История радиосвязи

Георгий Члиянц

Если разобраться глубже, то радиосвязь (принято ее называть обобщенным словом «радио») началась не с А. Попова и Г. Маркони. Как и многие другие успехи в электричестве и магнетизме, она базируется на изобретениях и открытиях английского физика Майкла Фарадея (1791-1867) и работах выдающегося английского математика и физика Джеймса Клерка Максвелла (1831-1879).

Среди многих открытий Фарадея было разъяснение им в 1831 г. принципа электромагнитной индукции. Обладая даром предвидения, он писал в 1832 г.: «Я полагаю, что распространение магнитных сил от магнитного полюса, волн на поверхности возмущенной воды и звука в воздухе имеют родственную основу. Иными словами, я считаю, что теория колебаний будет применима к этому явлению, равно как и к звуку и, весьма вероятно, к свету».

Максвелл был согласен с этим утверждением. Однако наука развивалась медленно, и лишь в 1855 г. он опубликовал статью «О силовых линиях Фарадея», а в 1864 г. дал миру свою ошеломляющую работу «Динамическая теория электромагнитного поля».

Эта статья содержала то, что мы сейчас называем уравнениями Максвелла. Она объясняла все известные явления электромагнетизма, а также предсказывала существование радиоволн и возможность их распространения со скоростью света.

22 ноября 1875 г. американский изобретатель и предприниматель Томас Алва Эдисон (1847-1931) наблюдал, как после возникновения сильной искры между полюсами индуктора в рассыпанных на столе угольных зернах проскакивали искры, он записал тогда в свой дневник о наблюдении «эфирной силы». Hо потом как-то забыл об этом. По крайней мере до 1883 г.

В 1887 г. теоретические выводы Максвелла были экспериментально подтверждены немецким физиком Генрихом Рудольфом Герцем (Херцем) (1857-1894). Используя искровой передатчик и рамочную антенну с небольшим зазором (вибратор Герца) в качестве приемника, он передавал и принимал радиоволны в своей лаборатории в Карлсруэ. Более того, он применил отражательное устройство для обнаружения стоячих волн и показал, что радиоволны подчиняются всем законам геометрической оптики, включая рефракцию и поляризацию. Впервые дал описание внешнего фотоэффекта, разрабатывал теорию резонансного контура, изучал свойства катодных лучей и влияние ультрафиолетовых лучей на электрический разряд.

Пионером самой идеи радиосвязи по праву можно считать и болгарского ученого Петра Атанасова (Хаджиберовича) Берона (1800-1871), который в приложении к III тому (с. 906-944) семитомной «Панепистемии» (панепистемия — всенаука, т. е. единая наука существующего мира; французское издание периода 1861-1870 гг. хранится в Национальной библиотеке св. Кирилла и Мефодия в Софии) приводит свой проект беспроволочной передачи сообщений как по суше, так и по воде. Проект содержал многие технические чертежи будущего беспроволочного телеграфа.

Строго говоря, практическая эра радиосвязи берет свой отсчет с 1883 г., когда Эдисон открыл названный его именем эффект, пытаясь продлить срок службы созданной им ранее лампы с угольной нитью введением в ее вакуумный баллон металлического электрода. При этом он обнаружил, что если приложить к электроду положительное напряжение, то в вакууме между этим электродом и нитью протекает ток. Это явление, которое, к слову сказать, было единственным фундаментальным научным открытием великого изобретателя, лежит в основе всех электронных ламп и всей электроники дотранзисторного периода. Им были опубликованы материалы по так называемому эффекту Эдисона и был получен соответствующий патент. Однако Эдисон не довел свое открытие до конечных результатов.

Некоторые критики первой половины XX-го столетия выдавали данный факт за доказательство того, что он был просто настойчивым ремесленником, а не великим ученым. Защищая же Эдисона, историки отмечали, что в то время он был всецело занят многими другими изобретениями и организацией всевозможных производств в области электрорадиотехники: в 1882 г. при его участии была пущена первая электростанция на ул. Пирл-Стрит в Нью-Йорке, и в 1883 г. Эдисон был поглощен многими финансовыми, организационными и техническими проблемами. В последующие годы он создал множество приборов и устройств (в том числе мощные электогенераторы, фонограф, прототип диктофона, железо-никилиевый аккумулятор и др.)

Тем не менее с 1883 по 1904 гг. не только Эдисон, но и никто другой не догадались использовать вышеуказанный эффект для создания трехэлектродной вакуумной лампы (которую впоследствии, после ее изобретения в 1906 г., для простоты называли всеобъемлющим словом «усилитель»), способной детектировать и усиливать электрические сигналы. Возможно, к этому не было достаточных побудительных мотивов. Правда, изобретение усилителя позволило бы усовершенствовать телефон, что в конце концов и было сделано, однако тогда он успешно работал и без него.

