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怎么样 无线电 作品

Radio 波s 控制 一切 从 AM/FM 广播 to 线less 网路 to 车库 门 开瓶器。
iStockphoto/ 智库

"Radio 波s"经常在数百万英里的范围内通过空中无形地传输音乐,对话,图片和数据-每天都有成千上万种不同的方式发生!即使无线电波是人类看不见的并且完全无法检测到的,它们还是彻底改变了社会。我们是否在谈论一个 细胞 电话 , 一种 宝宝 monitor , 一种 cordless 电话 要么 any 上 e of 的 thousands of other 线less technologies, all of 的m use 无线电 波s to communicate.

Here are just a few of 的 everyday technologies 那 depend 上 无线电 波s:

的 list goes 上 和 上 ... Even things like 雷达 微波炉 depend 上 无线电 波s. Things like communication 和 navigation 卫星 would be impossible 与out 无线电 波s, as would modern aviation -- an 飞机 depends 上 a dozen 不同 无线电 systems. 的 current trend toward 线less 互联网 access uses 无线电 as well, 和 那 means a lot more convenience in 的 future!

有趣的是,无线电本质上是一项非常简单的技术。仅需花费一两美元的几个电子组件,就可以构建简单的无线电发射器和接收器。如此简单的事物如何成为现代世界的基石技术的故事令人着迷!

In this 文章 , we will explore 的 technology of 无线电 so 那 您 能够 completely understand how invisible 无线电 波s make so many things possible!

内容
  1. 的 Simplest 无线电
  2. A (Slightly) More Elaborate 无线电
  3. 无线电 Basics: 的 Parts
  4. 无线电 Basics: Real-life Examples
  5. 简单变送器
  6. 简单的变送器:自己动手
  7. 传输信息
  8. 接收调幅信号
  9. 的 Simplest AM Receiver
  10. 天线基础
  11. 天线:现实生活中的例子

By tapping the terminals of a 9-volt battery with a coin, you can create radio waves that an AM radio can receive!
By 窃听 的 终端 of a 9伏 电池 与 a 硬币, 您 能够 创造 无线电 波s 那 an AM 无线电 能够 接收!

无线电 能够 be incredibly simple, 和 周围 的 turn of 的 century this simplicity made early experimentation possible 对于 just 关于 anyone. 怎么样 simple 能够 it get? Here's an example:

  • Take a fresh 9伏 电池 和 a coin.
  • Find an AM 无线电 和 tune it to an area of 的 dial where 您 hear static.
  • Now hold 的 电池 near 的 天线 和 quickly tap 的 two 终端 of 的 电池 与 的 coin (so 那 您 连接 的m together 对于 an instant).
  • You will hear a crackle in 的 无线电 那 is caused 通过 的 连接ion 和 断开ion of 的 coin.

您的电池/硬币组合就是一个无线电发射器!它没有传输任何有用的东西(只是静态的),也不会传输很远(只有几英寸,因为它没有针对距离进行优化)。但是,如果您使用静态方法来提取摩尔斯电码,则实际上您可以与此粗略设备进行数英寸的通讯!

如果您想更详细一点,请使用金属锉刀和两根电线。将文件的手柄连接到9伏电池的一个端子上。将另一根电线连接到另一个端子,然后在文件的上下移动电线的自由端。如果您在黑暗中进行此操作,那么当导线的尖端与文件的脊部连接和断开时,您将能够看到非常小的9伏火花沿着文件运行。将文件放在AM收音机附近,您会听到很多静电。

In 的 early days of 无线电, 的 发射机s were called 火花线圈 , 和 的y 创造d a continuous stream of sparks at much higher 电压s (e.g. 20,000 伏特). 的 high 电压 创造d big fat sparks like 您 see in a 火花塞 , 和 的y could 发送 farther. Today, a 发射机 like 那 is illegal because it spams 的 恩 tire 无线电 spectrum, but in 的 early days it worked fine 和 was very common because 的re were not many people using 无线电 波s.

As seen in 的 previous section, it is incredibly 简单 to 发送 与 static. All 无线电s today, however, use continuous 正弦 波s 传输信息(音频,视频,数据)。我们今天使用连续正弦波的原因是因为有太多不同的人和设备想要同时使用无线电波。如果您能以某种方式观看它们,您会发现您周围确实有成千上万种不同的无线电波(以正弦波的形式)-电视广播,AM和FM广播,警察和消防广播, 卫星电视 传播s, 细胞 电话 conversations, 全球定位系统 signals, 和 so 上 . It is amazing how many uses 的re are 对于 无线电 波s today (see 怎么样 的 无线电 Spectrum 作品 to get an idea). Each 不同 无线电 signal uses a 不同 正弦 波 频率, 和 那 is how 的y are all separated.

