Историческое значение каждого
русского великого человека
измеряется его заслугами родине,
его человеческое достоинство -
силою его патриотизма.
Николай Гаврилович Чернышевский -
русский революционный демократ,
публицист, философ.
Удивительно много событий произошло в науке за последние 200 лет. Одни из них привнесли больше ясности в законы развития природы и имели фундаментальный характер, другие имели частный характер и являлись базой для открытия новых фундаментальных законов. Но большинство открытий было так или иначе связано с исследованием особого вида материи - электромагнитных (ЭМ) волн. В первое время речь даже не шла о конкретном их применении человеком: никто и не предполагал, какую важнейшую роль они сыграют в человеческом бытии.
Т.к. для радиотехники ЭМ волны и некоторые явления электрического и магнитного характера, это как яблоня для яблока, то и рассмотрение хотелось быть начать именно с этих околорадиотехнических категорий - категорий электротехнического характера.
Простейшие электрические и магнитные явления природы, такие как притягивание некоторыми минералами кусочков железа или натертыми кусочками янтаря легких предметов, были известны еще в глубокой древности. Однако лишь с XVII века начинается их серьезное изучение. Как любая наука, электротехника развивалась крайне медленно, накапливались опытные данные для создания гипотез, которые могли объяснить природные явления.
К середине XVIII века Бенджамин Франклин (1706-1790) изложил первую теорию электрических явлений. К началу XIX века Алессандро Вольта (1745-1827) изобрел химический источник тока (вольтов столб). В 1802 году Василий Владимирович Петров открыл и исследовал электрическую дугу. В 1841-1842 гг. Джеймс Джоуль (1819-1889) и Эмилий Христианович Ленц (1804-1865) открыли закон, установивший зависимость между протекающим через проводник током и количеством выделяемого тепла:
где I - протекающий через проводник ток; R - сопротивление проводника; t - время прохождения тока; Q - количество теплоты.
Георг Ом (1787-1854) в 1826 г. открыл закон, названный его именем, установивший количественную зависимость электрического тока от напряжения в цепи. И тогда же, в XIX веке, началось проникновение электричества в технику. В 1832 г. Павел Львович Шиллинг изобрел электромагнитный телеграф, в 1839 г. Борис Семенович Якоби создал самопишущий телеграфный аппарат, а 1850 г. он на пять лет раньше американца Юза создал первый буквопечатающий телеграф. В 1876 г. американский инженер А. Г. Белл (1847-1922) изобрел телефон. В 1888 г. Михаил Осипович Доливо-Добровольский создал трехфазный асинхронный двигатель. Александром Николаевичем Лодыгиным в 1873 г. была изобретена лампа накаливания. Очень трудно переоценить значимость подобных изобретений для развития человечества. Однако начало внедрения электричества в повседневную жизнь в конце XIX века явилось следствием крупнейших фундаментальных работ в области электричества таких ученых, как А. Ампер (1775-1836), К. Гаусс (1777-1855), Х. Эрстед (1777-1851), М. Фарадей (1791-1867), Дж. Генри (1797-1878), У. Томсон (1824-1907). Эти открытия буквально произвели на свет и дали путевку в жизнь новой науке - радиотехнике.
В 1873 г. английский физик Дж. К. Максвелл (1831-1879) сформулировал уравнения, описывающие основные закономерности ЭМ поля в произвольной среде, которые были названы в его честь. Это удивительно простые и в то же время исчерпывающие и самые общие выражения (впрочем, все фундаментальное в природе на самом деле описывается элементарными математическими законами). Уравнения Максвелла составляют основу теории любых ЭМ явлений (без учета квантовых эффектов), а так же электро- и радиотехники. Прошло 15 лет прежде, чем Г. Герц (1857-1894) в 1888 г. получил и исследовал ЭМ волны на практике. Однако найти применение этому Герц не успел.
Началом радиотехники в современном понимании этого слова является день 7 мая 1895 г., когда русский физик Александр Степанович Попов (1859-1906) продемонстрировал изобретенный им беспроволочный телеграф, положивший начало радиосвязи. Приемное устройство А.С. Попов создал еще раньше, поэтому никакие претензии на создание беспроволочного телеграфа различного рода дельцами неуместны.
