por John S. Belrose
Conferencia internacional sobre los 100 años de la radio – 5 a 7 de septiembre de 1995
1. Introducción
Muchos científicos e ingenieros han contribuido al desarrollo inicial de la teoría electromagnética, la invención de la señalización inalámbrica por radio y el desarrollo de las antenas necesarias para transmitir y recibir las señales. Entre ellos se incluyen Henry, Edison, Thomson, Tesla, Dolbear, Stone-Stone, Fessenden, Alexanderson, de Forest y Armstrong en Estados Unidos; Hertz, Braun y Slaby en Alemania; Faraday, Maxwell, Heaviside, Crookes, Fitzgerald, Lodge, Jackson, Marconi y Fleming en el Reino Unido; Branly en Francia; Popov en la URSS; Lorenz y Poulsen en Dinamarca; Lorentz en Holanda; y Righi en Italia. El inventor de la telegrafía inalámbrica, es decir, los mensajes distintos de las señales, es Guglielmo Marconi, nacido en Italia y que trabaja en Inglaterra; y el inventor de la telefonía inalámbrica es Reginald Aubrey Fessenden, nacido en Canadá y que trabaja en Estados Unidos.
Según Marconi, era un aficionado a la radio: de hecho, esto estaba lejos de la verdad. Previó el aspecto comercial de la telegrafía inalámbrica. Sin embargo, era consciente de sus propias limitaciones como científico e ingeniero, por lo que solicitó (en 1900) la ayuda del profesor universitario John Ambrose Fleming, como asesor científico de la Marconi Company; y eligió ingenieros de notable calibre, RN Vyvyan y otros, para formar el equipo del que se rodeó. Los sistemas de Marconi se basaban en la tecnología de chispa, y perseveró con ella hasta aproximadamente 1912. No vio la necesidad de transmisión de voz. Consideró que el código Morse era adecuado para la comunicación entre barcos y a través de océanos. Era un pragmático y no estaba interesado en la investigación científica en un campo donde se desconocía la viabilidad comercial. Él, entre otros, no previó el desarrollo de la industria de la radio y la radiodifusión.
Por estas razones, Marconi dejó la experimentación inicial con la telefonía inalámbrica a otros, Reginald Fessenden y Lee de Forest.
Fessenden era radiocientífico e ingeniero, pero no limitó su experiencia a una sola disciplina. Trabajó con igual facilidad en los campos químico, eléctrico, radioeléctrico, metalúrgico y mecánico. Reconoció que la transmisión de ondas continuas era necesaria para el habla y continuó el trabajo de Nikola Tesla, John Stone-Stone y Elihu Thomson sobre este tema. Fessenden también sintió que podía transmitir y recibir código Morse mejor mediante el método de onda continua que con el aparato de chispa que estaba usando Marconi.
Este artículo analiza las diferentes tecnologías de Fessenden y Marconi a principios de siglo y sus esfuerzos por lograr comunicaciones inalámbricas transatlánticas.
2. Las comunicaciones inalámbricas transatlánticas comenzaron en LF
Los experimentos clásicos de Heinrich Hertz se llevaron a cabo en su laboratorio utilizando un pequeño dipolo con carga terminal impulsado por una bobina de inducción y un explosor para su transmisor. Su receptor era un pequeño bucle y la detección se realizaba mediante chispas inducidas. Dado que la frecuencia generada por un transmisor de chispa está determinada por la frecuencia media resonante del sistema de antena, sus experimentos en 1887 se llevaron a cabo en VHF/UHF (60 a 500 Mhz), siendo las longitudes de onda correspondientes (5,0 a 0,6 metros) prácticas para experimentos en interiores.
Marconi comenzó a experimentar con el aparato de Hertz en 1894. Le fascinaba la idea de que mediante ondas hertzianas sería posible enviar señales telegráficas, sin cables, a una distancia suficiente para que dicho sistema tuviera valor comercial. En 1896 logró una distancia de transmisión de 2,5 kilómetros, utilizando una antena terrestre y una antena elevada tanto en el transmisor como en el receptor (hoy llamada antena Marconi). Su primera estación permanente estableció un vínculo entre la Isla de Wight y Bournemouth, Inglaterra, a unos 22 km de distancia (en 1897). Estableció comunicaciones a través del Canal de la Mancha en 1899. Para entonces debía haber estado utilizando frecuencias en la banda baja de HF, ya que sus sistemas aéreos eran mucho más grandes.
En 1900 decidió intentar conseguir comunicaciones transatlánticas. El tamaño de antena requerido y, por tanto, la frecuencia de señalización, en el mejor de los casos, sólo podrían proyectarse mediante extrapolación a partir de valores exitosos en un rango de distancias mucho más cortas. La antena de Poldhu, Cornwall, en diciembre de 1901 (ver Fig. 1), más por las circunstancias que por el diseño (que se discutirá), radió señales en la banda MF (alrededor de 850 kHz).
Marconi siguió construyendo sistemas de antenas más grandes, más grandes ya que se esforzaba por lograr una mayor distancia de transmisión y una mejor recepción de la señal, lo que reducía la frecuencia de operación. En Poldhu, la frecuencia de su estación en octubre de 1902 era de 272 kHz. Su estación inicial en Table Head, Glace Bay, NS, en diciembre de 1902, fue una enorme estructura compuesta por 400 cables suspendidos de cuatro torres de madera de 61 metros, con cables descendentes reunidos en un cono invertido en el punto de entrada al edificio. La frecuencia era de 182 kHz. En 1904, su antena inglesa se había convertido en un monopolo piramidal con cables en forma de paraguas y la frecuencia era de 70 kHz. En 1905, su antena canadiense, trasladada a Marconi Towers, Glace Bay, era una estructura capacitiva de carga superior, con 200 cables radiales horizontales cada uno de 305 metros de largo, a una altura de 55 metros, y la frecuencia era de 82 kHz. A finales de 1907 ya utilizaba una frecuencia de 45 kHz.
