Введение
Тип радиопередатчика
Передатчик с искровым разрядом – устаревший тип радиопередатчика, генерирующий радиоволны посредством электрической искры. Искровые передатчики были первым типом радиопередатчика и основным типом, использовавшимся в эпоху беспроводной телеграфии, или «исковой» период, в первые три десятилетия развития радио – с 1887 года до конца Первой мировой войны. Немецкий физик Генрих Герц построил первые экспериментальные искровые передатчики в 1887 году, с помощью которых доказал существование радиоволн и изучил их свойства. Фундаментальным ограничением искровых передатчиков является то, что они генерируют серию кратковременных переходных импульсов радиоволн, называемых затухающими волнами; они не способны производить непрерывные волны, используемые для передачи аудио (звука) в современных AM или FM радиовещаниях. Следовательно, искровые передатчики не могли передавать звук, а вместо этого передавали информацию посредством радиотелеграфии: оператор включал и выключал передатчик телеграфным ключом, создавая импульсы радиоволн для передачи текстовых сообщений кодом Морзе. Первые практические искровые передатчики и приемники для радиотелеграфной связи были разработаны Гульельмо Маркони около 1896 года. Одним из первых применений искровых передатчиков было использование на судах для связи с берегом и передачи сигнала бедствия в случае затопления судна. Они сыграли решающую роль в морских спасательных операциях, таких как катастрофа RMS Titanic в 1912 году. После Первой мировой войны были разработаны передатчики на вакуумных лампах, которые были менее дорогими и производили непрерывные волны с большей дальностью, создавали меньше помех и могли также передавать звук, что сделало искровые передатчики устаревшими к 1920 году. Радиосигналы, генерируемые искровыми передатчиками, электрически «шумные»; они имеют широкую полосу пропускания, создавая радиочастотные помехи (RFI), которые могут нарушать другие радиопередачи. Этот тип радиоизлучения запрещен международным правом с 1934 года. Радиоволны, электромагнитные волны радиочастотного диапазона, могут генерироваться переменными во времени электрическими токами, состоящими из электронов, протекающих через проводник и внезапно меняющих свою скорость, тем самым ускоряясь. Электрически заряженная ёмкость, разряжающаяся через электрическую искру в искровом промежутке между двумя проводниками, была первым известным устройством, способным генерировать радиоволны. Практический искровой передатчик состоит из следующих частей: высоковольтный трансформатор, преобразующий низковольтное электричество от источника питания – батареи или электрической розетки – в достаточно высокое напряжение (от нескольких киловольт до 75–100 киловольт в мощных передатчиках) для возникновения искры в искровом промежутке. Трансформатор заряжает конденсатор. В маломощных передатчиках, работающих от батарей, обычно использовалась индукционная катушка (катушка Румкорфа). Одна или несколько резонансных цепей (настроенных цепей или колебательных контуров), создающие радиочастотные электрические колебания при возбуждении искрой. Резонансная цепь состоит из конденсатора (в первые дни – типа, называемого лейденской банкой), который накапливает высоковольтное электричество от трансформатора, и катушки проволоки, называемой индуктором или колебательной катушкой, соединенных вместе. Значения ёмкости и индуктивности определяют частоту генерируемых радиоволн. Самые ранние искровые передатчики до 1897 года не имели резонансной цепи; антенну выполняла эту функцию, действуя как резонатор. Однако это означало, что электромагнитная энергия, генерируемая передатчиком, рассеивалась в широком диапазоне, тем самым ограничивая ее эффективную дальность несколькими километрами. Большинство искровых передатчиков имели две резонансные цепи, соединенные посредством воздушного трансформатора, называемого резонансным трансформатором или колебательным трансформатором. Импульсная искра возбуждает резонансную цепь, заставляя ее «колебаться», как колокол, создавая кратковременный колебательный ток, который излучается в виде электромагнитных волн антенной.
