Радиотехника и электроника – основа радиоэлектроники

  • Печать

Радиотехника и электроника – основа радиоэлектроники

"Никакая нация не может достичь процветания,
пока она не осознает, что пахать поле такое же
достойное занятие, как и писать поэму"
(Б.Вашингтон - амер.)

Термин Радиоэлектроника (см. радио(техника) + электроника) появился в 50-х гг. XX в., который объединил обширный комплекс областей науки и техники, связанных главным образом с проблемами передачи, приёма и преобразования информации посредством электромагнитных колебаний и волн. Методы и средства радиоэлектроники используются во многих сферах современной науки и техники.

Так, если радиотехника еще несколько десятилетий назад охватывала в основном только радиопередающую и радиоприемную технику, то сегодня слово «радиотехника» уже заменено весьма емким понятием «радиоэлектроника». Радиоэлектроника более широкое понятие и включает в себя не только радиотехнику и электронику, но и ряд новых областей: квантовую электронику, полупроводниковую и микроэлектронику, оптоэлектронику, акустоэлектронику и др., а также такие области знания, как телевидение, импульсная техника, электронная автоматика, электронно-вычислительная техника и т.д. Без радиоэлектроники немыслимы не только телевизоры радиоприемники, магнитофоны, сотовые телефоны, но и электронно-вычислительные комплексы, кибернетические устройства, автоматы, космические корабли, ракеты, сверхзвуковые самолеты точнейшие измерительные приборы и аппараты, электронные микроскопы и др.

Открытие электрических явлений легенда приписывает одному из мудрейших мыслителей древней Греции Фалесу, который жил более двух тысячелетий назад. В окрестностях древнегреческого города Магнезия еще в те времена люди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого города их называли магнитами - отсюда пришло к нам слово магнит! Фалес же находил и другие красивые и легкие камешки, которые к тому же были не менее таинственными. Эти привлекательные дары моря не притягивали железных предметов как магниты, но обладали также любопытным и загадочным  свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то они притягивали легкие пушинки, кусочки сухого дерева или травы. Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, сейчас называются янтарем, который греки тогда называли электроном. От этого слова впоследствии возникло слово электричество.

Немецкому ученому Отто Герике в XVII в.  удалось создать электрическую машину, извлекавшую из натираемого руками шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. При этом заряженный шар потрескивал и светился в темноте (т.е. он первым наблюдал электролюминесценцию). Однако разгадка тайн «электрической жидкости», как в то время называли это электрическое явление и ток, не была тогда найдена.

В середине XVII века в Лейденском университете (Голландия), ученые нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества был стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеивались свинцовой фольгой. По названию университета этот сосуд окрестили как лейденская банка. Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительные электрические заряды.
Лейденская банка 

Более совершенным, а главное почти непрерывным источником электрического тока явился источник, изобретенный в конце XVIII в. итальянским физиком Алессандро Вольта. Он между небольшими дисками из меди и цинка помещал суконку, смоченную раствором кислоты. До тех пор пока прокладка была влажная, между дисками и раствором происходила химическая реакция, в результате которой возникал слабый электрический ток в проводнике, соединяющем диски. При соединении пар дисков в батарею, можно было получать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли в то время «вольтовыми столбами», которые и положили начало электротехнике.
Вольтов столбНачалу становления радиотехники способствовали опыты и исследования электрических явлений, проводимые в XIX веке.
В 1832 году английский физик Майкл Фарадей теоретически предсказал существование электромагнитного излучения, а Дж. К. Максвелл уже в 1864 году опубликовал первые из основных уравнений классической электродинамики, которые описывали  эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и электрическими токами.
В 1888 году немецкий физик Г.Герц в своем опыте показал возможность передачи энергии посредством электромагнитных волн С помощью устройства, которое он назвал вибратором, излучал электромагнитное поле на расстояние и без проводов.

В 1893 году Никола Тесла во время лекции продемонстрировал принципы беспроволочной связи с помощью земных стоячих волн, которые в корне отличались от так названных им «электромагнитных волн Герца».

