История возникновения и развития радио и радиолокации

Для обеспечения радиосвязей с  другими государствами профессор  В.П. Вологдин в той же Нижегородской радиолаборатории построил машину высокой частоты мощностью 50 кВт, которая была установлена на Октябрьской радиостанции (б.Ходынской) в 1924 году и заменила искровой передатчик. В 1929 году на этой же станции начала работать машина высокой частоты В.П. Вологдина мощностью 150 кВт.

Ведя огромную работу, направленную на выполнение правительственных заданий, советские радиотехники сумели осуществить оригинальные теоретические исследования. Примером могут служить работы профессора В.М. Шулейкина по расчету емкости антенн, расчету излучения антенн и рамок и распространению радиоволн, работы Н.Н. Луценко о емкости изоляторов, И.Г. Кляцкина о методах повышения полезного действия антенн, экспериментальные работы Б.А. Введенского с очень короткими волнами.

Значительные успехи были достигнуты в СССР в области радиовещания. В 1933 году начала работу радиостанция имени Коминтерна мощностью 500 кВт, опередившая по мощности на 1—2 года американское и европейское радиостроительство. Это замечательное сооружение было выполнено по системе высокочастотных блоков, предложенной профессором А.Л. Минцем и осуществленной под его руководством. На очереди стояла задача создания прямой радиосвязи с Сибирью, Дальним Востоком и Западом.

Кругосветная радиосвязь

Как уже указывалось, задачи обеспечения  дальней радиосвязи после первой мировой войны на Западе, пытались решить применением мощных длинноволновых радиостанций. Работы В.П. Вологдина с машинами высокой частоты в Нижегородской лаборатории и изготовление мощных генераторов на советских заводах давали возможность осуществить силами отечественной промышленности строительство сверхмощных длинноволновых радиостанций. Однако в этот период в радиотехнике вновь назревал очередной технический переворот, имевший первостепенное значение для мирового радио-строительства и требовавший Пересмотра вопроса о выборе длин волн.

Дело в том, что атмосферные  помехи на длинных волнах в летние месяцы возрастали настолько, что любое увеличение мощности передающей радиостанции все же не могло обеспечить достаточную скорость передачи и надежность связи на больших расстояниях.

С ростом радиотелеграфного обмена оказалось необходимым увеличивать  число радиостанций, обслуживающих  данное направление связи, хотя диапазон длинных волн чрезвычайно тесен: без взаимных помех в нем могут  одновременно работать не более 20 мощных радиостанций во всем мире. Эти радиостанции давно уже работали, и положение казалось безвыходным.

В 20-х годах опыты радиолюбителей по связи через Атлантику на волнах забытого после Попова диапазона (около 1100 м) дали успешные результаты. Атмосферные помехи на таких коротких волнах почти не замечались, и связь осуществлялась при очень небольшой мощности передатчиков (десятки ватт). Правда, на этих волнах наблюдались быстрые колебания силы приема (замирания) и не обеспечивалась круглосуточная связь. Тем не менее, эти совершенно неожиданные результаты были примечательны.

Опыты, проведенные в Нижегородской  лаборатории в 1922—1924 годах, показали, что передатчик небольшой мощности 50—100 Ватт, работающий на волне порядка 100 м на антенну в виде вертикального провода Попова, может обеспечивать уверенную связь в течение почти всей ночи на расстоянии 2—3 тыс. км. Оказалось также, что по мере увеличения расстояния надо уменьшать длину волны.

Изучая особенности коротких волн, М.А. Бонч-Бруевич с 1923 года последовательно переходил ко все более коротким волнам. По мере укорочения волн он обнаружил «мертвую зону», то есть область отсутствия приема на некотором расстоянии от передающей станции. За этой зоной начиналась область уверенного приема, простирающаяся на огромные расстояния. Далее оказалось, что очень короткие волны (порядка 20 м и еще короче) совсем не были слышны в Ташкенте и Томске ночью, но обеспечивали совершенно надежную связь с этими городами днем. Это открытие позволяло утверждать, что короткие волны от 10 до 15 м практически обеспечивают дальнюю радиосвязь в любое время суток и любое время года. Более длинные волны коротковолнового диапазона хорошо распространяются зимой и ночью, волны короче — летом, ночью; примерно от 25 м начинаются так называемые дневные волны. Следовательно, 2—3 коротких волны могут обеспечивать практически круглосуточную связь на любое расстояние.

Так советские радиотехники решили проблему организации дальней радиосвязи практически на любое расстояние совершенно оригинальным способом.

В середине 1926 года и фирма Маркони объявила о своих работах в области коротких волн.

