Год столетия радио и начальные этапы использования радиоволн

В. В. Мигулин

Употребляя термин "радио" и говоря о столетии радио, мы имеем в виду целую совокупность практических систем, использующих электромагнитные волны (ЭМВ), возбуждаемые электрическими колебаниями. Диапазон частот используемых колебаний исключительно широк – от десятков до 1012 колебаний в секунду. Соответственно и длина волн может лежать в пределах от тысяч километров до долей миллиметров. Совершенно закономерно единица частоты – одно колебание в секунду – один герц – носит имя великого немецкого ученого Генриха Герца, впервые показавшего возможность возбуждения и излучения электромагнитных волн, называемых ныне "радиоволнами". Соответствующий раздел техники мы называем "радиотехникой", а также говорим о радиоэлектронике, понимая под этим термином всю совокупность знаний о путях создания и применении разнообразных устройств с вакуумными, газоразрядными и полупроводниковыми приборами, всевозможными деталями соответствующих схем, действующих посредством электрических колебаний, как ничтожных по величине – в радиоприемных устройствах, так и больших мощностей – в передающих установках дальней радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радиоуправления и других отраслей, входящих ныне в понятие "радио".

Столетие этого крупнейшего и важнейшего, непрерывно развивающегося раздела техники – повод вспомнить об условиях его зарождения и представить себе, каким путем шло его формирование.

Все достижения радиоэлектроники двадцатого века берут свое начало в работах ученых и инженеров прошлого столетия. Объявление 1995-го года юбилейным обусловлено тем, что в 1895 г. Александр Степанович Попов в своей знаменитой лекции в Русском физико-химическом обществе 7 мая (нов. ст.) продемонстрировал в действии первое радиотехническое устройство – приемник электромагнитных сигналов, показав тем самым возможность их практического использования. Такой приемник с автоматической регистрирующей системой в том же году был применен А. С. Поповым для регистрации природных электромагнитных излучений грозовых разрядов.

В том же 1895 г. в Италии начал свою плодотворную деятельность Гульельмо Маркони. Создав аналогичное устройство, он применил его для приема посылок электромагнитных волн, передаваемых кодом Морзе.

И А. С. Попов и Г. Маркони в своих первых работах в качестве источника электромагнитного излучения использовали искровой "вибратор Герца" – устройство, созданное Герцем при осуществлении им ставших классическими экспериментов, доказавших реальность существования предсказанных Дж. Максвеллом электромагнитных волн, идентичных по своей природе световым.

Теория Максвелла, обобщавшая исследования М. Фарадея, была опубликована в 1873 г., а экспериментально ее подтвердил Герц в 1888 г. А вот 1895 год мы имеем все основания считать годом, когда началось практическое использование электромагнитных волн – герцевых волн, как, их тогда называли, – годом зарождения радиотехники.

Говоря об истории радиотехники и, в первую очередь, радиосвязи, которая началась с работ А. С. Попова и Г. Маркони, необходимо также упомянуть об их предшественниках: Э. Бранли (Франция), изучавшего эффект резкого изменения проводимости металлических порошков при воздействии па них электромагнитного излучения, и О. Лоджа (Англия), создавшего на основе этого эффекта когерер – чувствительное устройство для регистрации электромагнитных волн. Именно его, с незначительными модификациями, применили в своих приемниках в качестве основного чувствительного элемента А. С. Попов и Г. Маркони.

О. Лодж провел также ряд экспериментов с излучением и приемом "волн Герца", и его лабораторные устройства были непосредственными предшественниками приемников Попова и Маркони. Уже в 1896 г. начались работы по выяснению возможной дальности действия систем телеграфной связи, основанных на использовании электромагнитных волн – систем "беспроволочной (или беспроводной) телеграфии", как их тогда называли. Естественно, что в первую очередь этой проблемой заинтересовался флот и в меньшей степени сухопутные ведомства, в распоряжении которых была успешно действующая система проводной связи. Термины "радиосвязь" и вообще "радио" появились лишь в начале двадцатого века, после проведения в 1903 г. первой международной конференции по "беспроволочному телеграфированию". На этой конференции была принята рекомендация называть этот вид электросвязи "радиотелеграфией".

