Файл: Теоретические основы радиотехники. Идеи и достижения отечественных исследователей.docx
Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 194
Скачиваний: 11
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
предназначение передачи для одного получателя, например, на борту судна, или для широкой аудитории. (В английском языке термин «broadcast» используется в сельском хозяйстве в смысле операции по разбрасыванию семян в разных направлениях. Это слово Чарльз Геррольд применил для обозначения трансляции для широкой аудитории.) Чарльз Геррольд не утверждает, что первым передал человеческий голос по радио, а то, что он первым начал радиовещание. Чтобы радиосигнал распространялся во всех направлениях, он разработал всенаправленную антенну, которую он монтировал на крышах различных зданий в Сан–Хосе. Геррольд также претендует на звание первого радиовещателя, принимающего рекламные объявления.
Появление радиопередатчиков, как показало кораблекрушение «Титаника», было необходимо прежде всего на судах – многих пассажиров парохода можно было бы спасти, если бы на всех находившихся поблизости судах были радиоустановки и правильно велась служба радиосвязи. В связи с катастрофой была созвана Международная конференция по охране человеческой жизни на море, которая подготовила соглашение, требующее обеспечения круглосуточной работы судовых радиостанций. После этого беспроводной телеграф с искровым передатчиком стал повсеместно устанавливаться на больших судах.
С внедрением радиостанций в массовое производство, у компаний– производителей появились свободные денежные средства, которые можно было задействовать в дальнейших научных исследованиях радиотехники.
Так, на деньги, полученные от прибыли своей компании, Гильельмо Маркони создал комплекс для дуплексной трансатлантической беспроводной связи между Северной Америкой и Европой. В то же время инженеры–
исследователи занимались теоретическими изысканиями в области передачи кодированного сигнала. Одним из первых изобретателей модуляции сигнала был Джоном Реншоу Карсон, который изобрел однополосную амплитудную модуляцию.
Несмотря на то, что теоретическое обоснование распространения электромагнитных волн (как обобщенного случая радиоволн) уже было дано в конце XIX века, основные открытия в области радиотехники происходили в XX веке. беспроводной связь радио телеграфия
Радиотехника, основанная на применении электродных ламп, завоевала главенствующее положение в третьем десятилетии (1915–1924 гг.). Первоначально развитие приемно–усилительной аппаратуры с использованием электронных ламп диктовалось потребностями военного времени.
В 1922 году О. В. Лосев начал опыты по применению кристаллических приборов для усиления и генерации колебаний. В этом же году радиолюбителями открыто свойство коротких волн распространяться на любые расстояния благодаря преломлению в верхних слоях атмосферы и отражению от них.
Следующее десятилетие характерно бурным количественным ростом производства радиовещательных и началом практического освоения телевизионного приема сигналов. Бурное развитие средств радиосвязи привело к появлению большого количества радиоизлучающих средств в достаточно узком диапазоне волн, что привело к появлению помех радиоприему. Для борьбы с помехами необходимо было не только повышать избирательность и чувствительность приемников, но и осваивать новые более широкие по полосе пропускания диапазоны волн. В результате плодотворных научных изысканий в 30–е годы прошлого столетия осваиваются метровые радиоволны, распространяющиеся в пределах прямой видимости, прямолинейно, не огибая земной поверхности. Именно в этот период начала создаваться наука о радиоприеме и радиоприемных устройствах, объединяющая в себе творческие и инженерно–прикладные решения.
В 1934 году Э. Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ), позволившую избавиться от помех и обеспечивавшую высококачественное воспроизведение звука радиоприемника и передачу полного диапазона слышимости человеческого уха – звуков от барабана до флейты, в диапазоне от 50 Гц до 15 000 Гц.
