БЕСПРОВОЛОЧНАЯ СВЯЗЬ, основана на передаче электрической энергии. Во всех др. случаях, когда пользуются передачею электрической энергии, она приходит по проводам от того места, где производится (электрич. станция или телефонный передатчик). В радио проводов совершенно не нужно. Передача производится помощью волн.
Звук. Рассмотрим сначала звуковую передачу. Мы слышим, когда нам говорят, потому что говорящий производит волны в воздухе, к-рые раскачивают барабанную перепонку нашего уха. Тот, кто говорит, производит волны то более частые, то более редкие, смотря по тому, какой звук ему надо произнести, а ухо слушающего быстро улавливает все эти частоты. Мы пользуемся всеми возможными частотами между приблизительно 100 и 8.000 волн в сек. Мы легко можем произнести и услышать, т.-е. принять ухом, 10 разных звуков (напр., букв) в секунду; след., легко производится и воспринимается такая быстрая перемена частот, при к-рой каждая из них продолжается по 1/10 секунды, т.-е., например, высылается 50 волн с частотою 500, или 100 волн с частотою 1.000 и т. п. Звуковые волны расходятся от говорящего во все стороны, пробегая км за три секунды. От этого расхождения, а также оттого, что звуковые волны поглощаются воздухом, они становятся на сравнительно небольшом расстоянии такими слабыми (сохраняя, конечно, свою частоту), что ухо уже не воспринимает их.
Свет. Еще более замечателен тот способ передачи, к-рый мы все знаем как свет. Это—тоже волны, но несущиеся с быстротой, в 900.000 раз превышающею скорость звука. Здесь приемником является глаз; он воспринимает только очень большие частоты: миллионы миллиардов волн в секунду (из них меньшие дают впечатление красного цвета, а самые большие—фиолетового); меньших частот, как, напр., миллион или сто тысяч волн в сек., глаз не видит, точно также, как и больших, напр. , миллиарды миллиардов волн в секунду. Чистый воздух, белое стекло, вода и множество др. тел очень прозрачны для света; благодаря чувствительности глаза, источник света даже не особенно большой мощности (обычный уличный электрич. фонарь) можно видеть на расстоянии 10—20 км, конечно, если нет тумана и его не заслоняют какие-либо непрозрачные предметы.
Когда свет распространяется, то, по представлениям, разработанным наукою 19 в., волны проходят в какой-то среде, еще более легкой, чем воздух, совсем не вязкой, — всемирном эфире, к-рый находится везде и заполняет собою все.
Радио. В упомянутых случаях отправитель не связан с приемником каким-либо проводом. Отправитель просто возбуждает волны в той среде, к-рая находится между ним и приемником, и при помощи этих волн передает последнему энергию. Именно таким способом передачи пользуется радиосвязь, в частности—тем наиболее совершенным и быстрым, который представляет собою посылка световых волн. Мы слышим по радиотелефону или радиотелеграфный аппарат получает радиодепеши потому, что по эфиру, в к-ром находится всякий наш радиоприемник, идут одна за другой волны. Радиопередача—это те же световые сигналы, но только в весьма преобразованном виде. Лучи радио распространяются по земле так далеко, как не могут распространяться лучи обыкновенного света. Кривизна земного шара заслоняет свет от наблюдателя;
рис. 1 показывает, что, если источник света находится даже на высоте, равной 1/8 поперечника земного шара, т.-е. на высоте 1.500 км, то его лучи могут достигнуть только точек Б и В на поверхности земли (и, конечно, всех более близких к нему); в точки Г его лучи не попадут. Но на такую высоту нельзя поднять источник света. Радиоизлучатель же, хотя бы и положенный прямо на землю, может дать лучи кругом всей земли до наиболее удаленного места, на 20.000 км. Волны радио могут быть посылаемы с самыми разнообразными частотами; это очень важно для применения радиосвязи, т. к. позволяет всем многочисленным радиостанциям земного шара различаться друг от друга по выбираемой ими частоте. Но все эти различные радиочастоты меньше световых и, следовательно, не воспринимаются глазом. Эта сравнительно небольшая частота радиоволн ведет к очень важным результатам. Только она и позволяет радиолучам достигать таких больших далей. Радиолучи, обращенные вниз, попадают в приемник прямо от отправителя, но только в близкие места, подобно световым лучам; но другие, к-рые идут не на землю, как, напр., луч АБ на рис. 2,
отражаются от верхних слоев атмосферного воздуха и попадают в места Г1 и Г2,; отразившись второй раз, уже от земли, а затем опять от верхних слоев атмосферы, они попадают в места Г3 и Г4 и т. д. Эти верхние слои атмосферы имеют др. состав, чем тот воздух, который находится вблизи земли, а потому и могут служить зеркалом для света; но они отражают не все световые волны, а только волны, идущие с радиочастотами. Верхние слои атмосферы отбрасывают радиолучи, но пропускают через себя видимый свет. Вторым результатом не очень большой частоты радиоволн является их легкое прохождение через самый густой туман, непрозрачный для видимого света, сквозь чащу лесов, через большую толщу воды (радиосвязь с погрузившимися подводными лодками); даже значительные слои земли прозрачны для радиолучей (исследование земных недр с помощью последних). Разумеется, что все радиоволны распространяются с тою же скоростью, что и обычные световые, достигая самой отдаленной точки на земле через 1/14 секунды.
