А. Б.
За последние 15 лет радиотехника сделала громадные успехи и в настоящее время благодаря электронным лампам радиоприем перестал быть каким-то особым искусством. Чтобы осознать это, необходимо вспомнить, что до применения катодных ламп огромным препятствием при радиоприеме являлся шорох рукава, записывающего прием слухача... Поскольку 15 лет назад искусством являлось принять сигнал, постольку в настоящее время поистине искусством является именно возможность избавиться от того, чего не нужно принимать. Средством для осуществления этой возможности является использование явления резонанса. Однако, в настоящее время простые понятия о резонансе уже недостаточны для овладения современной техникой приема и их приходится расширить и углубить. Для полной ясности начнем с простого резонанса.
Представим себе некоторую замкнутую электрическую цепь, в которой действует какая-то совершенно неправильная эдс. Например возьмем схему телефонного аппарата с местной батареей (рис. 1) и посмотрим, что делается в линии EE1. Пока микрофон не «слышит» никакого звука, в линии нет никакой эдс и потому нет в ней и тока. Но если микрофон слышит какой-нибудь совершенно неправильный звук, например шум примуса, то такая же неправильная эдс и соответствующий ток будет наблюдаться и в линии. Когда мы имеем антенну, то то, что в ней происходит от атмосферных разрядов, очень похоже на то, что происходит в нашей воображаемой линии — такие же неправильные эдс и такие же соответствующие причудливые токи. На рис. 2 дано приблизительное представление о характере тех эдс, о которых мы сейчас говорим.
Теперь представим себе, что в нашу линию включен колебательный контур, обладающий малым затуханием. Таким контуром в нашем примере (рис. 1) может быть даже сама линия ЕЕ1; если она сделана из хороших медных толстых проводов достаточной длины и разъединена на конце E1. Тогда емкость проводов будет играть роль конденсатора, а трансформатор (его вторичная обмотка) — роль самоиндукции этого контура. Теперь уже ток в нашей линии не будет точно подобен действующей в линии эдс, и получится примерно следующая картина. Первый толчок эдс возбудит некий ток, который в колебательном контуре будет колебательным, но затухающим. И если бы после этого толчка эдс прекратилась бы, то налицо были бы только затухающие собственные колебания контура, возбужденные этим первым толчком. Течение тока во времени было бы подобно изображенному на рис. 3.
На самом же деле последующие эдс будут также возбуждать колебания в контуре; эти вновь возбужденные колебания будут налагаться на колебания, первоначально возбужденные, и в результате амплитуда колебаний в контуре будет то увеличиваться, то уменьшаться, и таким образом лишь до некоторой степени следовать за возбуждающей эдс. Она будет тем значительнее разниться от прилагаемой эдс, чем меньше затухание контура, потому что слабо затухающий контур будет после каждого сильного удара долго колебаться с большой амплитудой, несмотря на то, что может быть после этого сильного «удара» эдс будет иметь место значительный период относительного покоя.
Особый интерес представляет теперь вопрос о том, какие особенности изменения эдс во времени будут способствовать увеличению амплитуды колебательного контура, и какие будут этому мешать. Вообще, ясно, что чем больше будет эдс (чем ближе будет наш примус стоять от микрофона, или чем больше будет наша антенна) — тем сильнее будут и вызываемые ею токи.
Но сверх того есть какое-то особое свойство в кривой рис. 2. которое может усилить колебания контура. Чтобы выявить это свойство, рассмотрим тот ток, который появится в контуре в результате какого-нибудь одного из далеких от начала резких толчков, например того, который на рис. 2 отмечен буквой А. Если бы всех предыдущих и последующих толчков эдс не было, то ток в контуре изобразился бы примерно так, как показано на рис. 4. Но при наличии в частности предыдущих толчков, например первого, давшего в результате ток, изображенный на рис. 3, ток рис. 4 ложится на ток рис. 3 и, как это видно из рисунков, ток окончательный (рис. 5) окажется больше каждого из составляющих токов (рис. 3 и рис. 4). Это получилось потому, что толчок А случился «во-время». Это значит, что он произошел достаточно скоро после первого толчка, и что он в этот момент подействовал в том же направлении, т. е. обусловленный им ток имел то же направление (на рисунках вверх), что и направление оставшегося от первого толчка затухающего тока (участок рис. 4, отмеченный буквой Б). Если бы толчок А произошел гораздо позже первоначального толчка, когда колебания, вызванные этим первым толчком уже затухли бы и приобрели бы совсем маленькую амплитуду, то хотя принципиально все осталось бы таким же как описано выше, но эффект увеличения амплитуды над значением, изображенным на рис. 4 был бы ничтожен (и рис. 5 как бы совпал с рис. 4). Если вместо толчка А мы рассмотрели бы результат действия толчка В (рис. 3), приходившимся в продолжение участка времени Г, то увидели бы, что окончательная амплитуда оказалась меньше составляющих амплитуд потому, что ток, обусловленный толчком В, имел бы обратное направление.
