Режиналд Фесенден (Reginald Fessenden) – изобретателят на публичното радио и радиоразпръскване

Трета част на "За няколко интересни учени и изобретатели в областта на безжичните комуникации"

(Откъси)

          Създателят на радиотелефонията и на радиоразпръскването! В много източници се среща това твърдение. То е до известна степен пресилено, тъй като по същото време (1906) и много други изобретатели създават решения, които довеждат по-късно до истинското радиоразпръскване. Реалната радиотелефония и радиоразпръскване започват приложението чак  в началото на 20те години на 20 век, но с електровакумни (термоелектронни) прибори като основа на предаватели и приемници.

            А по това време Фесенден, разочарован от компаниите, с които е работил, някои даже са го уволнили за „несправяне”, водещ дела срещу много от тях, които е спечелил, и срещу други изобретатели, и работещ по други интересни проекти (например един от първите сонари или ехолоти) вече се е отказал да работи в областта на радиото. Но е истина, че той е един от първите с реални постижения в това ново начинание.  Университетски професор с големи познания, много точно формулира условията, които трябва да се постигнат, за да се реши задачата. На първо място това е намиране  на ефективен предавател с незатихващи трептения, след това начин за въвеждане на полезната информация в това незатихващо трептение и накрая откриване на детектор, който ефективно и качествено може да отдели полезното звуково трептение. Много тогавашни (1900 – 1906-7 г.)  учени, инженери и изобретатели са считали, че незатихващите вълни са неподходящи за предаване на информация на големи разстояния, че затова трябва прекъсната, импулсна работа. Но правият, както добре знаем, е бил точно Фесенден. Да, уважаеми читателю, той е преформулирал това, което Крукс определя като насоки  за бъдещото развитие на безжичния телеграф през 1892 г., но вече по отношение на безжичния телефон. И веднага става ясно, че е от първите учени и инженери, които са наясно с необходимостта от модулация.  (Модулацията е процес, при който някакъв параметър на радиовълната с висока честота, например нейната амплитуда, при радиопредаване се променя  така, както се променя полезният сигнал, например човешкият  глас или музика. След това при радиоприемане от радиовълната с висока честота се възстановява този полезен сигнал. Последният процес се нарича демодулация или детекция – б.м., Безжичен).

            Тези заключения идват след серия от експерименти, в много случаи успешни, но с незадоволително качество, с искрови предаватели, с дъгови и с електромашинни такива, продължили от 1898 г. до 1906 г.[i]. Чак в 1906 Фесенден демонстрира радиотелефонно излъчване и приемане на доста голямо разстояние, при това със задоволително качество.

            Предавателят е електромашинен генератор (алтернатор) за сравнително висока честота (предвиден е за 100 kHz, но според свидетелства е работил на около 50 kHz – 50  хиляди трептения в една секунда). Бил е построен по особена схема и специална конструкция и свързан чрез радиочестотен трансформатор с антената.      

            Предавателят е с модулация в антенната верига, а за приемник се използва такъв с настроен кръг, с жичен и по-късно с електролитен баретер (баретор) за детектиращ елемент и специално конструирано от изобретателя поляризовано реле, което може да се счита за част от механизма на особен вид високоговорител. То е помагало да се повиши чувствителността на цялото приемно устройство, като се задейства от детектирания високочестотен сигнал, т.е. от демодулирания полезен звуков сигнал. Използва специална схема,  която го довежда до успешното предаване (и приемане) на музика и говор през 1906 г., на 21 декември вечерта. Тогава, отначало,  има предаване и приемане „точка – точка” (това означава,че няма още един предавател и много радиопроемници, а само един предавател и един приемник– б.м. , Безжичен), а също така е било демонстрирано свързане на безжичната станция с телефонната мрежа.

             Радиопредавателят се състои от високочестотен машинен генератор (подобен на генераторите, които се използват в електростанциите, но за повече електрически трептения в секунда– б.м. , Безжичен), който е свързан към първичната намотка на високочестотен трансформатор. Това всъщност е трансформатор на Тесла, настроен на честотата на генератора (и собствената честота на антената). Вторичната намотка на трансформатора е свързана с единия си край към антената, а с другия – през мощен микрофон – към земя. В случая са интересни генераторът и микрофонът. Последният се ползва за реализиране на модулация в антенния кръг. Това не е много ефективно – изисква специален микрофон, който да издържа на големи токове, към него се подава много високо напрежение, следователно изисква добра изолация, за да е защитен операторът, а също променя съществено  качествата на антенния кръг. Но тогава е единственото решение, което създава добри за времето показатели. Веднага трябва да се каже, че Фесенден е видял възможността информацията да се предава с промяна на честотата (това се нарича честотна модулация, за разлика от амплитудната модулация, когато се променя  амплитудата– б.м. , Безжичен) и той има такива решения, но те са били крайно неефективни. Трябва да отбележим една важна заслуга на Фесенден в създаването на радиото още тук – чрез неговите работи фактически за първи път се прилага модулирането на високочестотен сигнал с нискочестотен такъв за целите на безжичната комуникация. Тук би могло да има известен спор, защото Ли де Форест съшо е разработил подобни решения в областта на радиотелефонното предаване и приемане, но не толкова съществени и малко по-късно. По този начин Фесенден се явява пионер в прилагане на процесите на модулация, макар и в доста примитивна форма. Това е особено важно. Този учен е родоначалникът на аналоговите модулации!

