Изобретение радио. Принципы радиосвязи

Эксперименты Герца показали, что с помощью электромагнитных волн можно подавать и принимать сигналы. Но сам Герц не видел практического применения открытых им электромагнитных волн, так как все удачные эксперименты проводились в очень малой области пространства — в пределах лабораторного стола. Однако его опыты послужили толчком для исследования новых возможностей приёма и передачи электромагнитных волн.

Одним из первых, кто высказал мысль о применении электромагнитных волн для передачи сигналов на расстояние был Александр Степанович Попов. 7 мая 1895 года на заседании Русского физико-химического общества учёный продемонстрировал прибор, способный улавливать и регистрировать грозовые разряды на расстоянии до 30 километров.

А уже менее чем через год (24 марта 1896 года) Попов передал первую в мире беспроводную радиограмму на расстояние 250 метров. Но обо всём по порядку. Итак, в 1890 году французский физик Эдуард Бранли для регистрации электромагнитных волн изобрёл прибор, позже названный когерером.

Он представлял собой стеклянную трубку, в которой находились металлические опилки с выведенными наружу контактами. При нормальных условиях сопротивление опилок очень большое. Но под действием электромагнитных колебаний между ними проскакивают искорки, опилки слипаются и сопротивление когерера резко уменьшается в несколько сот раз. Чтобы вернуть прибор в исходное состояние его нужно было встряхнуть.

В 1894 году произошла первая в мире публичная демонстрация опытов по беспроводной телеграфии британским физиком Оливером Лоджем в Оксфордском университете. При демонстрации сигнал был отправлен из лаборатории в соседнем корпусе и принят прибором в театре на расстоянии 40 метров.

Радиоприёмник Лоджа представлял собой антенну, гальванометр, электрический звонок и радио-кондуктор Бранли, который Лодж и назвал когерером. Однако при регистрации радиоволн цепь приёмника оставалось замкнутой и по прекращении действия волн. Для разрыва контакта и приведения приёмника в состояние готовности к приёму следующего сигнала требовалось вмешательство человека….

В том же году преподаватель Минного офицерского класса в Кронштадте, выпускник петербургского университета Александр Степанович Попов собрал радиоприёмник, регистрирующий электромагнитные волны, возникающие при грозовых разрядах.

7 мая 1895 года Попов доложил Русскому физико-химическому обществу об изобретённом им приборе. Свой доклад он закончил следующими словами: «В заключение могу выразить надежду, что мой прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применён к передаче сигналов на расстояние при помощи быстрых электрических колебаний, как только будет найден источник таких колебаний, обладающий достаточной энергией».

Примерно тогда же Попов заинтересовался опытами Лоджа и попытался воспроизвести их, построив собственную модификацию приёмника.

Главное отличие приёмника Попова от прибора Лоджа состояла в следующем. Для приёма нового радиосигнала когерер нужно встряхнуть, чтобы нарушить контакт между опилками.  Попов ввёл в схему автоматическую обратную связь.  Как только появляется электромагнитная волна, в опилках проскакиваю искорки и сопротивление когерера падает. Это влечёт увеличение силы тока в цепи и якорь реле замыкает цепь электромагнита, включённого параллельно цепи когерера. А молоточек звонка сигнализирует о приходе волны. При этом цепь размыкается и молоточек ударяет по когереру, встряхивая опилки и, тем самым, увеличивая их сопротивление — реле размыкает цепь звонка.

Летом 1895 года Попов усовершенствовал свой прибор, добавив к нему приёмную антенну. А в марте 189) года — телеграфный аппарат для приёма текста.

Как мы уже упоминали, 24 марта 1896 года были переданы первые в мире слова с помощью азбуки Морзе — «Генрих Герц». Гениальность Александра Степановича проявилась и в том, что он понял какое практическое значение имеет его изобретение и предложил использовать беспроводную связь для оперативной связи с кораблями в Балтийском море и Финском заливе. Правоту Попова подтвердили события, произошедшие несколько лет спустя. Так в ноябре 1899 года сел на мель броненосец «Генерал-Адмирал Апраксин». Команда крейсера «Адмирал Нахимов» заметила терпящий бедствие корабль и по радио сообщило о происшествии в Санкт-Петербург. В итоге корабль был спасён.

Но вернёмся в девяносто пятый год. Летом сообщение о работах Попова дошло до Италии в университет города Болонья (эти документы до сих пор хранятся там в библиотеке) и с ними познакомился профессор Аугусто Риге. В конце 1895 года он знакомит с ними молодого студента Гульельмо Маркони, который используя чертежи Попова создаёт свой радиоприёмник и в июне 1896 года подаёт предварительную заявку на патент. Несмотря на то, что предлагаемая итальянцем схема повторяла приёмник Попова заявку утвердили и 2 июля следующего года выдали патент.