A high voltage transformer, to transform the low voltage electricity from the power source, a battery or electric outlet, to a high enough voltage (from a few kilovolts to 75 100 kilovolts in powerful transmitters) to jump across the spark gap. The transformer charges the capacitor. In low power transmitters powered by batteries this was usually an induction coil (Ruhmkorff coil). One or more resonant circuits (tuned circuits or tank circuits) which create radio frequency electrical oscillations when excited by the spark. A resonant circuit consists of a capacitor (in early days a type called a Leyden jar) which stores high voltage electricity from the transformer, and a coil of wire called an inductor or tuning coil, connected together. The values of the capacitance and inductance determine the frequency of the radio waves produced. The earliest spark gap transmitters before 1897 did not have a resonant circuit; the antenna performed this function, acting as a resonator. However, this meant that the electromagnetic energy produced by the transmitter was dissipated across a wide band, thereby limiting its effective range to a few kilometers at most. Most spark transmitters had two resonant circuits coupled together with an air core transformer called a resonant transformer or oscillation transformer. The impulsive spark excites the resonant circuit to "ring" like a bell, producing a brief oscillating current which is radiated as electromagnetic waves by the antenna.
Индукционная катушка
Индукционная катушка (катушка Румкорфа) использовалась в маломощных передатчиках, обычно мощностью менее 500 Вт, часто работающих от батарей. Индукционная катушка – это тип трансформатора, работающий от постоянного тока, в котором вибрирующий контакт переключателя на катушке, называемый прерывателем, многократно размыкает цепь, подающую ток в первичную обмотку, заставляя катушку генерировать импульсы высокого напряжения. Когда первичный ток подается на катушку, первичная обмотка создает магнитное поле в железном сердечнике, которое оттягивает пружинный рычаг прерывателя от контакта, размыкая цепь и отключая первичный ток. Затем магнитное поле схлопывается, создавая импульс высокого напряжения во вторичной обмотке, и рычаг прерывателя возвращается в исходное положение, чтобы снова замкнуть цепь, и цикл повторяется. Каждый импульс высокого напряжения заряжал конденсатор до момента пробоя искрового промежутка, в результате чего на каждый импульс приходилась одна искра. Прерыватели ограничивались низкой частотой искрения 20–100 Гц, что воспринималось как низкий гул в приемнике. В мощных передатчиках с индукционной катушкой вместо вибрирующего прерывателя использовался ртутный турбинный прерыватель. Это позволяло размыкать цепь с частотой до нескольких тысяч герц, а частоту можно было регулировать для получения наилучшего тона.
Трансформатор переменного тока
В передатчиках большой мощности, работающих от переменного тока, трансформатор повышает входное напряжение до необходимого высокого напряжения. Синусоидальное напряжение с трансформатора подается непосредственно на конденсатор, поэтому напряжение на конденсаторе изменяется от высокого положительного значения, через ноль, до высокого отрицательного значения. Искровой промежуток регулируется таким образом, чтобы искры возникали только вблизи максимума напряжения, на пиках синусоиды переменного тока, когда конденсатор полностью заряжен. Поскольку синусоидальная волна переменного тока имеет два пика за цикл, в идеале в течение каждого цикла возникало две искры, поэтому частота искрения была равна удвоенной частоте переменного тока. Томас Эдисон был близок к открытию радио в 1875 году; он генерировал и обнаруживал радиоволны, которые он называл «эфирными токами», экспериментируя с высоковольтными искровыми цепями, но из-за нехватки времени не стал развивать это направление. Фицджеральд в короткой заметке, опубликованной в 1883 году, предположил, что электромагнитные волны можно практически генерировать, быстро разряжая конденсатор; метод, используемый в искровых передатчиках, однако нет никаких свидетельств того, что это вдохновило других изобретателей. Разделение истории искровых передатчиков на различные типы, представленное ниже, соответствует структуре материала, используемой во многих учебниках по беспроводной связи.
