В 1930-е годы, наперекор «великой депрессии», начинается «золотая эра» ламповой электроники. Этот период также называют «золотым веком радиовещания». В США объем продаж ламповых радиоприемников с нескольких тысяч дорогостоящих «радио-музыкальных ящиков» (англ. Radio Music Boxes) вырос в 1929 г. до 4,2 млн. шт. (из них четверть – автомобильные) при средней цене $110 (средний заработок рабочего промышленности в то время составлял $30 в неделю).[3] Спрос настолько опережал предложение, что изготовление простейших радиоустройств с намоткой катушек на коробках из-под завтрака и конденсаторов из упаковочной фольги цветочных магазинов стало национальным увлечением американской молодежи. В 1930 г. более 6 тыс. радиостанций вели передачи, прием которых осуществлялся 12 миллионами радиоприемных устройств.
В декабре 1933 г. Эдвин Армстронг запатентовал FM-радио, в котором, в отличие от AM-радио, используется не амплитудная, а частотная модуляция радиоволн. FM-радио позволяло уменьшить влияние помех в радиоэфире от атмосферного электричества и действующего электрооборудования. После вступления США во II мировую войну Армстронг бесплатно передал свои патенты на частотную модуляцию военному министерству. Важный подарок американским вооруженным силам, особенно после того как командование поняло, что переговоры германской армии, работающей на АМ, они могли легко глушить, а ЧМ в то время была неподавляема.
Армстронг доказал, что радиоволны, модулированные частотно, в отличие от радиоволн, модулированных амплитудно, могут проникать через ионосферу. Это проложило путь к радиосвязи в космосе и дало астрономам новый измерительный инструмент.
Все изобретения Армстронга быстро принимались промышленностью, но, зачастую, с нарушением его патентных прав. Известно, что после многолетних судебных тяжб с «Radio Corporation of America» он трагически покончил жизнь самоубийством.
В Европе всех перещеголяли немцы, первыми на практике реализовавшими лозунг: «Радио в каждый дом!» Общее количество радиоприемников, выпускавшихся с 1933 г. по программе Gemeinschaftserzeugnis, составляло не менее 2 млн. шт. в год. Курировал программу лично рейхсминистр пропаганды Йозеф-Пауль Геббельс.
Во всем мире радио было признано новой массовой культурой и активно развивающейся индустрией.
После того как телефон и радиоприемник стали привычными и совершенно необходимыми бытовыми приборами, была решена техническая задача создания радиоаппаратуры для связи с транспортными средствами. Первый радиотелефон с двусторонней связью AT&T запатентовала в 1925 г. С 1934 г. в США начинается развитие подвижной радиотелефонной связи (для нее было выделено 4 канала в диапазоне 30–40 МГц), которой имели право пользоваться спасательные службы, государственные учреждения, полиция и диспетчерские службы такси.
Авторы американской многотомной истории мобильных телефонов из Stanford Research Institute утверждают, что самое раннее описание концепции сотовой радиосвязи, которой сейчас во всем мире пользуются миллиарды людей, появилось в 1947 г. в «Техническом меморандуме» Bell Telephone Laboratories (Bell Labs) – научного подразделения AT&T.
В этом документе был подробно описан критический и уникальный элемент сотовой связи – многократное использование радиочастоты в небольших ячейках. Это – один из ключевых элементов технологии сотовой связи, отличающий ее от других видов подвижной (мобильной) радиосвязи: спутниковой и радиально-зоновой.
Техническая суть проблемы такова. Допустим, что территорию, например, штата Калифорния, необходимо полностью обеспечить устойчивой подвижной телефонной радиосвязью, которой могли бы воспользоваться многочисленные владельцы авто первой в мире автомобильной державы. Для этого, в первую очередь, следовало установить по всей территории штата базовые приёмопередающие станции. Каждая базовая станция имеет высокую мачту-антенну для передачи (приема) радиосигнала на максимально возможное расстояние. Зона покрытия станции на ровной поверхности – круг. Чем больше площадь круга (зоны покрытия), тем меньше требуется базовых станций. Каждый работающий мобильный радиотелефон принимает и передает базовой станции собственный уникальный идентификационный код, по которому она его опознает в качестве абонента, находящегося в зоне действия сети.
