Из истории радиосвязи
История радиосвязи, очевидно, начинается с создания Максвеллом теории электромагнитного поля. На ее основе он предсказал в 1865 г. важный эффект — существование в свободном пространстве электромагнитного излучения и его распространения со скоростью света. Затем последовали опыты Г. Герца по проверке основных положений теории Максвелла. В 1887 г. он предложил конструкцию генератора электромагнитных колебаний (вибратор Герца) и метод их обнаружения с помощью такого же вибратора (резонатор Герца). В течение последующего года Герц экспериментально доказал существование электромагнитных волн, распространяющихся в свободном пространстве и предсказанных Максвеллом.
В России одним из первых изучением электромагнитных волн занялся преподаватель офицерских курсов в Кронштадте Александр Степанович Попов. Начав с воспроизведения опытов Герца, он затем нашел более надежный и чувствительный способ регистрации электромагнитных волн.
В качестве элемента, непосредственно "чувствующего" электромагнитные волны, А. С. Попов применил когерер. Этот прибор представляет собой стеклянную трубку с двумя электродами. В трубке помещены мелкие металлические опилки. Действие прибора основано на влиянии электрических разрядов на металлические порошки. В обычных условиях когерер обладает большим сопротивлением, так как опилки имеют плохой контакт друг с другом. Пришедшая электромагнитная волна создает в когерере переменный ток высокой частоты. Между опилками проскакивают мельчайшие искры, которые спекают опилки. В результате сопротивление когерера резко падает (в опытах А. С. Попова со 100 000 до 1000—500 Ом, т.е. в 100—200 раз). Снова вернуть прибору большое сопротивление можно, если встряхнуть его. Для автоматизации процесса, необходимого при осуществлении беспроволочной связи, А. С. Попов использовал звонковое устройство для встряхивания когерера после приема сигнала. Цепь электрического звонка замыкалась с помощью чувствительного реле в момент прихода электромагнитной волны. С окончанием приема волны работа звонка прекращалась, так как молоточек звонка ударял не только по звонковой чашке, но и по когереру.
Чтобы повысить чувствительность аппарата, А. С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой присоединил к высоко поднятому куску проволоки, создав первую приемную антенну для беспроводной связи. Заземление превращало проводящую поверхность земли в часть открытого колебательного контура, что увеличивало дальность приема. Хотя современные радиоприемники очень мало напоминают приемник А. С. Попова, основные принципы их действия те же. Современный приемник также имеет антенну, в которой приходящая волна вызывает слабые электрические колебания. Как и в приемнике Попова, эти колебания сигнала управляют усилительным устройством — реле.
7 мая 1895 г. А. С. Попов продемонстрировал свой грозоотметчик (радиоприемник) на заседании физического отделения Российского физико-химического общества и прочитал доклад "Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям", здесь же он высказал мысль о возможности применения своего грозоотметчика для передачи сигналов на расстояние. 24 марта 1896 г. на заседании физического отделения Российского физико-химического общества он продемонстрировал передачу сигналов на расстояние 250 м, передав первую в мире радиограмму, состоявшую всего из двух слов — "Генрих Герц". В 1897 г. Попов обнаружил явление отражения волн от предметов (в частности, от кораблей), находящихся на пути их распространения. Это явление в будущем положено в основу радиолокации.
А. С. Попов продолжал настойчиво совершенствовать приемную и передающую аппаратуру. Он ставил своей непосредственной задачей создать прибор для передачи сигналов на большие расстояния. Попов вскоре добился дальности связи более 600 м. Затем на маневрах Черноморского флота в 1899 г. ученый установил радиосвязь на расстоянии свыше 20 км, а в 1901 г. дальность радиосвязи была уже 150 км. Важную роль в этом сыграла новая конструкция передатчика. Искровой промежуток был размещен в колебательном контуре, индуктивно связанном с передающей антенной и настроенном с ней в резонанс. Существенно изменились и способы регистрации сигнала. Параллельно звонку был включен телеграфный аппарат, позволивший вести автоматическую запись сигналов. В 1899 г. была обнаружена возможность приема сигналов с помощью телефона. В начале 1900 г. радиосвязь успешно использовалась во время спасательных работ в Финском заливе. При участии А. С. Попова началось внедрение радиосвязи на флоте и в армии России.