Эпоха "искры"
Первое применение радио было на кораблях для поддержания связи с берегом и передачи сигнала бедствия в случае затопления судна. Компания Маркони построила сеть береговых станций и в 1904 году ввела первый сигнал бедствия кодом Морзе – буквы CQD, которые использовались до Второй Международной радиотелеграфной конвенции 1906 года, на которой был согласован сигнал SOS. Первым значительным спасением в море, осуществленным благодаря радиотелеграфии, стало спасение пассажиров и экипажа роскошного лайнера RMS Republic 23 января 1909 года, когда удалось спасти 1500 человек.
Spark transmitters and the crystal receivers used to receive them were simple enough that they were widely built by hobbyists. Low power amateur transmitters ("squeak boxes") were often built with "trembler" ignition coils from early automobiles such as the Ford Model T.
The sinking 14 April 1912 increased public appreciation for the role of radio, but the loss of life brought attention to the disorganized state of the new radio industry, and prompted regulation which corrected some abuses. In the US 1912 Radio Act, licenses were required for all radio transmitters, maximum damping of transmitters was limited to a decrement of 0.2 to get old noisy non syntonic transmitters off the air, and amateurs were mainly restricted to the unused frequencies above 1.5 MHz and output power of 1 kilowatt. Beginning about 1910, industrial countries built global networks of these stations to exchange commercial and diplomatic telegram traffic with other countries and communicate with their overseas colonies. During World War I, radio became a strategic defensive technology, as it was realized a nation without long distance radiotelegraph stations could be isolated by an enemy cutting its submarine telegraph cables. Spark transmitters were long obsolete at this point, and broadcast radio audiences and aviation authorities were complaining of the disruption to radio reception that noisy legacy marine spark transmitters were causing. But shipping interests vigorously fought a blanket prohibition on damped waves, due to the capital expenditure that would be required to replace ancient spark equipment that was still being used on older ships. The Convention prohibited licensing of new land spark transmitters after 1929. Damped wave radio emission, called Class B, was banned after 1934 except for emergency use on ships. High oscillating voltages of hundreds of thousands of volts at frequencies of 0.1 1 MHz from a Tesla coil were applied directly to the patient's body. The treatment was not painful, because currents in the radio frequency range do not cause the physiological reaction of electric shock. In 1926 William T. Bovie discovered that RF currents applied to a scalpel could cut and cauterize tissue in medical operations, and spark oscillators were used as electrosurgery generators or "Bovies" as late as the 1980s. In the 1950s a Japanese toy company, Matsudaya, produced a line of cheap remote control toy trucks, boats and robots called Radicon, which used a low power spark transmitter in the controller as an inexpensive way to produce the radio control signals. The signals were received in the toy by a coherer receiver. Spark gap oscillators are still used to generate high frequency high voltage needed to initiate welding arcs in gas tungsten arc welding. Powerful spark gap pulse generators are still used to simulate EMPs.
Радиочастоты, используемые искровыми передатчиками в эпоху беспроводной телеграфии:
Spark transmitters and the crystal receivers used to receive them were simple enough that they were widely built by hobbyists. Low power amateur transmitters ("squeak boxes") were often built with "trembler" ignition coils from early automobiles such as the Ford Model T.
