"Ключ Морзе я натискаю
Жест від радості мимовільний, -
І в простір випромінюю
Електричні хвилі.”
(З поезії 20-х років ХХ століття)
Для передачі сигналів на великі відстані, як правило використовуються радіохвилі. Їх легко випромінювати і приймати, до того ж їх можна "забезпечити” будь-якою інформацією, вибір діапазону довжин хвиль дуже великий - від декількох тисяч метрів до міліметрів. Все це дозволяє вирішувати самі різні задачі, від радіомовлення на всю планету до роботи місцевих програм, які не створюють перешкод сусіднім областям. Для створення радіохвиль з кінця 19 століття використовують радіопередавачі. Під радіопередавачем зазвичай розуміють генератор електромагнітних хвиль, який пов'язаний з антеною. У передавальній антені енергія високочастотних струмів перетворюється в енергію електромагнітних хвиль.
Відомо декілька основних типів передавачів радіохвиль: іскристі, дугові, машинні, лампові, напівпровідникові і ін.
Історично першими були іскрові передавачі. У них коливання збуджувалися в контурі під час появи іскри, тому вони і отримали назву - "іскровий передавач”. Ці передавачі займали великий діапазон частот. Приймач міг ловити фактично одну радіостанцію, сигнал якої займав майже всю шкалу настройки. На початку першої світової війни Росія мала 72 польових і 4 автомобільних радіостанції, і 6 стаціонарних іскрових радіостанцій.
Із стаціонарних станцій, 3 були системи "Marconi”, що знаходилися в Бобруйську, Ташкенті і Александрове-Уральське, а 3 - системи "Telefunken” розташовувалися у Владивостоку, Хабаровську і Харбіні. Під час війни, в 1914 г, німці перерізували підводні телеграфні кабелі в Балтійському морі, які сполучали Росію з країнами Заходу і тоді всього за 100 днів були побудовані могутні передавальні станції для міжнародного зв'язку що працювали в діапазоні хвиль: 5000 м, 7000 м і 9000 м. Радіостанції по конструкції були однотипними і були наймогутнішими в Європі. Потужність в антені складала 100 кВт. Харчувалися радіостанції від величезної акумуляторної батареї напругою 12000 В.
Під час передачі акумулятори розряджалися через коливальний ланцюг і антени, створюючи в навколишньому просторі радіохвилі. Акумулятори заряджали від машин постійного струму, які оберталися двома дизелями потужністю по 294 кВт. Приведений факт ще раз підтверджує сумнівність міфу більшовиків про промислову відсталість Росії, це дійсно була Велика Росія. Одна з побудованих радіостанцій розташовувалася в Москві на Ходинськом поле, інша - в Царському селі, під Санкт-Петербургом. Проте робота могутніх іскрових передавачів цих станцій викликала такі сильні перешкоди, що утрудняла прийом радіограм. В зв'язку з цим в р.
Тверь побудували спеціальну станцію для прийому повідомлень закордонних радіоцентрів. Метод збудження електромагнітних хвиль за допомогою електричної іскри, як відомо використовував ще Р. Герц, і ще в течії майже 20 років цей метод практично був основним для передачі повідомлень без проводів. Під час роботи таких передавачів між зубцями розрядника проскакували засліплюючі іскри. Поява іскр супроводжувалася бавовною, подібною до пострілів з гвинтівки. "Стрілянина” розрядника була чутна на відстані більше 2 км. Іскрові генератори мали такі недоліки, як перешкоди радіоприйому, низький коефіцієнт корисної дії і нездатність передавати людську мову.
