Radijas

Radijas yra technologija, kuri leidžia perduoti signalus elektromagnetinių bangų moduliavimu. Radiju taip pat vadinamas prietaisas radijo bangoms priimti.

Radijo bangos

Radijo bangos keliauja (sklinda) oru bei vakuumu visiškai vienodai nereikalaudamos papildomos energijos.
Radijo bangos atsiranda bet kada, kai krūvį turinti dalelė juda su pagreičiu radijo dažniu.
Už radijo bangas trumpesnės elektromagnetinės bangos – gama spinduliai, rentgeno spinduliai, infraraudonieji spinduliai, ultravioletiniai spinduliai ir regimoji šviesa, matoma žmonių.
Kai radijo banga pasiekia laidininką, ji sukelia kintamą elektros srovę (įtampą), kuri, jei reikia, gali būti elektronikos sustiprinta. Paprasčiausiu atveju siųstuvas periodiškai nutraukia bangų spinduliavimą, tokiu būdu perduodamas trumpus bei ilgus impulsus (Morzės abėcėlė). Perduodant garsą, radijo bangos stiprumas (amplitudinė moduliacija) arba jos dažnis (dažninė moduliacija) sutartose ribose keičiasi žemesnio (garsinio) signalo dažnio taktu.
Nors žodis „radijas“ dažniausiai yra vartojamas apibūdinant šitą reiškinį, kiti informacijos perdavimo būdai, tokie kaip televizija, radiolokacija ir telefonas, taip pat naudoja radijo veikimo principus.

Radijo bangų perdavimas dideliu atstumu

Kaip ir regimoji šviesa, radijo bangos gali tapti imtuvui „nematomos“, jei siųstuvo antena „pasislepia už horizonto“ (sakoma – palieka tiesioginio matomumo zoną). Ilgos (žemesnio dažnio) bangos turi savybę šiek tiek „užlinkti“, todėl jomis galima signalą perduoti ir kiek didesniu atstumu. Trumposios bangos turi savybė atsispindėti žemyn nuo viršutinių atmosferos sluoksnių (jonosferos), todėl jomis palankiomis sąlygomis galima susisiekti praktiškai bet kuriuo atstumu. Tačiau ryšio kokybė ir galimybė labai priklauso nuo atmosferos būklės. Stabilaus ryšio spinduliui padidinti siųstuvo ir imtuvo antenas naudinga iškelti kuo aukščiau (bokšto viršūnė gali būti matoma virš horizonto ir kai jo papėdės jau nematyti). Štai Varšuvos radijo stiebas, stovėjęs iki 1991 m., siekė 646 m. aukštį. Itin trumpos (pavyzdžiui, mobiliųjų telefonų) radijo bangos gali būti priimamos tik tiesioginio matomumo zonoje, todėl nestabiliai dirbant telefonui paprastai naudinga mėginti pakilti į aukštesnę vietą.

