آموزش ساخت گیرنده رادیو FM – از صفر تا صد

گیرنده رادیو FM، یک ابزار الکترونیکی است که امواج رادیویی را دریافت می‌کند و اطلاعاتی که توسط این امواج حمل می‌شود را به شکل قابل کاربردی مثل صدا یا ویدئو تبدیل می‌کند. در این مطلب از مجله فرادرس قصد داریم نحوه ساخت گیرنده رادیو FM را از صفر تا صد بیان کنیم و در ادامه راجع‌به اصول حاکم بر طرز کار آن نیز صحبت خواهیم کرد.

نحوه ساخت گیرنده رادیو FM

برای بستن مدار شکل زیر و ساخت گیرنده رادیو FM، به ابزارهای مختلفی از جمله برد، انواع خازن، ترانزیستور، مقاومت، سلف، پتانسیومتر و منبع تغذیه نیاز داریم. در بخش‌های بعد مراحل و وسایل موردنیاز برای ساخت این نوع گیرنده امواج رادیویی را در قالب چند مثال بیان می‌کنیم. در هر بخش از وسایل مختلف و روش‌های متفاوتی برای ساخت گیرنده رادیو FM استفاده شده است تا در نهایت تسلط خوبی روی این موضوع به‌دست آورید.

اما پیش از شروع ساخت مدار گیرنده، کمی در مورد نحوه عملکرد یک گیرنده رادیویی توضیح می‌دهیم. انتقال موج رادیویی FM توسط فرآیندی به نام «مدولاسیون فرکانس» (Frequency Modulation) یا به اختصار FM انجام می‌شود. در این فرآیند، سیگنال صوتی توسط یک سیگنال حامل با فرکانس بالا تغییر داده می‌شود. بنابراین، سیگنال‌های رادیویی FM در فرکانس‌های بالا مانند ‎88 MHz تا ‎108 MHz ارسال می‌شوند و برای آشکارسازی و دمدولاسیون این سیگنا‌ل‌ها باید از «گیرنده» (Receiver) استفاده کنیم.

همچنین در یک گیرنده، امواج رادیویی موردنظر توسط وسیله‌ای به نام «آنتن» (Antenna) گرفته می‌شوند. در ادامه یک گیرنده از فیلترهای الکترونیکی خاصی برای جداسازی سیگنال‌های موردنظر از سایر سیگنال‌های گرفته شده توسط آنتن، استفاده می‌کند. همچنین گیرنده دارای یک تقویت‌کننده الکترونیکی است تا قدرت سیگنال را برای پردازش‌های بعدی افزایش دهد و در نهایت بتواند اطلاعات مطلوب را طی فرآیند مدولاسیون پوشش دهد.

مثال اول ساخت گیرنده رادیو FM

در این بخش به توضیح اولین مثال از ساخت گیرنده رادیو FM خواهیم پرداخت. دقت کنید این مدار بسیار ساده است، بنابراین جهت کاربردهای صنعتی مناسب نیست. برای ساخت این مدار به وسایل زیر نیاز داریم:

• برد مدار چاپی (PCB) آلومینیوم خام
• وسایل موردنیاز برای لحیم‌کاری
• یک عدد ترانزیستور 2N3904
• یک عدد ترانزیستور BC547
• یک عدد خازن عدسی سرامیکی با ظرفیت ‎2.2 nF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎1 nF
• دو عدد خازن الکتروليت ايستاده با ظرفیت ‎22 μF
• یک عدد خازن عدسی با ظرفیت ‎22 pF
• یک عدد خازن عدسی با ظرفیت ‎5 pF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎100 nF
• دو عدد مقاومت ‎47 kΩ
• یک عدد مقاومت ‎10 kΩ
• دو عدد مقاومت ‎ 3.6 kΩ
• یک عدد مقاومت ‎‎‎‎‎‎100 kΩ
• یک عدد مقاومت ‎‎‎‎‎‎1 MΩ
• یک عدد سلف مقاومتی ‎10 μH
• یک عدد پتانسیومتر تریمر (یا متغیر) خوابیده ‎20 kΩ
• یک عدد خازن متغیر (تریمر) ‎30 pF
• یک عدد سلف پاور SMD
• یک عدد باتری ‎9 V
• یک عدد آنتن

مراحل ساخت گیرنده رادیو FM

حالا می‌رویم سراغ مراحل ساخت گیرنده رادیو FM. پیش از اینکه مراحل را بررسی کنید، اگر تمایل دارید اطلاعات خود را در مورد مفاهیم پایه مرتبط با امواج صوتی یا رادیویی تکمیل کنید، می‌توانید فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس را که لینک آن در ادامه قرار داده شده است، مشاهده کنید:

مطابق شکل‌ زیر، ابتدا جایگاه قرار دادن سه پایه ترانزیستور را روی برد موردنظر خود آماده کنید. در این مدار از یک برد مدار چاپی آلومینیومی استفاده می‌کنیم که در آن علاوه‌بر لایه مس و دی‌الکتریک، لایه آلومینیوم هم به کار برده شده است. چون آلومینیوم فلزی با هدایت گرمایی بالا، سبک، مقاوم و مقرون به صرفه است، بنابراین کاربرد آن مشابه استفاده از یک گرماگیر در مدار است. در نتیجه خیلی سریع حرارت تولید شده در مدار به هوا منتقل می‌شود و مدار یا اجزای آن آسیبی نخواهند دید.

 

اتصال ترانزیستور

در اولین قدم، سه پایه ترانزیستور 2N3904 را روی برد طبق شکل زیر لحیم کنید. اگر شماره این ترانزیستور را جستجو کنید، خیلی راحت به اطلاعات آن دسترسی خواهید داشت. ترانزیستور 2N3904 یک ترانزیستور NPN است، به گونه‌ای که کلکتور ورودی و امیتر خروجی آن است.

اتصال مقاومت‌ها

سپس یک سر مقاومت ‎47 kΩ را به بیس ترانزیستور و سر دیگر آن را به جایگاه موردنظر روی برد متصل کنید. در مرحله بعد مشابه مقاومت قبلی، یک سر مقاومت ‎10 kΩ را به بیس ترانزیستور و سر دیگر این مقاومت را هم به برد وصل کنید.