Дослідження по радіотелефонії в багатьох країнах показали, що для успішної передачі текстів необхідні незгасаючі коливання, тоді як іскрові передавачі давали тільки затухаючі коливання. Для отримання незгасаючих коливань спочатку використовували електричну дугу Петрова, до речі, на заході її іменують, дугою Деві. У 1900 р. англійський інженер електрик Вальдемар Дуддель (W. Duddel) вказав метод отримання стійких і могутніх високочастотних коливань за допомогою дуги. З цією метою в схему дугового генератора він включив коливальний контур, налаштований на високу частоту. Після 2 років, інший Вальдемар, але вже данський інженер Вальдемар Паульсен (V.Poulsen), відомий тим, що першим винайшов магнітофон, побудував практичну конструкцію радіотелеграфного дугового генератора незгасаючих коливань. Новий шлях отримання незгасаючих коливань заявив про себе тільки під час першої світової війни, коли радіостанції країн Антанти миттєво перестали ловити сигнали передавачів німецького флоту. Виявилось, що задовго до початку війни німецькі фахівці врахували недоліки іскрових передавачів і перейшли на передавачі з використанням електричної дуги. Таємниче зникнення німецьких сигналів пояснювалося тим, що при передачі незгасаючих коливань телеграфні знаки не прослуховуються телефоном.
Через це в телефонах йшов нерозбірливий тріск. Дугові передавачі добре себе зарекомендували на могутніх телеграфних станціях того часу. Вони забезпечували телеграфний зв'язок на відстані в декілька тисяч кілометрів. У 1920 р. був встановлений рекордний зв'язок між Гельтоавим (Англія) і Малабаром (острів Ява, Індонезія) на відстані 12000 км. Регулярні радіотелеграфні передачі велися на значно менші відстані. Кращі дугові генератори стабільно працювали на хвилях не коротше 1000 метрів (приблизно середина нинішнього широкомовного діапазону довгих хвиль).
Мал. 1. Схема дугового генератора В. Дудделя, 1900 р.
Заміна електричної іскри дугою також не ліквідувала всі згадані недоліки генераторів, що використалися у той час. Радіотехніка все більше схилялася до використання машинних генераторів високої частоти для безпосереднього живлення антенних ланцюгів радіостанцій. Хоча ці генератори і мали недоліки іншого роду, низька частота генерування струму і отримання відповідно цьому довгих радіохвиль, але вони дозволяли в якійсь мірі вирішити на якийсь час проблему радіозв'язку, хоч і не повністю. Першим наблизився до вирішення цієї проблеми професор Пітсбурського університету і консультант Метеорологічного бюро Реджінальд Обрі Фессенден (Fessenden Reginald Aubrey).
І, не дивно, він ще в 1895 р. прийшов до думки про заміну затухаючих електричних коливань незгасаючими, здатними передати мову, якщо їх промодуліровать звуковими частотами. У 1900 р. він намагався передати мову за допомогою іскрового передавача, але безуспішно. У 1906 р. для цієї мети він вирішив використовувати генератори високої частоти. Впродовж декількох років були сконструйовані ряд генераторів з частотою струму від 60 кгц до 200 кгц. Р. Фессендена називають одним з батьків радіомовлення, до нього всі радіопередачі йшли в режимі телеграфу, з використанням азбуки Морзе. 4 січня 1906 р. Р. Фессенден провів першу радіопередачу в ефір з американського містечка Брант Доля штату Массачусетс.
У передачі прозвучали музичний твір Генделя "Ларго” і численні рекламні оголошення. Слухачі приймали передачу на детекторні приймачі. За цю радіопередачу тільки один "батько” Р. Фессенден потрапив у відому книгу рекордів "Гинесса”, про інших же чомусь забули. Річ у тому, що коли Р. Фессенден задумав передати мову по радіохвилях йому знадобився машинний високочастотний генератор з небувалою для того часу швидкістю обертання 100000 об/с і він звернувся до відомого електротехніка того часу Чарлзу Протеусу Штейнмецу що працював у фірмі General Electric Company. До речі, пізніше, він став великим іншому Радянській Росії і навіть вождь світового пролетаріату В. І.
