Значение радиотехники в современном мире огромно, но в повседневной жизни мы вряд ли особенно ощущаем ее важность, вряд ли задумываемся над этим. Зачем нужна радиотехника — тоже вопрос из редких. Мы просто пользуемся ее достижениями, они постоянно с нами: мы смотрим телевизор, слушаем радио, разговариваем по мобильным телефонам и радиоканалам карманных радиостанций. Достижения радиотехники широко используются не только в быту.

Радиосвязь во много раз ускорила нашу жизнь. Исполнилась давняя мечта людей об оперативной и быстрой передаче информации, невзирая на расстояния, преграды, снег, дождь, ветер. А осуществилось это всего за каких-нибудь 100 лет! Давайте же «отмотаем» эти сто лет назад, как пленку магнитофонной кассеты, и, прежде чем практически начать освоение мира радиотехники, быстренько пройдем путь ее развития, упомянем имена великих изобретателей, исследователей, первооткрывателей. Конечно, в практической части мы сможем охватить далеко не все достижения радиотехники, но даже то немногое покажется удивительным и захватывающим.

Ну что ж, совершим экскурсию в историю.

 

Как был сделан первый радиопередатчик и радиоприемник

Слово «радио» (латинское radius — луч) появилось в словарном обиходе людей не так давно. Более того, можно назвать и точную дату и человека, который ввел термин «радио» в обиход. Вильям Крукс (1832–1919) , английский физик и химик, член Лондонского королевского общества, создал прибор для изучения «сил отталкивания, возникающих в нагретых телах», и назвал этот прибор радиометром. Радиометр представлял собой грушевидный сосуд, в котором размещалась вертушка с четырьмя лопастями из слюды. Вертушка была насажена на острие иглы, а значит крутилась свободно. Когда на лопасти падал свет или катодные лучи, вертушка начинала вращаться. Крукс, однако, тогда ошибочно считал, что вращение происходит не под действием электромагнитных волн, а от неких «тепловых» сил. Но Крукс все же разобрался в природе электромагнитных волн и позже одним из первых предложил использовать их для передачи информации. В 1892 г. он отметил: «Лучи света не могут проникать ни через стену, ни, как мы слишком хорошо знаем, через лондонский туман. Но электрические лучи легко проникают через такие среды, являющиеся для них прозрачными. В таком случае здесь раскрывается ошеломляющая возможность телеграфирования без проводов».

Хотя радиометр Крукса в современном понимании мало походил на радиоприемные средства, он в буквальном смысле фиксировал наличие электромагнитных волн или их отсутствие. Через 16 лет профессор физики Парижского католического университета Эдуард Юджин Десаир Бранли (1844–1940) показал, что термин «радио» логичнее применять не к любым невидимым глазу воздействиям, а только к электромагнитным волнам. Имя Бранли прочно вошло в историю радиотехники благодаря изобретению так называемого датчика Бранли. Собственно, ничего особенного в этом датчике нет, его может изготовить из подручных средств любой — нужна только стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками, и выведенные наружу электроды с торцов. При подключении к электродам батареи датчик Бранли работает как изолятор, но если на некотором расстоянии от датчика возникает электрическая искра достаточной мощности, датчик начинает проводить электрический ток! Чтобы перевести датчик опять в непроводящее состояние, его нужно просто немного встряхнуть.

Реакцию датчика на искру Э. Бранли наблюдал в пределах своей лаборатории — где-то в радиусе 20 метров. Он мог бы продолжать эксперименты с датчиком, придумать первый радиопередатчик и радиоприемник, увековечить себя в истории как изобретатель радиосвязи, но… Но Бранли никогда не интересовался передачей сигналов на расстояния! Ученого интересовало электричество Только применительно к медицине, для лечебных целей. А датчик появился случайно, при попытке смоделировать проводимость нерва.

Открытое явление было описано Бранли в 1890 г. в статье «О проводимости несплошных проводящих веществ». Название статьи покажется скучным, но в публикации автор отметил принципиальные для нашего рассказа моменты, дословно звучащие так: «На сопротивление металлических порошков влияют электрические разряды, производимые на некотором расстоянии от них. Под действием разрядов опилки резко изменяют свое сопротивление и проводят ток». Бранли назвал свой датчик радиокондуктором.

Усовершенствовал радиокондуктор другой физик — англичанин сэр Оливер Джозеф Лодж (1851–1940) . В 1894 г. Лодж добавил к радиокондуктору специальный прерыватель (trembler), который встряхивал опилки после прохождения искрового разряда. Лодж назвал свой вариант датчика словом когерер (рис. 10.1).

Рис. 10.1. Когерер, изобретенный Э. Бранли и усовершенствованный О. Лоджем .

Результаты проведенных опытов Лодж опубликовал в английском журнале «The electrican». Кстати, прочитав статью Лоджа, Э. Бранли написал ответную статью, в которой достаточно тактично поправил Лоджа: «Мою трубочку с опилками О. Лодж назвал «кохерер» и некоторые воспринимают это как общепринятое. Это название, однако, неточно отражает исследованное явление. Я предложил название «радиокондуктор» — «радио» и «проводник», — которое отражает главное свойство несплошного проводника при воздействии электромагнитного излучения». Но как бы то ни было, а «когерер» прочно утвердился в радиотехнических изделиях вплоть до начала 20-х гг. XX в., когда ему на смену пришли кристаллические детекторы электромагнитных волн и детекторы на электронных лампах.

Лодж, в отличие от Бранли, интересовался вопросами радиосвязи, и в данной области сделал немало изобретений. Однако он также не может считаться изобретателем радио. Позже, когда О. Лоджа спрашивали, почему ему не пришла в голову такая простая и светлая мысль, сэр Оливер отвечал: «Я был слишком занят работой, чтобы браться за развитие телеграфа или любого другого направления техники. У меня не было достаточного понимания того, чтобы почувствовать, насколько это окажется важно для флота, торговли, гражданской и военной связи».

Оставим ненадолго направление, связанное с конструированием детекторов электромагнитных колебаний. Разберемся, как были открыты электромагнитные волны — главный беспроводной переносчик информации. Как осуществлялся их поиск и экспериментальное подтверждение. Удивительно, но впервые электромагнитные волны были описаны Максвеллом теоретически. Люди даже не знали тогда, существуют ли они реально. Электромагнитные волны не были найдены до самой смерти Максвелла. Экспериментально подтвердить существование волн предстояло другому ученому — Генриху Герцу (1857–1894) . Но пока поговорим не об опытах Герца, а об… Т. Эдисоне, Э. Томсоне, Н. Тесла.

В 1875 г., проводя эксперименты с большим электромагнитом, Эдисон заметил крохотные искорки, которые проскакивают между некоторыми металлическими предметами, расположенными в лаборатории неподалеку от электромагнита. Эдисон также установил, что искорки не влияют на прибор регистрации электрического заряда — электроскоп. Изобретатель тут же опубликовал статью об открытой им «эфирной силе», отнеся источник возникновения искорок к некой неэлектрической силе.

Статья Эдисона попала в руки американскому изобретателю Элиху Томсону, который решил продолжить эксперименты. Коммутируя катушку индуктивности (тогда один из ее видов назывался катушкой Румкорфа) и создавая с ее помощью магнитное поле, Томсон также заметил, что в помещении между близкорасположенными металлическими предметами вспыхивают искры. Так было доказано, что «электричество» передается через пространство, а также было опровергнуто предположение о существовании «эфирной силы». Трудно сказать, почему Томсон не двинулся дальше и не совершил открытие электромагнитных волн.

Еще один человек, близко подошедший к открытию электромагнитных волн, — Никола Тесла (1856–1943) , американский изобретатель, долгое время работавший на заводах Эдисона, а затем основавший собственную лабораторию в штате Колорадо. С 1892 г. Тесла интересовался способами передачи информации без проводов. Еще в 1893 г., выступая перед слушателями Франклиновского института в Филадельфии (США), Тесла сказал: «С каждым днем я все больше убеждаюсь в практической осуществимости идеи передачи осмысленных сигналов на любое расстояние вовсе даже без помощи проводов. И хотя я знаю, что большинство ученых не верят, что такие результаты могут быть действительно реализованы, я рассматриваю этот проект передачи энергии и сигналов без проводов уже не просто как теоретическую возможность, а как весьма серьезную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день». Действительно, слова Тесла оказались пророческими — эта проблема была решена через два года, но уже не головой и руками Тесла. Хотя вклад Тесла в радиотехнику тоже значителен. Изобретенный им воздушный повышающий трансформатор использовался в первых серийных радиопередатчиках в качестве источника излучения. Тесла вошел в историю электротехники изобретением асинхронного двигателя, электромеханического генератора тока высокой частоты, идей радиолокации и радиоуправления.

И вот теперь мы поговорим о Г. Герце. Что же сделал этот ученый, благодаря чему он остался в истории радиотехники первооткрывателем электромагнитных волн? Генрих Герц впервые назвал основные устройства для организации радиоканала — вибратор и резонатор. Вибратор должен генерировать электромагнитное поле, а резонатор — его принимать. А предыстория открытия Герца такова.

В 1879 г. Берлинская академия наук объявила конкурс на разработку темы «Экспериментальное подтверждение связи между электродинамическими силами и диэлектрической поляризацией». За ее разработку и взялся Герц, тогда молодой ученый, имевший в своем активе самостоятельную научную работу. Поначалу он колебался, стоит ли тратить время на столь непонятные исследования, но под влиянием своего руководителя, считавшегося первым физиком Европы, — Германа Гельмгольца — начал эксперименты и с успехом справился с поставленной задачей. Путь к главному открытию жизни был открыт!

В 1885 г. Генрих Герц стал профессором экспериментальной физики Высшей технической школы, через год, в 1886-м, появляются его изобретения: вибратор Герца (передатчик электромагнитных волн) и резонатор Герца (приемник электромагнитных волн). Как выглядят эти замечательные устройства? Вибратор Герца представляет собой два медных проводника длиной 2,6 м и толщиной 5 мм, расположенные на одной линии. На внешних концах проводников закреплены два больших жестяных шара, на внутренних — два небольших шарика, между которыми оставлен воздушный зазор. Щель между шариками называется искровым промежутком. К обоим проводникам подключается источник высокого напряжения — катушка индуктивности (катушка Румкорфа). Когда разность потенциалов между шариками в результате действия самоиндукции в катушке достигает напряжения пробоя, возникает электромагнитная искра. Проводники возбуждают электромагнитную волну, которая распространяется в пространстве. Основные параметры электромагнитной волны, такие, как ее длина или частота, могут быть отрегулированы величиной продольных проводников — их удлинением или укорочением. Этот принципиально важный факт также был открыт Герцем.

Мало получить электромагнитную волну — нужно ее еще и принять, преобразовать в вид, удобный для восприятия органами чувств человека. И такой приемник Герц создал! Резонатор Герца отличается предельной простотой: это металлическое круглое кольцо с разрезом и закрепленными на концах шариками, как показано на рис. 10.2.

Рис. 10.2. Внешний вид резонатора Герца

Настроив резонатор на вибратор с помощью подбора диаметра кольца, можно разглядеть появление между шариками резонатора небольшой искорки в момент срабатывания вибратора. Искорка появляется на расстоянии между шариками не более З мм, да и разглядеть ее возможно только в увеличительное стекло. Опыт Герца представлен на рис. 10.3.

Рис. 10.3. Опыт Г. Герца

По нашим меркам, исследования Герца не кажутся впечатляющими, но, когда он в декабре 1888 г. сделал доклад о результатах на заседании Берлинской академии наук, это произвело настоящую сенсацию. Еще бы — получено экспериментальное подтверждение теории электромагнитных волн Максвелла!

Сразу после этого Генриха Герца избрали почетным членом семи ведущих академий Европы. Выступая на съезде немецких естествоиспытателей, Герц сказал: «Все эти опыты просты в принципе, тем не менее они влекут за собой важнейшие следствия. Они рушат всякую теорию, которая считает, что электрические силы перепрыгивают пространство мгновенно».

Кратко итоги исследований ученого выглядят так:

• электромагнитные волны не являются теоретической ошибкой, а действительно существуют;

• скорость распространения электромагнитных волн в пространстве равна скорости света;

• для излучения и приема электромагнитных волн необходимо новое электротехническое устройство — антенна;

• для максимально эффективного приема электромагнитных волн необходимо настраивать антенну передатчика и антенну приемника — согласовывать их;

• длина излучаемой волны, а также эффективность излучения зависят от конструкции передающей антенны.

Генрих Герц умер в самом расцвете творческих сил — в начале 1894 г., за. год до изобретения радио. Он, как никто другой, мог сделать себе имя и изобретением радиосвязи, так как продвинулся в своих опытах намного дальше Эдисона, Томсона, Тесла, Бранли, Крукса, Лоджа и других, чьи имена мы здесь не назвали. Но поразительная проницательность в одном вопросе обернулась столь же великой недальновидностью в другом! В 1889 г., на запрос мюнхенского инженера Г. Губера о возможности использования открытия для практических целей, передачи информации на расстояние — Герц ответил: «Электрические колебания в трансформаторах и телефонах слишком медленные. Если бы Вы могли построить излучатели размахом с материк, то Вы могли бы поставить намеченные опыты, но практически сделать ничего нельзя: с обычными излучателями Вы не обнаружите ни малейшего действия».

Ответ ученого требует пояснения. Дело в том, что приборы Герца излучают волны частотой в десятки мегагерц (забавно, но этот параметр переменных электрических сигналов назван именем ученого). Звуковые же колебания находятся в области сотен тысяч герц — на порядки меньше. Излучать электромагнитные волны звукового диапазона могут только очень большие вибраторы. Модуляция как способ передачи низкочастотных сигналов при помощи высокочастотных еще не была изобретена, не было также автогенераторных схем создания электромагнитных колебаний. Отсюда и проистекает пессимизм великого ученого.

Теперь, уважаемые читатели, мы подошли к знаменательной дате, отмечаемой в нашей стране как памятный праздник, — к 7 мая 1895 г. Эта дата — день рождения радио! В тот день воедино сошлись изобретения ученых, о которых мы только что рассказали. Соединить вроде бы несоединимые вещи, в результате чего появилось совершенно новое техническое направление передачи осмысленной информации без помощи проводов, удалось нашему соотечественнику профессору Александру Степановичу Попову (1859–1906) . Сын православного священника, настоятеля небольшой церкви в поселке Турьинские Рудники Пермской губернии, он в 1877 г. приехал в столицу и поступил на математическое отделение Петербургского университета — лучшего учебного заведения России. Еще в студенческие годы Попов подрабатывал в товариществе «Электротехник». Он также принимал активное участие в первой российской электротехнической выставке, прошедшей в Петербурге в 1880 г. Практический опыт, приобретенный в студенческие годы, оказался бесценным — к моменту получения диплома Попов считался инженером-электротехником с солидным стажем.

Итак, в 1882 г., после окончания университета, Попову предлагают остаться «для приготовления к профессорскому званию». Но крайне малое жалование заставляет его отказаться от предложения и поступить на службу в Морское ведомство, в Минный офицерский класс в Кронштадте. Александр Степанович согласился работать преподавателем физики.

Минный офицерский класс — одно из лучших электротехнических учебных заведений того времени. В нем не только готовили высококлассных специалистов для военно-морского флота, но и занимались научной работой. По воспоминаниям современников, Александр Степанович умел простыми словами рассказывать о сложном, но и демонстрировал множество опытов. Приборы, с помощью которых производились демонстрации, зачастую были изготовлены им собственноручно.

В 1900 г. Александр Степанович был назначен профессором кафедры физики Петербургского электротехнического института. Незадолго до смерти ученого, когда в России стало возможным не назначать, а выбирать ректоров учебных заведений, его в 1905 г. единодушно избрали ректором электротехнического университета Санкт-Петербурга. К слову, мемориальный рабочий кабинет Александра Степановича сохраняется в этом учебном заведении до сей поры.

Таков был Попов-человек. Каким же предстает Попов-ученый, Попов-изобретатель? В то время военно-морской флот остро нуждался в беспроводном средстве связи. Поскольку Александр Степанович связал свою жизнь с военно-морской техникой, он занимался проблемой связи применительно к флоту, интересовался мировым опытом, что-то сам мастерил в маленьком домике, расположенном во дворе Минного класса.