اتصال سلف

اگر خاطرتان باشد، یک سلف مقاومتی در لیست وسایل موردنیاز داشتیم که در این مرحله با اتصال یک سر آن به امیتر ترانزیستور به مدار اضافه می‌شود. توجه کنید سلف یکی از اجزای غیرفعال یا passive در مدار الکترونیکی محسوب می‌شود که توانایی ذخیره انرژی الکتریکی دارد. توانایی سلف برای ذخیره انرژی ضریب خودالقایی یا اندوکتانس نامیده می‌شود که واحد آن هانری (H) است. سلف‌ در برابر عبور جریان بسته به مقدار اندوکتانسی که دارد، فرکانس‌های بالا را از خود عبور نمی‌دهد و در مقابل تغییرات جریان الکتریکی از خود مقاومت نشان می‌دهد.

اتصال خازن

در ادامه به مقاومت ‎10 kΩ بازگردید و خازن عدسی سرامیکی با ظرفیت ‎2.2 nF را به دنبال آن در مدار متصل کنید.

اتصال پتانسیومتر

حالا پتانسیومتر تریمر خوابیده ‎20 kΩ را سری با مقاومت ‎10 kΩ و به دنبال آن در مدار نصب کنید، طوری که با خازن مرحله قبل موازی باشد.

 

اتصال سایر مقاومت‌ها و خازن‌ها

در این مرحله لازم است خازن دیگری با ظرفیت ‎1 nF (خازن آبی) را به‌صورت موازی با مقاومت ‎47 kΩ در مدار قرار دهید. همچنین یک خازن الکتروليت ايستاده (خازن سیاه) با ظرفیت ‎22 μF را موازی با خازن جدید ‎1 nF در مدار لحیم کنید و سر دیگر آن را به یک سیم متصل کنید.

در این مرحله مجددا به سلف مقاومتی بازمی‌گردیم و یک سر خازن عدسی ‎22 pF را به نقطه‌ای که سلف و امیتر ترانزیستور متصل شده بودند، متصل کنید. سر دیگر این خازن به کلکتور ترنزیستور متصل شود. همچنین در ادامه، یک سر خازن عدسی با ظرفیت ‎5 pF (خازن نارنجی) را به خازن قبلی متصل کنید.

حالا یک مقاومت ‎3.6 kΩ را به سر دیگر سلف مقاومتی طبق شکل ببندید. همچنین یک خازن ‎22 μF دیگر را در ادامه سری با مقاومت قبلی به مدار متصل کنید.

در این مرحله، مقاومت ‎100 kΩ به‌صورت موازی با خازن ‎22 μF قبلی در مدار قرار می‌گیرد. حالا می‌خواهیم یک خازن دیگر در این بخش اضافه کنیم که لازم است برای قرار دادن آن به‌صورت موازی با آیتم‌های قبل، پایه‌ای به شکل زیر روی برد نصب کنید.

اتصال ترانزیستور دوم

در ادامه، خازن سبز رنگ با ظرفیت ‎100 nF را متصل کنید و مجددا یک پایه دیگر روی برد برای قرار دادن یکی از پایه‌های ترانزیستور دوم در مدار ایجاد کنید. بیس ترانزیستور BC547 در نقطه اتصال خازن قبلی قرار می‌گیرد، در حالی که کلکتور آن روی پایه جدیدی که ایجاد کرده‌ایم، لحیم می‌شود. امیتر آن نیز در نقطه دیگری روی برد قرار می‌گیرد. در ادامه بیشتر با بیس و کلکتور این ترانزیستور کار داریم.

پس از اتصال ترانزیستور دوم در مدار، یک سر مقاومتی با مقدار ‎ 1 MΩرا طبق شکل زیر در محل اتصال خازن ‎100 nF و بیس ترانزیستور نصب کنید.

یک عدد مقاومت ‎47 kΩ دیگر هم داشتیم. این مقاومت را به دنبال مقاومت قبلی و سری با آن وصل کنید. همچنین برای تکمیل بخش باقی‌مانده مدار لازم است قسمت دیگر برد را به شکل زیر آماده کنیم.

اتصال خازن متغیر

در این مرحله یک عدد خازن متغیر تریمر ‎30 pF داشتیم که باید آن را به مدار اضافه کنیم. این نوع خازن‌های متغیر دارای ظرفیت بسیار کمی هستند، برای مثال ظرفیت این خازن از حدود 1 تا 30 پیکوفاراد است و بیشتر در تنظیم‌کننده‌های مدارهایی با فرکانس بالا مورد استفاده قرار می‌گیرند. خازن خود را به شکل زیر در مدار قرار دهید. دقت کنید هنوز قطعه دیگری به آن متصل نشده است.

حالا سلف را موازی با خازن وصل کنید و در ادامه، یک مقاومت ‎3.6 kΩ را به یک سر اتصال موازی خازن و سلف لحیم کنید. مدار تقریبا تکمیل شده است.

اتصال باتری

در انتهای کار باتری را باید به مدار اضافه کنیم تا مدار کار کند. یک سیم به محل اتصال دو مقاومت در تصویر بالا و سیم دیگری در ادامه مقاومت ‎100 kΩ در گوشه دیگر مدار و موازی با همین قسمت، لحیم کنید. این دو سیم به دو پایانه باتری متصل خواهند شد. همچنین سیم دیگری در محل اتصال مقاومت ‎1 MΩ و کلکتور ترانزیستور روی مدار نصب کنید. این سیم برای اتصال به آنتن استفاده خواهد شد.