Действие всей причудливой кривой эдс, изображенной на рис. 2, можно было бы таким же точно образом рассмотреть по частям, и мы пришли бы к следующему выводу: окончательная амплитуда тока будет тем больше, чем больше толчков будет «во-время». Как получить вообще самую большую амплитуду мы все хорошо знаем. Для этого нужно, чтобы в контуре действовала бы не неправильная эдс, а правильно-синусоидальная точно того же периода, что и период контура (рис. 6).
Особенно интересен теперь тот случай, если на контур действует эдс, подобная приведенной на рис. 6, но период этой эдс немного отличается от периода контура. Нетрудно сообразить, что в этом случае некоторое время толчки, создаваемые эдс, будут попадать во-время и увеличивать амплитуду колебаний в контуре до некоторой величины. Однако постепенно колебания эдс и колебания в контуре будут расходиться и, наконец, по истечении некоторого времени окажется, что эдс уже не во-время действует на контур. За это время ток в контуре пройдет, допустим, четное число полупериодов, в то время как действующая эдс пройдет нечетное число полупериодов. Теперь эта эдс будет уже препятствовать увеличению амплитуды. Это действие, т. е. прекращение роста амплитуды контура, будет тем заметнее, чем меньше затухание контура, потому что такой контур лучше сохраняет те колебания, которые в нем возбуждены за первое время действия эдс. Эти колебания к данному моменту больше, и потому больше противодействуют воздействующей в этот момент эдс-е.
Эта воздействующая эдс, период которой немного не равен периоду контура, имеет в радиоприеме аналогию в виде действующей мешающей станции на соседней волне. Отсюда вытекает общеизвестный факт, что избирательность или селективность приемника с одним контуром будет тем больше, чем меньше его затухание.
Селективность контура приемника не может быть сделана как угодно велика и вот почему. Когда мы принимаем радиотелефонию, например, музыку, то нам не выгодно применять контур, колебания в котором медленно устанавливаются и медленно затухают, ибо тогда наступят искажения в приеме наиболее высоких частот передаваемой музыки (флейта, высокие ноты рояля и т. п.). Эти искажения обусловливаются тем, что при слишком малом затухании приемного контура амплитуда его колебаний приобретает как бы инерцию: раскачавшись, колебания в контуре медленно успокаиваются, успокоившись, контур медленно раскачивается под действием правильно построенной эдс. Когда амплитуда передатчика быстро меняется под действием модуляции какой-то высокой звуковой нотой, то для правильного приема и амплитуда приемника должна быстро успевать меняться; при слишком малом же затухании она не успеет достаточно точно следовать за изменениями амплитуды эдс.
Таким образом мы можем например (путем введения обратной связи) уменьшать затухание только до известного предела. При этом выбранном затухании окажется, вследствие свойств резонансной кривой, что эдс, действующая на приемник с другим периодом (не в настройке), создают все-таки колебания с заметной амплитудой. Таким образом приемник будет также принимать соседнюю по волне мешающую станцию. Это ясно из рис. 7, где изображена кривая резонанса, которою должен обладать контур для почти неискаженного приема колебаний, модулированных звуковой частоты в 5 000 периодов в секунду при основной частоте 1 000 000 колебаний в секунду (волна 300 м.). Мы видим, что мешающая станция на волне 318 метров (примерно 940 000 периодов в сек.) дает в нашем приемнике амплитуду, величиной в 0,2 от амплитуды принимаемой станции, если только сами сигналы мешающей станции будут той же силы, что и сигналы принимаемой станции. Иначе говоря, достаточно иметь на этой волне (318 м.) мешающую станцию всего только в пять раз сильнее, чтобы получился прием такой же силы, как и от принимаемой станции.
