История развития радиотехники

И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ [1, 2, 3]

Радиоинженером называют человека, умеющего создавать радиотехнические системы и радиоприборные комплексы.

Для этого он должен уметь рассчитывать, конструировать и выполнять технологические операции. Но зачем ему для этого нужны знания истории, имен изобретателей радиолампы или тиристора и других радиоэлектронных устройств? Короткий ответ на этот вопрос заключается в следующем: история состоит в изучении прошлого в целях осознания настоящего и в прогнозировании будущего.

История науки и техники устанавливает связь во времени между явлениями и помогает их осмыслить. Наблюдая, как одно явление следует из другого, сколько времени потребовалось для достижения следующей ступени познания, история науки и техники учит прогнозировать их развитие с учетом реальных возможностей и требований науки и общества.

Радио возникло в результате фундаментальных открытий в области физики и электротехники. М. Фарадей в 1821 г. обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и вращение проводника с током вокруг магнита. В начале XIX века была создана наука об электромагнитных явлениях. Ее основой явилось открытие электромагнитного поля, связанное с именами трех выдающихся ученых: английского физика Майкла Фарадея (1791-1867 гг.), открывшего в 1831 г. явление электромагнитной индукции; английского физика Джеймса Максвелла (1831-1879 гг.), создавшего теорию электромагнитного поля (1865 г.); немецкого физика Генриха Герца, впервые экспериментально подтвердившего существование электромагнитных волн (1887 г.), описываемых теорией Максвелла.

Майкл Фарадей	Джеймс Клерк Максвелл	Генрих Рудольф Герц

Эти явления стали основой закона электромагнитной индукции. В 1873 г. Д. Максвелл опубликовал «Трактат по электричеству и магнетизму», ставший основой электротехники. Из составленных им уравнений электродинамики следовал вывод о возможности распространения электромагнитных волн в свободном пространстве со скоростью света. Только через 15 лет Г. Герц экспериментально подтвердил теорию Максвелла.

5 декабря 1886 г. он обнаружил, что искра, вызванная электрическим разрядом между двумя шарами, замкнутыми кольцом из металлического провода, приводила к появлению искры между двумя шарами в другом аналогичном контуре, находящемся на расстоянии 1,5 м и не связанном с ним никакими электрическими проводниками. Перенос второго контура в соседнюю комнату не изменил результата, только искра становилась более слабой. Опыт Герца предопределил появление радио.

В России твердо уверены, что радио изобрел российский ученый Александр Степанович Попов (1859-1905 гг.), на Западе пальму первенства отдают итальянцу Гульельмо Маркони (1874-1937 гг.).

Сейчас трудно установить историческую истину, но именно Александр Степанович Попов 7 мая 1895 г. впервые в мире продемонстрировал перед учеными Санкт-Петербурга беспроводную связь. Им была передана телеграмма, состоящая из двух слов: «Генрих Герц».

День 7 мая отмечается в нашей стране как День Радио.

Александр Степанович Попов	Гульельмо Маркони	Карл Фердинанд Браун

Справедливости ради необходимо отметить, что впервые передал электрический сигнал на небольшое расстояние без проводов английский физик Оливер Лодж (1851-1940 гг.). Наряду с О. Лоджем пионером беспроводной связи является также Никола Тесла (1856-1943 гг.). В 1888 г. он продемонстрировал нью-йоркской публике радиоуправляемую модель лодки на озере «Медисон Сквер Гарден».

Оливер Джозеф Лодж	Никола Тесла	Томас Алва Эдисон

Также следует отметить, что проект первой системы беспроводной связи с использованием колебаний низкой частоты был предложен в 1885 г. знаменитым американским изобретателем Томасом Эдисоном (1847-1931 гг.).

