Беспроволочная связь

Беспроволочная связь

БЕСПРОВОЛОЧНАЯ СВЯЗЬ, связь при помощи волн электромагнитных, основанная на способности их распространяться без участия проводников. Теоретические предвидения Максвелла (1867 г.), экспериментально подтвержденные Герцем (1886—88 гг.), относительно распространения и отражения электромагнитных волн создали мысль о применимости таких волн к передаче сигналов (Э. Томсон, 1889 г.), для регистрации которых Юз (1892 г.) и независимо от него Бранли (1890 г.) предложили когерер. Лабораторные опыты по беспроволочной связи производил Тесла (1893 г.), но Попов (1895 г.) впервые применил вертикальный провод - антенну для беспроволочной связи путем знаков Морзе (дальность 4 км). Ученик Риги - Маркони, пользуясь приемным приспособлением Попова и применяя антенну для передачи (1896 г.), покрывал все большие расстояния, пока не получил (1901 г.) радиопередачу через Атлантический океан. В 1897 г. Слаби выяснил необходимость настройки, а Браун ввел замкнутый колебательный контур. В 1903 г. появился электролитический детектор (Шлемильх, Феррье, Фессенден), а в 1906 г. - кристаллический детектор, после чего прием пишущий в значительной мере уступил место приему на слух. С 1903 г. (Паульсен) получил право гражданства дуговой генератор незатухающих колебаний, которые ныне совершенно вытеснили колебания затухающие и вместе с ними и источник их - искру. В 1908 г. Гольдсмит построил первую техническую высокой частоты машину. Незатухающие колебания поставили на реальную почву радиотелефонию. Первые опыты восходят еще к 1897 г. (Фессенден), но только в 1907 г. удалось покрыть расстояние в 320 км. Громадное развитие получила беспроволочная связь за время мировой войны; за это время усовершенствовалась лампа электронная. Изобретенная Флеммингом (1905 г.) и де-Форестом (1907 г.), она сперва служила для целей детектирования. В 1914 г. Лангмюр выпустил первую пустотную лампу. В 1913 г.

Мейсснер предложил схему лампового генератора; к этому же году относятся идеи применения лампы в качестве усилителя и автодина - регенеративного приемника (см. Автодинный прием). В 1915 г. Фессенденом введен гетеродинный прием; в 1918 г. Армстронг предложил схему супергетеродинного приема, а в 1922 г. им же изобретен суперрегенеративный прием. В 1923 г. Хезлтайн дал нейтродинный прием. Замену открытых антенн замкнутыми первый предложил Браун (1899 г.). Направляющие свойства рамки запатентованы впервые де-Форестом (1904 г.). Радиогониометр изобретен Беллини и Този в 1908 г. Инициатива применения на весьма большие расстояния коротких волн ниже 100 м, для радиосвязи вообще, а направленной радиосвязи в частности, принадлежит Маркони (1922—24 гг.).

Способы возбуждения (генерации) колебаний. Для возбуждения электрических колебаний, необходимых для создания электромагнитных волн, пользуются колебательным контуром из самоиндукции и емкости, возбуждаемым: 1) либо способом разряда в газах неразреженных (искра, дуга) или весьма сильно разреженных (электронная лампа), 2) либо машиной высокой частоты. С этим колебательным контуром связывается различными способами отправительная антенна. Во всех случаях получающаяся в колебательном контуре частота колебаний определяется практически формулой Томсона:

Получающаяся в колебательном контуре частота колебаний определяется практически формулой Томсона

где С - емкость, L - самоиндукция контура, c- скорость света, λ - длина волны.

Примерная схема искрового возбуждения представлена на фиг. 1.

Примерная схема искрового возбуждения

Источник тока высокого напряжения (трансформатор, аккумуляторная батарея, реже - индукторная катушка, еще реже - генератор постоянного тока) вызывает искровой разряд на разряднике разр. Реактивные катушки D, D преграждают путь колебаниям контура в источник и часто также служат для создания «резонанса низкой частоты». За время разряда конденсатор С разряжается колебательно через самоиндукцию L и искровой промежуток разр. Колебания получаются затухающие и длятся, пока не исчерпается вся энергия, запасенная конденсатором в промежуток времени между двумя разрядами. Колебания контура LC возбуждают в свою очередь, благодаря тому или иному виду связи (на фиг. 1 указана индуктивная связь), колебания той же частоты в антенном контуре А. Каждому отдельному разряду соответствует группа затухающих электромагнитных волн, посылаемых антенной (фиг. 2).

Каждому отдельному разряду соответствует группа затухающих электромагнитных волн, посылаемых антенной

Искровые способы ныне почти в связанных колебательных контурах вышли из употребления. Однако этим способом получаются наиболее короткие волны (до долей мм). Искровые радиостанции ныне встречаются чаще всего в виде судовых установок мощностью в антенне от долей kW до десятка kW. В первые 15—20 лет существования беспроволочной связи практически работавшие радиостанции были почти исключительно искрового типа и строились тогда мощностью от десятков W до сотен kW. По техническому выполнению современные искровые станции отличаются конструкцией разрядника и делятся на две главные группы: а) с неподвижным разрядником и б) с вращающимся разрядником. В обеих группах осуществляется ударное возбуждение, характеризующееся деионизацией искрового промежутка, благодаря которой в замкнутом контуре К колебания быстро затухают, а в антенном А продолжаются дольше, за счет энергии, переданной из контура К (фиг. 2). При неподвижных разрядниках (первая группа) одной из современных конструкций (Вина) деионизация достигается устройством подразделенного разрядника с очень небольшой (0,2 мм) длиной искры в каждом искровом промежутке и усиленным охлаждением, получающимся благодаря применению больших металлических ребер хорошей теплопроводности. Во второй группе быстрая деионизация достигается устройством вращающихся (одного или обоих) электродов. При приеме на телефон сигналов обеих групп станций получается ощущение музыкального тона (отсюда название «тональная передача»), высота которого равна числу искр в 1 сек. в разряднике передающей станции; высота тона колеблется от 300 до 2000 колебаний в 1 сек. Обычно источником тока служит машина повышенной частоты (200—1000 периодов в 1 сек.), вращаемая каким-либо из первичных двигателей. Регулировка энергии достигается: в первой группе - изменением числа искровых промежутков и напряжения на машине повышенной частоты; при вращающемся разряднике - изменением расстояния между электродами и регулировкой напряжения. Мощность определяется формулой

besprovol svjaz 4

где v - число искр, С - емкость, V - напряжение при начале разряда. Ключ для передачи сигналов устанавливается в цепи низкого напряжения.