В мобильной радиосвязи канал – пара частот. Одна частота, чтобы передать и одна, чтобы получить. Это создает цепь или полный маршрут связи. При совершении звонка от одного абонента (владельца мобильного телефона) к другому выделяется определённый диапазон частот. Если в штате Калифорния десять тысяч человек будут звонить одновременно, то потребуется пять тысяч отдельных радиодиапазонов, что практически невозможно реализовать. Однако можно использовать отдельные диапазоны повторно. Главное, чтобы они не повторялись в зоне покрытия одной станции. Таким образом, если сеть имеет в своём распоряжении 100 диапазонов радиочастот и располагает 100 базовыми станциями, то потенциально она может обеспечить 100 × 100 = 10 000 одновременных разговоров.
Систему радиосвязи, изложенную в докладе Bell Labs, впоследствии стали называть «cellular» («ячеистой» или «клеточной»). В русском варианте она называется сотовой, наверное, из-за того, что форма зоны покрытия базовой станции, составленная из перекрывающихся границ между другими зонами соседних базовых станций (их шесть), напоминает пчелиные соты.
В различных стандартах сотовой связи, естественно, имеются свои особенности. Но алгоритмы их работы в основе своей очень похожи. Если абоненту сети сотовой связи нужно позвонить, он нажимает соответствующую клавишу на своем телефоне, что аналогично снятию трубки. Во время набора номера радиотелефон занимает тот свободный канал, уровень сигнала в котором особенно велик. По мере удаления абонента от данной базовой станции и перемещения его в зону действия другой базовой станции, уровень сигнала падает, и качество разговора ухудшается.
Суровые математические расчеты сообщают о том, что максимально возможное расстояние между сотовым телефоном и базовой станцией может составлять 35 км. Это связано с работой технологии TDMA – каждой базовой станции выделяется тайм-слот в 0,577 миллисекунд (точнее говоря, работает отношение 15/26), за это время станция должна успеть ответить соте. Скорость распространения радиоволн конечна и хорошо известна – 300 тыс. км/с, максимальное расстояние вычисляется как простое перемножение времени на скорость. Вот так и получаются эти самые 35 км.
В действительности ячейки никогда не бывают строгой геометрической формы. Реальные границы ячеек имеют вид неправильных кривых, зависящих от условий распространения и затухания радиоволн, т. е. от рельефа местности обслуживаемой территории, плотности застройки и других факторов. Кроме того, в пределах зоны уверенного приема часто имеют место области, в которых прием сигнала невозможен (теневые зоны). Соответственно положение базовой станции лишь приблизительно совпадает с центром ячейки, который сложно определить однозначно.
Одним из самых ранних примеров использования сотовой радиосвязи считается система MTS, разработанная AT&T, и впервые испытанная 17 июня 1946 г. в Сент-Луисе (штат Миссури). В том же году компания запустила «службу хай-вэй», которая обслуживала автолюбителей, курсирующих между Нью-Йорком и Бостоном. Сервис выглядел довольно примитивно: абоненту присваивался один специальный канал, и вызовы совершались через телефониста-оператора, которому сообщался номер вызываемого абонента. Во время телефонного разговора приходилось нажимать кнопку, чтобы говорить, и отпускать ее, чтобы слушать. Базовые станции работали в диапазоне от 35 до 44 МГц, который оказался несовместимым с некоторыми радиоэлектронными устройствами военного и гражданского назначения, и вскоре проект был закрыт. Сотовая связь возродится 40 лет спустя, но уже на основе принципиально иной электроники – с использованием компьютеров, специального программного обеспечения и цифровых телекоммуникационных технологий.