یادگیری ساخت گیرنده رادیو FM با فرادرس برای دانش‌آموزان

اگر دانش‌آموز مقطع متوسطه هستید و تمایل دارید به مطالب کتاب‌های درسی خود در زمینه مباحث مخابرات مانند ساخت گیرنده رادیو FM مسلط شوید، پیشنهاد می‌کنیم فیلم‌های آموزشی زیر از مجموعه فرادرس را مشاهده کنید. این مجموعه بر اساس تقویت دانش شما در زمینه قطعات الکترونیکی مورد استفاده در ساخت مدارها و همچنین مفاهیم امواج صوتی تنظیم شده است:

1. فیلم آموزش لحیم کاری سخت و نرم فرادرس
2. فیلم آموزش فیزیک پایه یازدهم فرادرس
3. فیلم آموزش فیزیک یازدهم مرور و حل تمرین فرادرس
4. فیلم آموزش فیزیک پایه دوازدهم فرادرس
5. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم مرور و حل تمرین فرادرس
6. فیلم آموزش فیزیک دوازدهم نکته و حل تست کنکور فرادرس

مثال دوم ساخت گیرنده رادیو FM

در دومین مثال ساخت گیرنده رادیو FM، می‌خواهیم به جزئیات ساخت مدار گیرنده FM «احیاکننده یا بازسازی‌کننده» (Regenerative) بپردازیم که در آن فقط از یک ترانزیستور JEFT (ترانزیستور اثر میدان) با مدل MPF102 استفاده می‌شود. در این نوع ترانزیستورها برخلاف ترانزیستورهای BJT یا ترانزیستورهای پیوند دوقطبی، سه پایه ترانزیستور عبارت‌اند از «درین» (Drain)، «سورس» (Source) و «گیت» (Gate).

برای بستن چنین مداری به وسایل زیر نیاز داریم:

• یک عدد ترانزیستور MPF102
• دو عدد سلف
• یک عدد خازن عدسی با ظرفیت ‎4.7 pF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎4.7 nF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎0.1 μF
• یک عدد خازن متغیر با ظرفیت ‎80 pF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎15 pF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎1 nF
• یک عدد مقاومت با مقدار ‎10 kΩ
• یک عدد پتانسیومتر با مقاومت ‎1 kΩ
• یک عدد باتری ‎12 V
• یک عدد آنتن

مراحل ساخت گیرنده رادیو FM

در اولین مرحله برای ساخت این گیرنده رادیو FM لازم است گیت ترانزیستور Q₁ به زمین وصل شود. همچنین درین یا نقطه D ترانزیستور مطابق شکل زیر به سلف L₁ و نقطه S یا سورس ترانزیستور از سمت راست به سلف L₂ متصل می‌شود.

در مرحله بعدی دو سر خازن C₄ با ظرفیت ‎4.7 nF را موازی با ترانزیستور و به دو نقطه درین و سورس متصل کنید. حالا می‌رویم سراغ سمت راست مدار، جایی که القاگر یا سلف L₂ را داریم. در حالی که یک سر این القاگر به سورس ترانزیستور متصل شده است، سر دیگر آن را به مقاومت R₂ با مقدار ‎10 kΩ وصل کنید. در ادامه سر دیگر این مقاومت باید زمین شود.

همچنین خازنی با ظرفیت ‏‎4.7 nF هم داریم با نام C₅ که لازم است موازی با مقاومت قبل بسته شود. خازن C₆ با ظرفیت ‎0.1 μF را در ادامه به این مجموعه مطابق شکل زیر وصل کنید.

در بخش دیگر مدار، دو خازن C_2‌ و C₃ را داریم که طبق شکل زیر در مدار قرار می‌گیرند، به این صورت که یک سر خازن ‎80 pF یا خازن C₃ در نقطه‌ای بین زمین و گیت ترانزیستور قرار می‌گیرد و سر دیگر آن هم به یک سر خازن C₂ متصل می‌شود. سر دیگر خازن C₂ با ظرفیت ‎15 pF نیز در نقطه‌ای بین درین و سلف شماره یک قرار می‌گیرد. خازن C₃ یک خازن متغیر است که به منظور کنترل تنظیم استفاده می‌شود (به تفاوت نماد این خازن با سایر خازن‌های معمولی در مدار توجه کنید). از طرفی چون خازن C₂ قابلیت رزونانس یا تشدید با L₁ را دارد (با توجه به اتصال سری)، ظرفیت واقعی‌ آن کمتر می‌شود.

در سمت چپ مدار، سلف L₁ را داریم که سر دیگر آن به خازن C₁ با ظرفیت ‎1 nF متصل شده است. همچنین یک سر پتانسیومتر R₁ با مقاومت ‎1 kΩ را به این نقطه اتصال سلف و خازن وصل کنید. توجه کنید که پتانسیومتر دارای سه پایه یا سر است. سر دیگر این قطعه باید به سر دیگر خازن C₁ وصل شود و در نهایت زمین شوند. سر سوم آن هم طبق شکل زیر به باتری ‎12 V وصل خواهد شد. هدف از استفاده از پتانسیومتر R₁ کنترل بازسازی است و می‌توانید آن را تا قبل از صدای نویز تنظیم کنید.

در نهایت مدار نهایی گیرنده موردنظر ما به‌صورت شکل زیر است که اگر به آن دقت کنید، آنتن A₁ به سلف L₁ وصل می‌شود. L₁ یک پیچه سیمی متشکل از 6 دور سیم با قطری در حدود ‎8 mm است. اما پیچه سیمی مربوط به سلف شماره دو یا L₂ از پیچاندن حدود 30 دور سیم ساخته شده است.

مثال سوم ساخت گیرنده رادیو FM

تا اینجا روش ساخت گیرنده رادیو FM را در قالب دو مدار مختلف یاد گرفتیم. در این بخش گیرنده رادیو FM را به شکل دیگری خواهیم ساخت. در این گیرنده هم مانند مدار اول از دو ترانزیستور استفاده شده است (T₁ و T₂). همچنین در این مدار علاوه‌بر اینکه سیگنال‌های FM دریافت می‌شوند، این سیگنال‌ها با کمک یک آی سی تقویت‌کننده LM386 تقویت خواهند شد تا به بلندگو برسند. وسایل موردنیاز برای ساخت این مدار شامل موارد زیر می‌شوند:

• برد الکترونیکی و ابزارهای لازم برای لحیم‌کاری
• دو عدد ترانزیستور مدل 2N3904
• یک عدد خازن متغیر با ظرفیت ‎22 pF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎0.22 μF
• دو عدد خازن قطبی با ظرفیت ‎10 μF
• یک عدد خازن قطبی با ظرفیت ‎ 220 μF
• یک عدد خازن با ظرفیت ‎47 nF
• یک عدد خازن قطبی با ظرفیت ‎ 470 μF
• یک عدد سلف یا القاگر
• یک عدد مقاومت با مقدار ‎   22 kΩ
• یک عدد پتانسیومتر با مقاومت ‎100 kΩ
• یک عدد مقاومت با مقدار ‎  10 kΩ
• یک عدد آی سی تقویت‌کننده LM386
• یک عدد بلندگو
• یک عدد آنتن
• یک عدد باتری ‎5 V

مراحل ساخت گیرنده رادیو FM

پیش از توضیح مراحل، اگر می‌خواهید با کاربرد آی سی‌های مختلف در مدارهای الکترونیکی بیشتر آشنا شوید، پیشنهاد می‌کنیم مطلب «ساخت مدار رقص نور به ساده ترین روش ممکن» از مجله فرادرس را مطالعه کنید. در این مطلب دو نوع آی سی تایمر 555 و ‎4017 توضیح داده شده‌اند.