Свет и колеблющиеся электроны. Так распоряжаться излучением света, как это делает теперь радиотехника, стало возможным только после того, как начала выясняться истинная природа света.
Когда атом светит, в нем, по представлениям науки конца 19 в., происходят электрические колебания, а от атома идут электромагнитные волны (см. Электромагнитная теория света). В каждом атоме колеблется один или несколько электронов (частицы отрицательного электричества), а техника давно уже знает способы привести в колебания сразу великое множество электронов. Для этого нужно иметь металлический провод и пропустить по нему переменный или колебательный ток. По каждой вертикальной нити в нашей электрической лампочке накаливания, когда она светит, движутся то вверх, то вниз в громадном количестве электроны, возобновляя свое движение, напр., вверх, обычно, 50 раз в секунду. От каждого кусочка такой нити выходят радиоволны в эфир, с частотою 50 волн в сек., но чрезвычайно слабые. Их не следует смешивать со световыми волнами, выходящими из атомов той же нити и служащими для освещения; специально для этого нить раскаляется до высокой степени.
Радиотехнику не нужно этого раскаления: для его цели это было бы напрасною потерею энергии. Он стремится усилить те радиоволны, к-рые провод испускает не своими атомами, а весь целиком, всеми своими электронами. С этою целью, прежде всего, следует увеличить частоту переменного тока, а затем можно увеличивать ток и удлинять провод: большой ток, как и большая длина, позволяет бо́льшему количеству электронов совершать колебания и излучать радиоволны; радиопередатчик будет более мощным. Излучающий провод должен быть достаточно толст, чтобы не нагреваться заметно от проходящего по нему тока; всякое сопротивление, вводимое в провод, будет уменьшать его излучение; в дальнейшем мы увидим, как этим пользуются. Объясним, почему для усиления радиоволн необходимо повышение частоты. Световые волны данной мощности образуются тем легче, чем выше их частота. При излучении раскаленного тела все явление излучения, наибольшая часть его мощности, должно было бы сбиваться к самым высоким частотам (фиолетовому свету), и только особая причина, раскрываемая в 20 в. теорией квант (см.), делает фиолетовое излучение очень слабым.
Получение электрических колебаний. Электрические машины, дающие переменный ток такой частоты, к-рая обычно употребляется в электротехнике, давно разработаны во всех подробностях. Но машины той высокой частоты, какая необходима радиотехнике, разрабатываются только за последнее время (см. Альтернаторы высокой частоты). Большими затруднениями в их конструкции являются необходимость необыкновенно быстрого вращения ротора и мелкое подразделение его внешней окружности, а также и окружности статора. Эти затруднения ставят при каждом данном состоянии техники машиностроения предел частоте, даваемой вертящимися машинами. Нередко эта частота увеличивается еще далее особыми (обычно статическими) трансформаторами или повышателями частоты. Это весьма расширяет перспективы получения быстропеременных токов с помощью машины, хотя и усложняет схему радиопередатчика; однако, и при таком усложнении схема с машинами высокой частоты оказывается ограниченной нек-рым пределом частоты. В наиболее смелых расчетах этот предел доводится в настоящее время до 1 миллиона.