За рубежом опыты с электромагнитными волнами проводились Г. Маркони, итальянским физиком, инженером и предпринимателем. В 1896 г. он переехал в Англию, а в 1897 г. получил патент на применение электромагнитных волн для беспроводной связи (А. С. Попов свое открытие не патентовал). Схема приемника Маркони была такой же, как и у Попова. Благодаря большим материальным ресурсам и энергии Маркони добился широкого практического применения нового способа связи. В 1901 г. он осуществил радиосвязь через Атлантический океан. Его деятельность сыграла значительную роль в развитии радиотехники, в частности, в распространении радио как средства связи, и была отмечена Нобелевской премией (1909 г.).
Со времени изобретения А. С. Попова техника радиоприема шагнула вперед и сильно усложнилась. Главную роль в ее совершенствовании сыграло бурное развитие электроники. Однако и в структуре современного радиоприемного устройства и в принципах его действия сохраняется много общего с первым радиоприемным устройством А. С. Попова.
В 1899 г. А. С. Попов и П. Н. Рыбкин открыли возможность слухового радиоприема с использованием телефона в качестве воспроизводящего устройства. Когерер при этом не встряхивался, а преобразование прерывистого тока высокой частоты в ток низкой частоты происходило благодаря выпрямительному действию контактных соединений в когерере. Явление односторонней проводимости электрических цепей, содержащих полупроводники, приводящее к выпрямлению переменного тока, в дальнейшем стало называться контактным детектированием. Впоследствии А. С. Поповым, а затем и другими исследователями были созданы более чувствительные детекторы. Подробные исследования контактного детектирования были проведены известным немецким физиком К. Ф. Брауном.
Радиоприемники нового типа, получившие название детекторных, не содержали усилительных элементов и поэтому не могли обеспечить пишущий телеграфный прием, но ввиду высокой чувствительности телефона и способности человеческого уха различать слабые звуковые колебания позволяли осуществить слуховой прием на сравнительно больших расстояниях.
Дальнейшее развитие радиоприемной техники включало следующие этапы.
Первые ламповые радиоприемники. Начало широкого практического применения усилительных электронных ламп в радиоприемниках относится в основном к началу первой мировой войны, когда были разработаны и освоены схемы ламповых усилителей, генераторов, детекторов и регенераторов. Развитию ламповых радиоприемников способствовал успех развернувшихся примерно с 1913 г. работ по усовершенствованию катодов и улучшению вакуума приемно-усилительных ламп.
Заменив электромагнитное реле и когерер, электронные лампы позволили значительно более эффективно осуществить усиление радиосигналов, имевшее место уже и в первом радиоприемнике. В дальнейшем развитие техники вакуумных электронных ламп дало возможность усилить не только импульсные сигналы, но также и колебания произвольного вида, что обеспечило широкие возможности для развития радиотелефонии.
Для этого периода характерно широкое использование принципов регенеративного радиоприема, предложенного в 1913 г. американским ученым Армстронгом и заключающегося в использовании положительной обратной связи для повышения добротности входного колебательного контура. Регенерация заметно улучшала качество ламповых радиоприемников и поэтому широко применялась в них более двадцати лет.