Серьезным препятствием прогрессу радиоприемной техники служили свойства триода, ограничивавшие возможность усиления колебаний на длинных и особенно коротких волнах. Появление в тридцатых годах тетродов, а затем и пентодов открыли новые перспективы в развитии радиоприемной аппаратуры. Приемники, выполненные на пентодах, имели хорошую чувствительность даже без применения регенерации. Совершенно в новом свете представился принцип супергетеродинного приема. Работы Стрэтта в США, Сифорова в СССР создали теорию супергетеродина для приема длинных и коротких волн. Эта теория применяется и в настоящее время. Успешному применению супергетеродинных приемников содействовал выпуск специальных многосеточных ламп для преобразования частоты. Были внедрены электродинамические громкоговорители, которые резко повысили акустические качества радиоприема. С 1935 года расширились теоретические и экспериментальные исследования в области сверхвысоких частот. Разрабатывалась теория симметричных и коаксиальных линий. Существенный вклад в эту область внес советский ученый А. А. Пистолькорс. Затем были предложены конструкции и обосновано применение объемных резонаторов и волноводов. В качестве электронного прибора для гетеродинов ультракоротких волн был создан клистрон. Наконец, благодаря работам Армстронга, Кобси, Сифорова и других была внедрена частотная модуляция на ультракоротких волнах. Все эти научные достижения положили основу для разработки приемников метрового, дециметрового, сантиметрового, а затем и миллиметрового диапазонов волн.[5]
Освоению ультракоротковолновой аппаратуры сопутствовало появление новых областей радиотехники: дальней радиорелейной связи и радиолокации. В качестве теоретической базы для проектирования радиорелейной приемной и передающей аппаратуры использовались научные достижения в области многоканального телефонного уплотнения линий проводной связи, т. к. техника уплотненных передач по проводам достигла к этому времени широкого развития.
Радиолокация (в том числе и локационный прием) стала возможной с развитием техники сверхвысоких частот. Однако этого было недостаточно. Потребовалась глубокая разработка еще одной отрасли науки, которая получила название «импульсная техника» и которая базируется на изучении переходных процессов в цепях радиоаппаратуры. Интересы радиолокации потребовали расширения знаний в области антенн сверхвысоких частот.
В послевоенное время радиотехника начинает развиваться ускоренными темпами. Обобщение научных и практических достижений привело к тому, что эти достижения уже не охватывались старым понятием «радиотехника» – пришлось говорить о чрезвычайно обширной науке – радиоэлектронике, в которую с каждым годом входили и входят новые отрасли знаний и применений. Отдельные отрасли радиоэлектроники, такие как радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, радионавигация, телеметрия, телеуправление, радиоастрономия и др., предъявляют свои специфические требования к радиоприемным устройствам. В каждой из этих областей используется не один, а несколько диапазонов радиоволн, что вносит еще большее разнообразие на пути совершенствования техники радиоприема.
Изобретение устройств для радиопередачи наглядно продемонстрировало возможность беспроводной передачи данных, однако для успешного практического применения данного изобретения были необходимы более совершенные алгоритмы передачи, более надежная и энергоэффективная элементная база.
В связи с вышеизложенным, развитие научной мысли в области радиотехники можно разделить на следующие направления: исследование новых сред передачи информации; развитие методов и алгоритмов обработки информации; развитие схемотехники радиоустройств.
Рассмотрим ретроспективу научных открытий в области радиотехники как процесс развития радиотехники через научные революции:
2
Следует отметить, что прикладное применение научных открытий в области радиотехники позволило осуществить целый научный прорыв в других областях знания, а также открыть новые области знания. Например при помощи исследований в области радиотехники появились радиомодуляция, радиолокация, телевидение, микроэлектроника и многое другое.
С изобретением телевидения и интернета телеграфия по радио не исчезает, напротив, степень её автоматизации увеличивается. От наземных линий связи 1930–х годов к телетайпам автоматизированного кодирования, затем эти средства были адаптированы к импульсно–кодовому набору и автоматической маршрутизации, и наконец появился телекс. В течение тридцати лет телекс является самым дешёвым средством дальней связи, так как 25 каналов телекса занимают ту же полосу пропускания, как один голосовой канал. Для деловых и правительственных кругов важным является то, что телексом можно пересылать подписанные документы.
В XX веке начинается переход от индустриальной модели общества к постиндустриальной. В индустриальной модели, благодаря машинному производству, человечество получает все необходимое в промышленных масштабах. Радиопромышленность – не исключение. Радиолюбители получают все необходимые детали в полном объеме. Однако постепенно происходит переход к постиндустриальному обществу. Это влечет за собой не только переход к более наукоемкому производству и к увеличению доли интеллектуального труда в производстве, но и к возникновению «общества потребления». Французский философ и социолог Жан Бодрийяр считал, что
«общество потребления» сложилось в Западной Европе к началу 70–х годов XX века, а в США к началу 60–х годов XX века. По мнению Бодрийяра, в таком обществе существует излишнее изобилие и нагромождение товаров, и вся функция людей заключается в потреблении. Особое место занимают товары электроники. Они становятся доступнее, и всё большее количество людей стремится получить новые модели различных устройств.
