История средств связи

Следующий шаг на этом пути сделал американский ученый Клод Эльвуд Шеннон (1916-2001). В 1945 г. он опубликовал работу "Теория связи в секретных системах" (1945), а в 1948 г. статью "Математическая теория связи". В этих статьях и последующих своих работах К Э. Шеннон заложил основу для создания технологии хранения, обработки и передачи информации. Окончательно свою теорему кодирования информации К. Э. Шеннон сформулировал в работах 1957-61 годов. Согласно этой теореме, любой канал имеет свою предельную скорость передачи информации, получившую название «предел Шеннона».

Однако, как отмечают специалисты, «в работах К. Шеннона не было предложено конкретных инженерных решений». Поэтому своими работами он заложил лишь основание для дальнейших поисков, которые велись одновременно в разных странах.

Раньше всего практические результаты в решении данной проблемы удалось получить во Франции, где, по одним данным, в 1970 г., по другим в 1974 г. была открыта первая опытная цифровая АТС.

Так был дан старт «цифровой революции», которая сначала захватила телефонную, а затем другие средства связи.



5. Оптико-волоконная связь

Тогда же, в 70-е годы, новые возможности в развитии средств связи открыло изобретение лазера.

Лазер (Light Amplification by Stimulated Emission of Radiation - LASER) - это усилитель света посредством индуцированного излучения, «устройство, в котором энергия, например, тепловая, химическая, электрическая, преобразуется в энергию электромагнитного поля - лазерного луча».

Возможность создания квантовых усилителей и генераторов электромагнитных волн А. Эйнштейн предсказал еще в 1916 г. в статье «Квантовая теория излучения».

Опираясь на работы своих предшественников, советские ученые Николай Геннадиевич Басов (1922-2001) и Александр Михайлович Прохоров (1916-2002), а также американский ученый Чарльз Хард Таунс (1915-1995) заложили основы для практической реализации этой идеи.

В 1957 г. выпускник Колумбийского университета Гордон Голд сформулировал принципы работы интенсивного источника света, а в 1960 г. американский физик Теодор Мейман (1927-2007) создал первый подобный прибор, получивший название лазер.

Почти сразу же обнаружилось, что лазер может быть использован в самых разных сферах человеческой жизни, в том числе как носитель информации. Но хотя «возможности лазерного излучения для передачи информации в 10 000 раз превышают возможности радиочастотного излучения», обнаружилось, пишет Д.Д. Стерлинг, что он «не вполне пригоден» «для передачи сигнала на открытом воздухе. На работу такого рода линии существенно влияют туман, смог и дождь, равно как и состояние атмосферы. Лазерному лучу гораздо проще преодолеть расстояние между Землёй и Луной, чем между противоположными границами Манхеттена».

В связи с этим особое значение имело сделанное в 1966 г. предложение двух исследователей Чарльза Као и Чарльза Хокхэма из английской лаборатории телекоммуникационных стандартов использовать для защиты лазерного луча стеклянные волокна, которые к тому уже нашли применение в эндоскопии.

Чтобы понять смысл этого предложения, необходимо учесть следующее обстоятельство. Обычно свет распространяется по прямой линии. Однако если мы проследим путь солнечного луча, уходящего в воду, то заметим, что при переходе из одной среды в другую, он отклоняется от первоначального направления. А если поместить источник света в воде, обнаружится, что на границе воды и воздуха луч света раздвоится, один выйдет наружу, другой, отразившись от верхнего слоя воды, вернется опять вглубь.

Используя это явление, французские физики Жак Бабине (Jacques Babinet) (1794-1872) и Даниэль Коллодон (Daniel Collodon) продемонстрировали в 1840 г. фонтан, в котором лучи света, направленные внутрь фонтанных струй изгибались вместе с ними, придавая им светящийся характер.

Используя этот эффект, английский физик Джон Тиндалл (1820-1893) в 1854 г. продемонстрировал возможность управления светом, а в 1870 г. доложил о результатах своих опытов на собрании Королевского общества

В 1920 г. два английских ученых Джон Бэйрд (John Baird) и Кларенс Ханселл (Clarence Hansell) предложили использовать прозрачные стержни для передачи изображений. Такую возможность через несколько лет продемонстрировал студент-медик из Мюнхена Генрих Ламм (Lamm). А в 1934 г. инженер АТТ Норман Френч запатентовал проект передачи по стеклянному волокну сигналов связи.

Однако эта проблема привлекла к себе внимание только после того, как в 1954 г. преподаватель Технического университета голладского города Дельфт Абрахам ван Хеел (Abraham van Heel) и два сотрудника Лондонского Королевского научно-технического колледжа Гарольд Хопкинс (Harold Hopkins) и Нариндер Капани (Narinder Kapany) независимо друг от друга поделились на страницах английского журнала «Nature» своим опытом передачи изображений с помощью оптического волокна. Именно Н. Капани в 1956 г. ввел в употребление термин «волоконная оптика».

Через некоторое время А. ван Хеел усовершенствовал это изобретение. Он покрыл стеклянные волокна прозрачной оболочкой с более низким коэффициентом преломления и тем самым сделал почти невозможным рассеивание света за пределами световода. Но создаваемое таким образом оптическое волокно имело очень высокий коэффициент затухания. Ситуация стала меняться после того, как в 1966 г. два уже упоминавшихся ученых Чарльз Као и Чарльз Хокхэм установили, что коэффициент затухания зависит от степени прозрачности стекла и что для .использования оптического волокна в средствах связи необходимо, чтобы коэффициент затухания передаваемых сигналов был ниже 20 дБ/км (децибел на километр).

Одновременно, как уже отмечалось, именно Чарльз Као и Чарльз Хокхэм предложили использовать оптическое волокно для передачи информации с помощью лазера.

Первоначально коэффициент затухания достигал 1000 дБ/км). Но уже «в 1970 году, - пишет Д. Стерлинг, - Роберт Маурер со своими коллегами из Corning Glass Works получил первое волокно с затуханием менее 20 дБ/км. К 1972 году в лабораторных условиях был достигнут уровень в 4 дБ/км», «в настоящее время лучшие волокна имеют уровень потерь в 0.2 дБ/км».

Таким образом, в 70-е гг. открылась возможность использования оптического волокна для передачи информации на большие расстояния.