Положение ухудшается еще и тем, что наше ухо более чувствительно к слабым звукам. Поэтому, чтобы какая-либо соседняя по волне станция не мешала, необходимо, чтобы амплитуда этой станции в приемнике была во много десятков раз меньше амплитуды той станции, которую нужно принимать.
Таким образом, если перевести резонансную кривую на язык нашего уха, наших ощущений, то эта кривая покажется нам совсем плоской (рис. 8).
Теперь нам ясна та задача, которая разрешается сложными хорошими современными приемниками (нейтродинами и супергетеродинами). Эта задача состоит в том, чтобы преобразовать резонансную кривую приемника в более выгодную кривую, не увеличивая при этом времени, в течение которого контур «раскачивается» или «успокаивается», чтобы не появлялись искажения. Более выгодной при этом считается такая кривая, ветви которой круче спускаются по обе стороны от частоты резонанса (см. кривые рис. 10, 11, 15, 16). Решается эта задача применением нескольких настроенных контуров.
Известны два способа применения нескольких контуров. Один способ, более распространенный, состоит в применении нескольких независимых настроенных контуров, которые не взаимодействуют друг с другом; для этой цели эти контуры включены в многоламповый усилитель так, чтобы в каждом каскаде было по контуру. Тогда контуры разделены между собою усилительными лампами и часто еще усложнены введением нейтродинных конденсаторов для совершенного устранения влияния каждого следующего каскада на каждый предыдущий (рис. 9). Тогда при одинаковой настройке всех контуров и одинаковом их затухании, первый контур будет в состоянии воспринимать без искажений модулированные колебания до некоторой высоты тона. Второй контур также будет воспринимать их без искажений и т. д.; и в общем весь усилитель (состоящий обычно из 3, редко 4 каскадов) будет принимать модулированные колебания без искажений. Помехи же, не находящиеся близко к частоте настройки контуров, будут значительно ослаблены первым контуром, во столько же раз ослаблены вторым, третьим и т. д. В конце концов они снизойдут до степепи слабых, практически не мешающих уже, помех и тем самым будет осуществлена селективность всего устройства. На рис. 10 показано, как изменяется результирующая кривая резонанса при применении многих контуров по описанному только что способу. На рисунке, для ясности, опущено то изменение кривых резонанса, которое получается вследствие усиления, а показано только относительное изменение формы кривой.
В том случае, если настройка контуров, включенных по этому способу, окажется не вполне правильной и между собственными частотами отдельных контуров будет небольшая разница, результирующая кривая резонанса несколько изменится: ее величина делается более плоской. На рис. 11 показаны кривые резонанса одного контура, двух таких же контуров при точной их настройке и тех же двух контуров при небольшой взаимной расстройке.
Второй способ повышения селективности основывается на соединении нескольких контуров в одно целое, называемое фильтром. На рис. 12 изображена схема включения фильтра, состоящего из двух контуров в качестве междулампового устройства; оно может применяться как в усилителях высокой частоты, так и в усилителях промежуточной частоты супергетеродинов. На рис. 13 изображено такое устройство, состоящее из трех контуров. Связь между контурами на рис. 12 и 13 показана индуктивная, но возможна и даже отчасти предпочтительна емкостная связь, изображенная на рис. 14.
Смысл применения фильтров заключается в следующем. Кривая резонанса всего фильтра гораздо острее, чем кривая резонанса каждого из составляющих контуров. При этом под кривой резонанса или лучше кривой пропускания фильтра понимается, напр., для случая рис. 13, отношения амплитуды колебаний вольтажа на сетке 2-й лампы Vc к амплитуде колебаний вольтажа на аноде 1-й лампы Va для разных частот. При изменении связи между контурами кривая пропускания фильтра меняется. На рис. 15 изображено это изменение, причем кривым с большим номером соответствует более сильная связь (катушки ближе или конденсатор С меньше); кривая О изображает для сравнения кривую резонанса одного контура. Для целей радиоприема, повидимому, наиболее выгодным являются такие связи между контурами, при которых кривая приближается к форме 2. На рис. 16 даны для сравнения кривые для одного контура (1) и для фильтров из двух (2) и трех (3) контуров в подобных предельных условиях.