ВВЕДЕНИЕ
Современная радиотехника является мощным средством технического прогресса. Радиотехника проникла во все области народного хозяйства, в науку, технику, культуру и быт. Для радиотехники существует три научно-технические проблемы:
1. Генерирование электромагнитного поля посредством устройств, называемых генераторами, или передающими устройствами.
2. Передача электромагнитного поля от генератора к потребителю через разделяющих их среду, которая может быть названа линией передачи.
3. Использование отправленного передающим устройством электромагнитного поля в территориально отдаленном пункте для тех или иных практических целей при помощи специального приемного устройства.
Одна из важнейших задач радиотехники заключается в осуществлении связи на большие расстояния с помощью излучения электромагнитных волн. С развитием различных направлений радиотехники повсеместное распространение получили радиовещание и служебная радиосвязь, все большие районы обслуживает телевидение, осуществляется устойчивая связь с судами, самолетами и космическими станциями. Средства радиотехники позволяют осуществлять межпланетную связь, а также обеспечивать дистанционное управление с Земли сложными аппаратами, предназначенными для исследования других планет. Такие области применения радиотехники, как радиолокация, радионавигация, радиотелеметрия, радиоуправление и др., еще недавно казавшиеся новейшими, стали совершенно обычными. Однако это далеко не исчерпывает всех возможностей современной радиотехники. С проникновением радиотехнических методов в давно существующие науки качественно изменился характер последних. Возникли такие науки, как радиофизика, радиоастрономия и др. Неоценимую помощь оказывает применение радиотехнических приборов и методов в экспериментальной физике, в том числе ядерной, в технике измерения любых быстропротекающих процессов различных неэлектрических величин (давления, вибраций, небольших смещений и т. д.), при изучении физики ионосферы. Со времени изобретения радио А. С. Поповым (1895 г.) и до настоящего времени все области применения радиотехники объединяет одна существенная особенность, заключающаяся в том, что во всех применениях радиотехники имеет место передача информации с помощью электромагнитных волн. Это принципиально отличает радиотехнику от электротехники. Последняя также использует передачу на расстояние (например, по высоковольтным линиям), однако в отличие от радиотехники объектом транспортировки является не информация, а энергия.
Радиотехника — это наука об электромагнитных колебаниях и отрасль техники, в которой эти колебания применяются для передачи, приема и извлечения информации, содержащейся в принимаемых сигналах.
Радио (от латинского “radiare” - излучать, испускать лучи)
1). Способ беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством электромагнитных волн (радиоволн), изобретённый русским учёным А.С. Поповым в 1895 г.;
2). Область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, лежащих в основе этого способа, и с его использованием в связи, вещании, телевидении, локации и т.д
С момента зарождения радиотехника претерпела существенный скачок и в виде различных технических устройств сопровождает человека повсеместно. К числу областей, где используется радиотехника, относятся следующие:
радиосвязь — электрическая связь, осуществляемая посредством радиоволн. Передача сообщений (сигналов) ведется с помощью радиопередатчика и передающей антенны, а прием - с помощью приемной антенны и радиоприемника;
радиотелефонная связь — электрическая связь, при которой посредством радиоволн передаются телефонные (речевые) сообщения;
радиотелеграфная связь — электрическая связь, при которой посредством радиоволн передаются дискретные сообщения - буквенные, цифровые, знаковые;
радиовещание — одно из средств массовой информации;
радиолокация — наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами;
радиоастрономия — исследование небесных тел по их радиоизлучению с помощью радиотелескопов;
радиография — исследование различных объектов (изделий, минералов, организмов и т.д.) с использованием воздействия излучения радиоактивного изотопа, прошедшего через вещество объекта;
телевидение — передача световых изображений подвижных объектов;
радиовидение — визуальное наблюдение с помощью радиоволн, отраженных или излучаемых, предметов, невидимых невооруженным глазом;
радиотелеметрия — передача на удаленные объекты сигналов и прием данных, полученных при автоматических измерениях;
радиоразведка и радиопротиводействие — получение данных о радиосредствах противника и создание им помех;
радионавигация — применение радиотехнических методов и средств lля вождения судов, самолетов и других подвижных объектов;
промышленная радиоэлектроника — радиоэлектронные устройства, применяемые в промышленности и на транспорте.
