Виктор Пестриков, Санкт-Петербург
“Ключ Морзе я нажимаю,
Жест от радости невольный, -
И в пространство излучаю
Электрические волны…”
(Из поэзии 20-х годов ХХ века)
Для передачи сигналов на большие расстояния, как правило используются радиоволны. Их легко излучать и принимать, к тому же их можно “снабдить” любой информацией, выбор диапазона длин волн очень большой - от нескольких тысяч метров до миллиметров. Все это позволяет решать самые разные задачи, от радиовещания на всю планету до работы местных программ, которые не создают помех соседним областям. Для создания радиоволн с конца 19 века используют радиопередатчики. Под радиопередатчиком обычно понимают генератор электромагнитных волн, который связанный с антенной. В передающей антенне энергия высокочастотных токов преобразовывается в энергию электромагнитных волн. Известно несколько основных типов передатчиков радиоволн: искровые, дуговые, машинные, ламповые, полупроводниковые и др.
Исторически первыми были искровые передатчики. В них колебания возбуждались в контуре во время появления искры, поэтому они и получили название - “искровой передатчик”. Эти передатчики занимали большой диапазон частот. Приемник мог ловить фактически одну радиостанцию, сигнал которой занимал почти всю шкалу настройки. В начале первой мировой войны Россия имела 72 полевые и 4 автомобильные радиостанции, и 6 стационарных искровых радиостанций.
Из стационарных станций, 3 были системы “Marconi”, находившиеся в Бобруйске, Ташкенте и Александрове-Уральске, а 3 – системы “Telefunken” располагавшиеся в Владивостоке, Хабаровске и Харбине. Во время войны, в 1914 г, немцы перерезали подводные телеграфные кабели в Балтийском море, которые соединяли Россию со странами Запада и тогда всего за 100 дней были построены мощные передающие станции для международной связи работавшие в диапазоне волн: 5000 м, 7000 м и 9000 м. Радиостанции по конструкции были однотипными и являлись самыми мощными в Европе. Мощность в антенне составляла 100 кВт. Питались радиостанции от огромной аккумуляторной батареи напряжением 12000 В. Во время передачи аккумуляторы разряжались через колебательную цепь и антенны, создавая в окружающем пространстве радиоволны. Аккумуляторы заряжались от машин постоянного тока, которые вращались двумя дизелями мощностью по 294 кВт. Приведенный факт еще раз подтверждает сомнительность мифа большевиков о промышленной отсталости России, это действительно была Великая Россия. Одна из построенных радиостанций располагалась в Москве на Ходынском поле, другая - в Царском селе, под Санкт-Петербургом. Однако работа мощных искровых передатчиков этих станций вызывала такие сильные помехи, что затрудняла прием радиограмм. В этой связи в г. Тверь построили специальную станцию для приема сообщений заграничных радиоцентров. Метод возбуждения электромагнитных волн с помощью электрической искры, как известно использовал еще Г. Герц, и еще в течении почти 20 лет этот метод практически был основным для передачи сообщений без проводов. Во время работы таких передатчиков между зубцами разрядника проскакивали ослепляющие искры. Появление искр сопровождалось хлопками, подобными выстрелам из винтовки. “Стрельба” разрядника была слышна на расстоянии более 2 км. Искровые генераторы имели такие недостатки, как помехи радиоприему, низкий коэффициент полезного действия и неспособность передавать человеческую речь.
Исследования по радиотелефонии во многих странах показали, что для успешной передачи текстов необходимы незатухающие колебания, тогда как искровые передатчики давали только затухающие колебания. Для получения незатухающих колебаний сначала использовали электрическую дугу Петрова, к слову, на западе ее именуют, дугой Дэви. В 1900 г. английский инженер электрик Вальдемар Дуддель (W. Duddel) указал метод получения устойчивых и мощных высокочастотных колебаний с помощью дуги. С этой целью в схему дугового генератора он включил колебательный контур, настроенный на высокую частоту. По прошествии 2 лет, другой Вальдемар, но уже датский инженер Вальдемар Паульсен (V. Poulsen), известный тем, что первым изобрел магнитофон, построил практическую конструкцию радиотелеграфного дугового генератора незатухающих колебаний. Новый путь получения незатухающих колебаний заявил о себе только во время первой мировой войны, когда радиостанции стран Антанты мгновенно перестали ловить сигналы передатчиков немецкого флота. Оказалось, что задолго до начала войны немецкие специалисты учли недостатки искровых передатчиков и перешли на передатчики с использованием электрической дуги. Таинственное исчезновение немецких сигналов объяснялось тем, что при передаче незатухающих колебаний телеграфные знаки не прослушиваются телефоном. Из-за этого в телефонах шел неразборчивый треск. Дуговые передатчики хорошо себя зарекомендовали на мощных телеграфных станциях того времени. Они обеспечивали телеграфную связь на расстоянии в несколько тысяч километров. В 1920 г. была установлена рекордная связь между Гельтоавым (Англия) и Малабаром (остров Ява, Индонезия) на расстоянии 12000 км. Регулярные радиотелеграфные передачи велись на значительно меньшие расстояния. Лучшие дуговые генераторы стабильно работали на волнах не короче 1000 метров (примерно середина нынешнего широковещательного диапазона длинных волн).