Ленін порахував за честь послати йому своє фото з написом. Ч. Штейнмец доручив сконструювати такий генератор своєму співробітникові, 26-річному молодому вихідцеві з Швеції Ернсту Александерсону (Ernst Frederic Werner Alexanderson (25. 01. 1878-14. 05. 1975)). Э. Александерсон не тільки розробляв машинний передавач, але проводив його монтаж і знаходився на передавальній станції під час історичного радіомовлення. Надалі Э. Александерсон став видатним вченим радіотехніком. Він пропрацював 46 років в General Electric Company, з часом став її розділом, в цій компанії отримав 322 патенти і ще взяв участь в створенні Radio Corporation of America.
За консультаціями по машинних передавачах до нього приїжджав з Європи не менш знаменитий, Гульемо Марконі. За допомогою машинного генератора його конструкції американський президент Вільсон передав через океан ультиматум Німеччини про закінчення війни в 1918 р. У цьому ж році, батько магнітофона В. Паульсен не залишає спроб передати мову по радіохвилях за допомогою дугового передавача і проводить експерименти в цьому напрямі. Проаналізувавши отримані результати, він віддав надалі перевагу іншим типам генераторів.
Мал. 2. Схема дугового генератора Паульсена. 1902 р.
В Росії роботи по використанню машинних генераторів для радіозв'язку велися в різних фірмах. Найбільш помітними були результати інженера Валентина Петровича Вологдіна з російської фірми "Н. Н. Глебов і КО” що знаходилася за Московською заставою в Санкт-Петербурзі. Зараз на місці заводів цієї фірми розташований завод "Електросила”. Перша російська машина високої частоти була побудована в 1912 р. У. П. Волгдіним. Її потужність складала 2 кВт при частоті 60 Гц. Ротор машини обертався з кутовою швидкістю 2000 об/мин, а лінійна швидкість на колі складала 314 м/с. У 1915 р. У. П.
Вологдін розробив машинним генератором для бортової радіостанції найбільшого літака того часу, "Ілля Муромец”. З часом В. П. Вологдин створив надійні і могутні машинні генератори, які дозволили здійснити довгохвильовий радіотелеграфний зв'язок між Європою і Америкою. Радіозв'язок за допомогою машинних генераторів В. П. Вологдина на радіохвилях великої довжини, наприклад, 5 км., себе виправдала. Для високочастотних же діапазонів машинні генератори не годилися, тут був потрібний інший тип генераторів електромагнітних хвиль. Потрібно відзначити, що В. П. Вологдин був помітним ученим в області використання машинних генераторів для радіозв'язку.
Відомий вітчизняний радіофахівець, академік А. І. Берг, знаходячись в 1929 в США зустрічався з вже згадуваному професором Ернстом Александерсон. Э. Александерсон в розмові з А. И. Бергом проявив повну обізнаність про дослідження в області радіотехніки що проводяться в Росії і особливо відзначив конструкцію машини високої частоти В. П. Вологдіна. На його думку вона була краща тій, яку створив він.
Мал. 3. Е. Александерсон на машинному генераторі, 1920 р.
І, все ж таки, незважаючи, на вражаючі успіхи дугових і машинних передавачів, вони були вимушені поступитися своїм місцем в радіозв'язку ламповим передавачам. Лампові передавачі практично могли працювати в будь-якому діапазоні частот. Було потрібно 7 років після винаходу німцем Робертом фон Лібеном (Robert von Lieben) і Чи американцем де Форестом лампового тріода перш, ніж з'явився перший ламповий передавач. Творцем першого лампового передавача став 30 літній співробітник німецької фірми "Telefunken” Олександр Мейсснер (A. Meissner), який 10 квітня 1913 року подав в Німецьке патентне відомство заявку на винахід.