Первыми обратили на это внимание военные. Уже в 1973 г. Пентагон стал использовать оптико-волоконную связь на борту корабля Little Rock., а в 1976 г. - в авиации.

Тогда же, в 1976-1977 гг., в США и Великобритании были построены первые опытные линии оптико-волокнной связи. Как отмечает Д. Стерлинг, они сразу же «превзошли по своим характеристикам считавшиеся ранее незыблемыми стандарты производительности, что привело к их бурному распространению в конце 70-х и начале 80-х годов. В 1980-м AT&T объявила об амбициозном проекте волоконно-оптической системы, связывающей между собой Бостон и Ричмонд», который вскоре был реализован и продемонстрировал преимущества нового вида связи.

«К 1980 г., - пишет Д.Л. Шарле, - в области проводниковой связи произошла подлинная техническая революция. Классический проводниковый материал - медь - начал уступать место столь же классическому изоляционному материалу - стеклу».

На самом деле правильнее будет сказать, что с 1980 г. революция в этой сфере средств связи только началась.

В 1985 г. были проложены две первые морские коммерческие линии из из оптического кабеля длиной 120 и 420 км. 14 декабря 1988 г. начал действовать первый трансатлантический телефонный кабель с использованием волоконной оптики. «Этот кабель позволил вести телефонные переговоры 40 тысячам абонентов одновременно, что в 3 раза превышает объем трех существующих медных кабелей. В апреле 1989 г. начал функционировать волоконно-оптический кабель, проложенный через Тихий океан, связавший США с Японией».

К 1990 г. протяженность каналов волоконно-оптической связи только в США достигла 5 млн. миль.

«В настоящее время, - констатировали на рубеже XX-XXI вв. Д. Нэсбитт и П. Эбурдин, - с помощью волоконной оптики установлена связь между Северной Америкой, Европой, Азией и Австралией. Общая протяженность волоконно-оптических кабелей составляет более 16 мил. миль».

ЛЕКЦИЯ 5. РАДИО

План

1. Изобретение радио

2. Освоение радиоэфира

3. Радиолокация

4. Радиовещание

5. Мобильная связь

Литература

А) Обязательная

Островский А.В. История средств связи. Учебное пособие. СПб., 2009. С.84-114.

Б) Дополнительная

Быховский М.А. К 110-й годовщине изобретения радио. Вклад отечественных ученых в развитие радиоэлектроники и создание современной теории связи/ ЭС, 2005, № 5.

Карпов Е.А. Открытие радио - великое достижение российской научной мысли/ Электросвязь, 2008, № 4

Пестриков В.М. История радиопередатчика: конструкции и их творцы // Радиохобби. 1999. №1. С.2-4.

связь почта радио интернет

1. Изобретение радио

В 1995 г. вся мировая научная общественность отметила 100-летие радио, создателем которого считается русский ученый Александр Степанович Попов.

Между тем в зарубежной литературе распространено мнение, будто радио изобрел итальянский инженер Гульельмо Маркони (1874-1937). Это мнение проникло и на страницы нашей печати.

Кто же прав?

Прежде всего следует отметить, что появление радио было подготовлено усилиями многих ученых XIX в.

Особое значение в этом отношении имело открытие электрического поля и электромагнитной индукции. Исходя из этого, М. Фарадей (1791-1867) высказал гипотезу о существовании электромагнитных волн, а Джеймс Максвелл (1831-1879), экспериментально доказал, что постоянный электрический ток создает постоянное электрическое поле, а переменный ток - переменное и теоретически обосновал гипотезу М. Фарадея о существовании электромагнитных волн или же электромагнитного излучения.

Согласно его теории, электромагнитные волны - это «распространяющееся во все стороны возмущение электромагнитного поля», происходящее под влиянием переменного тока: «переменное магнитное поле создает переменное электрическое поле, которое в свою очередь создает переменное магнитное поле и т.д.». В результате этого возникает «цепочка переменных полей», которая и «представляет собою электромагнитную волну».

Для экспериментальной проверки этой теории немецкий физик Генрих Герц (1857-1894) создал устройство, состоявшее из двух элементов: вибратора и резонатора. Вибратор, игравший роль «возмутителя» электрического поля состоял из двух проводников, расположенных друг против друга почти встык таким образом, что между ними оставался лишь небольшой зазор. На ближних концах проводников находились небольшие шарики, на дальних - большие металлические шары или же расположенные перпендикулярно к проводникам металлические пластины. Работал вибратор от трансформатора, в качестве которого использовалась индукционная «катушка Румкорфа».

Трансформатор - это аппарат, позволяющий преобразовывать переменный ток одного напряжения в переменный ток другого напряжения. Созданная в 1851 г. «катушка» немецкого физика Генриха Даниэля Румкорфа (1803-1877)- это «повышающий трансформатор с большим коэффициентом трансформации и прерывателем в первичной цепи, позволяющий, питая первичную обмотку постоянным током низкого напряжения, получать во вторичной обмотке очень высокое напряжение».

Когда замыкалась электрическая цепь, напряжение в ней начинало расти и в зазоре между проводниками возникал разряд. А поскольку электрический разряд имел прерывистый характер, то вокруг вибратора возникало переменное электрическое поле. Задача, которую поставил перед собою Г. Герц, заключалась в том, чтобы установить, как колебания этого поля распространяются в пространстве и действительно ли они имеют волновой характер.

Чтобы уловить эти изменения Г. Герц установил рядом с вибратором резонатор - небольшую металлическую петлю с просветом. Как только вибратор начинал искрить, искрение возникало и в резонаторе: и в том случае, если резонатор был связан электрической цепью с вибратором, и в том случае, если он никак не был связан с ним.

Перемещая резонатор в пространстве в разные стороны, Г. Герц установил, что а) изменения магнитного поля распространяются от вибратора по всем направлениям, б) если в одном и том же режиме использовать несколько вибраторов, резонатор начинает искрить сильнее, в) если между вибратором и резонатором поставить металлическую преграду, исходящие от вибратора электромагнитные импульсы будут отражаться от нее. На основании этого и некоторых других наблюдений был сделан вывод, что от вибратора исходят электромагнитные импульсы, имеющие волновой характер, и что скорость их распространения равна скорости света.

