"Radio nie ma żadnej przyszłości" - historia, teoria, budowa i działanie radia

Fale radiowe

Swoje działanie radio opiera na emisji i odbiorze fal elektromagnetycznych. Powstanie radia wymagało dokonania kilku obserwacji i zrozumienia paru zjawisk występujących w przyrodzie, takich właśnie jak promieniowanie elektromagnetyczne, czy indukcja elektromagnetyczna. Fale elektromagnetyczne określa się jako zaburzenie pola elektromagnetycznego zachodzące w przestrzeni. Fale takie nie potrzebują fizycznego nośnika i w przeciwieństwie do fal mechanicznych mogą rozchodzić się także w próżni. Istnieje wiele rodzajów promieniowania elektromagnetycznego których podział przebiega w zależności od długości fali, przy czym niektóre, jak światło, są dla człowieka widzialne, inne nie. Wśród pozostałych fal elektromagnetycznych wyróżnić można mikrofale, podczerwień, ultrafiolet, promieniowanie rentgenowskie i promieniowanie gamma.

Fale radiowe są rodzajem promieniowania elektromagnetyczne o określonej długości (większej niż 0,1 mm) z odpowiedniego przedziału częstotliwości, zaś nadajniki i odbiorniki radiowe są urządzeniami skonstruowanymi w celu nadawania i odbierania tychże fal.

U podstaw wynalazku

Podstawy elektromagnetyzmu opublikował w 1873 roku James C. Maxwell, podając cztery równania opisujące właściwości pola elektrycznego i magnetycznego oraz zależności między tymi polami. Jedno z praw Maxwella było uogólnieniem prawa indukcji elektromagnetycznej Faradaya, który już w 1833 roku zauważył że w zamkniętym obwodzie znajdującym się w zmiennym polu magnetycznym pojawia się siła elektromotoryczna indukcji, prąd indukowany oraz związane z nimi pole magnetyczne o wartości proporcjonalnej do szybkość zmian strumienia magnetycznego. Z równań Maxwella można było wyprowadzić między innymi równania falowe fali elektromagnetycznej. Heinrich Hertz, który w 1888 roku potwierdził teoretyczne prace Maxwella, wykazał istnienie fal elektromagnetycznych w praktyce. On też dokonał pierwszej udokumentowanej emisji i odbioru tychże fal w zakresie fal radiowych i dowodził, że takie fale mogą być przesyłane na znaczne odległości. W przeprowadzonym eksperymencie fale emitowane były przez dwie płyty w wyniku działania przemiennego prądu elektrycznego. Detektorem była po prostu otwarta pętla wykonana z drutu. Emisja fal radiowych powodowała przeskok iskry pomiędzy otwartymi końcami pętli. Eksperyment wyglądał obiecująco, jednak Hertz nie zdawał sobie sprawy z praktycznych możliwości tego odkrycia.

Kto wynalazł radio

Prace nad nad przekazem fal radiowych prowadziło równolegle kilku wynalazców, a sam wynalazek radia zdawał się być wypadkową wielu udoskonaleń i eksperymentów. Palma pierwszeństwa przyznana została Guglielmo Marconiemu, jednak to Nikola Tesla wpadł na pomysł konstrukcji m. in. cewki wysokonapięciowej (podstawowego podzespołu wykorzystywanego w systemach radiowych), zaraz po opublikowaniu teoretycznych prac Maxwella. Tesla bardzo szybko zorientował się, że skonstruowana przez niego cewka wysyła silne fale elektromagnetyczne i zaczął pracować nad budową aparatury, która byłaby w stanie te fale odbierać. Wpadł też na pomysł wykorzystania tych fal do przesyłu dźwięku. Patent gotowy był już w 1900 roku. Ale to Marconi jako “pierwszy” przeprowadził proces rejestracji swojego urządzenia. W konstrukcji tejże aparatury Marconi wykorzystał jednak bezprawnie m.in. oscylator, powszechnie nawet już wówczas określany przydomkiem “Tesli”, nie przyjmując do wiadomości, że został on wcześniej zastrzeżony odpowiednim patentem.