Шотландский изобретатель Александер Грэхем Белл (1847-1922) — профессор физиологии органов речи Бостонского университета — в 1876 г. в США получил патент на изобретенный им телефон, в 1877 г. — патент на мембрану и арматуру, а в 1884-1886 гг. — ряд патентов в области записи и воспроизведения звука.

В 1890 г. француз Эдуард Бранли изобрел когерер — прибор для регистрации электромагнитных колебаний. Правда, в его когерере приходилось каждый раз встряхивать железные опилки.

Автоматизировал этот процесс (присоединил к когереру Бранли встряхивающий его миниатюрный молоток) русский физик-электротехник и изобретатель Александр Степанович Попов (1858-1905/1906). Чтобы повысить чувствительность аппарата А. С. Попов один из выводов когерера заземлил, а другой подсоединил к высоко поднятому куску проволоки — создав таким образом первую антенну. Это устройство было продемонстрировано 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества (РФХО) и вошло в историю как «грозоотметчик», ибо это было первое устройство, специально предназначенное для регистрации дискретных посылок электромагнитных волн, так как в то время еще отсутствовали радиопередатчики и была возможность регистрации посылок атмосферного характера.

12 марта 1896 г. в Санкт-Петербурге, на заседании РФХО А. С. Попов, используя вибраторные антенны с рефлекторами, передал первое радиосообщение, состоящее из двух слов — «Генрих Герц» — на расстояние 250 м. В 1900 г. на Международном электротехническом конгрессе в Париже Попову была присуждена Золотая медаль и диплом Всемирной выставки за аппаратуру беспроволочного телеграфа.

Передача сообщения стала возможной благодаря телеграфной азбуке, которую в 1838 г. изобрел американский инженер-изобретатель Самюэл Финли Бриз Морзе (1791-1872).

Независимо от А. С. Попова в этом же году в Понтеццио (возле Болоньи, Италия) итальянский радиотехник и предприниматель Гульельмо Маркони (1874-1937), используя заземленные антенны, передал по радио телеграфные сигналы на расстояние около 2,5 км (2 июля 1896 г. подана патентная заявка и получен патент Великобритании в 1897 г. — «Усовершенствования в передаче электрических импульсов и сигналов в аппаратуре»).

Признанную ученым миром приоритетность Маркони перед Поповым, видимо, можно объяснить только тем, что Морское ведомство России, где служил Попов, быстро поняло потенциал его изобретения и все работы засекретило.

Внедрение дальней беспроволочной радиотелеграфии заняло еще несколько лет.

В 1898 г. Г. Маркони организовал радиосвязь между Францией и Англией.

В начале 1900 г. аппаратура беспроволочного телеграфа А. Попова (включая его «Телефонный приемник депеш», который в том же году был запатентован в Англии и во Франции, а в 1901 г. — в России) была применена для связи во время работ по ликвидации аварии броненосца «Генерал-адмирал Апраксин» вблизи шведского о. Гогланд и при спасении рыбаков, унесенных на льдине в море. При этом дальность связи достигла 45 км (в 1901 г., в реальных корабельных условиях, А. С. Попов уже получил дальность связи около 150 км).

В том же 1900 г. хорватский изобретатель (в то время гражданин Австро-Венгерской империи) Никола Тесла (1856-1943) продемонстрировал в Нью-Йорке дистанционное радиоуправление модели корабля и публично заявил о возможности передачи электроэнергии через Атлантический океан при помощи радиоволн. В основе его изобретения лежала идея электрического резонанса (что опережало аналогичные идеи Эдисона). Свое устройство он назвал «Мировая система». Колоссальная металлическая башня должна была аккумулировать электроэнергию и посылать по строго направленному лучу прямо «в руки» потребителю без всяких проводов. Но… известный американский миллиардер Джон Морган не стал финансировать этот проект. Есть версия, что секрет передачи электроэнергии без проводов у Теслы выкупил другой миллиардер — Форд, который опасался громадных убытков от изобретения в своей автомобильной индустрии.

Позднее, это послужило основанием в 1943 г. Верховному суду США принять решение об аннулировании соответствующего патента Г. Маркони, как не приоритетного в этой области. Не так давно американские ученые под руководством Джеймса Корума доказали, что идея Теслы — не такая уж фантастика, он действительно создал такое устройство… Получая награды в честь своего 80-летия, Hикола Тесла как-то обмолвился, что он открыл метод выпрямления искривленного пространства и еще некоторые вещи, включая и крайне экономичное производство радия, ценою 2 доллара за килограмм. Также под руководством Теслы уже в 1899 г. была сооружена радиостанция мощностью 200 кВт в шт. Колорадо.

