Передатчик с искровым разрядником — устаревший тип радиопередатчика , генерирующий радиоволны посредством электрической искры . [1] [2] Передатчики с искровым разрядником были первым типом радиопередатчиков и основным типом, использовавшимся в эпоху беспроводной телеграфии или «искровой» эры, первые три десятилетия радио , с 1887 года до конца Первой мировой войны. [3] [4] Немецкий физик Генрих Герц построил первые экспериментальные искровые передатчики в 1887 году, с помощью которых он доказал существование радиоволн и изучил их свойства.
Фундаментальным ограничением искровых передатчиков является то, что они генерируют серию коротких переходных импульсов радиоволн, называемых затухающими волнами ; они не способны создавать непрерывные волны , используемые для передачи звука (звука) в современных радиопередачах AM или FM . Таким образом, передатчики с искровым разрядником не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию по радиотелеграфии ; оператор включал и выключал передатчик с помощью телеграфного ключа , создавая импульсы радиоволн для написания текстовых сообщений азбукой Морзе .
Первые практические передатчики с искровым разрядником и приемники для радиотелеграфной связи были разработаны Гульельмо Маркони примерно в 1896 году. Одно из первых применений передатчиков с искровым разрядником было на кораблях для связи с берегом и передачи сигнала бедствия, если корабль тонул. Они сыграли решающую роль в спасательных операциях на море, таких как катастрофа Титаника в 1912 году . После Первой мировой войны были разработаны передатчики на электронных лампах , которые были менее дорогими и производили непрерывные волны с большей дальностью действия, создавали меньше помех, а также могли передавать звук, что сделало искровые передатчики устаревшими к 1920 году. Радиосигналы, создаваемые искровым разрядником. передатчики электрически «зашумлены»; они имеют широкую полосу пропускания , создавая радиочастотные помехи (RFI), которые могут нарушить другие радиопередачи. Этот вид радиоизлучения запрещен международным правом с 1934 года. [5] [6]
Электромагнитные волны излучаются электрическими зарядами при их ускорении . [7] [8] Радиоволны , электромагнитные волны радиочастоты , могут генерироваться изменяющимися во времени электрическими токами , состоящими из электронов , текущих через проводник, которые внезапно меняют свою скорость, тем самым ускоряясь. [8] [9]
Электрически заряженная емкость , разряжающаяся посредством электрической искры в искровом промежутке между двумя проводниками, была первым известным устройством, которое могло генерировать радиоволны. [10] : стр.3 Сама по себе искра не производит радиоволны, она просто служит быстродействующим переключателем для возбуждения резонансных радиочастотных колеблющихся электрических токов в проводниках присоединенной цепи. Проводники излучают энергию этого колеблющегося тока в виде радиоволн.
Из-за собственной индуктивности проводников цепи разряд конденсатора через достаточно низкое сопротивление (например, искра) носит колебательный характер ; заряд быстро течет вперед и назад через искровой промежуток в течение короткого периода времени, заряжая проводники с каждой стороны поочередно положительно и отрицательно, пока колебания не затихнут. [11] [12]
.png/1280px-Spark_gap_transmitter_diagram_(alt).png){kind=spacer}
Практический датчик искрового разрядника состоит из следующих частей: [11] [13] [14] [15]
Передатчик работает в быстро повторяющемся цикле, в котором конденсатор заряжается до высокого напряжения трансформатором и разряжается через катушку искрой в искровом промежутке. [11] [16] Импульсная искра возбуждает резонансный контур, который «звенит», как колокол, создавая кратковременный колебательный ток, который излучается антенной в виде электромагнитных волн. [11] Передатчик повторяет этот цикл с высокой скоростью, поэтому искра казалась непрерывной, а радиосигнал звучал как вой или жужжание в радиоприемнике .
Цикл очень быстрый, занимает менее миллисекунды. С каждой искрой этот цикл создает радиосигнал, состоящий из колеблющейся синусоидальной волны, которая быстро увеличивается до высокой амплитуды и экспоненциально уменьшается до нуля, называемой затухающей волной . [11] Частота колебаний , то есть частота излучаемых радиоволн, равна резонансной частоте резонансного контура, определяемой емкостью конденсатора и индуктивностью катушки:
Передатчик быстро повторяет этот цикл, поэтому на выходе получается повторяющаяся строка затухающих волн. Это эквивалентно амплитуде радиосигнала , модулированной с постоянной частотой, поэтому его можно было демодулировать в радиоприемнике с помощью выпрямляющего AM- детектора , такого как кварцевый детектор или клапан Флеминга, использовавшийся в эпоху беспроводной телеграфии. Частота повторения (частота искр) находится в звуковом диапазоне , обычно от 50 до 1000 искр в секунду, поэтому в наушниках приемника сигнал звучит как устойчивый тон, визг или жужжание. [13]
Чтобы передать информацию с помощью этого сигнала, оператор быстро включает и выключает передатчик, постукивая по переключателю, называемому телеграфным ключом в первичной цепи трансформатора, создавая последовательности коротких (точка) и длинных (тире) строк затухающих сигналов. волны, чтобы писать сообщения азбукой Морзе . Пока клавиша нажата, искровой разрядник периодически срабатывает, создавая цепочку импульсов радиоволн, поэтому в приемнике нажатие клавиши звучит как жужжание; все сообщение азбуки Морзе звучит как последовательность гудков, разделенных паузами. В передатчиках малой мощности ключ напрямую размыкает первичную цепь питающего трансформатора, тогда как в передатчиках большой мощности ключ управляет мощным реле , которое размыкает первичную цепь.
Схема, которая заряжает конденсаторы, вместе с самим искровым промежутком определяет частоту искры передатчика, количество искр и результирующих затухающих волновых импульсов, которые он производит в секунду, что определяет тон сигнала, слышимого в приемнике. Частоту искры не следует путать с частотой передатчика, которая представляет собой количество синусоидальных колебаний в секунду в каждой затухающей волне. Поскольку передатчик производит один импульс радиоволн на искру, выходная мощность передатчика была пропорциональна частоте искры, поэтому предпочтение отдавалось более высоким скоростям. В искровых передатчиках обычно используется один из трех типов силовых цепей: [11] [13] [17] : стр. 359–362.
Индукционная катушка (катушка Румкорфа) использовалась в передатчиках малой мощности, обычно менее 500 Вт, часто с батарейным питанием. Индукционная катушка — это тип трансформатора, питающегося от постоянного тока, в котором контакт переключателя вибрирующего рычага на катушке, называемый прерывателем, неоднократно разрывает цепь, подающую ток в первичную обмотку, заставляя катушку генерировать импульсы высокого напряжения. Когда подается первичный ток на катушку, первичная обмотка создает магнитное поле в железном сердечнике, которое оттягивает пружинящий рычаг прерывателя от его контакта, размыкая переключатель и отсекая первичный ток. Затем магнитное поле схлопывается, создавая импульс высокого напряжения во вторичной обмотке, и рычаг прерывателя пружинит обратно, снова замыкая контакт, и цикл повторяется. Каждый импульс высокого напряжения заряжал конденсатор до тех пор, пока не сработал разрядник, в результате чего на импульс возникала одна искра. Прерыватели были ограничены низкой частотой искры 20–100 Гц, что звучало как тихое жужжание в приемнике. В мощных индукционных передатчиках вместо вибрационного прерывателя использовался ртутный турбинный прерыватель . Это могло бы прервать ток со скоростью до нескольких тысяч герц, и эту скорость можно было бы отрегулировать для получения наилучшего тона.