W początkowej fali eksperymentów brali udział także inni naukowcy, wśród których znaczący rolę odegrał rosyjski fizyk  Aleksandr Popow, który już w 1895 roku przedstawił swój odbiornik radiowy (przyrząd do wykrywania i rejestracji drgań elektrycznych). W marcu 1896 Popow przesłał na odległość około 250 metrów dwa słowa: „Heinrich Hertz”. Rok później rozpoczął eksperymenty z łącznością pomiędzy statkami i stacjami brzegowymi, osiągając przy tym zasięg około 5 kilometrów. Jego aparaturę zastosowano podczas kilku akcji ratowniczych na morzu, co znalazło oddźwięk w artykułach prasowych, jednak prace rosyjskiego naukowca wykonywane były głównie na rzecz marynarki wojennej i ich wyników nie publikowano. W roku 1900 na Kongresie Rosyjskich Inżynierów Elektryków, Aleksandr Popow, który osobiście nie uważał się jednak za wynalazcę radia, miał oświadczyć iż nadawanie i odbiór sygnałów przez Marconiego z wykorzystaniem oscylacji elektrycznych nie jest niczym nowym, a sławny inżynier Nikola Tesla prowadził takie eksperymenty już w 1893 roku.

Interesujące były także prace Olivera Lodge’a. W trakcie swoich badań Lodge opracował sposoby wytwarzania i detekcji fal elektromagnetycznych. Wyniki eksperymentów przedstawił w czasie wykładów już w 1888 roku, zaś w 1894 roku zaprezentował prototypowe urządzenie wykorzystujące aparaturę konstruktora sprzętu telegraficznego Alexandra Muirheada. Za jego pomocą uzyskał bezprzewodową łączność telegraficzną pomiędzy salą wykładową i laboratorium. Lodge jednak, podobnie jak Hertz, zdawał się nie dostrzegać potencjału w swoim urządzeniu, czy też, jak twierdził, nie był zainteresowany komercyjną realizacją wynalazku. Do opatentowania swoich rozwiązań zmotywowały go dopiero działania Marconiego na polu radiofonii. 

To właśnie Marconi zwrócił na siebie uwagę świata swymi pokazowymi transmisjami, i z poparciem wpływowych promotorów zdołał ugruntować w świadomości opinii publicznej przekonanie o swoim pierwszeństwie. Marconi rozpoczął eksperymenty w roku 1894, by we wrześniu 1895 przeprowadzić transmisję na odległość około kilometra. Brak zainteresowania jego pracami we Włoszech zmusił go do wyjazdu do Anglii. Pokazowym przekazem sygnału telegraficznego zaowocowała współpraca z londyńską pocztą – wydarzenie uznane zostało za pierwszą publiczną prezentację radia. W 1897 roku Marconi zrealizował transmisję na odległość 15 kilometrów poprzez Kanał Bristolski. Kolejnym spektakularnym sukcesem było pokonanie Atlantyku w roku 1901. Później jednak ów przekaz poddawany był w wątpliwość – przesłanie jednej litery “S” (trzy kropki) mogło być równie dobrze wynikiem przypadkowych zakłóceń. Wątpliwości potęgował fakt niespójnych informacji odnośnie wartości częstotliwości pracy układu nadawczo – odbiorczego podawanych do publicznej wiadomości przez samego Marconiego przy okazji licznych komentarzy i wystąpień. Współcześnie uważa się, że czułość użytego odbiornika była po prostu zbyt niska, a wykorzystana długość fali była niefortunna ze względu na wpływ warunków środowiskowych (propagacja).

Późniejsze transmisje Marconiego także były niepewne i sprawiały wrażenie przypadkowych. Przyniosły one jednak Marconiemu ogromny rozgłos, który wraz z odpowiednim wsparciem finansowym przyczynił się do ugruntowania jego pozycji jako ojca transmisji radiowych.

Patentowa batalia

W momencie złożenia pierwszego wniosku patentowego przez Marconiego, Tesla posiadał już osiem zarejestrowanych patentów związanych z generacją fal wysokiej częstotliwości do celów transmisji radiowej. Pierwszy patent Marconiego złożony w amerykańskim urzędzie patentowym został odrzucony jako zawierający rozwiązania wcześniej zastrzeżone przez Teslę. Później jednak, z przyczyn nieznanych, urząd zmienił zdanie i zarejestrował urządzenia Marconiego. Można domniemywać, iż związane to być mogło z pozycją wynalazcy, który w osobach Edisona oraz przemysłowca Andrew Carnegie zyskał bardzo wpływowych promotorów.