В процессе разработки систем радиосвязи их создатели, при переходе от лабораторных опытов к практическим системам, стали использовать радиоволны уже не метрового диапазона, как было у Герца и в первых опытах Попова и Маркони, а существенно более длинные. Это было совершенно естественным, так как вместо прямого излучения "вибратора Герца" стали применять антенные системы, подключаемые к искровому разряднику, и эти колебательные системы возбуждались соответственно на гораздо более низких частотах. Кроме того, учитывались представления о том, что распространение радиоволн за горизонт происходит за счет рефракции и более длинные радиоволны будут легче огибать кривизну земной поверхности. По этим причинам на создаваемых линиях радиосвязи использовались радиоволны длиной в сотни, а затем и в тысячи метров.

В развитии техники радиосвязи можно выделить ряд его этапов. Первый, начальный, этап характеризуется применением искрового возбуждения колебаний в излучающей системе "антенна – земля" и приемника с когерером. Этот этап продолжался примерно до 1899 г. и позволил осуществить радиосвязь на дистанциях, измеряемых десятками километров. В 1899 г. открытие П. М. Рыбкиным и Д. С. Троицким явления прямого детектирования принимаемых радиосигналов, с возможностью их регистрации на слух при помощи телефонной трубки, радикально изменило технику радиоприема и позволило резко увеличить дальность радиосвязи. Однако утратилась возможность автоматической записи принимаемых радиосигналов, которая была реализована А. С. Поповым в его приемнике и грозоотметчике при использовании когерера с релейным устройством. Повсеместно радиосигналы, передаваемые кодом Морзе, стали приниматься операторами на слух. В технике беспроволочной телеграфии наступила эра искровых передатчиков и "телефонных" приемников.

Создание больших антенных сооружений, применение мощных искровых передающих устройств и "телефонных" приемников позволили в первые годы двадцатого века осуществлять телеграфную радиосвязь на расстояниях, измеряемых тысячами километров. Так, в 1901 г. Маркони впервые провел передачу радиосигналов через Атлантику из Англии (местечко Полдью) в Америку (Ньюфаундленд) и тем самым положил начало трансатлантической радиосвязи. В подобных системах использовалось искровое возбуждение последовательности затухающих колебаний в антенной системе; соответственно возбуждалась последовательность затухающих радиоволн. Прием осуществлялся простейшими устройствами, с детектированием принимаемого высокочастотного сигнала, на слух с помощью телефонной трубки; звуковой сигнал создавался повторяющимися посылками затухающих радиосигналов от искровых разрядов в передатчике. Детектором служил либо тот же когерер либо специальные контактные детекторы.

В первых конструкциях практически не использовались колебательные свойства цепей приемников, и лишь в ходе дальнейшего изучения колебательных процессов в передающих и приемных устройствах были найдены пути эффективного применения резонансных свойств колебательных цепей. Работы немецкого физика К. Брауна внесли исчерпывающую ясность в понимание колебательных процессов в системах искровой радиотелеграфии, а его исследования детектирования в контактных детекторах и предложенные им кристаллические детекторы позволили до предела реализовать возможности искровой радиотелеграфии.

Эти достижения послужили основанием для присуждения в 1909 г. Нобелевской премии К. Брауну (Германия) и Г. Маркони; были учтены заслуги Маркони в практических применениях электромагнитных волн для связи. К этому времени А. С. Попова уже не было в живых. Он скоропостижно скончался 13 января 1906 г. С 1901 г. он был профессором Санкт-Петербургского электротехнического института, а в 1905 г. стал первым избранным его директором.

Уже в первом десятилетии нашего века радиотелеграфные линии связали между собой все континенты. Радиосвязь становилась повседневной на флоте и в сухопутных применениях. Учрежденная в 1897 г. английская компания "Маркони и К°", немецкая компания "Телефункен", созданная в 1903 г., и другие фирмы сооружали все новые и новые линии радиосвязи и привлекали к своей работе крупнейших инженеров и ученых.