شکل بالا نحوه اتصال اجزای این مدار را نشان می‌دهد. ترانزیستور T₁ یک ترانزیستور پیوند دوقطبی از نوع NPN است که خروجی آن در امیتر قرار دارد. ابتدا بیس ترانزیستور T₁ را به یک سر خازن متغیر C₁ با ظرفیت ‎22 pF و کلکتور آن را به سر دیگر این خازن متصل کنید. همچنین دو سر خازن متغیر را به دو سر سلف L₁ که به آنتن متصل شده است، به‌صورت موازی ببندید.

در مرحله بعد، ابتدا کلکتور ترانزیستور T₂ را به نقطه‌ای بین اتصال سلف و خازن متغیر در مرحله قبل وصل کنید. سپس، امیتر این ترانزیستور را همراه با امیتر ترانزیستور T₁ زمین کنید. بیس T₂ دو شاخه می‌شود، یک شاخه به یک سر خازن C₂ با ظرفیت ‎0.22 μF و شاخه دیگر به یک سر مقاومت R₁ با مقدار ‎22 kΩ بسته می‌شود. به تفاوت نماد خازن‌های متغیر، ساده و قطبی در مدار دقت کنید.

مجموعه دو ترانزیستور، القاگر یا سلف L₁ و خازن متغیر C₁، «اسیلاتور کولپیتس» (Colpitts Oscillator) را می‌سازند. در این مدار، خازن متغیر فرکانس تشدید را تنظیم می‌کند. با تنظیم کردن این خازن متغیر، فرکانس تشدید هم عوض می‌شود و در نتیجه، می‌توانیم مدار را در فرکانسی بین 88 تا ‎108 MHz تنظیم کنیم. سیگنال پیام دریافت شده توسط مقاومت R₁ در مدار قابل استخراج است.

در حقیقت این مدار به گونه‌ای تنظیم شده است که بتوانید گیرنده رادیویی را با استفاده از خازن متغیر تنظیم کنید. ظرفیت این خازن ‎22 pF در نظر گرفته شده است، چرا که خازن‌های متغیر با این مقدار ظرفیت بیشتر در بازار موجود هستند و برای تهیه کمتر دچار مشکل خواهید شد. همچنین سلفی که برای این مدار در نظر گرفته شده است، به‌صورت پیچه‌ای ساده و بدون هسته است که از چهار دور سیم مسی ‎22 SWG ساخته شده است. انتخاب این پیچه می‌تواند به‌صورتی انجام شود که سیگنال‌های با فرکانس بالا هم قابل دریافت توسط گیرنده باشند.

حالا از پتانسیومتر R₂ با مقدار مقاومت ‎100 kΩ استفاده کنید، این قطعه سه سر دارد که سر شماره 3 آن را به سر دیگر خازن C₂، سر شماره 1 به زمین و سر شماره 2 به پین شماره 3 آی سی باید وصل شود. IC این مدار هما‌ن‌طور که گفتیم، LM386 است. این آی سی دارای 8 پین است که به‌صورت شکل زیر تعریف می‌شوند. طبق شکل بعدی، پین شماره 3 آی سی، همان ورودی مثبت آن است.

 

پین شماره 6 به سر دیگر مقاومت R₁، پین شماره 1 به سر منفی و پین شماره 8 به سر مثبت خازن قطبی C₃ با ظرفیت ‎10 μF، پین شماره 7 به سر مثبت خازن قطبی C₄ با ظرفیت ‎10 μF و پین شماره 5 دو شاخه خواهد شد. همچنین، پین شماره 2 که همان ورودی منفی است به همراه پین شماره 4 باید به زمین وصل شوند. یک شاخه از پین 5 به یک سر خازن C₅ با ظرفیت ‎47 nF و شاخه دیگر آن به سر مثبت خازن قطبی C₆ با ظرفیت ‎220 ‎μF بسته خواهد شد. در انتها، باید سر منفی خازن C₄ و سر دیگر خازن C₅ هر دو به دو سر مقاومت R₃ با مقدار ‎10 kΩ بسته شود.

در نهایت برای تکمیل مدار، سر منفی خازن‌ قطبی C₆ به یک سر بلندگو و سیمی از محل اتصال C₄، دو پین 4 و 2 آی سی و R₃ به سر دیگر بلندگو بسته می‌شود. همچنین سیمی از محل اتصال مقاومت R₁ و پین 6 آی سی به سر مثبت خازن قطبی C₇ با ظرفیت ‎470 μF و سیم دیگری از بلندگو به سر منفی خازن C₇ باید بسته شود. اتصال باتری به‌صورت موازی با این خازن، مدار را تکمیل می‌کند.

دقت کنید خازن‌ C₅ با ظرفیت ‎47 nF، خازن C₄ با ظرفیت ‎10 μF و ولتاژ کار ‎25 V به همراه مقاومت R₃ با مقدار مقاومت ‎،10 kΩ یک «فیلتر میان‌گذر» (Band-pass Filter) را برای فرکانس‌های خیلی پایین تشکیل می‌دهند که برای جداسازی سیگنال‌های فرکانس پایین از سیگنال‌های فرکانس بالا در گیرنده بکار می‌رود. دقت کنید پس از آزمودن مدار بالا، متوجه شدیم که این مدار در بازه ولتاژ 3.3 تا 3.5 ولت خیلی خوب کار می‌کند. اصول عملکرد این مدار خیلی ساده است، فرکانس تشدید مدار توسط خازن C₁ و سلف L₁ تولید می‌شود. مجموعه LC را «مدار تانک یا مدار تشدید» (Tank Circuit) می‌نامند. این مدار قادر است نوسان فرکانس بالای موردنیاز برای تولید سیگنال FM را تولید کند.