Получив такой результат, Г. Герц начал отодвигать резонатор от вибратора. Когда резонатор переставал действовать, исследователь предпринимал меры, чтобы усилить действие вибратора или повысить чувствительность резонатора. В результате, если до этого влияние магнитного поля устанавливалось опытами на расстоянии нескольких сантиметров от проводника, Г. Герцу удалось добиться, чтобы его резонатор мог работать на удалении в нескольких метров от вибратора.

И хотя максимальное расстояние, на котором ему удалось зафиксировать распространение электромагнитных волн не превышало 20 м, уже в конце 80-х - начале 90-х годов XIX в. была высказана мысль о возможности использования электромагнитных волн для передачи информации на расстояние.

В связи с этим начались эксперименты, цель которых заключалась в том, чтобы увеличить дальность регистрации электромагнитных волн и установить, от чего это зависит?

Исходя из давно установленного факта, что воздействие магнита находится в обратной пропорциональной зависимости от размера находящегося в магнитном поле предмета, французский медик Эдуард Бранли (1846-1940), занимавшийся электротерапией, решил использовать для обнаружения электромагнитных волн металлические опилки.

При этом он опирался на опыты, уже проведенные к тому времени итальянским ученым Ф. Кальцески-Онести.

Сконструированный Э. Бранли в 1890 г. резонатор представлял собою стеклянную трубку, в которую были впаяны два металлических стержня, внешние концы которых были соединены между собой, а внутренние разъединены. Воспринимая электромагнитные волны с внешней стороны оба стержня накапливали электрические заряды до тех пор, пока внутри трубки не возникал электрический разряд. Для обнаружения его использовались находившиеся между двумя стержнями опилки: при прохождении через них электрического заряда начинали искрить.

Однако «трубка Бранли» имела два важных недостатка.

Хотя с помощью железных опилок изобретатель смог улавливать более слабые электромагнитные волны, чем резонатор Г. Герца, однако добиться сколько-нибудь значительного увеличения расстояния ему не удалось.

Другой недостаток заключался в том, что после возникновения электрического разряда опилки сразу же намагничивались, между двумя электродами устанавливалась постоянная связь, и прибор переставал искрить, т.е. выходил из строя как индикатор электромагнитного излучения. Чтобы он продолжал действовать в таком качестве, его необходимо было периодически встряхивать.

В начале 90-х годов подобными опытами занимались и другие исследователи, из которых наибольших успехов добился английский физик Оливер Джозеф Лодж (1851-1940), усовершенствовавший в 1894 г. «трубку Бранли» и назвавший ее когерером.

Во-первых, О. Лодж подключил к когереру звонок, в результате чего о приеме электромагнитной волны можно было судить не только по искрению опилок, но по звуковому сигналу. Во-вторых, О. Лодж создал устройство, которое через определенный интервал времени, регулируемый часовым механизмом, приводило в движение молоточек, периодически ударявший по когереру и встряхивавший его. Но поскольку действие часового механизма не зависело от прохождения тока, это хотя и давало возможность восстанавливать работу когерера, но не позволяло сделать процесс улавливания электромагнитных волн непрерывным или постоянным.

Впервые эту проблему решил русский ученый А.С. Попов.

Александр Степанович Попов (1859-1905) родился 4/16 марта 1859 г. на Урале в семье священника в Верхотурском уезде Пермской губернии.

Закончив Екатеринбургское духовное училище и Пермскую духовную семинарию, он в 1877 г. сдал экзамены за курс гимназии и поступил на физико-математический университет Петербургского университета. Здесь его внимание привлекло совершенно новая отрасль - электротехника. Закончив в 1883 г. университет, он защитил диссертацию на тему «О принципах магнито - и динамоэлектрических машин» и стал преподавателем первого в России электротехнического учебного заведения - Кронштадского минно-офицерского класса.

25 апреля/7 мая 1895 г. на заседании Русского Физико-химического общества А.С. Попов сделал доклад и продемонстрировал устройство, похожее на устройство О Лоджа, но имеющее одно очень важное дополнение.

А.С. Попов не просто подключил к когереру звонок, но и «привязал» его к общей электрической цепи таким образом, что, приходя в действие во время намагничивания опилок, молоточек звонка встряхивал когерер. Это позволило сделать процесс улавливания электромагнитных волн непрерывным или постоянным. В результате открылась возможность практического использования электромагнитных волн для передачи информации на расстояние.

Летом того же 1895 г. А.С. Попов использовал для приема электромагнитных волн специальное устройство - антенну.

«Антенна - часть радиоустановки, излучающая (передающая) или извлекающая энергию из поля радиоволн (приемная). В приемной антенне под действием радиоволн возникает электрический ток, подводимый к радиоприемнику».

Итак, антенна - это проводник, который излучает или воспринимает электромагнитные волны.

Вопрос о том, кто изобрел антенну, является открытым.

Если исходить из приведенного определения, то вибратор Г.Герца представлял собою передающую антенну, а резонатор - принимающую

Но и Г. Герц в этом отношении не был первым. Еще в 1700 г. английский исследователь Уолл высказал догадку об электрическом характере грозы, в 1750 г. американский физик Б. Франклин создал для улавливания грозовых разрядов молниеотвод, по существу представлявший принимающую антенну.

Первыми, кто осознанно поставили вопрос об использовании антенны как специального устройства для трансляции и приема электромагнитных волн, были Э. Бранли (1891 г.) и Н. Тесла (1893).

Таким образом, используя антенну, А.С. Попов шел по пути, намеченному его предшественниками.

Летом 1895 г. он дополнил свое устройство приемным механизмом телеграфного аппарата С. Морзе, позволившим фиксировать момент прохождения электрического разряда через когерер, а значит, момент замыкания электрической цепи на телеграфной ленте в виде «штрихов».

Так был сделан первый шаг на пути радиотелеграфирования.

Для того, чтобы сделать второй шаг, необходимо было включить в передающее устройство телеграфный ключ, с помощью которого можно было бы управлять излучаемыми в пространство электромагнитными волнами. Одним из первых такую идею высказал О. Лодж. Однако найти техническое решение этой проблемы ему не удалось.

Первую радиотелеграмму сумел передать А.С. Попов. По одним данным, это произошло 12/24 марта 1896 г., по другим - в 1897 г.