Электронная (или катодная) лампа. Практически не знает предела частоты другой тип генератора высокой частоты, действие к-рого не требует вращения тяжелых предметов ; это—электронная лампа (см.), с к-рой достигаются уже частоты до 300 милл. волн в секунду и даже большие.
Действие этого прибора основывается на том, что раскаленный металл со своей поверхности выбрасывает электроны. В электронных лампах почти всегда накал производится электрическим током и металлу придается вид нити или (в случаях большой мощности) стержня, к-рый и раскаляется при прохождении через него тока достаточной силы. Такая нить, чтобы избежать ее сгорания, помещается в баллон, внутри к-рого достигается самое высокое разрежение (см. Вакуум). В этой части своего устройства электронная лампа, по своей идее, подобна обычной электрической лампочке; но чтобы воспользоваться электронами, к-рые выбрасывает накаленный металл,чтобы отбирать их с нити, в баллон впаивается еще вторая часть, называемая анодом (рис. 3);
она заряжается положительно и притягивает электроны на себя; для поддержания положительного заряда анод соединен с положительным полюсом особой анодной батареи (Б рис. 3, на рисунке не показан тот источник электрического тока, который включается между точками а и б и служит для накала нити), отрицательный полюс к-рой присоединяется к нити. Т. о. получается, что часть электронов нити своим движением вдоль нее производит ток по ней (ток накала); другая же часть движется к аноду (беспрепятственно, по причине вакуума в лампе) и производит ток в анодном проводе, возвращаясь к нити по проводу БДЕ. Этим своим анодным током электронная лампа существенно отличается от обычной осветительной лампочки, в к-рой электроны, выбрасываемые с нити, не используются и образуют вокруг нее своего рода облачко. Это облачко образуется и в электронной лампе, но менее густое, и тем более разреженное, чем сильнее заряжен анод. Электронная лампа втом виде, как она выше описана, может из переменного тока выделять токи одного направления, т.-е. служить выпрямителем (см.); действительно, если в цепь анода введен источник переменного тока, вместо батареи (рис. 4),
то лампа будет пропускать его ток, когда он направляет электроны от Н к А, и не будет пропускать тока обратного направления; этот последний будет пропадать, не имея для себя пути. Электроны не пойдут с холодного электрода на нить. Но небольшое добавление к описанной конструкции позволяет сделать из электронной лампы весьма мощный генератор электрических колебаний, годный до тех высоких частот, какие были выше указаны. Добавление это представляет собою третий электрод, — проволочную сетку, к-рая охватывает накаленную нить, не касаясь ее, и имеет свой вывод из баллона С (рис. 5).
Сетка регулирует густоту электронного облачка около нити: малейшее заряжение сетки отрицательным электричеством сгущает облачко и уменьшает выход электронов, ослабляет ток в анодной цепи (в к-рой опять предполагается батарея); наоборот, положительное электричество на сетке разрежает облако, и тогда нить выбрасывает больше электронов, к-рые и выбираются анодом. Т. о., колебание заряда на сетке, хотя бы и чрезвычайно слабое, без промедления отзывается в анодной цепи, вызывая в ней то усиление, то ослабление того постоянного тока, который по ней идет. Частота этих колебаний не имеет пределов, ибо электроны повинуются воздействию электрических сил практически мгновенно (без инерции) .
Чрезвычайно ценным, как это видно будет при объяснении действия усилителя, является то, что энергия колебаний тока в анодном проводе, при хорошей конструкции лампы, может в сотни раз превосходить энергию колебаний заряда на сетке; анодные колебания вызываются колебаниями на сетке, но энергия их определяется батареей, включенной в анодный провод.
Описанный колебательный процесс, начинающийся с зарядов на сетке, прикладываемых извне, называется колебаниями в «лампе с независимым возбуждением».
Дальнейшее использование свойств электронной лампы заключается в том, что анодную цепь БДЕ связывают с сеточным проводом СКЕ, соединяющим сетку с нитью (рис. 6).