В передатчиках более высокой мощности, питающихся от сети переменного тока, трансформатор повышает входное напряжение до необходимого высокого напряжения. Синусоидальное напряжение трансформатора подается непосредственно на конденсатор, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется от высокого положительного напряжения до нуля и до высокого отрицательного напряжения. Искровой промежуток отрегулирован таким образом, чтобы искры возникали только вблизи максимального напряжения, на пиках синусоидальной волны переменного тока , когда конденсатор полностью заряжен. Поскольку синусоидальная волна переменного тока имеет два пика за цикл, в идеале в течение каждого цикла возникало две искры, поэтому частота искр была равна удвоенной частоте мощности переменного тока [15] (часто во время пика каждого полупериода возникало несколько искр). Таким образом, частота искры передатчиков, питаемых от сети частотой 50 или 60 Гц, составляла 100 или 120 Гц. Однако более высокие звуковые частоты лучше отсекают помехи, поэтому во многих передатчиках трансформатор питался от двигателя -генератора , электродвигателя , вал которого вращал генератор , который вырабатывал переменный ток более высокой частоты, обычно 500 Гц, что приводило к искре. частота 1000 Гц. [15]
Скорость, с которой могут передаваться сигналы, естественно, ограничена временем, необходимым для гашения искры. Если, как описано выше, проводящая плазма во время нулевых точек переменного тока не охлаждается достаточно, чтобы погасить искру, «постоянная искра» сохраняется до тех пор, пока накопленная энергия не рассеется, что позволяет практическую работу только примерно до 60 сигналов в секунду. Если принять активные меры для разрыва дуги (либо продувкой искры воздухом, либо удлинением искрового промежутка), можно получить гораздо более короткую «гашенную искру». Простая система гашения искры по-прежнему допускает несколько колебаний конденсаторной цепи за время, необходимое для гашения искры. При разомкнутой искровой цепи частота передачи определяется исключительно резонансным контуром антенны, что позволяет упростить настройку.
В передатчике с «вращающимся» искровым промежутком (внизу) конденсатор заряжался переменным током от высоковольтного трансформатора, как указано выше, и разряжался с помощью искрового промежутка, состоящего из электродов, расположенных вокруг колеса, которое вращалось электродвигателем. которые вызывали искры при прохождении мимо неподвижного электрода. [11] [15] Частота искры была равна количеству оборотов в секунду, умноженному на количество искровых электродов на колесе. Он мог производить искру с частотой до нескольких тысяч герц, и эту частоту можно было регулировать, изменяя скорость двигателя. Вращение колеса обычно синхронизировалось с синусоидальной волной переменного тока, поэтому движущийся электрод проходил мимо неподвижного на пике синусоидальной волны, вызывая искру, когда конденсатор был полностью заряжен, что вызывало музыкальный тон в приемнике. При такой правильной настройке необходимость внешнего охлаждения или гашения воздушного потока была устранена, как и потеря мощности непосредственно из цепи зарядки (параллельно конденсатору) через искру.
Изобретение радиопередатчика стало результатом слияния двух направлений исследований.
Одним из них были попытки изобретателей разработать систему для передачи телеграфных сигналов без проводов. Эксперименты ряда изобретателей показали, что электрические помехи могут передаваться по воздуху на короткие расстояния. Однако большинство этих систем работали не с помощью радиоволн, а с помощью электростатической или электромагнитной индукции , радиус действия которых был слишком мал, чтобы быть практичным. [18] В 1866 году Махлон Лумис утверждал, что передал электрический сигнал через атмосферу между двумя 600-футовыми проводами, удерживаемыми воздушными змеями на вершинах гор на расстоянии 14 миль друг от друга. [18] Томас Эдисон был близок к открытию радио в 1875 году; он генерировал и обнаруживал радиоволны, которые назвал «эфирными токами», экспериментируя с высоковольтными искровыми цепями, но из-за нехватки времени не стал заниматься этим вопросом. [17] : стр.259–261 Дэвид Эдвард Хьюз в 1879 году также наткнулся на передачу радиоволн, которую он получил с помощью своего детектора угольного микрофона , однако он был убежден, что то, что он наблюдал, было индукцией . [17] : с.259–261 Ни одному из этих людей обычно не приписывают открытие радио, поскольку они не понимали значения своих наблюдений и не публиковали свои работы до Герца.
Другим было исследование физиков для подтверждения теории электромагнетизма , предложенной в 1864 году шотландским физиком Джеймсом Клерком Максвеллом , которая теперь называется уравнениями Максвелла . Теория Максвелла предсказывала, что комбинация колеблющихся электрических и магнитных полей может распространяться в пространстве как « электромагнитная волна ». Максвелл предположил, что свет состоит из электромагнитных волн короткой длины, но никто не знал, как подтвердить это или генерировать или обнаружить электромагнитные волны других длин волн. К 1883 году была выдвинута теория, что ускоренные электрические заряды могут создавать электромагнитные волны, и Джордж Фицджеральд рассчитал выходную мощность рамочной антенны . [19] Фицджеральд в краткой заметке, опубликованной в 1883 году, предположил, что электромагнитные волны можно генерировать практически путем быстрой разрядки конденсатора; метод, используемый в искровых передатчиках, [20] [21] , однако нет никаких указаний на то, что это вдохновило других изобретателей.
Разделение истории искровых передатчиков на различные типы, приведенное ниже, соответствует организации предмета, используемой во многих учебниках по беспроводной связи. [22]
Немецкий физик Генрих Герц в 1887 году построил первые экспериментальные передатчики с искровым разрядником во время своих исторических экспериментов по демонстрации существования электромагнитных волн , предсказанных Джеймсом Клерком Максвеллом в 1864 году, в которых он открыл радиоволны , [23] [24] : стр.3- 4 [25] [17] : стр. 19, 260, 331–332 , которые примерно до 1910 года назывались «волнами Герца». Герц был вдохновлен попробовать схемы с искровым возбуждением экспериментами со «спиралями Рейсса», парой плоских спиральных индукторов . их проводники заканчиваются искровыми разрядниками. Конденсатор лейденской банки , разряженный через одну спираль, вызовет искры в зазоре другой спирали.