Эпоха радио для слушателей началась после изобретения американским инженером Луи де Форестом (1873-1961 гг.) трехэлектродной электронной лампы – триода. На основе триодов можно было создавать ламповые генераторы для получения мощных незатухающих колебаний, усиливать и преобразовывать принятые слабые колебания. В 1906 г. американский инженер Реджинальд Обри Фессенден (1866-1932 гг.) методом амплитудной модуляции, т.е. изменяя амплитуду передаваемого высокочастотного колебания по закону низкочастотных колебаний звуковой частоты, впервые осуществил радиопередачу произведения Гуно «О, святая ночь» в своем исполнении на скрипке.

Луи де Форест	Реджинальд Обри Фессенден

За изобретение и развитие радио Г. Маркони в 35 лет (совместно с профессором из Страсбурга К. Брауном (1850-1918 гг.) в 1909 году была присуждена Нобелевская премия по физике (за работы по развитию беспроволочного телеграфа). За три года до этого события скончался А. С. Попов. Поскольку по уставу Нобелевская премия присуждается только при жизни изобретателя или ученого, то кандидатура А. С. Попова не выдвигалась и не рассматривалась.

Развитие радиотехники непосредственно связано с созданием элементной базы, в частности, с разработкой электронных приборов для систем передачи информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний. Разработка в начале 50-х годов полупроводниковых приборов, а затем и интегральных микросхем позволила резко снизить массу и габаритные размеры РЭА при одновременном повышении ее надежности и значительном уменьшении энергопотребления. После создания в 1955 году молекулярного генератора началось развитие квантовой микроэлектроники.

Начало современной микроэлектроники относится к 1958 году, когда Джек Килби (р. в 1923 г.) изобрел микросхему. За работы в области микроэлектроники Д. Килби совместно с Жоресом Ивановичем Алферовым (р. в 1930 г.) и Гербертом Кремером (р. в 1928 г.) получили Нобелевскую премию.

Джек Килби	Жорес Иванович Алферов	Герберт Кремер

Академик Ж. И. Алферов внес весомый вклад в развитие современной микроэлектроники. Он открыл явление сверхинжекции в гетероструктурах и предложил принципы использования гетероструктур в микроэлектронике.

В последние годы большое развитие получила квантовая электроника и оптоэлектроника. Это область науки и техники, где исследуются принципы действия, конструирование и применение генераторов, усилителей, преобразователей частоты электромагнитного излучения, действие которых основано на вынужденном излучении или на нелинейном воздействии излучения с веществом. Основоположниками квантовой электроники считают лауреатов Нобелевской премии по физике («За фундаментальные работы в области квантовой электроники, приведшие к созданию генераторов и усилителей на принципе мазера-лазера», 1964 г.) отечественных ученых Александра Михайловича Прохорова (1916-2002 гг.), Николая Геннадьевича Басова (1922-2001 гг.) и американского физика Чарльза Таунса (р. в 1915 г.). К устройствам квантовой электроники относятся квантовые усилители сверхвысокой частоты и лазеры.

Александр Михайлович Прохоров	Николай Геннадьевич Басов	Чарльз Таунс

Важной элементной базой современной радиотехники являются устройства, построенные на основе акустоэлектроники. Это раздел акустики, на стыке акустики твердого тела, физики полупроводников и радиоэлектроники. Большую роль в его развитии сыграли отечественные академики Юрий Васильевич Гуляев (р. в 1935 г.) и Владислав Иванович Пустовойт (р. в 1936 г.).

Они впервые высказали идею использовать поверхностные акустические волны (ПАВ) для обработки сигналов и предложили базовую конструкцию на основе слоистой структуры пьезоэлектрик-полупроводник.

Юрий Васильевич Гуляев	Владислав Иванович Пустовойт	Павел Львович Шиллинг

В настоящее время важное значение в жизни человеческого общества имеет электросвязь – передача сообщений (информации) с помощью электромагнитных колебаний. Совокупность оборудования для передачи/приема сигналов электросвязи и среды распространения этих сигналов называется телекоммуникационной системой.