            Особено строги и интересни са изискванията към електрическата машина – високочестотен алтернатор. За да се получат необходимите настройки, свързаните кръгове (включващи антената, трансформатора, свързвашите проводници и радиочестотната намотка на самия алтернатор) трябва да  се конструират и настроят така, че честотата им да е равна на честотата на генератора.  Освен това вътрешното съпротивление (активното) на генератора трябва да е малко, за да не се получава затихване (да не се влошава качественият фактор на кръга, както бихме се изразили сега, но тогава параметърът, с който са се съобразявали и е бил основен изчислителен параметър, това  е демпфването (“damping”), което е реципрочно на качествения фактор). Индуктивността в кръга, въвеждана от генератора, също трябва да е малка част от общата индуктивност. Иначе нужният резонанс не ще се получи. За да няма големи загуби от хистерезис и токове на Фуко, които отново биха довели до много голямо затихване и невъзможност за постигане на резонанс, алтернаторът е изработван с минимално възможно количество магнитни материали и с големи въздушни междини. Има изключително интересен ротор, който няма навивки, нито електрическа връзка с други части, а е направен от ламиниран магнитен материал с много полюси и с много въздушни междини (отвори), запълнени с немагнитен материал. Статорът има два вида намотки. Единият комплект се захранва от постоянно напрежение и генерира постоянно магнитно поле във въздушната междина, където се върти роторът. Другият комплект намотки са радиочестотните. Когато роторът се върти, той създава променливо магнитно поле  при взаимодействието с постоянното поле на статора. Това променящо се магнитно поле индуктира нужното високочестотно напрежение  в радиочестотната намотка, свързана през донастройстващи индуктивности с антенния трансформатор. А за да се постигне нужната висока честота, са били необходими много полюси и много големи ъглови скорости, и понякога се е ползвала парна турбина, която върти генератора. Разбира се, основното решение както при корабните, така и при бреговите радиотелеграфни станции е роторът на генератора да се върти от електродвигател. Очевидно всичко това е твърде неефективно от енергетична гледна точка. Големите скорости създават огромни трудности в конструирането, шумът на предавателите е невъобразим, което изисква трудна и скъпа звукова изолация на мястото на оператора, настройките трябва да бъдат много прецизни и са твърде трудни, регулирането на машините (баланса) и смазването на триещите се въртящи части изобщо не е тривиална задача. Сложност добавя и изискването високочестотният  сигнал да бъде чисто синусоидален, за да може да се ползва за предаване на реч и музика. Трябва да се спомене, че генераторите, с които е работил Фесенден са разработка на известния изобретател и учен Александерсон.  По-късно се разработват други конструкции на машинни генератори, за един от които беше споменато в частта за Арко.

            Независимо от всички тези затруднения Фесенден е успял в своите технически решения и е излъчил не само по горепоказания начин „точка-точка”, но и по начина „точка – много точки” (истинско радиоразпръскване, Broadcasting -– б.м. , Безжичен). Излъчването е в една точка, а в много точки (това е на 24 и 31 декември 1906 г.) са приели говор и музика. С това може да се счита, че е реализирано първото истинско радиоразпръскване. Приемането е станало основно от кораби, някои от които по това време вече са имали приемници с карборундови и други детектори, които по съшество са амплитудни детектори. Импулсните устройства като кохерера без самовъзстановяване или магнитния детектор на Маркони не са били пригодни за приемане на сигналите на Фесенден.