И вот 7 мая 1895 г. на очередном заседании Физико-химического общества Попов делает доклад «Об отношении металлических колебаний к электрическим колебаниям», а затем демонстрирует работу первого в мире радиоприемника! В Качестве источника электромагнитных волн А. С. Попов использует передатчик собственной конструкции — усовершенствованный вариант вибратора Герца. Когда ассистент ученого, Петр Николаевич Рыбкин (1864–1948) , включал передатчик, в лаборатории раздавалась трель электрического звонка, находящегося в приемнике.

Что принципиально новое, доселе неизвестное можно встретить в конструкции радиоприемника Попова? Удивительно, но… ничего! Гениальность изобретения заключается в другом: Александр Степанович создал на основе существовавшей в то время, как бы мы сказали сейчас, «элементной базы», принципиально новое техническое устройство.

Сохранилось описание первого радиоприемника, составленное самим Поповым и опубликованное им в «Журнале русского физико-химического общества». Это описание интересно не столько тем, что сделано собственноручно Поповым, но главным образом позволяет прочувствовать стиль технического описания принципиальных электрических схем того времени (рис. 10.4).

Рис. 10.4. Рисунок радиоприемника А. С. Попова

«Трубка с опилками (когерер) подвешена горизонтально между зажимами М и N на легкой часовой пружине, которая для большей эластичности согнута со стороны одного из зажимов зигзагом. Над трубкой расположен звонок так, чтобы при своем действии он мог давать удары молоточком посредине трубки, защищенной от разбивания резиновым. кольцом. Удобнее всего трубку и звонок укрепить на общей вертикальной дощечке. Реле может быть помещено как угодно.

Действует прибор следующим образом. Ток батареи напряжением 4–5 В постоянно циркулирует от зажима Р к платиновой пластинке А, далее через порошок, содержащийся в трубке, к другой пластинке В и по обмотке электромагнитного реле обратно к батарее. Сила этого тока недостаточна для притягивания якоря к реле, но если трубка АВ подвергнется действию электрического колебания, то сопротивление мгновенно уменьшится и ток увеличится настолько, что якорь реле притянется. В этот момент цепь, идущая от батареи к звонку, прерванная в точке С, замкнется и звонок начнет действовать, но тотчас же сотрясение трубки опять уменьшит ее проводимость и реле разомкнет цепь звонка.

В моем приборе сопротивление опилок после сильного встряхивания бывает 100000 Ом, а реле, имея сопротивление около 250 Ом, притягивает якорь при токах от 5 до 10 мА (пределы регулировки), т. е. когда сопротивление всей цепи падает ниже 1000 Ом. На одиночное колебание прибор отвечает коротким звонком; непрерывно действующие разряды отзываются довольно частыми, через приблизительно равные промежутки следующими звонками».

Как читатели успели понять из описания и рисунка, в составе радиоприемника использованы знакомые изобретения: когерер, электромагнит, гальваническая батарея. Для автоматического встряхивания когерера применяется обычный электрический звонок, а в качестве антенны выступает вертикальный отрезок провода длиной 2,5 м — так называемая штыревая антенна. С помощью более длинной антенны прибор регистрирует на расстоянии до 4 км приближающуюся грозу, становясь «грозоотметчиком». По поводу грозоотметчика Попова один французский историк техники писал: «Уже в 1895 г., когда еще никто не мог выступить с предложением беспроволочного телеграфа, был кто-то, кто телеграфировал при помощи электричества. Этим «кто-то» была молния, которая телеграфировала А. С. Попову в его лабораторию «я здесь» и давала ему точные указания своего пути».

Чем занимался Александр Степанович после демонстрации своего знаменитого изобретения? В марте 1896 г. он демонстрировал усовершенствованный вариант приемника, в котором принятые сигналы записывались на телеграфную ленту. Летом 1897 г. он провел первые практические опыты по радиосвязи вблизи Выборга при дальности 5 км. Он исследовал методы увеличения дальности приема радиосообщений, разрабатывал конструкцию аппаратуры связи для военных кораблей. В том же году он высказал мысль о возможности использования радио для судовождения: «Применение источника электромагнитных волн на маяках в добавление к световому и звуковому сигналам может сделать видимыми маяки в тумане и в бурную погоду». Александр Степанович первым заметил эффект отражения радиоволн от корпусов кораблей и пришел к мысли о возможности радиопеленгования и радиолокации, то есть способов обнаружения объектов при помощи электромагнитной волны: «Все металлические предметы — мачты, трубы, снасти — должны мешать действию приборов как на станции отправления, так и на станции получения, потому что, попадая на пути электромагнитной волны, они нарушают ее правильность отчасти подобно тому, как действуют на обыкновенную волну, распространяющуюся по поверхности воды».

В 1898 г. Попов вместе с французским инженером Е. Дюкрете начал производство радиостанций для нужд флота. Изготовление аппаратуры налаживалось в Кронштадте, в мастерских Е. В. Колбасьева. Эта первая связная аппаратура закупалась и для кораблей французского флота. Наступила эра промышленного производства аппаратуры беспроводной связи!

В 1899 г. Александр Степанович запатентовал детекторный приемник, позволявший принимать «морзянку», прослушивая ее в телефонных наушниках. В следующем году радиостанции А. С. Попова были использованы для проведения спасательных работ. В Финском заливе, у острова Гогланд, сел на мель только что построенный броненосец «Генерал-адмирал Апраксин». Чтобы осуществлять оперативное руководство работами, А. С. Попов установил одну радиостанцию на аварийном корабле, а вторую — на расстоянии 40 км, в городе Котка. Несколько месяцев спасатели пользовались этой линией связи. В том же году, после получения по радио сигнала бедствия с оторвавшейся льдины с рыбаками, ледокол «Ермак» вышел в море и спас людей. Адмирал и ученый-кораблестроитель Степан Осипович Макаров, оказывавший А. С. Попову большую поддержку и помощь, так описал это событие: «Первая официальная депеша содержала приказание «Ермаку» идти на спасение рыбаков, унесенных в море на льдине, и несколько жизней было спасено благодаря «Ермаку» и беспроволочному телеграфу. Такой случай был большой наградой за труды, и впечатления этих дней, вероятно, никогда не забудутся». В 1901 г. Александр Степанович достиг уверенной связи на расстоянии 150 км.

В декабре 1912 г. иллюстрированный журнал «Огонек», отмечая открытие в России радиозавода морского ведомства, писал: «Радиотелеграфия зародилась у нас в России. Пионером этого дела явился известный русский профессор Попов, начавший строить радиотелеграфные аппараты в Кронштадте. Вслед за проф. Поповым делом радиотелеграфии занялся знаменитый итальянец Маркони, добившийся возможности передавать радиотелеграммы на довольно значительные расстояния. Благодаря содействию крупных английских капиталистов он и пожал те лавры, которые по справедливости должны бы быть отданы проф. Попову».

Вот еще одна интересная выдержка из работы историка техники И. В. Бренева, относящейся к 70-м гг. XX в.: «А. С. Попов умер в 1906 г., Маркони пережил его на 31 год. Попов ушел из жизни тогда, когда радиотехника только начинала свой путь. Маркони жил в эпоху совершенствования радиотехники, когда в ней на смену когереру пришла электронная лампа, появилось радиовещание, телевидение. Когда А. С. Попов уже не мог напомнить о себе, Маркони совершал многочисленные путешествия по разным странам мира, он более 80 раз пересек Атлантический океан, он был членом различных международных организаций. А. С. Попов не стал коммерсантом, он не создал своей фирмы, его родина, Россия, при царской власти была экономически слабой страной. За спиной же Маркони стояла богатейшая фирма с огромным штатом и мировой клиентурой».

Наконец, приведем и слова самого Александра Степановича: «Маркони первый имел смелость стать на практическую почву и достиг в своих опытах больших расстояний».

Кто такой этот загадочный Маркони и почему его имя на протяжении почти ста лет упоминается рядом с именем Александра Степановича Попова?

Гульельмо Маркони (1874–1937) , итальянский инженер-электрик, изобретатель, удачливый коммерсант, державший руку на пульсе времени. Однажды он так сказал о принципах своих исследований: «Я нуждаюсь в любой помощи, которую могу получить. Я читаю все, абсолютно все, что могу найти по телеграфной связи. Я никого не пропускаю и ничего не игнорирую, никакую идею, какой бы абсурдной она ни была. Я пробую все, — по крайней мере один раз».

Прочитав в 1894 г. об опытах Герца, юный 20-летний Маркони задумался об использовании электромагнитных волн для передачи сообщений. Он превратил в лабораторию старое зернохранилище на семейной вилле в Болонье и с утра до вечера просиживал за экспериментами. Первые радиосигналы — три точки символа «S», посылаемые кодом Морзе, принимались на расстоянии сотни метров. Но только по прошествии 13 месяцев после публикации Попова Г. Маркони подал заявку на изобретение «аппаратуры для системы связи без проводов с помощью электромагнитных волн». И только 2 июля 1897 г., то есть через два года после демонстрации опытов Попова, итальянский изобретатель получил патент на «усовершенствование в передаче электрических импульсов и сигналов в аппаратуре для этого». К сожалению, Александр Степанович не подал заявку на патент своего изобретения, и поэтому на Западе изобретателем радио считается Маркони. Некоторые историки техники считают, что Маркони усовершенствовал приемник Попова и запатентовал его, некоторые склоняются к мысли, что он пришел к аналогичной конструкции самостоятельно.

Преподаватель солидного учебного заведения не мог знать об опытах итальянского юноши в фермерском сарае — это бесспорно. А вот цепкий юноша такой информацией обладать мог. Как бы то ни было, но исторический приоритет остается за Поповым!

Собственно, радиоприемник конструкции Г. Маркони мало чем отличается от приемника Попова: в приемнике Маркони количество гальванических батарей увеличено до двух — электрический звонок питала отдельная батарея, продлевая общий срок службы устройства. Более того, и приемник, и передатчик Маркони имели штыревую антенну. Единственное принципиальное отличие имел когерер, из которого был выкачан воздух. Такая конструкция позволяла повысить чувствительность когерера, а значит, и дальность приема.

Как утверждает русская пословица, «не было бы счастья, да несчастье помогло». Италия не заинтересовалась изобретением, и опыты Маркони так и могли бы остаться опытами. Изобретатель отправляется в Англию, где неожиданная болезнь одной царственной особы — принца Уэльского — заставила Маркони передавать пять раз в день о состоянии здоровья принца королеве Виктории. Кстати, при переезде Маркони из Италии в Англию произошел забавный случай. Английские таможенники, увидев аппаратуру радиосвязи, стали подозревать в ней хитроумную бомбу. Мать Гульельмо нашлась что ответить: «Да, это бомба. Но она разрушает не города, а стены».

Поддержка «сильных мира сего» позволила Г. Маркони в 1897 г. основать свою коммерческую фирму «Wireless Telegraph and Signal Company Ltd», переименованную затем в «Marconi Wireless Telegraph Company», рис. 10.5.

Рис. 10.5. Фирменный знак «Marconi Company» и его фабрика в Chelmsford (1920). Видны две 450-футовые (137 м) антенные мачты

Налаживается стремительное производство коммерческой аппаратуры связи для транспортных компаний, благосостояние фирмы растет как на дрожжах. Появились военные заказы из США, Англии, Франции, Германии, Италии. В 1899 г. Маркони присутствовал на испытаниях системы радиотелеграфной связи между крейсером «Нью-Йорк» и линкором «Массачусетс», находившимися друг от друга на расстоянии 65 км.

Теперь Маркони целиком поглощен новой идеей — максимально увеличить дальность радиосвязи. И ему это удастся! Построив станции беспроводного телеграфа в противоположных точках земного шара — одну в Англии, на полуострове Корнуолл, а другую в Канаде, на острове Ньюфаундленд, он, находясь в Канаде, 16 декабря 1901 г. принял первый трансатлантический радиосигнал с расстояния почти в 2100 миль. Газетные заголовки того времени пестрели сообщениями об опровержении Маркони законов физики, а Т. Эдисон воскликнул: «Я поражен! Я хотел бы встретиться с этим молодым человеком, у которого хватило дерзости на пересечение Атлантики электрической волной».

Сохранилось свидетельство о единственной встрече, состоявшейся между Поповым и Маркони в 1902 г., когда в Россию с визитом на военном корабле прибыл итальянский король Виктор Эммануил. Короля сопровождал Маркони, испытывавший в этом плавании свою аппаратуру. Пока царственные особы проводили встречи на высшем уровне, крейсер был открыт для посещения, и этой возможностью воспользовался Попов. Он беседовал со своим коллегой несколько часов.

Дальнейшая жизнь Маркони отмечена благополучием, коммерческим процветанием и поразительной работоспособностью до самой кончины. В 1907 г. он открывает первую трансатлантическую радиотелеграфную службу, в 1909 г. удостаивается Нобелевской премии. В 1921 г., переоборудовав в лабораторию личную яхту «Электра», Маркони приступил к исследованиям в области коротковолновой телеграфии, и к 1927 г. его компания развернула международную сеть коммерческих коротковолновых телеграфных станций. «Результаты опытов на яхте, — констатировал Маркони, — убедили меня, что с передатчиком мощностью в 1 кВт надежная коммерческая радиосвязь возможна на расстоянии по меньшей мере 2300 морских миль». В 30-х гг. XX в. Маркони занимается микроволнами, использует их в навигации. Он умер 20 июля 1937 г. В этот день по всему миру на две минуты замолчали все радиостанции.

Наш соотечественник, Александр Степанович Попов ушел из жизни совсем по-другому. Мы уже говорили, что незадолго до смерти Попов исполнял обязанности ректора Электротехнического института. Времена были сложные — 1905 г., революция, всеобщая неразбериха. Студенческая масса бурлит революционными идеями, администрация требует усиления репрессивных мер. Попов, совестливый, скромный и честный человек, настоящий патриот Отечества, переживает за своих талантливых юных воспитанников, которым грозит исключение, и за преподавателей, которым предназначены незаслуженные взыскания. Следуют постоянные вызовы ректора к министру народного просвещения, к градоначальнику, и выговоры, унижающие достоинство ученого. После одного из таких вызовов, состоявшегося 31 декабря 1905 г., Попов скоропостижно скончался…

* * *

Настало время рассказать о том, какие типы передатчиков радиоволн сменяли друг друга и какие сегодня используются в технике радиовещания и радиосвязи. Их имеется несколько видов: искровые, дуговые, электромашинные, ламповые, транзисторные. Они появлялись именно в такой последовательности.

Искровой передатчик нам уже знаком — это вибратор Герца. Мощный искровой разряд порождает электромагнитные колебания. Снабдив передатчик элементарным дополнительным устройством автоматической генерации разрядов при замыкании какого-либо контакта, возможно передавать информацию посредством кода Морзе, с помощью точек и тире. Такими были первый передатчик Попова и первый передатчик Маркони.

Этому методу свойственно множество существенных недостатков, один из которых — широкая полоса частот, занимаемых в эфире. Например, лучший образец радиопередатчика, относящийся к 1906 г., спроектированный для работы на частоте 750 кГц, занимал полосу частот от 540 кГц до 1200 кГц! Сравнить такой передатчик можно разве что с электродрелью или пылесосом. Ситуация знакомая: достаточно вблизи современного радиовещательного приемника «запустить» двигатель бытовой техники, как из динамика раздастся сильный треск, вызываемый искровыми разрядами у контактно-щеточного устройства.

Тем не менее в начале XX в. искровые системы связи использовались широко. Появлением искровых радиостанций в сухопутных войсках Россия обязана все тому же Александру Степановичу Попову. В 1900 г. он сам разыскал ненужные армейские конные повозки и разместил на них им же разработанные радиостанции. Связь устойчиво работала на расстоянии до 10 км, но в силу разный причин внедрение отечественной техники связи не пошло дальше испытаний на маневрах. Только после поражения в войне с Японией в 1904 г. началось распространение связных станций. Однако оснащение велось главным образом станциями фирм «Marconi» и «Telefunken» (Сименс и Гальске), которые даже открыли свои представительства-на территории России.