Any 无线电 setup has two parts:

的 发射机 takes some sort of message (it could be 的 sound of someone's voice, pictures 对于 a 电视机 , data 对于 a 无线电 modem 要么 whatever), 恩 codes it 上 to a 正弦 波 和 发送s it 与 无线电 波s. 的 接收者 接收s 的 无线电 波s 和 decodes 的 message 从 的 正弦 波 it 接收s. Both 的 发射机 和 接收者 use 天线 to radiate 和 capture 的 无线电 signal.

A typical baby monitor, with the receiver on the left and the transmitter on the right: The transmitter sits in the baby's room and is essentially a mini "radio station." The parents carry the receiver around the house to listen to the baby. Typical transmission distance is limited to about 200 feet (61 m).
典型的婴儿监护器,左侧为接收器,右侧为发射器:发射器位于婴儿室,本质上是微型"radio 站。"父母随身携带接收器在房子周围听婴儿。典型的传输距离限制为约200英尺(61 m)。

A 宝宝 monitor is 关于 as simple as 无线电 technology gets. 的re is a 发射机 那 坐着 in 的 宝宝's 房间 和 a 接收者 那 的 父母 use to 听 to 的 宝宝. Here are some of 的 important characteristics of a 典型 宝宝 monitor:

  • 调制:幅度调制(AM)
  • 频率范围:49 MHz
  • 频率数量:1或2
  • 发射器功率:0.25瓦

(请放心,"modulation" 和 "frequency" don't make sense 对 now -- we will get to 的m in a moment.)

A 细胞 电话 is also a 无线电 和 is a much more sophisticated device (see 怎么样 Cell 手机 工作 有关详细信息)。手机既包含发送器也包含接收器,可以同时使用两者,可以理解数百种不同的频率,并且可以在频率之间自动切换。以下是典型模拟手机的一些重要特征:

A typical cell phone contains both a transmitter and a receiver, and both operate simultaneously on different frequencies. A cell phone communicates with a cell phone tower and can transmit 2 or 3 miles (3-5 km).
A 典型 细胞 电话 包含 都 a 发射机 和 a 接收者, 和 都 操作 同时 上 不同 频率。 A 细胞 电话 沟通 与 a 细胞 电话 塔 和 能够 发送 2 要么 3 英里 (3-5 km).

You 能够 get an idea 对于 how a 无线电 发射机 works 通过 starting 与 a 电池 和 a piece of 线. In 怎么样 Electromagnets 工作, 您 能够 see 那 a 电池 sends electricity (a stream of electrons) through a 线 if 您 连接 的 线 之间 的 two 终端 of 的 电池. 的 moving electrons 创造 a magnetic field surrounding 的 线, 和 那 field is strong 恩 ough to affect a 罗盘 .

假设您拿了另一根电线,并将其与电池的电线平行,但相距几英寸(5厘米)。如果将非常灵敏的电压表连接到电线,则将发生以下情况:每次将第一条电线与电池连接或断开连接时,您都会在第二条电线中感觉到很小的电压和电流。任何变化的磁场都会在导体中感应出电场-这是任何发电机的基本原理。所以:

One important thing to notice is 那 electrons flow in 的 second 线 上 ly 什么时候 您 连接 要么 断开 的 电池. A magnetic field does not cause electrons to flow in a 线 unless 的 magnetic field is 改变 . Connecting 和 断开ing 的 电池 changes 的 magnetic field (connecting 的 电池 to 的 线 创造s 的 magnetic field, while 断开ing collapses 的 field), so electrons flow in 的 second 线 at those two moments.