Эту связь можно произвести различными способами, напр., хотя бы простым приближением провода БД к проводу СЕ. При такой схеме не говорят уже о заряде на сетке, как о первоначальном явлении; пусть по какой-либо причине, хотя бы случайной, в анодной цепи произойдет изменение тока. По законам индукции это тотчас же отразится через связь на сеточном проводе, по которому пойдет ток того или иного направления; он зарядит сетку положительно или отрицательно. Это, как только что было указано, вызовет изменение в анодном токе, и самым простым образом можно создать такое устройство связи, что это изменение будет обратным тому, к-рое послужило началом всего явления; оно, в свою очередь, отзовется на сетке и вызовет теперь такое же изменение, какое было в первый раз. Т. о., в анодной цепи будут происходить колебания, налагающиеся на текущий по ней постоянный ток от батареи и возбуждаемые самой лампой («лампа с самовозбуждением»). Частота этих колебаний определяется всеми электрическими свойствами анодного и сеточного проводов: их формою, емкостью, а также размерами и пр. самой лампы и ее электродов. Вполне возможно с огромной точностью подобрать желаемую частоту, а также изменять ее, подрегулировывать даже во время действия лампы. Самое небольшое (молекулярное) изменение, напр., в режиме накала лампы, уже отзывается на частоте ее колебаний или на их чистоте, они «загрязняются» др. колебаниями (вызываемыми др. комбинациею свойств проводов), накладывающимися на основные; поэтому требуется много искусства и тонкого чутья для того, чтобы поддерживать частоту лампового генератора постоянною и не «смазанною». Однако, постоянство частоты легче достигается с лампою, чем с машиною.
Радиопередача. Колебания, возбуждаемые машиною или лампою, передаются отправительной антенне (см.); она, будучи попеременно заряжаема положительным и отрицат. электричеством, производит в окружающем ее эфире движение силовых линий и их излучение, как это объяснено при описании антенны. Электромагнитные волны, встречая на своем пути проводник (приемная антенна), приводят его электроны в колебательное движение вдоль проводника, т.-е. производят в нем переменные токи той же частоты, с к-рою подходят волны.
Резонанс и усиление. Этот переменный ток может быть передан с приемной антенны непосредственно или через индукцию в какие-угодно провода и приборы. Но прежде всего, он должен попасть в такой провод, к-рый, по своей геометрической форме и своей емкости, способен к колебаниям только той частоты, с к-рою приходят волны, или иначе, который можно настроить на приходящую частоту. Тогда наступает явление резонанса (см.), заключающееся в том, что приемник приходит в действие не только от отдельных ничтожных импульсов отдельных волн: при резонансе энергия целого ряда последовательных волн накопляется, раскачивая резонатор гораздо более, чем он раскачался бы от одной волны. Т. о., хорошо устроенный резонанс позволяет производить прием на далеких радиостанциях. Если прием рассчитан на острый резонанс, то он совершенно невозможен даже при небольшом изменении частоты подходящих волн; это одна из главных причин необходимости весьма устойчивой частоты передатчика. Резонанс является также главнейшею причиною того, что приемник, настраиваясь на определенную частоту, в то же время отстраивается от всех других и не принимает волн, к-рые несутся к нему с др. радиостанций. После такого отсеивания (фильтрации) нужной частоты, если прием слишком слаб, необходимо усиление. Для этой цели принимаемый переменный ток направляется к сетке (рис. 7)
небольшой электронной лампы (см. Ламповый усилитель); на сетке появляется колебательный заряд, к-рый выражается в анодной цепи в 8—10 раз усиленным воспроизведением отфильтрованных колебаний. Если такого усиления недостаточно, то анодный ток направляется к сетке второй лампы (рис. 8),
к-рая снова усиливает явление; число звеньев усилительной схемы увеличивается т. о. до трех, шести и т. д.
