Измерительные приборы

Радиотехника

Радиотехника, наука об электромагнитных колебаниях и волнах радиодиапазона — о методах их генерации, усиления, излучения, приёма и об их использовании; отрасль техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона для передачи информации — в радиосвязи, радиовещании и телевидении, в радиолокации и радионавигации, при контроле и управлении машинами, механизмами и технологическими процессами, в разнообразных научных исследованиях и т.д. Радиодиапазон охватывает спектр электромагнитных волн (ЭВ) длиной от нескольких десятков тыс. км до десятых долей мм.
Развитие Р. тесно связано с достижениями в области радиофизики, электроники, физики полупроводников, электроакустики, теории колебаний, теории информации (см. Информации теория), и различных разделах математики, а также с прогрессом в технике высокочастотных измерений (см. Измерительная техника, Радиоизмерения), вакуумной и полупроводниковой технике (см. Полупроводниковая электроника), в производстве источников электропитания и др. В Р. входит ряд областей, главные из которых — генерирование электрических колебаний, усиление электрических колебаний, их преобразование, управление ими (см. Модуляция колебаний), антенная техника (см. Антенна, Излучение и приём радиоволн), распространение радиоволн в свободном пространстве, в различных средах (ионосфере, почве) и в направляющих системах (кабелях, волноводах), фильтрация электромагнитных колебаний, демодуляция, воспроизведение переданных сигналов (речи, музыки, изображений, телеграфных и иных знаков), контроль, управление и регулирование при помощи ЭВ и колебаний (посредством радиоэлектронных систем).
История Р. восходит к работам М. Фарадея, заложившего основы учения об электрическом и магнитном полях (1837—46). Фарадей высказал мысль о том, что распространение электрических и магнитных воздействий происходит с конечной скоростью и представляет собой волновой процесс. Эти идеи были развиты Дж. К. Максвеллом, математически описавшим (1864) известные электрические и магнитные явления системой уравнений, из которых следовала возможность существования электромагнитного поля, способного распространяться в пространстве в виде ЭВ, частным случаем которых являются световые волны.
ЭВ радиодиапазона (с длиной волны около 1 дм) были впервые получены и изучены Г. Герцем (1886—89), который осуществил их генерирование и излучение при помощи вибратора, возбуждаемого искровым разрядом (см. Герца вибратор). При помощи второго вибратора, в котором под действием принимаемой волны проскакивала искра, Герц регистрировал ЭВ. Герц показал, что эти волны способны отражаться, преломляться, интерферировать и поляризовываться подобно световым волнам, однако он не предвидел возможности применения ЭВ для передачи информации. Существенную роль в опытах Герца играло явление резонанса, подробно изученное В. Ф. К. Бьеркнесом (1891). Важнейшая формула для определения резонансной частоты колебательного контура при отсутствии затухания (идеальный контур) была получена ещё в 1853 У. Томсоном (Кельвином). Э. Бранли (Франция) обнаружил (1890) и изучил явление уменьшения сопротивления металлического порошка при воздействии на него электрических колебаний и восстановления исходного высокого сопротивления при встряхивании. О. Лодж (Великобритания) использовал это явление для индикации ЭВ при воспроизведении опытов Герца (1894); прибор в виде заполненной металлическими опилками стеклянной трубки с электродами на концах он назвал когерером.
А. С. Попов, развивая опыты Герца и стремясь решить задачу беспроволочной связи при помощи ЭВ, усовершенствовал когерер, применив для восстановления его сопротивления автоматическую систему, осуществлявшую встряхивание когерера после воздействия на него ЭВ. Автоматический когерер стал основой первого аппарата для обнаружения и регистрации сигналов (их приёма) в системе беспроволочной связи. Попов также обнаружил, что присоединение к когереру вертикального провода — антенны — приводит к увеличению чувствительности такого приёмного устройства. Свой первый в мире радиоприёмник Попов продемонстрировал в действии 25 апреля (7 мая) 1895 во время доклада на заседании физического отделения Русского физико-химического общества. Примерно год спустя опыты по использованию радиоволн для беспроволочной связи продемонстрировал Г. Маркони, причём его аппаратура в основных чертах совпадала с аппаратурой, разработанной Поповым.
Начальный период развития Р. — период создания простейших передающих и приёмных радиостанций, работавших на сравнительно коротких радиоволнах, — характеризовался применением сильно затухающих радиоволн — коротких волн, возбуждаемых вибратором Герца. Дальность радиосвязи постепенно увеличивалась благодаря переходу к более длинным волнам, возрастанию мощности передатчиков и размеров (высоты и числа проводов) антенны. Увеличению дальности способствовало и применение заземления или системы низко расположенных проводов («противовеса»). Дальность и избирательность (селективность) приёма также существенно увеличились благодаря переходу на слуховой (телефонный) приём с применением детектора (сотрудники Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий, 1899).