Дальность связи вначале была невелика - около 250 м, однако уже в 1897 г. удалось передать радиограмму на расстояние 5 км, а к 1899 г. - до 45 км, что весьма внушительно для техники тех времен.
В радиопередатчике Попова использовался единственно известный в то время принцип получения колебаний высокой частоты - с помощью искрового разряда. Отсюда название таких передатчиков - искровые. Упрощенная схема радиопередатчика приведена на рисунке 1.
Рис. 1. Структурная схема радиопередатчика А.С. Попова.
Процесс излучения энергии происходит в передатчике не непрерывно. Каждый пробой искрового промежутка в антенне приводит к возникновению быстрозатухающих колебаний, т.к. антенный контур имеет малую добротность. Подобный колебательный контур состоит из распределенных индуктивности проволоки антенны (для длины антенны до 1 м LA~10...100 нГн) и ее емкости (CA~10...50 пФ). Это значит, что максимальная частота излучаемых в пространство колебаний была порядка
Этот факт весьма интересен, потому что, как видим, заря радиотехники начиналась именно с диапазона СВЧ. Антенна в этом случае служит не только элементом, излучающим ЭМ энергию, но и элементом, определяющим частоту излучаемого процесса колебаний. Для увеличения дальности радиосвязи А.С. Попов предложил поднять как передающую, так и приемную антенны на значительные высоты.
Приемник Попова изображен на рисунке 2.
Рис. 2. Схема релейного приемника А.С. Попова.
Для конца XIX века приемник Попова был весьма чувствительным и удобным устройством приема и регистрации ЭМ волн. Ничтожная энергия ЭМ волн принималась не непосредственно (как, например, для возбуждения искры в опытах Герца), а для управления включением местного источника энергии, который и питает регистрирующий прибор.
Когерер представляет собой стеклянную трубку, в которой помещены металлические опилки. На концы трубки надеты металлические колпаки, имеющие хорошее соприкосновение с опилками. К обоим концам когерера припаяны проводники - плечи приемной антенны. Антенна представляет линейный вибратор, настроенный в резонанс с частотой принимаемой ЭМ волной.
Приходящая ЭМ волна, создавая в когерере переменные токи высокой частоты, вызывает проскакивание между опилками мельчайших искр, которые сваривают опилки друг с другом. При этом сопротивление когерера резко уменьшается и он замыкает цепь батареи, пропуская ток через обмотки реле К1. В результате контакт S1 замыкается, и через него, в свою очередь, проходит ток по обмотке электромагнита. Последний притягивает молоточек, тот ударяет по звонку и разрывает цепь питания электромагнита. Возвращаясь в исходное состояние с помощью пружины, молоточек ударяет другим, прорезиненным концом по когереру, в результате чего его сопротивление становится очень большим, т.к. контакты между опилками разрушаются. После этого, как приемная часть (по схеме слева от батареи), так регистрирующая часть (справа от батареи) готовы к приему следующего ЭМ импульса.
Как видим, приведенное устройство является довольно сложной системой с обратной связью. Дросселя L1 и L2 необходимы для исключения прохождения токов высокой частоты через цепи собственно приемника, иначе добротность антенны уменьшится и упадет чувствительность приемника.
Как это ни странно, в обширном классе современных приемников данный принцип работы сохранился: слабые сигналы во входных цепях приемника управляют оконечными устройствами на выходе приемника. Только этот результат в наше время достигается путем усиления слабых входных сигналов и их фильтрации по тем или иным параметрам.
Будет правильным сказать о нашем соотечественнике Якове Оттоновиче Наркевич-Иодко. Яков Оттонович Наркевич-Иодко занимался исследованием воздействия полей диапазона СВЧ на биоткань, за что в 1900 г. на международном конгрессе было присвоено звание профессора электрографии и магнетизма, а по представлению президента Академии наук он был награжден орденом Святой Анны второй степени. Кроме этого он занимался исследованием приемо-передатчиков, подобных тем, которые создал А.С. Попов. Он осуществил фиксацию грозовых разрядов несколько модифицированным приемником и случайно открыл детектирующие свойства биоткани, что позволило прослушивать разряды в телефонах, т.е. выделил НЧ составляющую импульсов с ВЧ заполнением.