The sinking 14 April 1912 increased public appreciation for the role of radio, but the loss of life brought attention to the disorganized state of the new radio industry, and prompted regulation which corrected some abuses. In the US 1912 Radio Act, licenses were required for all radio transmitters, maximum damping of transmitters was limited to a decrement of 0.2 to get old noisy non syntonic transmitters off the air, and amateurs were mainly restricted to the unused frequencies above 1.5 MHz and output power of 1 kilowatt. Beginning about 1910, industrial countries built global networks of these stations to exchange commercial and diplomatic telegram traffic with other countries and communicate with their overseas colonies. During World War I, radio became a strategic defensive technology, as it was realized a nation without long distance radiotelegraph stations could be isolated by an enemy cutting its submarine telegraph cables. Spark transmitters were long obsolete at this point, and broadcast radio audiences and aviation authorities were complaining of the disruption to radio reception that noisy legacy marine spark transmitters were causing. But shipping interests vigorously fought a blanket prohibition on damped waves, due to the capital expenditure that would be required to replace ancient spark equipment that was still being used on older ships. The Convention prohibited licensing of new land spark transmitters after 1929. Damped wave radio emission, called Class B, was banned after 1934 except for emergency use on ships. High oscillating voltages of hundreds of thousands of volts at frequencies of 0.1 1 MHz from a Tesla coil were applied directly to the patient's body. The treatment was not painful, because currents in the radio frequency range do not cause the physiological reaction of electric shock. In 1926 William T. Bovie discovered that RF currents applied to a scalpel could cut and cauterize tissue in medical operations, and spark oscillators were used as electrosurgery generators or "Bovies" as late as the 1980s. In the 1950s a Japanese toy company, Matsudaya, produced a line of cheap remote control toy trucks, boats and robots called Radicon, which used a low power spark transmitter in the controller as an inexpensive way to produce the radio control signals. The signals were received in the toy by a coherer receiver. Spark gap oscillators are still used to generate high frequency high voltage needed to initiate welding arcs in gas tungsten arc welding. Powerful spark gap pulse generators are still used to simulate EMPs.
Использование | Частота (кГц) | Длина волны (м) | Типичный диапазон мощности (кВт)
------- | -------- | -------- | --------
Любительский | > 1500 | < 200 | 0,25 – 0,5
Корабли | 500, 660, 1000 | 600, 450, 300 | 1 – 10
Военно-морской флот | 187,5 | 500 | 5 – 20 | 1600 – 600
Умеренные наземные станции | 187,5 | 333 | 5 – 20 | 1600 – 900
Трансокеанские станции | 15 | 187,5 | 20 – 500 | 20000 – 1600
Spark transmitters and the crystal receivers used to receive them were simple enough that they were widely built by hobbyists. Low power amateur transmitters ("squeak boxes") were often built with "trembler" ignition coils from early automobiles such as the Ford Model T.
The sinking 14 April 1912 increased public appreciation for the role of radio, but the loss of life brought attention to the disorganized state of the new radio industry, and prompted regulation which corrected some abuses. In the US 1912 Radio Act, licenses were required for all radio transmitters, maximum damping of transmitters was limited to a decrement of 0.2 to get old noisy non syntonic transmitters off the air, and amateurs were mainly restricted to the unused frequencies above 1.5 MHz and output power of 1 kilowatt. Beginning about 1910, industrial countries built global networks of these stations to exchange commercial and diplomatic telegram traffic with other countries and communicate with their overseas colonies. During World War I, radio became a strategic defensive technology, as it was realized a nation without long distance radiotelegraph stations could be isolated by an enemy cutting its submarine telegraph cables. Spark transmitters were long obsolete at this point, and broadcast radio audiences and aviation authorities were complaining of the disruption to radio reception that noisy legacy marine spark transmitters were causing. But shipping interests vigorously fought a blanket prohibition on damped waves, due to the capital expenditure that would be required to replace ancient spark equipment that was still being used on older ships. The Convention prohibited licensing of new land spark transmitters after 1929. Damped wave radio emission, called Class B, was banned after 1934 except for emergency use on ships. High oscillating voltages of hundreds of thousands of volts at frequencies of 0.1 1 MHz from a Tesla coil were applied directly to the patient's body. The treatment was not painful, because currents in the radio frequency range do not cause the physiological reaction of electric shock. In 1926 William T. Bovie discovered that RF currents applied to a scalpel could cut and cauterize tissue in medical operations, and spark oscillators were used as electrosurgery generators or "Bovies" as late as the 1980s. In the 1950s a Japanese toy company, Matsudaya, produced a line of cheap remote control toy trucks, boats and robots called Radicon, which used a low power spark transmitter in the controller as an inexpensive way to produce the radio control signals. The signals were received in the toy by a coherer receiver. Spark gap oscillators are still used to generate high frequency high voltage needed to initiate welding arcs in gas tungsten arc welding. Powerful spark gap pulse generators are still used to simulate EMPs.