Во второй половине XX–века происходит качественное изменение в элементной базе радиотехнических устройств. Появляются микросхемы, и происходит постепенная миниатюризация приборов. Стремительными темпами развивается компьютерная техника, которая позволяет радиотехнике получить новые методы и инструменты в конструировании различных устройств. Но одновременно с этим, уменьшается количество людей, которые хотят заниматься созданием и обслуживанием новых устройств. К началу 90–х годов XX в. США интерес к радиолюбительской электронике начинает падать. Закрывается радиожурнал Ham Radio, который издавался с 1968 года. Закрывается фирма Heath, которая была одним из крупнейших производителей наборов для домашнего изготовления техники. Это свидетельствует о важном психологическом моменте у человека: «проще и быстрее купить, чем собирать самому». Нарушается важная взаимосвязь. Подростки, которые занимались радиолюбительской схемотехникой, в последствие учились в университетах и становились учеными или радиоинженерами, теперь покупают устройства связи и не стремятся разбираться в их конструкции.
В значительной степени инженерная деятельность была связана с изобретательством и конструированием. В XX веке были сформулированы общие положения теории решения творческих задач. Появилась возможность обучения навыкам творческого труда, так как изобретение – это не только «творческий полет», но и большое количество рутинной работы. Однако из– за мнимого изобилия товаров и услуг меняется отношение к труду и творчеству. Стоит отметить, что творческая деятельность издавна была доступна лишь немногим людям.
В современных реалиях творческая деятельность, в том числе и инженерное творчество, становится прерогативой ещё более узкого круга людей. Основная масса потребителей не испытывает интереса и участия к науке или искусству. Отношение к действительному миру у таких людей определяется как любопытство. Примером такого чувства может служить любопытство к популярным научным и техническим достижениям. Но это носит поверхностный характер. Вникнуть в глубину проблемы могут лишь немногие представители творческого класса. Тем не менее, стоит отметить феномен потери уникальности продукта творчества и возникновение массового коллективного творческого процесса. По мнению Вальтера Беньямина, аутентичность и оригинальность теряют свой смысл, когда художник начинает использовать такие методы, которым изначально присуща множественность.
Появление радиопередатчиков, как показало кораблекрушение «Титаника», было необходимо прежде всего на судах – многих пассажиров парохода можно было бы спасти, если бы на всех находившихся поблизости судах были радиоустановки и правильно велась служба радиосвязи. В связи с катастрофой была созвана Международная конференция по охране человеческой жизни на море, которая подготовила соглашение, требующее обеспечения круглосуточной работы судовых радиостанций. После этого беспроводной телеграф с искровым передатчиком стал повсеместно устанавливаться на больших судах.
С внедрением радиостанций в массовое производство, у компаний– производителей появились свободные денежные средства, которые можно было задействовать в дальнейших научных исследованиях радиотехники.
Так, на деньги, полученные от прибыли своей компании, Гильельмо Маркони создал комплекс для дуплексной трансатлантической беспроводной связи между Северной Америкой и Европой. В то же время инженеры–
исследователи занимались теоретическими изысканиями в области передачи кодированного сигнала. Одним из первых изобретателей модуляции сигнала был Джоном Реншоу Карсон, который изобрел однополосную амплитудную модуляцию.
2.3 Формирование научных основ радиотехники
Несмотря на то, что теоретическое обоснование распространения электромагнитных волн (как обобщенного случая радиоволн) уже было дано в конце XIX века, основные открытия в области радиотехники происходили в XX веке. беспроводной связь радио телеграфия
Радиотехника, основанная на применении электродных ламп, завоевала главенствующее положение в третьем десятилетии (1915–1924 гг.). Первоначально развитие приемно–усилительной аппаратуры с использованием электронных ламп диктовалось потребностями военного времени.
В 1922 году О. В. Лосев начал опыты по применению кристаллических приборов для усиления и генерации колебаний. В этом же году радиолюбителями открыто свойство коротких волн распространяться на любые расстояния благодаря преломлению в верхних слоях атмосферы и отражению от них.
Следующее десятилетие характерно бурным количественным ростом производства радиовещательных и началом практического освоения телевизионного приема сигналов. Бурное развитие средств радиосвязи привело к появлению большого количества радиоизлучающих средств в достаточно узком диапазоне волн, что привело к появлению помех радиоприему. Для борьбы с помехами необходимо было не только повышать избирательность и чувствительность приемников, но и осваивать новые более широкие по полосе пропускания диапазоны волн. В результате плодотворных научных изысканий в 30–е годы прошлого столетия осваиваются метровые радиоволны, распространяющиеся в пределах прямой видимости, прямолинейно, не огибая земной поверхности. Именно в этот период начала создаваться наука о радиоприеме и радиоприемных устройствах, объединяющая в себе творческие и инженерно–прикладные решения.