После осознания всеми огромного значения радиотехники и ее методов приема-передачи информации технические новшества и новые научные подходы к решению задач начали появляться один за одним. Этим делом начали заниматься талантливые ученые и инженера. Диалектическое развитие радиотехники в течение XX и начала XXI века можно разделить на три направления:
Такое разделение позволяет упростить рассмотрение того пути, которое прошла радиотехника за 108 лет своего существования. Технологический путь развития радиотехники подразумевает улучшение качественных показателей активных и пассивных приборов, появление новых элементов, ИМС, устройств на поверхностно-акустических волнах (ПАВ), приборах с зарядовой связью (ПЗС) и т.п.
Схемотехническое развитие отражает изменение "математики" электрических схем. Например, перемножитель (синхронный детектор) можно сделать, используя в качестве нелинейности диод, а можно высокостабильную, с большим динамическим диапазоном схему на ОУ.
Системное изменение радиотехники - это скорее научно-исследовательская сторона вопроса, хотя четкой границы провести нельзя. Решение задач извлечения, разрушения, защиты, передачи, приема и обработки информации может осуществляться различными способами. Фундаментальные отличия в принципах работы двух одинаковых систем, для которых поставлены одинаковые задачи, и отражают системный прогресс.
Отметим, что ни одно из приведенных направлений не может существовать само по себе, во всяком случае длительное время. Все три направления развития всегда тесно переплетались и взаимообусловливались исторически. Если новое системное решение может существовать в учебниках долгое время, то без практического подтверждения на схемном уровне оно не получит дальнейшего развития.
Через короткое время после изобретения Попова были обнаружены детектирующие свойства металлических опилок когерера. Впоследствии был создан прототип современного полупроводникового диода в виде тонкой иголки, касающейся окисленного металла. Стабильность детектирующих свойств такого "диода" была невелика, хотя в детекторных приемниках подобное устройство применялось вплоть до изобретения полупроводникового диода.
По всему миру начали применяться искровые приемопередающие устройства. Они стали широко применяться во время первой мировой войны и вскоре стало ясно, что в зоне действия одного искрового передатчика в случае работы второго подобного устройства в точке приема возникают взаимные помехи. К тому времени германцами уже был создан первый вакуумный диод, а впоследствии и трехэлектродная лампа - триод. Изобретение триода положило начало новой эры в радиотехнике. На триоде был создан генератор непрерывного ВЧ колебания с одной спектральной составляющей, в отличие от искровых, которые работали в очень широкой полосе частот - до сотен мегагерц. Этот этап - пример технологического рывка вперед. Далее последовали решения системные и схемотехнические. Определенным образом управляя одним или несколькими параметрами непрерывного ВЧ колебания представилось возможным передавать на расстояние не только дискретные сообщения (в виде точек и тире), но и непрерывные - в реальном масштабе времени. В первую очередь вопрос стоял о передаче речи. Так появились системы передачи информации с амплитудной модуляцией несущей. Этот метод долгое время являлся доминирующим и сыграл главнейшую роль в теории и практике передачи информации на заре развития радиотехники. Причин тому несколько:
Основной недостаток был один - низкий КПД передатчика. Для того времени достоинств АМ было больше, чем недостатков, что и определило жизнеспособность подобных систем связи вплоть до наших дней.
Дальнейшее развитие радиотехники шло по "технологическому" пути: улучшались показатели электронных ламп - в первую очередь верхние граничные частоты, до известной степени уменьшались их размеры, разрабатывались генераторные лампы на большую мощность. Схемные решения менялись незначительно: начали применяться усилители с общей сеткой, в передающих устройствах для повышения выходных мощностей стали применяться блочные схемы, выходы которых через специальный мост-сумматор мощностей подключались к антенне. Первым в мире этот путь предложил талантливейший ученый и инженер Александр Львович Минц.
Радиотехника на своей заре стала популярной и породила огромное количество самоучек-радиолюбителей именно благодаря популяризации радио. Промышленность в СССР производила огромную для того времени номенклатуру радиоприемников. Несмотря на то, что в советском союзе радиодело стало под государственный контроль и стало на профессиональный уровень, круг радиолюбителей все расширялся.
