende induktans og kapacitans udstillet af denne antenne. Vis disse egenskaber ved hjælp af egentlige inductor og kondensator symboler.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: hvordan ville du forvente, at induktansen og kapacitansen af ​​denne antenne relaterer til dens fysiske længde "noter skjult"> Noter:

Lad være med at blive overrasket, hvis nogle af jeres elever spørger, om en antenne kan resonere eller ej, da den har både induktans og kapacitans. Faktisk er dette det subversive punkt i dette spørgsmål: At få eleverne til at indse, at selv et simpelt par ledninger kan betragtes som et resonanssystem og derefter bede spørgsmålet om hvad der sker ved resonans! Opfølgningsspørgsmålet antyder et forhold mellem fysisk størrelse og resonansfrekvens ved at spørge, hvad der sker med både L og C, idet længden ændres. Udforsk disse ideer med dine elever og se dem få en overraskende dyb forståelse for, hvordan en antenne virker ud fra deres viden om LC resonanskredsløb.

Spørgsmål 4

Vist her er en simpel dipolant antenne, der består af to ledninger med lige længde, der rager ud fra en RF-spændingskilde:

Træk denne illustration igen, og vist den tilsvarende induktans og kapacitans udstillet af denne antenne. Vis disse egenskaber ved hjælp af egentlige inductor og kondensator symboler.

Reveal svar Skjul svar

Opfølgningsspørgsmål: hvordan ville du forvente, at induktansen og kapacitansen af ​​denne antenne relaterer til dens fysiske længde "noter skjult"> Noter:

Lad være med at blive overrasket, hvis nogle af jeres elever spørger, om en antenne kan resonere eller ej, da den har både induktans og kapacitans. Faktisk er dette det subversive punkt i dette spørgsmål: At få eleverne til at indse, at selv et simpelt par ledninger kan betragtes som et resonanssystem og derefter bede spørgsmålet om hvad der sker ved resonans! Opfølgningsspørgsmålet antyder et forhold mellem fysisk størrelse og resonansfrekvens ved at spørge, hvad der sker med både L og C, idet længden ændres. Udforsk disse ideer med dine elever og se dem få en overraskende dyb forståelse for, hvordan en antenne virker ud fra deres viden om LC resonanskredsløb.

Spørgsmål 5

En skotsk fysiker ved navn James Clerk Maxwell lavede en forbløffende teoretisk forudsigelse i det nittende århundrede, som han udtrykte med disse to ligninger:

⌠ (⎜).E · d l = - d Φ B


dt

⌠ (⎜).B · dl = μ 0 I + μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Den første ligning angiver, at et elektrisk felt ( E ) vil blive produceret i åbent rum ved en skiftende magnetisk flux (((d) B ) / dt)). Den anden ligning end et magnetfelt ( B ) vil blive produceret i åbent rum enten ved en elektrisk strøm (I) eller ved en ændret elektrisk flux (((d Φ E ) / dt)). I betragtning af dette komplementære forhold, begrundede Maxwell, var det muligt for et skiftende elektrisk felt at skabe et skiftende magnetfelt, som derefter ville skabe et andet skiftende elektrisk felt osv. Denne årsag og virkning cyklus kan fortsætte ad ad infinitum med hurtigt skiftende elektriske og magnetiske felter udstråle ud i åbent rum uden at behøver ledninger til at bære eller styre dem. Med andre ord ville de komplementære felter være selvbærende, da de rejste.

Forklar betydningen af ​​Maxwells forudsigelse, især hvad angår elektronik.

Reveal svar Skjul svar

Hvad James Clerk Maxwell forudsagde var eksistensen af elektromagnetiske bølger, den laveste frekvens type, vi normalt refererer til som radiobølger .

Opfølgningsspørgsmål: Navngiv forskeren, som først eksperimentelt bekræftede Maxwells forudsigelse af elektromagnetiske bølger.

Bemærkninger:

Ikke alene dækker dette spørgsmål begrebet radiobølger til begreber, som dine elever allerede bør være bekendt med (elektriske og magnetiske felter), men det introducerer også en del fantastisk videnskabelig historie. At radiobølger først blev forudsagt matematisk snarere end opdaget ved et uheld ved eksperiment er både forbløffende og oplysende.

Du kan opleve, at en eller flere af dine lysere studerende noterer sig Maxwells forudsigelse vedrører en ændring i en type felt til en statisk størrelse af den anden (dvs. E α ((dΦ B ) / dt) og B α ((dΦ E ) / dt)), og at det gør det svært at se, hvordan et skiftende felt kan skabe et andet skiftende felt. Hvis nogen spørger dette spørgsmål, påpeger dem, at der er et sæt af lignende matematiske funktioner i forbindelse med hinanden ved derivater, og de er:

sint = - d


dt

kostpris = d


dt

sint

Er der noget, der er kendt (udeladelse af μ 0 I termen fra anden ligning)?