Значительно совершеннее дуговой способ. Схема этого способа в принципе такая же, как и способа искрового, только разрядник заменен б. или м. мощности дуговым генератором. Непрерывно горящая (в атмосфере водорода) дуга дает незатухающие колебания; их происхождение основано на существовании у дуги падающей характеристики. Хотя эпохой распространения дуговых генераторов следует считать только период 1905—1925 гг., однако и ныне еще постоянно эксплуатируется немало дуговых радиостанций мощностью от 100 W до 3000 kW (Голландская Индия). При правильной регулировке дугового генератора соотношения входящих в его схему величин должны быть (схема фиг. 3):

При правильной регулировке дугового генератора соотношения входящих в его схему величин должны быть

В схеме: Rn.m. - пусковое сопротивление; D - реактивная катушка, защищающая источник постоянного тока от токов высокой частоты; L и С - самоиндукция и емкость, определяющие период колебаний (по формуле Томсона). Дуговые радиостанции работают колебаниями 2-го рода. Дуговые передатчики различаются между собой главным образом по конструкциям и типам деионизирующих устройств, так как при колебаниях этого рода дуга должна за каждый период потухать на некоторое время. Такими устройствами служат: сильное магнитное поле (магнитное дутье); помещение дуги в водородную атмосферу (керосин, этиловый спирт), вращение электродов дуги, охлаждение их и огневой камеры, в которой горит дуга. Обычно в качестве электродов употребляются медные аноды и угольные катоды. Для питания дуговых генераторов требуется источник постоянной ЭДС напряжением 400—1200 V. Схемы включения: простая, когда дуга находится прямо в антенном контуре, и сложная (фиг. 3). Посылка сигналов ключом происходит большей частью путем замыкания накоротко части удлинительной катушки (при этом излучается вторая «негативная» волна). Разрез 15-киловаттного дугового генератора изображен на фиг. 4.

Разрез 15-киловаттного дугового генератора

Машина высокой частоты представляет собой наиболее естественный с технической стороны способ возбуждения колебаний. В ней высокочастотный ток возбуждается в сущности так же как обычный «технический» переменный ток в альтернаторах: в неподвижных обмотках статора индуктируется высокочастотная ЭДС от быстровращающегося ротора с железными зубцами; прохождение этих зубцов вблизи обмоток меняет магнитный поток в них. Такие машины дают, однако, сравнительно малую частоту; недостаток этот лишь отчасти устраняется специальными умножителями частоты.

Машины высокой частоты (сокращенно - МВЧ) делятся на две группы: с внутренним, в самой МВЧ, умножением частоты и с внешним умножением, помощью стационарных умножителей частоты. Ток от МВЧ проходит в настроенный на заданную длину волны контур, связываемый с антенной; получаемые колебания - незатухающие, пригодные и для телеграфной, и для телефонной беспроволочной связи. Станции с МВЧ стали строить для эксплуатации беспроволочной связи лет 15—20 назад; большинство ныне существующих радиостанций для коммерческой связи на длинных волнах на большие расстояния (мощностью в десятки и сотни kW) - машинного типа. На фиг. 5 дан эскиз конструкции МВЧ Александерсона, принадлежащей к первой группе МВЧ.

Эскиз конструкции МВЧ Александерсона

На роторе помещены зубцы с впадинами, заполненными немагнитным материалом; на статоре расположены две обмотки: 1) возбуждения - а, по которой проходит намагничивающий постоянный ток, и 2) зигзагообразная переменного тока - b, расположенная по обе стороны ротора. Если z - число зубцов и n - число об. мин, то частота получаемого тока определяется формулой: f = z∙n/60 циклов в сек. МВЧ первой группы дают частоту в 10000—100000 циклов (периодов) в секунду. В установках второй группы основная частота (f = 5000—10000 циклов в сек.) получается с помощью МВЧ. Дальнейшее повышение частоты достигается умножителями частоты, представляющими собой особого вида трансформаторы с намагничивающей (постоянного тока) обмоткой или без нее. На фиг. 6 дана схема установки МВЧ Арко с умножителями.

Схема установки МВЧ Арко с умножителями

Вторичные обмотки трансформаторов А и В включены навстречу; намагничивающий постоянный ток получается от динамо М; для подачи сигналов в контуре удвоенной частоты находится реактивная катушка (Tastdrossel) Т, самоиндукция которой изменяется в зависимости от замыкания постоянного тока посредством реле R, соединенного с ключом. В последние годы с помощью особых умножителей частоты Лоренц получил частоты до f = 750000 циклов в сек., соответствующие волнам до 450 м, используя МВЧ с основной частотой в 7300 циклов в сек.

Наибольшим совершенством обладают безусловно генераторы с электронными лампами, отличающиеся значительным постоянством частоты и амплитуды. Из весьма большого числа возможных и применяемых схем на фиг. 7 показана одна из них - схема с колебательным контуром в цепи анода с индуктивной связью на сетку.

схема с колебательным контуром в цепи анода с индуктивной связью на сетку

Колебания в контуре La.Ca. возбуждают на сетке благодаря индукционному действию между катушками Lc. и La. переменную ЭДС, которая при правильно подобранном взаимном расположении Lc. и La. посылает импульсы анодного тока лампы сквозь колебательный контур т. о., что они «подталкивают» колебания контура как раз в нужные моменты. Если при этом

besprovol svjaz 10

(где S - крутизна характеристики лампы и Rвн. - ее внутреннее сопротивление), то колебания контура получаются незатухающими. Антенна связывается с ламповым генератором примерно так же, как и с другими.