Следующий существенный шаг в развитии Р. сделал К. Ф. Браун, предложивший (1899—1900) разделить антенну и искровой разрядник. При этом разрядник помещался в замкнутом колебательном контуре, а антенна связывалась с этим контуром индуктивно, при помощи высокочастотного трансформатора. Схема Брауна позволяла излучать в пространство существенно большую часть энергии, запасённой в первичном колебательном контуре, однако значительная часть её возвращалась обратно из антенны в контур, возбуждая в нём новую искру, что приводило к потерям энергии. В 1906 М. Вин (Германия) предложил специальный разрядник, препятствовавший возврату энергии из антенны в колебательный контур. При этом колебания в антенне затухали слабо и почти вся энергия излучалась в виде радиоволн.
Дальнейшим шагом в развитии радиоустройств было применение незатухающих радиоволн, возбуждаемых дуговыми генераторами и машинными генераторами высокой частоты. Удачные образцы машин высокой частоты индукторного типа построил в 1912—34 В. П. Вологдин. При помощи машин Вологдина в 1925 впервые была осуществлена радиосвязь между Москвой и Нью-Йорком. В начале 20-х гг. О. В. Лосев применил для генерирования электромагнитных колебаний кристаллический детектор.
Коренные изменения во все области Р. внесло развитие и применение электронных ламп. В первом ламповом детекторе, предложенном Дж. А. Флемингом (1904), был использован эффект Эдисона — одностороннее прохождение электрического тока в вакууме от накалённой нити (катода) к металлической пластинке (аноду). Но этот детектор, как и приёмная трёхэлектродная лампа Л. де Фореста, уступал по чувствительности кристаллическому детектору, который широко применялся до середины 20-х гг. и вышел из употребления лишь после усовершенствования усилительных радиоламп. Ламповый генератор незатухающих колебаний был изобретён почти одновременно несколькими учёными. Приоритет (1913) принадлежит А. Мейснеру (Германия; см. Генераторная лампа). Существенный вклад в теорию и разработку электронных ламп и схем с их применением внесли М. В. Шулейкин, И. Г. Фрейман, М. А. Бонч-Бруевич, А. И. Берг, А. Л. Минц, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси и др., а также Г. Баркгаузен и Г. Мёллер. Центром исследований в области приёмно-усилительных и генераторных радиоламп в СССР была Нижегородская радиолаборатория (1918—28), вошедшая в 1928 в состав Центральной радиолаборатории. Надёжный приём незатухающих радиоволн в условиях различных помех стал возможным после появления гетеродинного метода (см. Гетеродин). Однако существенным шагом в увеличении чувствительности радиоприёмников было появление схемы регенеративного, а затем супергетеродинного (см. Супергетеродинный радиоприёмник) приёма (Э. Х. Армстронг, 1913, 1918; Л. Леви, Франция, 1918). Теория радиоприёма разработана в трудах Армстронга, а также В. И. Сифорова и многих др.
Развитие Р. сопровождалось освоением различных диапазонов радиоволн. Период от изобретения радио до освоения дуговых и машинных генераторов был связан с постепенным увеличением длины радиоволн от нескольких дм до нескольких км, потому что удлинение радиоволн обеспечивало увеличение дальности и устойчивости радиосвязи как за счёт более благоприятных условий распространения радиоволн, так и вследствие одновременного увеличения излучаемой мощности. Применение радиоламп позволило эффективно генерировать радиоволны в диапазоне от сотен м до нескольких км.
В начале 20-х гг. наряду с радиотелеграфной связью возникло радиовещание. Увеличение количества связных и вещательных радиостанций и стремление к работе на длинных волнах привело к взаимным помехам, к «тесноте в эфире» и необходимости строгого соблюдения международных соглашений о распределении радиоволн (см. Регламент радиосвязи). Радиолюбители, для которых были выделены радиоволны короче 100 м (см. Радиолюбительская связь), обнаружили возможность связи на этих волнах на больших расстояниях при помощи маломощных радиопередатчиков. Исследование законов распространения радиоволн коротковолнового диапазона позволило применить их для связи и радиовещания. Были созданы специальные радиолампы КВ и УКВ (метрового) диапазонов, специальные схемы, а также антенны, предназначенные для этих диапазонов, и фидеры для соединения антенн с передатчиками и приёмниками. Для изучения законов распространения радиоволн много сделали Б. А. Введенский, А. Н. Щукин, В. А. Фок, А. Зоммерфельд и др. Современные радиовещание осуществляется на ультракоротких, коротких, средних и длинных волнах. В создании мощных радиовещательных станций и синхронных сетей СССР занимает ведущее место в мире (А. Л. Минц и др.). Важнейшее значение приобрело появление электронного телевидения, ставшего массовым в середине 20 в. Большой объём информации при передаче движущихся изображений может быть реализован только при помощи очень высокочастотных колебаний, соответствующих метровым и более коротким волнам. Помимо телевизионного вещания, телевизионная аппаратура применяется для наблюдения за процессами, протекающими в условиях, недоступных для человека (космос, большие глубины, зоны повышенной радиации и т.п.), а также в условиях малой освещённости (при астрономических наблюдениях, при наблюдениях в ночное время и т.п.).
