Институт радиотехнических систем и управления
Кафедра антенн и радиопередающих устройств
Княжев Валентин Валентинович
История создания конверторов Q-диапазона.
РЕФЕРАТ
По учебной дисциплине «История и философия науки»
Научный руководитель –
Д-р филос. наук, профессор кафедры философии
Богданов Владимир Владимирович
Таганрог, 2017
Содержание
Введение. 3
1. Предпосылки создания радио. 5
2.Становление и развитие беспроводной связи. 11
3.Изобретение радио А.С. Поповым и развитие отечественной радиотехники. 16
4. Формирование научных основ радиотехники. 21
5 Эволюция современных радиопередающих устройств. 26
6.Основные проблемы радиотехники. 30
7.Перспективы радиотехники. 34
Заключение. 37
Список литературы.. 39
Введение
Жизнь современного общества немыслима без обмена информацией, который осуществляется с помощью средств современной радиоэлектроники, поэтому современная радиоэлектроника является важным инструментом техники коммуникаций и связи. Понятие "радиоэлектроника" образовалось в результате объединения понятий "радиотехника" и "электроника".
Радиотехника - это область науки, использующая электромагнитные колебания радиочастотного диапазона для осуществления передачи информации на большие расстояния.
Электроника - это область науки и техники, использующая явления движения носителей электрического заряда, происходящие в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах.
Т.о. предметом является изучение явлений движения носителей электрического заряда, происходящие в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах в целях использования электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона для осуществления передачи информации на большие расстояния.
Объектами дисциплины являются способы создания, количественные и качественные показатели систем радиосвязи, радиовещания и телевидения, радиолокации и радионавигации, радиоуправления и радиотелеметрии, в медицине и биологии, в промышленности и космических проектах, а также методики измерений технических характеристик перечисленных систем.
Задачи, решаемые радиоэлектронной системой связи, определяются как передача информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний (волн).
Цель реферата – рассмотреть ретроспективу формирования научных основ радиотехники в контексте современных научных достижений в области разработки СВЧ-устройств, частотных преобразователей высокого частотного диапазона (Q-диапазона), для выявления причин сложности научных разработок СВЧ-устройств высокого частотного диапазона.
Поставленная цель предполагает решение следующих задач:
1. Исследование становления и развития радиотехники.
2. Рассмотрение основных научных достижений радиотехники.
3. Исследование процесса развития радиотехники через научные революции.
4. Исследование причин, последствий, возможных путей выхода из кризиса, отчасти связанного с падением престижа научного познания в области радиотехники.
Предпосылки создания радио
XIX век был ознаменован величайшими открытиями в области электричества и электромагнетизма, положившими начало развитию современной электротехники и радиоэлектроники.
Одним из отцов–основателей электротехники можно по праву считать итальянского ученого Александра Вольта. Именно он в 1800 году создал «элемент Вольта» — первый гальванический элемент. Он опустил в банку с кислотой две пластинки — цинковую и медную — и соединил их проволокой. После этого цинковая пластина начала растворяться, а на медной стали выделяться пузырьки газа. Вольта предположил и показал, что по проволоке протекает электрический ток.
Для удобства практического применения, Вольта придал гальваническому элементу форму вертикального цилиндра (столба), состоящего из соединённых между собой колец цинка, меди и сукна, пропитанных кислотой. Вольтов столб высотою в полметра развивал напряжение, чувствительное для человека. Изобретение А. Вольта позволило создать устройство для получения электричества достаточно большой емкости – тем самым решив одну из острых проблем ученых–исследователей того времени.
С давних времен электричество и магнетизм были известны по отдельности (первые упоминания об электричестве и магнетизме относятся к VIII веку до н.э.), однако их взаимосвязь не была доказана ни одним ученым.