Выдающуюся роль в развитии мобильной радиосвязи сыграл американский инженер и изобретатель Ал Гросс (1918–2000), который с детства был энтузиастом-радиолюбителем. В 1938 г. он изобрел и запатентовал портативное радиоприемное устройство, которое назвал хорошо известным теперь именем walkie-talkie, то есть что-то вроде «иду-говорю». Очень скоро walkie-talkie попал в поле зрения американской разведывательной конторы, предшественника нынешнего ЦРУ, – US Of ce of Strategic Services. Эта военизированная организация мобилизовала Гросса на службу, и вскоре аналоги walkie-talkie («Joan» и «Eleanor») успешно использовались разведчиками, работавшими во время II Мировой войны за линией фронта.
В 1949 г. Ал Гросс изобрел и запатентовал пейджер (от англ. page – «мальчик-слуга»), предназначив этот приборчик для срочного вызова больничных врачей к пациентам. Но оказалось, что медикам совсем не хочется, чтобы их в любой момент могли вызвать в реанимацию. Один врач так прямо и сказал изобретателю: «Тут рядом с больницей, где я работаю, есть поле для гольфа. Неужели Вы думаете, что я…» Тогда Гросс вынужден был трансформировать пейджер в устройство для электронного замка, которым запираются и открываются двери гаража (англ. garage door opener). В одном из последних интервью, опубликованном в газете Arizona Republic Newspaper, он сказал, что родился слишком рано, когда из изобретений и патентов невозможно было извлечь сколь-нибудь существенную выгоду. «Если бы я родился на 35 лет позже, Билл Гейтс стоял бы далеко позади меня».
Ключевой момент становления современной электроники и электронной промышленности – создание радиолокации, которую не без основания считают «одним из чудес XX века».
Радиолокационные станции (РЛС), обладая беспредельной дальностью действия, не зависящей от времени суток и погодных условий, помогают решать самые разнообразные и сложнейшие военные и народнохозяйственные задачи. Как пишет М. М. Лобанов, «по тонкости и остроумию применяемых приемов радиолокация превосходит все, что радиотехника дала в последующем радиосвязи, радионавигации, телевидению, кибернетике и т. п.»[4]
Пионером практической радиолокации в Германии стал ученый-физик Рудольф Кюхнольд (1933 г.), в США – инженер Лоуренс Хайленд (1930 г.), в Англии – профессор Роберт Уотсон-Уатт (1935 г.), в СССР – военный инженер Павел Ощепков (1934 г.).
Слово «радар» вошло в научно-техническую литературу и речевой обиход, благодаря не вполне корректному техническому отчету американского морского ведомства (The United States Navy). В 1936 г. в США была разработана первая радиолокационная станция для обнаружения надводных кораблей, работавшая на частоте 200 МГц. В апреле 1937 г. ее протестировали на борту четырехтрубного эсминца «Лири» водоизмещением 1090 тонн. В официальном техническом отчете эта РЛС получили название RADAR – сокращенное обозначение от «Radio Detection And Ranging» (в переводе на русский, «прибор для радиопеленгации и дальнометрия»). В 1942 г. в погоне за немецкой субмариной U-275 «Лири» не устоял перед атакой акустической торпеды, и стал третьим американским эсминцем, потопленным в ходе Битвы за Атлантику.
Самое раннее упоминание об использовании волн Герца (так когда-то называли радиоволны) для отслеживания движущихся объектов относится к 1904 г., когда служащий компании Siemens Христиан Хюльсмейер (Christian Hlsmeyer) из Дюссельдорфа изобрел, собрал, испытал и даже запатентовал устройство, которое назвал «телемобилоскоп» (германский патент № 165546). Согласно патентной заявке, это был «аппарат, излучающий и принимающий волны Герца и предназначенный для обнаружения находящегося на их пути металлического тела, например поезда или корабля, и предупреждения о его появлении». Понадобилось тридцать лет, прежде чем идея применения радиоволн для обнаружения самолетов и кораблей смогла быть претворена в реальную электронную аппаратуру.
