Итак, 7 мая 1895 года нашим соотечественником Александром Степановичем Поповым на заседании Русского физико-химического общества был продемонстрирована в действии первая в мире система беспроводной сигнализации с радиоприемником телеграфных сигналов оригинальной конструкции [9]. Летом 1897 итальянец Гульельмо Маркони получает патент на аналогичное устройство. За исключением второстепенных деталей приемный аппарат Маркони по схеме и принципу действия был полностью аналогичен прибору А.С. Попова, который он разработал за 14 месяцев до этого. К сожалению, в борьбе за приоритет в создании первого в мире радиоприемника с когерером, требующим встряхивания научная общественность как у нас в стране, так и за рубежом не уделила должного внимания не менее важному изобретению А.С. Попова – первому в мире детекторному радиоприемнику на который 110 лет назад Попов А.С. получил патенты как в России, так и в Англии и Франции. Об этом забытом историческом факте, а также судьбе детекторного приемника на протяжении его более чем вековой истории и пойдет речь на этой лекции.
Заметим, что сходство первых приемников А.С. Попова (1895г) и Г. Маркони (1896г) прежде всего было в том, что принимаемые сигналы приводили в действие электромагнитный ударник, встряхивающий металлические опилки в когерере Бранли. И в том и другом случае включение электромагнита ударника производилось от чувствительного реле. Впрочем, А.С. Попов применил реле и для приведения в действие как самописца с записью регистрируемых сигналов на бумагу (в своем грозоотметчике в 1895 г.), так и телеграфного аппарата, когда впервые в мире была передана радиотелеграмма «Генрих Герц» в 1896г. Но настоящим прорывом в увеличении дальности радиосвязи было связано с применением электромагнитных телефонных трубок. Впервые идея воспользоваться наушниками пришла во время проверки радиоприемной аппаратуры сотрудниками, работавшими с Поповым А.С. П.Н. Рыбкиным и Д.С. Троицким. Они непосредственно подключили телефонные трубки к когереру, который не срабатывал, и услышали передаваемые сигналы. Дальнейшее изучение А.С. Поповым эффекта детекторного действия когерера с металлическим окисленным порошком позволил ему вообще отказаться от встряхиваемого молоточком когерера. Им было проведено множество опытов с различными типами радиокондкторов (так стал называть А.С. Попов когерер без встряхивания). Попов дает такое описание радиокондуктору (в нашем понимании детектору): «Для передачи на большие расстояния я употребляю «радиокондуктор», состоящий из стеклянной трубки, внутри которой приклеены две ленточки из платины, на которых находятся крупинки стали, обладающие многочисленными участками с окисленной поверхностью. Трубка хорошо просушенная, закрывается герметически. (И далее) Я показал с той же целью, что можно комбинировать микрофонный уголь с разными металлами. Простые электроды из металла или графита с металлическими стержнями, иголками и т.д. позволяют воспроизвести это интересное явление». Именно такого типа радиокондуктор был установлен в радиоприемниках Попова А.С., применявшихся в спасательной операции броненосца «Генерал-адмирал Апраксин», наскочившего на скалы вблизи о. Гогланд в Финском заливе. Когда Николай II узнал об аварии броненосца он писал: «Главному морскому штабу разработать к весне 1900г проект соединения главнейших пунктов южного берега Финского залива телеграфной линией между Кронштатом и Ревелем.» Как видно из этого предписания телеграфный кабель можно было проложить только весной, но к тому времени броненосец был бы раздавлен льдами. Единственным выходом было применение беспроволочного телеграфа. К этому времени Попов уже располагал усовершенствованной радиоаппаратурой с телефонными трубками и новым радиокондуктором. В 1899 году три комплекта радиостанций конструкции Попова А.С. были изготовлены французской фирмой Дюкрите. Поэтому, несмотря на большое расстояние (47 км), которое нужно было преодолеть для передачи радиосообщений в спасательной операции Попов приступает к решению поставленной перед ним задачи. Уже 25 января 1900г. с о. Гогланд была послана на Котку (о. Кутсало) первая радиотелеграмма. Ответ был тревожный: «Командиру ледокола «Ермак». Около Лавен-сари оторвало льдину с рыбаками. Окажите помощь». «Ермак» в тот же день пошел в Ревель, захватив спасенных им 27 рыбаков. Обмен радиотелеграфными сообщениями продолжался до апреля месяца, когда броненосец «Апраксин» был снят со скал. Всего было передано 440 радиотелеграмм. Использованная в спасательной операции в сложнейших зимних условиях радиоаппаратура, изобретенная А.С. Поповым доказала ее надежность и пригодность для практического применения. За это Попов был удостоен Электротехническим институтом звания почетного инженера-электрика, получил высочайшую благодарность и вознаграждение от Морского министерства. А первый детекторный радиоприемник Попова А.С., на который он получил патент в России, Англии и Франции был награжден золотой медалью на Всемирной выставке в Париже в 1900г. У английского патента № 2797, выданного 25 февраля 1900г было следующее конкретное название: «Improvements in Coherers for Telephonic and Telegraphic Signalling». Русский патент (привилегия № 6066) имел более общее название: «Приемник депеш, посылаемых с помощью электромагнитных волн» (см. рис.5).
