История развития радиотехники

Радиотехника

Введение

Первое упоминание о передаче информации на расстояние встречается в древнегреческом мифе о Тесее.

Отец Тесея – Эгей, отправляя сына на остров Крит, на битву с чудовищем Минотавром, попросил его в случае победы поднять на возвращающемся корабле белый парус, а в случае поражения – черный. Тесей убил Минотавра, но паруса перепутали, и несчастный отец, подумав, что чудовище убило сына, утопился.

В память об этом событии море, где утонул Эгей, до сих пор носит название Эгейского.

В 450 г. до н.э. древнегреческие философы Демокрит и Клеоксен предложили идею создания оптического факельного телеграфа – первую систему связи.

Разбив 24 буквы греческого алфавита в 5 строк (по 5 в каждой, кроме последней строки), ночью – при помощи факелов, а днем – флажками можно было указать, какая именно буква алфавита передается в данный момент.

Изобретение не получило широкого применения, однако, его название сохранилось до наших дней. Телеграфировать означает по-гречески «писать на расстоянии».

Первыми «системами связи» стали сторожевые посты, располагавшиеся вышках (башнях). При приближении неприятеля зажигался костер тревоги.

Увидев огонь, часовые зажигали костер на промежуточном посту.

Отдельным видом оптического телеграфирования на относительно короткие расстояния является морская семафорная азбука и флажный свод сигналов.

Идея передачи информации с помощью колебаний эфира впервые были высказаны в 1761 г. одним из величайших математиков – петербургским академиком Леонардом Эйлером (1707 – 1783 гг.).

Потребовалось целое столетие, чтобы эти идеи получили в 1861 г. строгое теоретическое подтверждение в трудах Дж. К. Максвелла (1831 - 1879, Англия) и в 1888 г. Экспериментальную проверку в лаборатории Г. Герца (1857 - 1894, Германия).

Выдающийся вклад в работы, непосредственно связанные с развитием связи, внесли: П.Л. Шиллинг (1786 ÷ 1837, Россия), М. Фарадей (1791 ÷ 1867, Англия), Э. Бранли (1844 ÷ 1940, Франция), Ф. Рейс (1834 ÷ 1874, Германия), К.Ф. Браун (1850 ÷ 1918, Германия), А.С. Попов (1859 ÷ 1906, Россия), Н. Тесла (1856 ÷ 1943, Австро-Венгрия) и многие другие изобретатели и ученые.

Основные фундаментальные вехи на пути развития связи:

телеграф (1753 г.);

телефон (1870 г.);

радио (1895 г.);

беспроволочный телеграф (1922 г.);

телевидение (1930 г.);

интернет (1969 г.);

мобильный телефон (1973 г.).

Электротехника, радиотехника и электроника Тесно связанные дисциплины, базирующиеся на фундаментальных законах физики.

Исторически сначала развивалась электротехника. По мере накопления знаний, появилась наука – радиотехника. Одновременно начала формироваться электроника.

Электротехника (Electrical engineering) – область практического применения электромагнитных явлений с целью энергетического воздействия на различные объекты (получение электрической энергии, нагрев, приведение в движение двигателей и т.п.).

Области, выделившиеся из электротехники – радиотехника, электроника, телемеханика и др.

Радиотехника (Radio engineering) – отрасль науки и техники, которая призвана решать задачи информационного воздействия для получения, преобразования, накопления, хранения, обработки и передачи информации с помощью аппаратных средств.

В каждой области техники и науки всегда можно найти определенную физическую основу. Физической основой для возможности появления радиотехники послужило электромагнитное поле.

Идея передачи информации с помощью колебаний эфира впервые были высказаны еще в 1761 г. математиком – петербургским академиком Л. Эйлером (1707 ÷ 1783 гг.).

Датский физик Ханс Кристиан Эрстед в 1820 г. экспериментально продемонстрировал, что провод, по которому течет электрический ток, отклоняет магнитную стрелку компаса, что явилось наглядным подтверждением существования прямой связи между электричеством и магнетизмом.

Французский физик Андре-Мари Ампер продемонстрировал два взаимодополняющих факта о природе электричества и магнетизма: во-первых, любой электрический ток порождает магнитное поле, во-вторых, магнитные поля оказывают силовое воздействие на движущиеся электрические заряды. Эти два закона затем легли в основу теории электромагнитного поля, разработанную Д. Максвеллом

В 1831 г. М. Фарадей в своих «Экспериментальных исследованиях по электричеству» заложил начала наших представлений о воздействии электрических токов.

