《4. 无线电波的发射、传播与接收》讲义

《4.无线电波的发射、传播与接收》讲义第一讲无线电波的发射、传播与接收知识梳理一、无线电波的发射1、要发射无线电波得有个振荡器-振荡器就像一个能产生交流电的小工厂。咱们家里的电是交流电，不过这个振荡器产生的交流电频率可高多了。比如说，咱们平常家里的交流电频率是50Hz，而振荡器产生的交流电频率可能是几百千赫兹（kHz）甚至更高。这就好比是小工厂生产的产品，和咱们平常家用的不太一样，它专门生产高频交流电。-要产生高频振荡电流，需要用到LC振荡电路。这个LC振荡电路就像是一个小的能量循环系统。L是电感线圈，C是电容器。电感线圈就像一个小弹簧，能储存磁能；电容器呢，就像一个小水库，能储存电能。它们俩配合起来，电能和磁能就来回转换，就产生了高频振荡电流。就好比小弹簧和小水库一起工作，一会儿是弹簧的能量起作用，一会儿是水库的能量起作用，这样就有了高频振荡的效果。-真实体验：我曾经拆开过一个简单的小收音机，里面有一些小零件，其中就有类似电感线圈和电容器的东西。当时就想，这么小的东西怎么就能让收音机收到广播呢？后来才知道，就是靠它们产生高频振荡电流，这是发射无线电波的第一步呢。2、调制-调制是啥呢？就好比咱们要把货物（信息）运出去，得把货物装到车上（高频振荡电流上）。简单来说，就是把要传播的信号（比如声音、图像信号）加到高频振荡电流上。-有两种调制方式，调幅（AM）和调频（FM）。-调幅就像是给货物（信息）在小车上（高频振荡电流）调整堆放的高度。如果信息强，这个高度就高；信息弱，高度就低。在调幅中，高频振荡电流的振幅随着要传输的信号而变化。比如说，咱们听广播的时候，有时候声音大，对应的就是调幅波的振幅大；声音小，调幅波的振幅就小。-调频就像是给货物（信息）在小车上（高频振荡电流）调整摆放的位置。如果信息变化，这个位置就变。在调频中，高频振荡电流的频率随着要传输的信号而变化。就像咱们听调频广播，不同的电台频率不一样，当电台播放不同的音乐或者节目时，这个频率会根据信号的变化而微调。-举个例子，假如咱们把声音信号看成是一群小蚂蚁，高频振荡电流看成是一列小火车。在调幅的时候，蚂蚁的多少（声音大小）决定了小火车车厢的高低（高频振荡电流的振幅）；在调频的时候，蚂蚁的活动情况（声音的频率变化等）决定了小火车跑的速度（高频振荡电流的频率）。二、无线电波的传播1、地波传播-地波就像一个贴着地面爬行的小虫子。低频无线电波可以沿着地球表面传播，这就是地波传播。它传播的时候，会有一部分能量被地球吸收，就像小虫子爬行的时候会留下一些痕迹一样。-地波传播比较适合长波和中波。比如说，一些长波电台的广播，它可以传播比较远的距离，像在海上的一些通信，有时候就会用到长波的地波传播。因为长波的绕射能力比较强，就像一个柔软的绳子，可以绕过一些障碍物。就好比在一个有很多石头的小路上，长波就像一根很软的绳子，可以绕过这些石头（障碍物）继续传播。2、天波传播-天波传播可就神奇了。它是靠电离层反射来传播无线电波的。电离层在地球的大气层上层，那里的气体被太阳辐射等因素电离了，就像有了一层特殊的镜子。高频无线电波发射到电离层，就会被反射回来，就像咱们把球扔到墙上，球会弹回来一样。-短波比较适合天波传播。比如说，国际短波广播电台，它的信号可以通过天波传播到很远的地方。不过天波传播也有个小问题，电离层的状态不是一直稳定的。白天和晚上，电离层的高度和密度会有变化，就像镜子的性能不一样了。所以短波电台在白天和晚上接收的效果可能会不一样。这就好比白天的镜子反射效果和晚上的镜子反射效果有差别，反射回来的信号也会有强弱的变化。3、直线传播-微波是沿着直线传播的，就像一束直直的光。