            Приемникът  е със схема, вече много разпространена по това време. Ние също обсъдихме нейни варианти в тази книга дотук. Единственото по-интересно нещо е елементът, използван за детектор. Това е изобретение на самия Фесенден. Нарича го баретер. В нашата литература понякога може да се срещне като „баретор”. Най-често е служил като стабилизатор на ток, когато се постави в нужния режим. Но в тази схема е вид амплитуден детектор. Ако се абстрахираме от по-странния вид и действие на баретера, можем спокойно да приемем, че приемникът е класически детекторен приемник, каквито са употребявани твърде много, включително за концертни приемници, чак до около 30 години на 20 век (а за учебни и хоби цели – дори до наши дни).

            Да опишем накратко действието на детектиращия елемент в тази схема. Представлява извънредно тънък платинен проводник, поставен вътрешно по оста  на сребърен проводник. След изтегляне на двата проводника заедно (за да може платиненият да стане наистина изключително тънък) комплектът от два проводника се ецва, за  да се открие достъп до платинения проводник. След това се инсталира  в стъклен балон, от който е изтеглен въздухът или балонът е пълен с някакъв инертен газ, но последното е рядко решение. В схемата бареторът се включва последователно както на захранващия постояннотоков източник, така и по отношение на източника на високочестотно модулирано трептение. Този детектор използва топлинното действие на електрическите токове. Той се загрява до определена температура от постотоянотоковия източник. Така се определя работната му точка. Под въздействие на модулираното високочестотно напрежение през веригата протича също такъв високочестотен ток. Той загрява допълнително платинения проводник. Това загряване е променливо. Поради инерционността на системата, тя не може да следва измененията на високата (носещата) честота, но съпротивлението на проводника се мени, поради промени на тока и оттук на нагряването, така както се мени и звуковият сигнал. Това предизвиква промени на тока  в първичната намотка на звуковия трансформатор, чрез който във веригата е последователно включен телефонът (телефонната слушалка). Тези промени точно следват звуковия сигнал. По този начин е реализирано демодулиране на модулираното високочестотно трептение.

             Интересното е, както самият Фесенден отбелязва, че тук имаме токов детектор. При това умишлено е търсил това решение. Той счита, че такъв детектор ще бъде по-чувствителен от устройства, които действат с управление по напрежение. По тази причина баретерът е включен последователно във веригите на източниците. И затова високоомната слушалка е включена през съгласуващ трансформатор. Но този трансформатор е повишаващ, т.е. точно обратно на по-късните решения с лампи, които са високоомни устройства и трансформаторът е понижаващ. Тъй  като този детектор е със сравнително много малко съпротивление, независимо от изключително малкото сечение на платинения проводник и действието с нагряване, той би шунтирал всяко крайно устройство или източник и затова се използва подобна схема  на включване.   

            Ще се отбележи, че Фесенден има усъвършенстван вариант на по-чувствителен баретер, който е електролитен. Това не е особено съществено за разглежданата от нас основна и де-факто първа сполучлива радиотелефонна схема. Но последният детектор (електролитният баретер) е толкова сполучлив, че става един от най-популярните детектори и за радиотелеграфните системи в първото и дори частично във второто десетилетие на 20 век, тъй като тези системи по същото време започват да работят с т.н. „мелодични” искри, т.е. с радиовълни с много малко затихване (с малък демпфващ фактор (малък „damping”). Тези решения ще бъдат споменати по-долу.

            Тук накратко ще разгледаме патент  с номер RE12115 от 26 Май, 1903 г. Това е преиздаден патент, като следствие на подобренията, които прави изобретателят на първия патент с „гореща жица”. Основната разлика е, че тук той използва проводима течност,  в която поставя два жични електрода, но всъщност промяната на проводимостта  на течността, според промяната на нагряването, вследствие пропускане на електрическии ток през веригата, е в основата на този „електролитен баретер”.  Разликата, която отбелязва в обяснителната част на заявката и след това в издадения патент е, че някои електролити (например неконцентриран разтвор на сярна киселина) имат почти 12 %  промяна в съпротивлението си при промяна на температурата с  един градус Целзий, докато при платината промяната е само около 0,33 %. В патента дава много решения, като отбелязва, че независимо от разликата в промените (при проводимите течности, както е известно, с увеличаване на нагряването се увеличава проводимостта, а не съпротивлението, както е при металите) принципът на действие е същият, но има много предимства пред жичния баретер. Специално отбелязва, че тук няма изправителен ефект, а съшо така, че няма изявени поляризационни ефекти, които биха пречили и че това вероятно се дължи на нагряването.

            В електролитния баретер, повече известен като „електролитен детектор на Фесенден”  има два малки платинови жични електрода, потопени в разтвор на азотна киселина. Изобретателят отбелязва, че са възможни и други електролити, но че комбинацията „платина – азотна киселина – платина” дава най-добри резултати.     