12 декабря 1901 г. Г. Маркони осуществил одностороннюю «радиосвязь» через Атлантический океан — между Полдху (Корнуэлл в Англии, где ныне расположен клуб PARC) и мысом Код (ст. Сент-Джеймс в Ньюфаундленде, где ныне расположен исторический музей Signal Hill — VO1AA/VO1S). В Корнуэлле был установлен передатчик под условным названием «SS», который работал на принципе высокого искрового разряда на большую антенну (20 мачт высотой по 70 м).

4 августа 1903 г. в Берлине собралась Первая международная конференция по радиотелеграфии, решавшая вопросы регулирования и контроля работы радиостанций.

Эта конференция явилась следствием инцидента, который произошел в 1902 г., когда прусский принц Генри — брат кайзера, пытался передать по радио с военного корабля Deutschland президенту США Франклину Рузвельту радиограмму с благодарностью за оказанное гостеприимство. Станция фирмы Marconi, расположенная на о-ве Нантакет, отказалась ее принять, так как корабль был оборудован радиоаппаратурой конкурирующей фирмы.

Конференция приняла постановление, которое гласило: «…каждая станция обязана поддерживать связь с любой другой станцией, не считаясь с тем, какая радиотелеграфная система принята на этой станции».

Таким образом, начав развиваться в XIX веке, в начале XX века радиосвязь настолько усовершенствовалось, что необходимость в хорошем усилителе принимаемых сигналов стала очевидной.

Если первым шагом на пути создания такого усилителя было открытие эффекта Эдисона, то вторым шагом — избретение английским ученым Джоном Амбрози Флемингом (1849-1945) в 1904 г. вакуумного диода (детектора). Д. Флеминг в 1877-1881 гг. работал под руководством Дж. Максвелла; с 1881 г. — научный консультант лондонской компании Edison Electric Light, а с 1899 г. — работает в Акционерном обществе Мarconi Co. Диод им был изобретен после того, как он узнал в 1884 г. об эффекте Эдисона от самого Эдисона. Д. Флеминг назвал свой термоионный вентиль выпрямителем высокочастотного переменного тока. Он выпрямлял радиочастотные сигналы, но не был в состоянии их усилить.

Третий шаг в создании усилителя был осуществлен американским радиоинженером-изобретателем и предпринимателем Ли де Форестом (1873-1961), который 25 октября 1906 г. подал заявку на выдачу патента (патент от 1907 г.) на трехэлектродную вакуумную лампу — знаменитый аудион. Однако первые его приборы имели очень низкое усиление. Необходимы были дополнительные исследования, чтобы превратить аудион в действительно полезный усилитель.

На это ушло шесть лет. Этим новым устройством стала регенеративная схема американского ученого-радиотехника Эдвина Говарда Армстронга (1890-1954, член клубной любительской радиостанции с позывным сигналом 1BCG), которую он создал на базе аудиона 22 сентября 1912 г., а затем и схему регенеративного приемника (одновременно с другими изобретателями: американцами Ли де Форестом и Ирвингом Ленгмюром, а также немцем Александром Мейснером), на которую в 1913 г. получил патент.

В 1917 г. Армстронг был удостоен американским Институтом радиоинженеров (ИРИ) медали Почета за работы по регенерации и генерации колебаний. Правда, после 20-летнего судебного разбирательства Верховный суд США признал авторитет Фореста в данных работах и Армстронг хотел вернуть медаль ИРИ, но его Совет директоров единогласным решением отказался ее принять и вновь подтвердил ее присуждение Армстронгу. В 1918 г. он создал сверхрегеративный приемник (и в настоящее время сверхрегенерация еще применяется в приемниках с параметрическим усилением, так как их относительно широкая полоса пропускания, устойчивость и высокое усиление используются для работы в так называмом S-диапазоне — длина волны 10 см), а в 1921 г. — супергетеродинный приемник; он был пионером в области частотной модуляции. Все его изобретения быстро принимались промышленностью, причем часто с нарушением его патентных прав. Из-за многолетних судебных тяжб с фирмой RCA Э. Армстронг трагически покончил жизнь самоубийством.

О необходимости радиосвязи уже никто не сомневался после катастрофы в апреле 1912 г. «Титаника», погибающий радист которого Филипс успел передать сигнал SOS, который был услышан и что дало возможность спасти часть пассажиров.

Во время Первой мировой войны все радиопередатчики работали с применением так называемого искрового разряда. Телеграфные сигналы, передаваемые этими станциями, легко перехватывались противником, так как занимали широкий частотный спектр. И вдруг произошло непонятное — все германские радиостанции якобы внезапно замолчали. Среди союзников Антанты разразилась настоящая паника: «Видимо, готовится какое-то наступление и немцы боятся утечки информации!»