Los primeros experimentos de Fessenden utilizando transmisores de chispa probablemente se llevaron a cabo en una frecuencia en la parte inferior de la banda HF, ya que inicialmente estaba probando enlaces cortos de unos pocos kilómetros utilizando mástiles de 50 metros para soportar antenas de alambre. Su creencia era que la transmisión de radio debería realizarse mediante ondas continuas (CW), no el tipo de transmisión de onda amortiguada o de látigo que proporcionan los transmisores de chispa. La única forma que conocía de generar CW real era mediante un alternador de alta frecuencia, y en el período 1890-1905, 10 kHz era la frecuencia más alta alcanzada con un alternador de HF. Pero la eficiencia de los sistemas aéreos prácticos era muy pobre con una frecuencia tan baja. Por eso se esforzó por aumentar la velocidad y la frecuencia de su alternador HF. Mientras tanto, inventó el transmisor de chispas rotativo síncrono. Sus experimentos transatlánticos en 1906 se llevaron a cabo utilizando un transmisor de este tipo y antenas de 420 pies con carga superior en forma de paraguas en Brant Rock, MA y Machrihanish, Escocia, sintonizadas a una frecuencia de aproximadamente 80 kHz.
3. Marconi y Fessenden: sus diferentes tecnologías
Marconi, quienes trabajaron con él y la mayoría de los experimentadores en el nuevo campo de las comunicaciones inalámbricas a principios de siglo, coincidieron en su opinión de que una chispa era esencial para la tecnología inalámbrica, y él persiguió activamente esta tecnología desde el principio (en 1895). hasta aproximadamente 1912.
Fessenden fue un defensor del método de transmisión inalámbrica de onda continua (CW). Un poco solo en esta dirección en 1900-1906, sus patentes de CW tuvieron poco impacto en los usuarios de la tecnología de radio. La edad de oro de la chispa fue de 1900 a 1915; dominado por Marconi, que luchó por sofocar cualquier divergencia con respecto a ese modelo. Fessenden percibió en 1898 el hecho de que el sistema de coherencia de ondas amortiguado nunca podría convertirse en un sistema telegráfico operativo práctico y que debería utilizarse el método de oscilación sostenida [ver Electrical World, 29 de julio, 12 de agosto, 16 de septiembre de 1899 y Actas del Instituto Americano de Ingenieros Eléctricos, noviembre de 1899, pág. 635 y 20 de noviembre de 1906, pág. 7311. En 1900-1902 sólo había dos métodos disponibles para generar CW: 1) el alternador HF; y 2) el arco oscilante.
Aparato aéreo simple
Los primeros experimentos de Marconi emplearon aparatos aéreos simples y colocaron el explosor directamente a través de los terminales de su antena aérea-tierra de cable vertical. Su receptor empleó una configuración similar, con un tipo de detector más coherente. Los sistemas transmisor/receptor estaban desafinados, excepto por la respuesta natural amplitud-frecuencia de las antenas. Sin que él lo supiera, su transmisor y receptor estaban en efecto «sintonizados» a diferentes frecuencias. La onda oscilante amortiguada en la antena transmisora, que de hecho estaba «conectada» a tierra a través de la baja resistencia de la chispa conductora, estaba de hecho «sintonizada» con la respuesta resonante fundamental del cuarto de onda de la antena. Sin embargo, su receptor, en espera de la recepción de la señal de chispa, estaría en efecto sintonizado a la frecuencia resonante de media onda de la antena de alambre, ya que el cohesor antes de la recepción de la señal tipo impulso de RF presentaría una alta impedancia entre los aérea y terrestre.
Este problema se resolvió utilizando un circuito cerrado sintonizado para el receptor; y para el transmisor utilizando la disposición del circuito ideada por Braun, en la que el circuito oscilatorio (condensador de descarga y vía de chispas) se colocó en un circuito primario separado acoplado por transformador al sistema de antena. Esta última disposición también alargó la duración de la señal de onda amortiguada, ya que cuando cesaba la chispa, la oscilación en el circuito de la antena continuaba, amortiguada únicamente por su respuesta natural LCR.
Tecnología de transmisor
El transmisor Poldhu era un curioso circuito de dos etapas, en el que una chispa de la primera etapa a un voltaje más bajo alcanzable proporcionaba la energía para que la segunda etapa en tándem (Fig. 2) chisporroteara a un voltaje más alto especificado. Si bien este sistema de multiplicación de voltaje era innovador en el campo de la tecnología inalámbrica en ese momento, conllevaba muchos problemas y las ineficiencias de dos etapas de chispa.
Marconi se dio cuenta claramente de que para lograr una alta potencia de un transmisor de chispa era necesario cargar el condensador a un voltaje muy alto (se habló de voltajes de hasta 150 kV y es posible que se hayan realizado); y que se necesitaba una capacitancia de descarga muy grande, ya que se entendía la energía almacenada en el condensador (Energía es igual a 1/2 CV 2 ). Pero llevó este último requisito al extremo.
La capacidad de potencia del generador de corriente alterna de Poldhu (25 amperios a 1500 voltios) en 1901 era bastante insuficiente para recargar el condensador en cada período. Parece que se necesitaron varios períodos del generador de suministro (que funciona a 36 Hz) para llevar el voltaje del condensador al potencial de ruptura del espacio. Las estimaciones de Fleming sobre la velocidad de chispa se encuentran entre amplios límites. Thackeray [1992] ha estimado que la velocidad de chispa del circuito primario era de 7,5 a 12 chispas/s como máximo; y la velocidad de chispa del circuito secundario podría haber sido tan baja como dos o tres chispas por segundo. Después de ese tiempo, hubo claramente un rediseño de un transmisor de una sola etapa que encendía directamente desde el transformador de potencia; y Fleming comenzó a desarrollar descargadores giratorios en un intento de lograr una rápida extinción de la chispa.
Quizás sea irónico que el propio Marconi comprometiera la baja velocidad de chispa cuando, en Terranova, se puso un auricular de teléfono en la oreja para escuchar las transmisiones de puntos de Poldhu. Con la baja velocidad de chispa que empleó, todo lo que escucharía sería un clic, no distinguible de un atmosférico. Pero recordemos que la primera experiencia de Marconi fue con detectores de tipo cohesor, que funcionaban mejor cuando la velocidad de chispa era baja.