⌠ (⎜).E · d l = - d Φ B


dt

⌠ (⎜).B · dl = μ 0 ε 0 d Φ E


dt

Da vi ved, at elektrisk flux er relateret til elektrisk felt ved geometri (Φ E = ∫ E · d A ), og magnetisk flux også er relateret til magnetfeltet ved hjælp af geometri (Φ B = ∫ B · d A ), kan vi skrive følgende proportionalities:

Φ E α - d Φ B


dt

Φ B α d Φ E


dt

Nu ser tingene ligner sinus / cosinus afledte forhold? Således, hvis den elektriske flux Φ E svinger som en sinusbølge, vil den magnetiske flux Φ B oscillere som en cosinabølge og så videre.

Spørgsmål 6

I 1887 demonstrerede en tysk fysiker ved navn Heinrich Hertz med succes elektromagnetiske bølger . Undersøg følgende skema over det apparat, han plejede at gøre dette, og forklar hvilken betydning Hertz opdagelse har at gøre med din studie af elektronik:

Reveal svar Skjul svar

Hertz eksperiment demonstrerede empirisk den teoretiske opdagelse af James Clerk Maxwell, der konkluderede år før, at "elektromagnetiske bølger", der består af elektriske og magnetiske felter, der svinger vinkelret på hinanden, skal kunne udstråle gennem tomt rum. Dette er grundlaget for radiokommunikation: generering af disse elektromagnetiske bølger med det formål at formidle information over lange afstande uden ledninger.

Bemærkninger:

Et eksperiment som dette er ikke svært at oprette. Sørg for at sørge for passende sikkerhedsforanstaltninger mod elektrisk stød, da sådanne gnistgabstransmittere (som de blev kaldt) kræver meget spænding til at fungere.

Spørgsmål 7

I betragtning af James Clerk Maxwells forudsigelse af elektromagnetiske bølger som følge af selvforsyningen ved at ændre elektriske og magnetiske felter i åbent rum, hvilken slags enhed eller samling af enheder tror du, at vi ville have brug for at skabe elektromagnetiske bølger, der svinger med en frekvens inden for området opnåeligt ved et elektrisk kredsløb "# 7"> Reveal svar Skjul svar

Ideelt set vil du have brug for en enhed, der producerer både elektriske og magnetiske felter i rummet: noget der besidder både kapacitans og induktans i en ubeskyttet form, hvor de elektriske og magnetiske felter vil være åbne for rummet. Med andre ord skal du have en antenne .

Bemærkninger:

Formålet med dette spørgsmål er at relatere begrebet distribueret kapacitans og induktans langs et almindeligt stykke wire til selve naturen af ​​elektromagnetiske bølger (oscillerende elektriske og magnetiske felter). Hvis eleverne foreslår at bruge kondensatorer og induktorer, er de ret tæt på mærket. Desværre er disse enheder normalt designet til at indeholde deres respektive felter for at forhindre stråling i rummet. Her ønsker vi, at felterne skal stråle væk fra enheden, og så bruger vi en åben ledning (eller en række åbne ledninger).

Spørgsmål 8

Selvom radiosenderantenner fortrinsvis kun har induktans og kapacitans (ingen modstand), har de i praksis vist sig at være meget dissipative. Med andre ord har de en tendens til at fungere som store modstande til de sendere, de er forbundet med. Forklar hvorfor dette er. I hvilken form er den udslettede energi manifest (varme, lys eller noget andet)?

Reveal svar Skjul svar

Ideelt set går 100% af energitilførslen til en antenne i form af elektromagnetisk stråling.

Bemærkninger:

Selvom eleverne måske har nogle til at forbinde begrebet "dissipation" udelukkende med modstande, er dette ikke helt korrekt. Alt, hvad der menes med "dissipation" er spredningen af ​​energi; det vil sige energi forlader et elektrisk kredsløb og ikke vender tilbage. Med modstande sker dette i form af varme, men det er ikke den eneste form for spredning! I elektriske motorer spredes det meste af energi i form af mekanisk energi, som går ind i arbejdet (og selvfølgelig nogle varme). Lyspærer sprede energi i form af lys, ikke bare varme.

Spørgsmål 9

En krystalbække kan være knust, hvis den udsættes for højintensitetslyd. Mindre volumen er nødvendigt for at sprænge boblen, hvis lyden er ved en sådan frekvens, at den resonerer med boblenes naturlige frekvens. Det vil sige, at der vil være maksimal overførsel af energi til boblen, hvis lydbølgerne overføres ved præcis boblenes resonansfrekvens.