Особыми разделами Р. являются радиолокация и радионавигация. Радиолокация, основанная на приёме радиоволн, отражённых от объекта (цели), возникла в 30-х гг. (Ю. Б. Кобзарев, Д. А. Рожанский и др.). Её методы позволяют определять местоположение удалённых предметов, их скорость и, в некоторых случаях, опознавать отражающий объект. Успешно развивается радиолокация планет (В. А. Котельников и др.). Радиолокация осуществляется при помощи наиболее коротких радиоволн (от метровых до миллиметровых). Метровые волны применяются главным образом для измерения больших расстояний, миллиметровые — для точного определения малых расстояний и обнаружения небольших объектов (в радиовысотомерах, в устройствах стыковки космических кораблей и т.п.). Радиолокация стимулировала быстрое развитие всех элементов, необходимых для генерации, излучения и приёма метровых и более коротких волн. Были созданы коаксиальные кабели и волноводы, коаксиальные и объёмные резонаторы, заменившие в этом диапазоне частот двухпроводные фидеры и резонансные колебательные контуры. Возникли остронаправленные антенны, в том числе многоэлементные, снабженные специальными отражателями или представляющие собой параболоиды, достигающие в диаметре нескольких десятков м. Специальные переключатели позволили использовать одну антенну одновременно для передачи зондирующих импульсов и для приёма импульсов, отражённых от цели. Для радиолокационных станций были разработаны специальные радиолампы — триоды с электродами плоской формы и коаксиальными выводами, приспособленные для работы с коаксиальными резонаторами, а также радиолампы, основанные на новых принципах: магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и лампы обратной волны. См. также Сверхвысоких частот техника.
Дальнейшее развитие в связи с потребностями радиолокации получили кристаллические детекторы, на основе которых были созданы полупроводниковые диоды. Их усовершенствование привело к появлению транзисторов, а впоследствии к разработке полупроводниковых микросхем (плёночных и интегральных), к созданию полупроводниковых параметрических усилителей и генераторов. Успехи полупроводниковой электроники обусловили вытеснение в большинстве областей Р. радиоламп полупроводниковыми элементами. Появились более совершенные электроннолучевые приборы, в том числе снабженные многоцветными экранами, что способствовало появлению цветного телевидения. Потребности радиолокации стимулировали развитие квантовой электроники и криогенной электроники (см. Криоэлектроника).
Радионавигация и близкая к ней радиогеодезия, прошедшие длинный путь развития (А. С. Попов, 1897; Н. Д. Папалекси, 1906, 1930; И. И. Ренгартен, 1912; Д. И. Мандельштам, 1930), — необходимые средства морской, воздушной и космической навигации, картографии и геодезические съёмки. Радиометоды позволяют определять положение и скорость объектов наблюдения с наивысшей точностью (погрешность в ряде случаев не превышает миллионной или даже стомиллионной доли измеряемой величины). Различают пассивные методы радионавигации, когда на подвижном объекте имеются лишь устройства, принимающие сигналы опорных наземных радиостанций, и активные, использующие радиолокацию. В практику вошли преимущественно пассивные и комбинированные радионавигационные системы. Однако, например, посадка космических аппаратов на Луну и планеты Солнечной системы обеспечивается автономными активными системами, получающими с Земли лишь исходные команды (см. Телемеханика).
Современная Р. характеризуется проникновением практически во все области человеческой деятельности. Радиосвязь при помощи обычного и быстродействующего буквопечатающего телеграфирования, радиотелефонная связь и передача изображений, чертежей, рисунков, газетных матриц, факсимиле стали доступными при любых расстояниях. Развитие космических исследований потребовало обеспечения надёжной радиосвязи с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и автоматическими космическими аппаратами, направленными к планетам или находящимися на их поверхности, передачи научной информации и изображений на Землю и передачи команд для управления этими аппаратами. Общеизвестно значение Р. в обеспечении космических полётов человека. С другой стороны, ИСЗ сами входят в состав линий связи в качестве ретрансляционных станций для осуществления надёжной связи между удалёнными пунктами, для передачи телевизионных программ, сигналов точного времени и т.п. (см. Космическая связь). Ввиду того, что ультракороткие волны плохо огибают земную поверхность, для передачи телевизионных изображений и для дальней связи используются радиорелейные линии, специальные высокочастотные кабельные линии и цифровые ретрансляторы (репитеры), в том числе установленные на ИСЗ.