Успехи направленных коротковолновых  связей в СССР и Англии побудили и другие страны перейти к коротким волнам. Во многих странах началось строительство мощных коротковолновых  станций для круглосуточной дальней радиосвязи. Благодаря экономичности и уверенности этих связей возросло государственное значение радиосвязи вообще.

Основные недостатки радиосвязи, обнаруженные еще А.С. Поповым, атмосферные помехи и замирания сигнала, хотя и получили теоретическое объяснение, но не уменьшились. Наоборот, с ростом числа радиостанций появились еще и взаимные помехи станций друг другу. Объединение с проводной связью потребовало от радиосвязи такой же высокой надежности при составлении комбинированных каналов связи, какой обладала связь по проволоке.

Для повышения надежности радиосвязи, особенно после второй мировой войны, применялись многие меры повышения помехозащиты: выбор длины волн с учетом времени дня и года, составление так называемых «радиопрогнозов», прием на несколько разнесенных антенн, специальные методы передачи сигналов и др.

Работы академиков А.Н. Колмогорова  и В.А. Котельникова заложили теоретические основания помехоустойчивости радиосвязи. В шестидесятых годах был разработан еще один метод: преобразование сигналов в такую форму, в которой они сохраняют свой вид, несмотря на отдельные искажения помехами (так называемое помехозащитное кодирование). Созданные трудами многих ученых теоретические работы в этой области выливаются сейчас в новую науку — теорию информации, которая рассматривает общие законы приема и передачи сигналов.

Современные радиостанции работают в  общей системе электросвязи, пользуясь  аппаратами Бодо, СТ-65 и др., и ведут  многократную передачу. По каналам  радиомагистрали Москва — Хабаровск обмен производится со скоростью свыше двух тысяч слов в минуту, причем и такая скорость не является предельной.

Комбинированная электросвязь потребовала  использования коротковолновой  техники и для радиотелефонной  магистральной связи. С 1929 года началось внедрение в радио методов проводной дальней телефонной связи, прошедшее тот же сложный процесс борьбы с помехами и неустойчивостью. Появились многочисленные приборы для автоматической регулировки уровня модуляции, для заглушения приема во время пауз речи, уравнения звуков гласных и согласных, способы зашифровки речи как средства защиты от подслушивания и т.д. Все эти способы решают задачу лишь вчерне, но все же они позволили связать радиотелефонной связью Москву со всеми центрами в России и за границей, а также все континенты и государства.

При широчайшем развитии устройств  для объединения радио с проводной  связью сами передающие и приемные приборы подверглись очень существенным, но не принципиальным изменениям. В середине века в радиопередаче применялись только многокаскадные, стабилизированные по частоте передатчики с лампами, охлаждаемыми водой или воздухом под большим давлением. Такие лампы со времен Нижегородской лаборатории сохранили без изменения свои основные черты, но, конечно, за это время значительно улучшились их эксплуатационные качества. То же самое происходит с приемниками: сложная схема супергетеродина, подвергается непринципиальным изменениям, повышающим эксплуатационную надежность.

Виды радиосвязи

От очень коротких волн (сантиметровых и дециметровых), с которыми вел свои исследования Герц и проводил первые опыты радиосвязи А.С. Попов, практическая радиотехника перешла к длинным волнам, затем к коротким, а после второй мировой войны вновь возвращается к очень коротким волнам.

В диапазоне от 100 до 3000 м разместились радиовещательные станции и специальные службы (морские, аэронавигационные и т.п.). Волны длиннее 3 км, идущие со стороны самых длинных волн (от 50 км), в настоящее время использует важнейшая область связи — проводная высокочастотная связь (ВЧ связь). Такая связь осуществляется путем подключения группы маломощных длинноволновых передатчиков, настроенных на разные волны с промежутками между ними в 3—4 тыс. герц, к обычным телефонным проводам. Токи высокой частоты, созданные этими передатчиками, распространяются вдоль проводов, оказывая очень слабое воздействие на радиоприемники, не связанные с этими проводами, и обеспечивая в то же время хороший, свободный от многих помех прием на специальных приемниках, присоединенных к этим проводам.

В СССР такая ВЧ связь получила развитие в работах В.И. Коваленкова, Н.А. Баева, Г.В. Добровольского и др. Перед Отечественной войной начала работать длиннейшая и мире магистраль ВЧ связи Москва — Хабаровск, позволившая вести три разговора по одной паре проводов. Впоследствии появились 12-канальныв системы, занявшие верхнюю часть «длинноволновой» области (до 100 тыс. герц) радиоспектра. ВЧ связь дала возможность осуществлять междугороднюю и международную связь с вызовом абонента из любого города любой страны, пользуясь наборным диском автоматического телефона.