К 1914 г. все корабли ведущих западных держав имели на своем борту радиоустановки. Россия к этому времени обладала 72 полевыми и 6 стационарными искровыми радиостанциями. Для связи с командованием Франции и Англии в Петрограде и Москве построили станции мощностью 100 кВт. В дальнейшем мощные станции были построены военным ведомством также в Николаеве, Ташкенте, Чите, Кушке, Владивостоке, Хабаровске и Харбине. Эти радиостанции, построенные по одной схеме, питались от аккумуляторных батарей напряжением до 12 кВ. Передача сообщений сопровождалась оглушительным «стрельбовым» грохотом разрядников, слышимым на расстоянии до 2 км!

Дуговой передатчик предложил в 1900 г. английский инженер-электрик Вальдемар Дуддель. Горящая дуга как вид электрического разряда также порождала мощные, незатухающие электромагнитные колебания. В 1902 г. датский инженер Вальдемар Поульсен построил первый дуговой телеграфный генератор электромагнитных волн, оказавшийся способным создавать меньшее количество помех. Германия ведет работы над созданием дуговых генераторов, не афишируя результатов. Преимущество дуговых генераторов по сравнению с искровыми в полной мере проявилось во время Первой мировой войны, когда корабли немецкого флота вдруг стали излучать непрерывный треск, за которым невозможно было различить передаваемые сообщения. Дуговые передатчики могли транслировать сигнал на расстояние до 12000 км и работали в диапазоне длинных волн.

Однако дуговые передатчики не избавились от недостатков искровых, таких, как помехи, нестабильность, низкий коэффициент полезного действия.

В поиске источников формирования мощных незатухающих колебаний был изобретен электромашинный передатчик. Идея этого передатчика тоже весьма проста — электромеханический генератор, создающий ток высокой частоты, подключается к антенне и излучает электромагнитную волну. Генератор может обладать высокой стабильностью и эффективностью, создавать мало помех. Впервые электромашинный способ передачи радиосигнала использовал Реджинальд Обри Фессенден (1866–1932) , канадец, профессор Питсбургского университета, консультант метеорологического бюро. В 1900 г. Фессенден пытался передать человеческую речь с помощью искрового радиопередатчика, разработав метод «наложения вибрирующих волн звуковой частоты на радиочастоту». Попытки использовать искровой передатчик окончились неудачей, но метод пригодился для реализации фундаментального принципа радиотехники, называемого сегодня амплитудной модуляцией. Начав работу в 1902 г. в компании NESCO, финансировавшей разработку его идей, Фессенден вместе с инженером компании «General Electric» шведом Эрнстом Александерсоном (1878–1975) создал генератор переменного тока частотой 50 кГц. Этот генератор в 1906 г., в рождественский сочельник, Фессенден впервые применил для передачи голоса.

Передатчик и сложная антенная система с несколькими мачтами высотой 131 м располагались в Брант-Роке, небольшой деревушке на берегу Атлантического океана. Сам ученый так описывал это грандиозное историческое событие: «Судам американского флота было передано сообщение, что в канун Рождества, на сочельник, мы будем проводить экспериментальные радиопередачи речи, музыки, песен. Программа передачи была следующая: вначале моя краткая речь о том, что мы собираемся делать, затем немного музыки фонографа. Далее моя сольная игра на скрипке и песня «Почитание и смирение», из которой я спел один куплет под аккомпанемент скрипки. Затем шел текст из Библии: «Слава Богу на небесах и людям доброй воли на земле», и на этом мы закончили радиопередачу, желая всем счастливого Рождества».

В истории радиотехники Фессендена называют «отцом радиовещания». К концу жизни на счету ученого имелось более 500 изобретений, среди которых — генератор тока высокой частоты, фазометр, звуковой глубиномер, радиокомпас, устройства подводной сигнализации, гетеродинный приемник.

Несколько слов о коллеге Фессендена, Э. Александерсоне, разработчике электромашинных генераторов тока высокой частоты. В 1902 г., когда самые лучшие генераторы обеспечивали скорость вращения до 60 оборотов в минуту, создание генератора с частотой до 100 тысяч (!) оборотов казалось невозможным, фантастическим. Но с поставленной задачей Александерсон справился, причем настолько удачно, что знаменитый Маркони, посетивший конструктора в 1915 г. признал преимущество электромашинных генераторов перед искровыми и тут же предложил купить право на производство их у себя. Но ему удалось добиться только покупки готовых генераторов.

В 1925 г. Александерсон построил радиостанцию в Гриметоне, на западном побережье Швеции. В течение Второй мировой войны станция Осуществляла прямую связь с США. В настоящее время эта станция — единственная сохранившаяся в рабочем состоянии с оборудованием на основе электромашинных генераторов переменного тока.

Производство электромашинных передающих станций было налажено и в России. Наиболее значимыми считаются разработки российского инженера В. П. Вологдина (1881–1953) , который в 1912 г. создал первый электромашинный преобразователь энергии мощностью 2 кВт, в 1925 г. осуществил связь между Москвой и Нью-Йорком. Позже Вологдин разрабатывал системы связи на сверхдлинных волнах (СДВ). Интересно отметить, что Э. Александерсон был очень высокого мнения о разработках Вологдина и даже признавался, что они превосходят по техническому уровню его собственные!

И все же… И все же следует признать, что настоящий расцвет радиотехники пришел с изобретением ламповых передатчиков. Это случилось 10 апреля 1913 г., когда инженер немецкой фирмы «Tеlefunken» Александр Мейснер получил в немецком патентном бюро свидетельство об изобретении генератора переменного тока на основе триода Либена. Через два месяца Мейснер разработал радиопередатчик и осуществил с его помощью связь на расстоянии 36 км.

В результате выяснилось, что ламповая схема передатчика по всем параметрам превосходит другие известные схемы. В 1915 г. американский инженер Леон Хартли разработал другую схему генератора, которая до настоящего времени известна под названием индуктивная трехточечная схема, или генератор Хартли. Другой американский инженер, Эдвин Колпитц, предложил вариант емкостной трехточки, или генератор Колпитца. «Трехточки», реализованные на современных транзисторах, популярны у нынешних радиолюбителей, конструирующих аппаратуру связи, измерительную аппаратуру.

После окончания Первой мировой войны, когда проблемы военной радиосвязи отошли на второй, план — налаживалась мирная жизнь, — некоторые коммерсанты решили извлечь выгоду не только из производства средств связи. Решено было открыть массовые радиостанции, чтобы люди имели желание покупать радиовещательные приемники. Один из таких предпринимателей, Д. Вестингауз, вместе со своим давним знакомым, радиолюбителем Ф. Конрадом, основал в США первую коммерческую радиостанцию KDKA, которая начала регулярное вещание в 1920 г. В тот год в США проходили президентские выборы и сотрудники радиостанции сообщали о результатах голосования намного раньше газет, привлекая внимание слушателей. В 1924 г. в мире насчитывалось уже более 500 коммерческих радиостанций, люди активно покупали радиоприемники.

А что в России? В это время в России сменилась власть, к руководству пришли большевики, которые, надо отдать им должное, отнеслись к достижениям радиотехники более серьезно, чем царские чиновники. Лидер большевиков В. И. Ленин сразу же оценил могучую силу радио, подписав 21 июля 1918 г. декрет «О централизации радиотехнического дела». По его инициативе в декабре того же года создается первое научное радиотехническое учреждение — «Нижегородская радиолаборатория». Здесь работали в числе прочих известные читателю М. А. Бонч-Бруевич и В. П. Вологдин.

Первая радиовещательная станция, построенная на отечественных электронных лампах, начала работать в Москве в конце 1922 г. Вначале она называлась «Центральная радиотелефонная станция им. Коминтерна», позже ее назвали РВ-1. Излучаемая мощность станции в самом начале вещания не превышала 12 кВт, однако в то время она считалась самой мощной. Для сравнения: станция KDKA излучала тогда мощность 1,5 кВт. В 1933 г. мощность станции РВ-1 доводится до 500 кВт! Серийно выпускается станция «Малый Коминтерн» для установки в небольших городах страны, вводится в строй еще одна станция «Новый Коминтерн» мощностью 40 кВт…

Как ни странно, но произведения искусства — картины, скульптуры, украшения — сохраняются в веках лучше,» чем предметы технической мысли. Многое из того, что было разработано на заре радиотехники, сохранилось лишь в фотографиях, рисунках, формулах, графиках. Многое, к сожалению, утрачено. Но многое хранится до сих пор, составляя фонд достижений нашей истории. Один из таких экспонатов до сих пор стоит в Москве под открытым небом, поскольку ни в один павильон ему не поместиться. Это — знаменитая Шуховская башня, спроектированная инженером Владимиром Григорьевичем Шуховым (1853–1939) для размещения антенны станции РВ-1 (рис. 10.6).

В то время (1922) Шуховская башня имела статус самого высокого в стране сооружения — ее высота и сейчас составляет 148 м. Первоначальный проект предполагал строительство трех таких башен высотой по 350 м и двух — по 275 м. Антенна, размещенная на такой конструкции, беспрепятственно обеспечивала бы связь с Нью-Йорком. Но… удалось построить только эту башню, значительно сократив ее размеры. Шуховская башня считается очень смелым проектом: ее конструкция с виду кажется неустойчивой, а на самом деле являет образец «ажурного монолита». Сегодня Шуховская башня продолжает работу, неся на себе антенны УКВ радиопередатчиков коммерческих радиостанций.

Дальнейшая история радиотехники — это история электрических схем, комплектующих элементов, история математического осмысления получаемых результатов, история уменьшения габаритов, повышения эффективности, снижения стоимости. Новую историю, однако, рассказывать очень сложно — она пестрит обилием интересных фактов, потрясающих идей, обилием имен и названий фирм. Следы этой истории есть в доме и у вас — это ламповые или транзисторные телевизоры и радиоприемники, это беспроводные и сотовые телефоны, это спутниковые телевизионные системы. Возможно, когда-нибудь вы, уважаемые читатели, внесете вклад в развитие этой области человеческой деятельности.

 

Особенности распространения радиоволн

Историю открытия электромагнитных волн вы теперь знаете хорошо. Но что собой представляет электромагнитная волна, радиоволна, как она распространяется в пространстве, что влияет на распространение, какие волны и почему используются в радиотехнике — об этом предстоит узнать сейчас.

Как устроена электромагнитная волна? Очень просто — взгляните на рис. 10.7.

Рис. 10.7. Распространение электромагнитной волны

Мы уже знаем, что переменное электрическое поле рождает переменное магнитное поле и наоборот. Вспомните также детскую игру «хождение по болоту», когда участникам дают два маленьких коврика, на которые они должны наступать. Поэтому, чтобы совершать движение, нужно постоянно эти коврики передвигать — то один, то другой. Так и электромагнитная волна. Она напоминает отрезок цепи, в котором имеется два колечка, причем заднее колечко всегда норовит встать вперед. Колечко «Н» — магнитного поля, «Е» — электрического. Возникнув в пространстве, например «уйдя» с антенны, кольцо «Е» выдвинет вперед себя кольцо «Н», затем кольцо «Е» исчезнет. А кольцо «Н» выдвинет вперед себя кольцо «Е». Вот так электромагнитная волна распространяется в пространстве. Поскольку электромагнитную волну рождают только переменные поля, графическое представление волны несколько изменяют, переходя от «колец» к синусоидам (рис. 10.8).

Рис. 10.8. Физическая сущность электромагнитной волны

Вертикальное поле в данном случае — поле электрическое, горизонтальное — магнитное. Впрочем, положения полей могут быть и другими — например, электрическое поле может быть горизонтальным или наклонным. Это свойство называется поляризацией электромагнитной волны.

Конечно, амплитуда электрической и магнитной составляющих волны, распространяющейся в какой-нибудь среде, например в воздухе или в кирпичной кладке домов, постепенно уменьшается. Говорят, что в веществе электромагнитная волна постепенно затухает. Но в вакууме волна может распространяться без затухания неограниченно долго. Интересный пример в данном случае являет нам космическое реликтовое излучение, открытое совсем недавно. Как известно, появившаяся в 20-х гг. XX в. теория возникновения Вселенной в результате большого взрыва предполагала обнаружение в пространстве остатков этого процесса — электромагнитных волн. Сегодня реликтовое излучение обнаружено. Реликтовые электромагнитные волны прошли путь, равный миллиардам световых лет (!). Это — слепки молодой Вселенной, ее следы.

Но вернемся к делам земным. Чуть выше мы упоминали о том, что разработчики радиостанций постоянно стремились повысить излучаемую мощность. Эта мощность переносится электромагнитной волной. Как видно из рис. 10.8, компоненты электромагнитной волны — магнитная и электрическая — имеют колебательный характер, значит, в качестве характеристики волны можно ввести ее частоту. Однако, поскольку волна распространяется в пространстве, точки А и В, в которых колебания имеют одинаковую фазу, отстоят друг от друга на определенном расстоянии, очевидно, связанном с частотой. Понятно также, что скорость волны не равна бесконечности, а ограничена. Чем быстрее распространяется волна, чем больше будет ее скорость, тем дальше будут отстоять друг от друга точки А и В, тем меньше будет ее частота и больше длина. Очевидно, что частота, длина и скорость волны связаны между собой! Помните, еще в опытах Герца было выяснено, что скорость распространения электромагнитной волны равна скорости света. Чуть позже установили — в среде, отличной от вакуума, волна распространяется немного медленнее. Если обозначить скорость буквой с, частоту — f, а длину — λ, то получим простое соотношение для связи перечисленных характеристик:

λ = c / f

Точное значение скорости распространения электромагнитной волны в вакууме:

с = 2,997925·108 м/с.

Электромагнитные волны имеют очень широкий диапазон длин. Для того чтобы классифицировать волны по отличительным признакам и характерным особенностям, введена так называемая шкала электромагнитных излучений.

Изучая эту таблицу, можно сделать вывод, что видимый человеческим глазом свет тоже представляет собой электромагнитную волну, правда, имеющую частоту намного выше частоты радиоволн. Радиотехника никогда не «заползает» дальше диапазона радиоволн и очень редко пользуется низкочастотными волнами. Поэтому рассмотрим деление радиочастот согласно международному регламенту радиосвязи, которое приведено в табл. 10.2.

Наиболее широко в средствах связи и вещания используются диапазоны начиная от НЧ и заканчивая УВЧ. В диапазонах НЧ, СЧ, ВЧ и ОВЧ работают трансляционные передатчики, средства радиолюбительской и профессиональной связи, средства военной связи. Диапазон УВЧ используется для работы домашних мобильных телефонов, сотовой связи. Диапазон СВЧ отдан средствам космической связи, спутниковым системам телевещания, трансляции, передаче цифровых данных. Диапазон КВЧ — это диапазон работы радарных систем.

Диапазоны СНЧ, ИНЧ и ОНЧ использовать очень сложно, так как для эффективного излучения электромагнитных волн и их дальнего приема необходимы антенны, приближающиеся в своих размерах к длинам этих волн, то есть в десятки, сотни и даже тысячи километров. Мы знаем об этом из ответа Герца инженеру Губеру.

Однако люди научились использовать и эти диапазоны волн, причем совершенно неожиданно. Как вы думаете, насколько хорошо распространяются электромагнитные волны в морской воде, являющейся проводником электрического тока? Распространяются, но очень плохо. Чем выше частота волны, тем сильнее она поглощается морской водой, тем быстрее она затухает. По этой причине конструкторы подводных лодок были вынуждены отказаться от радиосвязи на глубине и придумывать разные хитрые способы с выбрасыванием на поверхность радиобуев. Но когда обнаружили, что электромагнитные волны очень низких частот слабо поглощаются морской водой, то разработали связь, впрочем, одностороннюю с лодкой в подводном положении. Для того чтобы принять сигнал, лодка разматывает буксируемую антенну длиной в десятки километров и принимает информацию, а затем антенну сматывает.

Радиопередающие средства этой системы связи могут впечатлить любого. По некоторым сведениям, американская антенна связи с подводными лодками занимает площадь целого штата. Она представляет собой сетку с размером ячеек около километра, закопанную в землю. Есть ли такая система связи в России, авторам неизвестно.

Радиовещательные диапазоны также имеют четкое деление, приведенное в табл. 10.3.

Поговорим теперь о распространении радиоволн в пространстве. Красноречивый пример, относящийся к 1930 г., позволит задать множество вопросов.