Так завершилось создание радиотелеграфа

Г. Маркони узнал об открытии электромагнитых волн в 1894 г., когда еще был студентом. Оно настолько увлекло его, что, получив консультацию у А. Риги, он, воспользовавшись вибратором Г. Герца и «трубкой Бранли», начал конструировать собственный аппарат, с помощью которого смог передать на расстояние сигнал, позволивший ему, как и А.С. Попову, включить электрический звонок.

«Удивительно, - пишет М.П. Бронштейн, - до чего были похожи эти первые опыты Маркони на те опыты, которые одновременно с ним делал профессор Попов. Попов не знал ничего о Маркони, Маркони ничего не знал о Попове, но оба они - русский профессор, и итальянский студент - в одно и то же время одним и тем же способом решали одну и ту же задачу. Попов заставил электромагнитные волны звонить, - то же самое сделал и Маркони. У Попова молоточек звонка встряхивал стеклянную трубку с опилками - и той же работой был занят молоточек звонка в приборе Маркони. Попов соединил свой приемник с вертикальным проводом - антенной, и Маркони тоже додумался до антенны. Все, что в лаборатории Кронштадтского Минного класса изобрел профессор Попов - все это независимо от Попова в далекой Италии, в деревне Понтеккио, в усадьбе Вилла Граффона, изобрел и молодой итальянский студент».

Однако, что представлял собою аппарат Г. Маркони первоначально, мы не знаем. Отсутствуют документальные данные и о том, когда он начал свои опыты, и каковы были их результаты. Все, что нам известно на этот счет, исходит из уст самого изобретателя, его помощника и слуги. Причем их свидетельства на этот счет были сделаны по прошествии многих лет после описываемых событий.

Но даже, согласно этим свидетельствам, к своим опытам Г. Маркони приступил лишь весной 1895 г.. К лету того же года, по свидетельству изобретателя, он дополнил свой аппарат антенной и смог передать сигнал на расстояние в 1,5 мили.

Между тем подобный аппарат А.С. Попова существовал уже к весне 1895 г., когда он публично поделился первыми результатами его испытания. Позднее профессор А Риги сообщил, что его ученику в 1895 г. были известны опыты А.С. Попова. Признал данный факт и сам Г. Маркони, который лишь 2 июня 1896 г. в Англии подал заявку на изобретение беспроволочной передачи информации под названием «Улучшения в передаче электрических импульсов и сигналов, а также в устройстве для этого предназначенном», 2 марта 1897 г. внес в нее уточнения и 2 июля 1897 г. получил английский патент. Уже одно название заявки Г. Маркони говорит о том, что его изобретение заключалось не в создании, а в усовершенствовании радиопередающего и радиоприемного устройств. Что же касается первой радиотелеграммы, то ее Г. Маркони сумел передать не ранее 1901 г.

Поэтому предпринимавшиеся и предпринимающиеся попытки объявить его изобретателем радио не имеют под собою оснований.

Неслучайно поэтому 100-летие радио мировая научная общественность отмечала не в 1997, не в 1996, а в 1995 г. и чествовала в качестве его создателя не Г. Маркони, а А.С. Попова.

2. Освоение радиоэфира

После того, как появилось радио, началось освоение эфира.

В 1896 г. Г. Маркони передал радиосигнал на расстояние более 3 км. В 1897 г. А.С. Попову удалось увеличить этот показатель до 5 км, а Г. Маркони до 27 км. В 1899 г. А.С. Попов осуществил радиосвязь на расстоянии 28 км, в 1900 г. - 47 км.

Если А.С. Попов использовал для своих опытов поддержку государства, то Г. Маркони - частного капитала. Уже в 1897 г. возникла английская компания «Маркони и К».

Сумев привлечь к своему делу большие средства, Г. Маркони 27 марта 1899 г. осуществил передачу через Ла-Манш (около 50 км). В 1900 г. он увеличил дальность передачи до 250 км, 1 декабря 1901 радиосигнал преодолел 3500 км и через Атлантический океан достиг Северной Америки., в 1903 г. удалось увеличить это расстояние до 10 тыс. км и передать радиосигнал из Европы в Южную Америку.

Главная причина успеха Г. Маркони была связана с использованием им антенных устройств. Достаточно сказать, что Ла-Манш он штурмовал с помощью целой группы антенн высотой почти в 50 м.

Но дело заключалось не только в их количестве и высоте.

Уже в 1900 г. Г. Маркони обратил внимание на изобретения немецкого физика, будущего лауреата Нобелевской премии Фердинанда Брауна и сразу же взял их на вооружение.

Если до этого антенна непосредственно включалась в электрическую цепь, Ф. Браун поставил между антенной и генератором электромагнитных волн трансформатор, позволявший увеличивать напряжение. Именно он включил в цепь еще одно важное устройство - конденсатор, который с тех пор стал обязательным элементом всех радиопередающих устройств.

Кроме того, Ф. Браун предложил использовать «направленный передатчик» и «направленный приемник», чтобы период колебаний передающего устройства совпадал с периодом колебаний приемного устройства: когда передающая станция и приемное устройство настроены на одну частоту, резонанс колебания передающей станции способен вызывать в приемном устройстве максимальный эффект.

Наконец, Ф. Браун едва ли не впервые вместо когерера использовал кристаллический детектор (предшественник транзистора).

Таким образом, пока А.С. Попов еще делал первые опыты, радиотехника быстрыми шагами шла дальше.

В 1903 г. состоялась Первая международная конференция по «беспроводной телеграфии». На этой конференции было принято решение называть этот вид электросвязи «радиотелеграфом». В том же году Международный союз электросвязи принял первый «Регламент радиосвязи (РР)».

Для понимания того, как происходило освоение радиоэфира, необходимо учитывать, что существует довольно большой спектр радиоволн, характеризующихся такими понятиями, как длина и частота. Что такое частота, уже говорилось ранее. Длина волны - это «расстояние, на которое распространяется энергия за время одного колебания» или «расстояние между ближайшими друг к другу точками, колеблющимися в одинаковых фазах».

Из этого вытекает, что длина волны находится в обратной пропорциональной зависимости от частоты. Иначе говоря, чем ниже частота, тем длиннее волна. И наоборот: чем выше частота, тем короче волна.