Кристадин Лосева. Полупроводниковый диод имеет по сравнению с электронной лампой гораздо более простую конструкцию. Кроме того, он не имеет нити накала, требующей питания электрическим током. Это делает его более экономичным и долговечным, чем лампа. Однако свойство лампы усиливать электрические колебания сделало возможным быстрое развитие радиотехники и привело к вытеснению полупроводниковых диодов лампами. Стремление сочетать положительные свойства электронной лампы и кристаллического диода побудило сотрудника Нижегородской радиолаборатории О. В. Лосева исследовать возможность применения кристаллических диодов вместо ламп в гетеродинных и регенеративных радиоприемниках. Им было обнаружено, что вольтамперная характеристика некоторых типов диодов имеет отчетливо выраженный участок с отрицательным сопротивлением для переменного тока (что-то типа современного туннельного диода). Включение такого сопротивления в колебательной контур позволило получить эффект усиления высокочастотных колебаний.
Радиоприемники прямого усиления. До 1930—1932 гг. почти все радиоприемники выполнялись по схеме прямого усиления. Характерными признаками таких приемников было наличие следующих элементов:
а) Входное устройство, содержащее один или несколько колебательных контуров, настраиваемых на частоту принимаемого сигнала. Назначение входного устройства — связать приемник с антенной и выделить из колебаний, приходящих в антенну, колебания нужной частоты;
б) Усилитель высокой частоты. Содержит колебательные контуры, настроенные на частоту принимаемого сигнала, т.е. является резонансным усилителем. Назначение его — усиление сигнала до детектора. Благодаря колебательным контурам в усилителе дополнительно отфильтровываются посторонние высокочастотные колебания, наложение которых на сигналы радиопередатчика могло бы исказить их и сделать неразборчивыми;
в) Детектор, преобразующий модулированное высокочастотное напряжение в относительно низкочастотное, соответствующее передаваемому сообщению;
г) Усилитель частоты модуляции (в данном случае — усилитель низкой частоты).
Получение значительного усиления сигналов высокой частоты было затруднено, поскольку в усилителях радиоприемников применялись исключительно трехэлектродные лампы. Междуэлектродная емкость сетка-анод, достигающая в триодах нескольких пикофарад, создает на высокой частоте обратную связь выходной (анодной) цепи усилителя с его входной (сеточной) цепью и при достаточном коэффициенте усиления может вызвать самовозбуждение усилителя. Для борьбы с этим эффектом в прошлом находили большое применение специальные схемы нейтрализации междуэлектродной емкости, подобные тем, которые и теперь применяются в некоторых узлах радиоприемников и радиопередатчиков. Нейтрализация сравнительно легко достигается при фиксированной частоте сигналов, но довольно затруднена в усилителе с переменной настройкой колебательных контуров.
Гораздо лучшим выходом из положения явилось применение высокочастотных усилительных тетродов, которые радиопромышленность начала выпускать с 1930 г. В дальнейшем были разработаны и получили применение в усилителях высокой частоты приемников высокочастотные пентоды. Благодаря малой величине емкости сетка-анод этих ламп обратная связь стала несущественной, что позволило повысить коэффициент усиления.
Супергетеродинный радиоприем. Серьезный недостаток радиоприемника прямого усиления состоит в сильном изменении вида его частотной характеристики и коэффициента усиления при перестройке колебательных контуров входного устройства и резонансного усилителя высокой частоты с одной частоты на другую.
Известно, что чем выше резонансная частота колебательного контура, тем шире его резонансная кривая. Поэтому на средних и промежуточных волнах колебательные контуры пропускают более широкую полосу частот, чем необходимо для приема сигнала, т.е. наряду с сигналами нужного радиопередатчика они пропускаю и посторонние сигналы — помехи. В еще большей степени это проявляется на коротких волнах, где резонансная кривая становится более широкой, т.е. частотная избирательность колебательного контура оказывается еще менее удовлетворительной.
В результате исследований особенностей распространения коротких волн (начиная с 1924—1926 гг.) эти волны стали интенсивно использоваьбся для дальней радиосвязи. Это сделало особенно острой необходимость значительного усовершенствования радиоприемных устройств.