Antes de abandonar nuestra discusión sobre la metodología de Marconi, permítanme comentar algunas de las disposiciones físicas de sus estaciones. El condensador de descarga de sus estaciones Clifden y Marconi Towers en Glace Bay consistía en miles de placas de acero que colgaban del suelo al techo y llenaban las alas del edificio, y esta sala se denominó posteriormente «edificio del condensador» (ver Fig. 3). . La fuente de alimentación era un generador de corriente continua de 15 kV (tres generadores de 5 kV en serie) accionado por una máquina de vapor. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación era CC. Las baterías de reserva (6000, 2 voltios, 30 AH en serie) en ambas estaciones bien pueden haber sido la batería más grande que el mundo haya visto jamás. El corazón de sus estaciones Clifden/Marconi Towers era un disco giratorio de descarga de chispas de cinco pies, con pernos en su perímetro. Cada vez que un perno pasaba entre dos electrodos, una chispa de 15 kV saltaba los espacios. La velocidad de chispa normal era de aproximadamente 350 chispas/seg. El impresionante tamaño de la estación y el ruido del transmisor deben haber sido algo digno de contemplar. La energía consumida por estas estaciones estaba en el rango de 100 a 300 kW, y la chispa era una demostración de potencia bruta. Se dice que el estruendoso estruendo del transmisor se podía oír a varios kilómetros de distancia.
La tecnología y la disposición de los circuitos de Fessenden eran muy diferentes. Probó todos los diversos métodos para generar señales inalámbricas en los primeros días, mediante chispa, arco y alternador de alta frecuencia. Es probable que hubiera utilizado el alternador HF desde el principio; véase, por ejemplo, su patente nº 706.787, presentada el 29 de mayo de 1901; excepto que un alternador de HF adecuado, que genera frecuencias superiores a aproximadamente 10 kHz, no estuvo disponible hasta 1906. No hay ninguna razón fundamental por la que las comunicaciones inalámbricas de larga distancia no pudieran haber comenzado en VLF, excepto por la realización práctica de sistemas de antena eficientes para una frecuencia tan baja. .
El trabajo de Fessenden estuvo dominado por su interés por transmitir palabras sin cables. En 1903 y 1904 se había transmitido voz bastante satisfactoria mediante el método del arco, pero la noticia de los intentos de Marconi de lograr la transmisión transatlántica de telegrafía inalámbrica había llamado la atención del mundo. Dado que el desarrollo de su alternador HF estaba tardando más de lo previsto, Fessenden se propuso fabricar un transmisor de chispa más parecido a CW. Esto llevó al desarrollo del transmisor de chispa rotativo síncrono. Se utilizó un generador de CA, impulsado por una máquina de vapor, que además de proporcionar energía para el transmisor de chispa, estaba directamente acoplado a un explosor giratorio de modo que las chispas se produjeran en puntos precisos de la onda de entrada, a saber. al máximo de forma de onda para una mejor eficiencia. La chispa se produjo entre los terminales fijos del estator y los terminales del rotor, que en realidad era una rueda de radios que giraba en sincronismo con el generador de CA.
Como la velocidad de la rueda y la frecuencia de CA dependen de la velocidad del generador, el número de veces/segundo en el que el voltaje del condensador alcanza un valor máximo y el número de oportunidades que tiene para descargarse pueden igualarse, y la Las posiciones de los terminales del estator pueden disponerse de manera que estas condiciones se produzcan simultáneamente. Se obtuvo otra ventaja, ya que en realidad un intersticio giratorio era una especie de transmisor de vía de chispas apagado mecánicamente. Las oscilaciones en el circuito primario cesaron después de algunas oscilaciones, cuando se abrió la rendija giratoria. La brecha apagada fue más eficiente y ciertamente menos ruidosa que la brecha no apagada. Con un descargador de chispas sincrónico en fase para disparar tanto en los picos positivos como negativos de una forma de onda trifásica, precisamente en el pico de la forma de onda, un generador de 125 Hz podría producir una velocidad de chispa de 750 veces por segundo. Estos espacios giratorios producían señales claras, casi musicales, muy distintivas y fácilmente distinguibles de cualquier otra señal de la época. No era CW verdadero, pero se acercaba lo más posible a eso, y el tono musical se podía leer fácilmente a través del ruido y la interferencia de otros transmisores.
Las estaciones Brant Rock y Machrihanish de Fessenden emplearon un espacio giratorio de 1,8 metros de diámetro en el rotor. Su rotor tenía 50 electrodos (polos) y su estator tenía cuatro. Estaba propulsado por un alternador de 35 kVA, impulsado por una máquina de vapor.
El descargador de chispas con espacio giratorio síncrono no debe confundirse con el espacio giratorio asíncrono que era de uso más general en ese momento (por ejemplo, en los equipos a bordo de Marconi y los radioaficionados en general usaban espacios giratorios asíncronos). Aquí la velocidad de rotación de la rueda es completamente independiente de la velocidad del generador, y aunque fue posible realizar varias chispas durante un ciclo del generador, las chispas ocurren en diferentes puntos del ciclo. Las condiciones no se repiten exactamente cada vez como en el caso de la chispa síncrona, porque la corriente de carga del generador carga el condensador durante diferentes partes de su propio ciclo de variación y, por lo tanto, ni el voltaje al que se carga, ni el voltaje de ruptura es constante. No sólo es posible pasar por alto una chispa, sino que el intervalo entre chispas no es absolutamente constante. Además, la energía almacenada en el condensador y la proporción radiada en los distintos trenes de ondas son variables. El resultado es que la nota que se escucha en la estación receptora es impura.
En el verano de 1906 se habían superado muchas de las dificultades y se instaló en Brant Rock el alternador Alexanderson HF desarrollado por GE para Fessenden que daba 50 kHz. Fessenden y sus asistentes realizaron varias mejoras y, en el otoño de 1906, el alternador funcionaba regularmente a 75 kHz con una potencia de medio kilovatio. Este fue el comienzo de la transmisión pura en CW, cf. Alexanderson [1919].
Las ondas continuas eran el método de generación que Fessenden había buscado durante mucho tiempo, ya que quería transmitir palabras sin cables. Insertó un micrófono de carbono en serie con el cable de su alternador a la antena y tenía un transmisor de amplitud modulada. Pero hablaremos de eso más adelante.
Tecnología de receptor
La capacidad de recibir señales inalámbricas a principios de siglo era muy pobre, por varias razones: 1) Inicialmente el receptor no estaba sintonizado o, si estaba sintonizado, la selectividad era pobre; 2) no había medios para amplificar la señal; y 3) aún no se había inventado un detector sensible.