25 апреля (7 мая) 1895 года в Санкт-Петербурге на заседании Русского физико-химического общества А.С.Попов продемонстрировал аппарат для приёма электромагнитных волн.  А.С.Попов впервые публично показал передачу и прием радиосигналов на расстоянии около 60 м.  После успешного завершения в России первых опытов по созданию системы телеграфии без проводов, их результаты были опубликованы А.С.Поповым в одиннадцати изданиях. Однако первенство в этом вопросе получил в 1896 году итальянский инженер Г.Маркони, ставший впоследствии известным деятелем в области радиотехники.

А.С.Попов не торопился, работал вдумчиво и качественно, как и подобает военному инженеру. К тому же, ученый был связан клятвенным обязательством - хранить в тайне создаваемую им систему телеграфии без проводов для военно-морского флота России. В отличие от А.С.Попова, Г.Маркони проявил коммерческую жилку, и, вовремя подсуетившись, получил патент и провёл первые опыты беспроводного телеграфирования в Лондоне.

Подробный доклад о работе Г.Маркони сделал почему-то не автор, а главный инженер телеграфного ведомства Великобритании В.Прис (1834–1913), оказывавший в Англии ему помощь в работах. 4 июля 1897 г. в Королевском институте им был сделан доклад, который носил название: «Передача сигналов на расстояние без проводов». В.Прис в своем докладе об изобретении Г.Маркони вынужден был указать на то, что уже говорилось им ранее: «Г.Маркони не сделал ничего нового. Он не открыл каких-либо новых лучей; его передатчик сравнительно не нов; его приемник основан на когерере Бранли. Колумб не изобрел яйца, но показал, как его поставить на острый конец…»

А.С. Попов и Г.Маркони активно работали над совершенствованием беспроволочной связи. Со временем удалось добиться увеличения дальности и улучшения качества связи.


Радиоприемник А.С.Попова
Схема приемника Попова, 1897 г.

Радиопередатчик А.С.Попова
Передатчик Попова, 1897 г.

Радиоприемник Г.МаркониВ 1899 году А.С.Попов разработал новый, более чувствительный приемник, основанный на так называемом телефонном детектировании. В нем использовались наушники, а не звонок, и можно было «поймать» более слабый сигнал Г.Маркони в свою очередь, в 1900 году запатентовал «синтонную настройку», т.е. возможность передачи и приема на определенной длине волн (частоте). До этого две радиостанции, передающие одновременно, всегда мешали друг другу, теперь же они смогли работать на разных частотах.

После этого радиостанции стали использоваться более активно и в первую очередь для связи между морскими кораблями и берегом. Военные и гражданские судна начали оснащаться радиостанциями. Основными производителями таких радиостанций тогда были британская фирма «Маркони», французская «Дюкрете» (с ней работал А.С.Попов), американская De Forest, а также немецкие компании, которые в 1903 г. создали общую фирму для выпуска радиотехники — Telefunken. Итальянский ученый активно использовал запатентованное первенство. Он первым начал коммерческое продвижение радио. При активном содействии британского правительства его фирме удалось захватить наибольшую часть рынка внедрения радиостанций. В крайнем случае, для гражданских судов, как правило, нельзя было просто купить радиостанцию Маркони. Вместе с оборудованием непременно предоставлялся «оператор Маркони». Само собой, разумеется, за отдельную регулярную плату.

Через береговые радиостанции, с которыми связывались корабли, можно было переслать сообщение в телеграфную сеть, т.е.  по любому адресу на суше. Заметная часть этих «базовых радиостанций» также принадлежала компании «Маркони». Со всей очевидностью, ее можно было бы назвать первым оператором мобильной связи — вот только вместо карманных телефонов использовались живые операторы в сочетании с громоздкой техникой.