什么时候 you connect the battery, the voltage in the wire is 1.5 volts, and when you disconnect it, the voltage is zero volts. By connecting and disconnecting a battery quickly, you create a square wave that fluctuates between 0 and 1.5 volts.
什么时候 您 连接 的 电池, 的 电压 in 的 线 is 1.5 伏特 和 什么时候 您 断开 它, 的 电压 is 零 伏特 By 连接ing 和 断开ing a 电池 很快, 您 创造 a 广场 波 那 波动 之间 0 和 1.5 伏特

To 创造 a simple 无线电 发射机, what 您 want to do is 创造 a 快速变化的电流 in a 线. You 能够 do 那 通过 rapidly 连接ing 和 断开ing a 电池, like this:

A better 道路 is to 创造 a continuously varying electric current in a 线. 的 simplest (and smoothest) 对于m of a continuously varying 波 is a 正弦 波 like 的 上 e 节目n below:

A sine wave fluctuates smoothly between, for example, 10 volts and -10 volts.
A 正弦 波 波动 顺利 之间, 对于 例, 10 伏特 和 -10 伏特

By creating a 正弦 波 和 running it through a 线, 您 创造 a simple 无线电 发射机. It is extremely 简单 to 创造 a 正弦 波 与 just a few electronic components -- a 电容器 和 an 感应器 能够 创造 的 正弦 波, 和 a couple of transistors 能够 amplify 的 波 into a powerful signal (see 怎么样 Oscillators 工作 对于 details, 和 这里 is a simple 发射机 schematic). By sending 那 signal to an 天线 , 您 能够 发送 的 正弦 波 into space.

If 您 have a 正弦 波 和 a 发射机 那 is 发送ting 的 正弦 波 into space 与 an 天线 , 您 have a 广播电台。 的 上 ly problem is 那 的 正弦 波 doesn't contain any information. You need to 调制 的 波 in some 道路 to 恩 code information 上 it. 的re are three common 道路s to 调制 a 正弦 波:

脉冲调制 - In PM, 您 simply turn 的 正弦 波 上 和 off. This is an 简单 道路 to send Morse code. PM is not 那 common, but 上 e good example of it is 的 无线电 system 那 sends signals to 无线电-controlled clocks in 的 United States. One PM 发射机 is able to cover 的 恩 tire United States!

调幅 - Both AM 无线电 stations 和 的 picture part of a 电视信号 use amplitude 调制 to 恩 code information. In amplitude 调制, 的 amplitude of 的 正弦 波 (its peak-to-peak 电压) changes. So, 对于 例, 的 正弦 波 produced 通过 a person's voice is overlaid 上 to 的 发射机's 正弦 波 to vary its amplitude.

调频 - FM 无线电 stations 和 hundreds of other 线less technologies (including 的 sound portion of a 电视信号 , cordless 电话s, 细胞 电话s, etc.) use 频率 调制. 的 advantage to FM is 那 it is largely immune to static. In FM, 的 发射机's 正弦 波 频率 changes very slightly based 上 的 information signal.

Once 您 调制 a 正弦 波 与 information, 您 能够 发送 的 information!

这是一个真实的例子。当您将汽车的AM收音机调谐到某个电台时(例如AM拨盘上的680),发射机的正弦波将以680,000赫兹的频率发射(正弦波每秒重复680,000次)。通过改变发射器正弦波的幅度,DJ的语音被调制到该载波上。对于大型AM电台,放大器将信号放大到50,000瓦左右。然后天线将无线电波发送到太空。

So how does 您r car's AM 无线电 -- a 接收者 -- 接收 的 680,000-hertz signal 那 的 发射机 sent 和 extract 的 information (the DJ's voice) 从 it? Here are 的 steps:

What 您 hear coming out 的 讲者 is 的 DJ's voice!

In an FM 无线电, 的 探测器 is 不同, but 一切 else is 的 same. In FM, 的 探测器 turns 的 changes in 频率 into sound, but 的 天线 , 调谐器 和 amplifier are largely 的 same.

In 的 case of a strong AM signal, it turns out 那 您 能够 创造 a simple 无线电 接收者 与 just two parts 和 some 线! 的 process is extremely simple -- 这里 's what 您 need:

  • 二极管 - You 能够 get a 二极管 对于 关于 $1 at 无线电 Shack. Part number 276-1123 will do.
  • Two pieces of 线 - You'll need 关于 20 to 30 脚 (15 to 20 meters) of 线. 无线电 Shack part number 278-1224 is great, but any 线 will do.
  • 一小块金属桩 那 您 能够 drive into 的 ground (or, if 的 发射机 has a guard rail 要么 metal fence nearby, 您 能够 use 那)
  • 水晶耳机 - Unfortunately, 无线电 Shack does not sell 上 e. 怎么样ever, 无线电 Shack does sell a Crystal 无线电 Kit (part number 28-178) 那 包含 的 earphone, 二极管 , 线 和 a 调谐器 (which means 那 您 don't need to stand 对 next to 的 发射机 对于 this to work), all 对于 $10.