См. принципиальную схему. Передатчики Герца состояли из дипольной антенны , состоящей из пары коллинеарных металлических стержней различной длины с искровым промежутком (S) между их внутренними концами и металлических шариков или пластин для емкости (С), прикрепленных к внешним концам. [23] [17] : стр. 19, 260, 331–332 [25] Две стороны антенны были подключены к индукционной катушке (катушка Румкорфа) (T) — обычному лабораторному источнику питания, который производил импульсы высокого напряжения. от 5 до 30 кВ. Помимо излучения волн, антенна также действовала как гармонический генератор ( резонатор ), который генерировал колебательные токи. Импульсы высокого напряжения от индукционной катушки (Т) подавались между двумя сторонами антенны. Каждый импульс сохранял электрический заряд в емкости антенны, который тут же разряжался искрой через разрядник. Искра возбуждала короткие колеблющиеся стоячие волны тока между сторонами антенны. Антенна излучала энергию в виде мгновенного импульса радиоволн; затухающая волна . Частота волн была равна резонансной частоте антенны, которая определялась ее длиной; он действовал как полуволновой диполь , который излучал волны, примерно в два раза превышающие длину антенны (например, 15 МГц на 1 м или 1,5 ГГц на 1 см). Герц обнаружил волны, наблюдая крошечные искры в микрометровых разрядниках (М) в петлях проводов, которые функционировали как резонансные приемные антенны. Оливер Лодж в это время также экспериментировал с искровыми генераторами и был близок к открытию радиоволн раньше Герца, но его внимание было сосредоточено на волнах в проводах, а не в свободном пространстве. [26] [17] : стр. 226
Герц и первое поколение физиков, построивших эти «генераторы Герца», такие как Джагадиш Чандра Бозе , лорд Рэлей , Джордж Фицджеральд , Фредерик Траутон , Аугусто Риги и Оливер Лодж , в основном интересовались радиоволнами как научным явлением , и по большей части потерпели неудачу. предвидеть ее возможности как коммуникационной технологии. [27] : с.54, 98 [24] : с.5-9, 22 [17] : с.260, 263–265 [28] Из-за влияния теории Максвелла в их мышлении доминировало сходство между радиоволны и световые волны; они думали о радиоволнах как о невидимой форме света. [24] : с.5-9, 22 [17] : с.260, 263–265 По аналогии со светом они предполагали, что радиоволны распространяются только по прямым линиям, поэтому считали, что радиопередача ограничена зрительным горизонтом , как существующие методы оптической передачи сигналов, такие как семафор , и поэтому не были способны к связи на больших расстояниях. [26] [29] [30] Еще в 1894 году Оливер Лодж предположил, что максимальное расстояние, на которое могут передаваться волны Герца, составляет полмили. [24] : с.5-9, 22.
Чтобы исследовать сходство между радиоволнами и световыми волнами , эти исследователи сосредоточились на создании коротковолновых высокочастотных волн, с помощью которых они могли бы дублировать классические оптические эксперименты с радиоволнами, используя квазиоптические компоненты, такие как призмы и линзы, изготовленные из парафина , серы и Шаговые и проволочные дифракционные решетки . [17] : с.476-484 Их короткие антенны генерировали радиоволны в диапазонах ОВЧ , УВЧ или микроволновых диапазонах. В своих различных экспериментах Герц создавал волны с частотами от 50 до 450 МГц, что примерно соответствует частотам, используемым сегодня в телевизионных передатчиках . Герц использовал их для проведения исторических экспериментов, демонстрирующих стоячие волны , преломление , дифракцию , поляризацию и интерференцию радиоволн. [31] [17] : стр.19, 260, 331–332 Он также измерил скорость радиоволн, показав, что они распространяются с той же скоростью, что и свет. Эти эксперименты установили, что свет и радиоволны были формами электромагнитных волн Максвелла , отличающимися только частотой. Аугусто Риги и Джагадиш Чандра Бос около 1894 года генерировали микроволны частотой 12 и 60 ГГц соответственно, используя небольшие металлические шарики в качестве резонаторных антенн. [32] [17] : стр.291-308.
Высокие частоты, создаваемые генераторами Герца, не могли выйти за горизонт. Дипольные резонаторы также имели низкую емкость и не могли накапливать большой заряд , что ограничивало их выходную мощность. [24] : стр.5-9, 22 Следовательно, эти устройства не были способны к передаче на большие расстояния; дальность их приема с использованием примитивных приемников обычно ограничивалась примерно 100 ярдами (100 метрами). [24] : с.5-9, 22.
Я едва мог себе представить, чтобы применение [радио] в полезных целях могло ускользнуть от внимания таких выдающихся ученых.
- Гульельмо Маркони [33]
Пионер итальянского радио Гульельмо Маркони был одним из первых, кто поверил, что радиоволны можно использовать для связи на большие расстояния, и в одиночку разработал первые практические передатчики и приемники радиотелеграфии . комбинируя и переделывая изобретения других. Начиная с 21 года в поместье своей семьи в Италии, между 1894 и 1901 годами он провел длинную серию экспериментов по увеличению дальности передачи искровых генераторов и приемников Герца. [33]
Он не мог общаться дальше, чем на полмили, до 1895 года, когда он обнаружил, что дальность передачи можно значительно увеличить, заменив одну сторону дипольной антенны Герца в его передатчике и приемнике на соединение с Землей , а другую сторону на длинная проволочная антенна, подвешенная высоко над землей. [24] : стр.20-21 [28] [36] : 195–218 [37] Эти антенны функционировали как четвертьволновые монопольные антенны . [38] Длина антенны определяла длину волны производимых волн и, следовательно, их частоту. Более длинные и низкочастотные волны меньше затухают с расстоянием. [38] Когда Маркони попробовал более длинные антенны, которые излучали волны более низкой частоты, вероятно, в СЧ- диапазоне около 2 МГц, [37] он обнаружил, что может передавать дальше. [33] Еще одним преимуществом было то, что эти вертикальные антенны излучали волны вертикальной поляризации , а не волны горизонтальной поляризации, создаваемые горизонтальными антеннами Герца. [39] Эти более длинные вертикально поляризованные волны могли выходить за горизонт, поскольку они распространялись как земная волна , повторяющая контур Земли. При определенных условиях они также могли выходить за горизонт, отражаясь от слоев заряженных частиц ( ионов ) в верхних слоях атмосферы, что позже было названо распространением космических волн . [30] Маркони в то время ничего из этого не понимал; он просто эмпирически обнаружил, что чем выше подвешена его вертикальная антенна, тем дальше она будет передавать.
Не сумев заинтересовать итальянское правительство, в 1896 году Маркони переехал в Англию, где Уильям Прис из Главпочтамта Великобритании финансировал его эксперименты. [38] [37] [33] Маркони запатентовал свою радиосистему 2 июня 1896 года, [35] часто считается первым патентом на беспроводную связь. [17] : стр.352-353, 355–358 [40] В мае 1897 года он передал 14 км (8,7 миль), [38] 27 марта 1899 года он передал через Ла-Манш на 46 км (28 миль), [ 33] осенью 1899 года он увеличил дальность до 136 км (85 миль), [24] : с.60-61 и к январю 1901 года достиг 315 км (196 миль). Эти демонстрации беспроводной связи с помощью азбуки Морзе на все более дальних расстояниях убедили мир в том, что радио, или «беспроводная телеграфия», как его называли, было не просто научной диковинкой, но и коммерчески полезной технологией связи.