Для производства РЛС потребовались электровакуумные приборы, параметры которых (механические, электрические, радиотехнические) предъявляют очень высокие требования к точности, чистоте поверхности, прочности и герметичности соединений. Например, технологический цикл изготовления магнетрона (генератора радиоволн) состоит из 450-ти технологических операций («шагов»), и почти все они необратимы, то есть в случае даже незначительного отклонения от технического задания при исполнении одной-единственной операции бракованным становится все изделие.
Радиолокация продвинула в жизнь целое направление прикладной науки и производства – импульсную СВЧ-технику, которая является критической базовой технологией и показателем принадлежности страны к высокому уровню технического развития. Она же послужила стимулом для быстрого развития электроники мощных источников высокочастотной энергии.
В 1940 г. британские физики Джон Рэндалл (John Randall) и Гарри Бут (Harry Boot) изобрели для целей радиолокации резонансный магнетрон, работавший на частоте 3000 МГц. Позднее с участием специалистов Радиационной лаборатории Массачусетского технологического университета и других американских исследовательских центров удалось сконструировать магнетроны, работающие на всех частотах до 30 000 МГц. Лидерство союзников по антигитлеровской коалиции в области магнетронов и создания радиолокаторов сантиметрового диапазона было весьма примечательным. Немцы так никогда и не смогли приблизиться к ним; их радары были ограничены частотами в несколько сотен герц. Японский военно-морской флот обзавелся радиолокационными станциями (в метровом диапазоне) только в конце войны, впервые применив их в октябре 1944 г. в сражении у острова Лейте (центральная часть Филиппинского архипелага).
Создание радиовзрывателей для зенитных снарядов и первых зенитных ракет положило начало микроминиатюризации радиоустройств. По сути радиовзрыватель, это – миниатюрный радиолокатор, работающий в метровом диапазоне волн, совмещающий в себе функции передатчика, приемника и усилителя допплеровских частот. Все это дополнялось устройством взведения, предохранения и источником электропитания.
Радиовзрыватели (впервые применены в 1943 году в английской системе ПВО) содержали миниатюрный приемопередатчик, который излучал направленный пучок высокочастотного излучения на цель и детонировал при получении отражения от цели. Главная техническая проблема заключалась в создании приемопередатчика, способного выдерживать ударные нагрузки при выстреле из зенитного орудия. Американские разработчики имели возможность обратиться к опыту создания слуховых аппаратов, которые уже выпускались промышленностью с использованием субминиатюрных радиоламп, усовершенствовать его, и, в конце концов, такая радиолампа с номинальной ударопрочностью 20000 g стала основной частью прибора. Применение таких радиовзрывателей, в частности, помогло отразить нападение японских камикадзе на американский флот близ Окинавы в 1945 г.
В США разработка и промышленное внедрение СВЧ-технологий в основном завершается к 1945 г., причем, совокупные финансовые затраты на создание национальной радиолокационной системы береговой и противовоздушной обороны оцениваются в сумму $2,5 млрд. – на $500 млн. больше официальной стоимости Уранового («Манхэттенского») проекта. За годы II мировой войны чистая ежемесячная стоимость выполненных заказов на аппаратуру военной радиосвязи и радиолокации увеличилась в 12 раз и составила к 1945 г. $4,5 млрд. Число занятых в электронной промышленности США увеличилось со 110 тыс. чел. до 500 тыс. чел.
После окончания II мировой войны американская электронная промышленность занялась всеобщей телефикацией страны. Если в 1947 г. в США было около 180 тыс. телевизоров, то к 1953-му их число возросло до 28 млн. В 1953 г. в США началось регулярное цветное телевещание по системе NTSC. Львиную долю кинескопов для цветного телевидения производила корпорация RCA. Секрет фирменного кинескопа – трехлучевая вакуумная трубка с теневой маской (англ. shadow mask), из сплава железа и никеля с 370 000 микроскопических отверстий.