Išradimas ir istorija

1873 m. škotų fizikas Džeimsas Maksvelas išleido veikalą „Traktatas apie elektrą ir magnetizmą” (angl. A Treatise on Electricity and Magnetism), kuriame teoriškai aprašė elektromagnetinių bangų (radijo bangų) egzistavimą.
1879 m. velsiečių kilmės amerikietis Deividas Hjūzas pastebėjo, kad kibirkštis galima išgirsti kaip traškesius per ausines. Jis pasigamino primityvų kibirkštinį siųstuvą ir bandydamas sistemą sugebėjo perduoti Morzės signalus 460 m nuotoliu. 1880 m. vasarį jis pademonstravo savo sistemą Londono karališkosios draugijos atstovams, tačiau šie jį sukritikavo (kaip vėliau paaiškėjo, neteisingai) esą tai ne elektromagnetinės bangos, o indukcija, ir D. Hjūzas savo darbo nebetęsė.
1886 m. vokiečių mokslininkas Heinrichas Hercas tobulesniu kibirkštiniu siųstuvu irgi sugeneravo elektromagnetines bangas ir savo sukonstruotu imtuvu jas priėmė, tuo patvirtindamas Dž. Maksvelo teorijos ir D. Hjūzo eksperimentų teisingumą. Herco imtuvas buvo labai primityvus – storos vielos žiedas su tarpu, kuriame, reaguojant į elektromagnetines bangas, pasirodydavo mažytė kibirkštis. H. Hercas taip pat atrado, kad elektromagnetinės bangos gali būti aprašytos diferencialine lygtimi dalinėmis išvestinėmis, vadinamą bangos lygtimi. Nuo to laiko elektromagnetinės bangos gavo dar vieną pavadinimą – „Herco bangos”.
1884 ir 1885 m. italų fizikų žurnale „Nuovo Cimento” pasirodė italų išradėjo Temistoklio Kalzekio-Onesčio straipsniai, pristatantys jo eksperimentus, kurių rezultatas buvo vamzdelio, pripildyto metalo drožlėmis, sukūrimas. Toks vamzdelis reaguodavo į elektromagnetines bangas: atsiradus elektromagnetiniam laukui, metalo drožlės „išsirikiuodavo” taip, kad bendra jų varža elektros srovei sumažėdavo (padidėdavo laidumas). Norint laidumą atstatyti, reikėdavo tokį vamzdelį sukrėsti. T. Kalzekis-Onestis manė, kad šį prietaisą galima bus naudoti žaibų ir seisminių reiškinių aptikimui, tačiau pritaikytas jis buvo radijo srityje – tai buvo pagrindinė radijo imtuvo dalis, paverčianti radijo bangas elektros impulsais, iki maždaug 1907 m., kai šį vaidmenį perėmė kristalinis detektorius.
1890 m. lapkričio 20 d. prancūzų fizikas Eduardas Branli pademonstravo prietaisą, reaguojantį į elektromagnetines bangas, sukeliamas kibirkšties iškrovų; iš esmės tai buvo T. Kalzekio-Onesčio išrastas prietaisas. Šį prietaisą Branli pavadino „radijo laidininku” (pranc. radioconducteur). Prietaisas – stiklinis vamzdelis, užpildytas metalo drožlėmis – „pagavęs” elektromagnetines bangas padidindavo savo elektrinį laidumą. Tačiau tą padaryti jis galėdavo tik vieną kartą – dingus elektromagnetinėms bangoms jo laidumas nebesumažėdavo. Norint jį atstatyti reikėdavo prietaisą pakratyti.
1892 m. amerikiečių išradėjas Natanas Stablfyldas pademonstravo bevielį balso perdavimą. Tačiau šis perdavimas buvo paremtas ne radijo bangų sklidimu, o balso dažnio elektrinių virpesių indukcija, todėl prie radijo išradimo neprisidėjo.
1893 m. Sent Luise (Misūrio valstija, JAV) Nikola Tesla pasigamino prietaisus savo eksperimentams su elektra. Sakydamas kalbą Filadelfijos Franklino institute ir Nacionalinėje elektros šviesos asociacijoje jis apibūdino ir pademonstravo savo radijo ryšio principus. Tesla apibūdino visus elementus, kurie vėliau buvo panaudoti radijo sistemose iki vakuuminio vamzdelio išradimo. Skirtingai negu Hercas ar Branli, Tesla eksperimentavo su magnetiniu priėmimo prietaisu.
1894 m. rugpjūčio 14 d. D. Britanijos fizikas seras Oliveris Lodžas ir inžinierius Aleksandras Mjurhedas pademonstravo savo „elektromagnetinių bangų registracijos prietaisą”, kuriame buvo panaudotas Branlio „radijo laidininkas” (Lodžas davė jam naują pavadinimą – „kohereris”). Tam, kad atsistatytų kohererio laidumas, Lodžas jam pridėjo mechanizmą, kuris tam tikrais vienodais laiko tarpais sukrėsdavo kohererį. Tuo būdu kohereris vėl būdavo pasiruošęs sureaguoti į radijo bangas. Šio prietaiso trūkumas buvo tas, kad, po sureagavimo į elektromagnetines bangas, kohererio laidumas nesumažėdavo tol, kol neateidavo nustatytas laikas jį sukrėsti.
1895 m. gegužės 7 d. Rusijos išradėjas Aleksandras Popovas pademonstravo dar labiau patobulintą prietaisą, pavadinęs jį „žaibo žymekliu” (rus. грозоотметчик). Po kiekvieno sureagavimo į elektromagnetines bangas tam tikras mechanizmas iš karto sukrėsdavo kohererį; tuo būdu nebereikėdavo laukti, kol ateis nustatytas laikas tą padaryti, ir kohereris būdavo pasiruošęs darbui iš karto. A. Popovas savo tėvynainių yra laikomas radijo išradėju.