В 1897 году Маркони основал компанию по производству своих радиосистем, которая стала Marconi Wireless Telegraph Company . [38] [33] и радиосвязь начала использоваться в коммерческих целях примерно в 1900 году. Его первый крупный контракт в 1901 году был заключен со страховой фирмой Lloyd's в Лондоне на оснащение их кораблей беспроводными станциями. Компания Маркони доминировала на морском радио на протяжении всей эры искры. Вдохновленные Маркони, в конце 1890-х годов другие исследователи также начали разрабатывать конкурирующие системы искровой радиосвязи; Александр Попов в России, Эжен Дюкрете во Франции, Реджинальд Фессенден и Ли де Форест в Америке, [1] и Карл Фердинанд Браун , Адольф Слаби и Георг фон Арко в Германии, которые в 1903 году основали компанию Telefunken Co., главного конкурента Маркони. [41] [42]
Примитивные передатчики до 1897 года не имели резонансных цепей (также называемых LC-цепями, емкостными цепями или настроенными цепями), искровой промежуток находился в антенне, которая функционировала как резонатор для определения частоты радиоволн. [33] [43] [17] : стр.352–353, 355–358 [44] Их называли передатчиками с «несинтонизированными» или «простыми антеннами». [17] : с.352-353, 355–358 [45]
Средняя выходная мощность этих передатчиков была низкой, поскольку из-за малой емкости антенна представляла собой сильно затухающий генератор (в современной терминологии она имела очень низкую добротность ). [10] : стр.4–7, 32–33 Во время каждой искры энергия, накопленная в антенне, быстро излучалась в виде радиоволн, поэтому колебания быстро затухали до нуля. [46] Радиосигнал состоял из коротких импульсов радиоволн, повторяющихся десятки или самое большее несколько сотен раз в секунду, разделенных сравнительно длительными интервалами отсутствия сигнала. [17] : стр.352-353, 355–358 Излучаемая мощность зависела от того, сколько электрического заряда могло накопиться в антенне перед каждой искрой, что было пропорционально емкости антенны . Чтобы увеличить их емкость относительно земли, антенны изготавливались с несколькими параллельными проводами, часто с емкостными верхними нагрузками, в форме «арфы», «клетки», « зонтика », «перевернутой L» и « Т »-антенн, характерных для «искровых» антенн. "эпоха. [47] Единственным другим способом увеличить запасенную в антенне энергию было зарядить ее до очень высокого напряжения. [48] [17] : стр.352-353, 355–358 Однако напряжение, которое можно было использовать, было ограничено примерно до 100 кВ из-за коронного разряда , который вызывал утечку заряда из антенны, особенно во влажную погоду, а также потери энергии. как тепло в более длинной искре.
Более существенным недостатком большого демпфирования было то, что радиопередачи были электрически «шумными»; у них была очень большая пропускная способность . [11] [24] : стр.90-93 [33] [36] : 72–75 Эти передатчики производили волны не одной частоты , а непрерывный диапазон частот. [36] : 72–75 [24] : стр.90-93 По сути, это были источники радиошума , излучающие энергию в значительной части радиоспектра , что делало невозможным слышимость других передатчиков. [13] Когда несколько передатчиков пытались работать в одной и той же зоне, их широкие сигналы перекрывались по частоте и создавали помехи друг другу. [33] [44] Используемые радиоприемники также не имели резонансных цепей, поэтому у них не было возможности выбрать один сигнал из других, кроме широкого резонанса антенны, и они реагировали на передачи всех передатчиков поблизости. [44] Примером этой проблемы помех был позорный публичный провал в августе 1901 года, когда Маркони, Ли де Форест и Г.В. Пикард попытались сообщить в газеты о гонках на яхтах в Нью-Йорке с кораблей с их ненастроенными искровыми передатчиками. [49] [50] [51] Передача кода Морзе мешала, и репортеры на берегу не смогли получить никакой информации из искаженных сигналов.
Стало ясно, что для работы нескольких передатчиков необходимо разработать некую систему «селективной сигнализации» [53] [54] , позволяющую приемнику выбирать сигнал какого передатчика принимать и отклонять остальные. В 1892 году Уильям Крукс прочитал влиятельную [55] лекцию [56] о радио, в которой он предложил использовать резонанс (тогда называемый синтонией ) для уменьшения полосы пропускания передатчиков и приемников. [17] : стр.352-353, 355–358 Использование резонансного контура (также называемого настроенным контуром или резонансным контуром) в передатчиках сузило бы полосу пропускания излучаемого сигнала, он занял бы меньший диапазон частот вокруг своей центральной частоты, чтобы сигналы передатчиков, «настроенных» на передачу на разных частотах, больше не перекрывались. Приемник, имевший собственный резонансный контур, мог принимать конкретный передатчик, «настраивая» его резонансную частоту на частоту желаемого передатчика, аналогично тому, как один музыкальный инструмент можно настроить на резонанс с другим. [53] Эта система используется во всех современных радиостанциях.
В период с 1897 по 1900 год исследователи беспроводной связи осознали преимущества «синтонических» или «настроенных» систем и добавили конденсаторы ( лейденские банки ) и индукторы (катушки с проводами) к передатчикам и приемникам, чтобы создать резонансные цепи (настроенные цепи, или емкостные цепи). цепи). [36] : с. 125-136, 254–255, 259 Оливер Лодж , который много лет исследовал электрический резонанс, [36] : стр.108-109 [44] запатентовал первый «синтонический» передатчик и приемник в мае 1897 года [52] [57 ] ] [26] [36] : стр.130–143 [24] : стр.90-93 Лодж добавил индуктор (катушку) между сторонами своих дипольных антенн, который резонировал с емкостью антенны, чтобы создать настроенную цепь. . [44] [36] : с. 125-136, 254–255, 259 Хотя его сложная схема не нашла большого практического применения, «синтонический» патент Лоджа был важен, поскольку он первым предложил радиопередатчик и приемник, содержащие резонансные контуры, настроенные на резонанс друг с другом. . [44] [36] : с. 125-136, 254–255, 259 В 1911 году, когда патент был продлен, компания Marconi была вынуждена купить его, чтобы защитить свою собственную синтонную систему от исков о нарушении прав. [36] : с. 125–136, 254–255, 259
Резонансный контур функционировал аналогично камертону , накапливая колеблющуюся электрическую энергию, увеличивая добротность контура, поэтому колебания были менее затухающими. [36] : с. 125–136, 254–255, 259 Еще одним преимуществом было то, что частота передатчика больше не определялась длиной антенны, а резонансным контуром, поэтому ее можно было легко изменить с помощью регулируемых отводов на катушке. Антенна приводилась в резонанс с настроенным контуром с помощью нагрузочных катушек . Энергия каждой искры и, следовательно, выходная мощность больше не ограничивалась емкостью антенны, а размером конденсатора в резонансном контуре. [17] : с.352-353, 355–358 Для увеличения мощности использовались конденсаторные батареи очень больших размеров. В практических передатчиках резонансный контур принимал форму контура с индуктивной связью, описанную в следующем разделе.