Замена электрической искры дугой также не ликвидировала все упомянутые недостатки использовавшихся в то время генераторов. Радиотехника все больше склонялась к использованию машинных генераторов высокой частоты для непосредственного питания антенных цепей радиостанций. Хотя эти генераторы и имели недостатки другого рода, низкая частота генерирования тока и получение соответственно этому длинных радиоволн, но они позволяли в какой-то мере решить на время проблему радиосвязи, хотя и не полностью. Первым приблизился к решению этой проблемы профессор Питсбурского университета и консультант Метеорологического бюро Реджинальд Обри Фессенден (Fessenden Reginald Aubrey). И, не удивительно, он еще в 1895 г. пришел к мысли о замене затухающих электрических колебаний незатухающими, способными передать речь, если их промодулировать звуковыми частотами. В 1900 г. он пытался передать речь с помощью искрового передатчика, но безуспешно. В 1906 г. для этой цели он решил использовать генераторы высокой частоты. На протяжении нескольких лет был сконструирован ряд генераторов с частотой тока от 60 кГц до 200 кГц. Р. Фессендена называют одним из отцов радиовещания, до него все радиопередачи шли в режиме телеграфа, с использованием азбуки Морзе. 4 января 1906 г. Р. Фессенден провел первую радиопередачу в эфир из американского городка Брант Рок штата Массачусетс. В передаче прозвучали музыкальное произведение Генделя “Ларго” и многочисленные рекламные объявления. Слушатели принимали передачу на детекторные приемники. За эту радиопередачу только один “отец” Р. Фессенден попал в известную книгу рекордов “Гинесса”, про других же почему-то забыли. Дело в том, что когда Р. Фессенден задумал передать речь по радиоволнам ему понадобился машинный высокочастотный генератор с небывалой для того времени скоростью вращения 100000 об/с и он обратился к известнейшему электротехнику того времени Чарлзу Протеусу Штейнмецу работавшему в фирме General Electric Company. К слову, позже, он стал большим другом Советской России и даже вождь мирового пролетариата В.И.Ленин посчитал за честь послать ему свое фото с надписью. Ч. Штейнмец поручил сконструировать такой генератор своему сотруднику, 26–летнему молодому выходцу из Швеции Эрнсту Александерсону (Ernst Frederic Werner Alexanderson (25.01.1878-14.05.1975)). Э. Александерсон не только разрабатывал машинный передатчик, но производил его монтаж и находился на передающей станции во время исторического радиовещания. В последствии Э. Александерсон стал выдающимся ученым радиотехником. Он проработал 46 лет в General Electric Company, со временем стал ее главой, в этой компании получил 322 патента и еще принял участие в создании Radio Corporation of America. За консультациями по машинным передатчикам к нему приезжал из Европы не менее знаменитый, Гульемо Маркони. С помощью машинного генератора его конструкции американский президент Вильсон передал через океан ультиматум Германии о окончании войны в 1918 г. В этом же году, отец магнитофона В. Паульсен не оставляет попыток передать речь по радиоволнам с помощью дугового передатчика и проводит эксперименты в этом направлении. Проанализировав полученные результаты, он отдал в дальнейшем предпочтение другим типам генераторов.