它不会像地波那样贴着地面爬，也不会像天波那样靠电离层反射。因为微波的频率很高，它的能量比较集中，就像一束很细很直的激光一样。-不过直线传播也有个麻烦事，就是它不能绕过障碍物。如果有个大楼在中间，微波就过不去了。这就好比咱们拿根直直的小棍，前面有个大石头，小棍就过不去了。所以在使用微波通信的时候，需要建立很多中继站，就像在这条直直的路上建了很多小亭子，微波信号到了一个中继站就被放大然后再继续传下去。三、无线电波的接收1、调谐-调谐就像是在一个大市场里找咱们想要的东西。天空中有各种各样的无线电波，就像市场里有各种各样的商品。我们的收音机或者接收设备要从这些众多的无线电波中找到我们想要接收的那个电台的电波。-接收电路里面有个可变电容器，通过改变这个可变电容器的电容，就可以改变接收电路的固有频率。当这个固有频率和我们要接收的电台的频率相等的时候，就像钥匙和锁对上了，就能接收到这个电台的信号了。这就好比我们在市场里找东西，只有找到那个和我们需求匹配的东西，才能把它拿回家。2、解调-解调就是把我们之前在发射的时候装到车上（高频振荡电流）的货物（信息）再取下来。如果是调幅信号，就用检波器把信号的振幅变化还原成原来的声音或者图像信号。如果是调频信号，就用专门的调频解调器把频率的变化还原成原来的信号。-举个例子，就像我们把东西装到箱子里运过来了，现在要把箱子打开，把东西拿出来。这个过程就是解调，这样我们才能真正听到广播里的声音或者看到电视上的图像。课程重点1、无线电波发射中的调制过程，尤其是调幅和调频的原理。这是理解无线电波如何携带信息的关键，就像知道怎么把货物装到车上才能明白运输的原理一样。2、无线电波传播的三种方式，地波、天波和直线传播的特点和适用的无线电波类型。这有助于我们理解不同频率的无线电波为什么能传播到不同的距离和范围。3、无线电波接收中的调谐和解调原理。这是我们能够从众多无线电波中准确接收到想要的信号并且还原出信息的重要环节，就像从市场众多商品中准确找到自己要的然后打开包装拿出东西一样。课程难点1、理解LC振荡电路产生高频振荡电流的原理。电感和电容之间能量的转换比较抽象，就像理解小弹簧和小水库怎么配合起来工作一样，需要多思考和类比。2、天波传播中电离层对无线电波反射的原理。电离层是个比较复杂的环境，它的状态变化对无线电波反射的影响不太好理解。这就像理解一个变化的镜子对球的反射效果一样，需要考虑很多因素。3、调谐和解调过程中的具体电路工作原理。这里涉及到一些电路元件的工作特性，对于初学者来说比较复杂，就像要搞清楚一个复杂机器里每个小零件的功能一样。经典例题1、下列关于无线电波发射的说法正确的是（）-A.只要有振荡器就能发射无线电波-B.LC振荡电路产生的高频振荡电流就是无线电波-C.调制后的高频振荡电流才可以用来发射无线电波-D.调幅和调频是把无线电波变成声音信号的过程-答案：C-解析：有振荡器产生高频振荡电流只是发射无线电波的第一步，还需要调制才能发射，A选项错误；LC振荡电路产生的高频振荡电流不是无线电波，只是无线电波发射的一个环节，B选项错误；调制后的高频振荡电流才带有要传输的信息，才可以用来发射无线电波，C选项正确；调幅和调频是把声音等信号加到高频振荡电流上的过程，而不是把无线电波变成声音信号，D选项错误。2、关于无线电波的传播，以下说法正确的是（）-A.地波传播只适合长波，不适合中波-B.天波传播中电离层在白天和晚上对短波的反射效果相同-C.微波直线传播时不需要任何辅助就能传播很远-D.地波传播时会有能量损耗-答案：D-解析：地波传播适合长波和中波，A选项错误；天波传播中电离层在白天和晚上对短波的反射效果不同，B选项错误；微波直线传播不能绕过障碍物，需要中继站辅助才能传播很远，C选项错误；地波传播时会有能量被地球吸收，有能量损耗，D选项正确。