Ăng-ten của một chiếc radio nhận tất cả các đài cùng lúc — mọi tần số trong vùng chồng lên nhau thành một mớ tín hiệu hỗn độn. Việc “dò đài” vì thế không phải đi tìm; nó là lọc bỏ tất cả trừ một.
Bộ lọc ấy chỉ gồm hai linh kiện: cuộn cảm L và tụ điện C, với tần số cộng hưởng
f₀ = 1/(2π√(LC))Núm vặn dò đài trên radio đời cũ nối thẳng vào một tụ xoay — vặn núm là thay đổi C, tức trượt f₀ dọc dải tần. Demo dưới đây là đúng cơ chế đó:
Vặn tụ và nhìn đỉnh cộng hưởng trườn qua ba đài: đài nào lọt vào đỉnh thì sáng đậm — lọt qua gần trọn — hai đài còn lại bị đè xuống vài phần trăm. Cùng lúc đó cả ba vẫn đập vào ăng-ten như cũ; thứ thay đổi chỉ là mạch chịu rung theo ai.
Vì sao LC biết chọn tần số
Mạch LC là con lắc của thế giới điện: năng lượng lắc qua lại giữa điện trường trong tụ và từ trường trong cuộn, với nhịp riêng f₀. Tín hiệu từ ăng-ten là những cú đẩy tí hon — và như mọi hệ cộng hưởng, chỉ cú đẩy đúng nhịp mới cộng dồn lên thành dao động lớn. Đài trùng f₀ được khuếch đại hàng chục lần; đài lệch nhịp tự triệt tiêu. “Bắt sóng” là cộng hưởng, không hơn không kém.
Độ nhọn của đỉnh — hệ số Q — là chất lượng của chiếc radio: Q thấp thì hai đài gần nhau nghe lẫn vào nhau, Q cao thì tách bạch. Trong demo, điện trở nhỏ giấu trong mạch quyết định độ nhọn ấy, đúng vai trò γ của bài cộng hưởng.
Từ tụ xoay đến con chip
Chiếc tụ xoay cánh nhôm — vặn tay, nghe tiếng sột soạt của lá tụ trượt vào nhau — đã về hưu, nhưng nguyên lý thì thăng chức. Điện thoại của bạn dò “đài” WiFi ở 2,4 GHz, GPS ở 1,575 GHz, 4G ở hàng chục dải khác — mỗi dải một bộ lọc cộng hưởng, thu nhỏ ngàn lần và chỉnh bằng điện áp thay vì bằng ngón tay (varactor — tụ bán dẫn đổi điện dung theo điện áp đặt vào). Mỗi lần điện thoại “bắt được sóng” là một hậu duệ của f₀ = 1/(2π√LC) vừa xoay núm xong trong im lặng.
Điều đáng mang theo: không gian quanh bạn lúc này đang chứa đồng thời hàng trăm cuộc trò chuyện, bản tin, gói dữ liệu — trên các tần số khác nhau, không chen lấn nhau. Thứ duy nhất tách chúng ra thành từng kênh sạch sẽ là các mạch biết rung đúng một nhịp và điếc với mọi nhịp còn lại. Sự “chật chội” của không gian sóng được giải quyết không phải bằng tường ngăn, mà bằng cộng hưởng.
Trường hợp biên: vặn f lên mãi thì linh kiện biến mất
Muốn f₀ cao hơn, cứ thu nhỏ L và C — cho tới khi chạm một ranh giới thú vị: chính dây nối và bản mạch trở thành linh kiện. Mỗi centimet dây đồng là vài nano-henry, hai đường mạch cạnh nhau là vài pico-farad; quá vài trăm MHz, mạch LC “tàng hình” — cuộn dây chỉ còn một vòng, tụ chỉ là hai mảnh đồng nhìn nhau, và kỹ sư cao tần thiết kế cái hình dáng của mạch chứ không phải sơ đồ của nó. Đẩy nữa, hộp kim loại rỗng tự thành mạch cộng hưởng (lò vi sóng của bạn là một chiếc “LC” như thế ở 2,45 GHz). Và khoảnh khắc đẹp nhất của sự tàng hình: duỗi thẳng cuộn dây, banh hai bản tụ ra — mạch LC mở toang thành ăng-ten, nơi dao động điện từ thôi ở trong mạch mà bước ra không gian.