В России работы по использованию машинных генераторов для радиосвязи велись в различных фирмах. Наиболее заметными были результаты инженера Валентина Петровича Вологдина из российской фирмы “Н.Н.Глебов и КО” находившейся за Московской заставой в Санкт-Петербурге. Сейчас на месте заводов этой фирмы расположен завод “Электросила”. Первая русская машина высокой частоты была построена в 1912 г. В.П. Волгдиным. Ее мощность составляла 2 кВт при частоте 60 Гц. Ротор машины вращался с угловой скоростью 2000 об/мин, а линейная скорость на окружности составляла 314 м/с. В 1915 г. В.П. Вологдин разработал машинный генератор для бортовой радиостанции самого большого самолета того времени, “Илья Муромец”. Со временем В.П. Вологдин создал надежные и мощные машинные генераторы, которые позволили осуществить длинноволновую радиотелеграфную связь между Европой и Америкой. Радиосвязь с помощью машинных генераторов В.П. Вологдина на радиоволнах большой длины, например, 5 км, себя оправдала. Для высокочастотных же диапазонов машинные генераторы не годились, тут требовался другой тип генераторов электромагнитных волн. Нужно отметить, что В.П. Вологдин был заметным ученым в области использования машинных генераторов для радиосвязи. Известный отечественный радиоспециалист, академик А.И. Берг, находясь в 1929 в США встречался с уже упоминавшемся профессором Эрнстом Александерсоном. Э. Александерсон в разговоре с А.И. Бергом проявил полную осведомленность о исследованиях в области радиотехники проводимых в России и особенно отметил конструкцию машины высокой частоты В.П. Вологдина. По его мнению она была лучше той, которую создал он.
Комментарии
И, все же, несмотря, на
И, все же, несмотря, на впечатляющие успехи дуговых и машинных передатчиков, они были вынуждены уступить свое место в радиосвязи ламповым передатчикам. Ламповые передатчики практически могли работать в любом диапазоне частот. Потребовалось 7 лет после изобретения немцем Робертом фон Либеном (Robert von Lieben) и американцем Ли де Форестом лампового триода прежде, чем появился первый ламповый передатчик. Создателем первого лампового передатчика стал 30 летний сотрудник немецкой фирмы “Telefunken” Александр Мейсснер (A. Meissner), который 10 апреля 1913 года подал в Германское патентное ведомство заявку на изобретение. Схема передатчика базировалась на несовершенной ионной лампе триод своего соотечественника фон Либена. В этой схеме, частота генерируемых колебаний могла быть выше или ниже резонансной частоты колебательного, в зависимости от величины связи между катушками (на рисунке патента детали 6,9 и 10). При слабой связи частота колебаний ниже резонансной частоты контура, а при сильной – выше. Через 2 месяца была готова рабочая конструкция передатчика и уже 21 июня состоялась первая радиотелеграфная связь на расстоянии 36 км, между Берлином и Науэном. Генератор работал на волне 10 метров. Эксперимент А. Мейсснера показал, что ламповый триод является лучшим устройством для возбуждения электромагнитных колебаний высокой частоты, в сравнении с другими на то время. Схема А. Мейсснера благодаря своей простоте получила широкое распространение и дальнейшее развитие. В 1915 г. появилась схема передатчика американского инженера из Western Electric Company Леона Хартлея (L. Hartley), больше известная как индуктивная трехточечная генераторная схема. В отличии от схемы А. Мейсснера, в ней использовано автотрансформаторное включение контура. Рабочая частота такого генератора обычно выше резонансной частоты контура. Через три года, другой инженер из этой компании, Эдвин Колпитц (E. Colpitts) предложил емкостную трехточечную схему. В основе схемы лежала емкостная связь между цепью анода и сетки и колебательный контур представляет при самогенерировании емкостное сопротивление. При таком построении схемы рабочая частота генератора лежит выше резонансной частоты контура. Эти три схемы передатчиков имеют применение до сего времени. К слову, схема передатчика Л. Хартлея была очень популярна в конструкциях передатчиков советских радиохулиганов работавших на средних волнах в 60-70-е годы. Для перехода от работы “морзянкой” к передаче речи, в первых ламповых передатчиках применяли амплитудную модуляцию. Обычный угольный микрофон включался в провод, идущий от генератора незатухающих колебаний к передающей антенне. От воздействия звуковых волн при разговоре изменялось сопротивление микрофона, а в такт с ним менялся ток в антенне.