Последние годы характеризуются бурным развитием средств радиосвязи, возрождением интереса к радиотехнологиям. Стремление к глобализации и персонализации, желание потребителей иметь связь в любом месте, в любое время и с любым человеком на планете вызвали появление сотовой радиосвязи с подвижными объектами, а совершенствование и удешевление схемотехники сделали экономически выгодным применение радиодоступа или, как сейчас говорят, решение проблемы «последней мили» на основе радиотехнологий.
Существенный скачок отмечается и в развитии таких традиционных радиотехнологий, как телевидение, радиовещание, радиорелейная связь. Так, например, разработаны принципы телевидения высокой четкости (ТВЧ), информационного телевидения и др.
Прогресс в области радиотехнологий достаточно широко освещается в литературе - в специальных журналах появляются статьи, издаются монографии.
Следует заметить, что в настоящее время достаточно трудно выделить области знаний, которые были бы необходимы для практической деятельности только специалистам проводной или же, наоборот, беспроводной связи. Особенно это относится к теоретическим вопросам.
Таким образом, радиотехнические устройства находят широкое применение в различных областях науки и техники. Все эти устройства объединяет одна общая особенность, связанная с тем, что в каждом из них происходит работа с информацией путем передачи, приема и обработки электрических сигналов, в качестве которых выступают электромагнитные волны.
Предметом электронной техники является теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных областей народного хозяйства. Гибкость электронной аппаратуры, высокие быстродействия, точность и чувствительность открывают новые возможности во многих отраслях науки и техники.
Радио, как уже было сказано выше, открыл великий русский учёный Александр Степанович Попов. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г., когда А.С. Попов выступил с публичным докладом и демонстрацией работы своего радиоприёмника на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге
Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа: радиотелеграфный, радиотехнический и этап собственно электроники.
В первый период (около 30 лет) развивалась радиотелеграфия и разрабатывались научные основы радиотехники. С целью упрощения устройства радиоприёмника и повышения его чувствительности в разных странах велись интенсивные разработки и исследования различных типов простых и надёжных обнаружителей высокочастотных колебаний – детекторов.
В 1904 г. была построена первая двухэлектродная лампа (диод), которая до сих пор используется в качестве детектора высокочастотных колебаний и выпрямителя токов технической частоты, а в 1906 г. появился карборундовый детектор.
Трёхэлектродная лампа (триод) была предложена в 1907 г. В 1913 г. была разработана схема лампового регенеративного приёмника и с помощью триода были получены незатухающие электрические колебания. Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции ламповыми, что практически решило проблему радиотелефонии. Внедрению электронных ламп в радиотехнику способствовала первая мировая война. С 1913 г. по 1920 г. радиотехника становится ламповой.
Первые радиолампы в России были изготовлены Н.Д. Папалекси в 1914 г. в Петербурге. Из-за отсутствия совершенной откачки они были не вакуумными, а газонаполненными (с ртутью). Первые вакуумные приёмно - усилительные лампы были изготовлены в 1916 г. М.А. Бонч-Бруевичем. Бонч-Бруевич в 1918 г. возглавил разработку отечественных усилителей и генераторных радиоламп в Нижегородской радиолаборатории. Тогда был создан в стране первый научно - радиотехнический институт с широкой программой действий, привлёкший к работам в области радио многих талантливых учёных, молодых энтузиастов радиотехники. Нижегородская лаборатория стала подлинной кузницей кадров радиоспециалистов, в ней зародились многие направления радиотехники, в дальнейшем ставшие самостоятельными разделами радиоэлектроники.