Методы Р. лежат в основе действия многих систем автоматического управления, регулирования автоматического и обработки информации. Сложный комплекс элементов Р. представляют собой ЭВМ, совершенствующиеся вместе с развитием элементной базы Р.
Р. широко применяется в промышленности и народном хозяйстве. Высокочастотный нагрев используется для плавки особо чистых металлов в условиях вакуума и в атмосфере инертных газов, а также с успехом применяется для закалки поверхностей стальных деталей, для сушки древесины, керамики и зерна, для консервирования и приготовления пищи, в медицинских целях и т.д.
Р. тесно переплелась с различными областями науки. Примером может служить радиометеорология, изучающая влияние метеорологических процессов (движение облаков, выпадение осадков и т.п.) на распространение радиоволн и применяющая методы Р., в частности радиолокацию, для метеорологических исследований. Первым радиометеорологическим прибором был грозоотметчик Попова. При помощи этого прибора Попов изучал явления, сопровождающие грозы, чем, по существу, положил начало радиометеорологии.
Исследования атмосферных радиопомех привели к возникновению радиоастрономии (К. Янский, США, 1931), которая располагает средствами наблюдения небесных объектов на расстояниях, недоступных оптическими телескопам. Радиотелескопы сделали возможным открытие пульсаров, подробное исследование невидимого ядра нашей Галактики, квазаров, солнечной короны, поверхности Солнца и др.
Радиотехнические методы и устройства применяются при создании приборов и устройств для научных исследований. Ускорители заряженных частиц представляют собой, по существу, мощные генераторы радиочастотных колебаний с блоками модуляции, линиями передачи и специальными резонаторами, в которых происходит процесс ускорения частиц. Большая часть установок для исследования элементарных частиц и космических лучей представляет собой сложные радиотехнические схемы и блоки, позволяющие идентифицировать частицы по наблюдаемым результатам их взаимодействия с веществом. Сложные системы обработки данных, зачастую содержащие ЭВМ, позволяют вычислять энергию, заряд, массу и др. характеристики частиц. Методы изотопного анализа и магнитометрии, опирающиеся на Р., используются в археологии для объективного измерения возраста археологических объектов. Радиоспектроскопы различного типа, в том числе для исследований электронного, ядерного и квадрупольного резонансов, являются радиотехническими приборами, применяемыми в физике, химии и биологии при определении характеристик атомных ядер, атомов и молекул, при изучении химических реакций и биологических процессов (см. Радиоспектроскопия).
На основе развития Р. возникли электроакустика, изучающая и реализующая практические процессы преобразования звука в электрические колебания и обратно, различные системы звукозаписи и воспроизведения (магнитная и оптическая запись звука), а также системы, использующие ультразвук в технике (ультразвуковая связь под водой, обработка материалов, очистка изделий), медицине и т.п. Аппаратура, применяемая в ультразвуковой технике, является, по существу, радиоаппаратурой (генераторы, преобразователи, усилители и т.п.)
Р. породила мощную радиопромышленность, выпускающую радиоприёмники и телевизоры массового применения, связные, радиовещательные и телевизионные станции, аппаратуру магистральных линий связи, промышленное и научное радиооборудование, радиодетали и т.п.
Большую роль в развитии Р. играет деятельность международных и межгосударственных радиотехнических союзов и обществ, издание научных периодических журналов. Международный научный радиосоюз (МНРС) — один из старейших научных союзов; он объединяет ведущие научные организации многих стран. Сов. учёные активно участвуют в работе союза с 1957. МНРС каждые три года проводит Генеральные ассамблеи, подводящие итоги развития Р. и формулирующие её новые актуальные задачи. МНРС также систематически проводит тематические симпозиумы. Важнейшие межгосударственные организации, регламентирующие деятельность стран-участниц в области радиосвязи и радиовещания, — Международный консультативный комитет по радио (МККР) и Международная комиссия по распределению радиочастот (МКРЧ), в их работе активно участвует Сов. Союз.
Массовая организация в области Р. в СССР — Научно-техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова, секции и местные организации которого работают во многих городах всех союзных республик. Из зарубежных радиотехнических обществ наиболее известен институт инженеров в области электроники и электротехники (IEEE; США). В СССР регулярно издаются общесоюзные журналы «Радиотехника и электроника», «Радиотехника», «Радио». За рубежом вопросам Р. посвящены периодические издания: «IEEE Proceedings», «L'Onde Electrique», «QST», «Alta Frequenza», «Hochfrequenztechnik und Elektroakustik», «Wireless Engeneer» и др.

Информация взята из сайта http://www.cultinfo.ru