Рис 5. Собственноручный чертеж Попова из российского патента телефонного приемника депеш (1900г.).
Хочу привести страницу из английского журнала «Engineering», июнь 1900г. с сообщением о выдаче А.С. Попову патента на детекторный приемник в Англии (Рис.6). Как там написано в заголовке он не требует восстановления когерера. Обращаю ваше внимание на две схемы приемника заявленные А.С. Поповым. Первая с радиокондуктором подключенным к наушникам последовательно с батареей, а вторая с наушниками подключенными ко вторичной обмотке согласующего трансформатора (А.С. Попов называет его индукционной бобиной), первичная обмотка которого подключатся в цепь с радиокондуктором. Как пишет А.С.Попов: «в этом случае звуки слышатся в телефоне громче и отчетливее, нежели в отсутствии индукционной бобины, обычно употребляемой в микротелефонных станциях».
Рис.6 Фрагмент описания английского патента А.С.Попова.
Мне часто задают вопрос: раз первыми прием на слух осуществили П.Н. Рыбкин и Д.С. Троицкий, почему их не считают изобретателями детекторного приемника.
Начну с разъяснения почему патент на телефонный приемник депеш получил А.С. Попов, а не Рыбкин П.Н. или Троицкий Д.С. Для этого нужно обратиться к описанию патента составленного самим Поповым А.С. В самом начале он пишет «основанием для устройства нового приемника депеш, посланных по системе Морзе с помощью электромагнитных волн служит вновь открытое свойства когерера». Далее «Употребление телефона уже применялось для изучения электрических колебаний» И наконец, о новом свойстве когерера: «Это новое свойство случайно обнаружено с трубкой (прим. имеется ввиду когерер), мной изобретенной для телеграфа без проводников моими непосредственными помощниками – ассистентом Минного класса П.Н. Рыбкиным и капитаном Д.С. Троицким во время опытов, проводимых в Кронштадте в начале июня сего года».Таким образом, новый тип когерера или радиокондуктора, а лучше сказать, детектора, который и составляет предмет российской привилегии, и патентов в Англии и во Франции был предложен лично А.С.Поповым. А вот испытания этого нового когерера Попов поручил провести в начале июня 1899г. своим помощникам, а сам отправился в командировку за границу. Помощники в качестве измерительного прибора выбрали телефон, который и раньше использовался в опытах Минного класса по утверждению А.С. Попова. Но в данном случае телефон помог им открыть положительный эффект от применения нового когерера, не требующего встряхивания. Попов узнав по телеграмме, отправленной Рыбкиным, о положительном эффекте от применения своего нового когерера срочно возвращается из командировки и уже в начале июля (через месяц) направляет документы с прошением на выдачу привилегии на свое изобретение. Таким образом, А.С.Попов изобретает новый тип когерера (детектора), который в силу своих новых свойств позволяет осуществлять прием на слух с помощью телефона.
Совсем недавно в мемориальном музее А.С.Попова в Санкт-Петербурге, который возглавляет к.т.н. Золотинкина Л.И. был сделан перевод с французского писем Э. Дюкрете А.С.Попову. В результате оказалось, что Дюкрете на имя А.С.Попова запатентовал его детекторный приемник также в США, Швейцарии и Испании. По номеру патента США № 722139 мне удалось разыскать описание этого патента (Рис.7).
Называется патент SELF-DECOHERING COHERER SYSTEM. При этом декогерирующий прибор в нашем понимании детектирующий прибор, подробно описанный в патенте, назван Поповым радиокондуктором (radioconductor).
Рис.7 Рисунки из американского патента А.С.Попова
Справедливости ради следует вспомнить о более поздних американских патентах с детекторными приемниками. Приемник с кристаллическим детектором в США запатентовал вице-президент компании Де Фореста Дэнвуди (Dunwoody H.H.C. “Carborundum Detector” U.S. patent 837616, march 23,1906). Это событие имело большое значение для Де Фореста, который применял до этого электролитический детектор Фессендена без лицензии на это.