Los primeros experimentos emplearon un dispositivo llamado cohesor. El cohesor, como hemos señalado, era un dispositivo que normalmente presentaba una alta resistencia, pero cuando se lo sometía a un voltaje superior a un umbral determinado, se producía una marcada disminución en esta resistencia. El cambio de resistencia podría detectarse mediante un circuito de relé secundario o escuchando el cambio de corriente con un auricular de teléfono. El coherenter de limaduras era un dispositivo biestable. Necesitaba un voltaje eléctrico para efectuar una transición y un choque físico (un golpecito) para devolverlo a su estado inicial. La sensibilidad del dispositivo era pobre; la acción del receptor dependía de un aumento de voltaje y, por tanto, era independiente de la energía de la señal; no discriminó entre impulsos de diferente carácter, a saber. entre señales y atmósferas; la selectividad del receptor era función del estado del cohesor; y no podría usarse como detector de ondas continuas.
Para su experimento transatlántico de 1901, Marconi tenía dos tipos de receptores y tres tipos de cohesores. Uno era un receptor sintonizado, al que llamó «receptor sintónico», es decir, un receptor sintonizado a la frecuencia del transmisor. El segundo receptor anterior no estaba sintonizado. Los tres tipos de cohesores que utilizó fueron: uno que contenía limaduras de carbón sueltas; otro diseñado por Marconi que contiene una mezcla de polvo de carbón y polvo de cobalto; y en tercer lugar, el cohesor de la Marina italiana (véase la figura 4), que contiene un glóbulo de mercurio entre un tapón de carbón y un tapón de hierro móvil. Este último dispositivo, cuando se ajustaba críticamente o más o menos por suerte, actuaba como una forma tosca de rectificador, pero su rendimiento era pobre e impredecible [Phillips, 1993]. Más tarde, en 1902, ideó una forma de receptor operado por corriente, llamado detector magnético, que mejoró enormemente la sensibilidad de su receptor. Este detector fue utilizado por Marconi hasta que fue sustituido por el tubo de vacío en 1913.
Cuando Marconi diseñó el receptor que pretendía utilizar para el primer experimento transatlántico de ondas decamétricas, lo diseñó de manera que pudiera sintonizarse y así responder selectivamente a señales de diferentes frecuencias: su famosa patente de los cuatro sietes de 1900. Sin embargo, esta idea no fue suya. propio, como fue el caso de muchos de los «inventos» de Marconi, pero fue ideado por Oliver Lodge, quien en 1897 había presentado cuatro patentes. Dos trataban de mejoras en los coherentes y dos de la «sintonía» o «sintonia» [Austin, 1994].
Fessenden estaba convencido de que un detector exitoso para la recepción de señales inalámbricas debe ser constantemente receptivo, en lugar de requerir un reinicio como era característico del cohesor. Aunque sus experimentos con receptores inalámbricos comenzaron cuando era profesor de Ingeniería Eléctrica en la Universidad Occidental de Pennyslvania, en 1896/97; No fue hasta 1901/02 que descubrió el detector electrolítico. En 1902 y 1903 patentó el primer detector práctico [Patentes estadounidenses 706.744 y 727.331], al que llamó barretter, nombre acuñado de la palabra francesa que significa intercambiador. Este nombre implica el intercambio de CA por CC, es decir, el dispositivo se comportaba como un rectificador, cf. [Pickworth, 1994]. En la Fig. 5 dibujamos uno de los primeros receptores de radio de Fessenden utilizando este detector; que fue el estándar de sensibilidad durante muchos años hasta que fue reemplazado por el tubo de vacío unos diez años después.
Sin embargo, el detector de barrera de Fessenden resultó inútil para la recepción de CW no modulada. Todo lo que se escucharía serían los clics cuando se cerraba y abría la tecla del telégrafo Morse. Sin embargo, muy pronto, unos 11 años antes de su tiempo, la fértil mente de Fessenden ya había ideado una solución. Inventó la metodología (y la palabra) para combinar dos frecuencias para derivar sus frecuencias de suma y diferencia, a saber. el método heterodino para detectar ondas continuas (patente estadounidense n.º 706.740 del 12 de agosto de 1902; y n.º 1.050.441 y 1.050.728 del 14 de enero de 1913). Pero no fue hasta 1912-1914, cuando se estableció la versatilidad del triodo como oscilador o fuente de RF, que el receptor heterodino se convirtió en un método práctico para detectar CW. Hoy en día, la heterodinación es fundamental para la tecnología de las comunicaciones por radio.
Fleming en 1904 inventó el diodo de válvula (conocido como válvula Fleming). La patente que cubría su uso como detector de ondas hertzianas pasó a ser propiedad de Marconi Company y, finalmente, pero no hasta después de la Primera Guerra Mundial, las válvulas Fleming se pusieron en funcionamiento en las estaciones Marconi.
Mientras tanto, de Forest, que seguía los pasos de Fessenden y experimentaba con el arco eléctrico como transmisor inalámbrico CW para telefonía, necesitaba un buen detector. Los tribunales juzgaron en 1906 que el detector electrolítico que había estado utilizando constituía una infracción de la patente de Fessenden. Como resultado, tuvo que cambiar todas sus estaciones para utilizar el detector de silicio, que había sido patentado en 1906 por HH Dunwoody, un directivo de su empresa. Debido a este incidente, De Forest renunció a la empresa en noviembre de 1906. De Forest comenzó a buscar un detector de válvula mejor. Hizo unas válvulas Fleming y, en un momento de inspiración, añadió un tercer elemento, un elemento de control con forma de rejilla, llamado rejilla. De Forest patentó su audion, la primera válvula de tres elementos, en 1907. Aunque el audion era más sensible como detector que la válvula Fleming, se le impidió utilizarlo con fines comerciales, debido a una demanda iniciada por la Marconi Company (alegando infracción en a pesar de que era una válvula diferente). De Forest no entendía cómo funcionaba la válvula, y Langmuir, Armstrong y van der Pol tuvieron que descubrir todas sus posibilidades. El intervalo de tiempo entre el receptor heterodino de Fessenden (1902) y el receptor «feedback» o receptor regenerativo de Armstrong (1913) es de los 11 años mencionados anteriormente. El receptor superheterodino de Armstrong no se inventó hasta 1918.
