Первая беспроволочная передача телеграфных сообщений (в 1888-1905 гг) осуществлялась искровыми передатчиками, на этом основывалась технология Маркони.
В 1900 г канадский и американский изобретатель Реджинальд Фессенден (1866-1932) экспериментировал с искровыми передатчиками, и ему удалось осуществить передачу звукового сигнала на 1 милю. Звук был очень плохим, произнесена была фраза "Один, два, три", но успех и доказательство возможности передачи на расстояние звука побудили изобретателя разрабатывать способы модуляции звуком незатухающих колебаний.
В дальнейшем, для целей беспроволочной телефонии, Фессенден разработал угольный микрофон особой конструкции, включаемый в цепь машинного генератора частотой 50 кГц и антенны, и рассчитанный на прохождение тока в несколько ампер (обычный угольный микрофон из телефонов недавнего прошлого рассчитан на пропускание тока в 10-30 мА).
Схема "передатчика" проста - один полюс генератора заземлен, ко второму через микрофон подключена антенна.
В 1924 году радиолюбители эксплуатировали новые для них диапазоны волн 80, 40, 20 и 5 метров, но искровые передатчики для них были уже запрещены, с 1915 года уже использовались трехэлектродные вакуумные лампы. Но еще в течение десятка лет искровые передатчики были разрешены для подачи сигнала бедствия на море на частоте 500 кГц (600 метров). Еще в 1939 году искровыми были шлюпочные передатчики сигнала бедствия.
Отчетливо различимый звук искровых передатчиков был хорошо знаком радистам, и они различали "своего" корреспондента при одновременной слышимости нескольких станций, что было неизбежно при широкой полосе излучаемых ими частот, даже при теоретически узкополосной телеграфной передаче. Прием осуществлялся на кристаллический детектор.
Казалось бы, шансов передать отчетливо человеческую речь у Фессендена не было, но опыт оказался удачным.
Опыт Фессендена вдохновил ныне здравствующего Джона С. (Джека) Белроуза (р. 1926 г), канадского ученого в области радио, повторить опыты Фессендена с искровым передатчиком на более современной материальной базе, зафиксировав результаты посредством современного измерительного оборудования.
Белроуз сконструировал искровой передатчик на частоту 5 МГц, с использованием высококачественной автомобильной катушки зажигания. Приобретенная им вначале стандартная катушка оказалась неспособной работать при частоте искрообразования 10 кГц. Можем посчитать: двигатель автомобиля ГАЗ-21 "Волга" 4-цилиндровый, при скорости вращения коленвала 4000 об/мин и работе трамблера (распределителя) для прерывания тока в первичной обмотке катушки, искра образуется 4*4000/60 = 267 раз в секунду. До 10 кГц ох как далеко.
Передатчик рассчитан на подключение антенны типа "монополь" в четверть длины волны сопротивлением 37 Ом. Но в силу запрета на эксплуатацию искровых передатчиков на панель передатчика разъем антенны не выводился, взамен был постоянно подключен эквивалент антенны сопротивлением 37 Ом, выходным сопротивлением 40 Ом и подавлением сигнала на выходе в 37 раз.
Сигнал в эфир не излучался, к выходу передатчика напрямую подключался антенный вход детекторного приемника. Схема передатчика Белроуза ниже.
Для перехода от телеграфного режима к телефонному в разрыв катушки антенного контура включается угольный микрофон, слева по схеме ключ замыкается, а генератор (применен RC-звуковой генератор) переключается на частоту 10 кГц. Ток от батареи 12 В в первичной обмотке катушки зажигания прерывается ключом на 2 транзисторах, тем самым, в цепи антенны с частотой 10 кГц появляются затухающие колебания с основной частотой 5 МГц (по факту, излучение в широкой полосе частот с выделенными гармониками).
Рассчитаем характеристическое сопротивление антенного контура. При конденсаторе С = 100 пФ на частоте F = 5 МГц оно равно 1/(2*пи*F*C) = 318 Ом, при меньшей емкости конденсатора больше. При отсутствии потерь в катушке, потери определяются антенной 37 Ом и микрофоном. Нам неизвестно сопротивление использованного Белроузом микрофона, микрофон из настольного телефона имеет сопротивление 50-300 Ом. Более мощный микрофон Белроуза наверняка имеет меньшее сопротивление.
Добротность антенного контура не может быть больше 318/37 = 8,6, но для работы передатчика принципиально то, что микрофон также вносит в контур потери, добротность еще уменьшается (в отсутствие звука), а при воздействии звука добротность периодически уменьшается и увеличивается в такт с изменениями звукового давления, в зависимости от его величины и с частотой его изменения.
При возбуждении в контуре колебаний с частотой 5 МГц колебания затухают со скоростью, определяемой добротностью антенного контура, тем самым происходит амплитудная модуляция излучаемой частоты. Глубина модуляции определится величиной звукового давления. Сказанное справедливо, если антенный контур связан с контуром возбуждения колебаний (с искровым разрядником) сильной связью. При малой величине этой связи микрофон, тем не менее, также влияет на ток в антенне, а тем самым и на глубину модуляции. В целом, общее влияние суммарное от обоих факторов.
Поскольку колебания в контуре возбуждаются с частотой 10 кГц, несущая модулируется и этой частотой, т.е. полезный сигнал сопровождается назойливым писком. Ниже схема приемника.
Назначение конденсатора 0,01 мкФ - разделение несущей частот и частоты модуляции, что не затруднительно при их отличии в десятки и сотни раз, см. нашу статью о блокировочном конденсаторе.
Но частоты 3 кГц (звуковая) и 10 кГц (паразитная) отличаются чуть более чем в 3 раза, и разделить их простым фильтром затруднительно.
Реактивное сопротивление конденсатора 0,01 мкФ на частоте 3 кГц составляет 5,3 кОм, а на частоте 10 кГц 1,6 кОм. При сопротивлении нагрузки порядка 5-6 кОм (параллельное сопротивление высокоомных телефонов и резистора 10 кОм) некоторое разделение происходит. Также, разделению способствует плохая воспроизводимость частоты 10 кГц телефоном и большая индуктивность катушки телефонного капсюля, снижающая ток в капсюле на этой частоте.
В любом случае, разобрать произнесенную Белроузом, в подражание Фессендену, фразу "раз-два-три" удалось, это и было началом беспроводной телефонии. Регулярное вещание стало возможным с появлением ламповых передающих станций. Здесь образец переданного разговора.
Ниже спектрограмма излучаемых сконструированного Белроузом передатчика частот. Помимо основной частоты (первый максимум на частоте 4,5 МГц), излучаются третья, пятая, седьмая и пр. гармоники. Также, особо пришлось подавлять излучение на частоте 8 МГц.
Если обратить внимание, что масштаб по оси напряжений логарифмический, то все не так трагично. Излучение на побочных частотах есть, но оно слабее излучения на основной частоте.