Сэмуэл Морзе	Борис Семенович Якоби	Александр Грэхем Белл

В истории развития систем электрической связи можно выделить несколько этапов. Первый из них характеризуется появлением безголосовой электрической связи – создание первого электромагнитного телеграфа, изобретенного П. Л. Шиллингом (1832 г.). Он имеет стрелочную индикацию передаваемых знаков. В 1837 году американский изобретатель Сэмуэл Морзе (1791-1872 гг.) предложил телеграфный код – известную во всем мире как азбуку Морзе и создал телеграфный аппарат с записью сигналов на бумажной ленте. Русский ученый академик Борис Семенович Якоби (1801-1874 гг.) решил задачу увеличения дальности связи. В 1876 году американский инженер Александр Белл (1847-1922 гг.) изобрел телефон.

Разработка и создание практических схем связи стало возможным в результате развития радиотехники, изобретения электронных ламп и применения их для усиления, генерации переменных токов, модуляции и демодуляции и разработки теории электрических фильтров.

Второй этап начинается с 7 мая 1895 года, когда А. С. Попов передал без проводов с помощью электромагнитных колебаний первую телеграмму. Это позволило в 20-х годах прошлого века построить радиовещательные станции.

Клод Элвуд Шеннон	Владимир Александрович Котельников	Андрей Николаевич Колмогоров

Основы теории передачи информации были заложены академиком Владимиром Александровичем Котельниковым (1908-2002 гг.), создавшим теорию потенциальной помехоустойчивости, и американским ученым Клодом Эдвудом Шенноном (1916-2001 гг.) в трудах по теории информации (1948 г.).

Основы теории избирательности сигналов для систем подвижной электрической связи заложены в работах Д. В. Агеева (1911-1997 гг.).

Дэвид Миддлтон	Филипп Вудворд	Владимир Иванович Тихонов

Начиная с 40-х годов прошлого века много внимания было уделено борьбе с шумами, маскирующими и искажающими передаваемые сигналы. Значительную роль в решении этой проблемы сыграли А. Н. Колмогоров, Норберт Винер (США), А. Я. Хинчин, А. А. Харкевич, Д. Миддлтон (США, р. в 1920 г.), В. И. Сифоров, Ф. Вудворд, В. И. Тихонов, А. И. Берг, Ю. Б. Кобзарев, Ю. Г.Сосулин.

Александр Яковлевич Хинчин	Александр Александрович Харкевич	Владимир Иванович Сифоров

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1. Почему радиоинженеру необходимо знать историю развития радиотехники и радиоэлектроники, а также результаты работ ученых, чьи достижения в свое время способствовали развитию техники передачи сообщений с помощью электромагнитных колебаний?

2. Как создавалась наука об электромагнитных явлениях?

3. В чем просматривается закономерность создания действующей радиоаппаратуры в конце XIX века?

4. Как была устроена и работала первая радиотехническая система передачи информации?

5. В чем состоит важность когерера в обеспечении работы первой радиотехнической системы связи?

6. Охарактеризуйте достижения М. Фарадея, Д. Максвелла и Г. Герца в создании радиотехники.

7. Почему изобретение электронной лампы способствовало ускоренному развитию систем передачи информации с помощью электромагнитных колебаний?

8. В чем заключается явление термоэлектронной эмиссии?

9. Как устроена и работает трехэлектродная электронная лампа?

10. С какой целью при передаче сообщений с помощью электромагнитных полей необходимо выполнять модуляцию высокочастотных колебаний?

11. Какую роль в развитии радиоэлектроники сыграло изобретение печатного монтажа, транзисторов и создание микросхем?

12. За какие достижения в области радиоэлектроники Ж. И. Алферову была присуждена Нобелевская премия?

13. За какие достижения в области квантовой электроники удостоены Нобелевской премии А. М. Прохоров, Н. Г. Басов и Ч. Таунс?

14. Что понимается под телекоммуникационной системой?

15. Охарактеризуйте вклад в радиоэлектронику отечественных ученых Ю. В. Гуляева и В. И. Пустовойта.

16. Какую роль в создании радиоэлектронных систем играет теория информации К. Шеннона?

2. ПРИНЦИПЫ РАДИОТЕХНИКИ [2, 3, 5]