Схема лампового генератора с промежуточным контуром

Ламповые передатчики, появившиеся в последние 10—14 лет, ныне почти вытеснили все другие способы возбуждения колебаний; только для радиосвязи на большие расстояния на длинных волнах установки МВЧ еще конкурируют с ламповыми радиостанциями. Последние встречаются мощностью от единиц W до сотен kW и позволяют получать энергию практически любой частоты - от 1 цикла в сек. до 1010 (т. е. волны длиной от 300000 км до нескольких см). По схемам осуществления изложенного выше принципа ламповые передатчики можно разделить на категории: 1) простая схема (фиг. 7) и сложная схема с промежуточным контуром (фиг. 8); 2) генератор с самовозбуждением (фиг. 7) и генератор с независимым возбуждением (колебания, полученные по фиг. 7, далее только усиливаются лампами, имеющими мощность в 10—20 раз большую сравнительно с первым каскадом, называемым возбуждением). Кроме того, ламповые передатчики различаются также и по роду источников питания анода лампы (высокое напряжение) и нити лампы (для накала), от которых часто зависит характер передаваемых сигналов. В обоих случаях (для анода и нити) источниками питания могут служить: батарея, машина постоянного тока (напряжение на анод в мощных лампах требуется до 15000 V и выше), машина переменного тока (с частотой от 50 до 10000 циклов в сек.). В последнем случае ток или выпрямляется с помощью ртутных или ламповых выпрямителей, или подается на нить и анод лампы без выпрямления.

Радиотелеграфный передатчик Треста заводов слабого тока

На фиг. 9 изображен радиотелеграфный передатчик Треста заводов слабого тока, на фиг. 10 - одна из генераторных ламп.

Генераторная лампа

Ламповый генератор небольшой мощности по простоте устройства и чрезвычайной гибкости схем его воспроизведения резко выделяется из среды прочих способов возбуждения высокой частоты и потому нашел громадное распространение среди радиолюбителей, особенно в применении к коротким волнам (см. далее). На фиг. 11 дана одна из схем любительских станций.

Схема передающей любительских станций

Способы излучения электромагнитной энергии. Излучение электромагнитной энергии в форме электромагнитных волн осуществляется различного типа антеннами. Разомкнутые антенны представляют собой развитие вибратора (диполя) Герца, который состоит (фиг. 12) из медного стержня с медными же пластинками (или шарами) на концах, служащими для увеличения емкости.

Вибратор (диполь) Герца

В этой системе тем или иным способом возбуждаются электрические колебания (у Герца в середину стержня был введен искровой промежуток, теперь обычно подобный вибратор возбуждается от генератора незатухающих колебаний). Изменяя взаимное расстояние пластинок на концах вибратора, добиваются настройки (резонанса) вибратора на частоту (волну) генератора, причем в образующейся па вибраторе стоячей волне на концы вибратора приходятся пучности напряжения и узлы тока.

Процесс излучения легче всего представить с точки зрения фарадеевских силовых линий, ведущих себя как упругие нити. При возбуждении вибратора электрические заряды бегут из его середины к концам: положительные (+) в одну сторону, отрицательные (—) - в противоположную (бегущая волна в проводнике); так же двигаются и связанные с ними электрические силовые линии, соединяющие (+) и (—) заряды. У концов вибратора происходит отражение, заряды с силовыми линиями бегут обратно, сталкиваясь с зарядами противоположного знака, подходящими от середины. В результате встречаются вместе (+) и (—) (концы различных, т. е. взаимно противоположного направления, силовых линий), вследствие чего отрезки различных силовых линий соединяются вместе, а сами линии образуют замкнутые кривые, не опирающиеся уже более на проводник. Все новые и новые линии, образующиеся на вибраторе, оказывают давление на оторвавшиеся линии, и последние уносятся в пространство со скоростью света. Процесс отрывания линий носит иногда название «отшнуровывания». Фиг. 13 дает картину (разрез) электрических линий вибратора в момент времени t (в долях периода Т колебания вибратора).

Силовые линии излучающего вибратора

Магнитные линии также уносятся с электрическими, будучи везде перпендикулярными к электрическим. Из фиг. 13 видно, что наибольшая густота линий (наибольшая сила поля Е) приходится на экваториальную плоскость вибратора, наименьшая Е - на ось вибратора. Излучаемая вибратором мощность м. б. представлена в виде уравнения

Излучаемая вибратором мощность

где Iд. - действующая сила тока - besprovol svjaz 18 (I0 – амплитуда тока в середине симметричного вибратора), а Rиз. - сопротивление излучения - величина, характеризующая излучательную способность вибратора, подобно тому, как, например, обычное сопротивление характеризует способность проводника выделять тепло Джоуля. Rиз. зависит от отношения геометрической длины l вибратора к длине излучаемой им (при настройке на резонанс) волны λ, а именно, пока размеры вибратора (т. е. I) малы по сравнению с λ,

besprovol svjaz 19

Для вибратора в виде прямолинейного стержня длиной λ/2 имеем более точно: Rиз. = 73,2 Ω. На практике нижнюю половину вибратора заменяют заземлением; получают заземленный вертикальный провод высотой h = l/2 (фиг. 14).

Заземленный вертикальный провод

Вследствие неравномерного распределения тока в таком проводе излучение, производимое им, можно представить как действие некоторого фиктивного вибратора длиной hд., у которого ток имеет везде то же значение, что и в пучности; hд. носит название действующей высоты вибратора. Для вертикального заземленного провода, имеющего hгеом. = λ/4, имеем: hд. = 2hг./π. Принимая в расчет излучение лишь в верхнее полушарие, получаем из предыдущей формулы:

besprovol svjaz 21

Из формулы явствует выгодность устройства высоких антенн; но т. к. стоимость сетевых опор для поддержки антенны возрастает пропорционально h2, то понятно стремление не выходить за пределы 150—250 м и, кроме того, использовать минимум мачт для подвески максимума антенн. На фиг. 15 показана установка антенн мощных (50-kW и 10-kW) передатчиков радиостанции близ Будапешта:

Установка антенн мощных (50-kW и 10-kW) передатчиков радиостанции близ Будапешта

1 и 2 - металлические мачты по 150 м (вес каждой - 45 тонн), 3 - ряд деревянных мачт по 20 м, 4 - столбы для оттяжек по 20 м, А - главная антенна, В - две полузонтичных антенны, С - здание станции, F, G, D, Е - служебные помещения. На фиг. 15 толстые линии - провода антенны, тонкие - оттяжки.

Распространение электромагнитных волн. Сила электрического поля Е(Индекс «2» здесь и дальше относится к воспринимающему электромагнитную энергию устройству, индекс «1» - к излучающему устройству) в месте приема, определяющая вместе с действительной высотой h2д. и сопротивлением R2 силу приемного тока I2 соотношением

besprovol svjaz 23

зависит, кроме силы тока в отправительной антенне I1 и ее действующей высоты h1д., от следующих факторов: расстояния от передающей антенны d, проводимости σ и диэлектрического коэффициента ε почвы, длины волны λ, кривизны земной поверхности и свойств атмосферы (ионизация).