В марте 1919 г. начался серийный выпуск электронной лампы РП-1. В 1920 г. Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт, а в 1923 г. - мощностью до 25 кВт. В Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым в 1922 г. была открыта возможность генерировать и усиливать радиосигналы с помощью полупроводниковых приборов. Им был создан безламповый приёмник - кристадин. Однако в те годы не были разработаны способы получения полупроводниковых материалов, и его изобретение не получило распространения.
Во второй период (около 20 лет) продолжало развиваться радиотелеграфирование. Одновременно широкое развитие и применение получили радиотелефонирование и радиовещание, были созданы радионавигация и радиолокация. Переход от радиотелефонирования к другим областям применения электромагнитных волн стал возможен благодаря достижениям электровакуумной техники, которая освоила выпуск различных электронных и ионных приборов.
Переход от длинных волн к коротким и средним, а также изобретение схемы супергетеродина потребовали применения ламп более совершенных, чем триод.
В 1924 г. была разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетро), а в 1930 - 1931 г.г. - пентод (лампа с тремя сетками). Электронные лампы стали изготовлять с катодами косвенного подогрева. Развитие специальных методов радиоприёма потребовало создания новых типов многосеточных ламп (смесительных и частотно - преобразовательных в 1934 - 1935 г.г.). Стремление уменьшить число ламп в схеме и повысить экономичность аппаратуры привело к разработке комбинированных ламп.
Освоение и использование ультракоротких волн привело к усовершенствованию известных электронных ламп (появились лампы типа “желудь”, металлокерамические триоды и маячковые лампы), а также разработке электровакуумных приборов с новым принципом управления электронным потоком - многорезонаторных магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие радиолокации, радионавигации, импульсной многоканальной радиосвязи, телевидения и др.
Одновременно шло развитие ионных приборов, в которых используется электронный разряд в газе. Был значительно усовершенствован изобретённый ещё в 1908 г. ртутный вентиль. Появились газотрон (1928-1929 г.г.), тиратрон (1931 г.), стабилитрон, неоновые лампы и т.д
Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось разработкой и усовершенствованием различных фотоэлектрических приборов (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие телевизионные трубки) и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения.
В эти годы радиотехника превратилась в самостоятельную инженерную науку. Интенсивно развивались электровакуумная промышленность и радиопромышленность. Были разработаны инженерные методы расчёта радиотехнических схем, проведены широчайшие научные исследования, теоретические и экспериментальные работы.
И последний период (60-е-70-е годы) составляет эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой и т.д.
В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались бесцокольные (пальчиковые) и сверхминиатюрные лампы, что даёт возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.
Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Иоффе
Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германиевые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод.
В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n - переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д
Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 мвт) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 вт, а уже в 1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 вт и более. Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше 55 ¸ 70 ° С, а на основе кремния - не выше 100 ¸ 120 ° С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениеде галлия оказались работоспособными при температурах до 250 ° С, и их рабочие частоты в итоге довелись до 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 ° С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники.
Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и, что самое главное, достижения высокой надёжности работы. Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.
Основной тенденцией микроминиатюризации является “интеграция” электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверх большие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование, в частности ЭВМ и т.д
Список используемой литературы:
- Информационные технологии проектирования радиоэлектронных средств: учебное пособие для вузов / Ю. Л. Муромцев, Д. Ю. Муромцев, И. В. Тюрин [и др.]. - М.: Академия, 2010.
- Пузырев Н.М. Краткая история науки и техники: учебное пособие / Н. М. Пузырев. - 2-е изд. - Тверь: ТГТУ, 2003.
Интернет ресурсы:
- https://gigabaza.ru/doc/196004.htm
- https://extusur.net/content/1_radiotex/1.6.html
- https://www.studsell.com/view/102412/
ПРИЛОЖЕНИЕ