Таблица 3

Спектр радиочастот

Частота	Наименование Частоты	Длина волны	Наименование Длины волн
3-30 кгц	Очень низкая	10-100 км	Очень длинные
30-300 кгц	Низкая	1-10 км	Длинные
300-3000 кгц	Средняя	100-1000 м	Средние
3-30 мгц	Высокая	10-100 м	Короткие
30-300 мгц	Очень высокая	1-10 м	Очень короткие
300-3000 мгц	Ультравысокая	10-100 см	Ультракороткие
3000-30000 мгц	Сверхвысокая	1-10 см.	Сверхкороткие
Более 30000мгц	Крайневысокая	Менее 1 см	Крайнекороткие

Освоение радиоэфира происходило следующим образом: «…Если Герц проводил свои опыты на метровых волнах, то первая трансатлантическая связь была установлена (Маркони, 1901 г.) на волне 366 м., в 1902 г. для устойчивой радиотелеграфной связи использовалась длина волны 1100 м., в первой коммерческой линии связи Ирландия - Нью-Фаунленд, открывшейся в 1907 г., длина волны равнялась 3560 м. К концу Первой мировой войны длина волновой разности возросла до 20-25 км».

Первоначально считалось, что дальность распространения радиоволн находится в прямой зависимости от их длины. В связи с этим, как констатируют авторы «Очерков истории радиотехники», получило «применение более длинных волн и тем самым более высоких и сложных антенн, а также более мощных передатчиков». По этой же причине в «первые 20 лет развития радио ученые и инженеры полагали, что радиоволны с частотой выше 200 кГц непригодны для радиовещания, и до 1922 г. их было разрешено использовать для любителей связи».

Между тем к концу Первой мировой войны почти весь спектр сверхдлинных, длинных и даже средних волн оказался заполненным, что стало создавать взаимные помехи.

И тут обнаружилось, что радиолюбители, работавшие на коротких волнах, могут связываться между собою, несмотря на сотни и тысячи километров, которые их разделяли. Особый резонанс получил сеанс радиосвязи шотландских и американских радиолюбителей в 1921 г.

Изучение этих фактов привело к выводу, что характер распространения волн вдоль поверхности Земли и волн, направленных в пространство, различен. Если первые очень быстро затухают, то вторые, отражаясь от верхних слоев атмосферы, а затем земной поверхности (причем неоднократно), могут распространяться на более значительные расстояния, чем средние и даже длинные волны.

В 1922 г. советский физик М.В. Шулейкин создал теорию дисперсии коротких волн в однородной ионизированной среде. Дисперсия волн - от латинского dispersio, рассеивание - зависимость показателя преломления вещества, т.е. скорости распространения волн в веществе от длины волны (частоты).

Изучение этого явления открыло возможность для использования коротких и ультракоротких волн, которое началось в середине 20-х годов.

Но чем больше становилась дальность радиопередач, тем сильнее ощущалось такое явление, как затухание радиоволн по мере удаления их от передающего устройства.

В связи с этим усилия ученых были направлены на решение трех проблем: а) создание более сильных генераторов тока, б) совершенствование передающих устройств, в) совершенствование приемных устройств.

«Переход к использованию незатухающих колебаний, - пишут А.А. Гоголь и Ю.И. Никодимов, - произошел в радиотехнике постепенно и занял около десятилетия (1905-1915). За это время было разработано несколько методов генерирования незатухающих колебаний с помощью уже известных в технике устройств: электрической дуги, электрических машин повышенной частоты и посредством нового прибора - электронной лампы».

Особую известность получил дуговой генератор датского инженера, изобретателя магнитофона Вальдмара Паульсена (1869-1942), созданный в 1902 г. Одновременно начали использоваться машинные генераторы переменного тока. В этом отношении больших успехов добился русский ученый В.П. Вологдин. Подобные генераторы имели мощность в сотни кВт и весили десятки тонн.

Долгое время важным препятствием на пути развития радиосвязи была малая чувствительность радиоприемников. Эту проблему удалось решить с помощью радиоламп.

С незапамятных времён человеку был известен факт превращения электричества в свет (грозовые молнии и северное сияние), но они не понимали природы этих явлений. Впервые на связь электричества и света было обращено внимание в конце XVII в. Производя опыты, О. Герике обнаружил, что наэлектризованный им шар из серы в темноте начинает светиться. А в 1698 г. англичанин Уолл сумел получить электрическую искру и в 1708 г. поведал об этом в печати.

В XVIII в., особенно после того, как был создан конденсатор и изобретен дисковый генератор статического электричества, получение искры стало обычным явлением. С ее помощью удалось зажечь нефть, порох, спирт, фосфор.

Экспериментируя с электричеством, живший в XVIII в. американский изобретатель Э. Киннерски (р. 1712) заметил, что под влиянием электричества проводник может не только нагреваться, но и раскаляться, а в начале XIX в. А. Вольта обратил внимание, что при сильном токе тонкая медная проволока не только раскаляется, но и перегорает.

Исходя из этого, французский изобретатель Деларю в 1820 г. создал первую электрическую лампу накаливания с платиновой спиралью. Однако она была слишком дорогой, поэтому не получила практического применения. В 1838 г. бельгиец Жобар использовал для нити накаливания уголь. Это позволило значительно удешевить лампу. Но она очень быстро перегорала.

В 1878 г. продлением срока службы электрических ламп занялся Т.А. Эдисон. В связи с этим он обратил внимание, что во время их работы стекло изнутри начинает чернеть за исключением той его части, которая находится возле нити накаливания, соединенной с положительным электродом. Сделав из этого вывод, что почернение происходит в результате выделения мельчайших частиц угля, из которого была изготовлена нить накаливания, Т.А. Эдисон ввел внутрь еще один электрод. При этом он заметил, что если этот электрод соединить «с положительным концом нити» накаливания, то возникал электрический ток, если же «электрод был соединен с отрицательным концом, то никакого тока не было». Так в 1883 г. было открыто явление, которое получило название «эффекта Эдисона».

Этот эффект сразу же привлек к себе внимание других ученых. Одним из них был английский физик Джон Амброуз Флеминг (1849-1945), который с 1882 по 1895 г. работал консультантом в фирме Т.А. Эдисона, а с 1899 г. в фирме Г. Маркони. Уже в 1883 г. он выступил с докладом на тему «Явление молекулярной радиации в светящихся лампах».