Теоретическая формула (Зоммерфельд, Пуанкаре, Никольсон) для поля у поверхности земли дает:

Теоретическая формула (Зоммерфельд, Пуанкаре, Никольсон) для поля у поверхности земли

где все длины даны в км, а ϴ - центральный угол между земными радиусами, проведенными к передающей и приемной антеннам.

Практическая формула Остина определяет значение той же величины:

Практическая формула Остина

где длины - в км, I1 - в А, Е2 - в V/м. Измерения дают вообще довольно сильно различающиеся между собой числа, соответствующие то теоретической, то практической формуле. Обе приведенные формулы относятся к большим по сравнению с λ [волновая зона] расстояниям, при которых форма передающей антенны на величину силы электрического поля не влияет.

Волны, излучаемые передающей антенной, математически удобно разбить: 1) на систему объемных волн, распространяющихся в атмосфере, 2) на систему поверхностных волн, распространяющихся вдоль земной поверхности, 3) на систему волн, проникающих вглубь земли. Последние волны слабы (например, в морской воде при λ = 630 м амплитуда падает в десять раз на глубине 1,7 м); на больших расстояниях поверхностные волны тем сильнее преобладают над объемными, чем меньше λ, σ и ε. Теоретическая формула выведена в предположении, что почва имеет проводимость металла (σ = ∞). Если σ конечна, то уменьшение амплитуды с расстоянием происходит еще в силу образования поверхностной волной тепла Джоуля (абсорбция - поглощение); γ - коэффициент поглощения - тем значительнее, чем меньше λ, σ, ε. Отсюда, между прочим, становится ясной с этой точки зрения, т. е. без учета влияния атмосферы, большая целесообразность применения длинных λ. Благодаря малой σ сухая почва ослабляет волны гораздо значительнее, чем морская вода. Поэтому станции, предназначенные для связи через море, нужно ставить как можно ближе к берегу. Беспроволочная связь по морю при той же затраченной мощности и при тех же средствах приема, что и по суше, значительно дальше. Действие почвы сказывается еще в наклоне электрических силовых линий вперед по движению волны. Т. о. поле Е имеет две слагаемые: Ев. - перпендикулярно земной поверхности и Ег. - параллельно ей. Отношение Ег.в., очень малое при σ > 10-11, доходит до 0,1 при σ около 10-13 и до 0,7 при σ = 10-16 и ε = 2. Силовые линии магнитного поля Н параллельны поверхности земли и перпендикулярны направлению распространения волны.

Атмосферные осадки (дождь, снег) увеличивают σ и ε почвы, уменьшая тем самым поглощение и эллиптическую поляризацию. Подпочвенные воды влияют аналогично, - естественно, тем значительнее, чем на меньшей глубине они находятся. Горы, высокие строения, даже деревья являются препятствием для распространения электромагнитных волн, давая «электромагнитную тень», тем более резко выраженную, чем короче λ. Гористые или лесистые местности дают уменьшение дальности порядка 50%. Здания на пути электромагнитных воли влияют гл. обр. своими металлическими частями, поглощая энергию. Но телеграфные и другие линии, а также железнодорожные пути, направление которых примерно соответствует направлению распространения волн, увеличивают дальность действия иногда весьма значительно. Аналогичное действие оказывают водные пространства и реки. При этом волны распространяются, следуя за изгибами проволочных и рельсовых линий и рек, в особенности же по морским проливам. Наблюдается также и отражение электромагнитных волн от гор и берегов, а также и при переходе от почвы с данными σ и ε к почве с другими σ и ε.

При оценке влияния атмосферы необходимо от непосредственного ее влияния отделять влияние косвенное, выражающееся в изменении свойств почвы, а также, например, изоляции антенны осадками всякого рода (дождь, снег, роса, иней). Под прямым действием атмосферных факторов подразумевается действие ионизации, влажности, облачности, давления и температуры атмосферы, как среды, в которой распространяются волны. Ионизация, - источником которой является действие солнечных лучей (гл. образ, ультрафиолетовых), затем радиоактивные эманации почвы и выбрасываемые солнцем электроны (причина северных сияний), - изменяет σ и ε воздуха, что, разумеется, не может не отразиться на величине поглощения и на форме кривой «электромагнитных лучей». Хивисайд высказал предположение, что на высоте около 80—90 км существует сильно проводящий слой, и передача т. о. происходит между двумя концентрическими шаровыми проводящими поверхностями в слабо проводящей атмосфере. Существованием этого слоя объясняют нередко наблюдаемые зоны молчания на расстоянии нескольких сот км от передатчика, за которыми вновь следуют зоны хорошего приема. Дело обстоит так, как если бы электромагнитный луч, выходя параллельно земной поверхности, ударялся в верхний слой и отражался от него вновь к земле. Наблюдались и вторичные отражения от земли с новой зоной молчания и слышимости. Однако такое упрощенное представление не может объяснить многих обстоятельств, например, факта устойчивой передачи (на длинных λ) днем и неустойчивой, но в среднем гораздо более сильной, передачи ночью, а также факта резких колебаний приема при заходе и восходе солнца и при солнечных затмениях.

При прочих равных условиях различные λ дают различную дальность действия (фиг. 16): переходя с длинных λ к коротким, мы при λ около 1000 м получаем настолько сильное уменьшение дальности, что долгое время более короткие λ считались непригодными для связи на большие расстояния.

При прочих равных условиях различные λ дают различную дальность действия

Однако опыты последних лет показали, что весьма короткие λ (порядка немногих десятков метров) дают при малой сравнительно с обычными λ затраченной мощности колоссальные дальности, хотя связь оказывается менее надежной и подверженной внезапным нерегулярным перерывам [замираниям]. Вызываемая ионизацией атмосферы местная электризация в ней дает начало разнообразным электромагнитным возмущениям, действующим на приемные приспособления и сильно мешающим приему. Эти «атмосферные разряды» нередко способны сделать прием совершенно невозможным или во всяком случае чрезвычайно его усложняют (см. Атмосферные помехи).