3、在无线电波接收过程中，调谐的目的是（）-A.放大接收到的信号-B.把接收到的信号变成声音或图像信号-C.从众多无线电波中选出要接收的电台信号-D.改变接收电路的频率以适应不同的电台-答案：C-解析：调谐的目的是从众多无线电波中选出要接收的电台信号，就像在市场里找到自己想要的商品，C选项正确；放大信号是放大器的功能，A选项错误；把接收到的信号变成声音或图像信号是解调的功能，B选项错误；改变接收电路的频率以适应不同的电台是调谐的手段，而不是目的，D选项错误。4、对于LC振荡电路，下列说法正确的是（）-A.电感L储存电能，电容C储存磁能-B.电感L和电容C储存的能量之和是不变的-C.当电容C放电完毕时，电感L中的电流为零-D.当电感L中的电流最大时，电容C两端的电压最大-答案：B-解析：电感L储存磁能，电容C储存电能，A选项错误；在LC振荡电路中，电感L和电容C储存的能量之和是不变的，电能和磁能相互转换，B选项正确；当电容C放电完毕时，电感L中的电流最大，C选项错误；当电感L中的电流最大时，电容C两端的电压为零，D选项错误。5、某电台发射的无线电波为调幅波，当广播声音变大时，下列说法正确的是（）-A.高频振荡电流的频率变大-B.高频振荡电流的振幅变大-C.高频振荡电流的频率和振幅都变大-D.高频振荡电流的频率和振幅都不变-答案：B-解析：对于调幅波，广播声音变大时，高频振荡电流的振幅变大，而频率不变，就像小火车车厢的高度变高了，但是跑的速度不变，B选项正确，A、C、D选项错误。6、以下关于无线电波传播的说法，与实际情况相符的是（）-A.长波通过天波传播可以传播到很远的地方-B.短波的地波传播绕射能力很强-C.微波如果没有中继站辅助，传播距离很短-D.电离层对所有频率的无线电波都有良好的反射作用-答案：C-解析：长波适合地波传播，天波传播不适合长波，A选项错误；短波适合天波传播，长波的地波传播绕射能力强，B选项错误；微波直线传播不能绕过障碍物，如果没有中继站辅助，传播距离很短，C选项正确；电离层只对高频无线电波有反射作用，不是所有频率，D选项错误。7、在无线电波的接收中，对于解调过程，下列说法正确的是（）-A.解调是把高频振荡电流变成低频信号的过程-B.对于调幅信号和解调调频信号的方法是一样的-C.解调后的信号可以直接通过扬声器播放-D.解调是在调谐之前进行的-答案：A-解析：解调是把高频振荡电流变成低频信号（如声音或图像信号）的过程，A选项正确；调幅信号和解调调频信号的方法不同，B选项错误；解调后的信号可能还需要经过放大等处理才能通过扬声器播放，C选项错误；解调是在调谐之后进行的，D选项错误。8、一个LC振荡电路中，电感L=1mH，电容C=100pF，这个电路产生的高频振荡电流的频率是多少？-首先，根据公式f=1/(2πsqrt(LC))，把L=1mH=1×10⁻³H，C=100pF=100×10⁻¹²F代入公式。-计算可得f=1/(2πsqrt((1×10⁻³)×(100×10⁻¹²)))=1/(2πsqrt(1×10⁻¹³))≈1591549Hz≈1.59MHz。9、某调频电台发射的无线电波频率为100MHz，当播放一段音乐时，频率在99.9MHz到100.1MHz之间变化，这种频率的变化是（）-A.由于信号干扰造成的-B.正常的调频现象，与音乐信号有关-C.表示电台要更换频率了-D.是接收设备故障导致的-答案：B-解析：这是正常的调频现象，在调频中，高频振荡电流的频率随着要传输的信号（这里是音乐信号）而变化，就像根据货物（音乐）的情况调整小火车（高频振荡电流）的