امواج رادیویی

در این بخش یاد می‌گیریم امواج رادیویی دارای چه خصوصیاتی هستند و در نتیجه، بهتر می‌توانیم درک کنیم برای ساخت گیرنده رادیو FM به چه شرایط یا ابزارهایی نیاز داریم. اگر تا به حال به مکانیسم عملکرد وسایلی مانند تلویزیون، رادیو یا تلفن‌ همراه دقت کرده باشید، متوجه خواهید شد که امواج رادیویی به‌عنوان مهم‌ترین عامل مشترک در این وسایل ارتباطی نقش مهمی در دیدن تصاویر تلویزیون یا شنیدن صدا از رادیو یا تلفن همراه ایفا می‌کنند.

امواج رادیویی جزء «امواج الکترومغناطیسی» (Electromagnetic Waves or EM Waves) محسوب می‌شوند. پس انتظار داریم خواص امواج رادیویی کاملا شبیه خواص امواج الکترومغناطیسی باشد. در بخش بعد ویژگی‌های امواج الکترومغناطیسی را توضیح می‌دهیم تا در واقع با خصوصیات امواج رادیویی هم بهتر آشنا شویم.

ویژگی‌های امواج رادیویی

امواج الکترومغناطیسی در اثر حرکت شتاب‌دار ذره بارداری مانند الکترون تولید می‌شوند. این امواج با مکان و زمان تغییر می‌کنند، یعنی تابعی از زمان (t) و مکان (x) هستند. در حقیقت امواج الکترومغناطیسی شامل بردارهای میدان‌ الکتریکی و مغناطیسی عمود بر هم هستند که در قالب یک تابع سینوسی نسبت به زمان و مکان تغییر می‌کنند تا همواره بر راستای انتشار موج نیز عمود باشند. نکته جالب دیگر این است که امواج EM با سرعت نور حرکت می‌کنند و چون از نظر الکتریکی خنثی محسوب می‌شوند، میدان‌های الکتریکی یا مغناطیسی مانع حرکت آن‌ها نمی‌شوند.

«طیف الکترومغناطیس» (Electromagnetic Spectrum) شامل مجموعه‌ای از امواج الکترومغناطیسی با طول‌موج‌ها و فرکانس‌های مختلف است که هفت ناحیه به نام «ریزموج‌ها یا امواج ماکروویو» (Microwaves)، «نور مرئی» (Visible Light)، «مادون قرمز» (Infrared)، «اشعه فرابنفش» (Ultraviolet Ray)، «اشعه ایکس» (X-ray)، «پرتوهای گاما» (Gamma Rays) و امواج رادیویی را تشکیل می‌دهد.

شکل بالا این هفت ناحیه را نشان می‌دهد که با توجه به طول‌موج یا فرکانس تقسیم‌بندی شده‌اند. پرتوهای گاما با کمترین طول‌موج‌ و بیشترین انرژی در یک سر این طیف قرار می‌گیرند (سمت راست تصویر بالا)، در حالی که امواج رادیویی با بزرگ‌ترین طول‌موج و کمترین مقدار انرژی در سمت مقابل طیف قرار دارند (سمت چپ تصویر بالا).

تولید امواج رادیویی

طبق توضیحات بخش قبل، می‌توانیم نتیجه‌گیری کنیم که امواج رادیویی به‌عنوان بخشی از طیف الکترومغناطیس در اثر حرکت شتاب‌دار بارها در فرستنده‌های امواج رادیویی تولید می‌شوند. به‌عبارت دیگر، حرکت شتاب‌دار ذراتی مثل الکترون‌ها باعث تابش امواج رادیویی خواهد شد. گسترده‌ بودن محدوده فرکانسی (یا طول‌موجی) امواج رادیویی (از کمترین مقدار ‎3 kHz تا بیشترین مقدار ‎300 GHz) باعث شده است تا ساخت وسایل ارتباطی بر اساس دریافت این امواج انجام شود.

همان‌طور که اشاره شد، برای تولید امواج رادیویی به فرستنده و برای آشکارسازی این امواج به گیرنده نیاز داریم. پروسه تولید و استفاده از یک موج رادیویی کاربردی توسط وسیله‌ای به نام آنتن انجام می‌شود. در شکل بالا دو میله عمودی در سمت راست و چپ تصویر مشاهده می‌کنید که هر دو آنتن هستند، یک آنتن مربوط به گیرنده است و دیگری جزء فرستنده محسوب می‌شود. آنتن موج رادیویی را در قالب انرژی به فضا می‌فرستد و گیرنده با دریافت این انرژی، آن را به نوسانات مکانیکی یا امواج صوتی تبدیل می‌کند که قابل شنیدن توسط گوش انسان است. پس منظورمان از کاربردی بودن موج رادیویی تولید شده این است که قابل تبدیل به صدا یا تصویر باشد. اما نکته مهم این است که هم فرستنده و هم گیرنده هر دو در فرکانس خاصی کار می‌کنند.

با توجه به محدوده فرکانسی امواج رادیویی، بازه فرکانسی خاص برای فرستنده و گیرنده نیز همان بازه ‎3 kHz تا ‎300 GHz است. با توجه به رابطه بین طول‌موج و فرکانس طبق فرمول زیر برای یک موج الکترومغناطیسی، محدوده انتقال یا دسترس‌پذیری امواج رادیویی می‌تواند از چند مایل تا چند صد هزار مایل در فضا گسترده شود:

$$\lambda=\frac{c}{\nu}$$

در رابطه بالا c سرعت نور بر حسب متر بر ثانیه (m/s)، λ طول‌موج موج رادیویی بر حسب متر (m) و υ فرکانس یا بسامد موج رادیویی برحسب هرتز (Hz) است.

طیف امواج رادیویی

پس از اینکه با طیف الکترومغناطیس آشنا شدیم، در این بخش طیف امواج رادیویی را یاد می‌گیریم که دانستن آن در ساخت گیرنده رادیو FM نیز حائز اهمیت است. طیف امواج رادیویی به 9 باند یا سطح فرکانسی تقسیم‌بندی می‌شود تا با توجه به هدف و کاربرد خاص از این امواج به‌درستی استفاده شود. جدول زیر این باندها را در طیف امواج رادیویی نشان می‌دهد که البته یک مورد یعنی باند خیلی خیلی پایین یا Ultra Low Frequency در آن نمایش داده نشده است.