Markonis ir Tesla

1896 m. birželio 2 d. D. Britanijoje gyvenęs italų išradėjas Gulielmas Markonis pateikė paraišką savo sukurtos radijo ryšio sistemos užpatentavimui ir 1897 m. gavo D. Britanijos patentą nr. 12039 „Elektrinių impulsų ir signalų perdavimo bei tam skirtų aparatų patobulinimai” (angl. Improvements in Transmitting Electrical Impulses and Signals, and in Apparatus therefor); tai yra pirmasis ryšių sistemos, paremtos elektromagnetinių bangų sklidimu, patentas. Markonio eksperimentinis prietaisas tai pat tapo pirmąja iš inžinerijos pusės išbaigta, komerciškai sėkminga radijo perdavimo sistema. Tai jau buvo tikra ryšio sistema (siųstuvas ir imtuvas), skirta būtent informacijos perdavimui ir priėmimui, o ne „Herco bangoms” aptikti, kaip iki tol išrasti ir tobulinti prietaisai. Už tai Gulielmas Markonis ir laikomas radijo išradėju. Markonio prietaisui taip pat atitenka laurai už 700 žmonių išgelbėjimą Titaniko katastrofos metu.
Visgi Markonio ryšio sistema dar buvo labai netobula: signalai buvo siunčiami kibirkštiniu siųstuvu, kuris sugeneruodavo paprasčiausią kibirkštį, o ši sukeldavo elektromagnetinį lauką iš karto visose radijo bangose. Tokio siųstuvo veikimo zonoje negalėjo būti jokių kitų tuo pat metu veikiančių siųstuvų, nes jie irgi išspinduliuotų signalą visose bangose ir sukeltų trukdžius.
Po kelerių metų šis trūkumas buvo pašalintas. Serbų kilmės amerikiečių išradėjas Nikola Tesla sukūrė sistemos patobulinimus, įvesdamas į ją bangos ilgio nustatymo mechanizmą, ir 1897 m. rugsėjo 2 d. gavo JAV patentą Nr. 645576, patvirtinantį šį išradimą. Dabar siųstuvas spinduliuodavo tik tam tikro ilgio bangą, o imtuvas savo ruožtu būdavo nustatomas būtent tai bangai priimti. Įdiegus šią naujovę tapo įmanoma vienoje vietoje turėti kelis siųstuvus ir dirbti jais tuo pat metu skirtingo ilgio bangomis, nesukeliant tarpusavio trukdžių.
Markonis taip pat patobulino savo sistemą bangos nustatymo mechanizmu ir 1900 m. balandžio 26 d. gavo jai D. Britanijos patentą Nr. 7777, o JAV patentų biuras 1904 m. išdavė jam atitinkamą JAV patentą Nr. 11913.
1909 m. Markonis su Karlu Ferdinandu Braunu buvo apdovanoti Nobelio fizikos premija už „įnašą tobulinant radijo telegrafiją”.
Spręsdamas ginčą dėl radijo ryšio sistemos patobulinimo įvedant į ją bangos ilgio nustatymo mechanizmą, 1943 m. JAV Aukščiausiasis teismas nusprendė, kad šio patobulinimo pirmumas priklauso Teslai – jo patentas Nr. 645576 yra pirmesnis už Markonio patentą Nr. 11913. Tačiau šis sprendimas buvo priimtas jau po Teslos mirties. Teismo sprendime taip pat buvo atskirai pabrėžta, kad Markonio kaip žmogaus, kuris pirmasis užmezgė radijo ryšį, reputacija jokiu būdu nenukenčia, ne ji yra paremta pirmuoju Markonio patentu Nr. 12039, gautu 1896 m.
1898 m. Markonio įkurta kompanija „The Wireless Telegraph & Signal Company” atidarė pirmąją pasaulyje radijo gamyklą Hol Stryte, Čelmsforde, Anglija, pasamdydama apie 50 žmonių. Apie 1900 m., Tesla sukūrė Vardenklaifo Bokšto infrastruktūrą ir reklamos tarnybas. 1903 m. bokšto konstrukcija buvo beveik baigta. Skirtingos teorijos egzistuoja apie tai, kaip Tesla ketino pasiekti jo radijo sistemos tikslus (kaip kalbama, 200 kW sistemą).