Изменяя форму нити накаливания и вводимого электрода, а также их расположение внутри лампы и соотношение между собой, Д.А. Флеминг обнаружил, что таким образом можно регулировать то, что он называл «молекулярной радиацией» (на самом деле имело место выделение электронов) и оказывать влияние на протекание тока в электродах, с которыми была связана нить накаливания.

В результате Д.А. Флемингу удалось использовать «лампу Эдисона» и для приема радиоволн вместо когерера, и для выпрямления переменного тока, и для преобразования высокочастотных электрических колебаний в низкочастотные, т.е. в качестве демодулятора или же детектора. 16 ноября 1904 г. Д.А. Флеминг подал в Великобритании заявку на свое изобретение, получившее название диода, т.е. двухэлектродной лампы, и в следующем году получил патент.

Продолжая эти опыты, американский физик Ли де Форест (1873-1961) обернул лампу фольгой и обнаружил, что приемник стал чувствительнее к радиоволнам. Тогда он решил поместить «фольгу» внутрь лампы и с этой целью ввел в нее еще один электрод, который изготовил в виде сеточки и установил над диодом. Чувствительность радиоприемника стала еще больше. Так был создан новый вид электронной лампы, получивший название триода. Заявка на него была подана в 1906 г., патент получен в 1907 г.

Однако для того, чтобы триод получил практическое применение понадобилось внести в него некоторые усовершенствования.

Хотя триод был способен воспринимать самые слабые колебания электромагнитных волн, он не мог устранить их затухающего характера. В связи было предложено усовершенствовать его таким образом, чтобы электрический сигнал с выхода усилительной лампы мог возвращаться обратно на вход, увеличивая тем самым до определенного предела ее мощность. Это явление получило название регенерации, а усовершенствованный триод - регенератора.

В литературе можно встретить разные мнения относительно авторства этого изобретения, но, по всей видимости, правы те, кто считает, что регенеративную схему триода в 1912-1913 гг. независимо друг от друга предложили сразу же несколько человек (Эдвин Говард Армстронг, Ирвинг Лэнгмюр, Александр Мэйсснер, Ли де Форест и др.). А в 1913 г.

Сотрудник немецкой фирмы Телефункен Александр Мейснер (Meissner) создал первый ламповый радиопередатчик, открывший наачло новой эпохи - эпохи электроники.

Значение электронной лампы заключалось не только в том, что она позволила улучшить прием радиосигналов, не только в том, что она представляла собою более дешевый генератор электромагнитных волн, но и в том, что позволила генерировать и принимать короткие и даже ультракороткие волны.

И в середины 20-х годов начался переход от сверхдлинных, длинных и средних волн к коротким и ультракоротким волнам.

3. Радиолокация

Еще Г. Герц установил, что электромагнитные волны отражаются от встречающихся на их пути металлических предметов. С этим же фактом в 1897 г. во время своих экспериментов столкнулся А.С. Попов. Но ни тот, ни другой не придал этому явлению особого значения.

Первым, кто сделал это, был Н.Тесла. В 1900 г. он не только указал на возможность с помощью радиоволн определять местоположение объектов, а также скорость и направления их перемещения, но и предложил методику этого. Тем самым был заложен первый камень в основание того, что позднее получило название радиолокации.

Локация (от латинского locatio - размещение, распределение) - это «определение местонахождения целей (объектов) по сигналам (например, звуковым и электромагнитным волнам), излучаемым самими целями (пассивная локация) или отраженным от них сигналам (активная локация)».

«Расстояние до объекта измеряется путем определения t, необходимого для прохождения радиоволнами расстояния от пункта наблюдения до объекта (прямая волна) и обратно (отраженная волна)».

Первым, кто попытался реализовать эти идеи на практике, стал немецкий инженер Христиан Хюльсмайер. В 1904 г. он запатентовал устройство «для предотвращения столкновения морских судов с помощью радиосвязи», в 1905 г. получил патент на «способ обнаружения металлических предметов по отражаемым ими радиоволнам», а в 1906 г. патент - на «способ определения расстояния до отражающего объекта».

И хотя газеты с восторгом сообщили об этом изобретении, спроса на него не последовало. Во многом это объясняется тем, что «лучшее отражение происходит при условии, что длина волны равна или (что еще лучше) меньше размеров отражающего объекта». Между тем, как мы уже знаем, в начале XX в. использовались главным образом средние, длинные и сверхдлинные, волны.

Была и другая причина. Она заключалась в том, что современники не видели возможности практического применения этого открытия. Говорят, когда Х. Хюльсмайер предложил использовать свое устройство для повышения безопасности пароходного движения во время тумана, ему ответили, что пароходные гудки не менее эффективны и к тому же намного дешевле.

Не привлекло к себе внимание деловых кругов подобное же устройство Х. Лёви и Т. Леймбаха, запатентованное в 1912 г. и предназначенное для геологоразведок с помощью радиоволн, а также эксперименты, проведенные в 1922 г. с целью демонстрации возможностей радиолокации американскими инженерами Э. Тейлором и Л. Юнгом.

И только после того, как в 1924 г. будущий лауреат Нобелевской премии Эдуард Эпплтон (1892-1965) и его аспирант и М. Барнет с помощью радиоволн смогли экспериментально доказать существование ионосферы и измерить ее высоту (слой Хэвисайда), на радиолокацию обратили серьезное внимание.

К этому времени спрос на радиолокацию стала предъявлять армия. Он был связан с бурным развитием военной авиации, которая вызвала к жизни противовоздушную оборону.

Первоначально для этого использовались посты визуального наблюдения, оснащенные телефонами. В связи с тем, что к 1930 г. скорость бомбардировщиков составляла 150-200 км/час., подобные посты располагались вокруг наиболее крупных городов в радиусе около 150 км..

При таком радиусе протяженность только одного кольца ПВО достигала 1000 км и на каждое из них приходились десятки наблюдательных пунктов. Если принять во внимание хотя бы три кольца ПВО на один город и взять только крупнейшие города ведущих стран мира, окажется, что для создания защищающей их системы ПВО требовались тысячи наблюдательных пунктов, много людей и большие денежные расходы.