Операторам «Маркони» (и на суше, и на кораблях) строго было запрещено устанавливать связь с радиостанциями других производителей. От кораблей, которые оснащались системой А.С.Попова — «Дюкрете» или Telefunken, сообщения не принимались. Такая связь в техническом отношении была бы вполне возможна, если бы Маркони не установил свой запрет для укрепления собственной монополии. Таким вызовом Маркони многие были возмущены. Последней каплей стал казусный случай с братом германского кайзера Генрихом. После случившегося инцидента были приняты правила по используемому алфавиту (Морзе), длинам волн и условным сигналам. В частности, сигналом призыва о помощи был объявлен знаменитый SOS.

Потеряв «волновую монополию», компания «Маркони» не перестала быть крупнейшим игроком на рынке радиостанций и радиосвязи. По этой причине Никола Тесла не смог защитить в суде свои патенты, связанные с этой областью связи, в основу которых им были заложены иные принципы. Н.Тесла сражение против такого «денежного мешка», как компания «Маркони» оказалась не по силам. Бесспорно, Маркони принадлежит заслуга в том, что он, ради своего обогащения, изобрел такой маркетинговый ход. Образцом же для инженеров, которые, несмотря «на рыночное давление», умудряются работать спокойно и качественно, остается все-таки А.С.Попов, русский изобретатель радио. Этот человек реальных результатов достиг гораздо раньше Маркони и мог бы его «обогнать». Однако он предпочел сначала довести работу до конца, чтобы потом представить реальные результаты для повторения другими.

Радиолампы После изобретения радио ученые поняли, что беспроводная связь обладает неплохой перспективой и  направили свои усилия на усовершенствование радиоприемников и передающих устройств. Так, когда были созданы электровакуумные приборы в 1913 г. Мейснер разработал первый автогенератор, который позволял получать незатухающие электрические колебания, что было очень важным для передающей техники. Это открытие дало  в период 1920-1925 гг. мощный толчок производству различных видов ламповых радиоприемников и сооружению ряда радиопередатчиков.

Радиотехника получила небывалое развитие. В 1930-1935 гг. был сконструирован ряд новых радиоламп: пентоды, газотроны, тиратроны, комбинированные лампы, и др. Представилась широкая возможность, с одной стороны, создавать радиоаппаратуру и устройства высокого качества, а с другой -, радиотехника и ее приложения начали проникать в промышленность, приборостроение, измерительные устройства, вычислительную технику и другие сферы человеческого общества. Так, например, передача речи и музыки на большие расстояния при помощи радиоволн представлялось поистине настоящим чудом.

После окончания Первой мировой войны «чудо радиоволн» заинтриговало многих. Энтузиасты начали изучать «тайны» этого явления, а некоторые и сами стали собирать радиоприемники и передатчики. На этой волне возникло радиолюбительское движение, которое объединило в своих рядах большое число единомышленников разных возрастов и различных профессий. Нечто подобное сегодня мы наблюдаем в связке компьютера с интернет и сотовым телефоном.

Радиолюбительство

Со стороны официальных властей  вначале на радиолюбителей не обращали особого внимания и, чтобы они «не мешали» служебной радиосвязи, им был выделен коротковолновый диапазон, так как в то время длинные волны считались наиболее перспективными. Такое отношение сохранилось бы и далее, если бы вдруг в конце 1923 г. двое радиолюбителей на коротких волнах не установили радиосвязь между Англией и Америкой, причем с помощью маломощных передатчиков. Это событие вызвало колоссальный переворот, и специалистам пришлось срочно изменить свое отношение не только к коротким волнам, но и к радиолюбителям. Авторитет радиолюбительства существенно повысился, и его роль была пересмотрена. В соответствии с принятым международным соглашением радиолюбительскому движению стали предоставляться только определенные области коротковолнового диапазона.