Схема передавача базувалася на недосконалій іонній лампі тріод свого співвітчизника фон Лібена. У цій схемі, частота коливань, що генеруються, могла бути вище або нижче за резонансну частоту що коливає, залежно від величини зв'язку між котушками (на малюнку патенту деталі 6,9 і 10). При слабкому зв'язку частота коливань нижче резонансної частоти контура, а при сильній - вище. Через 2 місяці була готова робоча конструкція передавача і вже 21 червня відбувся перший радіотелеграфний зв'язок на відстані 36 км., між Берліном і Науеном. Генератор працював на хвилі 10 метрів. Експеримент А.
Мейсснера показав, що ламповий тріод є кращим пристроєм для збудження електромагнітних коливань високої частоти, порівняно з іншими на той час. Схема А. Мейсснера завдяки своїй простоті набула широкого поширення і подальший розвиток. У 1915 р. з'явилася схема передавача американського інженера з Western Electric Company Леона Хартлея (L. Hartley), більше відома як індуктивна триточкова генераторна схема. У відмінності від схеми А. Мейсснера, в ній використано автотрансформаторне включення контура. Робоча частота такого генератора зазвичай вище за резонансну частоту контура. Через три роки, іншого інженера з цієї компанії, Едвін Колпітц (E.Colpitts) запропонував триточкову схему місткості. У основі схеми лежав зв'язок місткості між ланцюгом анода і сітки і коливальний контур представляє при самогенеруванні опір місткості. При такій побудові схеми робоча частота генератора лежить вище за резонансну частоту контура. Ці три схеми передавачів мають застосування донині. До речі, схема передавача Л. Хартлея була дуже популярна в конструкціях передавачів радянських радіохуліганів що працювали на середніх хвилях в 60-70-і роки. Для переходу від роботи "морзянкою” до передачі мові, по-перше лампових передавачах застосовували амплітудну модуляцію.
Звичайний вугільний мікрофон включався в дріт, що йде від генератора незгасаючих коливань до передавальної антени. Від дії звукових хвиль при розмові змінювався опір мікрофону, а в такт з ним мінявся струм в антені.
Мал. 4. Винахідник лампового передавача А. Мейсснер (1883-1958)
Мал. 5. Перший ламповий передавач Мейсснера
Мал. 6. Лампа Лібена
Після винаходу А. Мейсснера здавалося, що великі, складні і дорогі іскрові, дугові і машинні генератори швидко стануть непотрібними. Лампові генератори були прості у виготовленні і експлуатації, мали невелику вагу, легко перебудовувалися з хвилі на хвилю і забезпечували високоякісну передачу мові і музики, а надалі зображення. Не дивлячись на це, в багатьох країнах не поспішали відмовлятися від старих передавачів, їх продовжували використовували разом з ламповими. На американському флоті в період з 1919 р. по 1921 р. провели порівняльні випробування всіх типів передавачів що стоять на кораблях.
Під час випробувань всі передавачі працювали на хвилі 1900 метрів і використовували одну і ту ж антену. Струм в антені всіх типів передавачів складав 8 А. Оценка якості прийому проводилася на 11 радіоприймальних станціях. Результати цих цікавих досліджень навіть сьогодні представляють науковий і практичний інтерес приведені в таблиці 1.
Тип передавача
Тип приймача
Середня чутність
Струм в приймальній антені
для даної чутності, А
Іскровою
Ламповий детектор
1
40*10-6
Іскровою
Детектор із зворотним зв'язком
3,5
76*10-6
Машинний
Детекторний
12
136*10-6
Іскровою
Гетеродинний
24
196*10-6
Дуговою
Гетеродинний
105
415*10-6
Ламповий
Гетеродинний
205
575*10-6
Аналіз отриманих результатів показує, що найбільша чутність прийому залежить від типу детекторного приймачі і для цього типу приймачів радіоприйом йде з більшою гучністю, якщо працює машинний передавач. При використанні гетеродинних приймачів чутність передачі, коли працює ламповий передавач в 2 рази більше в порівнянні з дуговим і майже в 9 разів більше порівняно з іскровими передавачами. Переваги лампових передавачів порівняно з іншими типами пояснюються високою стабільністю сигналу, що генерується, ламповим тріодом.