Между тем 30-е гг. годы характеризовались не только бурным развитием авиационной промышленности, но и совершенствованием авиации. Достаточно отметить, что к 1940 г. скорость бомбардировщиков увеличилась до 400 км/час. В связи с этим и возник спрос на радиолокацию. Раньше всех, уже в 1931 г.. к разработке радиолокационной системы ПВО приступили США. Однако, хотя американские инженеры Э. Тейлор и Л. Юнг взяли патент на подобное устройство, получившее название радар (RADAR - Radio Detection And Ranging) в 1933 г., а английский инженер, потомок знаменитого Джеймса Уатта - Роберт Александр Ватсон-Ватт (Robert Alexander Watson-Watt) (1892-1973) в 1934 и 1935 гг., первая радиолокационная станция (РЛС) в 1935 г. была построена в Великобритании. «Она, - пишет К. Рыжов, - работала в диапазоне волн 10-13 м и имела дальность действия 140 км при высоте полета самолета 4,5 км. В 1937 году на восточном побережье Англии уже было установлено 20 таких станций. В 1938 году все они приступили к круглосуточному дежурству, продолжавшемуся до конца войны».

В самом общем виде работа РЛС сводится к следующему.

Периодически она посылает в пространство электромагнитные волны, которые, встретив на своем пути препятствие в виде определенного объекта, отражаются от него и возвращаются обратно. Зная скорость распространения радиоволн, можно определить расстояние между РЛС и наблюдаемым объектом.

Первые радары были несовершенны: они имели большие размеры, работали на волнах длиной 10-15 м., распространявшихся в довольно узком диапазоне и могли обнаруживать самолеты не ниже 100 м.

Несмотря на это, уже в 1940 г. радиолокация продемонстрировала свое значение. Когда Германия начала массированные бомбардировки Британских островов, то за четыре месяца она потеряла более 3000 самолетов, из которых 2500 были сбиты после обнаружения их РЛС.

Поскольку после Второй мировой войны началась «холодная война», военная радиолокация продолжала совершенствоваться. Со временем удалось перейти на волны длиной 1-2 м., а затем и сантиметровые волны, уменьшить размеры РЛС, заменить стационарные антенны вращающимися, отказаться от разделения РЛС на две части: передающую и приемную, замкнув передатчик и приемник на одну антенну, которые включались бы поочередно. Значительно увеличилась дальность охвата РЛС. Первые РЛС посылал импульсы со скоростью 25 раз в секунду, сейчас она составляет миллионы раз.

После того, как в XIX в. была установлена электромагнитная природа света, появилась гипотеза о существовании электромагнитного излучения солнца, а значит, и других небесных тел. Однако первые попытки ее экспериментальной проверки, оказались неудачными, так как это излучение имеет высокочастотный характер, и существовавшая первоначально приемная аппаратура не могла его улавливать.

Положение дел изменилось, когда была создана радиоэлектронная аппаратура, позволившая американскому ученому Карлу Янскому (1905-1950) обнаружить в 1932 г. радиоизлучение Млечного пути, а его соотечественнику Гроте Реберу (1911-2002) создать к 1939 г. первый радиотелескоп. Так было положено начало новому научному направлению - радиоастрономии.

В радиоастрономии сразу же возникли два направления: пассивное и активное. «Пассивное» направление характеризуется приемом и изучением тех радиосигналов, которые излучают сами космические тела. «Активное» направление использует для изучения космических явлений радиолокацию.

Уже в 1942-1945 гг. было открыто радиоизлучение Солнца. В 1945 г. началось радиолокационное изучение Луны. За этим последовали другие небесные тела. После Второй мировой войны с помощью радиотелескопов удалось произвести измерение отдельных планет, их расстояния от Земли, установить орбиты их движения и скорость вращения. Радиотелескопы позволили выйти за пределы Солнечной системы и раздвинуть границы «видимой» нами части Вселенной.

Развитие радиоастрономии сыграло важную роль в освоении космического пространства, которое началось после того, как в 1957 г. наша страна запустила первый космический спутник Земли, а в 1961 г. космический корабль с человеком на борту. Им был летчик-испытатель Ю.А. Гагарин. За 43 года, т.е. к 2000 г. на орбиту было выведено около 20 тысяч космических объектов.

Особое значение спутниковая связь приобрела в системе ракетно-ядерных сил, которые в 1958 г. были выделены в особый род войск.

Вторая половина XX века была временем бурного развития гражданской авиации. Сейчас воздушные просторы ежедневно бороздят десятки тысяч самолетов и вертолетов. Это привело к необходимости регулирования полетов сначала в границах отдельных стран, затем в масштабах всей планеты. Главным средством управления полетами и контроля за ними стала радиолокация.

Развитие авиации и мореходства потребовали совершенствования метеорологии, которая все больше и больше зависит от успехов радиотехники.

В 1941 г. в Великобритании впервые с помощью радиолокаторов были обнаружены осадки. С 1943 г. в США начались регулярные радионаблюдения за ливнями и грозами, в СССР радиолокация была использована для измерения скорости и направления ветра в верхних слоях атмосферы. С этого времени радиолокация постепенно превратилась в один из важнейших инструментов современной метеорологии.

4. Радиовещание

Вскоре после того, как появился телефон, Т. Пушкаш предложил знакомить абонентов по телефону с музыкой и текущими новостями.

Чтобы продемонстрировать возможность этого, в 1881 г. на Международной выставке в Париже он соединил один из павильонов с оперным театром. А в 1882 г. его брат Ференц организовал подобную же трансляцию из Национального театра на балу журналистов в Будапеште.

Возглавив после смерти брата будапештскую телефонную станцию Т. Пушкаш, организовал 15 февраля 1893 г. трансляцию «говорящей» или телефонной газеты, т.е. стал знакомить абонентов с текущими новостями.

Между тем появилось радио. Первоначально его использовали только как «беспроволочный телеграф». И сразу, уже в конце 90-х годов XIX в., было обнаружено следующее явление. «Пытаясь найти неисправность в радиоприемнике «прозвонкой» электрических цепей с помощью обыкновенной телефонной трубки», помощники А.С. Попова П.Н. Рыбкин и Д.С. Троицкий услышали «радиосигналы азбуки Морзе ближайшей радиостанции».

Это означало, что с помощью радиоволн можно передавать звуковые сигналы и что маломощные электрические сигналы, передаваемые с помощью азбуки Морзе, человек способен воспринимать на слух. В 1899 г. А.С. Попов получил российскую привилегию, а также патенты в Англии и Франции на «Телефонный приемник депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн по системе Морзе».