Детектирование. Вторым важнейшим способом обработки колебаний радиочастоты, поступающих на приемную радиостанцию, является детектирование или выпрямление этих колебаний. Существует множество приборов (телеграфные приборы, реле, телефонная трубка) , в к-рых переменный электрический ток вызывает колебательное движение железных предметов (штифт реле, мембрана телефона); оно происходит под действием электромагнитных сил. Но нет такой железной мембраны, или хотя бы железной проволоки, тонкой, как волосок, к-рые могли бы колебаться с радиочастотой в сотни тысяч, не говоря уже о миллионах. Как бы мы ни усиливали принимаемые электрические колебания, они, по причине своей высокой частоты, не вызовут механических колебаний. Каждая половинка электрического колебания способна своими электромагнитными силами сдвинуть мембрану в определенную сторону; но слишком быстро следующая за ней вторая половинка, вызывая обратное движение, не дает мембране достаточно времени, чтобы сколько-нибудь заметно продвинуться под действием первой. Если уничтожить эти вторые половинки (рис. 9)
или, по крайней мере, ослабить их, тогда первые половинки (или остатки их за вычетом ослабленных в торых) очень быстро, общими усилиями, сдвинут мембрану в известном направлении, а затем будут поддерживать ее в этом новом положении. Необходимо, следовательно, принимаемые колебания ввести в такой провод, к-рый пропускал бы ток одного направления и не пропускал бы противоположного тока; для этой цели в провод включается, напр., кристаллический детектор (см.) или электронная лампа, которая, как мы видели, может служить выпрямителем. Детектировать можно тот первоначальный слабый ток, к-рый получается с антенны, или ток, уже усиленный; иногда детектор помещается в середине схемы; детектируют усиленный ток, а затем еще раз усиливают ток детектированный.
Модуляция. Иногда приходится усиленный и детектированный колебательный ток подвергать еще дальнейшей обработке; если, напр., принимают радиодепешу на телефон, то приходится оценивать ухом продолжительность ряда (половинок) колебаний, т. к. депеша передается знаками Морзе, к-рые состоят из точек и черточек, т.-е. коротких и длинных посылок (рис. 10)
одинаковых волн. Но каждый ряд волн обозначается в телефоне двумя щелчками, соответствующими отклонению мембраны в начале этого ряда и возвращению ее на место в конце его. Оценить ухом продолжительность времени 1/10, или 2/10 секунды между этими толчками может только опытный слухач, и то при большом напряжении внимания. Сделать такую оценку несравненно легче, если поток волн прерывается, и притом с каким-либо ритмом, например, через каждую пятисотую или тысячную долю секунды; тогда мембрана дрожит, и ухо слышит музыкальный звук, продолжительность к-рого легко схватывается. Такое прерывание может быть выполнено механическим способом на приемной станции (см. Радиоприем) перед усилением и детектированием или даже после них. Но оно может быть произведено и на отправительной радиостанции: волнам, отправляемым ею, может быть периодически придаваема бо́льшая или меньшая сила (периодическое изменение амплитуды). Это называется модуляцией (см.). Она производится или периодическим увеличением сопротивления в анодном проводе, заглушающим колебания, или таким же действием в проводе сетки. Вообще, модуляция может быть производима в любом звене всей отправительной схемы, и тогда во всех последующих звеньях колебания будут уже модулированные. Модуляцию можно производить и в последнем звене—в самой отправительной антенне, и не только введением сопротивления, но и выводом ее из резонанса (расстройкой) со всеми предыдущими частями отправителя. Точно так же и в схеме машинного передатчика существует много мест, к-рые можно изменять таким образом, чтобы схема на короткие промежутки времени или периодически давала более слабые колебания или не давала бы их совсем.
Более сложный способ для достижения на приемной станции такого же периодического и притом тоже не механического прерывания колебаний, поступающих в телефон, состоит в гетеродинировании: при этом способе на приемник заставляют действовать второй (местный) ламповый генератор с частотой весьма близкой, но не равной частоте приходящих волн; вследствие разности частот, местный генератор—гетеродин (см.) будет давать через известные промежутки времени колебания, противоположные приходящим (см. Биение), и тогда на мгновение «заглушать» их; число таких заглушений в секунду будет равно разности частот—приходящей и гетеродина. Гетеродинированные колебания (рис. 11),
как и механически прерываемые, после детектирования и дальнейшего усиления, дают впечатление звука, тон к-рого слухач может выбирать, немного изменяя частоту гетеродина. Гетеродин не должен быть мощным вибратором; его колебания должны быть лишь достаточны для заглушения приходящих, т.-е. равными им по своей силе, а следовательно—должны быть очень слабыми: необходимо лишь, чтобы частоты гетеродина могли отличаться от частот приходящих волн на такие величины, к-рые находятся в пределах частот слышимых звуков. Прием на гетеродин опять заставляет вспомнить о необходимости устойчивой частоты, особенно при очень больших частотах. Предположим, напр., что радиопередача производится частотою в 1.000.000 колебаний в секунду, а гетеродин дает их 1.001.000, т.-е. прием производится на звук, соответствующий частоте 1.000; тогда небольшое относительное изменение частоты на 10.000 (1%) увеличит в приемнике звуковую частоту в 11 раз и сделает ее для уха уже плохо воспринимаемою. Т. о., по изменению тона или полному исчезновению приема, слухач, работающий на гетеродине с совершенно постоянной частотою, все время следит за устойчивостью частоты передатчика.
