Radijo išradimas. Radiotelegrafija
Radiotechnika greitai tobulėjo. Jos vystymesi galima pažymėti kelis laikotarpius. Pirmasis laikotarpis yra radiotelegrafijos bei ilgųjų radijo bangų laikotarpis. Hercas ir Popovas pirmuosius tyrimus atliko trumpomis elektromagnetinėmis bangomis. Popovas nustatė, kad įjungus į virpėjimų kontūrą anteną, radijo bangų sklidimo tolis didėja, bet antena kontūre ilgina siunčiamąją bangą. Jau pirmieji radijo tyrimai parodė, kad Žemės paviršius mažiau absorbuoja radijo bangas ir jos sklinda toliau. Todėl iš pradžių buvo naudojamos tik ilgos (net iki 30000 m ilgio) radijo bangos.Radijo bangoms sužadinti Popovas ir kiti tyrinėtojai naudojo kibirkštinius bangų generatorius. Elektrinei kibirkštėlei prašokant, virpamajame kontūre sukeliami elektriniai virpesiai. Jie tęsiasi labai trumpą laiką ir užgęsta greičiau, negu spėja susidaryti reikalinga įtampa naujai kibirkštėlei sukelti. Kontūre virpėjimai vyksta serijomis. Taip žadinamas virpamasis kontūras spinduliuoja nevienodo ilgio slopinamas radijo bangas. Vėliau kibirkštinius generatorius pakeičia lankiniai bei aukšto dažnumo generatoriai. Pirmuoju, radiotelegrafiniu radiotechnikos laikotarpiu užkariaujama erdvė. Radijo bangų sklidimo tolis nuo kelių arba kelių dešimčių metrų išauga iki daug tūkstančių kilometrų, radijo bangos per vandenynus pasiekia kitus žemynus. Radijas yra technologija, kuri leidžia perduoti signalus elektromagnetinių bangų moduliavimu. Radiju taip pat vadinamas prietaisas radijo bangoms priimti.
Neslopinamų radijo bangų generatoriai. Moduliavimas
Radiotelegrafui ištobulėjus, radiotechnikos vystymasis nukrypo į radiotelefoną. Tai sudaro antrąjį radiotechnikos vystymosi laikotarpį.Radiotelefonija iškėlė neslopinamų radijo bangų sužadinimo klausimą. Tokių radijo bangų pirmaisiais generatoriais buvo lankiniai generatoriai ir aukšto dažnumo elektrinės mašinos. Neslopinamų virpesių lankinio generatoriaus principas toks. Anglinis elektrinis lankas A kartu su prijungtais induktyvumo L rite ir talpumo C kondensatoriumi sudaro virpinamąjį kontūrą. Elektrinį lanką maitina iš baterijos B imama nuolatinė srovė. Virpesiai kontūre susidaro dėl krintančios elektrinio lanko charakteristikos. Lanko, taigi ir kondensatoriaus, elektrine įtampa visada šiek tiek kinta. Tarkime, kad tam tikru akimirksniu ji padidėja, o vėliau vėl mažėja iki pirminio dydžio. Tada kiek dagiau įsielektrinęs kondensatorius vėliau virpesiais vėl išsielektrina per elektrinį lanką. Šių elektrinių virpesių dažnumas lygus kontūro virpesių dažnumui. Tais akimirksniais, kai virpesių leketuos srovė bėga maitinamosios elektros srovės kryptimi, virpesių srovė pastarąją sustiprina; dėl krintančios charakteristikos lanko varža mažėja, o tai sukelia tolimesnį elektros srovės stiprėjimą. Tais akimirksniais, kai virpesių elektros srovė bėga prieš maitinamąją elektros srovę, pastaroji sumažėja. Šiai susilpnėjus, padidėja lanko varža ir tai sukelia vėl srovės silpnėjimą. Tokiu būdu, elektrinis lankas stiprina elektrinius virpesius. Stiprinimas pasiekia ribą, kai baterija patiekia tiek energijos, kiek jos netenka virpamasis kontūras iš dalies ją išspinduliuodamas, iš dalies paversdamas džauline šiluma. Visą laiką energiją tiekiant , t.y. palaikant pastovią įtampą tarp kondensatoriaus plokštelių, susidaro sąlygos neslopinamiems virpesiams kilti. Įjungtieji nuolatinės elektros srovės grandinės droseliai D neleidžia virpesiams pereiti i šią grandinės dalį.