4. El primer experimento transatlántico
El 12 de diciembre de 1901, Marconi y su asistente George Kemp recibieron señales de un transmisor de chispa de alta potencia ubicado en Poldhu, en una estación receptora en Signal Hill, cerca de St. John’s, Terranova. Las señales recorrieron una distancia de 3.500 kilómetros. Ya en el momento del experimento había quienes decían, y todavía hay quienes lo dicen, que él se engañó a sí mismo y al mundo al creer que el ruido atmosférico crepitante era en realidad la letra del código Morse «S».
Un poco más tarde, en febrero de 1902, cuando Marconi regresó a Inglaterra en el SS Philadelphia, utilizando una antena de barco sintonizada, recibió señales utilizando su cohesor de archivos del mismo remitente hasta distancias de 1120 km de día y 2500 km de noche. . Incluso estas distancias son bastante notables teniendo en cuenta el aparato receptor que utilizó.
Analizamos aquí en detalle ese primer experimento transatlántico.
La estación de Poldhu
La ambición de Marconi a principios de siglo de demostrar la comunicación inalámbrica de larga distancia y desarrollar un rentable servicio de telégrafo inalámbrico de larga distancia llevó a su pragmática propuesta en 1900 de enviar una señal inalámbrica a través del Atlántico. Concibió un plan para construir dos superestaciones, una a cada lado del Atlántico, para comunicaciones inalámbricas bidireccionales, para unir los dos continentes en directa oposición a la compañía de cable (Anglo-American Telegraph Company). Para la terminal oriental, arrendó un terreno con vistas a la cala Poldhu en el suroeste de Cornualles, Inglaterra. Para la terminal occidental se eligieron las dunas de arena en el extremo norte de Cape Cod, MA en South Wellfleet.
Los sistemas aéreos estaban compuestos por 20 mástiles de 61 metros de altura cada uno, dispuestos en un círculo de 61 m de diámetro. El anillo de mástiles sostenía un sistema aéreo cónico de 400 cables, cada uno aislado en la parte superior y conectado en la parte inferior, formando así un cono invertido. Vyvyan [1933], el ingeniero Marconi que trabajó en el experimento de 1901, cuando se le mostró el plano, no le pareció correcto el diseño. Cada mástil estaba unido al siguiente, y sólo hasta el suelo en dirección radial, hacia y desde el centro del sistema de mástil. Fue anulado, la construcción siguió adelante y ambos sistemas aéreos se completaron a principios de 1901.
Sin embargo, antes de que pudieran comenzar las pruebas, se produjo una catástrofe, la antena Poldhu se derrumbó en una tormenta el 17 de septiembre, y la antena de South Wellfleet sufrió la misma suerte el 26 de noviembre de 1901.
En Poldhu, Marconi levantó rápidamente dos mástiles y colocó una antena de 54 cables, separados por 1 metro, y suspendidos de un tirante triádico tendido entre estos mástiles a una altura de 45,7 m. Los cables aéreos estaban dispuestos en forma de abanico, presumiblemente aislados en la parte superior, al igual que su antena de cable cónico, y conectados entre sí en el extremo inferior, ver Fig. 1. Esta fotografía ha sido publicada y reeditada, y claramente se pueden ver solo 12 cables. — pero la opinión generalizada es que el sistema aéreo descrito anteriormente por Vyvyan [1933) es correcto, es decir, había 54 cables y la fotografía fue retocada.
La antena era accionada por el curioso transmisor de chispa de dos etapas, comentado anteriormente. Hubo muchos problemas para lograr que funcionara a los altos niveles de potencia deseados [ver Thackeray, 1992]. Nuestra principal preocupación aquí es la frecuencia generada por la estación Poldhu. La frecuencia de oscilación está determinada por la respuesta resonante natural del sistema de antena, que incluye la inductancia del secundario del transformador de antena T 2 , ya que en efecto el sistema de antena es un monopolo con base cargada (ver Fig. 2).
El primario de este transformador constaba de 2 hilos 7/20 en paralelo, el secundario constaba de 7 o 9 hilos de 7/20 hilos en serie. El boceto de Fleming indica 9 cables; Entwisle [1922] dijo que había 7 cables. Los valores de inductancia para este transformador han sido debatidos durante mucho tiempo, ya que el transformador original se perdió, no hay dibujos y los informes sobre ellos difieren [Thackeray, 1992]. G. Garratt hizo una copia de L s (el secundario de este transformador) y midió su inductancia: 6 x 10 -6 H [ver Ratcliffe 1974].
Si bien la inductancia L s cambia la frecuencia de resonancia, el valor exacto no cambia la conclusión alcanzada en nuestro estudio. Para L s igual a 6 x 10 -6 H, hemos modelado la antena Poldhu de Marconi, asumiendo que el ventilador consta de 12 cables. Según el código de análisis de antena MININEC, la frecuencia de resonancia del sistema de antena fue de 850 kHz.
Varios científicos e ingenieros interesados en la frecuencia o frecuencias reales radiadas por este primer transmisor de alta potencia en Poldhu han discutido la posibilidad de que el transformador aéreo estuviera sobreacoplado, lo que resultó en una respuesta de frecuencia/amplitud de doble joroba. Lo que sí sabemos es que Fleming sintonizó el circuito oscilatorio primario variando el capacitor de descarga C2 para maximizar la corriente aérea. Dado que nuestra mejor estimación de los valores de los componentes (C 2 = 0,037 muF y L p = 8 x 10 -7 H) daría como resultado una frecuencia resonante de 925 kHz, parece lógico concluir que la respuesta general del sistema daría como resultado una única pico centrado en la frecuencia de resonancia del sistema aéreo, a saber. alrededor de 850 kHz.
Los historiadores también han especulado que el transmisor también podría haber emitido una señal de alta frecuencia, ya que una señal de HF habría sido más adecuada para las comunicaciones transatlánticas (que se discutirá), ver por ejemplo Ratcliffe [1974]. Si Marconi hubiera utilizado una antena transmisora de alambre delgado en Poldhu, esta antena habría radiado eficientemente en armónicos impares de la frecuencia de resonancia fundamental. Pero para nuestro modelo, la antena es inductiva para todas las frecuencias mayores que la respuesta de frecuencia de resonancia fundamental del sistema de antena. Por lo tanto, se debe concluir que el sistema transmisor de chispas de Poldhu irradiaba eficientemente sólo en la frecuencia de oscilación fundamental del sistema de antena sintonizado: alrededor de 850 kHz.