Радиотелефон. Нам остается лишь возвратиться к модуляции для объяснения радиотелефона. В этом случае модуляция производится так же, как выше описано, но не простым периодическим приглушением колебаний, а тем сложным изменением (рис. 12)
их силы, к-рое соответствует сложному колебанию воздуха при произнесении, напр., какой-либо буквы. Вся сложность колебаний воздуха точно передается при модуляции радиопередатчика помощью микрофона (см.): сопротивление микрофона, когда в него говорят, изменяется по тому же закону, по к-рому происходят воздушные колебания; по тому же закону должна изменяться амплитуда передаваемой волны, по тому же закону будет колебаться мембрана приемного телефона, а следовательно она будет воспроизводить звуки, произносимые перед микрофоном. Таков принцип радиотелефонной передачи. Понятно, что ее, как подвергнутую модуляции, принимают без всякого механического прерывания или гетеродинирования, к-рое только помешало бы приему речи или музыки. Но настройка приемника на частоту волн, несущих на себе звуки в виде своей модуляции, конечно, также необходима, как и при приеме радиотелеграфных сигналов. Устойчивая частота передатчика также необходима; изменение ее выводит приемник из резонанса и делает прием более слабым или совсем невозможным. Детектирование необходимо, потому что без него ни один элемент модулированных волн, будь он большой силы (а рис. 12) или малой (б рис. 12), не может произвести своего—большого или малого — действия на мембрану, т. к. за ним следует вторая половина элементарно волны (в и г на рис. 12), мешающая этому действию. Так осуществляется эта удивительная передача звуков, к-рые непосредственно можно было бы услышать на расстоянии не более 200—300 м. Ясно, что для этого звуковая энергия превращается в энергию хорошо подобранных радиоволн, распространяющихся при помощи благоприятных условий всей атмосферы до ее высочайших слоев и воспринимаемых через явление резонанса и после достаточного усиления на расстоянии в тысячи км.
В мощных телефонных передатчиках модуляция производится не на самом передатчике, а на его уменьшенной копии, после чего колебания, уже модулированные, усиливаются обычным приемом лампового усиления до необходимой мощности. Причиной такого усложнения схемы является необходимость применять микрофон только в цепях малой мощности; конструкция микрофона до сих пор еще мало прогрессирует. При сложной схеме радиотелефонного передатчика и сложной схеме усиливающего приемника только исключительно удачная разработка всего устройства может позволить первоначальной модуляции пройти через все звенья схемы без всякого искажения. Кроме того, при радиотелефонировании, как и вообще при радиопередаче, неумолимым врагом являются различные атмосферные явления и прежде всего—электрические волны атмосферного происхождения (см. Помехи атмосферные), врывающиеся через приемную антенну и искажающие действие всего приемного устройства (см. Короткие волны).
В этой статье указаны не все методы беспроволочной связи, а только те, к-рые наиболее распространены в наст. время. Исторический ход развития Б. с. см. в статьях: Беспроволочный телеграф, Беспроволочный телефон.
Лит.: Флеминг, Дж., Введение в радио, Л., 1924; его же, Волны в воде, воздухе и эфире, М., 1927; Лебединский, В., Электричество в радио, М., 1925; его же, Изобретение беспроволочного телеграфа, М., 1925; Петровский, А., Радиотехника, М., 1926; Шапошников, С., Радиоприем и радиоприемники, М., 1925; Введенский, Б., Физические явления в катодных лампах, М., 1926; Шмаков, П., Радиотелефония, Ленинград, 1925; журнал «Радиолюбитель», издание МГСПС, Москва.