You now need to find 和 be near an AM 无线电 station's 发送ting 塔 (within a mile/1.6 km 要么 so) 对于 this to work. Here's what 您 do:

Now if 您 put 的 earplug in 您r ear, 您 will hear 的 无线电 station -- 那 is 的 simplest possible 无线电 接收者! This super-simple project will not work if 您 are very far 从 的 station, but it does demonstrate how simple a 无线电 接收者 能够 be.

运作方式如下。有线天线正在接收各种各样的无线电信号,但是由于您离特定的发射器太近,所以这实际上并不重要。附近的信号将数以百万计的一切淹没。由于您离发射器太近,天线也接收到很多 能源 -- 恩 ough to drive an earphone! 的refore, 您 don't need a 调谐器 要么 batteries 要么 anything else. 的 二极管 acts as a 探测器 对于 的 AM signal as described in 的 previous section. So 您 能够 hear 的 station despite 的 lack of a 调谐器 和 an amplifier!

的 Crystal 无线电 Kit 那 无线电 Shack sells (28-178) 包含 two extra parts: an 感应器 和 a 电容器 . 的se two parts 创造 a 调谐器 那 gives 的 无线电 extra range. See 怎么样 Oscillators 工作 对于 details.

You have probably noticed 那 almost every 无线电 您 see (like 您r 细胞 电话, 的 无线电 in 您r car, etc.) has an 天线 。 一种 ntennas come in all shapes 和 sizes, depending 上 的 频率 的 天线 is trying to 接收. 的 天线 能够 be anything 从 a long, stiff 线 (as in 的 AM/FM 无线电 天线 上 most cars) to something as bizarre as a 卫星天线. 无线电 发射机s also use extremely tall 天线 塔s to 发送 的ir signals.

的 idea behind an 天线 in a 无线电 发射机 is to launch 的 无线电 波s into space. In a 接收者, 的 idea is to pick up as much of 的 发射机's power as possible 和 supply it to 的 调谐器 . For 卫星 那 are millions of 英里 away, 美国宇航局 uses huge dish 天线 up to 200 脚 (60 meters ) in diameter!

的 size of an optimum 无线电 天线 is related to 的 频率 of 的 signal 那 的 天线 is trying to 发送 要么 接收. 的 reason 对于 this relationship has to do 与 的 光速, 和 的 距离 electrons 能够 travel as a result. 的 光速 is 186,000 英里 per second (300,000 kilometers per second). On 的 next page, we'll use this number to calculate a real-life 天线 size.

假设您正在尝试为680 AM广播电台建造广播塔。它正在发射频率为680,000赫兹的正弦波。在正弦波的一个周期中,发射器将沿一个方向在天线中移动电子,将电子切换并拉回,将电子推出并推动,再将电子推回。换句话说,在正弦波的一个周期内,电子将改变方向四次。如果发射器以680,000赫兹的频率运行,则意味着每个周期都将在(1 / 680,000)0.00000147秒内完成。其中四分之一是0.0000003675秒。以光速,电子可以在0.0000003675秒内传播0.0684英里(0.11公里)。这意味着发射机在680,000赫兹时的最佳天线尺寸约为361英尺(110米)。因此AM广播电台需要很高的塔。另一方面,对于工作在900,000,000(900 MHz)的手机,最佳天线尺寸约为8.3厘米或3英寸。这就是为什么手机可以具有如此短的天线。

您可能已经注意到,汽车中的AM收音机天线的长度不超过300英尺-只有几英尺。如果您将天线加长,则效果会更好,但是AM电台在城市中是如此强大,以至于您的天线是否为最佳长度并不重要。

您可能想知道为什么当无线电发射器发射东西时,无线电波想要以光速在远离天线的空间中传播。为什么无线电波可以传播数百万英里?为什么不像您看到的那样,用一根电线将电池连接到天线,天线周围就没有磁场呢?一种简单的思考方法是:当电流进入天线时,它确实会在天线周围产生磁场。我们还看到,磁场将在靠近发射器的另一根导线中产生电场(电压和电流)。事实证明,在太空中,天线产生的磁场会在太空中感应出电场。该电场又在空间中感应出另一个磁场,该磁场又感应出另一个电场,从而又感应出另一个磁场,依此类推。这些电场和磁场(电磁场)以光速在空间中相互感应,朝着远离天线的方向传播。

For more information 上 无线电 和 related topics, check out 的 links 上 的 next page.

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