El propio Marconi se ha mostrado evasivo respecto a la frecuencia de su transmisor Poldhu. Fleming, en una conferencia que dio en 1903, dijo que la longitud de onda era de 1000 pies o más, digamos, de un quinto a un cuarto de milla (820 kHz es la frecuencia generalmente citada). Marconi guardó silencio sobre esta longitud de onda, pero en 1908, en una conferencia en la Royal Institution, citó la longitud de onda como 1200 pies, véase Bondyopadhyay [1993].
Recepción en Signal Hill
Para su experimento transatlántico, Marconi decidió instalar equipos receptores en Terranova. En diciembre de 1901 zarpó hacia St. John’s, con una pequeña reserva de cometas y globos para mantener un solo cable en el aire en caso de tormenta.
Se eligió un sitio en Signal Hill y se instalaron aparatos en un hospital militar abandonado. Se envió un cable a Poldhu solicitando que la letra Morse «S» se transmitiera continuamente de 3:00 a 7:00 p.m. hora local.
El 12 de diciembre de 1901, en condiciones de fuerte viento, se lanzó una cometa con un cable de 155 m de longitud. El viento se lo llevó. Se lanzó una segunda cometa con un cable de 152,4 m sujeto. La cometa se balanceaba y zigzagueaba en el cielo, lo que dificultaba a Marconi ajustar su nuevo receptor sintónico que empleaba el cohesor de la Armada italiana. «Difícil» lo aceptaré, pero cómo determinó la frecuencia de sintonización de su receptor es un misterio para mí. Sea como fuere, debido a esta dificultad, Marconi decidió utilizar su viejo receptor sin sintonizar. La historia ha asumido que sustituyó el cohesor de limaduras metálicas utilizado previamente con este receptor por el recién adquirido cohesor de la Armada italiana, pero Marconi nunca dijo realmente que así fuera [ver Phillips, 1993]. Se refirió únicamente al uso de tres tipos de cohesores.
A pesar del tosco equipo empleado y, en nuestra opinión, de la imposibilidad de escuchar la señal, Marconi y su asistente George Kemp se convencieron de que podían escuchar en ocasiones el ritmo de tres clics más o menos enterrados en la estática, y serían clics si No se escucha nada debido a la baja tasa de chispas. Marconi escribió en su cuaderno de laboratorio: Señales a las 12:30, 1:10 y 2:20 (hora local). Este cuaderno se encuentra en los archivos de la Compañía Marconi y es la única prueba hoy de que se recibió la señal.
El enigma
Hoy sabemos que las señales (según la frecuencia utilizada) pueden viajar a través del Atlántico y mucho más allá. Pero en 1901, cualquiera que creyera que podía, y lo hacía, lo creía como un acto de fe basado en la integridad de un hombre: Marconi.
Si efectivamente se utilizó 850 kHz, las pruebas se realizaron en el peor momento del día, porque todo el trayecto habría sido de día y la onda ionosférica diurna estaría muy atenuada, aunque fuera un día de invierno, en el período mínimo de manchas solares. , y no hubo tormentas magnéticas en ese momento ni durante diez días antes. La absorción diurna de una señal reflejada ionosféricamente es máxima en la banda LF/MF. Ratcliffe [1974] ha deducido que, a partir de un conocimiento exclusivo de las condiciones de propagación, la recepción en Signal Hill es compatible con las gamas límite de recepción observadas en el barco sólo si el receptor terrestre no sintonizado era entre 10 y 100 veces más sensible que el receptor sintonizado en el barco.
Por lo tanto, es difícil creer que se pudieran haber escuchado señales en Signal Hill, ya que, después de todo, el equipo receptor consistía en una antena de cable largo, acoplada a un receptor no sintonizado que no tenía ningún medio de amplificación, y el tipo de detector utilizado era menos sensible y su rendimiento impredecible en comparación con el detector de barra de Fessenden o el detector de cristal de galena que evolucionó unos años más tarde.
5. Los primeros experimentos de propagación de radio.
No hay evidencia de que Marconi haya hecho algún intento serio de investigar sistemáticamente las características de las porciones HF, MF y LF del espectro de radiofrecuencia cuando comenzó la tendencia a la baja de frecuencias, en su lucha por lograr comunicaciones inalámbricas transatlánticas. No lo hizo hasta 20 años después, a principios de la década de 1920, cuando los radioaficionados lo atrajeron a la banda HF. Los radioaficionados habían sido desterrados a las entonces consideradas inútiles frecuencias superiores a 1500 kHz.
En la Fig. 6 [Fessenden, 1908] se reproduce el primer registro que muestra cualitativamente la variación de la intensidad de los mensajes transatlánticos transmitidos entre Brant Rock, MA y Machrihanish, Escocia, por la noche, durante el mes de enero de 1906. Ese mes no se recibió nada durante el día.
Se descubrió (mediciones realizadas durante 1906) que la absorción en un instante dado era función tanto de la dirección como de la distancia, ya que en una noche determinada las señales recibidas por las estaciones en una dirección se debilitarían mucho, mientras que habría menos debilitamiento de las de las estaciones. las señales recibidas por estaciones situadas en otra dirección; y unas horas o minutos más tarde ocurriría lo contrario. También se descubrió que las variaciones de la absorción en las señales transatlánticas parecían tener una relación bastante definida con las variaciones del campo geomagnético, es decir, cuanto mayor era la absorción, mayor era la variación magnética [Fessenden, 1908].
Se realizaron experimentos entre Brant Rock y las Indias Occidentales, a una distancia de 2735 km, durante la primavera y el verano de 1907. Se utilizaron frecuencias en la banda de 50 kHz a 200 kHz. Se descubrió que la absorción a 200 kHz era mucho mayor que a 80 kHz y que los mensajes podían recibirse con éxito por este trayecto durante el día en esta última frecuencia. La eficiencia de la radiación de la antena fue un factor importante para frecuencias inferiores a 80 kHz. No se recibieron mensajes durante el día con mayor frecuencia.