Радиотелефония. Беспроволочная связь в ее практических применениях до последнего времени выражалась в радиотелеграфии (передача сигналов азбуки Морзе) и радиотелефонии, если не считать отдельных как лабораторных, так и коммерческих установок по беспроволочной передаче изображений. Радиотелефония основывается на изменении амплитуды I0 (а вместе с тем и угловой частоты w) колебательного тока передатчика подводимыми к микрофону звуковыми колебаниями (звуковая модуляция). Опыты радиотелефонии с затухающими колебаниями давали сколько-нибудь сносные результаты только при очень большом числе перерывов в сек.; в настоящее время в радиотелефонии применяются исключительно незатухающие колебания (см. выше). Для модулирования в маломощных передатчиках можно пользоваться методом поглощения (абсорбции) энергии передатчика, помещая микрофон либо непосредственно в передающую антенну, либо в связанный с нею индуктивно колебательный контур (фиг. 17 и 18).

Схема модулирования в маломощных передатчиках

При больших мощностях этот способ неприменим не только из-за малой пропускной способности микрофона, но и из-за неэкономичности этого способа.

У дуговых и машинных передатчиков модуляцию обычно производят, меняя частоту колебаний, путем изменения самоиндукции колебательного контура переменным микрофонным током. У передатчиков ламповых модуляционные способы распадаются на два главнейших класса: модуляция на сетку и модуляция на анод.

а) Модуляция на сетку. Здесь при малых мощностях переменный микрофонный ток индуктивно возбуждает на сетке генератора переменные ЭДС звуковой частоты (фиг. 19), меняющие режим, т. е. амплитуду колебаний;

При малых мощностях переменный микрофонный ток индуктивно возбуждает на сетке генератора переменные ЭДС звуковой частоты

при больших мощностях заставляют сеточный ток генератора проходить через особую модуляторную лампу М (фиг. 20), нить которой соединяется с сеткой генераторной лампы, анод - с нитью генераторной лампы.

При больших мощностях заставляют сеточный ток генератора проходить через особую модуляторную лампу

Модуляторная лампа проводит сеточный ток генераторной лампы тем лучше, чем больше положительное напряжение на ее сетке. Последняя соединена с трансформатором, питаемым микрофонным током. Эту схему иногда совершенствуют, присоединяя параллельно модуляторной лампе подходящий конденсатор С, который вместе с лампой образует гридлик. Обычно мощность модуляторной лампы составляет около 10% генератора; поэтому при больших мощностях приходится подавать на сетку модуляторной лампы переменную ЭДС звуковой частоты не непосредственно от трансформатора, а с помощью большего или меньшего числа каскадов специального усилителя.

Модуляция на анод (Хизинг). В этом способе модуляторная лампа (такой же мощности, как и генераторная) влияет либо на силу анодного тока (фиг. 21) - параллельное соединение генератора и модулятора, либо на анодное напряжение (фиг. 22) - последовательное включение генераторной лампы.

Схема лампового передатчика с модуляцией на анод

При параллельном соединении ток машины разветвляется между обеими лампами; при разговоре в микрофон модуляторная лампа пропускает ток лучше или хуже, в зависимости от мгновенных значений напряжения на ее сетке; а т. к. благодаря реактивной катушке D ток машины остается без изменения, то на долю генераторной лампы приходится также меньше или больше тока; благодаря этому колебания генератора соответственно ослабевают и усиливаются, т. е. модулируются.

Схема лампового генератора с модуляцией на анод

Мощность модулятора переносится при этом в генератор, так что общая мощность схемы соответствует мощности обеих ламп. При схеме последовательного включения (фиг. 22) модуляторная лампа поглощает большую или меньшую часть анодного напряжения, в зависимости от фазы ЭДС на ее сетке, что также вызывает модуляцию генератора.

Пусть w и Ω - угловые частоты тока высокой частоты от генератора и тока звуковой частоты от микрофонного контура. Можно допустить, что при модуляции амплитуда I0 тока генератора I0∙sin wt меняется по закону I0(1 + k∙sin Ωt), где k носит название коэффициента модуляции; очевидно, что k≤ 1; 100k% дает «глубину модуляции в %». Таким образом модулированный ток представится в виде:

Модулированный ток представится в виде

что указывает на присутствие в модулированном колебательном токе трех слагаемых с амплитудами I0, kI0/2, kI0/2 и угловыми частотами w, w + Ω и w— Ω. Так как Ω = 2πF практически меняется примерно от 200 до 60000, в зависимости от высоты тона действующего на микрофон звука, то «несущий ток» I0∙sin w сопровождается двумя боковыми полосами с частотами от (w+ 600) до (w + 60000), с одной стороны, и от (w— 600) до (w— 60000) - с другой.

Боковые полосы частот

Присутствие боковых полос (фиг. 23), «расстояние» которых (измеряемое через (w + Ω)/w– (w– Ω)/w) - очевидно, тем значительнее, чем меньше w, заставляет применять приемник с тупой резонансной кривой, чтобы боковые полосы также «попали» в приемник. Возможно вести передачу на одной только боковой частоте, например, w + Ω. Для этого применяется генератор с посторонним возбуждением от маленького генератора; модулированный ток последнего специальным фильтром очищается от несущего тока и другой боковой частоты; т. о. в антенну попадает только слагаемая besprovol svjaz 34, что дает экономию в передаваемой мощности, равную besprovol svjaz 35 Эта экономия тем больше, чем менее глубока модуляция. На приемной радиостанции недостающие слагаемые с w и w—Ω оказывается легко заменить действием на приемник гетеродина с частотой несущего тока w (или применением регенеративного приема в состоянии генерации). Получающиеся биения дадут тогда звуковую частоту w + Ω — w = Ω. Подобная система применена для устройства радиотелефонной связи между Англией (500-kW станция в Регби) и США (примерно той же мощности станция в Рокки-Пойнт).