После второй мировой войны стала  быстро развиваться новая область  высокочастотной связи, также многоканальная, использующая другой конец электромагнитного спектра — область ультракоротких волн. Б.А. Введенский уже в 1928 году вывел основные законы их распространения. По мере разработки ламп, пригодных для возбуждения и приема УКВ (магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны) шло постепенное укорачивание длин волн вплоть до сантиметровых. Очень короткие (сантиметровые) волны позволяют осуществлять остронаправленные антенны при сравнительно небольших размерах.

Вся эта техника использовалась главным образом со времени Великой  Отечественной войны. Длительное время господствовало представление, будто дальность распространения метровых, дециметровых и сантиметровых волн ограничена прямой видимостью и что станции, работающие на таких волнах, даже при очень малой мощности, обеспечивают большую силу сигналов лишь до горизонта. Из теории также следовало, что плотность электронов в ближней тропосфере и высшей газовой оболочке земли — ионосфере, недостаточна для отражения этих волн к земле и они должны уходить в космическое пространство. Это же подтверждала и новая наука — радиоастрономия, по данным которой земная атмосфера, регулярно «прозрачна» для УКВ и сверхкоротких радиоволн и нерегулярно «прозрачна» для волн длиннее 10—30 м. Тем не менее наблюдались отдельные случаи приема ультракоротковолновых передач на очень далеких расстояниях. Хотя эти случаи было принято относить к событиям анормальным, они все же требовали объяснения.

В 50-х годах было высказано предположение  о возможности появления в  ионосфере местных образований — «облаков» с высокой плотностью электронов, которые могут вызывать частичное рассеяние падающих на них сверхкоротких волн. Причем такие рассеянные волны могут обладать достаточной энергией для обнаружения их очень чувствительным приемником. Опыты с большими направленными антеннами на приеме и передаче при значительной мощности излучения показали, что если основные лучи, фокусируемые такими антеннами, пересекаются на высоте 10 или 100 км, то действительно происходит дальняя передача на 200—300 км в первом случае (тропосферное рассеяние), и до 2 тыс. км по втором случае (ионосферное рассеяние). Выяснилось также, что в указанных условиях, несмотря на большие колебания силы приема, сигналы оказываются все же достаточно надежными и обеспечивают круглосуточную регистрацию.

Уже после того, как дальние связи  на сверхкоротких волнах вошли в практику, оказалось, что приведенное выше объяснение не всегда справедливо. Вскоре было предложено и другое объяснение: метеориты, падающие в большом количестве (10—1000 в час), ионизируют земную атмосферу на несколько секунд, а иногда и минут. В эти короткие отрезки времени резко увеличивается сила приема сигналов, а если мощность передатчика велика, то падение даже маленьких, но многочисленных метеоритов дает сплошное отражение радиоволн, которое может обеспечить дальний прием, в особенности ночью.

Общепринятая теория дальнего распространения  сверхкоротких волн уже давно  разработана, определилась техника  дальней радиосвязи на этих волнах и существуют дальние радиолинии, работающие на сантиметровых волнах.

Таким образом, пользуясь диапазоном ультракоротких волн можно по желанию или строго ограничить дальность радиосвязи горизонтом, или же осуществлять дальнюю связь на тысячи км, обеспечивая устойчивую силу приема в нужном районе и сохраняя острую направленность такой передачи. Нельзя не упомянуть, что может быть самым большим преимуществом этого диапазона является то обстоятельство, что в нем можно разместить очень много радиостанций с большими промежутками между ними по длине волны.

В диапазоне коротких волн, учитывая их огромную дальность действия и относительно малую направленность, можно разместить не более 2—3 тыс. радиостанций во всем мире, если задаться целью полного исключения помех друг другу. Этого можно добиться только при соблюдении жесткого условия, что радиостанции будут отличаться по частоте на 6—10 кГц. При таком разносе между станциями можно вести только телеграфную или телефонную радиопередачу. Если же использовать область ультракоротких волн, то те же 2 тыс. радиостанций можно расставить одна от другой по частоте на 10 МГц и при этом все они могут работать в одном и том же районе. Подобные возможности разделения станций по частоте обеспечивают передачу фактически безграничной информации.

Такие возможности и были использованы для телевизионных передач, нуждающихся в очень широкой полосе частот. В основе электрической передачи изображений любого типа лежит полиграфический принцип представления картины точками разной степени зачернения. Глаз эту точечную структуру охватывает сразу, но в электрической системе эти точки передаются одна за другой по строкам; из строк образуются кадры, число которых должно быть 15—25 в секунду. Для телевизионной передачи хорошего качества нужно передавать в секунду около 5 миллионов точек. Передача каждой точки выполняется посылкой одного импульса длительностью 1/3300000 секунды и разной мощности, в зависимости от освещенности точки. Такие импульсы можно передавать без помех соседним радиостанциям, если разнос по частоте между ними не менее 10 МГц.