Радиоэлектроника

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

Радиоэлектроника (см. радио(техника) + электроника) — термин, появившийся в 50-х гг. 20 в. и объединяющий обширный комплекс областей науки и техники, связанных главным образом с проблемами передачи, приёма и преобразования информации с помощью электромагнитных колебаний и волн. Методы и средства радиоэлектроники применяются в большинстве областей современной науки и техники.

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

Открытие электрических явлений легенда приписывает мудрейшему из мыслителей древней Греции Фалесу, жившему более двух тысячелетий назад. Еще в те времена в окрестностях древнегреческого города Магнезия люди находили на берегу моря камешки, притягивавшие легкие железные предметы. По имени этого города их называли магнитами (вот откуда пришло к нам слово магнит!). Фалес же находил и другие, не менее таинственные камешки, к тому же красивые и легкие. Эти привлекательные дары моря не притягивали, как магниты, железных предметов, но обладали не менее любопытным свойством: если их натирали шерстяной тряпочкой, то к ним прилипали пушинки, легкие кусочки сухого дерева, травы. Такие камешки, выбрасываемые приливами и волнами морей, мы сейчас называем янтарем. Греки янтарь называли электроном. Отсюда и образовалось впоследствии слово электричество.

В XVII в. немецкому ученому Отто Генрике удалось создать электрическую машину, извлекавшую из натираемого шара, отлитого из серы, значительные искры, уколы которых могли быть даже болезненными. Однако разгадка тайн «электрической жидкости», как в то время называли это электрическое явление, не была тогда найдена.

В середине XVII в. в Голландии, в Лейденском университете, ученые нашли способ накопления электрических зарядов. Таким накопителем электричества была «лейденская банка» (по названию университета) - стеклянный сосуд, стенки которого снаружи и изнутри оклеены свинцовой фольгой. Лейденская банка, подключенная обкладками к электрической машине, могла накапливать и долго сохранять значительное количество электричества.

 

Рис.1. Лейденская банка-конденсатор

 

Более совершенный, а главное почти непрерывный источник электрического тока изобрел в конце XVIII в. итальянский физик Александр Вольта. Между небольшими дисками из меди и цинка он помещал суконку, смоченную раствором кислоты. Пока прокладка влажная. Между дисками и раствором происходила химическая реакция, создающая в проводнике, соединяющем диски, слабый электрический ток. Соединяя пары дисков в батарею, можно было получать уже значительный электрический ток. Такие батареи называли «вольтовыми столбами». Они-то и положили начало электротехнике

Основными вехами становления радиотехники по праву считают следующие события.

В 1832 году английский физик Майкл Фарадей теоретически предсказал существование электромагнитного излучения.

В 1864 году Дж. К. Максвелл опубликовал первые из основных уравнений классической электродинамики, описывающие эволюцию электромагнитного поля и его взаимодействие с зарядами и токами.

В 1888 году возможность передачи энергии посредством электромагнитных волн показал в своём опыте немецкий физик Г.Герц, который при помощи устройства, которое он назвал вибратором, излучал электромагнитное поле на расстояние и без проводов.

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

25 апреля (7 мая) 1895 года на заседании Русского физико-химического общества в Санкт-Петербурге А.С.Попов продемонстрировал аппарат для приёма электромагнитных волн.

В 1896 году итальянский инженер Г.Маркони, получил первый патент и провёл первые опыты беспроводного телеграфирования в Лондоне.

7 мая 1895 года А.С.Попов впервые публично продемонстрировал прием и передачу радиосигналов на расстоянии около 60 м. В то время, когда в России А.С.Попов успешно завершил первые опыты по созданию системы телеграфии без проводов, а их результаты были опубликованы в одиннадцати изданиях, в Италии, как стало известно значительно позже, к подобным вопросам проявил интерес Гульельмо Маркони, ставший впоследствии известным деятелем в области радиотехники

А.С.Попов никаких заявок на свое изобретение не подавал. Он не торопился, работая 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 получил патент на свое изобретение.

Подробный доклад о работе Г.Маркони сделал почему-то не автор, а главный инженер телеграфного ведомства Великобритании В.Прис (1834–1913), оказывавший ему помощь в работах в Англии. Доклад В.Г.Приса был сделан 4 июля 1897 г. в Королевском институте и 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…»

И Маркони, и Попов активно работали над совершенствованием беспроволочной связи. Со временем удалось добиться увеличения дальности и улучшения качества связи.

Рис. 2. Схема приемника Попова, 1897 г.

Рис. 3. Передатчик Попова, 1897 г.

В 1899 году 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.

В свою очередь, Маркони 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.

Рис. 4. Приемник конструкции Маркони, 1897г.