Направленные передача и прием. Обычный вертикально поставленный диполь или вообще антенна, симметричная относительно вертикальной оси, дает (отвлекаясь от возможных неоднородностей почвы и атмосферы в различных направлениях) одинаковую дальность по всем азимутам. Однако несимметричные антенны дают большую или меньшую направленность действия как передачи, так и приема. К идеалу направленной радиосвязи приближается, давая почти параллельный пучок, устройство из зеркала в виде параболического цилиндра и вертикальной антенны в фокальной линии зеркала. Подобное устройство возможно (и применяется, с некоторым видоизменением, Маркони для очень дальней радиосвязи) только для коротких λ, т. к. зеркало д. б. по своим размерам сравнимо с λ. До известной степени запросам направленной радиосвязи отвечает система из двух (вертикальных) антенн (Ценнек), расположенных на определенном расстоянии d друг от друга, в которых тем или иным способом создаются колебания со сдвигом фаз ϕ. Тогда волны обеих антенн интерферируют друг с другом, причем для данного азимута ϑ (отсчитываемого от общей плоскости антенн), если силы полей Е, даваемых каждой взятой отдельно антенной, одинаковы, получаем для результирующей силы поля Ерез. на большом расстоянии от антенны:

besprovol svjaz 36

«Степень направленности» данной системы характеризуется полярной диаграммой, на которой откладывается Е в функции ϑ.

Диаграмма направленности антенн А и В

Для случаев ϕ = 0, при d = λ/4 и λ/2, и ϕ = 180°, при d ≤ λ и 3/4 λ, даны такие диаграммы на фиг. 24 и 25 (крестами обозначены следы вертикальных антенн).

Диаграмма направленности антенн А и В

Все эти диаграммы симметричны относительно перпендикуляра к прямой, соединяющей антенны; можно, однако, создать и «односторонние диаграммы», подбирая besprovol svjaz 39 Например, фиг. 26 дает случай d = λ/4 (при ϕ = 180° ± 90°).

Диаграмма односторонней направленности антенн А и В

Практическое осуществление по этому принципу получил направленный радиоприем в конструкции радиогониометра системы Беллини-Този. В этой системе использован принцип интерференции колебаний с ϕ = 180° и d << λ. Для того, чтобы сделать возможным подвеску обеих антенн к одной только мачте, эти антенны всегда делают наклонными. Большинство современных профессиональных приемных радиостанций использует такие радиогониометры.

Иной путь к достижению направленности представляют антенны с сильно развитой асимметричной горизонтальной частью, в частности Г-образные антенны (Маркони), излучающие и принимающие преимущественно со стороны «колена» (фиг. 27).

Кривая излучения Г-образной антенны А

Но это направленное действие проявляется только при малом σ почвы и малых удлинениях собственной волны. К подобным же антеннам относятся наклонная и горизонтальная антенны.

Другой способ достижения направленности – применение замкнутых антенн и рамок. Их действие как приемного устройства сводится к действию ЭДС, возбуждаемой в рамке переменным магнитным полем приходящей волны. Эта ЭДС достигает наибольшей величины, когда плоскость рамки проходит через антенну отправителя.

Прием электромагнитных волн. При достижении электромагнитной волной приемной антенны часть силовых линий этой волны отбрасывается назад, образуя отраженную волну, а другая часть «прилипает» к антенне; при этом в местах входа и выхода линии (вверху и внизу, фиг. 28) образуются соответственно отрицательные и положительные заряды, тем более значительные, чем больше густота линий, прилипающих в данный момент к антенне.

Прилипание силовых линий к приемной антенне

По мере продвижения волны заряды сперва растут, затем снова начинают убывать, взаимно уничтожаясь, в зависимости от фазы волны, наконец, меняют знак и т. д. При этом в антенне наблюдается колебательное передвижение зарядов попеременно от центра к концам и обратно, т. е. стремится образоваться стоячая волна с пучностями напряжения на концах. Разумеется, это колебание в свою очередь порождает излучение некоторой новой электромагнитной волны, фаза которой примерно противоположна фазе волны приходящей. При настройке на резонанс, амплитуда тока и напряжения на антенне достигают наибольшей величины. Сила тока в антенне определяется при этом, по закону Ома, силой поля приходящей волны, с одной стороны, и действующей высотой, и полным сопротивлением приемной антенны (т. е. суммой сопротивлений ваттного R и излучения ее же Rиз.) - с другой:

besprovol svjaz 43

Теория дает для количества энергии, поглощаемой в 1 сек. приемной антенной в лучшем случае, а именно, когда ваттное сопротивление R равно сопротивлению излучения приемной антенны, приближенное выражение:

besprovol svjaz 44

Это означает, что при приеме, например, вблизи радиовещательной станции, работающей на λ = 500 м, в пункте, где сила поля ее равна 10000 мкV/м, в наилучшем случае можно изъять из поля мощность около 4 mW; то же количество энергии (в 1 сек.) излучается обратно приемной антенной.

Приемные устройства. Назначение приемной радиостанции состоит в том, чтобы: 1) уловить распространяющиеся в пространстве электромагнитные волны и 2) при помощи особого комплекса приборов сделать их доступными нашим органам чувств. Первая задача выполняется антенной, вторая - различного рода детектирующими приспособлениями в связи с каким-либо приемником, например, телеграфным аппаратом или телефоном. Приемная антенна, в противоположность отправительным антеннам, устраивается из одного или двух проводов; большая высота антенны здесь также желательна. Превращение воспринятых антенной электромагнитных колебаний в осязаемую (например, посредством телефона) форму происходит путем детектирования их. В простейшем виде это осуществляется включением в антенну детектора, обладающего способностью пропускать колебания преимущественно в одном определенном направлении. Вследствие этого в телефон, приключенный к детектору, попадает выпрямленный ток, пульсирующий с двумя частотами - высокой и низкой. Ток высокой частоты замыкается накоротко либо через специально шунтирующую емкость (блокировочный конденсатор), либо через емкость шнуров телефона; ток же низкой частоты приводит в действие мембрану телефона. На практике детектор обычно помещают не в самую антенну, а в особый контур, связываемый с антенной, чем при рациональном устройстве достигается несравненно лучшая настройка, без ослабления приема. Из детекторов для измерений применяются термоэлементы, бареттеры и иные чувствительные тепловые приборы; для практических целей приема - детекторы ламповые и (гл. обр. у радиолюбителей) детекторы кристаллические. При приеме незатухающих колебаний обычно пользуются приемом на биения.

Схема приемника с кристаллическим детектором

Фиг. 29 дает одну из схем приемника с кристаллическим детектором, фиг. 30 - регенеративный ламповый приемник с гридликом.

Регенеративный ламповый приемник с гридликом

В приемных устройствах широко пользуются усилителями, увеличивающими дальность действия в десятки и сотни раз и допускающими пользование приемными рамками вместо высоких антенн и применение громкоговорителей. Хороший приемник должен обладать высокой избирательностью, что достигается уменьшением всякого рода потерь (тепло Джоуля в проводах, токи Фуко, нагревание диэлектриков), а усилитель при значительном усилении не должен давать шумов, которые могут мешать приему.