После изобретения А. Мейсснера казалось, что большие, сложные и дорогие искровые, дуговые и машинные генераторы быстро станут ненужными. Ламповые генераторы были просты в изготовлении и эксплуатации, имели небольшой вес, легко перестраивались с волны на волну и обеспечивали высококачественную передачу речи и музыки, а в дальнейшем изображения. Несмотря на это, во многих странах не спешили отказываться от старых передатчиков, их продолжали использовали вместе с ламповыми. На американском флоте в период с 1919 г. по 1921 г. провели сравнительные испытания всех типов передатчиков стоящих на кораблях. Во время испытаний все передатчики работали на волне 1900 метров и использовали одну и ту же антенну. Ток в антенне всех типов передатчиков составлял 8 А. Оценка качества приема производилась на 11 радиоприемных станциях. Результаты этих интересных исследований даже сегодня представляют научный и практический интерес приведены в таблице 1.
Таблица 1.
Анализ полученных результатов показывает, что наибольшая слышимость приема зависит от типа детекторного приемники и для этого типа приемников радиоприем идет с большей громкостью, если работает машинный передатчик. При использовании гетеродинных приемников слышимость передачи, когда работает ламповый передатчик в 2 раза больше по сравнению с дуговым и почти в 9 раз больше в сравнении с искровыми передатчиками. Преимущества ламповых передатчиков в сравнении с другими типами объясняются высокой стабильностью генерируемого сигнала ламповым триодом.
В разработке
В разработке приемно-усилительных и генераторных ламп большая роль принадлежит так же русскому физику Н.Д. Папалекси, который заложил основы теории преобразовательных схем в электронике. В 1911-12 г.г. под его руководством была разработана первая приемно-передающая радиостанция для связи самолетов с землей. В 1914 г. Н.Д. Папалекси организовал в Петрограде производство радиоламп, а Д. Строгов разработал ламповые усилители для аэротелеграфии. Усилители испытывались в тогдашнем русском городе Ревеле (ныне эстонский г. Таллинн) и показали лучшие результаты по сравнению с аналогичными зарубежными. Через некоторое время Д. Строганов получил заказ на изготовление 50 комплектов приемной аппаратуры для самолетов. В иностранных армиях авиационные ламповые радиостанции появились только в период первой мировой войны..
Весной 1918 г. в России работала уже целая сеть из несколько сотен приемных радиостанций, которые были установлены профсоюзом радиоспециалистов. Передачи этой сети осуществляли Ходынская и Царскосельская радиостанции. В второй половине 20-х годов в Красной армии доставшиеся ей от царской армии искровые передатчики заменили на ламповые, конструкции 29 летнего ученого А. Л. Минца, в последующем будущего академика. Новые передатчики работали в среднем и длинноволновом диапазонах. В конце 30-х годов было запрещено применять искровые радиостанции, так как они представляли основной источник радиопомех и мешали работе других радиостанций.
Прогресс в использовании электронных ламп в радиопередатчиках дал возможность в 1920 г. открыть первую радиовещательную станцию в г. Питтсбург (США). Через 2 года на волне 3000 м начала работать московская радиостанция имени Коминтерна с передатчиком мощностью 12 кВт. В этот период зарубежные радиостанции имели мощность только – 1,5 кВт г. Нью-Йорк и 5 кВт г. Парижа. Передатчик московской радиостанции имел 24 радиолампы с водяным охлаждением. Это было необходимо для получения требуемой мощности передатчика. Без охлаждения, лампы могли выйти из строя. Идея ламп с водяным охлаждением принадлежит русскому ученому М. А. Бонч-Бруевичу. Существует легенда, что эта идея пришла к нему во время распития чая, как и положено всякому русскому, у самовара. Конструкция самовара была такою, какая необходима для мощных ламп. В середине раскаленный уголь, это ли не есть подобие лампового катода? Уголь нагревает трубу самовара – это может быть анод? Снаружи – вода, она и забирает тепло горячей трубы и таким образом нагревается. Если у самовара цель нагреть воду, то у лампы наоборот необходимо охлаждать трубку анода, чтобы она не расплавилась. В этом случае не нужны дефицитные тугоплавкие металлы. Такая конструкция ламп с водяным охлаждением дала возможность использовать лампы в радиостанциях большой мощности. Об успехах русской радиоэлектронике заговорили за рубежом. В этот период времени в Западной Европе так же велись работы в области радиовещания, но таких мощных генераторных ламп там не было.