Радиотехника в значительно степени стимулировала развитие электроники. Основы электроники  заложены трудами физиков XII - XIX в. Так, например, первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили М.В.Ломоносов с Рихманом в России и независимо от них американский ученый Франкель.
В 1743 г. Ломоносов в оде "Вечерние размышления о божьем величие" изложил идею о северном сиянии и происхождении электрической молнии. Уже в 1752 году М.В.Ломоносов и Франкель показали на опыте с помощью "громовой машины", что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды в воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются в воздухе и при отсутствии грозы, так как и в этом случае из "громовой машины" можно было извлекать искры. "Громовая машина" представляла собой не что иное, как  лейденскую банку, установленную в жилом помещении. Одна из ее обкладок была соединена проводом с металлической гребенкой, либо острием, укрепленным на шесте во дворе.
Электрическая дуга В 1802 году В.В.Петров - профессор физики Петербургской медико-хирургической академии впервые, за несколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя угольными электродами. Работы В.В.Петрова зарубежным ученым не были доступны, так как были истолкованы только на русском языке, В России значимость его работ не было оценено должным образом и в связи с этим труды В.В.Петрова были забыты.
Лампа Лодыгина
Не менее значимым на первом этапе развития электроники явилось изобретение русским инженером А.Н.Лодыгиным в 1809 году лампы накаливания, а также открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник.

 

Второй этап развития электроники традиционно связывают с созданием в 1904 году английским ученым Флемингом электровакуумного диода. А в 1905 году американский ученый Хелл использовал свойство газов переходить в плазму при их ионизации в своем газотроне – мощном выпрямительном диоде, наполненном газом. Изобретение газотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов и производству электронных ламп. Значение радиосвязи в военном отношении как никогда  стимулировало эту область электроники. Поэтому период 1913-1919 гг. связан с бурным развитием электронной техники. В России первые электровакуумные приемо-усилительные радиолампы были изготовлены в 1916-1918 гг. Бонч-Бруевичем.

В 1921 г. Хеллом для генерации мощных СВЧ колебаний был создан магнетрон. Лампы бегущей волны (ЛБВ), сконструированные в 1943 г. Компфнером, обеспечили дальнейшее развитие СВЧ систем и радиорелейной связи. В 1934 г. сотрудники центральной лаборатории, Коровин и Румянцев, провели первый эксперимент по применению радиолокации и определению летящего самолета. В 1935 г. теоретические основы радиолокации были разработаны в Ленинградском физико-техническом институте Кобзаревым.
Следующий период развития электроники связан с созданием и использованием дискретных полупроводниковых приборов, начало которому положило изобретение точечного транзистора. На основе этого изобретения были разработаны униполярные (полевые) и биполярные транзисторы. Идеи по созданию полевых транзисторов появились немного раньше, чем биполярных, но практическое их внедрение вызывало определенные трудности. Успех был достигнут только 23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории «Белл-Телефон» - Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли.
Транзисторы
Интегральные микросхемы Достигнутый уровень  микротехнологии и технологические процессы получения тонких пленок наметили такое направление развитие как микроэлектроника. Идею и основу монолитной интегральной микросхемы,  применив планарную технологию, предложил и запатентовал в 1960 г. Роберт Нойс из фирмы Fairchild. В этом же году планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили  фундамент развития интегральных микросхем. Вначале интегральные микросхемы (ИМС) в своей основе имели биполярные транзисторы, но уже в 1965-85 гг. для их создания стали использоваться полевые транзисторы, а также комбинациях тех и других, что послужило мощным толчком в развитии вычислительной техники и компьютеров

Развитие микроэлектроники и освоение производства интегральных микросхем привело к созданию новой элементной базы. Совершенствование интегральных микросхем и эволюция новой элементной базы шли в направлении увеличения надежности интегральных микросхем, мощности бескорпусных элементов, степени интеграции, т.е. плотности их размещения,  расширения рабочего диапазона частот и микроминиатюризации. В конечном счете появились большие интегральных микросхемы (БИС), в которых на один квадратный сантиметр приходилось тогда несколько десятков тысяч элементов. На основе БИС были разработаны ЭВМ четвертого поколения и перспективная вычислительная техника.