Эрнст Теодорович Кренкель (1903–1971) , российский полярник, радист советских полярных станций и арктических экспедиций, а впоследствии — член редколлегии популярной серии книг «Массовая радиобиблиотека», находясь на Земле Франца-Иосифа, впервые установил на коротких волнах прямую двустороннюю связь с американской экспедицией Р. Бэрда, зимовавшей на шельфовом леднике Росса (Антарктида). Связь на 20 000 км долго оставалась мировым рекордом дальности. Как удалось Кренкелю связаться с противоположной точкой земного шара, излучая микроскопическую мощность в единицы ватт?

Еще один пример из жизни Кренкеля, о котором рассказывает Б. А. Кремер, относится к гибели теплохода «Челюскин» в арктических льдах и последующей зимовке на льду: «Аварийную станцию Кренкель монтировал в брезентовой палатке. В палатке было так же холодно, как и на улице, и работать было мучительно тяжело, Холодные плоскогубцы, нож, провода обжигали голые руки — не будешь же вести монтаж в рукавицах, и время от времени он вынужден был отрываться от дела, чтобы хоть немного отогреть закоченевшие пальцы в рукавах своей куртки. Первые попытки вступить в связь с какой-либо береговой радиостанцией не принесли успеха. Кренкель отчетливо слышал переговоры между радистами Уэлена и мыса Северного, но никто из них, несмотря на самое тщательное наблюдение за эфиром, маломощный рейдовый передатчик Кренкеля не слышал. Лишь наутро состоялась первая связь с Уэленом».

А вот пример необычного характера распространения электромагнитных волн, который приводит известный радиолюбитель-популяризатор Владимир Тимофеевич Поляков: «Интересный случай произошел с моим хорошим другом, радиолюбителем и полярником, на дрейфующей станции «Северный полюс». Как-то он захватил на зимовку портативный батарейный приемник «Океан» и, включив УКВ-диапазон, стал слушать передачу радиостанции «Маяк». Лишь спустя некоторое время он сообразил, что на Северном полюсе это невозможно! Тем не менее случай был, и, чем его объяснить, я не знаю».

Чтобы ответить на этот и другие вопросы, давайте познакомимся с основами науки с названием «Распространение радиоволн», рассмотрим строение атмосферы Земли и ее влияние на радиоволны разных диапазонов.

Впервые разницу в дневном и ночном приемах радиосигналов обнаружил Г. Маркони в 1902 г. В этом же году английский физик Оливер Хевисайд (1850–1925) сделал предположение, позже получившее полное экспериментальное подтверждение. Предположение заключалось в следующем: над поверхностью Земли, на высоте 60…2000 км атмосфера находится в особом состоянии. Газы на этой высоте под действием ионизирующего излучения Солнца переходят в ионизированное состояние. Поэтому описываемый слой, названный ионосферой, оказывает большое влияние на распространение радиоволн: она может поглощать радиоволны, может их отражать, а может пропускать беспрепятственно. Иногда ионосферу называют слоем Хевисайда.

Долгое время проводить исследования ионосферы представлялось затруднительным, и только в начале 1960-х гг., благодаря искусственным спутникам Земли, удалось досконально изучить механизмы ионизации. Оказывается, основным источником ионизации выступают ультрафиолетовые лучи Солнца и солнечная радиация. На ионосферу оказывает также влияние излучение удаленных звезд — это 0,1 % — не так много, но если учесть их удаленность…

Ионизирует атмосферу Земли и космическая пыль. К нерегулярным источникам ионизации относятся мощные корпускулярные потоки, которые возникают в периоды солнечной активности, и метеорные потоки.

Впервые серьезные исследования ионосферы провел в 20-х гг. XX в. англичанин Эдуард Виктор Эплтон. Занимаясь вопросами снижения электромагнитных помех во время приема, Эплтон заинтересовался различием ночных и дневных сеансов связи. Причину явления Эплтон назвал замираниями эфира.

Он доказал, что ночью радиоприемник принимает только волны, распространяющиеся вдоль земной поверхности, а ночью добавляются волны, отраженные от ионосферы. Также он впервые показал, что ионосфера не однородна, а состоит из слоев. Один из таких слоев, обозначаемых буквой F, носит название слоя Эплтона.

Каковы наши сегодняшние знания об ионосфере? Взгляните на рис. 10.9.

Рис. 10.9. Строение ионосферы

Сегодня мы абсолютно достоверно знаем, что ионосфера состоит из четырех слоев.

Слой D — самый низкий, он расположен на высоте 60…80 км и существует только в дневные часы. Ночью под действием механизма ионной рекомбинации слой D исчезает. Слой Е, расположенный на высоте 100… 150 км, имеет низкую концентрацию ионов и ночью также практически полностью исчезает. Самый верхний слой, обозначаемый, как F, в дневные часы распадается на два слоя — F1 и F2. Слой F, характеризуемый наибольшей ионной концентрацией, располагается на высоте 300…450 км в летнее время и 250…350 км в зимнее время. Основное влияние на распространение радиоволн оказывает слой F2.

Существует также слой Es, условно называемый спорадическим. Вообще это образование сложно назвать слоем, так как возникает спорадический слой нерегулярно. Он представляет собой скопление сильно ионизированных облаков, разделенных промежутками слабо ионизированного газа. Чаще всего этот слой возникает летом.

Радиоволны имеют интересную особенность — в неоднородных средах они распространяются не прямолинейно, а несколько изгибаются. Чем больше неоднородность среды, тем и изгибание их больше. Постоянно. преломляясь в ионосфере, электромагнитная волна может занять положение, параллельное земной поверхности, и даже вернуться на Землю. Если же отражающей способности ионосферы недостаточно, волна уходит в космическое пространство.

Чем больше длина волны, тем меньшая степень ионизации требуется для обеспечения нормального отражения радиоволны. И наоборот чем выше частота, тем труднее ионосфере преломлять волну. Свойство электромагнитной волны изгибаться под действием неоднородностей называется рефракцией. Есть еще одно свойство электромагнитной волны, которое называется почти так же — дифракцией, — но имеет совершенно другой физический смысл. Дифракция — это способность волн огибать препятствия (рис. 10.10).

Рис. 10.10. Дифракция радиоволн

Исследования показывают, что дифракционные свойства присущи радиоволнам любой длины, хотя по мере укорочения волны способность к дифракции резко падает.

Итак, в реальных условиях любая электромагнитная волна может попадать из точки излучения в точку приема двумя путями: огибая земную поверхность вследствие неоднородности атмосферы (поверхностная волна) и вследствие отражения от ионосферы (объемная волна), что показано на рис. 10.11.

Рис. 10.11. Распространение поверхностной и объемной волн

Земная поверхность проводит электрический ток, правда, недостаточно хорошо, и часть энергии волны при этом поглощается. Поглощение энергии резко возрастает с частотой. Поэтому длинные и средние волны распространяются поверхностным способом значительно дальше, чем волны более высоких частот. Чем короче волна, тем больше затухает пространственный луч и меньше — объемный.

Электромагнитные волны длинноволнового диапазона (ДВ) могут огибать земную поверхность при распространении на расстояния не более 3000 км. Отражение длинных волн от ионосферы наблюдается главным образом в ночные часы, когда ионная концентрация слабее и поглощение не столь велико. Поэтому дальность распространения длинных волн днем меньше, чем ночью.

К длинноволновому диапазону наиболее близко примыкает диапазон средних волн (СВ), испытывающий отражение от более высоких слоев ионосферы, — от верхних областей слоя Е и от слоя F1. Днем, при высокой ионной концентрации, объемный луч очень сильно поглощается ионосферой и возвращается на Землю настолько ослабленным, что его присутствие практически не сказывается на дальности приема. Поверхностная волна также сильно затухает из-за потерь в земле. Поэтому днем диапазон средних волн мало насыщен станциями. Ночью, когда концентрация слоя Е резко снижается, дальность распространения средних волн значительно увеличивается. Практически это означает, что днем средневолновый приемник может «поймать» только местные станции, а вечером и ночью можно слушать также европейские «голоса» (рис. 10.12).

Рис. 10.12. Разные волны по-разному реагируют на наличие ионосферы

Самым интересным является распространение волн коротковолнового (КВ) диапазона. Поверхностная волна диапазона КВ затухает очень быстро, зато очень медленно затухает объемная волна. Из-за этого волна, многократно отражаясь то от поверхности Земли (рис. 10.13), то от ионосферного слоя F, может вообще «пробежать» вокруг света и вернуться в точку излучения! Вот почему Кренкель смог установить коротковолновую связь с Южным полюсом, находясь на Северном, — в противоположной точке.

Рис. 10.13. Многократное отражение волн КВ диапазона

Коротковолновый диапазон, однако, таит в себе массу «подводных камней», массу неудобств. Во-первых, изменчивость условий распространения, диктуемая земной атмосферой, во-вторых, существование зоны молчания (зоны тени), где поверхностной волны уже нет, а объемная «перепрыгивает» это место (рис. 10.14).

Рис. 10.14. Зона тени при излучении волн КВ диапазона

Чем короче волна, тем шире зона молчания, так как объемный луч слабее преломляется и возвращается на Землю дальше от передатчика.

Еще один недостаток коротких волн — наличие ощутимых замираний, когда неожиданно принимаемая станция начинает звучать тише, а то и вообще пропадает. В диапазоне средних волн, впрочем, замирания не так заметны. Природа замираний — сложение в противофазе нескольких объемных лучей, попадающих в точку приема разными путями. В результате явления, называемого интерференцией, две волны могут скомпенсировать друг друга, получив нулевой результат. До определенной степени борьба с замираниями возможна введением в приемник системы автоматической регулировки усиления (АРУ), идея которой была реализована еще в начале 30-х гг. XX в.

Волны УКВ-диапазона практически не огибают земной поверхности и не испытывают отражения от ионосферы. Другими словами, УКВ волны обладают слабыми дифракционными и рефракционными свойствами в отношении земной поверхности. Поэтому они распространяются только поверхностной волной, в пределах прямой видимости, при сильном поглощении энергии поверхностью Земли. Эта особенность распространения УКВ волн заставляет строить высокие антенны. Беспредельно наращивать мощность передатчика здесь уже не имеет смысла, так как таким методом не обеспечить увеличения «дальнобойности» вещания. Чтобы передавать сигнал за зону прямой видимости, в технике УКВ связи используются ретрансляторы — так называемые радиорелейные линии.

Свойство УКВ волн проникать через ионосферу используется в технике космической связи. УКВ волны диапазона 4… 10 м вообще-то могут испытывать отражение от спорадического слоя Es и от слоя F2 в годы максимальной солнечной активности, распространяясь на большие расстояния. Однако это явление носит случайный характер и не учитывается при проектировании радиовещательного оборудования. На распространение ультракоротких волн сильное влияние оказывает тропосфера — нижний слой атмосферы на высоте 10… 14 км. Тропосфера обладает большой неоднородностью, вследствие чего дальность распространения УКВ волн может как уменьшиться, так и увеличиться. Тропосферное распространение волн характеризуется высокими показателями рефракции. Еще одно интересное явление, могущее возникнуть в тропосфере, — это сверхрефракция (рис. 10.15).

Рис. 10.15. Явление сверхрефракции УКВ радиоволн

Благодаря ей в тропосфере может возникнуть волновод, напоминающий длинную изогнутую трубу, по которой УКВ волна распространяется на расстояния более 1000 км — в 10 раз больше по сравнению с обычной дальностью распространения. УКВ волны могут также распространяться за счет сверхрефракции при наличии сильной неоднородности в ионосфере, возникающей при прохождении метеорных потоков. Но обольщаться не стоит: сверхрефракция — тоже случайное и нестабильное состояние атмосферы.

Читатели спросят: «Если УКВ радиоволны имеют столько недостатков, не проще было бы отказаться от их использования?» Оказывается, только на УКВ возможна организация многоканальной сотовой связи с большим количеством одновременно работающих каналов. Только на УКВ возможно высококачественное музыкальное стереовещание. Наконец, только в УКВ-диапазоне могут работать современные телевизионные системы.

Волны СВЧ и КВЧ-диапазона отражаются даже от небольших предметов и чаще всего возвращаются в точку приема. На основе данного открытия и строятся все радиолокационные системы (рис. 10.16).

Рис. 10.16. Радиолокационная система

К недостаткам волн этого диапазона следует отнести их поглощение гидрометеорами — дождем, снегом, градом, туманом. Волны диапазона КВЧ вдобавок ко всему поглощаются молекулами кислорода и водяными парами. Чтобы радарные системы работали эффективно, приходится излучать большие мощности, разрабатывать достаточно сложные схемные и конструктивные решения такой аппаратуры. Но сегодня от радаров отказываться рано, поскольку они — основное средство морской и летной навигации, противовоздушной обороны.

Распространение радиоволн — очень серьезная и сложная наука, которой занимаются ученые всего мира. В России этой проблемой занимается институт земного магнетизма и распространения радиоволн (ИЗМИРАН), расположенный в Московской области. Институт регулярно публикует прогнозы распространения радиоволн, предназначенные как для профессиональных связистов и навигаторов, так и для радиолюбителей.

 

Виды антенн и что из них можно использовать дома

Радиосвязь и радиовещание немыслимы без антенной техники. Антенны, — излучающие и принимающие радиоволны, использовались, как мы успели убедиться, и на заре радиотехники, применяются они и сейчас. К настоящему времени разработано великое множество антенн разных размеров, конструкций, эффективности. Появилась даже целая наука, занимающаяся только антенной техникой. Поскольку мы только начинаем вступать в мир радиоволн, нам просто необходимо познакомиться с наиболее распространенными типами антенн. Однозначно можно утверждать, что без антенны ваш радиоприемник будет только шипеть, а позывные вашего радиопередатчика никто не сможет принять.

Где можно увидеть антенну? Во-первых, обратите внимание на крышу своего дома. Наверняка вы заметите там телевизионную антенну, принимающую телесигнал. Это — приемная антенна. Она может иметь множество конструктивных вариантов — две простые трубочки, напоминающие вибратор Герца, подковообразную горизонтальную сплюснутую петлю, «паутинку» в круглом обруче, несколько ромбиков, расположенных друг над другом. Горизонтальную трубку, поперек которой установлена «лесенка» из таких же трубочек. Эти антенны имеют свои названия — диполь, петлевой вибратор, «паутинка», ромбическая, волновой канал (рис. 10.17).

Рис. 10.17. Виды используемых в телевидении антенн:

а — диполь; б — петлевой вибратор; в — «паутинка»; г — ромбической; д — волновой канал

Имеется еще ряд конструкций, которые мы здесь не называем. Телевизионные антенны могут также состоять из нескольких вариантов антенн, установленных на одной несущей мачте. Этим достигается оптимальный прием сигналов разных частот. Антенны в таком случае просто переключаются, или их сигналы складываются в специальном устройстве — частотном сумматоре.

Значительно отличается от приемных конструкция передающих телевизионных антенн (рис. 10.18).

Рис. 10.18. Передающая ТВ антенна

Мы уже знаем, что телевещание возможно в диапазоне волн не ниже УКВ. Из-за этого передающая антенна требует установки на большой высоте — иначе территориальный охват будет очень маленьким. Уникальные сооружения, создаваемые для передающих телеантенн, — телебашни, — наряду с другими историческими памятниками, стали символами крупных городов. Порой только по одному виду, открывающемуся на телебашню, можно назвать город. Передающая телеантенна состоит из ряда дипольных излучателей (вибраторов Герца), расположенных вертикально на специально рассчитанном расстоянии друг от друга.

Излучателей может быть много — десять и больше. Зачем? Если, скажем, передающую антенну выполнить в виде одного диполя, то окажется, что большая часть сигнала будет «уходить» не по направлению к земному горизонту, но также и вверх. Для кого нужны такие растраты сигнала? Для птиц и космонавтов? Электромагнитная волна, формируемая телеантенной, должна иметь вид, напоминающий луч прожектора. А обеспечивает «луч» как раз линейка диполей, выстроенных в ряд. Специалисты говорят, что антенна приобретает острую направленность.