 

Радиостанции начали использовать довольно активно — в первую очередь для связи между морскими кораблями и берегом. Военные и гражданские судна оснащались радиостанциями. Основными производителями таких станций стали британская фирма «Маркони», французская «Дюкрете» (с ней работал Попов), американская De Forest, а также немецкие компании, которые в 1903 г. создали общую фирму для выпуска радиотехники — Telefunken.

Поскольку именно Маркони первым начал коммерческое продвижение радио, то при активном содействии британского правительства его фирме удалось захватить наибольшую часть рынка. И итальянский ученый активно пользовался своим положением.

Для гражданских судов, как правило, нельзя было просто купить радиостанцию Маркони. Вместе с оборудованием непременно предоставлялся «оператор Маркони». Само собой, за отдельную регулярную плату.

Через береговые радиостанции, с которыми связывались корабли, можно было переслать сообщение в телеграфную сеть, а значит — на любой адрес на суше. Заметная часть этих «базовых станций» также принадлежала компании «Маркони». Вероятно, 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) было запрещено устанавливать связь с радиостанциями других производителей. От кораблей, оснащенных системой Попова — «Дюкрете» или Telefunken, сообщения не принимались. Технически такая связь была бы вполне возможна, но Маркони установил этот запрет для укрепления своей монополии.

Многие были возмущены таким поведением. Последней каплей стал казусный случай с братом германского кайзера Генрихом. После этого инцидента были приняты правила по используемому алфавиту (Морзе), длинам волн и условным сигналам — в частности, сигналом призыва о помощи был объявлен знаменитый SOS.

Однако компания «Маркони», потеряв «волновую монополию», не перестала быть крупнейшим игроком на рынке радиосвязи. По этой причине Никола Тесла не смог защитить в суде свои патенты, связанные с этой областью связи. Сражение против такого «денежного мешка», как компания «Маркони», оказалась ему не по силам.

В отличие от радио, изобретение такого маркетингового хода бесспорно принадлежит Маркони. А образцом для инженеров, которые, несмотря «на рыночное давление», умудряются работать спокойно и качественно, остается А.С.Попов, русский изобретатель радио. Человек, который достиг реальных результатов гораздо раньше Маркони и мог бы его «обогнать», но предпочел сначала довести работу до конца.

После изобретения радио ученые направили свои усилия на усовершенствование радиоприемников и передающих устройств, так как поняли, что беспроводная связь имеет большие перспективы. После создания электровакуумных приборов Мейснер в 1913 г. разработал первый автогенератор, с помощью которого можно было получить незатухающие электрические колебания, что было очень важным для передающей техники. В результате этих открытий в период 1920-1925 гг. началось производство различных видов ламповых радиоприемников и строительство ряда радиопередатчиков.

Радиотехника быстро развивалась. В 1930-1935 гг. был сконструирован ряд новых радиоламп: пентоды, комбинированные лампы, газотроны, тиратроны и др. Это дало 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 т.д.

Рис. 5. Электронные лампы

 

Возможность передачи речи и музыки на большие расстояния при помощи радиоволн представляло в свое время настоящее чудо.

После Первой мировой войны «чудо радиоволн» заинтриговало многих и они начали изучать «тайны» этого открытия, а некоторые и сами стали собирать радиоприемники и передатчики. Так возникло радиолюбительское движение, которое объединяет в своих рядах людей различных профессий и возрастов (как сегодня компьютер).

В начале на радиолюбителей не обращали особого внимания и, чтобы они «не мешали» служебной радиосвязи, им был предоставлен короткий диапазон (в то время длинные волны считали наиболее перспективными). Но вдруг в конце 1923 г. двое радиолюбителей установили радиосвязь между Англией и Америкой на коротких волнах, притом с помощью маломощных передатчиков. Это открытие вызвало переворот, и специалистам пришлось изменить свое отношение не только к коротким волнам, но и к радиолюбителям. Авторитет радиолюбительства повысился, что привело к международному соглашению, в соответствии с которым определенные области коротковолнового диапазона стали предоставляться радиолюбительскому движению.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Фундамент электроники был заложен трудами физиков XII - XIX в. Так, первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский ученый Франкель.

В 1743 г. Ломоносов в оде "Вечерние размышления о божьем величие" изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния. Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов 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 Лейденскую банку, установленную в жилом помещении. Одна из ее обкладок была соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленным на шесте во дворе.

В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии – В.В.Петров впервые, за несколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя угольными электродами. Работы Петрова были истолкованы только на русском языке, зарубежным ученым они не были доступны. В России значимость работ не было оценено должным образом и труды Петрова были забыты.

К первому этапу развития электроники следует отнести изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания, а также открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник.

Рис. 6. Лампа накаливания Ладыгина

 

Начало второго этапа развития электроники ознаменовалось созданием английским ученым Флемингом электровакуумного диода в 1904 году. Американский ученый Хелл уже в 1905 году 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. Особенно сильно это развитие стимулировалось военным значение радиосвязи. Поэтому 1913-1919 гг. – период стремительного развития электронной техники.