Одним из первых ученых, экспериментально подтвердившим связь между электричеством и магнетизмом, был датский физик Ганс Христиан Эрстед. В 1820 году он продемонстрировал, что проволока, по которой течет электрический ток, вызывает отклонение магнитной стрелки компаса.
Эрстед на лекции в университете демонстрировал нагрев проволоки электричеством от Вольтова столба, для чего составил электрическую, или, как тогда говорили, гальваническую цепь. На демонстрационном столе находился морской компас, поверх стеклянной крышки которого проходил один из проводов. Вдруг кто–то из студентов (здесь показания свидетелей расходятся — говорят, это был аспирант, а то и вовсе университетский швейцар) случайно заметил, что, когда Эрстед замкнул цепь, магнитная стрелка компаса отклонилась в сторону. Однако существует мнение, что Эрстед заметил отклонение стрелки сам.
В пользу стороннего наблюдателя говорит то, что, во–первых, сам Эрстед был занят манипуляциями скручивания проводов, к тому же вряд ли бы он, много раз проводивший такой опыт, стал живо интересоваться его ходом.
Однако предыдущие исследования Эрстеда и его увлечённость концепцией Шеллинга говорят об обратном. В некоторых источниках даже указывается, что Эрстед якобы всюду носил с собой магнит, чтобы непрерывно думать о связи магнетизма и электричества. Возможно, это вымысел, призванный упрочить позицию Эрстеда как первооткрывателя. В самом деле, если был так озабочен проблемой, почему не попытался раньше целенаправленно поставить опыт с электрической цепью и компасом? Ведь компас — одно из наиболее очевидных практических использований магнита. Тем не менее, нельзя отрицать, что над проблемой связи электричества и магнетизма он задумывался, как и над проблемами связи других явлений, между которыми никакой связи не было.
Для начала Эрстед повторил условия своего лекционного опыта, а затем стал их менять. И обнаружил следующее: «Если расстояние от проволоки до стрелки не превосходит 3/4 дюйма, отклонение составляет 45°. Если расстояние увеличивать, то угол пропорционально уменьшается. Абсолютная величина отклонения изменяется в зависимости от мощности аппарата».
В дальнейшем экспериментатор решает проверить действие проводников из различных металлов на стрелку. Для этого берутся проволоки из платины, золота, серебра, латуни, свинца, железа. И происходит необъяснимое! Металлы, которые никогда не обнаруживали магнитных свойств, приобретали их, когда через них протекал электрический ток.
Эрстед стал экранировать стрелку от провода стеклом, деревом, смолой, гончарной глиной, камнями, диском электрофора. Экранирование не состоялось. Стрелка упорно отклонялась. Отклонялась даже тогда, когда её поместили в сосуд с водой. Последовал вывод: «Такая передача действия сквозь различные вещества не наблюдалась у обычного электричества и электричества вольтаического».
Когда соединительную проволоку Эрстед ставил вертикально, то магнитная стрелка совсем не указывала на неё, а располагалась как бы по касательной к окружности с центром по оси проволоки. Исследователь предложил считать действие проволоки с током вихревым, так как именно вихрям свойственно действовать в противоположных направлениях на двух концах одного диаметра.
Ознакомившись с работой Эрстеда, английский физик–экспериментатор Майкл Фарадей обнаружил вращение магнита вокруг проводника с током и вращение проводника с током вокруг магнита. Через 10 лет он открыл явление электромагнитной индукции, исследовал явление самоиндукции и экстратоки замыкания–размыкания. Фарадей дал представление о силовых линиях, которые считал существующими, высказал мысль о том, что распространение электромагнитных взаимодействий есть процесс волновой, распространяющийся с конечной скоростью. Фарадей дал математическое описание явления электромагнитной индукции (закон Фарадея), которое впоследствии стало одним из четырех уравнений Максвелла. Фарадей предположил, что в пространстве вокруг проводника с током действуют особые электромагнитные силы, но не завершил работ, связанных с этим предположением.