Здесь мы подошли к одному из главных свойств любой антенны, называемом диаграммой направленности. Представить диаграмму направленности можно из следующего примера. Допустим, мы окружили антенну большой шарообразной оболочкой, напоминающей мыльный пузырь, и стремимся замерить в каждой его точке уровень сигнала, исходящий от антенны. Если излучение ненаправленное, в каждой точке пузыря мы измерим одинаковый уровень. А если имеется направленность, на пузыре образуется как бы пятно. Это пятно — зона максимального излучения антенны (рис. 10.19).

Рис. 10.19. Диаграмма направленности антенны:

1 — слабонаправленной; 2 — остронаправленной

Диаграммой направленности характеризуются и приемные антенны. Направленные антенны, кстати, более предпочтительны в технике телеприема, так как меньше «насасывают» помехи со сторон, расположенных вне зоны максимума сигнала. Однако их надо точнее устанавливать в направлении на передающую антенну.

Чем еще характеризуется та или иная антенна? У нее есть очень важный параметр — действующая высота. Чтобы понять, что такое действующая высота, взглянем на рис. 10.20.

Рис. 10.20. Эквивалентное представление антенны через источник ЭДС

Антенна — это всего лишь преобразователь электромагнитной волны в ЭДС. Причем, преобразовываться в ЭДС может, как мы уже знаем, и электрическая, и магнитная составляющие. Электромагнитная волна в любой точке пространства характеризуется напряженностью своих компонент — электрической и магнитной. Но напряженность электрического поля, единицей которой служат [В/м], должна быть как-то преобразована в вольты, которые можно будет подвергнуть преобразованиям в тракте радиоприемника. Очевидно, что, домножив напряженность поля на единицу длины, мы и получим те самые долгожданные вольты:

E c = E · h д

где Е с — ЭДС сигнала на входе приемника, В;

Е — напряженность электрического поля в точке приема, В/м;

h д  — коэффициент пропорциональности (действующая высота антенны), м.

Какую информацию несет это соотношение? Очень важную! Оказывается, действующая высота антенны зависит не только от собственно высоты ее установки, но также и от конструктивных параметров. Соответственно, установив в одной и той же точке две разные по конструкции антенны, можно получить разный уровень ЭДС на ее выходе!

Как видно из рис. 10.20, антенна представляет собой простой генератор ЭДС со своим внутренним сопротивлением Z a . Наличие этого внутреннего сопротивления, которое, в зависимости от конструкции антенны и длины волны, принимаемой ею, может быть и чисто активным, и реактивным. В этой книге мы не будем подробно рассматривать вопросы, связанные с сопротивлением антенны, скажем лишь, что данное обстоятельство вызывает необходимость согласовывать радиоприемник с антенной для более эффективного приема. Теория антенной техники утверждает, что лучше всего передавать в нагрузку (на вход радиоприемника) максимальную мощность, а для этого необходимо соблюсти условие равенства сопротивлений антенны и нагрузки.

Поговорим теперь о конструкциях антенн. Самая простая и до сих пор популярная у радиолюбителей — симметричный вибратор (диполь, вибратор Герца), изображенный на рис. 10.21.

Рис. 10.21. Симметричный вибратор (диполь)

Антенна состоит из двух проводников одинаковой длины, между которыми включена линия, соединяющая антенну с приемником, — фидер. Наиболее эффективным считается полуволновой вибратор, у которого длина плеча (l) выбирается равной четверти длины принимаемой волны (λ). Отсюда следует важный вывод: практически все антенны имеют неравномерную частотную характеристику. То есть наиболее эффективный прием будет осуществляться для волны какой-то определенной длины. Чем больше длина волны отличается от расчетной, тем хуже условия приема.

Это обстоятельство заставляет использовать разные антенны для приема волн разных длин. Однако волны с примерно близкими длинами чаще всего можно принимать на одну и ту же антенну, спроектированную на середину диапазона, — без заметного ухудшения качества приема.

Очень важный момент — поляризация волны, о которой мы говорили выше. Передающие антенны ДВ и СВ радиостанций излучают вертикально-поляризованную волну, у которой электрическая составляющая вертикальна, поэтому для ее приема дипольные антенны нужно располагать вертикально. Другой интересный и, возможно, для кого-то печальный вывод можно сделать, рассчитав реальные размеры симметричных вибраторов. Оказывается, только вибраторы УКВ-диапазона могут помещаться в городской квартире. Антенны же для приема волн КВ и уж тем более СВ и ДВ диапазонов имеют очень большие размеры. Поэтому их выносят на улицу, располагая на крыше дома, между домами, между деревьями. Радиовещатели, работающие в этих диапазонах, зная, какая антенна нужна для качественного приема, решили «не издеваться» над слушателями, а просто увеличили мощность своих передающих станций. Коротковолновики-любители не могут произвольно наращивать мощность своих станций до бесконечности, поэтому они просто вынуждены выносить на крыши своих домов тщательно изготовленные крупногабаритные антенны.

В памяти одного из авторов этой книги осталась история, свидетелем которой он был на протяжении десятка лет, совершая выезды на дачу. Напротив железнодорожной станции стоял высокий многоквартирный жилой дом. В ожидании поезда ничего не оставалось, как изучать окрестности, в том числе и заглянуть на крышу этого дома. Так вот, на крыше сначала была протянута горизонтальная проволока полуволнового диполя, потом ее сменил примерно десятиметровый куб на мачте, позже вместо куба появилась плоская решетка. Скорее всего, коротковолновик-любитель, живший в доме, по мере возрастания знаний и возможностей повышал эффективность своей аппаратуры.

Действующая высота полуволнового вибратора рассчитывается по формуле:

h d = λ / π

Внутреннее сопротивление (Z a ) этого вида антенны составляет 73 Ом. Оно несет чисто активный характер и согласуется со стандартным входным сопротивлением 75 Ом. Диаграмма направленности этой антенны — слабо выраженная. Она имеет вид «восьмерки» и показана на рис. 10.22.

Рис. 10.22. Диаграмма направленности симметричного вибратора:

а — на горизонтальной плоскости; б — в объеме на поверхности Земли

Другая — тоже часто встречающаяся разновидность антенны — несимметричный вибратор, рис. 10.23. Рисунок дает общее представление, так сказать, идею антенны.

Рис. 10.23. Несимметричный вибратор

Основные электрические характеристики несимметричного вибратора в значительной степени зависят от конкретной конструкции. О некоторых из них мы поговорим чуть позже, а сейчас обсудим новый термин, появившийся в нашем рассказе, — заземление.

Для появления в цепи электрического тока, необходимо, чтобы цепь замкнулась. В симметричном вибраторе она замыкается электромагнитной волной между плечами антенны. А вот в несимметричном вибраторе мы имеем только одно плечо. Где же другое? А другим плечом может с успехом служить… поверхность Земли!

Мы уже знаем, что земная поверхность имеет свойство проводить электрический ток, так как в ее составе есть ионы солей, металлы, вода. Конечно, электропроводность почвы намного хуже электропроводности металлов, но ее вполне достаточно для организации второго плеча антенны, предназначенной для приема радиовещательных станций. Почти даром нам удастся вдвое сократить длину диполя!

Если читатель живет в загородном доме, ему не составит большого труда изготовить хорошее заземление. Делается это очень просто: берется ненужное металлическое изделие с большой площадью поверхности, например корыто. К изделию прикручивается болтом или припаивается проводник (например, экранная оплетка от отслужившего свой срок телевизионного кабеля). Затем изделие закапывается на глубину примерно 1 м. Перед тем как закопать корыто, лучше посыпать его поваренной солью и древесным углем (из печки) для улучшения электропроводности (рис. 10.24, а).

Если же читатель живет в городской квартире, да еще и на одном из последних этажей высотного дома, то тащить провод заземления в квартиру будет сложно. Мало того, прилегающая территория может быть просто заасфальтированной. Но не огорчайтесь, вы не останетесь в стороне от радиоприема на несимметричный вибратор, хотя ситуация с заземлением в городской квартире сложнее. Вот что пишет в отношении заземления известный уже нам В. Т. Поляков [9]: «Неплохим заземлением служат трубы центрального отопления. Они хоть и изолированы, но в современных многоквартирных домах электрически соединяются с общим контуром заземления дома. В любом случае разветвленная тепловая сеть служит отличным противовесом антенне. К газовым трубам подключаться запрещается».

По существующим нормам техники безопасности использование труб центрального отопления в качестве заземлителей вообще-то недопустимо. И вот почему. Все соединения труб выполняются не сваркой, а разъемными, к тому же, если неожиданно кто-то начнет менять у себя в квартире батарею, электрический контакт точно нарушится. Мы намереваемся использовать заземление не в качестве защитной меры, предотвращающей от поражения электрическим током, а для приема. Поэтому наиболее близким вариантом, рекомендуемым радиолюбителям, следует считать металлическую канализационную трубу. Она выполняется сварной, и, даже если не будет контачить с землей, все равно ее протяженности будет достаточно. Нужно зачистить трубу до металла с помощью наждачной бумаги в месте подключения, убрав краску и окислы. Затем можно надеть на зачищенное место металлический хомут, изготовленный самостоятельно из металлической полоски или приобретенный в автомагазине (такие хомуты используются для крепления шлангов). Теперь трубу и хомут можно покрасить, оставив незащищенным только место, куда будет крепиться проводник (рис. 10.24, б).

Рис. 10.24. Заземление радиоприемника:

а — в загородном доме; б — в городской квартире

Наиболее искушенные читатели могут вспомнить, что нулевой проводник в подавляющем большинстве трехфазных систем питания обычно заземляется, а сама система получает название системы с глухозаземленной нейтралью. Один из проводов в электрической розетке теоретически может стать заземлением для приемника. Но только теоретически! Авторы настоятельно не рекомендуют пользоваться этим способом, так как, во-первых, это запрещено действующими правилами техники безопасности, во-вторых, при неумелых действиях и по забывчивости можно подключиться не к «нулю», а к «фазе», получить удар током, а в-третьих, на нулевой провод наводятся помехи с фазных проводов, и из-за этого прием станет просто невозможным. Пользуйтесь вышеназванными двумя способами! Как показывает практика, хорошее заземление может улучшить помехозащищенность радиовещательного приемника.

Но вернемся к приемным антеннам. В диапазонах ДВ, СВ и КВ наиболее, предпочтительно использовать наружные несимметричные вибраторы Г-типа и Т-типа, показанные на рис. 10.25.

Рис. 10.25. Распространенные антенны:

а — Г-образная антенна; б — Т-образная антенна

Конечно, по сравнению с длиной волны они имеют небольшие размеры, но это — лучший вариант для радиолюбителя. Антенна подвешивается на двух мачтах как можно выше от земли (желательно на высоте 10–15 м). Прием ведется на отрезок вертикального провода. Действующая высота такой антенны приблизительно равна:

h d ~= h

то есть высоте вертикального проводника. Зачем нужен горизонтальный проводник? Вместе, с земной поверхностью он образует конденсатор, который и перезаряжает электромагнитная волна. Мы знаем, что чем больше емкость конденсатора, тем меньше его реактивное сопротивление, тем больше ток в цепи и тем больше напряжение, отдаваемое антенной в нагрузку. Казалось бы, чем длиннее этот проводник, тем. эффективнее будет осуществляться прием. Но на самом деле это не так. Горизонтальный проводник нет смысла делать длиннее 30 м, так как часть емкости, образуемая удаленными концами, будет настолько незначительной, что ее вклад практически не ощущается.

Обе разновидности антенн относятся к типу ненаправленных. Т-образная антенна вообще обладает круговой диаграммой направленности, а Г-образная имеет слабовыраженный максимум со стороны вертикального, проводника — снижения.

Советы по изготовлению Т-образных и Г-образных наружных антенн мы здесь не приводим — все определяется конкретными условиями и возможностями читателя. Но два обязательных совета все же дадим. Во-первых, горизонтальный — «емкостный» — проводник нужно хорошенько изолировать от мачт (опор), чтобы не возникали токи утечки. Сделать это можно с помощью фарфоровых изоляторов, продающихся в магазинах электротоваров для выполнения открытой проводки. Можно также использовать материал, слабо восприимчивый к влажности, например толстое оргстекло, просверлив в пластинке два отверстия — для проводника и для растяжки. Желательно также сделать по две изолированные вставки с каждой стороны, как показано на рисунках.

Второй совет касается техники безопасности. Помните судьбу Рихмана, сподвижника Ломоносова? Во время грозы в наружную антенну может ударить молния — источник пожара. Поэтому при приближении грозы нужно замкнуть провода заземления и снижения. Сделать это элементарно просто — достаточно установить в удобном месте переключатель или, что даже лучше, разрядник (так называют специальный элемент, который обладает способностью при повышении на нем напряжения выше определенного уровня закорачивать цепь).

Если по каким-либо причинам установить описанные выше антенны не удалось, можно воспользоваться несколько худшим вариантом — изготовить метелочную антенну (рис. 10.26, а). Роль емкостной обкладки здесь выполняет пучок тонких проводников длиной примерно 0,5 м, закрепленных на верхушке мачты. Естественно, «метелка» должна быть связана со снижением электрически.

Городские условия, увы, намного стесненнее сельских в плане развертывания эффективных антенн. Скорее всего, горожанам придется воспользоваться комнатной антенной Т-образного и Г-образного типа. Длина снижения таких антенн составляет примерно 1,5…2 м, а «емкостная» часть, располагаемая под потолком, — 4–6 м. Действующая высота комнатных антенн приближенно равна:

h d ~= h /2

Не так давно комнатные антенны такого типа можно было купить в радиомагазинах. Они представляли собой медный одножильный провод без изоляции, навитый в виде пружинки с диаметром 7—10 мм. Протянув под потолком суровую нитку или леску, антенну растягивали на ней из одного угла комнаты к другому, затем изготавливали снижение. Комнатной антенне не нужна грозозащита!

Сейчас такую антенну купить едва ли возможно, поэтому, если у читателя хватит терпения, можно навить ее из трансформаторной проволоки. А можно и, не мудрствуя лукаво, натянуть кусок провода без навивки.

Еще один тип вибратора, который используется преимущественно в диапазоне УКВ, — петлевой вибратор (рис. 10.26, б).

Рис. 10.26. Варианты антенн:

а — метелочная; б — петлевой вибратор

Он часто изготавливается из трубочек небольшого диаметра (5—10 мм). Длина вибратора (l) выбирается равной половине средней длины волны УКВ диапазона ( λ). Между торцами трубок, в месте подключения фидера, нужно оставить зазор 50–70 мм. Для такой антенны действующая высота равна:

h d ~= 2 λ /π

то есть в два раза больше, чем действующая высота полуволнового вибратора. Однако ее внутреннее сопротивление равно 292 Ома. Важно также отмстить, что радиостанции диапазонов OIRT и CCIR излучают по-разному поляризованные волны. Так что при установке антенны необходимо добиться максимального уровня сигнала, вращая ее не только в горизонтальной плоскости, но также и в вертикальной. Закрепить петлевой вибратор можно в «точке», показанной на рис. 10, 26. Причем закрепить вибратор можно в этом месте даже к металлической несущей конструкции, так как потенциал точки закрепления — нулевой.

А теперь, завершая рассказ о петлевом вибраторе, покажем, как с помощью очень простых способов можно повысить действующую высоту этой антенны и придать ей более острый вид диаграммы направленности. В 1924 г. Хидецугу Яги (1886–1976) , профессор Токийского инженерного колледжа при Императорском университете, вместе со своими ассистентами Уда и Окабе впервые практически реализовал идею использования пассивных элементов для создания эффективной направленной антенны. С того времени термины «яги» или «яги-уда» стали нарицательными для обозначения многоэлементных направленных антенн.

Что же представляет собой антенна «яги-уда»? В отечественной литературе ее называют чаще антенной типа «волновой канал». Этот вид коллективных телеантенн можно видеть на любой крыше многоквартирного дома. Взгляните на рис. 10.27.

Рис. 10.27. Антенна «яги-уда» (волновой канал)

Знакомый нам петлевой вибратор с одной стороны «перегорожен» множеством директоров — горизонтальных линеек, а с другой имеется рефлектор. Если по определенному правилу рассчитать длину этих элементов и расположить их на соответствующих расстояниях, то антенна приобретает замечательные свойства, описываемые выше, — становится направленной и развивает большее значение ЭДС на выходе. Увеличивая количество директоров, можно повысить направленность и увеличить ЭДС. Основной вклад в этой антенне вносят директоры, располагаемые близко от вибратора, с увеличением расстояния их вклад уменьшается. Но тем не менее иногда количество директоров наращивают до 30 и более!