21 октября 1832 г. Барон Павел Львович Шиллинг фон Канштад продемонстрировал первый в мире электромагнитный телеграф.

К середине XIX века ученые открыли целый ряд законов, описывающих электрические и магнитные явления и связи между ними. Наиболее важные из них:

закон Кулона (1785), описывающий силу взаимодействия между электрическими зарядами;

теорема Гаусса, исключающая возможность существования в природе изолированных магнитных зарядов (магнитных монополей);

закон Био-Савара, описывающий магнитные поля, возбуждаемые движущимися электрическими зарядами (также Закон Ампера и открытие Эрстеда);

законы электромагнитной индукции Фарадея, согласно которым изменение магнитного потока порождает электрическое поле и индуцирует ток в проводниках (также Правило Ленца).

Английский физик Д. Максвелл в 1864 г. пришел к мысли о единстве природы световых и электрических колебаний и математически обосновал свои выводы в знаменитом «Трактате об электричестве и магнетизме» и в 1867 г. он пришел к заключению о существовании в природе электромагнитных волн, распространяющихся со скоростью света.

Он утверждал, что видимые волны света являются только частным случаем электромагнитных волн, известным потому, что эти волны люди могут обнаруживать и искусственно создавать.

Вильям Крукс – английский физик ввел в обиход слово «радио» (латинского radius – луч). При изучении «сил отталкивания, возникающих в нагретых телах» ошибочно предполагал, что отталкивающие силы в нагретом теле происходят под воздействием тепловых сил – теплового потока. Но он все же разобрался в природе электромагнитных сил и сделал вывод, что «лучи света не могут проникать ни через стену, ни через лондонский туман, а для электрических лучей (так он называл электромагнитное излучение) все тела являются прозрачными» и первым предсказал «ошеломляющею возможность использования электрических (электромагнитных) лучей «для телеграфирования без проводов».

Эдуард Юджин Десаир Бранли предложил термин радио применять только к электромагнитным волнам. Разработал датчик (радиокондуктор), реагирующий на электромагнитное излучение. Ученый не занимался проблемами в области радиотехники. Его круг интересов – влияние электрического тока на организм человека. Датчик Бранли (рисунок 1) был изобретен как модель человеческого нерва. Иначе говоря, изобретение Бранли для радиотехники было случайным.

Датчик – стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками (порошком). Закупоренная стеклянная трубка имела два вывода, к которым подключалась батарейка. Стеклянная трубка, т.е. датчик, работал как изолятор, но если на расстоянии возникала искра достаточной мощности, то датчик начинал проводить ток.

Рисунок 1. Датчик (радиокондуктор) Бранли.

Для Э. Бранли стеклянная трубка была моделью человеческого нерва и он с помощью электрической искры пытался воздействовать на человеческий нерв электрическим током в лечебный целях. Но главное в этом открытии то, что под воздействием искры, (электрических разрядов), т.е. электромагнитного излучения «металлический порошок изменял свое сопротивление и проводил электрический ток».

К открытию электромагнитных волн имеют отношения многие ученые-физики: Максвелл, Герц, Эдисон, Томсон, Тесла. Все они, в конечном счете, имеют отношение разработке детектора электромагнитных колебаний. Кто-то теоретическими работами, другие экспериментальными опытами.

Ближе всех к этому стоял Генрих Герц, который изобрел в 1886 г. вибратор Герца (передатчик электромагнитных волн) и резонатор Герца (приемник электромагнитных волн).

Генрих Герц в 1888 г. классическими опытами установил, что при разряде конденсатора через искровой промежуток действительно возбуждаются предсказанные Д. Максвеллом электромагнитные волны, невидимые, но обладающие многими свойствами световых лучей.

Вибратор Герца (рисунок 2) представлял собой два медных проводника длиной 2,6 метра и толщиной 5 мм расположенных на одной линии. На внешних концах проводников закреплены два больших жестяных шара, на внутренних – два небольших шара, между которыми оставлен небольшой зазор – искровой промежуток.

К внешним шарам подключался источник высокого напряжения (катушка индуктивности), а между маленькими шарами возникал электрический пробой воздушного зазора (большая разность потенциалов в результате самоиндукции) и появлялась искра, т.е. электромагнитное излучение.

Проводники возбуждали электромагнитную волну, которые распространялись в пространстве. Длина и частота волны зависела от длины медных проводников

Рисунок 2. Вибратор Герца

Электромагнитная волна получена – ее нужно принять и преобразовать в вид, удобный для восприятия органами чувств человека. Такое устройство - резонатор Герца.