Увеличение мощностей передающих искровых радиостанций до десятков и даже сотен киловатт потребовало создания многих новых устройств для повышения эффективности работы искровых разрядников и управления (манипуляции) ею. Разрядники М. Вина (Германия), вращающиеся разрядники и другие конструкции представляли собой сложные устройства значительных габаритов, с системами охлаждения и энергопитания, а гигантские антенные сооружения были плодом трудов ученых, конструкторов и строителей высочайшего класса.

Однако становилось все более ясным, что следует искать новые пути для эффективной генерации и приема радиоволн. Эра искровой телеграфии заканчивалась. К концу первого десятилетия двадцатого века пришли к выводу, что возможности использования последовательностей быстро затухающих посылок радиоволн исчерпаны и надо переходить к генерации и управляемому излучению незатухающих колебаний и волн.

Практические успехи дальней радиосвязи вызвали к жизни исследования, связанные с механизмом распространения электромагнитных волн. Теоретические исследования немецкими физиками И. Ценнеком, А. Зоммерфельдом и др. процессов распространения радиоволн вдоль земной поверхности не давали исчерпывающих объяснений механизма их дальнего распространения. Высказанная в 1902 г., после установления трансатлантической радиосвязи, независимо А. Кеннеди (США) и О. Хевисайдом (Англия), гипотеза о существовании в верхней атмосфере ионизированных областей (позднее названных "ионосферой"), способствующих огибанию радиоволнами кривизны земной поверхности, повлекла за собой многочисленные исследования. Но их результаты в то время не были приняты в качестве бесспорных; большинство специалистов считало, что без убедительных доказательств реальности существования ионизированных слоев в атмосфере на высотах в сотни километров нет необходимости учета их влияния на распространение радиоволн на большие расстояния.

Лишь в двадцатых – тридцатых годах сформировались представления о свойствах и структуре атмосферы на больших высотах, об областях с повышенной электропроводностью и их определяющем влиянии на процессы распространения радиоволн различных диапазонов. В первые же десятилетия существования радиосвязи лишь эксперименты и практика работы создаваемых линий давали необходимые сведения о возможностях радиотехники; господствовало убеждение, что только длинные волны, гигантские антенны и большие мощности могут обеспечить надежную дальнюю радиосвязь.

Использование малоэффективных систем искровой радиотелеграфии при широком распространении радиостанций привело к большим трудностям, связанным со взаимными помехами, и сделало особенно актуальным переход к незатухающим колебаниям и волнам.

В результате исследований и технических разработок было предложено несколько путей решения проблемы возбуждения незатухающих электрических колебаний.

Этап искровой радиотелеграфии заканчивался. В конце первого – начале второго десятилетий наступило время активного внедрения незатухающих колебаний. Появление электровакуумных приборов – диодов Д. Флеминга, триодов Ли де Фореста (США) – позволило в это же время создать практически новую технику радиоприема, с ламповым детектированием и последующим усилением принимаемых сигналов.

Возможность получения электрических колебаний с помощью дугового разряда была открыта Н. Тесла (США) в 1893 г. Работы В. Дудделя (Англия) в 1900 г. показали пути использования дугового разряда для генерации незатухающих колебаний. Дуговые генераторы радиочастотных колебаний системы В. Дудделя были затем усовершенствованы В. Паульсеном (Дания) и получили широкое распространение на мощных радиостанциях многих стран. Это первый тип генераторов, использованных для радиосвязи с незатухающими колебаниями; было создано много модификаций дуговых генераторов, работавших на частотах до нескольких сотен килогерц. Относительно высокий, по сравнению с искровыми, КПД дуговых генераторов делал их применение особенно привлекательным на мощных радиостанциях дальних радиосвязей.

Мощные дуговые генераторы были громоздкими сооружениями, с большим электромагнитом, системой электропитания и охлаждения, а также сложной системой модуляции излучения. Дело в том, что для эффективной работы дуговых генераторов требовалось очень жестко поддерживать оптимальный режим горения дуги и осуществлять модуляцию, не нарушая нормального режима непрерывной генерации незатухающих колебаний.