Tesla, początkowo nad wyraz pobłażliwy w stosunku do praktyk patentowych Marconiego („Marconi jest dobrym człowiekiem. Pozwólmy mu kontynuować” miał powiedzieć na wieść o praktykach włoskiego konstruktora), w końcu poczuł się oszukany, a uczucie to spotęgowało przyznanie włoskiemu wynalazcy nagrody Nobla w 1909 roku. Procesy patentowe pomiędzy Teslą, Marconim i rządem Stanów Zjednoczonych (Marconi bowiem wytoczył proces rządowi USA o bezprawne wykorzystanie jego wynalazku) toczyły się latami i dopiero w roku 1943, Sąd Najwyższy Stanów Zjednoczonych przyznał prawa do patentu radiowego Tesli. W swoim orzeczeniu Sąd Najwyższy wskazał także naruszenie patentów innych wynalazców, w tym kluczowego patent 609154 Olivera Lodge’a dotyczącego wykorzystania strojonych obwodów rezonansowych. W odpowiedzi Marconi wykupił ten i inne patenty zagrażające jego konstrukcjom. Korzystnego orzeczenia Sądu Najwyższego USA Tesla już jednak nie doczekał, zmarł kilka miesięcy wcześniej, a wynalazcą radia w świadomości publicznej ciągle pozostaje Marconi.

Choć dziś przez swoją powszedniość radio wydaje się banalnym wynalazkiem, jego skonstruowanie i doskonalenie wymagało dużo wiedzy i zajęło sporo czasu. Jak zatem działa radio i z czym musieli zmierzyć się pierwsi konstruktorzy?

Budowa i działanie

Aby radio spełniało swoje funkcje konieczny jest nadajnik i odbiornik fal elektromagnetycznych, zaś niezbędnym podzespołem takiego systemu są anteny: nadawcza i odbiorcza.

Nadajnik

Podstawą działania nadajnika radiowego są dwa układy: generator i modulator. Generator wytwarza tzw. falę nośną — jest to fala o częstotliwości radiowej (dużo wyższej niż częstotliwości akustyczne, które np. chcemy transmitować) i o regularnym przebiegu (najczęściej sinusoidalnym). Już sam generator może służyć do przekazu informacji – przerywając jego pracę można nadawać sygnał z wykorzystaniem np. alfabetu Morse’a, stąd pierwotnie radio zwano zresztą “telegrafem bez drutu”. W nadajniku radiowym fala nośna jest jednak dopiero bazą dla sygnału modulującego wytwarzanego przez modulator. Układ ten modyfikuje falę nośną zgodnie z przekazanym mu sygnałem modulującym np. sygnałem dźwiękowym powstającym z użyciem mikrofonu (nakłada falę dźwiękową na falę nośną). Tak zmodulowana fala jest następnie emitowana przez antenę.

Modulacja

Sygnał modulujący może modyfikować falę nośną na dwa podstawowe sposoby: wprowadzając zmiany amplitudy albo jej częstotliwości. W przypadku zmian częstotliwości mamy wtedy do czynienia z modulacją częstotliwości, oznaczanej jako FM (ang. „frequency modulation”). Z modulacją amplitudy (AM – „amplitude modulation”) mamy do czynienia oczywiście podczas manipulacji tym właśnie parametrem sygnału.

Jakie są różnice pomiędzy tymi metodami modulacji fali nośnej? Do przekazu AM wykorzystywane są niższe częstotliwości, jakość transmisji radiowej jest słabsza, choć nadawanie wiąże się w tym przypadku z mniejszymi kosztami niż w przypadku FM. Zasięg sygnału AM jest dużo większy niż FM (zasięg fal FM ograniczany jest dodatkowo przez ukształtowanie terenu), jednak fale tak modulowane łatwiej ulegają zakłóceniom generowanym przez czynniki atmosferyczne, urządzenia elektryczne lub inne sygnały radiowe. Zakłócenie sygnału FM w taki sposób jest trudniejsze. Pierwsze systemy nadawczo – odbiorcze korzystały z modulacji amplitudy, była to metoda pozwalająca na prostą i tanią transmisję sygnału. Modulacja częstotliwości pojawiła się znacznie później, a jej celem była poprawa jakości nadawanych audycji. 