В 1861 – 1865 годах британский физик, математик и механик Джеймс Максвелл продолжил работу Фарадея, путем проведения ряда экспериментов с электромагнитными волнами и создания на их основе теории электромагнитного поля, которую сформулировал в виде системы из четырех дифференциальных уравнений в частных производных (уравнения Максвелла). Из них следовала возможность существования электромагнитного поля, способного распространяться в пространстве в виде электромагнитной волны, частным случаем которой является световая волна. Максвелл пришел к выводу о электромагнитной природе света (1865) и показал, что скорость распространения электромагнитных волн в вакууме равна скорости света.
В 1872 году американский изобретатель Малон Лумис получил первый в мире патент на устройство беспроводной связи – радиотелеграф. Это устройство было способно передавать радиосигнал на расстояние до 20 км, что было продемонстрировано изобретателем в октябре 1872 года в штате Вирджиния.
28 ноября 1875 американский инженер Томас Эдисон объявил прессе, что в ходе экспериментов с телеграфом он замечал явление, которое он назвал «эфирными силами».[1] Однако, данная теория не была признана научным сообществом, и Эдисон не стал продолжать свои исследования в этой области.
В 1878 году английский и американский изобретатель Дэвид Хьюз запатентовал устройство для передачи и приема радиоволн, на основании открытой им зависимости между шумами в приемнике телефона и воздействием на него индуктивного маятника. Впоследствии это изобретение получило название «микрофон Хьюза».
В 1884 году итальянец ФемистоклКальчецци–Онести изобрёл трубку, наполненную железными опилками, названную впоследствии «когерер». Это изобретение послужило прообразом электрических коммутаторов, без которых радиовещание невозможно.
В 1885 году Т. Эдисон получил патент на систему радиосвязи между судами, который он затем продал Гульельмо Маркони.
Электромагнитные волны радиодиапазона (λ = 6 м, f = 500 МГц) впервые были получены и изучены немецким физиком и естесствоиспытателем Генрихом Герцем в 1886–1889 гг. Он их генерировал и излучал при помощи вибратора, возбуждаемого искровым разрядом. Во втором вибраторе под действием принимаемой волны проскакивала искра.
Г. Герц показал, что электромагнитные волны способны отражаться, преломляться, интерферировать и поляризоваться, подобно световым волнам. Таким образом, он продемонстрировал, что радиоизлучение обладает всеми свойствами волн, которые стали называть электромагнитными волнами или волнами Герца. Он обнаружил, что уравнения, описывающие электромагнитное поле, можно переформулировать в виде дифференциального уравнения в частных производных, названного волновым уравнением.[2] Однако Герц не предвидел возможности применения электромагнитных волн для передачи информации. Интересно, что идея использования электромагнитных явлений для передачи сигналов принадлежит еще А. Амперу.
Существенную роль в опытах Герца играло явление электрического резонанса, исследованное норвежцем Бьеркнесом (1890–1891). Формула для определения резонансной частоты колебательного LC–контура при отсутствии затухания:
(1)
Она была получена еще в 1853 г. У. Томсоном (лорд Кельвин) в связи с решением проблем, возникших при прокладке телеграфного трансатлантического кабеля. Француз Э. Бранли обнаружил (1890) и изучил явление уменьшения сопротивления металлического порошка при воздействии на него электрических колебаний и восстановлении исходного высокого сопротивления при встряхивании. Лабораторный прибор для демонстрации этого явления Э. Бранли назвал радиокондуктором, впервые введя в оборот термин “ радио ”.[3]
Также известны другие изобретатели устройств для радиопередачи. В 1885—1892 гг. фермер из Кентукки Натан Стаблфилд претендовал на изобретение радио, но его устройство, похоже, работало на индуктивном принципе, а не на приёме–передаче радиосигнала. В 1893—1894 годах Бразильский священник и ученый Роберто де Мора провел эксперименты по беспроводной связи, но не опубликовал свои достижения до 1900 года.