Кристаллические детекторы представляют собою обыкновенно сочетание минерала и металла или же сочетание двух разнородных минералов. В детекторах ламповых используют то свойство электронной лампы, по которому при приложении к сетке переменного напряжения какой-либо частоты в цепи анода получается ток преимущественно одного направления, но изменяющийся по величине. В регенеративном приемнике использована способность лампы быть и генератором высокой частоты (гетеродином), и детектором. Генерация высокой частоты в таком приемнике получается благодаря обратному воздействию токов, протекающих в цепи анода, через катушку обратной связи на колебательный контур в цепи сетки лампы. Такой приемник пользуется большим распространением, так как им можно принимать затухающие колебания, радиотелефон и незатухающие колебания со значительным усилением.

Усилители, применяемые в радиотехнике, основаны на свойстве электронной лампы давать в цепи анода сравнительно большой ток, когда к «сетке-нити» лампы прикладывается небольшое напряжение. В зависимости от частоты подводимого к лампе напряжения различают усилители низкой частоты (УНЧ) и усилители высокой частоты (УВЧ). Полученный в цепи анода ток заставляют протекать через большое сопротивление или реактивную катушку, в результате чего на зажимах их получается напряжение, в несколько раз превышающее напряжение на зажимах «сетка-нить»; при этом в цепи анода за счет энергии батареи получается значительно большая энергия, чем потребленная в цепи сетки. Ко всякому усилителю предъявляется требование, чтобы он, кроме большого усиления, также в точности, без всякого искажения воспроизводил сигналы, приложенные к цепи сетки; это будет иметь место лишь в том случае, когда анодный ток будет пропорционален напряжению на сетке. Поэтому для усиления без искажений надо выбрать на характеристике лампы [кривая Iан. = f(Vc.)] ее прямолинейную часть (АВ, фиг. 31).

besprovol svjaz 47

Усиление, даваемое самой лампой, характеризуется коэффициентом усиления напряжения k0.

Схема усилителя с сопротивлением

Различают три главных категории усилителей: 1) усилитель с сопротивлением (фиг. 32) - усиление определяется формулой:

besprovol svjaz 49

где Rвн. - внутреннее сопротивление (нить-анод) лампы, R– внешнее сопротивление; на практике R выбирают обыкновенно = 2—2,5 Rвн.; так, например, для лампы типа Р-5 (Треста заводов слабого тока), имеющей Rвн. = 25000 Ω, внешнее сопротивление д. б. порядка 70000 Ω; соответственно для лампы Микро, имеющей Rвн. = 22000—33000 Ω, внешнее сопротивление желательно порядка 55000—80000 Ω;

Усилитель с реактивной катушкой

2) усилитель с реактивной катушкой (фиг. 33) - если пренебречь ваттным сопротивлением реактивной катушки по сравнению с ее индуктивным сопротивлением (Х = 2 πfL), то усиление выразится формулой:

besprovol svjaz 51

на практике значение X должно быть возможно большим, не меньше 2Rвн.; 3) усилитель с настроенной анодной цепью - применяется преимущественно в УВЧ; контур LCR (фиг. 34) настраивается в резонанс с усиливаемой частотой, сопротивление контура для анодного тока

Схема усилителя с настроенной анодной цепью

кривая изменений усиления в зависимости от частоты дает максимум, когда усиливаемая частота равна собственной частоте контура (фиг. 35).

Кривая усиления

Этот метод усиления обладает, очевидно, большой избирательностью - способностью отстраиваться от мешающего действия передающих радиостанций, работающих на близких к принимаемой волнах. Рассмотренные типы усилителей представляют одну стадию усиления. На практике они соединяются последовательно, каскадом, причем связь между каскадами может осуществляться как автотрансформаторным, так главным образом и трансформаторным путем; если каждая ступень дает усиление в шесть раз, то после двух ступеней получится усиление в 36 раз, и т. д.

Схема 3-лампового приемника с одной ступенью УВЧ, ламповым детектором Д и одной ступенью УНЧ

На фиг. 36 дана распространенная схема 3-лампового приемника с одной ступенью УВЧ, ламповым детектором Д и одной ступенью УНЧ. В последние годы получил распространение в радиолюбительской практике также рефлексный усилитель. Под рефлексным усилением подразумевается усиление высокой и низкой частоты в одной и той же лампе. В простейшей схеме такого усиления радиосигналы, реагирующие на цепь «сетка-нить» лампы, усиливаются в анодной цепи и через обычные реактивные катушки высокой частоты подводятся к кристаллическому детектору; преобразованные последним колебания, уже в виде колебаний звуковой частоты, подводятся обрат к сетке лампы через трансформатор звуковой частоты и вновь усиленные в анодной цепи лампы поступают в телефон.

Видоизменением регенеративной схемы, позволившей в сотни раз увеличить усиление, даваемое обычным регенератором, является суперрегенеративный прием, не получивший большого применения вследствие неустойчивости режима работы.

Наиболее распространенной в настоящее время схемой для профессионального и радиолюбительского приема является супергетеродинный прием. Решение огромных трудностей, встречающихся при усилении высокой частоты в случае коротких волн (λ = 700 м и ниже), было найдено в трансформации частоты на более низкую. Принцип такого приема состоит в том, что на поступающие из радиосети колебания накладываются колебания местного генератора; частота последнего д. б. такова, чтобы частота получающихся биений была порядка 50000 циклов в сек. (выше звуковой частоты). Эти биения промежуточной радиочастоты выпрямляются первым детектором (ламповым) и подводятся к усилителю, настроенному на эту частоту. Далее, в случае модулированной радиопередачи (например, радиотелефонной) колебания промежуточной частоты подводятся ко второму детектору (ламповому); при этом получаются колебания уже звуковой частоты, могущие в свою очередь быть усиленными помощью усилителя низкой частоты.

В нейтродинном приемнике применяется нейтрализация емкости «сетка-анод» регенеративной и усилительной лампы путем введения между сеткой и анодом нейтрализующего конденсатора, чем предупреждается возможность самогенерирования усилителя и искажения вследствие этого приема. Графическая схема трехлампового нейтродина дана на фиг. 37.