Искровые передатчики и кристаллические приемники, используемые для их приема, были достаточно просты в изготовлении, что обеспечило их широкое распространение среди любителей. Низкомощные любительские передатчики ("скрипуны") часто собирались из "тремблерных" катушек зажигания ранних автомобилей, таких как Ford Model T.
Spark transmitters and the crystal receivers used to receive them were simple enough that they were widely built by hobbyists. Low power amateur transmitters ("squeak boxes") were often built with "trembler" ignition coils from early automobiles such as the Ford Model T.
The sinking 14 April 1912 increased public appreciation for the role of radio, but the loss of life brought attention to the disorganized state of the new radio industry, and prompted regulation which corrected some abuses. In the US 1912 Radio Act, licenses were required for all radio transmitters, maximum damping of transmitters was limited to a decrement of 0.2 to get old noisy non syntonic transmitters off the air, and amateurs were mainly restricted to the unused frequencies above 1.5 MHz and output power of 1 kilowatt. Beginning about 1910, industrial countries built global networks of these stations to exchange commercial and diplomatic telegram traffic with other countries and communicate with their overseas colonies. During World War I, radio became a strategic defensive technology, as it was realized a nation without long distance radiotelegraph stations could be isolated by an enemy cutting its submarine telegraph cables. Spark transmitters were long obsolete at this point, and broadcast radio audiences and aviation authorities were complaining of the disruption to radio reception that noisy legacy marine spark transmitters were causing. But shipping interests vigorously fought a blanket prohibition on damped waves, due to the capital expenditure that would be required to replace ancient spark equipment that was still being used on older ships. The Convention prohibited licensing of new land spark transmitters after 1929. Damped wave radio emission, called Class B, was banned after 1934 except for emergency use on ships. High oscillating voltages of hundreds of thousands of volts at frequencies of 0.1 1 MHz from a Tesla coil were applied directly to the patient's body. The treatment was not painful, because currents in the radio frequency range do not cause the physiological reaction of electric shock. In 1926 William T. Bovie discovered that RF currents applied to a scalpel could cut and cauterize tissue in medical operations, and spark oscillators were used as electrosurgery generators or "Bovies" as late as the 1980s. In the 1950s a Japanese toy company, Matsudaya, produced a line of cheap remote control toy trucks, boats and robots called Radicon, which used a low power spark transmitter in the controller as an inexpensive way to produce the radio control signals. The signals were received in the toy by a coherer receiver. Spark gap oscillators are still used to generate high frequency high voltage needed to initiate welding arcs in gas tungsten arc welding. Powerful spark gap pulse generators are still used to simulate EMPs.