Антенна «уда-яги» подходит для так называемого «дальнего приема» УКВ сигналов, но изготавливать ее начинающему радиолюбителю не рекомендуется. Причин несколько. Во-первых, для приема УКВ радиовещательных станций размеры антенны получаются внушительными, так что не всякий сможет сделать ее самостоятельно из подручных материалов. И во-вторых, что самое главное, эта антенна требует настройки. Необходимо с помощью специальных приборов подобрать (впрочем, в небольших пределах) расстояние между директорами и их длину, что может быть выполнено только людьми с высокой степенью квалификации и большим опытом. Ненастроенная антенна может работать намного хуже настроенной.

В заключение главы об антеннах поговорим о так называемых встроенных антеннах, которые хочется назвать — «антенны, которые всегда с тобой». Классикой в ДВ и СВ диапазонах уже давно Стали магнитные антенны. Называются они так потому, что для приема используется магнитная составляющая электромагнитной волны. Магнитная антенна — стержень из специального материала, напоминающего свойствами железо, — из феррита. Стержень бывает круглым или прямоугольным. На него намотана обмотка из провода, представляющая собой катушку индуктивности, рис. 10.28.

Рис. 10.28. Конструкция магнитной антенны

Диаграмма направленности магнитной антенны показана на рис. 10.29.

Рис. 10.29. Диаграмма направленности магнитной антенны на плоскости (в объеме вид аналогичен показанному на рис. 10.22, б)

Она имеет знакомый нам вид, подобный диаграмме направленности симметричного диполя. Всем хорошо знакомо, что портативный приемник всегда нужно поворачивать, добиваясь максимума сигнала. А стационарные ламповые приемники, которые невозможно повернуть, предусматривали в конструкции поворотную магнитную антенну, управляемую при помощи сложной системы шкивов, роликов, шнурков и тяг.

Действующая высота магнитной антенны определяется из формулы:

где D k — диаметр намотки;

w — число витков обмотки;

μ — магнитная проницаемость сердечника.

Расчеты показывают, что действующая высота собственно магнитной антенны мала — она составляет несколько миллиметров. Чтобы повысить ее до значения 1…2 м, параллельно катушке включают конденсатор переменной емкости и настраивают этот узел в резонанс с принимаемой волной. (О резонансе мы поговорим чуть позже.)

Часто встраивается в радиоприемник выдвижная телескопическая антенна. Она эффективна при приеме на КВ и УКВ-диапазонах, но в автомобильных приемниках используется во всем диапазоне принимаемых частот. Действующая высота телескопической антенны:

где l — длина телескопической антенны.

Вот и все разновидности антенн, на которых рекомендуем остановиться начинающему радиолюбителю. В профессиональной технике используются конструкции антенн намного сложнее. «Тарелки» спутникового телевидения — крохотные, едва видные штырьки на корпусах сотовых телефонов, вращающиеся «кубические сетки» радаров и локаторов, рупора СВЧ техники — все это мир антенн.

 

Немного об истории телевидения

Телевидение идет рука об руку с радиовещанием. О телевидении можно писать отдельную книгу — это целый мир с громадным количеством новых технических идей и принципов, интересных электронных схем. Но сегодняшнее телевидение — это не только, и не столько мир «инженеров железа», сколько мир «инженеров человеческих душ» — телеведущих, комментаторов, телерепортеров, музыкантов, актеров, рекламистов и журналистов. Представители этих профессий, ежедневно появляясь на экранах, имеют очень слабое представление о том, как возникает телевизионное изображение, почему оно доходит до зрителей, откуда берется звук. Но им и не нужно знать о технических тонкостях! А радиолюбителям будет интересно узнать о принципах передачи изображения.

В школе на уроках рисования наверняка каждый учился копировать изображения «по клеточкам». Для этого картинка разлиновывалась на мелкие квадратики, и их содержимое переносилось в пустые ячейки с примерно таким же размером. Здесь и заключается основной принцип телевидения: разложить изображение на «клеточки», затем передать их содержимое на расстояние, а потом «собрать» опять в единую картинку. Именно такая система была предложена в 1875 г. американским изобретателем Дж. Керном. На передающей стороне устанавливалась пластинка с большим количеством миниатюрных селеновых фотосопротивлений, а на приемной — с лампочками. Каждая лампочка связывалась отдельным проводом с фотосопротивлением, что, конечно, выглядело очень громоздко и неудобно.

Примерно в это же время физиологами была обнаружена инерционность зрения человека, не воспринимающая быстрые мелькания света. Отталкиваясь от этого факта, русский студент (впоследствии известный физик и физиолог) П. И. Бахметьев в 1877 г. предложил одноканальный вариант идеи Керна. В варианте Бахметьева нужно последовательно снимать уровни сигналов с селеновых пластин, последовательно передавать эти уровни по одному проводу и последовательно же «собирать» изображение на приемной стороне. Этот вариант не нашел практического применения из-за чрезвычайно сложной реализации аппаратуры, построенной по механическому принципу.

Однако «механическое телевидение» еще долго будет оставаться единственным способом передачи движущихся изображений, постепенно совершенствуясь. В 1884 г. немец П. Нипков разработал простое оптико-механическое устройство для передачи изображения. Тогда же появилось понятие развертки изображения. Передатчик и приемник Нипкова были устроены примерно одинаково: внутри вращался диск с отверстиями. Отверстия располагались по спирали и «сбегали» к центру. Вращение диска в передатчике и приемнике синхронизировалось. Поочередно фокусируясь на фотосопротивлении, осуществлялось разложение изображения, последовательная передача его на приемник. В приемнике, поскольку диск занимал то же самое положение, лампочка передавала полутона изображения, подсвечиваясь или убавляя яркость.

Как утверждают исторические источники, система Нипкова была вполне работоспособной, развертывала изображение на 1200 элементов. Механическое телевидение дожило до 30-х гг. XX в. В это время в Москве даже проводились пробные телепередачи, которые желающие могли принимать на расстояниях сотен километров, поскольку вещание велось на длинных волнах. Впечатление первых телезрителей описывает В. Т. Поляков: «Вы с волнением прильнули глазом к окошечку-экрану. Сначала вы ничего не различаете, кроме мелькающих полос: это мотор еще не вошел в синхронизм. Затем движение полос замедляется, останавливается, и вы различаете какую-то смутную тень — человека! Он шагнул, поднял руку. Вы все видите. Это ли не чудо?».

Проблемы механического телевидения стали очевидны еще на заре его зарождения. И некоторые ученые стали искать другие пути. Среди них — Борис Львович Розинг (1869–1933) . В 1897 г., познакомившись с преподавателем электротехники Константиновского училища, капитаном К. Д. Перским, Розинг заинтересовался проблемой передачи изображений и начал исследования. Он использовал в своих опытах трубку Брауна, больше известную нам сегодня как осциллографическая трубка. Опыты имели успех, и уже в 1902 г. Розинг смог управлять перемещением луча в трубке на расстоянии, вычерчивать простейшие фигуры — круг, стрелку, овал. В 1907 г. он подает заявку на патент, но чувствует, что почивать на лаврах рано: несовершенство электронного телевидения очевидно, требуется продолжать работу. «Эти результаты оказались настолько грубыми, — пишет Розинг после получения патента, — что я решил вновь подвергнуть переработке все части прибора».

К 1928 г. Б. Л. Розингу удалось достигнуть четкости изображения на экране трубки в 48 строк. Как утверждают очевидцы, изображения на экране получались настолько четкими и яркими, что их можно было фотографировать. В конце жизненного пути Розинг активно выступал за разворачивание широких исследований в области электронного телевидения, доказывая бесперспективность любых механических систем.

Первая электронная передающая трубка была разработана в 1931 г. советским ученым С. И. Катаевым, в этом же году, независимо от Катаева, такую трубку создал американец русского происхождения Владимир Козьмич Зворыкин, ученик Розин га. Интересна судьба Зворыкина, родившегося в г. Муроме, в купеческой семье, учившегося в Петербургском технологическом институте и в 1919 г. волею судеб оказавшегося в США. Сам Владимир Козьмич так писал о деле своей жизни: «Когда я был студентом, я учился у профессора физики Б. Розинга, очень интересовался его работами и просил разрешения помочь ему. В это время я полностью понял недостатки механического телевидения и необходимость применения электронных схем». В 1930 г. Зворыкин был назначен директором лаборатории в компании «Радиокорпорация Америку» (RCA) и занялся разработкой одной из первых серьезных систем американского телевидения. Разработанная система вела прямые трансляции с Олимпийских игр, проходивших в Берлине в 1936 г.

А что происходило у нас в стране? В том же 1936 году П. В. Тимофееву и П. В. Шмакову выдается авторское свидетельство на новый вид передающей электронно-лучевой трубки с переносом изображения. Начинается эксплуатация первых телевизионных центров в Москве и Ленинграде. Московский передающий центр «раскладывал» изображение на 343 строки, а Ленинградский — на 240 строк при смене 25 кадров в секунду. Первый телевизионный приемник, как это принято считать, был не КВН-49, а ТК-1 с размером экрана 14x18 см. Он вышел в серийное производство в 1938 г.

Новый стандарт с разложением в 625 строк, использующийся и поныне, был принят у нас в стране в 1946 г. Стандарт значительно повысил качество изображения. Первые передачи цветного изображения состоялись в Ленинграде в 1960 г. К концу 1970-х гг. в стране работает уже более 1300 телестанций.

Сегодняшнее телевидение — цветное. В разных странах используются разные стандарты цветного телевещания, в нашей стране — «СЕКАМ-III». Стандарт, принятый в 1965 г. согласно соглашению между США и Францией, на сегодняшний день считается самым неудачным. Такой стандарт в мире практически никто не использует. Почему же СССР принял столь неудачное решение? Сыграли политические мотивы. Необходимо было что-то противопоставить США, в которых, как известно, используется другая система — PAL. В то время СССР «дружил» с Францией и принял их стандарт.

Простая телевизионная антенна для дачи

Как начинающему радиолюбителю практически прикоснуться к телевидению, изготовить что-то полезное своими собственными руками? Конструировать телевизионный приемник сложно даже для радиолюбителей с опытом, да и особого смысла в этом нет — имеющиеся в магазине модели удовлетворят все вкусы. А на дачный участок можно отвезти старый домашний телеприемник. Опыт показывает, часто «дачники» пытаются, не мудрствуя лукаво, включать в антенное гнездо кусочки проволочек, выводить их из садового домика наружу, развешивать подобно бельевой веревке. Пользы от такой антенны почти нет. Что же делать? Нужно установить направленную телеантенну.

Все правила устройства радиоприемных антенн «работают» и в случае антенн телевизионных: во-первых, изготовить саму антенну по определенным размерам, связанным с длиной принимаемой волны, во-вторых, надо согласовать антенну со входом телевизора, чтобы вся мощность принятого сигнала поступала по назначению, в-третьих, сориентировать ее на передающий центр максимумом диаграммы направленности — это увеличит уровень полезного сигнала и избавит от проникновения помех, приходящих с других направлений.

В принципе, есть вариант вообще не задумываться об этих вещах, а зайти в ближайший радиомагазин и купить готовую наружную антенну — как самую простую, типа диполя, так и «волновой канат» для очень тяжелых условий приема: Но радиолюбитель может решить эту задачу самостоятельно, выполнив антенну типа «петлевой вибратор».

На рис. 10.30 представлен чертеж такой антенну со. всеми необходимыми данными для изготовления.

Рис. 10.30. Антенна типа петлевой вибратор для дачного участка

Как мы уже знаем, простые антенны обычно широкополосны, так что для приема разных частот, лежащих в диапазонах 1–5 и 6—12 телевизионных каналов метровых волн потребуется только два независимых вибратора. Почему плохо получается принимать на одну простейшую антенну весь телевизионный диапазон? Все объясняется тем, что в выделенном для телевизионного вещания диапазоне частот между 5 и 6 каналами имеется частотное окно в 75 МГц, что не позволяет настроить данный вариант антенны на оба диапазона одновременно.

Антенну легче всего изготовить из медной, латунной, алюминиевой ленты или ленты из другого цветного металла толщиной не менее 1 мм и шириной не менее 7 мм. Немного сложнее окажется изготовление антенны из профиля типа уголка П-образного, квадрата, трубки, так как гнуть профиль сложнее, чем ленту. Обычно профиль гнут при одновременном его нагревании над газом.

Можно, конечно, изготовить антенну и из обычной конструкционной стали, но тогда она будет покрываться ржавчиной, из-за чего могут ухудшиться ее параметры. Места соединения антенны с фидером нужно изолировать от попадания влаги и возникновения электрохимической коррозии. Сделать это можно с помощью эпоксидных смол, например К-115. Еще один вариант — покрыть места сочленений лаком УР-231 в несколько слоев. Худшим, но допустимым вариантом можно считать термоусадочную трубку. После сборки антенну надо обезжирить ацетоном и хорошо (в несколько слоев) окрасить влагостойкой краской, например акриловой, продающейся в автомагазинах в баллончиках-распылителях.

Обратите внимание на устройство, называемое согласующей петлей. Если вы помните, петлевой вибратор обладает внутренним сопротивлением 292 Ом, в то время как входное сопротивление кабеля, называемое еще волновым сопротивлением, составляет 75 Ом. Кстати, в качестве кабеля, хорошо согласующегося со входом телевизора, рекомендуется применять имеющие внешний диаметр (по изоляции) по возможности больший. В этом случае потери высокочастотного сигнала (его ослабление) на пути от антенны до входа телевизора будут наименьшими. Например, отечественные кабели марок РК75-9-13, РК75-13-11 и многие другие. Согласующая петля выполняется из отрезка такого же кабеля с длиной, указанной в таблице на рис. 10.30. -

Согласующая петля делается так. Предварительно снимается изоляция с обоих концов заготовки петли — так, чтобы были видны центральная жила и оплетка. Оплетка не должна соприкасаться с центральной жилой. То же самое выполняется и с одним концом фидера. Затем все оплетки соединяются вместе, одна из центральных жил петли соединяется с центральной жилой фидера, а вторая центральная жила петли остается свободной. Место соединения трех экранов никуда не подключается! Таким образом, у нас теперь имеется два «конца». Один из них (две соединенные вместе центральные жилы) подключаем, например, к правому концу вибратора, второй — к левому. Закрепляем антенну на шесте и устанавливаем шест в вертикальное положение. Работа почти закончена, осталось направить антенну на телецентр.

Под рукой у нас, естественно, нет никаких измерительных приборов, кроме телевизора. Его мы и используем. Вращая шест с антенной вокруг своей оси, добиваемся наилучшего качества изображения. Если на экране возникнут контурные повторы изображения, связанные с неидеальностью согласования антенны и кабеля, а также из-за интерференции прямых и отраженных электромагнитных волн, можно их устранить небольшим дополнительным поворотом антенны (настройка проводится по минимуму помехи).

 

Интересные факты и цифры

Радиосвязь в исследованиях…

Не секрет, что достижения в области радиосвязи активно используются для исследований деятельности живых организмов. Например, для обнаружения путей передвижения дельфинов японские ученые пользуются миниатюрными радиопередатчиками, закрепляемыми на теле животных. Информация о местоположении стаи дельфинов постоянно транслируется на орбитальные спутники, которые затем передают ее на Землю, в научный центр.

Другая интересная профессия современных радиопередающих средств — исследование работы человеческого организма, его «сбоев». Для этих целей специалистами английской фирмы «Remout control systems inc» разработана так называемая «радиопилюля». Миниатюрный радиопередатчик размером менее 1 см похож на обыкновенную таблетку и работает в диапазоне частот 390…470 кГц. Радиопилюля принимается внутрь, подобно лекарству, и передает информацию о внутренней температуре тела, кислотности и т. д. Радиопилюли сегодня успешно применяются в некоторых зарубежных клиниках для диагностики заболеваний человека.

Статистика телевидения

Насколько быстро распространяются полюбившиеся людям технические новинки, может свидетельствовать история развития телевидения. По состоянию на 1990 г., во всем мире в эксплуатации находилось до 1 млрд телевизионных приемников, то есть один телевизор могла смотреть семья из пяти человек.