При разработке этих синтонных передатчиков исследователи обнаружили, что невозможно добиться низкого демпфирования с помощью одного резонансного контура. Резонансный контур может иметь низкое затухание (высокая добротность, узкая полоса пропускания), только если это «замкнутый» контур без компонентов, рассеивающих энергию. [58] [24] : стр.90-93 [36] : стр.108-109 Но такая схема не производит радиоволны. Резонансный контур с антенной, излучающей радиоволны («открытый» настроенный контур) быстро теряет энергию, что обеспечивает высокое затухание (низкая добротность, широкая полоса пропускания). Существовал фундаментальный компромисс между схемой, производящей постоянные колебания с узкой полосой пропускания, и схемой, излучающей большую мощность. [11]
Решение, найденное рядом исследователей, заключалось в использовании в передатчике двух резонансных контуров, катушки которых были индуктивно (магнитно) связаны , образуя резонансный трансформатор (называемый трансформатором колебаний ); [11] [46] [17] : стр.352-353, 355–358 это называлось передатчиком с « индуктивной связью », « связанной цепью » [45] или « двухконтурным » передатчиком. [33] [48] [24] : стр. 98-100 См. принципиальную схему. Первичная обмотка трансформатора колебаний ( L1 ) с конденсатором ( С1 ) и искровым разрядником ( S ) образовывала «замкнутый» резонансный контур, а вторичная обмотка ( L2 ) была соединена с проволочной антенной ( А ) и землей, образуя «разомкнутый» резонансный контур с емкостью антенны ( С2 ). [17] : с.352-353, 355–358 Оба контура были настроены на одну и ту же резонансную частоту . [17] : с.352-353, 355–358 Преимущество индуктивно-связанной схемы заключалось в том, что «слабосвязанный» трансформатор передавал колебательную энергию емкостного контура в излучающий антенный контур постепенно, создавая длинные «звенящие» волны. [46] [11] Вторым преимуществом было то, что это позволяло использовать большую первичную емкость (C1) , которая могла хранить много энергии, значительно увеличивая выходную мощность. [46] [17] : стр.352-353, 355–358 Мощные трансокеанские передатчики часто имели огромные помещения для заполнения конденсаторных батарей лейденской банки (см. изображения выше) . В приемнике в большинстве систем также использовались две индуктивно связанные цепи, при этом антенна представляла собой «открытый» резонансный контур, соединенный через преобразователь колебаний с «закрытым» резонансным контуром, содержащим детектор . Радиосистема с «двухконтурным» (индуктивно связанным) передатчиком и приемником называлась «четырехконтурной» системой.
Первым, кто использовал резонансные схемы в радиоприменении, был Никола Тесла , который изобрел резонансный трансформатор в 1891 году. [59] На лекции в Сент-Луисе в марте 1893 года [60] он продемонстрировал беспроводную систему, которая, хотя и предназначалась для беспроводная передача энергии , имела многие элементы более поздних систем радиосвязи. [61] [62] [17] : с.352-353, 355–358 [36] : с. 125-136, 254–255, 259 [63] Заземленный емкостно-нагруженный резонансный трансформатор с искровым возбуждением (его катушка Теслы ), прикрепленный к приподнятой проволочной монопольной антенне, передавал радиоволны, которые принимались через всю комнату такой же прикрепленной проволочной антенной. к приемнику, состоящему из второго заземленного резонансного трансформатора, настроенного на частоту передатчика, который зажег трубку Гейсслера . [64] [63] [65] Эта система, запатентованная Теслой 2 сентября 1897 года, [66] через 4 месяца после «синтонического» патента Лоджа, по сути представляла собой индуктивно связанный радиопередатчик и приемник, первое использование «четырехконтурной схемы». «система, заявленная Маркони в его патенте 1900 года (ниже) . [67] [17] : стр.352-353, 355–358 [63] [61] Однако Тесла в основном интересовался беспроводной энергией и никогда не разрабатывал практическую систему радиосвязи . [68] [69] [64] [17] : с.352-353, 355–358
Помимо системы Теслы, Оливер Лодж в феврале 1898 года запатентовал индуктивно связанные радиосистемы, [70] [71] Карл Фердинанд Браун , [24] : стр.98-100 [17] : стр.352-353, 355– 358 [43] [72] в ноябре 1899 года и Джон Стоун Стоун в феврале 1900 года . [73] [71] Браун сделал решающее открытие, что низкое демпфирование требует «слабой связи» (снижения взаимной индуктивности ) между первичной и вторичной катушками. [74] [17] : с.352-353, 355–358.
Маркони сначала не обращал особого внимания на синтонию, но к 1900 году разработал радиосистему, включающую в себя функции этих систем, [74] [43] с двухконтурным передатчиком и двухконтурным приемником, причем все четыре цепи были настроены на одну и ту же частоту с использованием резонансный трансформатор он назвал «джиггер». [58] [33] [24] : стр.98-100 Несмотря на вышеупомянутые предыдущие патенты, Маркони в своем патенте на «четыре контура» или «главную настройку» от 26 апреля 1900 года [75] на свою систему заявил права на индуктивно спаренные передатчик и приемник. [17] : стр.352-353, 355–358 [71] [63] На него был выдан британский патент, но патентное ведомство США дважды отклонило его патент как недостающий оригинальности. Затем в апелляции 1904 года новый патентный комиссар отменил решение и выдал патент, [76] [63] на том узком основании, что патент Маркони, включающий антенную нагрузочную катушку (J в схеме выше), предоставил средства для настройки четырех схем. на одну и ту же частоту, тогда как в патентах Теслы и Стоуна это делалось путем регулировки длины антенны. [71] [63] Этот патент дал Маркони почти монополию синтонной беспроводной телеграфии в Англии и Америке. [77] [33] Тесла подал в суд на компанию Маркони за нарушение патентных прав, но не имел ресурсов для возбуждения иска. В 1943 году Верховный суд США признал недействительными утверждения патента Маркони [78] об индуктивной связи из-за предшествующих патентов Лоджа, Теслы и Стоуна, но это произошло спустя много времени после того, как искровые передатчики стали устаревшими. [71] [63]
Искровой передатчик с индуктивной связью или «синтонный» был первым типом, который мог общаться на межконтинентальных расстояниях, а также первым, который имел достаточно узкую полосу пропускания, чтобы помехи между передатчиками были снижены до допустимого уровня. Он стал доминирующим типом, используемым в эпоху «искры». [33] Недостаток простого передатчика с индуктивной связью заключался в том, что, если первичная и вторичная катушки не были очень слабо связаны, он излучал на двух частотах. [17] : стр.352-353, 355–358 [79] Это было исправлено с помощью передатчиков с гасящей искрой и вращающимся зазором (ниже) .
В знак признания их достижений в области радио Маркони и Браун разделили Нобелевскую премию по физике 1909 года . [17] : с.352-353, 355–358.