Keisdami induktyvumą L arba talpumą C, keičiame ir kontūro virpesių periodą. Tinkamai parinkę šiuos dydžius, galėtumėme gauti garso dažnumo virpesius. Vykstant virpesiams, periodiška keičiasi bėgančios lanku elektros srovės stiprumas. Taigi periodiškai kinta lanko temperatūra ir oro slėgimas. Pastarojo periodiškas kitimas sklinda ore garso bangomis. Sakome, lankas dainuoja.Neslopinamiems virpesiams sukelti buvo naudojami ir aukšto dažnumo kintamosios elektros srovės generatoriai. Jų sukeltų neslopinamų virpesių dažnumas paprastai tam tikrais būdais sudvigubinamas arba suketurgubinamas.Čia paminėtus neslopinamųjų radijo bangų generatoriaus greitai pakeitė elektroniniai (lempiniai) generatoriai, kurių svarbiausioji dalis yra radijo lempa. Elektrinis būdas garsams perduoti arba telefonija, remiasi moduliavimu. Iš siunčiamosios stoties į priimamąją siunčiamas kintantis elektrinės energijos srautas, kurio energijos kitimas kuo griežčiau atitinka perduodamųjų garsinių bangų oro slėgimo svyravimus. Radiotelefonijoje moduliuojame neslopinamųjų radijo bangų amplitudę arba dažnumą, priversdami juos keistis perduodamojo garso dažnumu. Svyravimams moduliuoti naudojami mikrofonai. Jų konstrukcija yra labai įvairi. Telefonijoje plačiai naudojamas anglinis mikrofonas, sudarytas iš izoliuotų membranos M ir trinkelės T su įduba. Tarp jų įberta anglies grūdelių. Membrana ir trinkelė sujungtos su elementų baterija. Kalbant į membraną, pastoroji išvirpinama oro bangų; virpėdama ji periodiškai keičia slėgimą tarp anglies grūdelių. Todėl periodiškai kinta mikrofono varža ir bėgančios pro jį elektros srovės stiprumas. Anglinis mikrofonas yra labai jautrus, bet jo moduliacija nėra labai gryna. Šalia anglinių mikrofonų naudojami taip pat šiluminiai, kondensatoriai ir elektrodinaminiai mikrofonai. Šiluminio mikrofono veikimas remiasi garsiniame lauke padėtos labai plonytės vielelės temperatūros, taigi ir varžos, kitimu. Kondensatoriniuose mikrofonuose garsinės oro bangos periodiškai keičia kondensatoriaus talpumą, o šiam kintant, keičiasi sutelktas kondensatoriuje elektros krūvis. Elektrodinaminiuose mikrofonuose garsinė oro banga priverčia periodiškai svyruoti pakibusį magnetiniame lauke laidininką, kuriame tokiu būdu indukuojama kintamoji elektrovaros jėga. Pastaroji laidininko grandinėje sukelia garsinio dažnumo kintamąją elektros srovę. Tokiu būdu, mikrofonuose sukelti garsinių bangų oro slėgimo svyravimai paverčiami elektros srovės stiprumo kitimais.Moduliuoti tegalime tik neslopinamųjų bangų amplitudę, nes slopinamųjų bangų amplitudė savaime keičiasi. Moduliacijos reiškinį galime palyginti su bangų mušimu. Tik viename mušime turėsime labai daug atskirų bangos virpesių. Nuotolis tarp moduliuotos radijo bangos dviejų gretimų didžiausių amplitudžių atitinka moduliuojančios garso bangos ilgį. Kad galėtumėte elektriniu būdu perduodamąjį garsą girdėti, turime sukelti tokios formos (dažnumo ir amplitudės) telefono bei garsiakalbio svyravimus, kurie atitiktų priimamo energijos srauto kitimus. Atrodytų, kad tai galėtume padaryti, įjungę į virpamąjį kontūrą telefoną. Įjungto telefono membrana turėtų virpėti pačios radijo bangos dažnumu, jei jos inercija leistų tai daryti, arba dėl inercijos visai nevirpėtų; iš tikrųjų taip ir atsitinka. Iš pradžių reikia išlyginti kontūro virpesius. Išlyginus moduliuotus virpesius pavaizduoja kreivė. Jie telefoną veikia šiuo būdu. Didelio dažnumo