В Советском Союзе в этом же году имелось порядка 100 млн телевизоров, и наша промышленность ежегодно производила еще 12–15 млн. Сегодня отечественные телевизоры производятся такими незначительными партиями, что даже сложно назвать объемы их выпуска. Рынок захвачен импортными фирмами — качество их техники значительно лучше.

Радиовещание и политика

Современное радиовещание — это не только информация, не только развлечение, но еще и мощный политический инструмент. Стоит хотя бы вспомнить недавние времена, когда приходилось слушать «Голое Америки», «Би-би-си», «Немецкую волну» сквозь рев глушилок! Один из первых шагов большевиков, как мы уже знаем, — организация массового радиовещания. Военные сводки Совинформбюро ежедневно доносили вести с фронтов Великой Отечественной войны. Да и недавняя попытка государственного переворота 1991 г. отразилась тревожной монотонной музыкой остановивших свою повседневную работу радиостанций. Очень показательный, но малоизвестный пример использования радио в качестве политического инструмента наблюдался в нацистской Германии. В 1933 г. звучал девиз нацистов: «Радио — в каждый дом», и летом того года 28 ведущих германских фирм в принудительном порядке начали создание очень простого, очень дешевого и очень надежного массового радиоприемника, рассчитанного на прием только местных радиостанций. Одновременно издается закон, согласно которому запрещалось прослушивать зарубежные станции, а нарушителям угрожало обвинение в измене родине.

Такой приемник был создан в 1938 г.

Его название — «DKE» — Deutschеr Klеinempfangеr. Выход приемника в массовое производство казался национал-социалистам столь значительным событием, что на презентацию разработанной модели приехал один из лидеров национал-социалистической партии, отвечавший за пропаганду в Третьем рейхе, — Йозеф Геббельс.

Судя по фотографии того времени, Геббельс весьма придирчиво осматривал образец. Это и понятно — через репродуктор приемника он намеревался сеять и укреплять в умах сограждан свои идеи. Число радиослушателей в Германии, имевших собственные приемники, с 1933 по 1943 г., возросло с 4 до 16 млн.

Рис. 10.31. «DKE» — Deutschеr Klеinempfangеr — массовый радиоприемник, разработанный в Германии (1938)

Останкинская башня в цифрах

Останкинская телебашня — всемирно известное сооружение. Рассказывать о нем в рамках данной книги нет необходимости. И все же невозможно обойти вниманием это чудо инженерно-строительной мысли и не сообщить читателям немного технических подробностей, которые появляются нечасто в средствах массовой информации.

Сегодня Останкинская башня ремонтируется после пожара, случившегося в августе 2000 г., меняется ее техническое оснащение. А до пожара на башне размешались: телевизионная станция, УКВ радиостанция массового вещания, станция радиотелефонной связи с подвижными объектами (пожарная служба, милиция, скорая помощь и др.), специальная лаборатория для исследования атмосферных грозовых явлений.

Высота башни составляет 540 м. Это вторая по высоте рукотворная конструкция в мире, оснащенная девятью лифтами, четыре из которых — высокоскоростные пассажирские, пять — грузовые. Лифты сконструированы дня подъема на высоту 478 м. На башню также возможно подняться с помощью лестницы: наверх ведут 1706 ступенек. Проект башни был утвержден 22 марта 1963 г.

Кстати, о высотных сооружениях. Самое высокое в мире сооружение, называемое CN Tower, располагается в г. Торонто (Канада). Высота башни 553 м, то есть всего на 13 м выше Останкинской телебашни. CN Tower открыта в 1976 г. Ее назначение тоже связано с радиосвязью.

«Средства связи США»

В конце 1960-х гг. в Советском Союзе прошла выставка «Средства связи США», вызвавшая ажиотаж наших сограждан. Большинство людей, как утверждают очевидцы, тянулись на выставку за невиданной тогда у нас кока-колой, за красочными буклетами, полиэтиленовыми мешочками и значками. Сохранился такой буклет и в семье одного из авторов этой книги. Вот небольшая выдержка из него, отражающая уровень развития радиовещания на тот момент.

«Радио в Соединенных Штатах Америки слушают свыше 99 процентов населения. Ассортимент продукции радиотехнических фирм необычайно разнообразен: от крупногабаритных многоламповых агрегатов до миниатюрных карманных приемников на полупроводниках. В 1933 г. для средней американской семьи покупка радиоприемника средней цены обходилась в 91 рабочий час, в настоящее время для этого достаточно шести рабочих часов.

В эфире работает 3757 станций AM и 1092 станции ЧМ. Подавляющее большинство радиостанций принадлежит либо частным компаниям, либо колледжам и другим просветительским организациям. Для открытия радиостанции необходимо разрешение Федеральной комиссии связи. Существуют сбои радиовещательные сети.

Кроме четырех радиосетей, для всей страны имеется еще 180 районных: две или несколько станций объединяются в одну для лучшего обслуживания данного района. Наличие большого количества станций обеспечивает американскому радиослушателю обширный выбор программ. По радио можно услышать все — от классической музыки до народных песен, джаза и блюза, от последних известий и прогноза погоды до драматических спектаклей, от обзора политических событий — с различных точек зрения — до спортивных соревнований.

Одно из последних достижений американской радиотехники — стереофонические передачи по станциям ЧМ. Радиоприемниками оснащены почти все автомобили. Моторист без радиоприемника — в США явление редкое. Некоторые автомобили оборудованы проигрывателями, магнитофонами или устройствами для приема звуковой части телепередач».

Аэростат — альтернатива башне?

Когда случился пожар на Останкинской башне, в Москве прервалось регулярное телевещание. По свидетельству очевидцев, в те дни, когда башня горела, резко возросла продажа газет и журналов.

Многие издания, до того долго лежавшие на лотках торговцев прессой, были просто мгновенно раскуплены. Действительно, современный человек не может долго обходиться без информации, поэтому выход из строя телевидения в огромном городе показал, насколько отражается это на нашей жизни.

Интересно, что уже во время пожара специалисты вспомнили о давно забытой идее, появившейся на заре возникновения средств радиовещания и радиосвязи, в 1900-х гг. Идея, высказанная, кстати, А. С. Поповым, состояла в установке радиопередатчика на аэростате, который возможно было поднять на высоту 2–3 км, повысить дальность распространения радиоволн. Таким образом, на время выхода Останкинской башни из строя с аэростата можно было бы транслировать телесигнал.

Сегодня проблемами вещания с аэростатов занимается Русское воздухоплавательное общество совместно с российской Академией наук, создастся система беспроводной аэростатной радиосети (БАРС).

Но почему настолько опоздала реализация этой идеи? Дело в том, что в предвоенные, военный и послевоенные годы поднимать аппаратуру с гигантскими источниками электропитания на аэростате оказалось слишком сложной задачей. Сложными оказались и проблемы передачи питания с земли, размещения на аэростатах передающих антенн.

Отечественная история, насчитывает единичные случаи использования аэростатов для трансляции радиосигнала. Один такой уникальный случай — передача легендарной VI симфонии Д. Д. Шостаковича, премьера которой состоялась в блокадном Ленинграде. В последующие годы военные связисты иногда поднимали на небольшую высоту свои радиостанции.

Эра спутниковой радиосвязи разом решила проблемы уверенной передачи радиосигнала на большие расстояния. Однако представьте себе, сколько стоит вывод на орбиту хотя бы одного спутника? Или строительство высокой башни? Если потребителя интересует связь на расстоянии не более 200…300 км, спутники здесь вообще окажутся слишком расточительными, а башни — недостаточно высокими. Эти мысли посетили разработчиков электронной техники связи в 60-х гг. XX в. Тогда они вспомнили об аэростатах. В 1963 г. в СССР велись разработки аэростатной радиотрансляционной станции, состоящей из огромного аэростата объемом 220 тысяч м3 и специальной системы позиционирования — привязных тросов. Аэростат планировалось разместить на высоте 9 км, а аппаратуру питать от бортовой электростанции. Проект так и остался проектом…

Намного дальше продвинулись в области аэростатной связи инженеры из США. В середине 60-х гг. XX в. было создано специализированное государственное учреждение «Tethered communications» (ТСОМ), которым преследовалась задача обеспечения телефонной связью труднодоступных районов страны и близлежащих государств. Инженеры ТСОМ разработали привязной аэростат объемом 14 тысяч м3 и необходимую связную аппаратуру. Аэростат работал с 2700 абонентами и ретранслировал радиосигнал. Оказалось, что расходы на эксплуатацию такой системы связи более чем в 2 раза уменьшились по сравнению с расходами на обслуживание классических наземных линий связи.

Еще один проект, разрабатывавшийся специалистами NASA по заказу военно-воздушных сил США в 70-х гг. XX в., но не нашедший практической реализации, поражает масштабностью и смелостью технических решений. Поскольку на высоте 20–25 км скорость ветра значительно меньше, чем в более низких слоях атмосферы, предполагалось вывести на эту высоту принципиально новый аэростат объемом 500 тысяч м3 без привязного троса. Благодаря современной навигационной системе, связанной со специальными двигателями, аэростат мог бы «зависнуть» в определенной точке пространства. Питание аппаратуры навигационной системы осуществлялось от неиссякаемого источника энергии — солнечных батарей. Днем вырабатываемое электричество могло бы разлагать воду на водород и кислород, а ночью — горсть в двигателе, пополняя запасы воды на борту. Проект, однако, оказался «не по зубам», и в начале 1990-х гг. его просто закрыли.

Но будьте уверены на все сто процентов: аэростаты еще скажут свое веское слово в технике радиосвязи!

Радиолюбительство в 20-х гг. XX века

Сегодня, в XXI в., радиолюбители не страдают от отсутствия компонентов, разве что с трудом покупаются очень уж экзотические радиодетали. А в первой половине XX в., когда увлечение радиотехникой только-только стало входить в моду, все было совершенно иначе. Об изготовлении чрезвычайно популярного в те годы приемника Шапошникова вспоминает Александр Ашкинази: «Для радиолюбителей в продаже почти ничего не было, радиоприемники делали сами. Клеили картонный цилиндр, на него с отводами наматывался так называемый звонковый провод. Цилиндр устанавливался на деревянной доске, по окружности вбивались обойные гвозди с латунными головками, к ним подходили эти отводы. Там, где был центр окружности, устанавливались ось и медная пластинка, которая скользила по головкам гвоздей.

Конденсаторы тоже делали сами. Покупали в аптеке парафиновую бумагу. Откуда бралась фольга, не помню, потому что на конфеты у нас денег не было. В качестве детектора использовался гален, PbS, причем радиолюбители делали его сами. Надо было найти кусок кабеля, содрать оболочку, выпросить в аптеке кусок серы, расплавить в консервной банке или ложке свинец вместе с серой. Запах был соответствующий. То, что получалось, разламывали и вытаскивали кристаллики PbS. Такое было полупроводниковое производство.

В магазинах появился антенный канатик — медный многожильный провод для антенн. Мы добывали деревянные бруски, лезли на крышу. К другому дому на расстоянии около 100 м натягивался провод. Так что было важно, где живут приятели.

Что можно было принимать? Ну, во-первых, морзянку на всех диапазонах. Кто ее изучил, мог кое-что и схватить. Телефоном регулярно принимали, например Давентри. Эта станция музыку почти не передавала, так что она пользовалась успехом только в том смысле, что приятно было сказать — я принимаю Англию. Много музыки передавало «Радио Вены». Кроме Вены и Англии, мы слышали Германию.

Делали и кристадины Лосева. Они работали, но настроить их было трудно, надо было искать точку на кристалле. Позже появились радиолампы».

Магия радиолампы

Хорошая электронная техника оставляет в памяти неизгладимые впечатления у любого человека, даже увлеченного совсем нетехническими проблемами. Вот отрывок из воспоминаний поэта Иосифа Бродского, лауреата Нобелевской премии по литературе:

«…Каждый из наших отцов хранил какую-нибудь мелочь в память о войне. Когда мне было двенадцать лет, отец, к моему восторгу, неожиданно извлек откуда-то коротковолновый приемник. Приемник назывался «Филипс» и мог принимать радиостанции всего мира — от Копенгагена до Сурабаи. Во всяком случае на эту мысль наводили названия городов на его желтой шкале. По меркам того времени «Филипс» этот был вполне портативным: уютная коричневая вещь с похожим на кошачий, абсолютно завораживающим зеленым глазом индикатора настройки. Было в нем, если я правильно помню, всего шесть ламп, а в качестве антенны хватало простой проволоки — паутинообразного сооружения под потолком.

Этому коричневому лоснящемуся, как старый ботинок, «Филипсу» я обязан своими первыми познаниями в английском и знакомством с пантеоном джаза. К двенадцати годам немецкие названия в наших разговорах начали исчезать с наших уст, постепенно сменяясь именами Луиса Армстронга, Дюка Эллингтона. Эллы Фицджеральд.

Через шесть симметричных отверстий в задней стенке приемника, в тусклом свете мерцающих радиоламп, в лабиринте контактов, сопротивлений и катодов, столь же непонятных, как и языки, которые они порождали, я, казалось, различал Европу.

Внутренности приемника всегда напоминали ночной город с раскиданными там и сям неоновыми огнями. И когда в тридцать два года я действительно приземлился в Вене, я сразу же ощутил, что в известной степени я с ней знаком. Скажу только, что, засыпая в свои первые венские ночи, я явственно чувствовал, что меня выключает некая невидимая рука — где-то в России.

Это был прочный аппарат. Когда однажды, в пароксизме гнева, вызванного моими бесконечными странствиями по радиоволнам, отец швырнул его на пол, пластмассовый ящик раскололся, но приемник продолжал работать. Не решаясь отнести его в радиомастерскую, я пытался как мог починить эту трещину с помощью клея и резиновых тесемок.

Конец ему пришел, когда стали сдавать лампы. Раз или два мне удалось отыскать через друзей и знакомых какие-то аналоги, но даже когда он окончательно онемел, он оставался в семье. В конце шестидесятых все покупали латвийскую «Спидолу» с ее телескопической антенной и всяческими транзисторами внутри.

Конечно, прием был у нее лучше, и она была портативной. Но однажды в мастерской я увидел ее без задней крышки. Наиболее положительное, что я мог бы сказать о ее внутренностях, это что они напоминали географическую карту — шоссе, железные дороги, реки, притоки. Никакой конкретной местности они не напоминали…

 

Основы современного радиоприема

Прочитав эту главу, мы познакомились с историей радиосвязи и радиовещания, изготовили антенну. Самое время взяться за конструирование радиоприемника. Мы обязательно займемся этим интереснейшим делом в следующей главе. А сейчас познакомимся с такими важными в радиотехнике понятиями, как модуляция, детектирование и колебательный контур.

Вначале — о модуляции. Помните, даже Генрих Герц не верил, что с помощью высокочастотных радиоволн можно передавать низкочастотные сигналы — человеческую речь, музыку. Не верил Герц совершенно напрасно — сегодня радиоволны несут эту информацию. Где же в электромагнитной волне можно «спрятать» сигнал? Вспомните, что любой сигнал может характеризоваться амплитудой, частотой, фазой. Если при помощи специальных технических средств сделать так, что на передающей стороне станет возможным управлять этими параметрами генератора, создающего электромагнитную волну, то задача будет решена. Например, можно в такт с речевым сигналом менять амплитуду сигнала, можно — его частоту, а можно — фазу. Этот процесс называется модуляцией.

Исторически первой появилась амплитудная модуляция (AM), рис. 10.32.

Рис. 10.32. Основы амплитудной модуляции (AM)

Высокочастотный сигнал, формируемый генератором, называется несущей. Модулирующий сигнал накладывается на несущую и образуется AM модулированное колебание, которое передается антенной в эфир. Все первые звуковые радиостанции работали в режиме AM. Сегодня такая модуляция используется в радиовещании и радиосвязи в диапазонах ДВ, КВ, СВ.

АМ обладает рядом существенных недостатков, среди которых, во-первых, низкая помехозащищенность, а во-вторых, крайняя расточительность ресурсов. На передачу полезного сигнала при АМ расходуется в среднем только 4 % мощности, остальная уходит на несущую. Изменение соотношения в сторону повышения доли полезного сигнала невозможно, так как это приводит к его искажениям.