В 1900 году Маркони решил попытаться установить трансатлантическую связь, которая позволила бы ему конкурировать с подводными телеграфными кабелями . [24] : стр.60-61 [17] : стр.387-392 Это потребует значительного увеличения власти, а это рискованная авантюра для его компании. До этого времени его небольшие передатчики с индукционной катушкой имели входную мощность 100–200 Вт, а максимальная дальность действия составляла около 150 миль. [24] : стр.60-61 [80] Для создания первого передатчика высокой мощности Маркони нанял эксперта в области электроэнергетики, профессора Джона Амброуза Флеминга из Университетского колледжа в Лондоне, который применил принципы энергетики. Флеминг сконструировал сложный передатчик с индуктивной связью (см. Схему) с двумя каскадными искровыми разрядниками (S1, S2), работающими с разной скоростью, и тремя резонансными контурами, питаемыми от генератора переменного тока мощностью 25 кВт (D), вращаемого двигателем внутреннего сгорания. [80] [24] : стр.60-61 [81] Первый разрядник и резонансный контур (S1, C1, T2) генерировали высокое напряжение для зарядки конденсатора (C2) , питающего второй разрядник и резонансный контур (S2). , C2, T3) , который генерировал выходные данные. [81] Частота искр была низкой, возможно, всего 2–3 искры в секунду. [81] По оценкам Флеминга, излучаемая мощность составляла около 10–12 кВт. [80]
Передатчик был построен в секрете на побережье в Полдху , Корнуолл , Великобритания. [80] [24] : стр.60-61 Маркони был ограничен во времени, потому что Никола Тесла строил свой собственный трансатлантический радиотелеграфный передатчик на Лонг-Айленде, штат Нью-Йорк , в стремлении быть первым [24] : стр.286-288 ( это была башня Уорденклиф , которая потеряла финансирование и была заброшена незавершенной после успеха Маркони). Оригинальная круглая 400-проводная передающая антенна Маркони обрушилась во время шторма 17 сентября 1901 года, и он поспешно установил временную антенну, состоящую из 50 проводов, подвешенных в форме веера на кабеле между двумя 160-футовыми опорами. [80] [81] [24] : стр.286-288 Используемая частота точно не известна, поскольку Маркони не измерял длину волны или частоту, но она находилась в диапазоне от 166 до 984 кГц, вероятно, около 500 кГц. [17] : стр.387-392 Он принял сигнал на побережье Сент-Джонс, Ньюфаундленд , используя ненастроенный когерерный приемник с проволочной антенной длиной 400 футов, подвешенной к воздушному змею . [17] : стр.387-392 [80] [24] : стр.286-288 Маркони объявил, что первая трансатлантическая радиопередача состоялась 12 декабря 1901 года из Полдху , Корнуолл , в Сигнал-Хилл, Ньюфаундленд , на расстояние 2100 миль. (3400 км). [17] : стр.387-392 [24] : стр.286-288
Достижение Маркони получило всемирную известность и стало окончательным доказательством того, что радио является практической технологией связи. Научное сообщество сначала усомнилось в докладе Маркони. Практически все эксперты в области беспроводной связи, кроме Маркони, считали, что радиоволны распространяются по прямым линиям, поэтому никто (включая Маркони) не понимал, как волнам удалось распространиться по 300-мильной кривой Земли между Британией и Ньюфаундлендом. [30] В 1902 году Артур Кеннелли и Оливер Хевисайд независимо друг от друга предположили, что радиоволны отражаются слоем ионизированных атомов в верхних слоях атмосферы, что позволяет им вернуться на Землю за горизонт. [30] В 1924 году Эдвард В. Эпплтон продемонстрировал существование этого слоя, теперь называемого « слоем Кеннелли-Хевисайда » или «E-слоем», за что он получил Нобелевскую премию по физике 1947 года .
Знающие источники сегодня сомневаются, действительно ли Маркони получил эту передачу. [82] [81] [17] : с.387-392 Ионосферные условия не должны были позволить принять сигнал в дневное время на таком диапазоне. Маркони знал, что передаваемый сигнал азбуки Морзе представляет собой букву «S» (три точки). [17] : стр.387-392 Он и его помощник могли принять атмосферный радиошум («статический») в наушниках за щелчки передатчика. [81] [17] : стр.387-392 Маркони совершил множество последующих трансатлантических передач, которые ясно устанавливают его приоритет, но надежная трансатлантическая связь не была достигнута до 1907 года с помощью более мощных передатчиков. [81]
Передатчик с индуктивной связью имел более сложную форму выходного сигнала, чем несинтонный передатчик, из-за взаимодействия двух резонансных контуров. Две настроенные цепи с магнитной связью действовали как связанный генератор , производя биения (см. верхние графики) . Колеблющаяся радиочастотная энергия быстро передавалась туда и обратно между первичным и вторичным резонансными контурами, пока продолжалась искра. [84] [79] [85] Каждый раз, когда энергия возвращалась в первичную обмотку, часть ее терялась в виде тепла в искре. [85] [79] Кроме того, если связь не была очень слабой, колебания заставляли передатчик передавать на двух разных частотах. [79] [86] Поскольку узкая полоса пропускания резонансного контура приемника могла быть настроена только на одну из этих частот, мощность, излучаемая на другой частоте, тратилась впустую.
Этот неприятный обратный поток энергии в первичную цепь можно было предотвратить, погасив (гася) искру в нужный момент, после того как вся энергия от конденсаторов перешла в цепь антенны. [83] [86] Изобретатели пробовали различные методы для достижения этой цели, такие как воздушные потоки и магнитный выброс Элиху Томсона . [79] [86]
В 1906 году немецкий физик Макс Вин разработал новый тип разрядника , названный последовательным или погашенным разрядником. [88] [89] [90] [85] Закалочный промежуток состоял из стопки широких цилиндрических электродов, разделенных тонкими изолирующими промежуточными кольцами для создания множества последовательных узких искровых промежутков, [89] размером около 0,1–0,3 мм (0,004–0,004– 0,01 дюйма). [88] Большая площадь поверхности электродов быстро прекращала ионизацию в промежутке, охлаждая его после прекращения подачи тока. В передатчике с индуктивной связью узкие зазоры гасили («гасили») искру в первой узловой точке ( Q ), когда первичный ток на мгновение становился нулевым после того, как вся энергия была передана вторичной обмотке (см. нижний график) . [83] Поскольку без искры ток не мог течь в первичной цепи, это эффективно отсоединило вторичную цепь от первичной, позволяя после этого вторичному резонансному контуру и антенне колебаться совершенно независимо от первичной цепи (до следующей искры). Это обеспечивало выходную мощность, сосредоточенную на одной частоте вместо двух частот. Он также устранил большую часть потерь энергии в искре, создавая очень слегка затухающие, длинные «звенящие» волны с декрементом всего от 0,08 до 0,25 [91] (добротность 12-38) и, следовательно, очень «чистый», узкий полоса пропускания радиосигнала. Еще одним преимуществом было быстрое гашение, позволяющее сократить время между искрами, что позволяло использовать более высокую частоту искр, около 1000 Гц, что имело музыкальный тон в приемнике и лучше преодолевало радиостатические помехи. Передатчик с гашенным зазором получил название системы «поющей искры». [91] [88]
Немецкий гигант беспроводной связи Telefunken Co., конкурент Маркони, приобрел права на патент и использовал в своих передатчиках искровой разрядник с гашением. [90] [88] [85]
Вторым типом искрового разрядника, который имел аналогичный гасящий эффект [15], был «вращающийся разрядник», изобретенный Теслой в 1896 году [92] [93] и примененный в радиопередатчиках Реджинальдом Фессенденом и другими. [17] : стр.359–362 [79] Он состоял из нескольких электродов, равномерно расположенных вокруг дискового ротора, вращающегося на высокой скорости двигателем, который создавал искры при прохождении мимо неподвижного электрода. [11] [48] При использовании правильной скорости двигателя быстро отделяющиеся электроды гасили искру после того, как энергия была передана на вторичную обмотку. [15] [11] [17] : стр.359–362 [79] Вращающееся колесо также сохраняло электроды более холодными, что важно для мощных передатчиков.