В 1934 году Э. Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ), позволившую избавиться от помех и обеспечивавшую высококачественное воспроизведение звука радиоприемника и передачу полного диапазона слышимости человеческого уха – звуков от барабана до флейты, в диапазоне от 50 Гц до 15 000 Гц.
Серьезным препятствием прогрессу радиоприемной техники служили свойства триода, ограничивавшие возможность усиления колебаний на длинных и особенно коротких волнах. Появление в тридцатых годах тетродов, а затем и пентодов открыли новые перспективы в развитии радиоприемной аппаратуры. Приемники, выполненные на пентодах, имели хорошую чувствительность даже без применения регенерации. Совершенно в новом свете представился принцип супергетеродинного приема. Работы Стрэтта в США, Сифорова в СССР создали теорию супергетеродина для приема длинных и коротких волн. Эта теория применяется и в настоящее время. Успешному применению супергетеродинных приемников содействовал выпуск специальных многосеточных ламп для преобразования частоты. Были внедрены электродинамические громкоговорители, которые резко повысили акустические качества радиоприема. С 1935 года расширились теоретические и экспериментальные исследования в области сверхвысоких частот. Разрабатывалась теория симметричных и коаксиальных линий. Существенный вклад в эту область внес советский ученый А. А. Пистолькорс. Затем были предложены конструкции и обосновано применение объемных резонаторов и волноводов. В качестве электронного прибора для гетеродинов ультракоротких волн был создан клистрон. Наконец, благодаря работам Армстронга, Кобси, Сифорова и других была внедрена частотная модуляция на ультракоротких волнах. Все эти научные достижения положили основу для разработки приемников метрового, дециметрового, сантиметрового, а затем и миллиметрового диапазонов волн.[5]
Освоению ультракоротковолновой аппаратуры сопутствовало появление новых областей радиотехники: дальней радиорелейной связи и радиолокации. В качестве теоретической базы для проектирования радиорелейной приемной и передающей аппаратуры использовались научные достижения в области многоканального телефонного уплотнения линий проводной связи, т. к. техника уплотненных передач по проводам достигла к этому времени широкого развития.
Радиолокация (в том числе и локационный прием) стала возможной с развитием техники сверхвысоких частот. Однако этого было недостаточно. Потребовалась глубокая разработка еще одной отрасли науки, которая получила название «импульсная техника» и которая базируется на изучении переходных процессов в цепях радиоаппаратуры. Интересы радиолокации потребовали расширения знаний в области антенн сверхвысоких частот.
В послевоенное время радиотехника начинает развиваться ускоренными темпами. Обобщение научных и практических достижений привело к тому, что эти достижения уже не охватывались старым понятием «радиотехника» – пришлось говорить о чрезвычайно обширной науке – радиоэлектронике, в которую с каждым годом входили и входят новые отрасли знаний и применений. Отдельные отрасли радиоэлектроники, такие как радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, радионавигация, телеметрия, телеуправление, радиоастрономия и др., предъявляют свои специфические требования к радиоприемным устройствам. В каждой из этих областей используется не один, а несколько диапазонов радиоволн, что вносит еще большее разнообразие на пути совершенствования техники радиоприема.
Изобретение устройств для радиопередачи наглядно продемонстрировало возможность беспроводной передачи данных, однако для успешного практического применения данного изобретения были необходимы более совершенные алгоритмы передачи, более надежная и энергоэффективная элементная база.
В связи с вышеизложенным, развитие научной мысли в области радиотехники можно разделить на следующие направления: исследование новых сред передачи информации; развитие методов и алгоритмов обработки информации; развитие схемотехники радиоустройств.
Рассмотрим ретроспективу научных открытий в области радиотехники как процесс развития радиотехники через научные революции:
2
-
1906. Ли де Форрест (США) – электровакуумная радиолампа. -
1928. Х. Блэк (США) – усилитель с отрицательной обратной связью. -
1928. Г. Найквист (США) – «Критерий Найквиста» (возможность передачи со скоростью 2 Бод на1 Гц) [Nуquist Н. Gertain topics in trаnsmission theory // Тгаns. Аm. IEЕ, 1928, 47, №2, р.б17–644]. -
1933. В.А. Котельников (Россия) – «Теорема Котельникова» (возможность точно восстановить аналоговый сигнал U(t) по его отсчетам, взятым в точках tк = k∆t, к =..–2, –1, О, 1, 2, 3,...). 3 -
1930–е годы – теория модуляции, теория распространения радиоволн. -
1947. Д. Бардин, У. Браттайн (США) – точечный транзистор. -
1949. Шокли (США) – плоскостной транзистор. -
1930–1940 годы – радио– и гидролокация. -
1950–е гг. – компьютер. -
1940–1950–е годы – телевидение. -
1957. СССР – искусственные спутники Земли. -
1960–е годы – оптоэлектроника. -
1970–е годы – акустоэлектроника. -
1980–е годы – волоконно–оптические системы передачи информации. -
1980–е годы – интегральная схемотехника, миниатюризация. -
1970–1990–е годы – сверхпроводимость (прогноз – научно– техническая революция после 2020 г.).