Другой путь вырабатывания незатухающих колебаний был найден с созданием электромашинных генераторов, способных генерировать токи достаточно высокой частоты, для их использования в радиостанциях. Американский конструктор Р. Фессенден создал ряд машин на частотах до 100 кГц, с мощностями от единиц до десятков киловатт (1906-1910 гг). В 1911 г. Э. Андерсоном (США) также были разработаны машины, генерирующие токи с частотами, допускающими прямое использование машин в радиопередающих устройствах. Однако в дальнейшем оказалось более целесообразным применять машинные генераторы, работающие на несколько более низких частотах, с последующим умножением частоты.

Большой вклад в создание мощных высокочастотных машинных генераторов в России был сделан В. П. Вологдиным, создавшим ряд генераторов на мощности от 2 кВт (1912 г.) до 150 кВт (1925 г.), успешно работавших на отечественных радиостанциях в комплексе со статическими умножителями частоты.

В применявшихся умножителях частоты использовались нелинейные характеристики катушек индуктивности с ферромагнитными сердечниками, которые в определенном режиме, при соответствующей настройке резонансных цепей и компенсации токов первичной частоты, позволяли получать при сравнительно малых потерях двух- или трехкратное умножение частоты в каждом звене такого умножителя. Подобные статические умножители частоты разрабатывались, начиная с 1902 г. (И. Эпштейн, Германия), в 1910 г. (М. Жоли, Франция) был разработан ряд вариантов подобных устройств. В 1916 г. М. В. Шулейкин создал утроители частоты, которые совместно с машинами Вологдина успешно работали на ряде радиостанций России. По сравнению с дуговыми передатчиками радиостанции с машинами высокой частоты обладали рядом преимуществ. Они имели более высокий КПД, большие стабильность частоты, устойчивость и надежность в работе.

Но ни дуговые ни электромашинные устройства не могли удовлетворить всем требованиям, которые развивающаяся радиотехника предъявляла к генераторам радиочастот. Это привело в дальнейшем к переходу всей радиотехники на использование электровакуумных приборов, хотя на ряде мощных радиостанций дуговые и машинные передатчики действовали вплоть до тридцатых годов.

Когда в 1913 г. А. Мейснер (Германия) запатентовал идею положительной обратной связи для самовозбуждающегося лампового генератора и осуществил телефонную радиосвязь между Науеном и Берлином, очень многие специалисты были убеждены, что ламповые передатчики пригодны только для местных радиосвязей и создание ламповых станций большой мощности практически нереально. Развитие передающих устройств зависело теперь от успехов электровакуумной техники, так как получение необходимых мощностей генерируемых колебаний требовало создания электронных ламп специфического класса – генераторных радиоламп. Для них характерна большая эмиссия катода, выделение значительных мощностей на аноде, и поэтому следовало обеспечить отвод от анода лампы большого количества тепла, при сохранении ее усилительных свойств. Решение технологических задач в электровакуумном производстве стало определяющим для развития радиотехники в конце второго и начале третьего десятилетий.

Совершенствование производства высоковакуумных радиоламп позволило существенно улучшить радиоприемную технику. Введение регенерации, использование местных гетеродинов для преобразования частоты и ряд других схемных решений дали возможность создавать высокочувствительные приемные устройства с заданными частотными параметрами. Переход от приемников с прямым усилением к регенеративным, сверхрегенеративным и позднее к супергетеродинным дал в руки радиоспециалистов способ создавать радиоприемные устройства различного назначения с предельной чувствительностью и селективностью, что и реализовалось в двадцатые – тридцатые годы.

В конце второго десятилетия, в разгар первой мировой войны, в России, на Тверской приемной радиостанции, М. А. Бонч-Бруевич и В. М. Лещинский организовали полукустарное производство приемно-усилительных радиоламп, которые использовались на радиостанциях взамен выходящих из строя французских, ставших во время войны дефицитными. Позднее, после создания в 1918 г. Нижегородской радиолаборатории, под руководством М. А. Бонч-Бруевича серийно выпускался триод ПР-I, сыгравший большую роль в развитии радиоприемной техники в России. В дальнейшем производство приемных радиоламп было налажено на электровакуумных заводах в Ленинграде и Москве.

Первые в России генераторные лампы были созданы Н. Д. Папалекси в 1914 г. и позволяли получать мощности до 100 Вт. Они выпускались в небольшом количестве в Петрограде. В 1916 г. Папалекси впервые применил в электровакуумном производстве высокочастотный индукционный прогрев электродов в лампе для их обезгаживания при откачке.