Существовало два типа вращающихся искровых передатчиков: [15] [17] : стр.359–362 [11] [79] [81]
Чтобы уменьшить помехи, вызванные «шумовыми» сигналами растущего количества искровых передатчиков, Конгресс США 1912 года «Закон о регулировании радиосвязи» потребовал, чтобы « логарифмический декремент на одно колебание в волновых цепочках, излучаемых передатчиком, не превышал двух десятых». « [48] [11] [94] (это эквивалентно добротности 15 или выше). Практически единственными искровыми передатчиками, которые могли удовлетворять этому условию, были описанные выше типы с закаленной искрой и вращающимся зазором [48] , и они доминировали в беспроводной телеграфии до конца искровой эры.
В 1912 году на своих мощных станциях Маркони разработал усовершенствованный вариант роторного разрядника, получивший название «искровая система с таймером», которая генерировала то, что, вероятно, было наиболее близко к непрерывной волне , которую могли создать искры. [95] [96] [17] : стр.399 Он использовал несколько идентичных резонансных цепей параллельно, с конденсаторами, заряжаемыми динамо -машиной постоянного тока . [97] Они разряжались последовательно несколькими вращающимися разгрузочными колесами на одном и том же валу для создания перекрывающихся затухающих волн, постепенно сдвинутых во времени, которые складывались вместе в преобразователе колебаний, так что на выходе была суперпозиция затухающих волн. Скорость вращения разрядного колеса регулировалась так, чтобы время между искрами было равно целому кратному периоду волны. Следовательно, колебания последовательных волновых пакетов были синфазными и усиливали друг друга. В результате получилась, по сути, непрерывная синусоидальная волна, амплитуда которой менялась в зависимости от частоты искры. Эта система была необходима для того, чтобы дать трансокеанским станциям Маркони достаточно узкую полосу пропускания, чтобы они не мешали другим передатчикам в узком диапазоне ОНЧ . Искровые передатчики с таймером обеспечили самую большую дальность передачи среди всех искровых передатчиков, но эти гиганты представляли собой конец искровых технологий. [17] : стр.399
Первое применение радио было на кораблях, чтобы поддерживать связь с берегом и подавать сигнал бедствия, если корабль тонет. [100] Компания Маркони построила ряд береговых станций и в 1904 году установила первый сигнал бедствия с кодом Морзе, буквы CQD , который использовался до Второй Международной радиотелеграфной конвенции в 1906 году, на которой была согласована система SOS . Первым значительным морским спасением благодаря радиотелеграфии стало затопление 23 января 1909 года роскошного лайнера RMS Republic , на котором было спасено 1500 человек.
Искровые передатчики и кристаллические приемники, используемые для их приема, были достаточно простыми, поэтому их широко создавали любители. [15] В первые десятилетия 20-го века это захватывающее новое хобби в области высоких технологий привлекло растущее сообщество « радиолюбителей », многие из которых были мальчиками-подростками, которые использовали свои самодельные устройства в развлекательных целях, чтобы связаться с далекими любителями и пообщаться с ними с помощью азбуки Морзе. и ретранслировать сообщения. [102] [103] Маломощные любительские передатчики («пищалки») часто строились с « тремблерными » катушками зажигания от ранних автомобилей , таких как Ford Model T. [102] В США до 1912 года не существовало государственного регулирования радио, и преобладала хаотичная атмосфера «Дикого Запада», когда станции вели передачу без учета других станций на своей частоте и намеренно мешали друг другу. [103] [104] [105] Растущее количество несинтонических широкополосных искровых передатчиков создавало неконтролируемые перегрузки в эфире, создавая помехи коммерческим и военным беспроводным станциям. [105]
Затопление Титаника 14 апреля 1912 года повысило общественное признание роли радио, но гибель людей привлекла внимание к дезорганизованному состоянию новой радиоиндустрии [ 106] и потребовала регулирования, которое исправило некоторые злоупотребления. [103] Хотя сигналы бедствия CQD радиста «Титаника» вызвали RMS Carpathia , которая спасла 705 выживших, спасательная операция была отложена на четыре часа, поскольку ближайший корабль, SS Californian , находившийся всего в нескольких милях от него, не услышал сигнала «Титаника » . так как его радист ушел спать. Это было признано ответственным за большую часть из 1500 смертей. Существующие международные правила требовали, чтобы все суда с числом пассажиров более 50 человек имели на борту беспроводное оборудование, но после катастрофы последующие правила потребовали, чтобы на кораблях было достаточно радистов, чтобы можно было вести круглосуточное радиовахту. Президент США Тафт и общественность услышали сообщения о хаосе в эфире в ночь катастрофы: любительские станции вмешивались в официальные военно-морские сообщения и передавали ложную информацию. [106] [107] В Законе США о радио 1912 года лицензии требовались для всех радиопередатчиков, максимальное затухание передатчиков было ограничено декрементом 0,2, чтобы убрать из эфира старые шумные несинтонические передатчики, а любители в основном ограничивались неиспользуемые частоты выше 1,5 МГц и выходная мощность 1 киловатт. [94] [105] [15]
Крупнейшими искровыми передатчиками были мощные трансокеанские радиотелеграфные станции с входной мощностью 100 – 300 кВт. [108] [109] Начиная примерно с 1910 года, индустриальные страны построили глобальные сети этих станций для обмена коммерческими и дипломатическими телеграммами с другими странами и связи со своими заморскими колониями. [110] [111] [112] Во время Первой мировой войны радио стало стратегической оборонительной технологией, поскольку стало понятно, что нация, не имеющая радиотелеграфных станций дальнего действия, может быть изолирована врагом, перерезавшим подводные телеграфные кабели . [111] Большинство этих сетей были построены двумя гигантскими беспроводными корпорациями того времени: британской компанией Маркони , которая построила Имперскую беспроводную сеть для связи владений Британской империи , и немецкой компанией Telefunken Co., которая доминировала за пределами Британской империи. Британская империя. [110] В передатчиках Marconi использовался вращающийся искровой разрядник с таймером, а в передатчиках Telefunken использовалась технология закаленного искрового разрядника. Машины с бумажной лентой использовались для передачи текста азбуки Морзе на высокой скорости. Чтобы достичь максимальной дальности около 3000–6000 миль, трансокеанские станции передавали в основном в диапазоне очень низких частот (ОНЧ), от 50 кГц до 15–20 кГц. На этих длинах волн даже самые большие антенны были электрически короткими , всего лишь небольшую часть длины волны, и поэтому имели низкую радиационную стойкость (часто ниже 1 Ома), поэтому для этих передатчиков требовались огромные проволочные зонтичные и плоские антенны длиной до нескольких миль с большой емкостной емкостью. верхние нагрузки для достижения адекватной эффективности. Для антенны требовалась большая нагрузочная катушка в основании высотой 6–10 футов, чтобы она находилась в резонансе с передатчиком.