12 декабря 1901 года Маркони потряс мировую общественность, осуществив первый сеанс трансатлантической радиосвязи между Англией и Ньюфаундлендом. Он передал букву S азбуки Морзе на расстояние в 3200 километров, что до этого считалось принципиально невозможным.

Передача и приём информации посредством электромагнитных волн называется радиосвязью.

Основные принципы радиосвязи заключаются в следующем:

·                   в передающей антенне создаётся переменный ток высокой частоты;

·                   ток вызывает переменное электромагнитное поле, которое распространяется в пространстве в виде электромагнитной волны;

·                   электромагнитная волна вызывает в приёмной антенне переменный ток той же частоты, что и частота передатчика.

В 1906 году американцами Реджинальдом Фессендом и Ли де Форестом было обнаружено возможность амплитудной модуляции радиосигнала низкочастотным сигналом, что позволило передавать в эфире человеческую речь. Давайте посмотрим, как это происходит.

Итак, электромагнитные волны излучаются передающей антенной, в которой колебания возбуждаются с помощью специального высокочастотного генератора. Такие колебания получили название несущих, а их частота остаётся строго постоянной.

Если в цепь передающей антенны включить микрофон и произносить перед ним звуки, то колебания мембраны микрофона будут преобразовывать звуковые волны в электрические сигналы в виде переменного тока, частота которого совпадает с частотой звуковых колебаний. Этот ток будет изменять амплитуду несущих высокочастотных колебаний в соответствии с амплитудой звуковых колебаний. Такое преобразование называют амплитудной модуляцией.

Чтобы обеспечить получение звука в радиоприёмной установке, необходимо преобразовать высокочастотные модулированные колебания в колебания звуковой частоты, с помощью которых была осуществлена модуляция. Процесс преобразования модулированных колебаний в колебания звуковой частоты называют детектированием.

Детектирование осуществляется путём использования полупроводников или специальных устройств, обладающих односторонней проводимостью, которые носят название детекторов. Таким элементом может быть, например, полупроводниковый диод.

Ток, текущий в цепи детектора, представляет собой пульсирующий ток переменной величины, который можно рассматривать как сочетание высокочастотных пульсаций и колебаний звуковой частоты. Для того чтобы полностью осуществить разделение высокочастотных пульсаций и тока звуковой частоты, достаточно в цепи детектора создать разветвление, причём такое, в котором одна из ветвей была бы легкопроходимой для высокочастотных токов, другая же представляла для таких токов большое сопротивление, а для токов звуковой частоты обладала бы незначительным сопротивлением. Таким разветвлением являются, например, параллельно соединённые конденсатор и громкоговоритель, являющийся нагрузкой.

Фильтр работает так. В те моменты времени, когда диод пропускает ток, часть его проходит через нагрузку, а другая часть тока ответвляется в конденсатор, заряжая его. Разветвление тока уменьшает пульсации тока, проходящего через нагрузку. Зато в промежутке между импульсами, когда диод заперт, конденсатор частично разряжается через нагрузку. Поэтому в интервале между импульсами ток через нагрузку идёт в ту же сторону. Каждый новый импульс подзаряжает конденсатор. В результате этого через нагрузку идёт ток звуковой частоты, форма колебаний которого почти точно воспроизводит форму низкочастотного сигнала на передающей станции.

Конечно же в приёмную антенну поступают волны огромного количества радиостанций, которые осуществляют вещание только на строго отведённой ей несущей частоте. Поэтому в приёмное устройство добавляется резонансный контур с конденсатором переменной ёмкости. Меняя ёмкость конденсатора можно изменять частоту колебаний в контуре. Когда эта частота совпадает с частотой, на которой работает передающая радиостанция, наступает резонанс и амплитуда колебаний выбранной радиостанции в контуре приёмника будет максимальной по сравнению с амплитудами колебаний, поступивших от радиостанций, вещающих на других несущих частотах.

Для примера давайте с вами определим во сколько раз необходимо изменить ёмкость приёмного колебательного контура радиоприёмника, чтобы настроить его на длину волны в 31 м, если радиостанция вещает на волне в 25 м.

В заключение отметим, что к началу двадцатых годов двадцатого века во многих странах были созданы необходимые технические предпосылки для регулярного радиовещания. Так самые первые регулярные передачи вышли в радиоэфир 20 мая 1920 года в Монреале (Канада). В том же году 22 ноября вышла в эфир самая мощная радиостанция Европы, находящаяся в Германии. В России первые концерты по радио транслировались из знаменитой нижегородской радио лаборатории 27 и 27 мая 1922 года. Слышимость их простиралась на расстоянии до трёх тысяч километров. В Москве 17 сентября того же года московская радиотелефонная станция передала музыкальный концерт по радио. А первый живой оперативный радиорепортаж с Красной Площади был осуществлён в октябре 1925 года во время похорон председатель революционного военного совета Михаила Васильевича Фрунзе.