Следует отметить, что прикладное применение научных открытий в области радиотехники позволило осуществить целый научный прорыв в других областях знания, а также открыть новые области знания. Например при помощи исследований в области радиотехники появились радиомодуляция, радиолокация, телевидение, микроэлектроника и многое другое.
С изобретением телевидения и интернета телеграфия по радио не исчезает, напротив, степень её автоматизации увеличивается. От наземных линий связи 1930–х годов к телетайпам автоматизированного кодирования, затем эти средства были адаптированы к импульсно–кодовому набору и автоматической маршрутизации, и наконец появился телекс. В течение тридцати лет телекс является самым дешёвым средством дальней связи, так как 25 каналов телекса занимают ту же полосу пропускания, как один голосовой канал. Для деловых и правительственных кругов важным является то, что телексом можно пересылать подписанные документы.
В XX веке начинается переход от индустриальной модели общества к постиндустриальной. В индустриальной модели, благодаря машинному производству, человечество получает все необходимое в промышленных масштабах. Радиопромышленность – не исключение. Радиолюбители получают все необходимые детали в полном объеме. Однако постепенно происходит переход к постиндустриальному обществу. Это влечет за собой не только переход к более наукоемкому производству и к увеличению доли интеллектуального труда в производстве, но и к возникновению «общества потребления». Французский философ и социолог Жан Бодрийяр считал, что
«общество потребления» сложилось в Западной Европе к началу 70–х годов XX века, а в США к началу 60–х годов XX века. По мнению Бодрийяра, в таком обществе существует излишнее изобилие и нагромождение товаров, и вся функция людей заключается в потреблении. Особое место занимают товары электроники. Они становятся доступнее, и всё большее количество людей стремится получить новые модели различных устройств.
Во второй половине XX–века происходит качественное изменение в элементной базе радиотехнических устройств. Появляются микросхемы, и происходит постепенная миниатюризация приборов. Стремительными темпами развивается компьютерная техника, которая позволяет радиотехнике получить новые методы и инструменты в конструировании различных устройств. Но одновременно с этим, уменьшается количество людей, которые хотят заниматься созданием и обслуживанием новых устройств. К началу 90–х годов XX в. США интерес к радиолюбительской электронике начинает падать. Закрывается радиожурнал Ham Radio, который издавался с 1968 года. Закрывается фирма Heath, которая была одним из крупнейших производителей наборов для домашнего изготовления техники. Это свидетельствует о важном психологическом моменте у человека: «проще и быстрее купить, чем собирать самому». Нарушается важная взаимосвязь. Подростки, которые занимались радиолюбительской схемотехникой, в последствие учились в университетах и становились учеными или радиоинженерами, теперь покупают устройства связи и не стремятся разбираться в их конструкции.
В значительной степени инженерная деятельность была связана с изобретательством и конструированием. В XX веке были сформулированы общие положения теории решения творческих задач. Появилась возможность обучения навыкам творческого труда, так как изобретение – это не только «творческий полет», но и большое количество рутинной работы. Однако из– за мнимого изобилия товаров и услуг меняется отношение к труду и творчеству. Стоит отметить, что творческая деятельность издавна была доступна лишь немногим людям.
В современных реалиях творческая деятельность, в том числе и инженерное творчество, становится прерогативой ещё более узкого круга людей. Основная масса потребителей не испытывает интереса и участия к науке или искусству. Отношение к действительному миру у таких людей определяется как любопытство. Примером такого чувства может служить любопытство к популярным научным и техническим достижениям. Но это носит поверхностный характер. Вникнуть в глубину проблемы могут лишь немногие представители творческого класса. Тем не менее, стоит отметить феномен потери уникальности продукта творчества и возникновение массового коллективного творческого процесса. По мнению Вальтера Беньямина, аутентичность и оригинальность теряют свой смысл, когда художник начинает использовать такие методы, которым изначально присуща множественность.