atskiri elektriniai virpesiai nespėja išvirpinti inerciją turinčią telefono membraną; ir pastaroji tepaseka tik tų vienpusiškų elektrinių virpėjimų didesnio skaičiaus vidutinės reikšmės kitimus, o jų vidutinė reikšmė kinta moduliuojančiu, vadinasi, garso bangų, dažnumu. Taigi telefono membrana virpa šiuo dažnumu, nes virpesius išlyginus , ją veikia nors ir kintama, bet visą laiką nukreipta vienon pusėn jėga. Grafiškai membranos virpesius pavaizduoja sinusinė kreivė. Elektrinimas virpesiams išlyginti naudojamos radijo lempos (diodai) arba kristaliniai detektoriai.Elektros srovės kitimams pakeisti į garsinius oro slėgimo kitimus naudojami garsiakalbiai. Jie pasižymi didesniu kaip telefonas akustiniu pajėgumu. Priklausomai nuo jėgos, kuri virpina garsines bangas sukeliantį paviršių, pobūdžio, jie skirstomi į elektrodinaminius, elektromagnetinius ir elektrostatinius garsiakalbius. O pagal sukeltų garsinių bangų sklidimo būdą erdvėje garsiakalbiai skirstomi i difuzorinius ir vamzdinius. Pirmuosiuose garsiakalbiuose virpančio paviršiaus sukeltos garso bangos sklinda tiesiai į erdvę , antruose jos sklinda vamzdžiu – ruporu. Iš difuzorinių garsiakalbių labiausiai paplitę yra elektrodinaminiai ir elektromagnetiniai garsiakalbiai. Elektrodinaminių garsiakalbių virpantis paviršius yra pritvirtintas prie susukto į ritę laidininko, kuris yra stipriame elektromagneto magnetiniame lauke. Bėgant laidu kintamo stiprumo elektros srovei, jį veikia periodiškai kintama pondermotorinė jėga, proporcinga laidininko ilgiui ir elektros srovės stiprumui. Ta jėga verčia virpėti patį laidininką ir su juo sujungtą garso bangas sužadinantį paviršių.Elektromagnetinį garsiakalbį sudaro permanentinis magnetas NS, ant kurio užvyniota apvija A. Prieš magneto polių yra padėtas sujungtas virpančiu paviršiumi P inkarėlis I. Bėgant magneto apvija kintamai elektros srovei, magnetinio poliaus stiprumas taip pat kinta. Priklausomai nuo elektros srovės krypties jis stiprėja arba silpnėja. Taigi periodiškai keičiasi ir inkarėlį veikianti traukiamoji jėga. Tokiu būdu išvirpinamas ir garso bangas sužadinąs paviršius. Elektrostatiniuose garsiakalbiuose garso bangas sukeliantis virpantis paviršius – membrana yra ir oro kondensatoriaus viena plokštelė. Šalia aukštesnės pastovios elektrinės įtampos, kondensatoriaus plokštelėms suteikiamas ir garsinio dažnumo kintamasis elektrinis potencialas, kuris verčia membraną virpėti.Radijo siųstuvai ir imtuvai
Radijo bangoms sukelti dabar beveik išimtinai naudojami tik lempiniai siųstuvai. Jų radijo lempos pasižymi dideliu galingumu. Radijo lempoje iš katodo į anodą bėga elektronų srovė. Ji visada šiek tiek kinta. Todėl kinta ir kondensatoriaus įtampa: kiek padidėja arba pamažėja ir vėliau vėl ji atsistato. Esant nedideliam kontūro slopinimui , atsistatant įtampai gaunami elektriniai virpesiai, kurie persiduoda tinklelio kontūrui ir pačiam tinkleliui. Tinklelio įtampai virpant, virpa tuo pačiu dažnumu ir anodinės srovės stiprumas. Taigi pati sistema sužadina virpesius. Turime autogeneruojančią sistemą. Joje virpesiai sustiprėja tik tam tikru laipsniu: stiprėjimo riba pasiekiama, kai sistemos išspinduliuota ir virtusi džauline šiluma energija susilygina anodinės ir tinklelio įtampų svyravimų amplitudės. Tokiu būdu, anodiniame virpamajame kontūre gauname neslopinamus elektrinius virpesius, kurie per induktyvumus perkaliami į antenos kontūrą ir išspinduliuojami į erdvę.