В Нижегородской радиолаборатории под руководством М. А. Бонч-Бруевича была выпущена серия мощных генераторных ламп с водяным охлаждением анода, на мощности, измеряемые киловаттами. В 1923 г. там же была создана лампа мощностью 25 кВт, а в 1924 г. – генераторная лампа на 100 кВт. Эти лампы не имели аналогов в мировой технике. Их разработка и производство позволили сооружать в СССР в двадцатые – тридцатые годы самые мощные в мире ламповые радиостанции для связи и вещания. Советские ученые М. В. Бонч-Бруевич, А. И. Берг, А. Л. Минц, их ученики и последователи глубоко и всесторонне изучили процессы, происходящие в ламповых генераторах, и создали теорию и методы расчета радиопередающих устройств.

Начало двадцатых годов связано с двумя существенными обстоятельствами: во-первых, это широкое использование радиотелефонии как средства массовой информации. Широковещательные радиостанции, как их тогда называли, были построены во всех крупных городах СССР и во всем мире. В дальнейшем термин "широковещание" был заменен термином "радиовещание". Второе обстоятельство – это выявление возможностей коротких радиоволн (длиной 100...10 м) для дальних радиосвязей. В конце второго – третьего десятилетия стало появляться все больше сообщений об установлении радиосвязи на расстояния в многие тысячи километров при мощностях передатчиков, измеряемых единицами или немногими десятками ватт, на волнах короче 100 м – декаметровых радиоволнах. Развернулись исследования условий их распространения, свойств ионизированных слоев в верхней атмосфере. Теоретические соображения А. Кеннеди и О. Хевисайда о существовании ионосферы в 1925 г. были подтверждены экспериментами Э. Эпплтона и М. Барнета (Англия) в области интерференции земных радиоволн и волн, отразившихся от ионосферы, а также прямыми измерениями импульсным методом, проведенными Г. Брейтом и М. Тьювом (Англия), высот и других характеристик слоев ионосферы. У нас первые теоретические исследования условий распространения радиоволн в ионизированном газе были выполнены М. В. Шулейкиным в 1922 г. и получили дальнейшее развитие в работах Д. А. Рожанского, A. M. Щукина, Л. А. Жекулина и др.

Все эти обстоятельства привели к тому, что диапазон длин радиоволн, используемых в практических целях, существенно расширился, и двадцатые годы нашего столетия стали годами не только перехода к эре ламповой радиотехники, но и освоения коротких радиоволн в совокупности с интенсивным изучением ионосферы.

Дальнейшее сколь-нибудь обстоятельное изложение хода развития радио вообще и его подотраслей – радиосвязи, радиовещания, телевидения и др. в рамках одной статьи невозможно. Представлялось важным дать по возможности беспристрастный и краткий очерк истории радиотехники на начальных этапах ее возникновения, показать, как из совокупности физических понятий, накопленных знаний о ходе природных и искусственно воспроизводимых явлений выкристаллизовались четкие представления о возможности практического использования электромагнитных волн радиодиапазона. При этом, естественно, выявляется время, когда на базе научных исследований рождается новый раздел техники, который развивается далее по своим законам, отличным от тех, по которым развивались научные исследования, в соответствии с запросами практики, вбирая в себя известные в каждый данный момент и непрерывно пополняемые научные сведения.

Именно так в 1895 году произошло рождение новой отрасли техники – радиотехники, а затем и всех, возникших в ходе ее дальнейшего развития ответвлений, которые мы ныне объединяем понятием "Радио".

Литература

1. Очерки истории техники в России (1861-1917). – М.: Наука, 1975. – с. 177 – 197.
2. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. – М.: Наука, 1985.
3. Мигулин В. В. Истоки практической радиосвязи // Радио. – 1993. – № 5.
4. Мигулин В. В. Зарождение радио и первые шаги радиотехники. – Сб. "100 лет радио". Под ред. В. В. Мигулина и А. В. Гороховского. – М.: Радио и связь, 1995. Готовится к печати.

Статья опубликована в журнале "Электросвязь" №1, 1995 г., стр. 3.
Перепечатывается с разрешения редакции.