В 1923 г. в Россию приехали немецкие специалисты изобретатель лампового передатчика А. Мейсснер и Георг фон Арко (Gorg von Arko) из фирмы “Telefunken”. Г. фон Арко был совладельцем этой фирмы, которую он создал вместе с известным профессором А. Слаби (A. Slaby). Приехавшие специалисты изучили русские радиостанции и дали им высокую оценку. После возвращения в Германию, в Россию от “Telefunken” пришел заказ на изготовление нескольких генераторных ламп мощностью 25 кВт, в то время мощность немецких ламп была в 5 раз меньше.
Появление мощных генераторных ламп позволило открыть мощную широковещательную радиостанцию и в Италии. В 1924 г. на родине Г. Маркони, заработала радиостанция “Union Radiofonica Italiana”. Со временем радиовещательные станции были построены на всех континентах. Их появление вызвало у некоторых дикторов радиовещания такую радость, что об этом они могли говорить перед микрофон в течение нескольких дней без перерыва. Чилийский диктор Мигель Анхель Наваррете начав 30 июля 1990 года праздничную передачу, посвященную очередной годовщине со дня открытия радиостанции в г. Томе, оставил студию только 8 августа. При этом он проговорил без остановки 113 часов 7 минут, почти 5 дней! В настоящее время радиовещательная сеть покрывает всю планету, охватывая самые отдаленные уголки Земли и принося людям душевный покой. Так в 1991 г., офицер французского флота несший службу на одном островов архипелага Кергелен в Индийском океане отправил со своей радиостанции необычную радиограмму. В ней он жаловался всему миру на свое одиночество. Послание услышала вся планета. В ответ он получил 200 тысяч открыток с сердечными словами поддержки из различных стран.
Применение передатчиков не ограничивалось только радиовещанием. Как всегда, новым изобретением, заинтересовались военные. В армиях различных стран стали использоваться ламповые радиостанции. Ламповые передатчики, приглянулись и метеорологам, в передаче информации о погоде с воздушных шаров. В 1927 г. заведующий Аэрологической обсерватории г. Павловска под Петербургом, П.А. Молчанов запатентовал радиозонд. Через 3 года, три больших шара наполненные водородом, подняли радиоаппаратуру весом 3 кг на высоту 9 км. В течении 35 мин звучали радиосигналы, которые принимал на земле П.А. Молчанов. Сообщения с зондов сразу передавались в Институт погоды в Петербурге и Москву. Образец одного из этих зондов был представлен на Международной выставке воздушного транспорта. Этот экспонат особо отметил известный путешественник Ф. Нансен, который был директором выставки.
Появление полупроводниковых приборов привело к созданию компактных, миниатюрных и экономичных радиопередатчиков. В основу разработки их схем положены идеи изобретателя лампового передатчика А. Мейсснера.. Невзирая на успехи полупроводников, они до сих пор не смогли потеснить радиолампы в генераторах мощных широковещательных радио- и телестанций. Использование полупроводниковых генераторов в радиопередатчиках позволило значительно расширить их область применения. Для выявления миграции дельфинов в мировом океане, ученые Токийского университета используют миниатюрные передатчики, которые прикрепляют на теле животных. Информация о дельфинах сразу посылается на орбитальные спутники, которые ее регистрируют и далее посылают снова на Землю, но теперь уже ученым. Британской фирмой “Remout control sistems incorporated” разработаны так называемые “радиопилюли”. Это сверхминиатюрные передатчики размером меньше 2 см, работающие в диапазоне 390…470 кГц. Они предназначены для измерения температуры от –2000 до 4000 С, контроля давления и кислотности водных сред.. “Радиопилюли” были использованы в ряде клиник для биотермии (измерения температуры) различных проявлений деятельности желудочно-кишечного тракта. Специалисты японской фирмы “Honda” создали специальный передатчик для буксировки автомобилей. На буксирующей машине устанавливается мощный электромагнитный генератор, а переднем бампере буксируемой - приемник электромагнитных волн. В результате работы генератора и приемника создается мощный, хотя и невидимый “трос”. Такой электромагнитноволновой “трос” позволяет буксировать легковые автомобили со скоростью до 50 км/ч.
Изобретение А. Мейсснера, по-существу, стало сердцем нашей цивилизации, биение, которого когда-нибудь услышат братья по разуму в других мирах и откликнуться. А может и нет?
Источник: Пестриков В.М. История радиопередатчика: конструкции и их творцы. - "Радиохобби". - 1999. - №1. - С.2-4.