Чтобы повысить остроту резонанса колебательных контуров, потребовалось понизить частоту радиосигналов при сохранении закона их модуляции. Преобразование частоты сигнала используется в супергетеродинных радиоприемниках. Несущая частота сигнала, с которой он излучается антенной радиопередатчика и распространяется в виде радиоволн, называется радиочастотой. Новую несущую частоту сигнала, полученную в результате преобразования, назвали промежуточной частотой.
После преобразования частоты сигнал остается модулированным по прежнему закону. Он усиливается далее резонансным усилителем промежуточной частоты и затем подвергается обычному детектированию. Если требуется получить слуховой прием телеграфных сигналов, передаваемых незатухающими и немодулированными колебаниями, осуществляют гетеродинное детектирование. Для этого к детектору дополнительно подводится напряжение от второго гетеродина (см. рис. 13.1).
Независимо от частоты принимаемого сигнала промежуточная частота обычно делается постоянной, что всегда можно осуществить соответствующим выбором частоты первого гетеродина. Это обеспечивает супергетеродинному радиоприемнику следующие существенные преимущества:
1. Колебательные контуры, входящие в усилитель промежуточной частоты, не должны перестраиваться на разные частоты. Это упрощает конструкцию контуров и приемника в целом. При этом оказывается возможным иметь в приемнике много колебательных контуров, что обеспечивает высокую избирательность приема.
2. Благодаря фиксированной настройке колебательных контуров частотная характеристика усилителя промежуточной частоты не зависит от частоты принимаемого сигнала. Полоса пропускания входного устройства и усилителя радиочастоты делается шире необходимой общей полосы пропускания приемника и поэтому почти не влияет на вид общей частотной характеристики. В результате частотная характеристика и коэффициент усиления радиоприемника определяются в основном свойствами усилителя промежуточной частоты и сравнительно мало зависят от частоты принимаемых сигналов.
3. При усилении сигналов с более низкой (промежуточной) частотой снижается влияние паразитных обратных связей, что позволяет повысить коэффициент усиления каждой усилительной ступени. Нужный коэффициент усиления достигается при этом с меньшим количеством ламп, чем в приемнике прямого усиления.
Первые супергетеродинные радиоприемники были разработаны в 1917—1918 гг., однако в тот период коротковолновый диапазон еще не использовался. Количество радиопередатчиков было сравнительно невелико, а дальность их действия была гораздо меньше, чем в настоящее время. Поэтому не было необходимости в значительном улучшении избирательности. К тому же в 1924—1925 гг. получили большое распространение схемы нейтрализации емкости сетка-анод трехэлектродных усилительных ламп, что позволило улучшить качество радиоприемников прямого усиления.
Появление в 1927—1928 гг. экранированных ламп (тетродов) также позволило улучшить качество радиоприемников прямого усиления, что способствовало применению их в течение еще некоторого времени. В дальнейшем, приблизительно с 1930 г., рост требований к качественным показателям радиоприемников и появление специальных ламп для преобразования частоты сделали супергетеродинный радиоприемник основным и самым распространенным типом радиоприемного устройства.
Преимущества супергетеродинного радиоприема в значительной степени способствовали освоению ультракоротковолнового диапазона. Интерес к этому диапазону значительно повысился после 1932—1935 гг., когда ранее освоенные диапазоны длинных, средних, промежуточных и коротких волн оказались уже сильно загруженными и когда достижения радиотехники и электроники сделали возможным освоение ультракоротких волн. Этот диапазон имеет очень большую протяженность. Ширина полосы частот, соответствующих длинам волн от 10 м до 1 см, составляет около 30 000 МГц, в то время как ширина полосы частот "старых" диапазонов длин волн от 20 км до 10 м — всего лишь около 30 Мгц. Это позволяет разместить в диапазоне ультракоротких волн очень большое количество каналов радиосвязи и осуществить специальные системы радиопередачи, требующие для каждой радиолинии широкой полосы частот. В частности, в этом диапазоне оказалось возможным широко применить частотную модуляцию, обеспечивающую высокую помехоустойчивость радиоприема.