با توجه به گستردگی محدوده طول‌موج‌ها در امواج رادیویی با فرکانس پایین، این باند از طیف امواج رادیویی از طریق آب یا حتی سطوح سخت نیز قابل انتقال‌اند. به همین علت از این بخش طیف در ارتباطات رادیویی موردنیاز در زیردریایی‌ها، غارها و معدن‌های عمیق استفاده می‌شود. نکته جالب در این بخش این است که یکی از قدرتمندترین امواج رادیویی فرکانس پایین در این محدوده، اصابت رعدوبرق است.

امواج رادیویی با فرکانسی در محدوده ‎1.7 MHz تا ‎29.8 MHz به‌علت در دسترس بودن تا فواصلی نزدیک به هزاران مایل، دارای اسلات‌های تقسیم شده اختصاصی برای رسانه‌های پخش مختلف در جهان هستند. اما امواج رادیویی با فرکانس بالا در سیستم‌های ارتباطی ماهواره‌ای دریایی و هوانوردی و همچنین در مدولاسیون دامنه (AM) بکار می‌روند. همچنین با توجه به اینکه یونوسفر زمین به‌خوبی این امواج را منعکس می‌کند، بنابراین این امواج در طول شب خیلی خوب کار می‌کنند. البته ارتباطات رادیویی در این محدوده ممکن است به‌علت قرار گرفتن موانع فلزی مانند ساختمان‌ها یا آسمان‌خراش‌ها در مسیر این امواج کمی دچار اختلال شوند.

امواج رادیویی با فرکانس فوق‌العاده بالا محدوده فرکانسی کوچکی دارند. به همین دلیل از این امواج در سیستم‌های ناوبری GPSها، رادیوهای FM، پخش‌های تلویزیونی و تلفن‌های همراه استفاده می‌شود. به‌علاوه، علت بهتر بودن کیفیت صدای FM از فرکانس AM این است که برخلاف فرکانس‌های AM، موانعی مانند ساختمان‌ها و آسمان‌خراش‌ها در مسیر موج رادیویی FM مانع آن نمی‌شوند (محدوده فرکانسی امواج رادیویی FM بین ‎88 MHz تا ‎108 MHz است). امواج رادیویی با فرکانس به‌شدت بالا که به ریزموج‌ها نیز معروف هستند، برای کاربرد در ابزارهای بلوتوثی، مودم‌های بدون‌سیم و درایورهای USB مناسب‌اند.

اجزای سیستم‌ ارتباطی امواج رادیویی

در مرحله بعد، دانستن اجزای یک سیستم ارتباطی امواج رادیویی برای ساخت گیرنده رادیو FM مهم است. سه مولفه اساسی برای اینکه یک سیستم ارتباطی امواج رادیویی کار کند، به‌ترتیب عبارت‌اند از:

1. فرستنده
2. کانال ارتباطی
3. گیرنده

ساده‌ترین تعریفی که می‌توانیم از یک گیرنده و فرستنده داشته باشیم به این صورت است: هر ابزاری که سیگنال‌های بی‌سیم ارسال کند، فرستنده نامیده می‌شود و هر ابزاری که بتواند سیگنال‌های بی‌سیم را بگیرد و اطلاعات آن را به شکل قابل کاربردی ارائه دهد، گیرنده نام دارد. در مورد امواج رادیویی FM یک فرستنده وجود دارد که متعلق به ایستگاه رادیویی است، در حالی که تعداد زیادی گیرنده وجود دارد که همان مردمی هستند که این امواج را می‌شنوند.

بنابراین یک سیستم ارتباطی رادیویی شامل چند بخش مختلف است که همه با هم کار می‌کنند تا امواج رادیویی تولید، منتقل و دریافت شوند که در ادامه هر بخش را به‌طور خلاصه توضیح می‌دهیم.

فرستنده رادیویی

در ادامه یادگیری اصول حاکم بر ساخت گیرنده رادیو FM، می‌خواهیم آنچه در فرستنده رخ می‌دهد را بیان کنیم. امواجی که فرستنده ارسال می‌کند باید حاوی اطلاعات قابل کاربردی مانند صدا، ویدئو یا داده‌‌های دیجیتالی باشد. فرستنده بخشی است که عملیات تولید، پردازش و رمزگذاری سیگنالی که قرار است منتقل شود را انجام می‌دهد. پس اگر بخواهیم کار فرستنده را در چهار کلمه خلاصه کنیم، می‌توانیم بگوییم فرستنده عملیات تولید، پردازش، رمزگذاری و ارسال را انجام می‌دهد. سیگنال‌هایی که توسط فرستنده ارسال می‌شوند دو نوع هستند، آنالوگ و دیجیتال.

هر کدام از این دو نوع سیگنال دارای خصوصیات متمایزی است که البته قابل‌تبدیل به هم نیز هستند. اگر انتقال سیگنال‌ مبتنی بر زمان باشد، یعنی تغییرات جریان یا ولتاژ با گذشت زمان تعیین‌کننده اندازه انتقال فرکانس باشد، سیگنال از نوع آنالوگ است. اندازه زمین‌لرزه، سرعت نور و سرعت باد مثال‌هایی هستند که با استفاده از سیگنا‌ل‌‌های آنالوگ محاسبه می‌شوند. اما سیگنال‌ دیجیتال داده‌ها را به‌عنوان دنباله‌ای از مقادیر خاص در یک مقدار زمانی ثابت یا پیش‌فرض رمزگشایی می‌کند. رایانه‌ها و تلفن‌های همراه با استفاده از سیگنال‌های دیجیتال کار می‌کنند.

برای ایجاد موج رادیویی در یک آنتن، معمولا یک ولتاژ سینوسی به آنتن اعمال می‌شود. به این ترتیب، ذرات باردار در حال نوسان در دو طرف آنتن جمع خواهند شد و تشکیل یک دو قطبی الکتریکی نوسانی می‌دهند (سمت چپ تصویر زیر). منظورمان از نوسانی بودن این است که در هر بازه زمانی وضعیت میدان الکتریکی تولید شده در اطراف آنتن متفاوت است.