Графическая схема трехлампового нейтродина

В описанных выше приемных устройствах конечный эффект приема воспринимается в виде звукового ощущения, получающегося с помощью телефона; усиление звукового впечатления достигается громкоговорителями, ныне весьма распространенными при приеме радиовещательных станций в общественных местах. В установках профессионального радиотелеграфного приема описанный выше метод принятия сигналов, называемый слуховым приемом, применяется как исключение - для служебных переговоров и т. д. Дело в том, что при слуховом приеме скорость радиотелеграфирования достигает в среднем лишь 20 слов в минуту редкие радиотелеграфисты успевают записать (по азбуке Морзе) 30—35 слов в минуту (в слове считается в среднем по 5 букв). Мощные же радиостанции, работающие для коммерческих связей, почти всегда используют автоматические быстродействующие радиопередачу и радиоприем. В этом случае прием производится на пишущие аппараты, которых имеется несколько систем; наиболее совершенной, не считая записи буквопечатающими аппаратами, в настоящее время является автоматическая запись радиосигналов с помощью ондулятора. На фиг. 38 дан образец записи в Москве радиопередачи Венской радиостанции в ноябре 1927 г.; скорость передачи была около 90 слов в минуту. При коротковолновой передаче скорость передачи (Маркони) доходит до 250 слов в минуту.

Образец записи в Москве радиопередачи Венской радиостанции в ноябре 1927 г

Организация беспроволочной связи. Существующие способы беспроволочной связи (радиотелеграф и радиотелефон) с организационной точки зрения м. б. разделены на следующие категории: 1) радиовещание и циркулярная радиопередача, 2) симплексная (простая) беспроволочная связь, 3) дуплексная беспроволочная связь и 4) многократная беспроволочная связь же до сих пор широко применяется при беспроволочной связи на море между морскими, а также и воздушными судами.

1) При организации беспроволочной связи первой категории имеется только одна передающая радиостанция; число приемных радиостанций (для слушания концертов, получения метеорологических бюллетеней и т. д.) ограничивается только дальностью действия передатчиков. При таком виде беспроволочной связи, очевидно, невозможны никакие обратные запросы (например, с просьбой повторить непринятую вследствие каких-либо причин часть радиопередачи) или получение квитанции о принятии посланных известий. Чтобы избежать пропуска части передаваемого, необходимо усилить мощность передающей радиостанции против нормально требующихся норм, при той же дальности для прочих категорий беспроволочной связи. Американцы, например, требуют для получения безукоризненного приема такой мощности от радиовещательных станций, которая давала бы силу электрического поля в месте приема порядка 10000 мкV/м, в то время как для радиотелефонной связи по другим категориям беспроволочной связи требуется всего лишь сила электрического поля порядка 250 мкV/м.

2) Симплексная (простая) схема беспроволочной связи является простейшим и старейшим видом связи для обмена депешами между пунктами А и В. В каждом из этих пунктов передатчик и приемник расположены в общем помещении и имеют одну только антенну, которая приключается или к передатчику, или к приемнику (фиг. 39).

Симплексная (простая) схема беспроволочной связи

Недостатком этого вида беспроволочной связи является неполное использование приборов: работает или передатчик, или приемник. Такая беспроволочная связь осуществляется ныне на коротких волнах радиолюбителями; она же до сих пор широко применяется при беспроволочной связи на море между морскими, а также и воздушными судами.

3) Для лучшего использования средств связи и увеличения количества обмениваемых депеш ныне широко распространена во всех установках коммерческой и правительственной связи дуплексная радиосвязь. При этом виде беспроволочной связи происходит одновременная радиопередача из А в В и из В в А с соответствующим одновременным приемом в А и В. Основным условием для этой категории беспроволочной связи является отсутствие для приемной установки помехи ее собственного передатчика. Не касаясь не прижившихся пока сложных искусственных способов одновременных передачи и приема с помощью одной и той же антенны, укажем на простейшее средство устранения такой помехи - пространственное разделение передающей установки от приемной радиостанции. Для успешного дуплекса крайне желательна, кроме того, неодинаковость рабочих волн передачи и приема, чтобы устранить метание. Практически ключ для передачи м. б. установлен на приемной радиостанции и при помощи проволочной телеграфной линии действовать на аппараты передатчика; или же, что предпочтительнее, и ключ передатчика, и телефон приемника с помощью проволочных линий (показаны на фиг. 40 пунктиром) переносятся в отдельное помещение, называемое радиоузлом. Расстояние между передатчиком и приемником выбирается порядка 2—5 рабочих длин волн.

Схема дуплексной связи

4) Наиболее совершенным видом беспроволочной связи является многократная связь. В этом случае (фиг. 41) дуплексная радиосвязь осуществляется одновременно между несколькими радиостанциями без помех одна другой.

Схема многократной связи

Для рационального устройства такой беспроволочной связи является необходимым: 1) разделение пространственное передающего центра от приемного центра, 2) различие между длинами волн, на которых одновременно осуществляются передача и прием многих депеш. В передающем центре. устраивается несколько передатчиков, работающих на одну или несколько антенн; в приемном центре широко используются для одновременного приема нескольких депеш замкнутая антенна и радиогониометры. Ключи передатчиков и телефоны с записывающими принятые радиосигналы аппаратами переносятся с помощью проволочных линий из названных центров в радиоузел, который и является управляющим органом всей беспроволочной связи в данной организации. Обычно для рационального использования (переброски депеш) и проволочной и беспроволочной связи радиоузел помещается в центре города, в одном здании с главной телеграфной конторой. При таком виде беспроволочной связи достигается лучшее, чем в какой-либо другой системе, использование всех технических средств (источники энергии, машинные и мачтовые установки) и большая экономия в обслуживающем персонале.

Почти весь прогресс радиотехники в главных чертах сводится к развитию и достижению экономичности как самых видов беспроволочной связи, так и категорий ее организации. Беспроволочная связь впервые была осуществлена в виде радиотелеграфии в 1895 г.; через 15—20 лет прибавился новый вид беспроволочной связи - радиотелефон; в настоящее время к этим двум основным видам беспроволочной связи присоединился еще третий - беспроволочная передача изображений. Рациональное и гармоничное использование в жизни как этих трех видов беспроволочной связи, так и проволочной связи является одним из величайших достижений современной техники на ее службе человечеству.

 

Источник: Мартенс. Техническая энциклопедия. Том 2 - 1928 г.