Hvordan relaterer dette fænomen til modtagelse af radiobølger, da vi ved, at en radioant antenne effektivt fungerer som et resonant LC (induktans / kapacitans) netværk?

Reveal svar Skjul svar

En radioant antenne vil modtage elektromagnetisk energi mest effektivt, hvis den er dimensioneret (indstillet) til den nøjagtige frekvens af de ønskede radiobølger.

Bemærkninger:

Analysen af ​​en boblet knust af lydbølger hjælper eleverne med let at identificere med et koncept, der ellers er abstrakt: modtagelsen af elektromagnetiske bølger af en antenne. Bed dine elever om at relatere tilpasning af frekvenser til transmission af radiobølger samt modtagelse af dem.

Spørgsmål 10

Radiobølger består af oscillerende elektriske og magnetiske felter, som udstråler væk fra kilder til højfrekvent AC ved (næsten) lysets hastighed. Et vigtigt mål for en radiobølge er dens bølgelængde, defineret som den afstand, bølgen bevæger sig i en komplet cyklus.

Antag en radiosender arbejder med en fast frekvens på 950 kHz. Beregn den omtrentlige bølgelængde (λ) af radiobølgerne, der kommer fra transmittertårnet, i måleafstandenheden for målere. Skriv også ligningen du brugte til at løse for λ.

Reveal svar Skjul svar

λ ≈ 316 meter

Jeg vil lade dig finde ligningen på egen hånd!

Bemærkninger:

Jeg forsætligt udelade lysets hastighed såvel som tid / afstand / hastighedsligningen, så eleverne bliver nødt til at lave nogle enkle undersøgelser, der beregner denne værdi. Ingen af ​​disse begreber er ud over high school-niveau science studerende, og bør ikke stille nogen problemer overhovedet for college-niveau studerende at finde på egen hånd.

Spørgsmål 11

En radioant antenne besidder både parasitisk kapacitans og distribueret induktans, fordelt langs hele længden:

Ideelt set udstiller en antenne kun disse elektriske egenskaber uden modstand. Hvad foreslår dette om en antennes elektriske opførsel, især i forhold til andre LC-kredsløbs adfærd, som du er bekendt med? # 11?> Reveal svar Skjul svar

En radioant antenne har en resonansfrekvens, ligesom et LC-kredsløb.

Opfølgningsspørgsmål: Hvilke fysiske variabler bestemmer resonansfrekvensen for en antenne?

Bemærkninger:

Det er vigtigt for eleverne at kunne relatere nye oplysninger til det, som de allerede forstår. Ved at sammenligne en antenne til et LC (resonans) kredsløb, skal eleverne kunne forudsige noget om antennernes adfærd, og hvorfor det er vigtigt at matche en antenne til frekvensen af ​​transmission.

Spørgsmål 12

Ved udførelse af test på en radiosender er det ofte nødvendigt at gøre det uden at sende et signal gennem en antenne. I sådanne scenarier er en tilsvarende modstand forbundet til senderens udgang i stedet for en egentlig antenne. Hvis den vælges korrekt, "ser" modstanden ud som en antenne ud fra senderens perspektiv.

Forklar hvordan dette er muligt, da rigtige antenner er bygget for at have så lidt modstand som muligt. Hvordan kan en modstand i tilstrækkelig grad erstatte en antenne, hvilket er intet som en modstand i enten konstruktion eller formål?

Reveal svar Skjul svar

Selv om en antenne har ringe reel modstand, udsender den energi i rummet, ligesom en modstand springer energi i form af varme. Den eneste væsentlige forskel er, at en antennes stråling er i form af elektromagnetiske bølger med samme frekvens som transmitterudgangen.

Bemærkninger:

Spørg dine elever hvilke kriterier de mener, at en modstand skal møde for at kunne fungere som en "dummy" antenne. Diskuter impedans, Q faktor, power rating osv.

Spørgsmål 13

Beregn den teoretiske længde for en "halvbølge" antenne, forudsat en transmitter "bærefrekvens" på 105, 3 MHz:

Også beregne den praktiske antennelængde i betragtning af den endeffekt, "hvilket gør antennens elektriske længde lidt forskellig fra dens fysiske længde (antage en K-faktor på 0, 95).

Reveal svar Skjul svar

(((λ) / 2)) teoretisk = 1.425 meter

(((λ) / 2)) praktisk = 1.353 meter

Bemærkninger:

Her skal eleverne forstå det matematiske forhold mellem antennelængde og driftsfrekvens, både teoretisk og praktisk.

  • ← Forrige regneark

  • Regneark Indeks

  • Næste regneark →