Raida XX amžiuje

Kitas puikus išradimas buvo vakuuminis vamzdelis, išrastas Vestinghauso inžinierių.
1906 m. Kūčių vakarą iš Kanados kilęs amerikiečių išradėjas Redžinaldas Fesendenas iš Brant Roko (Masačiūsetsas, JAV) transliavo pirmąją pasaulyje garsinę radijo laidą – iš plokštelės pagrojo Hendelio „Ombra mai fu (largo)”, pats smuiku sugrojo Adamo „Šventąją naktį”, perskaitė sakinį iš Biblijos ir pakvietė klausytojus rašyti raportus apie laidos girdimumą. Antrą labai panašaus turinio ir trukmės laidą Fesendenas transliavo 1906 m. gruodžio 31 d. Abiejų laidų auditorija buvo laivų, plaukiojusių jūrose palei rytinę JAV pakrantę, radijo operatoriai. Šios Fesendeno demonstracijos didelio atgarsio nesulaukė ir buvo užmirštos, kol jis pats 1932 m. apie jas parašė laiške buvusiam kompanionui Samueliui Kinteriui. Šiame laiške Fesendenas rašė, kad jo laidas girdėjo jūreiviai net Karibų jūroje. Tačiau nėra žinoma, kad šios šventinės radijo laidos būtų buvusios aprašytos kokiuose nors laivų žurnaluose ar tuometinėje literatūroje.
1920 m. rugpjūčio 31 d. Detroito (JAV) radijo stotis 8MK pirmoji ėmė transliuoti žinių laidas. Pirmosios reguliarios pasaulio transliacijos prasidėjo 1922 m. iš Markonio išradimų centro Vritlyje netoli Čelmsfordo, Anglijoje.
Oro pajėgos naudojo komercines viduriniųjų bangų radijo stotis navigacijai. Tai tęsėsi iki septintojo dešimtmečio pradžios, kai VHF Bekryptė Diapazono navigacijos sistema galiausiai tapo plačiai paplitusi (nors viduriniųjų bangų stotys vis dar pažymėtos Jungtinių Valstijų aviacijos diagramose).
XX a. ketvirtojo dešimtmečio pradžioje radijo mėgėjai išrado vienos šalinės juostos ir dažnių moduliaciją. Dešimtmečio pabaigoje jie tapo pripažintu komercinių radijų veikimo metodu.
1960 m. „Sony“ pristatė pirmą tranzistorinį radiją, pakankamai mažą, kad tilptų į švarko kišenę ir galintį būti aprūpintam paprastu elementu. Jis buvo saugus, nes jame nebuvo degių detalių.
Aštuntajame dešimtmetyje LORAN tapo pagrindine radijo navigacine sistema. Netrukus JAV jūrų pajėgos eksperimentavo su palydovine navigacija, pasiekdami Visuotinės išsidėstymo sistemos (GPS) išradimą bei paleidimą 1987 m.
Dešimto dešimtmečio pradžioje radijo mėgėjai eksperimentuotojai pradėjo naudoti kompiuterius su garso plokštėmis radijo signalų apdorojimui. 1994 m. JAV armija ir JAV gynybos departamento pažangių tyrimų projektų agentūra (DARPA) pradėjo projektą, kurio metu buvo sėkmingai pagamintas skaitmeninis radijas. Skaitmeninės transliacijos pradėtos pačioje dešimto dešimtmečio pabaigoje.