Odbiornik

Odbiornik radiowy zamienia fale na procesy elektryczne. Zmodulowane (AM) fale są odbierane przez antenę odbiorczą. To właśnie w antenie pod wpływem pola elektromagnetycznego powstaje ruch elektronów (prąd) wzbudzonych dzięki oddziaływaniu fali elektromagnetycznej. Antena zakończona jest zwojami nawiniętego drutu czyli cewką (zwojnicą) wytwarzającą pod wpływem przepływającego przez nią prądu zmienne pole magnetyczne.

Do anteny odbiornika radiowego może docierać ogromna liczba fal elektromagnetycznych o różnych częstotliwościach odpowiadających danemu nadawcy (stacji radiowej). Aby “wyłowić” konkretną stację należy dostroić odbiornik. Można to zrealizować poprzez regulację indukcyjności uzwojenia cewki (indukcyjność zależna jest od ilości zwojów, długości nawinięcia i średnicy) oraz pojemności podłączonego do niej kondensatora nastawnego. Jeśli na rdzeniu nawinięta zostanie druga cewka, zmienne pole magnetyczne pierwszej cewki będzie na nią oddziaływać, indukując sygnał odpowiedni danej fali elektromagnetycznej. Uzwojenia drugiej cewki oraz podpięty do niej kondensator z regulowaną pojemnością mogą stworzyć odpowiedni układ strojeniowy – filtr LC (obwód rezonansowy). W ten sposób można wyodrębnić ruch elektronów wywołany konkretną częstotliwością.

Aby odfiltrować falę nośną i uzyskać interesujący nas sygnał akustyczny wystarczy przepuścić wyodrębniony zmodulowany przebieg przez zwykłą diodę germanową (przy modulacji FM układy są znacznie bardziej skomplikowane), w efekcie czego fala nośna zostanie usunięta.

Wymienione zadania wykonuje obwód demodulatora. Sygnał taki gotowy jest teoretycznie do odsłuchu. Właśnie w ten sposób realizowane były odbiorniki detektorowe zwane także kryształkowymi, które do odbioru sygnału wykorzystywały kryształ półprzewodnika (naturalna galena lub kryształy syntetyczne). Wspomniana dioda germanowa, która pojawiła się w obwodach odbiornika nieco później, okazała się jednak znacznie skuteczniejsza, zastępując niezbyt efektywny kryształ. W praktyce jednak sygnał taki nie był wysokiej jakości – układy były niezbyt czułe i mało selektywne, wymagające dużej anteny i dobrego uziemienia. Ich zaletą była prostota i brak zewnętrznego zasilania; cała energia pochodziła jedynie z fali elektromagnetycznej. Aby podnieść jakość sygnału zdecydowano o zastosowaniu obwodów wzmacniacza wysokich częstotliwości (w.cz.) zaraz za układem odpowiedzialnym za dostrojenie odbiornika (filtr LC). Tak wzmocniony sygnał trafiał dopiero do obwodu demodulującego (dioda).

Informację zawartą w zmodulowanej fali nośnej odczytywał zatem układ demodulatora, w którym następowało wyodrębnienie fali o określonej częstotliwości oraz wzmocnienie sygnału, który był na tej częstotliwości nadawany. 

Na koniec wystarczyło przepuścić sygnał przez zwykły wzmacniacz małej częstotliwości (m.cz.) i skierować go do głośnika lub słuchawki. Takie rozwiązania nazywane są układami o bezpośrednim wzmocnieniu i konstruowane był w początkowym okresie radiofonii, z wykorzystaniem dostępnych wówczas lamp elektronowych.

W celu poprawy jakości odbioru, późniejszy sprzęt był modyfikowany – powstawały odbiorniki refleksowe (w celu obniżenia kosztów ta sama lampa pełniła swoją funkcję we wzmacniaczu w.cz. i m.cz.), reakcyjne (zastosowanie dodatniego sprzężenia zwrotnego we wzmacniaczu w.cz. zwiększyło czułość i selektywność odbiornika), superreakcyjne (tłumienie oscylacji detektora – bardzo duże wzmocnienie), superheterodynowe (układ z przemianą częstotliwości poprzez mieszanie sygnału wielkiej częstotliwości z sygnałem generatora zwanego heterodyną zapewniający stałe właściwości w całym zakresie przestrajania oraz wysoką czułość i selektywność) – jednak zasada działania radia pozostawała wciąż ta sama, idee, które przyświecały wynalazcom w końcu XIX wieku pozostały aktualne. Radio jest wciąż obecne. I wydaje się mieć ciągle przyszłość.