Благодаря технологии БИС на одном крошечном кристалле кремния стало возможным разместить такую большую электронную схему, например, как процессор ЭВМ. Однокристальные процессоры впоследствии стали называть микропроцессорами. Первый микропроцессор был создан в 1971 г. компанией Intel (США). Стоимость устройства размером с палец составляла 200 долларов, но оно  было сравнимо по своей вычислительной мощи с первой ЭВМ ENIAC, созданной в 1946 г., которая занимала пространство объемом в 85 куб. метров. Первой ласточкой был 4-х разрядный микропроцессор Intel 4004, который содержал 2250 транзисторов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. Новейшая технология практически сразу же легла в основу создания программируемых калькуляторов с огромным, по тем временам (от 4-х до 64-х килобайт) объемом оперативной памяти, которые способны были обрабатывать большие массивы данных и соединяться с периферийными компонентами. Микропроцессоры серий 8086 и 8088, появившиеся в 1978 и 1979 гг. соответственно, сразу были избраны корпорацией IBM для построения архитектуры первых в мире персональных компьютеров типа IBM XT и PC-jr.
Структура микроароцессора

В то время компания Intel по сути стала лидером в производстве микропроцессоров. Однако в последнее время в системе рыночных отношений с жесткой конкуренцией, Intel буквально "зажата" корпорациями AMD и IBM-Cyrix. Указанные компании и ряд других в прямом смысле слова "преследуют" и, буквально, "наступают на пятки" в области микропрограммных технологических решений, для создания более дешевых, а значит высоко-конкурентных процессоров. На смену 32 разрядных микропроцессоров архитектуры х86 пришли 64-разрядные многоядерные микропроцессоры. На сегодняшний день компания Intel готовится представить настольный процессор Core i7 990X Extreme Edition. Решение, основанное на 32-нм архитектуре Westmere-EP , поддерживающее двухпроцессорный режим работы, позволило начать производство  серверного чипа Xeon X5690, который станет самым быстрым 6-ядерным процессором в мире Xeon X5690 . Номинальная частота чипа составляет 3,46 ГГц, а в режиме Turbo Boost работа одного из ядер ускоряется до 3,6 ГГц. Используемая в микропроцессоре шина QuickPath Interconnect имеет пропускную способность 6,4 гигапередач/с.

КибернетикаРадиоэлектроника, объединив в себе множество направлений, является поистине «универсальной» наукой. Своим бурным развитием, массой прикладных приложений, неиссякаемым научным и техническим заделом она способствует ускоренному прогрессу других отраслей науки и техники. Благодаря радиоэлектронике достигнуты широкие возможности управления самолетами и кораблями, автоматическими заводами и электростанциями, люди «видят» в тумане и в полной темноте, решают сложные математические уравнения, изучают звезды. Радиоэлектронные приборы применяются в космонавтике, авиации, мореплавании, метеорологии, медицине, металлургии и во многих-многих других сферах народного хозяйства.

 Более того, радиоэлектроника стала  мощным орудием в появлении новых самостоятельных областей науки. К этому числу следует отнести, например, атомную энергетику. По словам виднейшего советского радиоспециалиста академика А. И. Берга, «использование атомной энергии стало возможным в значительной мере благодаря применению радиоэлектронных методов в физике». С радиоэлектроникой тесно связана также перспективная наука кибернетика, развитие которой позволит полностью автоматизировать большую часть того, что делается сейчас руками человека.
Все страны мира уделяют исключительное внимание развитию радиоэлектроники. Например, в США радиоэлектронная промышленность занимает третье место, уступая лишь сталелитейной и авиационной промышленности. Что такое радиоэлектроника с точки зрения мировой экономики? Мировой рынок радиоэлектроники больше по объему в 4,4 раза рынка нефтепродуктов, в 2,7 раза крупнее мирового энергетического рынка, примерно в 2,5 раза больше рынка грузоперевозок. И вообще продукция электронной компонентной базы и различных радиоэлектронных изделий составляет порядка 20% от всего мирового производства.


РАДИОЭЛЕКТРОНИКА
Поиск схем и документации в Интернете:
ON-LINE поиск предоставлен сервером QRZ.RU