Elektrinius virpesius moduliuoja mikrofonas. Garso bangos sukeltieji mikrofono gandinėje elektros srovės stiprumo kitimai indukuoja įtampos kitimus transformatoriaus antrinėje apvijoje ir virpamajame kontūre. Taigi kinta anodinės srovės stiprumas, o tai sukelia kontūro virpesių amplitudės kitimą garso dažnumu. Tuo pačiu dažnumu moduliuota ir išspinduliuojama radijo banga.Neslopinamos radijo bangos gali būti taikomos ir radiotelegrafijoje. Morzės abėcėlės ženklus perduodant, moduliuojama elektrinė banga. Tai yra paprasčiausios formos moduliacija. Pakankamai sustiprinę priimtuosius virpesius, galime jais tiesiog paveikti automatiškai užrašančius Morzės ženklus arba abėcėlės raidžių įrenginius. Paprasčiausi radijo imtuvai yra detektoriniai. Sudarytą iš induktyvumo L ir kintamo talpumo C virpamąjį kontūrą galima suderinti su antenos priimamų radijo bangų dažnumu. Tada kontūre sužadinami elektriniai virpesiai. Kondensatoriaus įtampai kintant, telefono grandinėje bėga detektuoto dažnumo pulsuojanti elektros srovė. Detektorius tepraleidžia ją tik viena kryptimi. Virpamasis kontūras įžeminamas. Tokiame radijo imtuve telefono membranai išvirpinti naudojama tik nedidelė priimamosios radijo bangos energija, todėl juo tegalime klausyti tik arti esančias radijo stotis. Nuotolis priklauso nuo siunčiamos stoties galingumo. Žymiai stipresni yra lempiniai radijo imtuvai. Juose radijo lempos naudojamos ir stiprinimui, ir lyginimui. Širmieji tokie radijo imtuvai buvo sukonstruoti jau 1913 metais. Vėliau įsivyravo radijo imtuvų gamyboje superheterodinine schema. Šios schemos radijo imtuvai ir dabar yra laikomi pagrindiniu radijo imtuvo tipu. Superheterodininės schemos esmė yra tokia. Imtuvo antenos priimti aukšto dažnumo virpesius, kurie ir sustiprinami. Šie tarpinio dažnumo sustiprinti virpesiai dar kartą detektuojami į žemo dažnumo virpesius.Siunčiamosios radijo stoties antenos išspinduliuotos radijo bangos, atėjusios iki imtuvo antenos, pastarojoje indukuoja silpną, kartais kelių mikrovoltų įtampą. Imtuvo antena yra įvairių radijo stočių išspinduliuojamų elektromagnetinių bangų lauke, todėl joje indukuojama skirtingo dydžio ir dažnumo įtampa. Antenos kontūras induktyviškai surištas su aukšto dažnumo kontūru. Kintamuoju kondensatoriumi šio kontūro dažnumą galime suderinti su antenos kontūro kurių nors virpesių dažnumu. Tada šio dažnumo virpesiai aukšto dažnumo kontūre indukuoja kiek stipresnę įtampą. Taip išskirti tam tikro dažnumo virpesiai sustiprinami ir maišytuve sudedami su heterodino – mažo pagalbinio generatoriaus sukeliamais ir sustiprintais taip pat aukšto bet jau kitokio, dažnumo virpesiais. Jų dažnumas yra 110- 130 kHz arba 465- 473 kHz aukštesnis arba žemesnis už virpesių dažnumą.