Резонатор Герца – металлическое круглое кольцо с разрезом и закрепленными на концах шариками. Если настроить диаметр кольца, то между шариками резонатора можно получить искру в момент срабатывания вибратора.

Г. Герц стремился получить с помощью искрового разрядника электромагнитные волны, близкие к видимым световым волнам, и ему удалось получить волны длиной 60 см. Последователи Г. Герца шли по пути увеличения длины волны.

Постепенно радиотехника овладевала всем обширным спектром радиоволн. Оказалось, что свойства радиоволн совершенно различны на разных участках спектра и зависят от сезона года, времени суток.

Электромагнитные волны длиной от 0,5 мм до 50 км в настоящее время называют радиоволнами. Они возбуждаются колебаниями тока с частотой от 6·10³ до 6·10¹¹ герц.

7 мая 1895 года воедино сошлись изобретения ученых, которых мы назвали выше. А.С. Попов продемонстрировал изобретённый им радиоприёмник на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) 1895 года. Это дата рождения радио. Что принципиально новое изобрел А.С. Попов. Справедливости ради надо сказать – ничего!

Гениальность А.С. Попова заключалась в том, что он на основе, существовавшей в то время «элементной базы», создал принципиально новое техническое устройство.

Трубка с металлическим порошком подвешена на легкой часовой пружине. Над трубкой расположен звонок, а между ними металлический молоток.

Рисунок 3. Устройство А.С. Попова

Ток батареи (4 ÷ 5 В) протекает от зажима Р к платиновой пластине А, далее через порошок трубки к пластине В и по обмотке электромагнитного реле обратно к батарее. Сила тока недостаточна для притягивания якоря реле.

Но если трубка АВ подвергнется воздействию электрического колебания, сопротивление трубки (порошка) уменьшится, ток увеличится и реле притянет якорь. Цепь в точке С замкнется, звонок начнет действовать, молоточек ударит по трубке АВ, проводимость порошка уменьшится и реле разомнется, цепь звонка в точке С будет прервана.

В таком виде прибор реагировал на электрические разряды, в частности на грозовую молнию – был грозоотметчиком. Любой вертикальный проводник был антенной для молниевого разряда.

А.С. Попов доказал, что электромагнитные волны можно обнаружить при любой дальности источника их возбуждения, если источник обладает достаточной мощностью, что дало право говорить о передаче сигналов на дальнее расстояние без проводов. В марте 1896 г. А.С. Попов продемонстрировал передачу сигналов без проводов на расстояние 250 м, передав первую в мире радиограмму из двух слов «Генрих Герц».

В том же году в опытах на кораблях была достигнута дальность радиосвязи на расстояние 640 м и 5 км.

В июне 1896 г. итальянец Г. Маркони сделал в Англии патентную заявку на аналогичное изобретение, но сведения об его опытах и приборах беспроволочного телеграфирования были опубликованы лишь через год – в июне 1897 г.

В годы первой мировой войны (1914 г.) в радиотехнике начался один из технических переворотов изобретение электронной лампы.

Впервые такую лампу с двумя электродами - накаленной нитью и анодом – предложил в 1904 г. английский ученый Джон Амброуз Флеминг как прибор для детектирования электромагнитных волн.

Истинные возможности электронной лампы были открыты в 1906 г., когда американский инженер Ли де Форест ввел в нее третий электрод – управляющую сетку. Такая лампа могла уже работать в качестве усилителя слабых колебаний, а с 1913 г. и в качестве генератора незатухающих колебаний.

Совершенствование радиопередатчика прошло через следующие этапы.

1. Искровой передатчик – вибратор Герца. Искровой разряд порождает электромагнитные колебания. Обеспечив генерацию разрядов замыканием контакта, можно передавать информацию посредством кода Морзе – точки и тире.

2. Дуговой передатчик – (1890 г., изобретатели английский инженер-электрик Вольдемар Дуддель, датский инженер Вальдемар Наульсен): горящая дуга, как вид электрического разряда, порождала мощные электромагнитные колебания.

3. Электромашинный передатчик – (1900 г., изобретатель профессор из Канады Р.О. Фессенден) источник мощных незатухающих колебаний – электромеханический генератор, который создает ток высокой частоты, подключается к антенне и излучает электромагнитные колебания.

4. Ламповый передатчик – изобретение (1913 г.), давшее настоящий расцвет радиотехники. Изобретатель А. Мейснер – инженер фирмы «Telefunken». Развитие лампового генератора на схемном уровне – генератор Хартли и генератор Колпитца.