В розробці приймальний-підсилювальних і генераторних ламп велика роль належить так само російському фізикові Н. Д. Папалекси, який заклав основи теорії преобразовательных схем в електроніці. У 1911-12 р. р. під його керівництвом була розроблена перша приймальний-передавальна радіостанція для зв'язку літаків із землею. У 1914 р. Н. Д. Папалекси організував в Петрограді виробництво радіоламп, а Д. Строгов розробив лампові підсилювачі для аеротелеграфії. Підсилювачі випробовувалися в тодішньому російському місті Ревеле (нині естонський м. Таллінн) і показали кращі результати в порівнянні з аналогічними зарубіжними. Через деякий час Д.
Строганов отримав замовлення на виготовлення 50 комплектів приймальної апаратури для літаків. У іноземних арміях авіаційні лампові радіостанції з'явилися тільки в період першої світової війни.
Весною 1918 р. в Росії працювала вже ціла мережа з декілька сотень приймальних радіостанцій, які були встановлені профспілкою радіофахівців. Передачі цій мережі здійснювали Ходинськая і Царськосельська радіостанції. У другій половині 20-х років в Червоній армії що дісталися їй від царської армії іскрові передавачі замінили на лампові, конструкції 29 літнього ученого А. Л. Мінца, в подальшому майбутнього академіка. Нові передавачі працювали в середньому і довгохвильовому діапазонах. В кінці 30-х років було заборонено застосовувати іскрові радіостанції, оскільки вони представляли основне джерело радіоперешкод і заважали роботі інших радіостанцій.
Прогрес у використанні електронних ламп в радіопередавачах дав можливість в 1920 р. відкрити першу радіомовну станцію в р. Піттсбург (США). Через 2 роки на хвилі 3000 м почала працювати московська радіостанція імені Комінтерну з передавачем потужністю 12 кВт. У цей період зарубіжні радіостанції мали потужність тільки - 1,5 кВт м. Нью-Йорк і 5 кВт м. Парижа. Передавач московської радіостанції мав 24 радіолампи з водяним охолоджуванням. Це було необхідно для отримання необхідної потужності передавача. Без охолоджування, лампи могли вийти з ладу. Ідея ламп з водяним охолоджуванням належить російському вченому М. А. Бонч-бруєвічу.
Існує легенда, що ця ідея прийшла до нього під час розпивання сподіваючись, як і належить всякому російському, у самовара. Конструкція самовара була такою, яка необхідна для могутніх ламп. В середині розжарене вугілля, чи це не є подібність лампового катода? Вугілля нагріває трубу самовара - це може бути анод? Зовні - вода, вона і забирає тепло гарячої труби і таким чином нагрівається. Якщо у самовара мета нагрівати воду, то у лампи навпаки необхідно охолоджувати трубку анода, щоб вона не розплавилася. В цьому випадку не потрібні дефіцитні тугоплавкі метали. Така конструкція ламп з водяним охолоджуванням дала можливість використовувати лампи в радіостанціях великої потужності.
Про успіхи російській радіоелектроніці заговорили за кордоном. У цей період часу в Західній Європі так само велися роботи в області радіомовлення, але таких могутніх генераторних ламп там не було.
В 1923 р. до Росії приїхали німецькі фахівці винахідник лампового передавача А. Мейсснер і Георг фон Арко (Gorg von Arko) з фірми "Telefunken”. Р. фон Арко був співвласником цієї фірми, яку він створив разом з відомим професором А. Слаби (A. Slaby). Фахівці, що приїхали, вивчили російські радіостанції і далечінь їм високу оцінку. Після повернення до Німеччини, до Росії від "Telefunken” прийшло замовлення на виготовлення декількох генераторних ламп потужністю 25 кВт, у той час потужність німецьких ламп була в 5 разів менше.
Мал. 7. Патент Мейсснера на ламповий генератор, 1913 р.