Хотя их затухание было максимально уменьшено, искровые передатчики по-прежнему создавали затухающие волны , которые из-за их большой полосы пропускания вызывали помехи между передатчиками. [4] [36] : стр.72-79 Искра также издавала очень громкий шум во время работы, выделяла коррозионный газ озон , разрушала искровые электроды и могла представлять опасность пожара. [15] Несмотря на его недостатки, большинство экспертов по беспроводной связи вместе с Маркони считали, что импульсивный «хлыст» искры необходим для создания радиоволн, которые будут передаваться на большие расстояния. [17] : стр. 374 [27] : стр. 78
С самого начала физики знали, что другой тип сигнала — непрерывные синусоидальные волны (CW) — имеет теоретические преимущества перед затухающими волнами при радиопередаче. [113] [10] : стр. 4–7, 32–33. Поскольку их энергия по существу сосредоточена на одной частоте, помимо того, что они практически не создают помех другим передатчикам на соседних частотах, передатчики непрерывного излучения могут передавать на большие расстояния с заданная выходная мощность. [36] : стр.72-79 Их также можно модулировать звуковым сигналом для передачи звука. [36] : стр.72-79 Проблема заключалась в том, что не были известны методы их создания. Описанные выше усилия по уменьшению затухания искровых передатчиков можно рассматривать как попытки приблизить их выходную мощность к идеалу непрерывной волны, но искровые передатчики не могли генерировать настоящие непрерывные волны. [10] : с.4–7, 32–33.
Начиная примерно с 1904 года, передатчики непрерывного излучения были разработаны с использованием новых принципов, которые конкурировали с искровыми передатчиками. Непрерывные волны впервые были созданы с помощью двух недолговечных технологий: [36] : с.72-79.
Эти передатчики, которые могли производить мощность до одного мегаватта , постепенно заменили искровые передатчики на мощных радиотелеграфных станциях. Однако искровые передатчики оставались популярными на станциях двусторонней связи, поскольку большинство передатчиков непрерывного излучения не были способны работать в режиме, называемом «взлом» или «прослушивание». При использовании искрового передатчика, когда телеграфный ключ находился между символами Морзе, несущая волна отключалась и включался приемник, чтобы оператор мог прослушивать входящее сообщение. Это позволяло принимающей станции или третьей станции прервать или «вмешаться» в текущую передачу. Напротив, эти ранние передатчики CW должны были работать непрерывно; несущая волна не отключалась между символами, словами или предложениями азбуки Морзе, а просто расстраивалась, поэтому местный приемник не мог работать, пока передатчик был включен. Следовательно, эти станции не могли принимать сообщения до тех пор, пока не был выключен передатчик.
Все эти ранние технологии были заменены электронным генератором с обратной связью на вакуумной лампе , изобретенным в 1912 году Эдвином Армстронгом и Александром Мейсснером , в котором использовалась вакуумная лампа -триод , изобретенная в 1906 году Ли де Форестом . [1] Генераторы на электронных лампах были гораздо более дешевым источником непрерывных волн, и их можно было легко модулировать для передачи звука. Благодаря разработке первых передающих ламп большой мощности к концу Первой мировой войны, в 1920-х годах ламповые передатчики заменили дуговые преобразователи и передатчики генератора переменного тока, а также последний из старых шумных искровых передатчиков.
На Международной радиотелеграфной конвенции 1927 года в Вашингтоне, округ Колумбия, разгорелась политическая битва за окончательную ликвидацию искрового радио. [6] Искровые передатчики на тот момент уже давно устарели, а аудитория радиовещания и авиационные власти жаловались на нарушение радиоприема, которое вызывали шумные устаревшие морские искровые передатчики. Но интересы судоходства энергично сопротивлялись полному запрету на затухающие волны из-за капитальных затрат, которые потребовались бы для замены древнего искрового оборудования, которое все еще использовалось на старых кораблях. Конвенция запретила лицензирование новых наземных искровых передатчиков после 1929 года. [114] Радиоизлучение затухающих волн, называемое классом B, было запрещено после 1934 года, за исключением случаев аварийного использования на судах. [5] [114] Эта лазейка позволила судовладельцам избежать замены искровых передатчиков, которые использовались в качестве аварийных резервных передатчиков на кораблях во время Второй мировой войны.
Одним из наследий искровых передатчиков является то, что радистов регулярно прозвали «Спарки» еще долго после того, как эти устройства перестали использоваться. Даже сегодня немецкий глагол funken , буквально «зажигать», также означает «послать радиосообщение».
Генератор с искровым разрядником также использовался в приложениях, не связанных с радиотехникой, и продолжался еще долгое время после того, как он устарел в радиотехнике. В виде катушки Теслы и катушки Удена он использовался до 1940-х годов в медицинской области диатермии для глубокого обогрева тела. [115] [116] Высокие колебательные напряжения в сотни тысяч вольт на частотах 0,1–1 МГц от катушки Тесла прикладывали непосредственно к телу пациента. Лечение было безболезненным, поскольку токи радиочастотного диапазона не вызывают физиологической реакции электрошока . В 1926 году Уильям Т. Бови обнаружил, что радиочастотные токи, подаваемые на скальпель, могут разрезать и прижигать ткани во время медицинских операций, а искровые генераторы использовались в качестве электрохирургических генераторов или «Бови» еще в 1980-х годах. [117]
В 1950-х годах японская компания по производству игрушек Matsudaya выпустила линейку дешевых игрушечных грузовиков, лодок и роботов с дистанционным управлением под названием Radicon, в которых в контроллере использовался маломощный искровой передатчик в качестве недорогого способа создания сигналов радиоуправления. [118] [119] Сигналы в игрушке принимались когерерным приёмником .
Генераторы с искровым разрядником до сих пор используются для генерации высокочастотного высокого напряжения, необходимого для инициирования сварочной дуги при газовой вольфрамовой дуговой сварке . [120] Мощные генераторы импульсов с искровым разрядником до сих пор используются для моделирования ЭМИ .
Генрих Герц.переведен на английский Д.Э. Джонсом
Избирательная сигнализация.
избирательная сигнализация.
{{cite book}}: CS1 maint: несколько имен: список авторов ( ссылка )...важнейшей задачей технического обслуживания аппарата TIG является очистка и регулировка искрового промежутка.