Более прогрессивным видом модуляции, позволяющей получить высококачественное музыкальное вещание, является частотная модуляция (ЧМ), рис. 10.33.

Рис. 10.33. Основы частотной модуляции (ЧМ)

При частотной модуляции сохраняется постоянство амплитуды задающего генератора, а меняется только его частота. ЧМ сегодня используется на УКВ-диапазонах, где с ее помощью передается сигнал радиовещательных станций, а также звуковое сопровождение телевизионного сигнала.

Фазовая модуляция (ФМ) используется в основном в профессиональной радиосвязи, поэтому мы не будем рассматривать ее особенности — она несущественно отличается от ЧМ.

Чтобы преобразовать модулированное высокочастотное колебание в звуковое, нужно его демодулировать. Смодулировать AM колебание очень просто — достаточно «отрезать» его отрицательные полупериоды, как показано на рис. 10.34.

Рис. 10.34. Демодуляция AM колебаний

Сделать это можно с помощью простейшего амплитудного детектора, изображенного на том же рисунке. В амплитудном детекторе диод VD выполняет роль «ножниц», отрезающих отрицательные полупериоды, а элементы RC выделяют огибающую AM колебания — фильтруют высокую частоту и пропускают на выход детектора звуковое колебание.

Демодуляция ЧМ-колебания несколько сложнее. Чтобы услышать звук, нужно сначала ЧМ-колебание с помощью специальной схемы преобразовать в AM колебание и уже после этого детектировать амплитудным детектором, описанным выше.

Вы хорошо знаете, что сегодня в эфире работает множество радиостанций. Но почему они не мешают друг другу? Потому что радиоприемник обладает свойством селективности — может выделять нужную частоту электромагнитной волны и отстраиваться от частот, мешающих в данный момент. Электротехническое устройство, обеспечивающее это свойство, называется колебательным контуром. Простейший колебательный контур состоит всего из двух элементов — катушки индуктивности и конденсатора. И тем не менее эта простая схема обладает массой замечательных свойств. Каких? Об этом мы сейчас поговорим.

В 1842 г. Джозеф Генри обнаружил колебательный характер разряда Лейденской банки. Этот год можно считать годом изобретения колебательного контура. Давайте мысленно повторим, правда, немного модернизировав, опыт Генри.

Нам понадобится гальванический элемент, конденсатор, катушка индуктивности, конденсатор и переключатель на два положения. Соберем из этих нехитрых элементов схему, изображенную на рис. 10.35, и установим ключ К в положение «1».

Рис. 10.35. Способ получения свободных колебаний в LC-контуре

Конденсатор С начнет заряжаться от гальванического элемента G до разности потенциалов, равной по величине напряжению G. Затем переключим ключ К в положение «2». Конденсатор будет разряжаться через катушку индуктивности L. Характер этого разрядного процесса будет колебательным! Давайте разберемся почему.

Мы знаем, что конденсатор имеет свойство сохранять заряд в первый момент времени после переключения, так же как и индуктивность сохраняет значение тока. В первый момент вся энергия сосредоточена в конденсаторе (рис. 10.36, а). Далее она начинает «перетекать» в катушку индуктивности: напряжение на конденсаторе падает, а ток в катушке нарастает. В какой-то момент времени окажется, что напряжение на конденсаторе станет равным нулю, а в катушке ток достигнет максимума (рис. 10.36, б). Электрическая энергия конденсатора превратилась в энергию магнитного поля катушки индуктивности!

Потом ток начнет уменьшаться, но возникающая ЭДС самоиндукции стремится воспрепятствовать изменению тока. Поэтому ток в катушке имеет то же направление, но «заряжает» конденсатор в обратной полярности. При достижении током нулевого значения конденсатор приобретет максимальный заряд (рис. 10.36, в) и энергия магнитного поля вновь превратится в электрическую!

Следующие два преобразования энергии (рис. 10.36, г и а) пройдут точно так же, за исключением своей «зеркальности» к первым двум.

Рис. 10.36. Пояснение колебательного процесса в LC-контуре

Если взглянуть на рис. 10.37, отражающий значения напряжения, на конденсаторе и тока в катушке индуктивности в любой момент времени, то окажется, что в контуре возникло синусоидальное колебание.

Рис. 10.37. Изменение тока и напряжения в колебательном контуре

Теоретически, однажды возникнув, колебание в контуре LC не должно затухнуть. Однако реальные контуры обладают потерями, среди которых — активное сопротивление проводника катушки индуктивности, токи утечки конденсатора и другие составляющие. Влияние потерь сказывается на том, что при взаимном «перетекании» энергии между катушкой индуктивности и конденсатором часть ее не доходит до «адресата», теряется по дороге. Чем больше потери, тем быстрее затухают колебания.

Видели ли вы когда-нибудь, как проверяют в магазине целостность посуды?

Очень просто — по ней тихонько ударяют деревянной палочкой. Посуда без трещин и внутренних дефектов издает красивый звон. А посуда с трещинами глухо «квакает». Объясняется этот способ просто — ровная, бездефектная структура обладает малыми потерями и колеблется долго. Структура же с неоднородностями в виде трещин, сколов мешает колебательным процессам. Точно так же ведет себя и колебательный контур.

У читателя может сложиться мнение, что контур с малыми потерями — хороший контур/а с высокими потерями — контур плохой. Мнение совершенно неправильное! Порой контур с высокими потерями обеспечивает нормальное функционирование прибора, а «звенящий» контур, установленный на то же место, до неузнаваемости нарушит работу. Иногда требуется совершенно конкретная величина потерь — не больше и не меньше. Чтобы как-то охарактеризовать эти потери, была введена важная характеристика контура — добротность.

Высокодобротные контуры «звенят» долго, низкодобротные — мало.

Как вы думаете, можно ли определить частоту колебаний в контуре? Зависит ли она от номиналов емкости и индуктивности? Вне всякого сомнения — зависит, да еще как! Частота свободных колебаний в контуре без потерь (в Гц) определяется по формуле Томсона:

где L — индуктивность катушки в генри (Гн);

С — емкость конденсатора в фарадах (Ф).

Частота колебаний в контуре с потерями немного отличается от частоты колебаний в контуре без потерь. Однако это различие столь незначительно, что на практике им просто пренебрегают.

Для расчетов более удобно пользоваться таким представлением этой формулы, которое позволяет получать значения частоты сразу в мегагерцах (МГц):

где L — индуктивность катушки в микрогенри (мкГн);

С — емкость конденсатора в пикофарадах (пФ).

Из этой формулы мы можем также определить, какие параметры индуктивности или емкости надо установить в контур, чтобы получить резонанс на нужной нам частоте:

где f — частота в мегагерцах (МГц);

L — индуктивность катушки в микрогенри (мкГн);

С — емкость конденсатора в пикофарадах (пФ).

Итак, мы рассмотрели свободные колебания, то есть такие, которые, возникнув, не поддерживаются более никакими способами. Существует также особый класс, называемый вынужденными колебаниями. Вынужденные колебания могут существовать даже в контуре с потерями бесконечно долго — важно лишь, чтобы их постоянно поддерживал внешний — вынуждающий — источник. Вынужденные колебания напрямую связаны с таким интересным явлением, как резонанс.

Явление механического резонанса знакомо многим. Если вы живете вблизи оживленной автомагистрали, то при прохождении мимо дома тяжеловесных автопоездов стекла в окнах вашей квартиры начинают звенеть. Причем звон усиливается с приближением автопоезда и ослабляется с его удалением. Легковые автомобили, как правило, не вызывают звона, отсутствует он и тогда, когда на дороге нет автомобилей. Почему? Оконное стекло, особенно плохо закрепленное в раме, является колебательной системой, то есть «звенит» на собственной частоте при ударе. Автомобильный двигатель, вращаясь на определенной частоте, создает колебания. При совпадении частоты колебаний двигателя и собственной частоты оконного стекла последнее начинает вибрировать под действием вынуждающих колебаний. Амплитуда этих вынужденных колебаний тем больше, чем больше амплитуда вынуждающего колебания и чем выше добротность.

Точно так же возникают и вынужденные электрические колебания в колебательном контуре. Чтобы в полной мере ощутить природу этих колебаний, соберем схему, показанную на рис. 10.38.

Рис. 10.38. Исследование вынужденных колебаний в LC-контуре

Генератор G создает синусоидальный сигнал, который можно перестраивать по частоте. Он соединен с контуром LC не непосредственно, а через катушку связи L cв , намотанную поверх основной катушки. В контур включены амперметр РА1 и вольтметр PV2, по которым мы будем наблюдать за током в катушке индуктивности и за напряжением на конденсаторе. При перестройке частоты генератора от низкого к высокому значению в какой-то момент мы увидим увеличение тока через индуктивность и возрастание напряжения на конденсаторе. Далее, перестраиваясь по частоте, мы можем найти максимум показаний приборов РА1 и PV2, и затем показания начнут падать.

На какой частоте мы получили максимум? На резонансной! Резонансная частота контура при действии вынуждающих колебаний (рис. 10.39) совпадает с частотой свободных колебаний в нем и определяется по формуле Томсона.

Рис. 10.39. Резонанс в колебательном контуре — результат вынужденных колебаний

Как мы уже говорили, добротность контура влияет на характер свободных колебаний. Оказывает она влияние и на вынужденные колебания (рис. 10.40).

Рис. 10.40. Амплитуда электрических колебаний при резонансе в зависимости от величины добротности (Q) контура

Чем выше добротность контура, тем большую амплитуду колебательного процесса мы сможем получить. Представьте, что в высокодобротных системах можно достигнуть увеличения электрических величин в сотни раз!

Теперь нам понятно, как обеспечивается селективность приемника? Колебательный контур, входящий в его состав, настраивается в резонанс с электромагнитной волной определенной частоты, а все побочные частоты, лежащие вне резонанса, контуром отсекаются.

В практических схемах используются два вида колебательных контуров: последовательные и параллельные. Вид контура определяется в зависимости от того, как соединен генератор вынуждающих колебаний с катушкой индуктивности и конденсатором.

Последовательный колебательный контур представлен на рис. 10.41.

Рис. 10.41. Последовательный колебательный контур

Во время резонанса общее сопротивление цепи равно R пот — сопротивлению потерь контура. Реактивное сопротивление катушки индуктивности равно по величине и противоположно по знаку реактивному сопротивлению конденсатора, в результате чего они взаимоисключаются. Напряжение на конденсаторе в Q раз (значение добротности) больше напряжения генератора G. Ток, протекающий по цепи, максимален и равен:

Параллельный колебательный контур представлен на рис. 10.42.

Рис. 10.42. Параллельный колебательный контур

При резонансе общее сопротивление контура определяется из выражения:

Это сопротивление называют резонансным сопротивлением параллельного колебательного контура. Оно представляет собой большую величину, так что ток во внешней цепи при резонансе мал и равен:

А ток внутри колебательного контура в Q раз больше тока во внешней цепи.

Резонансная частота последовательного и параллельного колебательных контуров вычисляется по формуле Томсона.

* * *

Вот мы и подошли вплотную к практической главе, рассказывающей о создании несложных радиоприемников. Но, прежде чем перейти к увлекательному занятию конструирования, расскажем о человеке, который очень много сделал для. современного радиовещания. На основании его идей создается современная аппаратура, осуществляется высококачественное УКВ-ЧМ-вещание.

Эдвин Говард Армстронг (1890–1954)  — американский изобретатель и инженер-электрик. Он сделал такие известные технические открытия и изобретения, как обратная связь, регенеративный радиоприемник, супергетеродинный радиоприемник, ввел в обиход частотную модуляцию (ЧМ).

Рис. 10.43. Пропуск в компанию Western Electric, выданный Э. Армстронгу перед Первой мировой войной

Удивительно, но сам — изобретатель трехэлектродной лампы Ли де Форест не смог досконально разобраться в принципах ее работы, а вот 22-летний Армстронг в 1912 г. не только разобрался с аудионом, но снял сигнал с выхода лампы и подал обратно на ее вход, что позволило значительно улучшить параметры существовавших тогда радиоприемников. Этот способ, названный регенеративным, сегодня используется широко не только в области радиотехники, но еще и в других областях электроники. Правда, название он получил другое — положительная обратная связь.

В 1919 г. Армстронг изобрел супергетеродинный приемник (о нем мы поговорим в следующей главе). Талантливый теоретик и большой умелец, Армстронг собственноручно изготовил один из первых «супергетеродинов» и подарил его своей невесте. Этот приемник развлекал молодоженов во время их свадебного путешествия. Ученый в свадебной поездке не только отдыхал, но и всесторонне проверял работу своего изобретения.

В начале 1930-х гг. Армстронга увлекает идея радиовещания с помощью частотной модуляции. Он пытается теоретически доказать преимущества высококачественного. ЧМ вещания, но владельцы мощных коммерческих AM радиостанций не принимают его идеи, чувствуя источник конкуренции. И тогда Армстронгу ничего не остается делать, как экспериментально доказать преимущества ЧМ. Все работы по созданию экспериментальной аппаратуры ЧМ Армстронг финансирует из личных средств.

Первые испытания ЧМ были проведены 9 июня 1934 г. в Нью-Йорке. Вещание велось с мачты, установленной на знаменитом небоскребе «Empire State Building». Принималась передача на расстоянии нескольких десятков километров — была передана органная музыка двумя способами: AM и ЧМ. Оказалось, что звучание органа, переданное частотно-модулированным сигналом, намного чище, намного громче и гораздо свободнее от зашумленности атмосферными помехами. AM версия, по словам изобретателя, «была в сотни тысяч раз более зашумленной».

В течение лета этого же года Армстронг провел еще несколько экспериментов с ЧМ, в результате которых удалось передать практически полный диапазон частот, слышимых человеческим ухом, — от 50 до 15000 Гц. Слушатели могли различать не только слова диктора, но и интонации его голоса. Интересное техническое предложение, высказанное Армстронгом и нашедшее реализацию в сегодняшней аппаратуре в виде системы RDS, заключалось в возможности передачи на одной несущей звукового сообщения и цифровых данных.

Чтобы окончательно доказать преимущества ЧМ, в 1938 г. Э. Армстронг построил на свои средства в Нью-Джерси действующую радиостанцию и антенну. Эти уникальные памятники техники сохранились до нашего времени. Началось распространение ЧМ вещания. В 1939 г. в США насчитывалось около 40 станций, а в 1940-м — уже 500! В эти же годы было решено принять ЧМ в качестве стандарта для передачи звукового сопровождения телевидения.

В конце Второй мировой войны ученый разработал ЧМ радар, сигналы которого впервые отразились от поверхности Луны и вернулись на Землю. Он доказал, что волны УКВ диапазона могут проникать через ионосферу.

Видя распространение ЧМ-вещания и у себя в стране, и за рубежом, Армстронг высказал смелое предположение: «Верю, что скоро количество слушателей ЧМ будет превышать количество слушателей АМ». И он оказался прав!

На прилагаемом к книге лазерном диске вы можете познакомиться с внешним видом одного из первых приемников частотно-модулированных сигналов, разработанного Э. Армстронгом (1938), видом антенны экспериментальной радиостанции W2XMN, впервые передавшей в эфир частотно-модулированный (ЧМ) сигнал (построена Э. Армстронгом в Нью-Джерси, США в 1938 г.) и рядом других исторических материалов.

Литература

1. Материалы рассылки «Энциклопедия ламповой аппаратуры» .

2. Газета «Алфавит» .

3. Сайт

4. Сайт компании «Viol» .

5. Виртуальный музей А. С. Попова

6. Е. Н. Armstrong Web Site,

7. Ф. М. Дягилев. «Из истории физики и жизни ее творцов». — М.: «Просвещение». 1986.

8. В. Г. Борисов. «Кружок радиотехнического конструирования». — М.: «Просвещение». 1986.

9. В. Т. Поляков. «Техника радиоприема: простые приемники АМ сигналов». — М.: ДМК. 2001.

10. В. Т. Поляков. «Посвящение в радиоэлектронику». — М.: «Радио и связь». 1988.

11. Б. М. Богданович и др. «Краткий радиотехнический справочник». Минск: «Беларусь». 1976.

12. Н. В. Бобров. «Радиоприемные устройства». — М.: «Энергия». 1976.