Dažnumų fa ir fo virpesiams susidėjus, gaunami atstojamieji tarpinio dažnumo ft virpesiai. Tarpinis dažnumas lieka pastovus, kol heterodino ir virpinamojo kontūro virpesių dažnumų skirtumas nekinta.Tarpinio dažnumo ft virpesiai, sustiprinti tarpinio dažnumo stiprintuvo, detektuojami ir, sustiprinami žemo dažnumo stiprintuvo, perduodami į garsiakalbį. Dviejų krypčių lygintuvas maitina visas radijo lempas, suteikdamas joms teigiamą anodinę ir kai kurioms jų neigiamas tinklelio įtampas. Be paminėtos čia schemos radijo imtuvuose naudojamos dar ir kitokios, pvz., neutradininės, refleksinės ir kt., schemos.Tiesioginio stiprinimo imtuvas
Tiesioginio stiprinimo imtuvas. Pirmieji du tranzistoriai stiprina radijo dažnį. Po iš dviejų diodų susidedančio detektoriaus paskutinis tranzistorius stiprina garso dažnį.Tiesioginio stiprinimo radijo imtuvas – radijo imtuvas, turintis antenos virpamąjį kontūrą ir po jo sekančius radijo dažnio stiprintuvą, detektorių ir garso dažnio stiprintuvą.Šis imtuvo planas paprastai mėgstamas mėgėjų dėl paprastumo ir patikimo darbo. Tačiau tokie imtuvai turi daugiau detalių bei vartoja didesnį galingumą nei tokio pat jautrumo ir garsumo refleksiniai imtuvai ir yra daug mažiau jautrūs nei superheterodiniai. Pasitaiko schemos variantų su tik radijo dažnio arba tik garso dažnio stiprintuvu. Imtuvas paprastai priima ilgąsias arba viduriniąsias radijo bangas.
Refleksinis radijo imtuvas
Refleksinis radijo imtuvas. Tie patys du pagal bendro emiterio schemą įjungti tranzistoriai stiprina tiek radijo, tiek ir garso dažnį.Refleksinis radijo imtuvas – imtuvas, kuriame tas pats stiprintuvas panaudojamas tiek radijo dažniui (iki detekcijos), tiek ir garso dažniui (po detekcijos) sustiprinti. Pirmąkart sustiprintas signalas detektuojamas ir vėl paduodamas į to paties stiprintuvo įėjimą. Stiprintuvas sustiprina dabar jau garso dažnio signalą antrą kartą.Stiprintuvo išėjime paprastai statomas radijo dažnio transformatorius, nuo kurio antrinės apvijos nuimamas sustiprintas radijo dažnio signalas. Šis transformatorius garso dažnio stiprinimui daug įtakos neturi.
Refleksinis radijo imtuvas turi mažiau detalių ir vartoja mažiau galingumo, nei kiti panašaus jautrumo ir garsumo imtuvų tipai. Tačiau tokia schema yra nelabai stabili ir ją reikia rankiniu būdu derinti, parenkant optimalias kai kurių rezistorių reikšmės.Radijo bangų sklidimas
Kaip jau minėta, pirmuoju radiotechnikos rados laikotarpiu buvo naudojamos tik ilgosios radijo bangos. Tačiau jau 1921 metais radijo mėgėjams pavyko susisiekti su tolimomis vietomis ir trumpomis radijo bangomis. Siunčiamosios stoties išspinduliuotos radijo bangos sklinda į erdvę visomis kryptimis. Sklindančios pagal Žemės paviršių radijo bangos yra Žemės paviršiaus absorbuojamos ir greitai silpnėja. Radijo bangų absorbcija priklauso nuo jų ilgio ir, bangai trumpėjant, ji didėja. Trumpesnės paviršinės radijo bangos 30 – 50 km nuotolyje jau tiek susilpnėja, kad ir jautresni imtuvai jų nebepagauna. Prasideda vadinamoji tylos juosta(zona), kurios plotis siekia kelis šimtus kilometrų. Bet buvo patirta, kad trumpesnės erdvinės bangos yra girdimos ir žymiai toliau, per kelis šimtus kilometrų. 1902 metais Kenelis ir Hevisaidas nustatė, kad aukštai atmosferoje – jonosferoje, 100 – 400 km aukštyje yra saulės spindulių jonizuoti elektrai laidūs oro sluoksniai; tai patvirtino ir vėlesnieji jonosferos tyrimai. Nustatyta, kad jonosferoje yra du sluoksniai: 100 – 110 km aukštyje sluoksnis E ir 200 – 250 km F sluoksnis. Pasiųstų į jonosferą radijo bangų impulsų dvejinimasis parodė, kad sluoksnyje F banga lūžta dvigubai. Šis radijo bangų dvigubas lūžimas rodo, kad sluoksnis F pasiskirsto į sluoksnius F1 ir F2 . Be to , kartais ilgesnį arba trumpesnį laiką pastebimi atspindžiai nuo įvairaus aukščio kitų jonosferos sluoksnių. Šie atspindžiai yra atsitiktinio pobūdžio ir dažniausiai pasitaiko per jonosferines audras. Radijo bangos, pasiekusios jonosferos sluoksnius, atsispindi ir grįžta atgal į Žemę, kaip aidas. Toks aidas pirmą kartą buvo išmatuotas 1927 metais, pasiuntus trumpomis bangomis telegrafinius ženklus į erdvę. Aidas atsiliepė po kelių sekundžių.