برای مثال در لحظه شروع (t=0) با جدا شدن بارها در دو سمت آنتن، جهت میدان الکتریکی تولید شده به سمت پایین است. پس از گذشت مدت زمانی برابر با یک چهارم دوره زمانی (t=T/4)، بارها طوری جابجا می‌شوند که کاملا هم دیگر را خنثی کنند. در نتیجه میدان در این لحظه و در نزدیک آنتن صفر خواهد شد. با گذشت نصف دوره زمانی (t=T/2)، جهت قرارگیری بارها در آنتن کاملا برعکس شرایطی می‌شود که در زمان شروع داشتیم. بنابراین میدانی که در این زمان تولید می‌شود در خلاف جهت میدان در نقطه شروع و به سمت بالا خواهد بود.

به همین ترتیب با گذشت زمان میدان‌ الکتریکی متغیر با زمان تولید خواهد شد. از طرفی، چون بارهای الکتریکی داخل آنتن در حال حرکت هستند، پس طبق اصول الکترومغناطیس جریان الکتریکی باعث تشکیل میدان مغناطیسی متغیر با زمان نیز خواهد شد. در نهایت با تشکیل میدان‌های الکتریکی و مغناطیسی متغیر با زمان و عمود بر هم، در حقیقت نوعی موج الکترومغناطیسی تشکیل شده است که همان موج رادیویی است.

در ادامه اجزای مختلف فرستنده توضیح داده شده‌اند:

منبع تغذیه

منبع تغذیه توان الکتریکی لازم را برای کار کردن فرستنده را فراهم می‌کند.

اسیلاتور

اسیلاتور یا نوسان‌گر یکی دیگر از اجزای فرستنده است که جریان متغیر یا متناوب را در فرکانسی ایجاد می‌کند که در آن فرکانس، فرستنده موج رادیویی می‌فرستد. اسیلاتور معمولا موج سینوسی تولید می‌کند که موج حامل هم نامیده می‌شود.

مدولاتور

در مدولاتور اطلاعات مفیدی به موج حامل اضافه می‌شود که برای اضافه کردن این اطلاعات دو روش وجود دارد. همان‌طور که در ابتدای این مطلب توضیح داده بودیم، روش اول مدولاسیون دامنه یا AM نام دارد که باعث افزایش یا کاهش جزئی شدت موج حامل می‌شود. اما روش دوم که موجب می‌شود تا فرکانس موج حامل دچار افزایش یا کاهش جزئی شود، مدولاسیون فرکانس یا FM نام دارد.

در سیستم‌های پخش رادیویی آنالوگ، دو نوع مدولیشن وجود دارد: AM و FM. در مدولاسیون دامنه یا AM قدرت سیگنال رادیویی توسط سیگنال صوتی تغییر داده می‌شود. پخش AM در پهنای پخش AM که در بازه ‎148 Hz تا ‎283 Hz قرار می‌گیرند، مجاز است. در مدولاسیون فرکانس یا FM، فرکانس سیگنال رادیویی به‌صورت جزئی توسط سیگنال صوتی تغییر می‌کند.

تقویت‌کننده یا Amplifier

تقویت‌کننده‌ها توان الکتریکی موج حامل مدوله‌ شده را افزایش می‌دهند. در این بخش، هرچه تقویت‌کننده قوی‌تر باشد، پخش موج هم قوی‌تر خواهد بود.

مدولاسیون فرکانس

رادیو FM یا موج رادیویی FM طی فرآیندی به نام مدولاسیون فرکانس ارسال یا فرستاده می‌شود. در این فرآیند، سیگنال صوتی توسط یک سیگنال با فرکانس بالا مدوله‌ یا تغییر داده می‌شود. در واقع، مدوله‌سازی فرکانس همان روش رمزگشایی اطلاعات از موج حامل است که با تغییر فرکانس موج حامل انجام می‌شود.

خود مدولاسیون یا مدوله‌سازی فرآیندی است که در آن سیگنال حامل به یک سیگنال الکتریکی تبدیل می‌شود. همان‌طور که در شکل بالا مشاهده می‌کنید، علاوه‌بر مدوله‌سازی فرکانس، «مدولاسیون دامنه» (Amplitude Modulation) هم داریم. دقت کنید در فرآیند FM، دامنه و فاز موج تغییری نمی‌کند، در حالی که در AM دامنه عوض می‌شود. پس در یک سیستم مدولاسیون فرکانس، از مدولاسیون فرکانس برای رمزگشایی و ارسال اطلاعات استفاده می‌شود. چنین سیستمی شامل بخش‌هایی به نام سیگنال ورودی، موج حامل، فرآیند مدولاسیون، انتقال، دریافت، دمدولاسیون و سیگنال خروجی است. یکی از فواید مدولاسیون فرکانس این است که نسبت سیگنال به نویز بزرگتر می‌شود.

کانال ارتباطی

محیطی که برای انتقال سیگنال‌ها از فرستنده به گیرنده بکار می‌رود، به گونه‌ای که هیچ تحریف یا اثری روی ویژگی‌های سیگنال ایجاد نشود، کانال ارتباطی نامیده می‌شود. با توجه به موضوع اصلی این مطلب که ساخت گیرنده رادیو FM است، توضیحات مربوط به سومین بخش از یک سیستم ارتباطی رادیویی را در بخش بعد به‌طور مفصل بیان خواهیم کرد.

