Ранний детектор радиоволн: Магнитный детектор Маркони

Введение

Магнитный детектор, или магнитный детектор Маркони, иногда называемый "Мэгги", был одним из первых детекторов радиоволн, использовавшихся в некоторых из первых радиоприёмников для приёма сообщений азбукой Морзе в эпоху беспроводной телеграфии на рубеже XX века. Разработанный в 1902 году пионером радио Гульельмо Маркони на основе метода, изобретённого в 1895 году новозеландским физиком Эрнестом Резерфордом, он применялся на беспроводных станциях Маркони примерно до 1912 года, когда его вытеснили вакуумные лампы. Благодаря своей надёжности и нечувствительности к вибрациям он широко использовался на судах. Магнитный детектор входил в состав радиооборудования в радиокомнате лайнера "Титаник" и использовался для вызова помощи во время его знамениного крушения 15 апреля 1912 года.

История

Примитивные радиопередатчики с искровым разрядом, использовавшиеся в течение первых трех десятилетий радио (1886-1916), не могли передавать аудио (звук), а вместо этого передавали информацию по беспроводной телеграфии; оператор включал и выключал передатчик с помощью телеграфного ключа, создавая импульсы радиоволн для передачи текстовых сообщений кодом Морзе. Поэтому радиоприемное оборудование того времени не требовало преобразования радиоволн в звук, как современные приемники, а лишь обнаруживало наличие или отсутствие радиосигнала. Устройство, выполнявшее эту функцию, называлось детектором. Первым широко используемым детектором был когерер, изобретенный в 1890 году. Когерер был крайне неэффективным, нечувствительным и подверженным ложным срабатываниям из-за импульсного шума, что стимулировало многочисленные исследования по поиску более совершенных детекторов радиоволн. Эрнест Резерфорд впервые применил гистерезис железа для обнаружения герцевых волн в 1896 году, основываясь на демагнетизации железной иглы при прохождении радиосигнала через катушку вокруг нее, однако для повторного использования иглу необходимо было перемагничивать, что делало его непригодным для непрерывного детектирования. Этот тип был чувствителен лишь периодически, когда изменялось магнитное поле, что происходило при прохождении магнитных полюсов мимо железа. В ходе своих трансатлантических экспериментов по радиосвязи в декабре 1902 года Маркони обнаружил, что когереры слишком ненадежны и нечувствительны для приема очень слабых радиосигналов с больших расстояний. Эта потребность побудила его к разработке магнитного детектора. Маркони разработал более эффективную конструкцию с движущейся железной полосой, приводимой в движение часовым механизмом, проходящей мимо неподвижных магнитов и катушек, что обеспечивало непрерывную подачу железа с изменяющейся намагниченностью и, следовательно, непрерывную чувствительность (Резерфорд также заявлял о своем авторстве этой конструкции). Это был шум Баркхаузена, обусловленный эффектом Баркхаузена в железе. С технической точки зрения, для работы необходимы определенные тонкости. Напряженность магнитного поля постоянных магнитов вблизи железной полосы должна быть сопоставима с напряженностью поля, создаваемого радиочастотным возбудителем, что позволяет радиочастотному сигналу превышать пороговый гистерезис (коэрцитивность) железа. Кроме того, импеданс тюнера, подающего радиосигнал, должен быть низким для согласования с низким импедансом катушки возбуждения, что требует специальных конструктивных решений. Импеданс телефонных наушников должен примерно соответствовать импедансу звукоснимающей катушки, который составляет несколько сотен Ом. Железная полоса перемещается на несколько миллиметров в секунду. Магнитный детектор был значительно более чувствительным, чем обычно используемые когереры, хотя и уступал по чувствительности клапану Флеминга, который начал заменять его примерно в 1912 году. Подробные инструкции и спецификации по эксплуатации и обслуживанию магнитного детектора Маркони содержатся в "Руководстве по техническим инструкциям для беспроводных телеграфистов" Дж. К. Хокхеда (второе издание, пересмотренное Х. М. Доусеттом) на страницах 175.

The primitive spark gap radio transmitters used during the first three decades of radio (1886 1916) could not transmit audio (sound) and instead transmitted information by wireless telegraphy; the operator switched the transmitter on and off with a telegraph key, creating pulses of radio waves to spell out text messages in Morse code. So the radio receiving equipment of the time did not have to convert the radio waves into sound like modern receivers, but merely detect the presence or absence of the radio signal. The device that did this was called a detector. The first widely used detector was the coherer, invented in 1890. The coherer was a very poor detector, insensitive and prone to false triggering due to impulsive noise, which motivated much research to find better radio wave detectors. Ernest Rutherford had first used the hysteresis of iron to detect Hertzian waves in 1896 by the demagnetization of an iron needle when a radio signal passed through a coil around the needle, however the needle had to be remagnetized so this was not suitable for a continuous detector. This type was only periodically sensitive, when the magnetic field was changing, which occurred as the magnetic poles passed the iron. During his transatlantic radio communication experiments in December 1902 Marconi found the coherer to be too unreliable and insensitive for detecting the very weak radio signals from long distance transmissions. It was this need that drove him to develop his magnetic detector. Marconi devised a more effective configuration with a moving iron band driven by a clockwork motor passing by stationary magnets and coils, resulting in a continuous supply of iron that was changing magnetization, and thus continuous sensitivity (Rutherford claimed he had also invented this configuration). This was Barkhausen noise due to the Barkhausen effect in the iron. From a technical standpoint, several subtle prerequisites are necessary for operation. The strength of the magnetic field of the permanent magnets at the iron band must be of the same order of magnitude as the strength of the field generated by the radio frequency excitation coil, allowing the radio frequency signal to exceed the threshold hysteresis (coercivity) of the iron. Also, the impedance of the tuner that supplies the radio signal must be low to match the low impedance of the excitation coil, requiring special tuner design considerations. The impedance of the telephone earphone must roughly match the impedance of the audio pickup coil, which is a few hundred ohms. The iron band moves a few millimeters per second. The magnetic detector was much more sensitive than the coherers commonly in use at the time, although not as sensitive as the Fleming valve, which began to replace it around 1912. In the Handbook Of Technical Instruction For Wireless Telegraphists by: J. C. Hawkhead (Second Edition Revised by H. M. Dowsett) on pp 175 are detailed instructions and specifications for operation and maintenance of Marconi's magnetic detector.