Примерно тогда же профессор Питсбурского университета и консультант Метеорологического бюро Реджинальд Обри Фессенден (Fessenden Reginald Aubrey)» (1866-1932) сделал попытку использовать радиоволны для звуковой трансляции. Позднее он утверждал, что в 1900 г. ему удалось передать человеческую речь на расстояние мили, т.е. примерно полутора километров.

Однако это утверждение вызывает сомнения, так как для осуществления такой передачи требовалось предварительное решение двух очень важных проблем.

Вот что говорится о первой из них на страницах школьного учебника физики: «При радиотелефонной связи колебания давления воздуха в звуковой волне превращаются с помощью микрофона в электрические колебания той же формы. Казалось бы, если эти колебания усилить и подать на антенну, то можно будет передавать на расстояние речь и музыку с помощью электромагнитных волн. Однако в действительности такой способ передачи неосуществим».

Дело в том, что человек способен произносить звуки в диапазоне от 80 до 12000 герц. Но на 90% наша речь не выходит за пределы 2000 гц. Ухо человека может воспринимать звуковые колебания от 20 до 20000 гц, но обыкновенный слух улавливает колебания от 200 до 5000 гц. Поэтому Международный стандарт для телефона определяет этот диапазон в пределах от 300 до 3400 гц.

Между тем, как было показано выше, даже для сверхдлинных радиоволн характерна частота от 3 до 30 тысяч герц. Поэтому, чтобы передать низкочастотные звуковые колебания на расстояние с помощью электромагнитных волн, звуковые колебания необходимо предварительно преобразовать в высокочастотные. Этот процесс получил название модуляции. «Без модуляции мы в лучшем случае можем контролировать, работает станция или молчит».

Но высокочастотные электрические сигналы способны придать мембране приемного устройства только высокочастотные колебания, которые не воспринимает ухо человека. Поэтому их требуется преобразовать в низкочастотные, для чего необходимо специальное устройство, получившее название детектора.

Насколько удалось и Р. О Фессендену решить эти две проблемы к 1900 г., мы не знаем. Но детекторное устройство, получившее название «бареттера Фессендена», он создал только в 1903 г..

Что же касается модуляции, то эта проблема была решена еще позже. Для ее решения Р.О. Фессенеден обратился за помощью к известному электротехнику Чарлзу Протеусу Штейнмецу, работавшему тогда в фирме General Electric Company. Ч.П. Штейнмец порекомендовал ему своего помощник Эрнста Александерсона (Ernst Frederic Werner Alexanderson (1878-1975).

Только после этого, в 1906 г., Р. Фессенден снова повторил свой опыт. Из небольшого американского городка Брант Рок в штате Мэриленд он связался по радиотелефону с Плиумтом, находившимся на расстоянии 11 миль или же 16 км. Опыт оказался удачным. 26 января и 2 февраля 1907 г. сообщения о нем появились в печати.

В июле 1907 г. Р. Фессендену удалось связаться по радиотелефону с Ямайкой и Лонг Айлендом, удаленными от его лаборатории примерно на 300 км.

Правительство США сразу же взяло это изобретение на вооружение и начало оснащать радиотелефонами военные корабли. По утверждению Ли де Фореста, в 1907-1908 гг. он «оборудовал головной корабль флота США «Огайо» и некоторые другие корабли дуговыми передатчиками и фонографами для трансляции во время плавания»

В 1908 г. был организована первая в истории музыкальная передача с Эйфелевой башни в Париже.

В 1909 г. американский радиолюбитель Чарлз Дэвид Хэролд (Герольд) (Charles David Herrold) (1875-1948) с помощью любительского радиопередатчика создал в городе Сан-Хосе (Калифорния) первую известную нам радиовещательную станцию и начал регулярно выходить в эфир с музыкальными программами, предназначенными для таких же, как он, радиолюбителей.

Однако радиус действия первых радиовещательных станций был невелик. Новые возможности на этом пути открыло изобретение регенератора. Использование его позволило в 1915 г. установить не только трансконтинентальную телефонную связь между Нью-Йорком и Сан-Франциско, но и провести сеанс трансатлантической радиотелефонной связи между Арлингтоном (шт. Виргиния) и Парижем.

«В 1916, - вспоминал Ли де Форест, - после того как мы научились изготавливать колебательные электронные лампы мощностью от 50 до 100 Вт я начал регулярные ночные радиовещательные передачи с моей станции в «High Bridge» (Нью-Йорк)», «а в ноябре 1916 г. была воплощена идея передачи процедуры подсчета голосов во время президентских выборов. Газеты писали: «Семь тысяч «радиотелефонных операторов» в радиусе 200 миль от Нью-Йорка принимали выборные сводки».

Когда весной 1917 г. США вступили в Первую мировую войну, все частные радиостанции были закрыты. И только после того, как летом 1919 г. был подписан Версальский мирный договор, этот запрет был снят. Уже в декабре этого года радиостанция Ли де Фореста снова вышла в эфир

Осенью 1920 г. в американском городе Питтсбурге начала работать радиостанция, созданная известной электротехнической фирмой Вестингауз. Впервые она вещала не для десятков и сотен, а для тысяч радиоприемников.

К началу 1923 г. в США было выдано около 600 лицензий на радиовещание, в 1930 г. - более 6 тысяч. Особую роль в развитии американского радиовещания сыграл выходец из России, уроженец Минска Давид Абрамович Сарнов (1891-1971), возглавивший созданную в 1919 г. известной электротехнической фирмой Дженерал электрик Радиокорпорацию Америки (RCA). В 1926 г. под его руководством была создана Национальная вещательная компания (NBC). В 1927 г. возникла вторая крупная сеть коммерческих станций - Колумбийская вещательная система (CBS).

В первой половине 1920-х годов радиовещание началось в Великобритании, Германии, Франции и других европейских странах.

К 1922 г. относится экспериментальное радиовещание во многих странах Азии: в Японии, Китае, Индонезии, на Филиппинах и т.д. В том же году Япония первой из азиатских стран перешла к регулярному радиовещанию. В 1926 г. здесь была создана Национальная вещательная корпорация (NHK), с 1928 г. организовано централизованное общенациональное вещание по всей стране.