Первые в России электровакуумные приемо-усилительные радиолампы были изготовлены в 1916-1918 гг. Бонч-Бруевичем.

Для генерации мощных СВЧ колебаний в 1921 г. Хеллом был создан магнетрон. Сконструированные в 1943 г. Компфнером лампы бегущей волны (ЛБВ) обеспечили дальнейшее развитие СВЧ систем, 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.

Третий период развития электроники связан с созданием и использованием дискретных полупроводниковых приборов, начавшийся с изобретением точечного транзистора. В конечном итоге были разработаны униполярные (полевые) и биполярные транзисторы. Идеи создания полевых транзисторов появились раньше, чем биполярных, но практически внедрить эти идеи не удавалось. Успех был достигнут 23 декабря 1947 г. сотрудниками лаборатории «Белл-Телефон» - Бардиным и Браттейном, под руководством Шокли.

Рис. 7. Внешний вид транзисторов

 

Развитие микроэлектроники определяется уровнем достигнутой микротехнологии, технологическими процессами получения тонких пленок. Идею монолитной интегральной микросхемы предложил и запатентовал в 1960 г. Роберт Нойс из фирмы Fairchild, применив планарную технологию. Планарная технология Хорни и монолитная технология Нойса заложили в 1960 г. фундамент развития интегральных микросхем, сначала на биполярных транзисторах, а затем в 1965-85 гг. на полевых транзисторах и комбинациях тех и других, что послужило мощным толчком в развитии вычислительной техники и компьютеров

Рис. 8. Интегральные микросхемы

 

В процессе совершенствования микросхем увеличивалась их надежность и плотность размещенных в них элементов. Это привело к появлению больших интегральных схем (БИС), в которых на один квадратный сантиметр приходилось несколько десятков тысяч элементов. На основе БИС были разработаны ЭВМ четвертого поколения.

Благодаря БИС на одном крошечном кристалле кремния стало возможным разместить такую большую электронную схему, как процессор ЭВМ. Однокристальные процессоры впоследствии стали называться микропроцессорами. Первый микропроцессор был создан компанией Intel (США) в 1971 г. Устройство размером с палец, стоило 200 долларов и было сравнимо по своей вычислительной мощи с первой ЭВМ ENIAC, созданной в 1946 г. и занимавшей пространство объемом в 85 куб. метров. Это был 4-х разрядный микропроцессор Intel 4004, который содержал 2250 транзисторов и выполнял 60 тыс. операций в секунду. Новая технология, практически сразу, легла в основу создания программируемых калькуляторов с огромным, по тем временам (от 4-х до 64-х килобайт) объемом оперативной памяти, способных обрабатывать массивы данных и соединяться с периферийными компонентами. А микропроцессоры серий 8086 и 8088, появившиеся, соответственно, в 1978 и 1979 гг., сразу были избраны корпорацией IBM для построения архитектуры первых в мире персональных компьютеров IBM XT и PC-jr.

Компания Intel по сути стала лидером в производстве микропроцессоров. В системе рыночных отношений с жесткой конкуренцией, Intel буквально "зажата" корпорациями AMD и IBM-Cyrix, которые "преследуют" и, буквально, "наступают на пятки" в области микропрограммных технологических решений, для более дешевых, а значит высоко-конкурентных процессоров. На смену 32 разрядных процессоров архитектуры х86 пришли 64-разрядные многоядерные процессоры. В настоящее время компания Intel готовится представить настольный процессор Core i7 990X Extreme Edition. Между тем, она уже начала производство аналогичного серверного чипа Xeon X5690, который станет самым быстрым 6-ядерным процессором в мире. Xeon X5690 — это решение основанное на 32-нм архитектуре Westmere-EP и поддерживающее двухпроцессорный режим работы. Номинальная частота чипа составляет 3,46 ГГц , а в режиме Turbo Boost работа одного из ядер ускоряется до 3,6 ГГц. Шина QuickPath Interconnect имеет пропускную способность 6,4 гигапередач/с.

Радиоэлектроника — поистине «универсальная» наука, своим бурным развитием она способствует быстрому прогрессу других отраслей науки и техники. С помощью радиоэлектроники управляют самолетами и кораблями, автоматическими заводами и электростанциями, «видят» в тумане и в полной темноте, решают сложные математические уравнения, изучают звезды; радиоэлектронные приборы применяются в авиации, мореплавании, метеорологии, медицине, металлургии и во многих других областях народного хозяйства.

Более того, благодаря радиоэлектронике появились новые самостоятельные области науки. К их числу относится, например, атомная энергетика. 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 новая наука — кибернетика, развитие которой позволит полностью автоматизировать большую часть того, что делается сейчас руками человека.

Во всех странах мира развитию радиоэлектроники уделяют исключительное внимание. 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