            Интересни са и технологичните решения – за да няма сериозно изпарение на електролит, отгоре разтворът е покрит с керосин, а изолацията на дъното се прави с карбонов бисулфид, койтои е с различно специфично тегло от  разтвора на азотна киселина.

            Фесенден е допринесъл много за развитие на техниката в края на 19 век и първите десетилетия на двадесети век в различни области. Тук ще завършим с още едно негово решение, което е основно за цялата радиолектроника и, без каквото и да е преувеличение - за целия съвременен живот!

            Става въпрос за хетеродинния принцип. Той е авторът на това изключително важно техническо приложение на физикалните принципи. За да се получи възможност за някакво „усилване” на сигнала, използва смесване на два високочестотни сигнала, които са с малка разлика, така че в резултат на смесването да се получи звуков сигнал с честота много по-ниска от честотите на двата използвани високочестотни сигнала. Това е приложимо както при немодулирани трептения, така и при модулирани такива.  Всъщност описаното е точно хетеродинният принцип. Въз основа на него, по-късно Едуин Армстронг разработва суперхетеродинния принцип и суперхетеродинния приемник, който е основа на всички безжични комуникации до наши дни!!! Но поради липса на стабилен локален осцилатор, за какъвто е ползван дъгов генератор, разработеното решение не се е ползвало дълго време.

            Интересно е да се отбележи, че приносите на Фесенден в радиотелефонията, са известни в България още в началото на неговите работи, а в една малко по-късна  книга  от 1915 г. млад военен автор, подписал се като „поручик Ив. Ж-в”, дава доста подробно описание на стр. 46 и 47. Разбира се, неговата подготовка е преминала в Германия и той възхвалява основно немската техника от онова време (не без основание), но е достатъчно обективен, за да покаже и приносите на другите изобретатели. Книгата носи заглавието „Телеграфът без жици”[ii].

            Режиналд Обри Фесенден е роден в Ийст Болтън, Куебек,  Канада,  на 6 октомври,1866 г. През целия си живот работи и твори в САЩ. Той е типичен представител на хората, които изпреварват времето си. Също като Никола Тесла е бил подложен на присмех и подигравки за много от идеите и изобретенията си не само от журналисти, но и хора от бранша. Последните са считали, че идеите му за използване на незатихващи трептения са крайно неефективни, а безжичното предаване на телефонни сигнали за пълна утопия. Между тях е и Маркони, но не е само той, а и сериозни учени и бизнесмени. Не само ние сега знаем каква е истината, но и приживе на Фесенден, е станало ясно, че той е правият. Както казва един автор, често се случва един човек да се изправи срещу всички останали и той да е правият! В науката принципът на малцинството е винаги по-ефективен! ю

             Самият Фесенден пише, че почти през целия си живот е живял на прага на бедността, при много упорита работа и при наличие на над 500 патента, много от които използвани без полза за него. Води отчаяни съдебни битки, докато чак през 1920 г. успява да спечели най-голямата от тях срещу RCA, компанията купила от Уестингхауз другата компания, която го уволняв през 1911 г, след неразбирателство с недалновидните собственици и то след успехите в много области на радиото. Почива на 65  години, на 22 юли1932 г.,  в имението си в Бермуда, закупено с парите от  обезщетението, изплатено от RCA.

             Все пак в края на живота си е признат и почетен, включително със златен медал на „Scientific American” през 1929 г. В момента  това списание е повече популярно, но  тогава е било научно насочено, с много голям авторитет, каквото е сега „American Scientist” [iii]. И получаването на този медал е сериозно признание.

              Разбира се, още след изпращането на Фесенден в Лондон за съвети по начините за откриване на подводници в края на Първата световна война е бил оценен неговият принос за развитие на много области от техниката. След 1970 г. в САЩ  и Канада е издадена изключително голямо количество литература, в която най-накрая е оценен като един от наистина най-големите изобретатели в областта на радиото. А публикациите за него в интернет страници са безбройни. Режиналд Фесенден заслужава това внимание. И нашето - също!

[i] Подробно описание може да се види в http://earlyradiohistory.us/1907fes.htm

[ii] „Телеграфът без жици”, 1915 г.,  Поручик Ив. Ж-в, Печатница „Гражданин”  - София. Книгата е притежание на Националния политехнически музей. Авторът изказва благодарност на музея за съдействието  и възможността да я ползва. Този източник е отбелязан и от Веселин Димитров в “ История на радиото в България”.

[iii] Вж. например „ http://en.wikipedia.org/wiki/Scientific_American ”

Ако е интересно, ще последва продължение... :) !

(c) Bezzhichen (Безжичен), 2005 - 2011