Fessenden [1907] informó que estos experimentos se realizaron durante el verano, que la estación receptora estaba en los trópicos (altos niveles de ruido) y que la distancia, 2735 km, era prácticamente la misma que entre Irlanda y Terranova. Después de la publicación de los resultados anteriores, Marconi, a principios de octubre de 1907, abandonó las frecuencias utilizadas anteriormente e inmediatamente logró operar entre Glace Bay y Clifden, una distancia de más de 3000 km, siendo la frecuencia de aproximadamente 70 kHz. Los mismos mensajes se recibieron en Brant Rock, MA, a una distancia de casi 4825 km. Un poco más tarde, Marconi pasó a una frecuencia aún más baja, 45 kHz.
6. Comunicaciones por radio transatlánticas verificables
La primera transmisión de radio transatlántica Este-Oeste se realizó en octubre de 1902 desde Poldhu, Cornwall, al crucero italiano Carlos Alberto anclado en el puerto de Sydney, NS, con Marconi a bordo. La frecuencia empleada fue de aproximadamente 272 kHz. Esta transmisión exitosa se consideró un prerrequisito experimental para la puesta en marcha de la estación Marconi inalámbrica terrestre permanente en construcción en Glace Bay, NS.
La primera transmisión de radio transatlántica Oeste-Este se registró el 5 de diciembre de 1902 entre Glace Bay y Poldhu. La frecuencia era de unos 182 kHz.
El primer mensaje de radio transatlántico entre Canadá y el Reino Unido (en lugar de escuchar la señal) se envió desde Glace Bay a Poldhu el 15 de diciembre de 1902. Era un mensaje de prensa de un corresponsal del London Times en Glace Bay a su oficina central.
El primer mensaje de radio transatlántico entre Estados Unidos y el Reino Unido recibido en Poldhu desde la estación Marconi en South Wellfleet, MA fue del presidente Roosevelt al rey Eduardo VII, el 18 de enero de 1903.
La historia ha registrado que los mensajes anteriores se transmitieron con éxito, pero qué tan bien se recibieron es una cuestión de conjeturas. Entre 1902 y 1912, las estaciones de Clifden y Glace Bay utilizaban transmisores de «descarga de disco» y una forma de receptor operado por corriente (el detector magnético de Marconi). Está claro que Marconi todavía estaba luchando en 1908 por lograr comunicaciones por radio transatlánticas confiables. Es interesante leer una carta escrita el 19 de marzo de 1909 al Excmo. Chauncey M. Depew, Senado de los Estados Unidos, Washington, DC, firmado por cinco miembros del Junior Wireless Club (ahora The Radio Club of America). El objetivo de la carta era comentar un proyecto de ley propuesto ante el Senado, que de hecho restringiría el uso de las ondas de aire por parte de los radioaficionados, debido a supuestas interferencias maliciosas causadas por los radioaficionados. Cito una parte de esa carta, que se puede encontrar en el Anuario del setenta y cinco aniversario del Jubileo de Diamante del Radio Club of America, 1984:
«En la Bahía de Narragansett se realizaron ciertas pruebas navales hace unos dos años, y las diversas llamadas Compañías Inalámbricas querían enviar las primeras noticias a los periódicos sobre estas pruebas, para hacer crecer las acciones de sus compañías y decir Las noticias se recibieron primero a través de su compañía, y cuando algunos de ellos descubrieron que no podían eliminar la interferencia entre ellos, para evitar que otras compañías inalámbricas recibieran las noticias primero, enviaron muchos mensajes falsos con guiones confusos.
«Sólo unas pocas de las llamadas empresas inalámbricas tienen métodos eficaces para eliminar las interferencias, y estas son las empresas que ahora piden a gritos la mayor protección.
«Probablemente habrán oído hablar de las pruebas realizadas el año pasado entre Glace Bay, NS y Clifden, Irlanda, cuando la Compañía Nacional (Electric) de Señalización (estación Brant Rock de Fessenden) recogió los mensajes, que Marconi, en la prueba, no pudo realizar entregas entre sus propias estaciones, tanto desde Glace Bay como desde Clifden, Irlanda, a pesar de que la Compañía Marconi mantuvo una constante interferencia de dash, dash dash, desde su estación de Cape Cod durante 48 horas sin interrupción, pero el National ( Electric) Signaling Company no prestó atención a tales interferencias y recogió todos los mensajes, que Marconi no pudo intercambiar entre sus propias estaciones, y todos estos mensajes fueron entregados a Lord Northcutt en el Hotel St. Regis.»
El propio Marconi, en su discurso del Premio Nobel de 1909, dijo: «Lo que sucede a menudo en el trabajo pionero se repitió en el caso de la radiotelegrafía. Los obstáculos o dificultades previstos eran puramente imaginarios o fácilmente superables, pero en su lugar se presentaron barreras inesperadas y recientes «El trabajo se ha dirigido a la solución de problemas que no se esperaban ni anticipaban cuando se intentaron por primera vez las largas distancias». Ciertamente, después del primer experimento de radio transatlántico de Marconi en 1901, descubrió que la realización de comunicaciones por radio transatlánticas confiables estaba más lejana (para él) de lo que pensaba en ese momento.
La primera transmisión de radiotelegrafía transatlántica bidireccional tuvo lugar el 10 de enero de 1906, entre las estaciones de Fessenden en Brant Rock, MA y Machrihanish Escocia. La mayoría de los días del invierno, la primavera y principios del verano se produjo un intercambio regular de mensajes a través del Océano Atlántico. Las frecuencias utilizadas estuvieron en la banda de 80-100 kHz. La confiabilidad y la calidad de la recepción de la señal (relación señal-ruido) del sistema Fessenden deben haber sido mucho mejores que cualquier cosa que Marconi pudiera lograr en ese momento. Fessenden utilizaba sus transmisores síncronos de chispa giratoria en ambos extremos y sintonizaba los receptores con su detector de pasador. Las señales eran superiores a otras señales utilizadas en ese momento, que en comparación eran ásperas y desiguales. Su sistema de antena era un radiador tipo paraguas de 128 metros de altura. Las antenas Marconi eran estructuras cónicas de varios hilos, o antenas de hilo con una gran carga superior, de 61 metros de altura. Dado que la eficiencia de radiación de las antenas eléctricamente cortas varía (aproximadamente) con la altura de la antena roja, los sistemas de antenas de Fessenden eran probablemente cuatro veces más eficientes que los de Marconi.
radiotelefonía
A principios de siglo, Fessenden utilizaba un transmisor de chispa, empleando un interruptor Wehnelt que accionaba una bobina de inducción de Ruhmkorff. En 1899 observó, cuando se mantuvo presionada la tecla durante un largo recorrido, que el peculiar gemido del interruptor Wehnelt se podía escuchar claramente en el teléfono receptor. Debía haber tenido algún tipo de detector que le funcionara, incluso en esta etapa inicial del desarrollo de la tecnología inalámbrica. Esto le sugirió que utilizando una velocidad de chispa muy por encima de la banda de voz (10.000 chispas/seg), se podría lograr la telefonía inalámbrica; y lo hizo transmitiendo voz a una distancia de 1,5 km el 23 de diciembre de 1900, entre mástiles de 15 metros en Cob Island, MD [Belrose, 1994a; 1994b].