یادگیری اصول مخابرات با فرادرس

پس از اینکه ساخت گیرنده رادیو FM را کامل فرا گرفتید، چنانچه به دنبال تکمیل دانش خود در زمینه مباحث مخابرات و مدارهای این حوزه هستید، مشاهده فیلم‌های آموزشی زیر از مجموعه فرادرس به شما کمک خواهد کرد:

1. فیلم آموزش الکترومغناطیس ۱ فرادرس
2. فلیم آموزش آلتیوم دیزاینر طراحی مدار چاپی با Altium Designer مقدماتی فرادرس
3. فیلم آموزش مخابرات ۱ مقدماتی فرادرس
4. فیلم آموزش مبانی سیستم های مخابراتی‎ فرادرس
5. فیلم آموزش میدان ها و امواج فرادرس
6. فیلم آموزش رایگان شبکه های مخابراتی فرادرس
7. فیلم آموزش مدارهای مخابراتی فرادرس
8. فیلم آموزش رایگان آنتن های سیمی خطی فرادرس
9. فیلم آموزش آنتن ۱ فرادرس
10. فیلم آموزش تجزیه و تحلیل سیگنال ها و سیستم ها‎ فرادرس

گیرنده رادیویی

گیرنده یک سیگنال رادیویی بخشی است که با توجه به موضوع این مطلب، تسلط بر اصول آن به شما در درک مراحل ساخت گیرنده رادیو FM کمک‌ می‌کند. یک گیرنده در سیستم ارتباطی رادیویی، سیگنال‌هایی که توسط فرستنده ارسال شده بود را دریافت می‌کند و با رمزگشایی، آن‌ها را برای مثال به امواج صوتی تبدیل می‌کند. پس گیرنده صرفا یک دریافت‌کننده نیست، بلکه وظیفه رمزگشایی و تبدیل امواج رادیویی به امواج صوتی یا تصویر را نیز دارد.

یک گیرنده رادیویی کاملا برعکس فرستنده رادیویی عمل می‌کند. گیرنده از آنتن استفاده می‌کند تا امواج رادیویی را بگیرد، سپس این امواج پردازش می‌شوند تا فقط بخشی از آن‌ها که در فرکانس‌های خاصی ارتعاش دارند، استخراج شوند. همچنین سیگنال‌های صوتی را نیز به این امواج اضافه می‌کند و آن‌ها را تقویت می‌کند که در نهایت این امواج توسط اسپیکر پخش می‌شوند. اگر بخواهیم بدانیم یک گیرنده رادیو FM چگونه کار می‌کند، بهتر است اجزای آن را بشناسیم که در ادامه به‌صورت مختصر هر بخش را تعریف کرده‌ایم:

آنتن

در یک گیرنده رادیویی، ابتدا آنتن امواج رادیویی را می‌گیرد. معمولا آنتن یک سیم بلند و طویل است که وقتی در معرض امواج رادیویی قرار می‌گیرد، امواج در آن یک جریان متغیر خیلی کوچکی ایجاد می‌کنند.

تقویت‌کننده RF

تقویت‌کننده RF، یک تقویت‌کننده حساس است که سیگنال فرکانس رادیویی RF ضعیف را از آنتن تقویت می‌کند، به گونه‌ای که این سیگنال توسط یک «تنظیم‌کننده» (Tuner) قابل پردازش شود. در واقع تقویت‌کننده RF فقط برای پهنای FM تنظیم شده است و فرکانس‌های دیگر را نمی‌پذیرد.

تنظیم‌کننده

تنظیم‌کننده گیرنده رادیویی مداری است با این قابلیت که سیگنال‌هایی با فرکانس‌های خاص را از مخلوط سیگنال‌های دیگر می‌تواند استخراج کند. چون در واقع در حالت عادی آنتن امواج رادیویی با تمام فرکانس‌ها را می‌گیرد و آن‌ها را به تقویت‌کننده RF می‌فرستد و همه آن‌ها تقویت می‌شوند. اما اگر برای مثال بخواهید به هر کانال رادیویی در یک زمان مشخصی گوش دهید، در این صورت به مداری نیاز دارید که بتواند فقط یک سیگنال را برای کانالی که می‌خواهید گوش دهید، بگیرد. این کار را تنظیم‌کننده انجام می‌دهد.

تنظیم‌کننده معمولا ترکیبی از یک القاگر (برای مثال یک پیچه) و یک خازن است که با هم مداری را می‌سازند که در فرکانس‌های خاصی رزونانس دارد. این فرکانس خاص، فرکانس رزونانس نامیده می‌شود. تعیین فرکانس رزونانس توسط پارامترهایی که برای پیچه و خازن انتخاب کرده‌ایم، انجام می‌شود. این نوع مدار معمولا هر نوع سیگنال AC با فرکانسی بالاتر یا پایین‌تر از فرکانس رزونانس را بلاک می‌کند. شما می‌توانید فرکانس رزونانس را با تغییر مقدار اندوکتانس در پیچه یا با تغییر ظرفیت خازن عوض کنید. در یک مدار گیرنده رادیویی ساده، تنظیم با تغییر تعداد دورهای سیم در پیچه تنظیم می‌شود. تنظیم‌کننده‌های پیچیده‌تر با استفاده از خازن‌های متغیر که خازن‌ تنظیم هم نامیده می‌شوند، فرکانس را تغییر می‌دهند.

آشکارساز

آشکارساز در یک گیرنده رادیویی مسئول جداسازی اطلاعات صوتی از سایر اطلاعاتی است که موج رادیویی حمل می‌کند. برای سیگنال‌های AM، این کار توسط دیودی که فقط سیگنال‌های جریان متغیر را اصلاح می‌کند، انجام می‌شود. پس از اینکه دیود وظیفه خود را روی سیگنال جریان متغیر انجام داد، آنچه که در امواج باقی می‌ماند، سیگنال جریان مستقیمی است که می‌تواند تغذیه یک مدار تقویت‌کننده صوتی محسوب شود. برای سیگنال‌های FM، مدار آشکارساز کمی پیچیده‌تر می‌شود.

تقویت‌کننده صوتی

کار این جزء از یک گیرنده رادیویی این است که سیگنال ضعیفی را که از آشکارساز می‌آید را تقویت کند تا قابل شنیدن باشد. تقویت‌کننده صوتی این فرآیند را توسط یک مدار تقویت‌کننده ترانزیستوری ساده انجام می‌دهد.

آنچه که گفته شد پایه‌ طراحی یک گیرنده رادیویی بود، در حالی که ممکن است تغییرات زیادی در این سیستم وجود داشته باشد. خیلی از گیرند‌ه‌ها شامل فیلترهای اضافی یا مدارهای تنظیم بیشتری برای دست‌یابی به فرکانس موردنظر یا تولید خروجی صوتی با کیفیت بهتر هستند. اما همچنان این اجزای اصلی که نام بردیم، در بیشتر مدارهای گیرنده امواج رادیویی دیده می‌شوند.