Системным прорывом в то время - 30-е годы XX столетия - стала попытка передавать изображения с помощью радиоволн. Это было немыслимое новшество. Развертку изображения получали механическим путем с помощью вращающегося колеса с отверстиями т.н. диска Нипкова. Качество было очень низким, но прецедент был создан.
Во второй мировой войне радиотехника проникла во все рода войск воюющих сторон. Война породила новое применение радиотехническим системам: появились войска радиоразведки и радиоподавления. Очень неприятно признавать, но именно различного рода войны глобального и локального уровней подталкивали радиотехнику к интенсификации развития и освоения все более совершенных устройств. Так во время второй мировой появились первые случаи применении ЧМ для связи на ближние расстояния с высокой помехоустойчивостью. Именно дальнейшие попытки американских военных засекретить свои переговоры привели к применению широкополосных сигналов с прыгающей по случайному закону частотой. Это была первая реально работающая система с ШПС.
Новейшая история радиотехники началась с изобретением американскими инженерами в 1948 г. транзистора. Это был новый технологический прорыв. Он же породил значительный схемотехнический прогресс и позволил, наконец, осуществить многие системные преобразования в радиотехнике и вывести уже испытанные системы на качественно новый уровень. Здесь существенными новшествами явились уже упомянутые системы с ШПС, разработка ЭВМ исключительно на полупроводниковых приборах, зарождение первых цифровых схем обработки сигналов, телевидение, вначале черно-белое, а затем и цветное, системы подвижной транкинговой связи и т.д. Кроме того, большинство устройств стало изготовляться исключительно путем печатного монтажа. Появились ветви радиотехники: радиоуправление, радионавигация, радиоастрономия.
Следующим технологическим прорывом стала интегрализация радиотехнических устройств. Она привела к уменьшению размеров, массы и энергопотребления радиотехнических систем, а это, в свою очередь привело к улучшению параметров устройств, т.к. всюду стали применяться цифровые схемы управления и обработки. Схемно-технологическим шагом в развитии радиотехники стала разработка микропроцессоров. Миниатюризация электронной аппаратуры позволила применить алгоритмы оптимальной фильтрации, математическое описание которых было сформулировано достаточно давно, а схемная реализация была затруднена в силу сложности самих алгоритмов. Подобный подход позволил приблизить показатели систем передачи информации к предельно возможным, причем практически для любых известных сигналов-переносчиков информации.
Системным прорывом стала разработка и последующее внедрение сотовой связи. Идея делить зону обслуживания системы подвижной связи на элементарные ячейки была известна давно, но технология не позволяла вплоть до 80-х годов.
В звукозаписи значительным достижением стала идея компрессии при записи и экспандирования при воспроизведении с носителя звуковой информации, предложенная американским инженером Р. Долби. Позже новшеством во всех отношениях стала запись-считывание цифрового потока на компакт-диск с помощью лазерного луча.Обзор последних радиотехнических разработок не представляется возможным в силу их огромного количества и широты применения, да и анализ современных тенденций в такой сложной сфере как радиотехника не будет полноценным, т.к. история вершится на наших глазах, а большое хорошо просматривается издалека.
В связи с наступающим праздником - Днем Радио - хочется искренне пожелать всем научным сотрудникам ВУЗов и средних специальных учебных заведений радиотехнического профиля, аспирантам, инженерам, студентам, которые действительно считают радиотехнику своим призванием, а так же радиолюбителям всех возрастов и работникам радиопромышленности здоровья, мира, удачи во всех начинаниях и стабильного материального положения.
Хочется напомнить представителям действительно очень нужной профессии - журналистам, работающим на радио, - что Ваш профессиональный праздник отмечается 6 июня вместе с остальными Вашими коллегами, а ко Дню Радио Вы никакого отношения никогда не имели и иметь не можете. Разве что в этот день стоит помянуть добрым словом и сказать спасибо Александру Степановичу Попову и другим, как более поздним, так и более ранним деятелям радиотехнического дела и науки в целом, которые дали Вам столь интересную работу.
Автор:dvv
В.В. Дубровский
г. Минск, Беларусь