En otoño de 1906, Fessenden hizo que su alternador de alta frecuencia funcionara adecuadamente en frecuencias de hasta aproximadamente 100 kHz. Alrededor de la medianoche de noviembre de 1906, el Sr. Stein en la estación Brant Rock de Fessenden le estaba diciendo al operador en una estación de pruebas cercana en Plymouth, MA, cómo hacer funcionar el alternador HF. Era habitual que estos dos operadores utilizaran el habla en esta corta distancia. Sin embargo, su voz fue escuchada por el Sr. Armor en Machrihanish, Escocia, con tal claridad que no había dudas sobre quién hablaba, y los libros de registro de la estación confirmaron el informe.
El equipo de Fessenden estaba funcionando excepcionalmente bien en las primeras horas de esa mañana, y (lo que es notable para ese momento) el eco de las señales telegráficas de la estación de Escocia se pudo escuchar claramente un quinto de segundo después, después de haber recorrido el largo camino alrededor de la Tierra. .
La torre Machrihanish se estrelló contra el suelo el 5 de diciembre de 1906 durante una fuerte tormenta invernal. La estación nunca fue reconstruida, por lo que los experimentos transatlánticos de Fessendeil llegaron a un final abrupto.
El mayor éxito de Fessenden tuvo lugar en la víspera de Navidad de 1906, cuando él y sus colegas presentaron la primera transmisión inalámbrica del mundo. La transmisión incluyó un discurso de Fessenden y música seleccionada para Navidad. Fessenden tocó Largo de Handel en el violín. Esa primera transmisión, desde su transmisor en Brant Rock, MA, fue escuchada por operadores de radio a bordo de barcos de la Marina de los EE. UU. y de la United Fruit Company equipados con receptores inalámbricos de Fessenden a varias distancias sobre el Atlántico Sur y Norte, y en las Indias Occidentales. La transmisión inalámbrica se repitió en la víspera de Año Nuevo. El transmisor era un alternador de HF, en el que un terminal estaba conectado a tierra, el otro terminal a la antena sintonizada y un micrófono de carbono estaba insertado en el cable de la antena.
Recordemos que Fleming, en la primera edición de su libro sobre Ondas Electromagnéticas publicado en 1906, afirmaba que un impulso brusco era una condición necesaria para la transmisión inalámbrica, y que las corrientes de alta frecuencia, incluso de frecuencia suficiente, no podían producir radiación. La frecuencia más alta de los alternadores de alta frecuencia antes del verano de 1906 era de unos 10 kHz. Esta creencia, y una creencia anterior de que los terminales de una antena tenían que ser puenteados por una chispa, muestran cuán equivocados estaban algunos de los primeros «expertos».
Siguiendo en la misma línea, Fessenden en su artículo de 1908 reafirmó su punto de vista sostenido durante mucho tiempo: «El coherer está bien adaptado para trabajar con ondas amortiguadas, pero el método de ondas coherer amortiguadas nunca podrá convertirse en un sistema telegráfico práctico. Es una cuestión «Si la invención del cohesor no ha sido en general una desgracia que tiende a desviar el desarrollo del arte hacia líneas impracticables e inútiles, retrasando así el desarrollo de un sistema realmente práctico».
7. Observaciones finales
Hay quienes dicen que el mayor triunfo de Marconi (la madre de todos los experimentos) fue cuando logró en 1901 transmitir señales a través del Atlántico. Hay quienes dicen que se engañó a sí mismo y al mundo haciéndoles creer que el ruido atmosférico crepitante era en realidad la letra del código Morse ‘S’. Si Marconi escuchó los tres puntos débiles o no, realmente no tiene importancia. Su afirmación «provocó» una controversia entre los científicos e ingenieros contemporáneos sobre el experimento que continúa hoy.
Ciertamente, los ingenieros y científicos de hoy son unánimes al admirar la forma audaz e imaginativa con la que Marconi intentó dar un espectacular paso adelante: ampliar el alcance de las comunicaciones inalámbricas de cien o doscientos kilómetros a una distancia de 3.500 kilómetros a través del océano Atlántico. .
El mundo ha aclamado a Marconi como el «padre de la tecnología inalámbrica», aunque algunos dicen que Alexander Popov y Oliver Lodge fueron los primeros en este campo. La historia ha acreditado a Marconi con la invención de una de las primeras formas de radiotelegrafía.
Las ondas continuas de Fessenden, un nuevo tipo de detector y su invención del método, así como la acuñación de la palabra heterodina, no constituyeron de ninguna manera un sistema de telegrafía o telefonía inalámbrica satisfactorio, a juzgar por los estándares actuales. Sin embargo, fueron la primera desviación real del sistema de coherencia de ondas amortiguadas de Marconi para telegrafía, que otros experimentadores simplemente imitaban o modificaban. Fueron los primeros pasos pioneros hacia las comunicaciones por radio y la radiodifusión.
Hoy en día, la heterodinación es fundamental para la tecnología de las comunicaciones por radio. Algunos historiadores consideran que el principio heterodino de Fessenden es su mayor contribución a la radiociencia. El receptor superheterodino de Edwin Howard Armstrong se basa en el principio heterodino. Excepto por la mejora del método, el receptor superheterodino de Armstrong sigue siendo el método de recepción de radio estándar en la actualidad.
Fessenden, un genio y matemático, fue el inventor de la radio tal como la conocemos hoy.
Referencias
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Referencias no citadas
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Reimpreso por cortesía de John S. Belrose, Centro de Investigación de Comunicaciones de Canadá