Затопление 14 апреля 1912 года повысило общественное признание роли радио, однако гибель людей привлекла внимание к неорганизованности новой радиоиндустрии и потребовала регулирования для устранения некоторых злоупотреблений. Закон о радиосвязи США 1912 года ввел лицензирование всех радиопередатчиков, ограничил максимальное затухание передатчиков до 0,2 для вывода из эфира старых шумных несинхронных передатчиков, а радиолюбителям в основном разрешалось использовать неиспользуемые частоты выше 1,5 МГц и выходную мощность 1 киловатт. Начиная примерно с 1910 года, индустриально развитые страны создали глобальные сети этих станций для обмена коммерческими и дипломатическими телеграммами с другими странами и связи со своими заморскими колониями. Во время Первой мировой войны радио стало стратегически важной оборонительной технологией, поскольку стало ясно, что страна без станций дальней радиотелеграфии может быть изолирована противником путем перерезания подводных телеграфных кабелей. К этому времени искровые передатчики устарели, а радиослушатели и авиационные власти жаловались на помехи в радиоприеме, вызываемые шумными старыми морскими искровыми передатчиками. Однако судоходные компании активно выступали против полного запрета на затухающие волны из-за капитальных затрат, необходимых для замены старого искрового оборудования, которое все еще использовалось на старых судах. Конвенция запретила лицензирование новых наземных искровых передатчиков после 1929 года. Радиоизлучение затухающими волнами, известное как класс B, было запрещено после 1934 года, за исключением использования в аварийных ситуациях на судах. Высокие колебательные напряжения в сотнях тысяч вольт на частотах 0,1–1 МГц от катушки Тесла применялись непосредственно к телу пациента. Лечение было безболезненным, поскольку токи в диапазоне радиочастот не вызывают физиологической реакции, характерной для удара электрическим током. В 1926 году Уильям Т. Бови обнаружил, что радиочастотные токи, подаваемые на скальпель, могут разрезать и коагулировать ткани во время хирургических операций, и искровые генераторы использовались в качестве электрохирургических генераторов или "Бови" вплоть до 1980-х годов. В 1950-х годах японская компания по производству игрушек Matsudaya выпустила линейку недорогих игрушечных грузовиков, лодок и роботов с дистанционным управлением под названием Radicon, которые использовали маломощный искровой передатчик в контроллере как недорогой способ генерации сигналов радиоуправления. Сигналы принимались игрушкой когерентным приемником. Осцилляторы с искровым разрядом до сих пор используются для генерации высокочастотного высокого напряжения, необходимого для инициирования сварочной дуги при газовольфрамовой дуговой сварке. Мощные генераторы импульсов искры до сих пор используются для моделирования электромагнитных импульсов (ЭМИ).
Spark transmitters and the crystal receivers used to receive them were simple enough that they were widely built by hobbyists. Low power amateur transmitters ("squeak boxes") were often built with "trembler" ignition coils from early automobiles such as the Ford Model T.
The sinking 14 April 1912 increased public appreciation for the role of radio, but the loss of life brought attention to the disorganized state of the new radio industry, and prompted regulation which corrected some abuses. In the US 1912 Radio Act, licenses were required for all radio transmitters, maximum damping of transmitters was limited to a decrement of 0.2 to get old noisy non syntonic transmitters off the air, and amateurs were mainly restricted to the unused frequencies above 1.5 MHz and output power of 1 kilowatt. Beginning about 1910, industrial countries built global networks of these stations to exchange commercial and diplomatic telegram traffic with other countries and communicate with their overseas colonies. During World War I, radio became a strategic defensive technology, as it was realized a nation without long distance radiotelegraph stations could be isolated by an enemy cutting its submarine telegraph cables. Spark transmitters were long obsolete at this point, and broadcast radio audiences and aviation authorities were complaining of the disruption to radio reception that noisy legacy marine spark transmitters were causing. But shipping interests vigorously fought a blanket prohibition on damped waves, due to the capital expenditure that would be required to replace ancient spark equipment that was still being used on older ships. The Convention prohibited licensing of new land spark transmitters after 1929. Damped wave radio emission, called Class B, was banned after 1934 except for emergency use on ships. High oscillating voltages of hundreds of thousands of volts at frequencies of 0.1 1 MHz from a Tesla coil were applied directly to the patient's body. The treatment was not painful, because currents in the radio frequency range do not cause the physiological reaction of electric shock. In 1926 William T. Bovie discovered that RF currents applied to a scalpel could cut and cauterize tissue in medical operations, and spark oscillators were used as electrosurgery generators or "Bovies" as late as the 1980s. In the 1950s a Japanese toy company, Matsudaya, produced a line of cheap remote control toy trucks, boats and robots called Radicon, which used a low power spark transmitter in the controller as an inexpensive way to produce the radio control signals. The signals were received in the toy by a coherer receiver. Spark gap oscillators are still used to generate high frequency high voltage needed to initiate welding arcs in gas tungsten arc welding. Powerful spark gap pulse generators are still used to simulate EMPs.