Поява могутніх генераторних ламп дозволила відкрити могутню широкомовну радіостанцію і в Італії. У 1924 р. на батьківщині Р. Марконі, запрацювала радіостанція "Union Radiofonica Italiana”. З часом радіомовні станції були побудовані на всіх континентах. Їх поява викликала у деяких дикторів радіомовлення таку радість, що про це вони могли говорити перед мікрофон протягом декількох днів без перерви. Чилійський диктор Мігель Анхель Наваррете почавши 30 липня 1990 року святкову передачу, присвячену черговим роковинам з дня відкриття радіостанції в р. Томі, залишив студію тільки 8 серпня.
При цьому він промовив без зупинки 113 годин 7 хвилин, майже 5 днів! В даний час радіомовна мережа покриває всю планету, охоплюючи найвіддаленіші куточки Землі і приносячи людям душевний спокій. Так в 1991 р., офіцер французького флоту ніс службу на одному островів архіпелагу Кергелен в Індійському океані відправив з своєї радіостанції незвичайну радіограму. У ній він скаржився всьому світу на свою самоту. Послання почула вся планета. У відповідь він отримав 200 тисяч листівок з серцевими словами підтримки з різних країн.
Застосування передавачів не обмежувалося тільки радіомовленням. Як завжди, новим винаходом, зацікавилися військові. У арміях різних країн стали використовуватися лампові радіостанції. Лампові передавачі, придивилися і метеорологам, в передачі інформації про погоду з повітряних куль. У 1927 р. завідувач Аерологічної обсерваторії р. Павловська під Петербургом, П. А. Молчанов запатентував радіозонд. Через 3 роки, три великі кулі наповнені воднем, підняли радіоапаратуру вагою 3 кг на висоту 9 км. У течії 35 мін звучали радіосигнали, які приймав на землі П. А. Молчанов. Повідомлення із зондів відразу передавалися в Інститут погоди в Петербурзі і Москву.
Зразок одного з цих зондів був представлений на Міжнародній виставці повітряного транспорту. Цей експонат особливо відзначив відомий мандрівник Ф. Нансен, який був директором виставки.
Поява напівпровідникових приладів привела до створення компактних, мініатюрних і економічних радіопередавачів. У основу розробки їх схем покладені ідеї винахідника лампового передавача А. Мейсснера. . Незважаючи на успіхи напівпровідників, вони до цих пір не змогли потіснити радіолампи в генераторах могутніх широкомовних радіо- і телестанцій. Використання напівпровідникових генераторів в радіопередавачах дозволило значно розширити їх область застосування. Для виявлення міграції дельфінів в світовому океані, учені Токійського університету використовують мініатюрні передавачі, які прикріплюють на тілі тварин.
Інформація про дельфінів відразу посилається на орбітальні супутники, які її реєструють і далі посилають знову на Землю, але тепер уже ученим. Британською фірмою "Remout control sistems incorporated” розроблені так звані "радіопілюлі”. Це надмініатюрні передавачі розміром менше 2 см, що працює в діапазоні 390.470 кгц. Вони призначені для вимірювання температури від -2000 до 4000 З, контролю тиску і кислотності водних середовищ. . "Радіопілюлі” були використані у ряді клінік для біотермії (вимірювання температури) різних проявів діяльності шлунково-кишкового тракту. Фахівці японської фірми "Honda” створили спеціальний передавач для буксирування автомобілів.
На буксируючій машині встановлюється могутній електромагнітний генератор, а передньому бампері буксируваною - приймач електромагнітних хвиль. В результаті роботи генератора і приймача створюється могутній, хоч і невидимий "трос”. Такий електромагнітноволнової "трос” дозволяє буксирувати легкові автомобілі з швидкістю до 50 км/ч.
Винахід А. Мейсснера, по-существу, стало серцем нашої цивілізації, биття, якого коли-небудь почують брати за розумом в інших світах і відгукнутися. А може і ні?