Šalia aido 1926 metais buvo susekti apibėgantieji alink Žemę radijo impulsai. Paaiškėjo, kad radijo impulsai gali kartais apibėgti aplink Žemę net kelis kartus. Apibėgimo laikas yra apie 1/7 s. Jis kiek didesnis už radijo bangos sklidimo trukmę aplink Žemę paviršiumi. Radijo bangos aplink Žemę sklidimas šiuo metu aiškinamas dvejopai. Vienas aiškinimas sako, kad bangos sklinda apskrita trajektorija jonosferos aukštyje, kitas – radijo bangos sklinda laužyta linija, dag kartų atsispindėdamos nuo jonosferos ir Žemės paviršiaus.Nuo 1924 metų prasideda trumpųjų radijo bangų laikotarpis. Jų reikšmę padidino dar ir ta aplinkybė, kad aprūpintos specialiomis (rombinėmis bei daugiapolinėmis) kryptinėmis antenomis siunčiamosios stotys trumpąsias radijo bangas gali pasiųsti tam tikra pasirinkta kryptim, kaip šviesos spindulių pluoštą galime nukreipti tam tikra linkme atšvaitiniais veidrodžiais.Truputi istorijos
Oro pajėgos naudojo komercines AM bangų radijo stotis navigacijai. Tai tęsėsi iki septintojo dešimtmečio pradžios, kai VHF Bekryptė Diapazono avigacijos sistema galiausiai tapo plačiai paplitusi (nors AM bangų stotys vis dar pažymėtos Jungtinių Valstijų aviacijos diagramose). XX a. ketvirtojo dešimtmečio pradžioje radijo mėgėjai išrado vienos šalinės juostos ir dažnių moduliaciją. Dešimtmečio pabaigoje jie tapo pripažintu komercinių radijų veikimo metodu. 1960 m. Sony įdiegė pirmą tranzistorinį radiją, pakankamai mažą kad tilptų į švarko kišenę ir galintį būti aprūpintam paprastu elementu. Jis buvo saugus, nes jame nebuvo degių detalių. Vėlyvajame septajame dešimtmetyje, JAV tarptautinis telefonų tinklas pradėjo versti radijo bangas į skaitmeninius signalus. Aštuntajame dešimtmetyje LORAN tapo pagrindine radijo navigacine sistem. Netrukus, JAV Jūrų Pajėgos eksperimentavo su palydovų navigacija, pasiekdami Visuotinės Išsidėstymo Sistemos (GPS) išradimą bei paleidimą 1987 metais. Dešimto dešimtmečio pradžioje radijo mėgėjai eksperimentuotojai pradėjo naudoti kompiuterius su garso plokštėmis radijo signalų apdorojimui. 1994, JAV Armija ir JAV Gynybos departamento pažangių tyrimų projektų agentūra (DARPA) pradėjo projektą, kurio metu buvo sėkmingai pagamintas skaitmeninis radijas.
Skaitmeninės transliacijos pradėtos pačioje dešimto dešimtmečio pabaigoje.