Тайну же такого «молчания», разгадал русский ученый Михаил Васильевич Шулейкин, который установил, что немецкие радиостанции вместо применения искрового разряда перешли на передачу незатухающих колебаний на определенной частоте — использовался эффект поющей дуги (открыт ирландским инженером Дудделем, который, по существу, первым в мире применил в радиосвязи колебательный контур).

В 1915 г. был осуществлен исторический эксперимент, когда речевые сигналы успешно передавались из Арлингтона (шт. Вирджиния) в Париж. Экспериментальная система использовала регенеративную схему как в приемнике, так и в передатчике. В аппаратуре стояли лампы со значительно повышенным коэффициентом усиления, которые за счет улучшения вакуума в баллоне создали Ирвинг Лангмюр (фирма General Electric) и Гарольд Арнольд (фирма Western Electric).

Следует отметить, что один из «отцов» радиосвязи Г. Маркони предпочитал, чтобы «краеугольным камнем» его беспроволочного телеграфа оставалась азбука Морзе, а для беспроволочной передачи речи он не видел никакого полезного применения.

В конце сентября — начале октября 1917 г. на кораблях Балтийского флота испытывался радиотелефон системы системы А. Т. Углова, который был изготовлен на Радиотелеграфном заводе Морского ведомства России. Была достигнута дальность радиосвязи в 25 верст.

После окончания Первой мировой войны многие радиолюбители вернулись домой из армии, сохранив большой интерес к радио. В значительной степени он возрос благодаря их знакомству в период нахождения в армии с современными разработками в этой области. Радиолюбители, число которых постоянно возрастало, составили на первых порах основную группу энтузиастов-радиослушателей, а их хобби — послужило «стартом» в развитии мирового радиовещания.

В 1920 г. американский радиолюбитель по фамилии Конрад (его имя и позывной, к сожалению, не известны), работавший в то время на фирме Westinghouse, переделал свою ЛРС, которая была им сконструирована в 1916 г., для работы на передачу в режиме «телефон» и начал вести вещательные передачи. Он объявил, что будет вести их по два часа в вечернее время по средам и субботам. В районе г. Питтсбурга его сообшение было встречено с большим интересом. Местный магазин закупил партию детекторных радиоприемников, которые были быстро распроданы желающим, что подготовило почву для решения о создании вещательной радиостанции.

Харольд Х. Бевередж (1893-1992, позывной W2BML), совместно с Райсом и Келлогом, работая в фирме General Electric, в 1917 г. разработали приемную волновую антенну, которая впоследствии получила название Beverage. В 1920 г. он перешел на работу в RCA. Там в 1928 г. совместно с Х. О. Петерсоном и Дж. Б. Муром он стал соавтором очередного изобретения — разнесенного приема сигналов. В этой системе применялись три антенны, разнесенные на расстояние до 300 м друг от друга. Выпрямленные приемные сигналы на выходах трех отдельных приемников суммировались на общем сопротивлении нагрузки.

Бевередж был обладателем свыше 40 патентов, лауреатом многих почетных званий и наград — включая и награду Президента США, полученную в 1948 г.

Не достигший еще двадцати лет Харолд Олден Уилер (1903-?, позывной не известен), работая самостоятельно, придумал нейродинную схему приемника. Он не знал о создании Л. А. Хазелтайном в 1918 г. аналогичной схемы, которая тогда еще находилась в стадии патентования. Однако, получив патент, Хазелтайн предусмотрел денежные отчисления в пользу Уилера и пригласил молодого изобретателя работать в свою фирму. За работы по полному математическому расчету нейродинной схемы «Радиоклуб Америки» наградил в 1937 г. профессора Л. А. Хазелтайна медалью «Армстронга». Находясь дома, во время рождественских каникул 1925 г. Уилер создал схему автоматической регулировки усиления (АРУ) для радиоприемников с амплитудной модуляцией, которая обеспечивала практически постоянную громкость в широком диапазоне изменений уровня ВЧ-сигналов. Его схема АРУ была чудом простоты: один ламповый триод, включенный как диод, служил одновременно для детектирования сигнала и для создания смещения, регулирующего усиление. Данное изобретение Уилера было обнародовано в 1926 г. фирмой Hazeline, в которой он проработал на протяжении многих лет.

С этого момента радиосвязь (как и вся радиотехника в целом) стала развиваться более стремительно: супергетеродин, однополосная связь, радионавигация, телевидение и т. д. — все это только часть изобретений первой половины XX века.

http://www.connect-portal.info/ist_radio_sviazi.html