Еще одно изобретение детекторного приемника в США принадлежит Пикару (Greenleaf Whittier Pickard «Means for receiving intelligence communicated by electric waves» U.S. Patent 836,531 -, 1906). Он получил патент в тот же год, что и Дэнвуди, но его приемник уже имеет более совершенную конструкцию кристаллического детектора почти классическую. Об истории своего изобретения он опубликовал статью «How I Inverted the Crystal Detector» The Electricit Experimenter, August, 1919. В этой статье он рассказывает, что для выбора наилучшего кристаллического детектора он перепробовал свыше 30000 комбинаций различных материалов. Кстати, до сегодняшнего дня схематическое обозначение диода принадлежит также ему.
Также после А.С.Попова на детекторный приемник получил патент в США Боше (Bose J.C. физик из Индии). Он получил патент в 1904г. с таким названием "Detector for electrical disturbances", заявку на который он подал в 1901 году. И хотя Боше в описании своего патента не может еще отказаться от термина когерер, ставя его в один ряд с детектором: “This invention has reference to detectors and so-called coherers for the reception of electrical disturbances, Hertzian waves...” тем не менее, именно он впервые ввел в обиход слово детектор (detector).
Изобретение А.С.Попова получило свое развитие и в советской России. С первых дней советской власти правительство придавало большое значение развитию радиотехники в России. Уже в 1918 году в Нижнем Новгороде создается большая радиолаборатория. В состав радиолаборатории вошли такие известные ученые как М.А. Бонч-Бруевич, В.П.Вологдин, В.К. Лебединский, В.М.Лещинский, П.А. Остряков, Д.А.Рожанский, В.В.Татаринов, А.Ф.Шорин и др. Бонч-Бруевич М.А. будучи руководителем Нижегородской радиолаборатории в течении 10 лет много сделал для развития отечественной радиоэлектроники. Хотя Нижегородская радиолаборатория получила мировую известность и была дважды (в 1922 и в 1928 гг.) награждена орденом Трудового Красного знамени за создание первых отечественных радиоламп. Например, в 1920 году была создана первая самая мощная в мире радиолампа для первого радиотелефонного передатчика в России. Тем не менее большое внимание радиолаборатория уделяла и разработке различных радиоприемников. В частности, в 20 годы большой популярностью пользовался детекторный приемник, разработанный сотрудником радиолаборатории Шапощниковым С.И. А другой сотрудник радиолаборатории Лосев О.В. разработал детекторный приемник с полупроводниковым усилителем, известный как «Кристадин Лосева». Изобретение Лосева стало мировой сенсацией. Лишь через много лет получило объяснение использование детектора в кристадине, который фактически явился прообразом современных туннельных диодов. А метод радиоприема с дополнительным полупроводниковым генератором, работающем на частоте принимаемого сигнала был первым опытом синхронного детектирования, широко распространенного в настоящее время. Последним детекторным приемником промышленного изготовления можно считать «Комсомолец» [11]. После Великой Отечественной войны в нашей стране чувствовалась нехватка дешевых массовых радиоприемниках. C целью создания образцов детекторных приемников, пригодных для массового производства отечественной промышленностью в 1947 году Осоавиахим СССР объявил конкурс. В конкурсе приняло участие 31 конструктор из 14 предприятий и НИИ разных министерств. Первая премия была присуждена инженеру Капланову М.Р. (НИИ МПСС) за детекторный приемник, названный им «Комсомолец», который и был рекомендован к внедрению в производство на разных предприятиях страны (Рис.8).
Рис.8 Детекторные приемники «Комсомолец» из Москвы, Ленинграда и Минска.
Интерес к детекторным приемникам сохранился и в наши дни. В хорошем смысле детекторный приемник можно назвать антикризисным приемником. Он не требует затрат на источники электропитания, так как в нем используется только энергия передающей радиостанции. С созданием в последнее время более совершенных радиоэлектронных микросхем теперь можно создать детекторный приемник с более высокой чувствительностью. Что же это за микросхемы? Речь идет о недавно созданных MOSFET EPADs arrays c электрически-программируемой пороговой архитектурой [12] (Electrically-Programmable Analog Devices EPADs). Данные устройства обладают уникальными свойствами по потребляемой мощности (нВт), работают со сверхнизкими питающими напряжениями (меньше 0,5В). Приведем впечатляющие характеристики уже выпускаемой микросхемы ALD110900: Один каскад усилителя: V+ = 0.5V, I+ = 1.9μA, Pd = 960 nW, Gain = 24. Два каскада усиления: V+ = 0.5V, I+ = 2.8μA, Pd = 1.4 μW, Gain = 525 Используя такую микросхему удается собрать современный высокочувствительный детекторный приемник (см. рис.9) Его схема практически ничем не отличается от классической за исключением использования в качестве детектирующего и усиливающего устройства EPAD MOSFET.
Рис.9 Современный детекторный приемник