Часть 1. Радиоэлектронные системы

XXIвек, по всей видимости, войдет во всемирную историю как век информации и информатизации, подобно тому, как ХХ век был веком электроэнергетики,XIXбыл веком пара, аXVI– веком великих географических открытий. Материальной основой, поддерживающее существование современной информационной среды, в которой протекают процессы информационного взаимодействия, служат радиоэлектронные системы.

Приступая к изучению и освоению такой актуальной и увлекательной области приложений сил и интеллекта, как радиоэлектроника, нужно, прежде всего, разобраться в смысле терминов. В том, что такое "Радиоэлектроника" и "Радиоэлектронные системы".

По современным воззрениям радиоэлектроника – это общее, собирательное название областей науки и техники, связанных с передачей, извлечением и преобразованием информации на основе использования электромагнитных колебаний и волн. Основа радиоэлектроники – это радиотехнические и электронные устройства. Методы, средства и приемы радиоэлектроники применяются во всех областях современной техники и во многих науках. Области наиболее широкого применения радиоэлектроники – это связь и передача данных, радиовещание и телевидение, радиолокация, радионавигация, радиоуправление. Радиоэлектроника тесно переплелась с вычислительной техникой, акустикой, инфракрасной и лазерной техникой.

Другое ключевое для восприятия содержания этой книжки понятие – "радиоэлектронная система". Система вообще это объединение множества элементов, находящихся в отношениях друг с другом и образующих некоторую целостность, единство. Разумеется, под такое определение подходят разные объекты от системы мироздания, до философских и лингвистических систем. Нам сейчас интересны материальные системы, объединяющие элементы неорганической природы (технические). При этом существенно, что свойства такого объединения (системы) отличаются от простой суммы свойств составляющих его элементов. К примеру, коробка микросхем может обладать размерами, массой, стоимостью и эти характеристики образуются как простая сумма соответствующих параметров каждой микросхемы в коробке. А компьютер, собранный из этих микросхем уже характеризуется быстродействием, системой команд, объемом памяти, надежностью и, возможно, другими характеристиками. В этом примере компьютер – уже система, в отличие от набора микросхем, а также других комплектующих деталей, узлов и изделий. Если техническая система состоит в основном из радиотехнических и электронных устройств и если эти устройства определяют основные характеристики и выполняют основные функции, такая система называется радиоэлектронной.

1. История радио. От опытов с таинственными "Герцевыми волнами" и от "грозоотметчика" до глобальных и космических информационных систем

Современная радиоэлектроника не просто удовлетворяет информационные потребности человечества. Можно утверждать, что люди всегда мечтали о быстром, оперативном информационном обмене на больших расстояниях, о том, чтобы видеть и слышать лучше и дальше, чем позволяют природные зрение и слух. У всех народов Земли имеются сказки и предания, в которых отражены эти мечты. Но мечты начали воплощаться в реальности только в наше время, на протяжении жизни нескольких предыдущих поколений. Обычно считается, что изобретение радио продемонстрировано нашим соотечественником Александром Степановичем Поповым 7 мая 1895 г. на заседании Русского физико-химического общества. Хотя это поистине великое изобретение содержало все черты и части современных радиоэлектронных устройств (антенну, резонансную цепь, детектор и регистратор принятого сигнала) само оно было подготовлено всей предшествующей историей техники и естественных наук.

Первые опыты по электросвязи относятся к 1795 г., когда испанский исследователь Ф.Сальва построил линию связи длиной в 50 км из множества проводов, по которым передавались сигналы передаваемых букв. Доэтого и много лет спустя в Европе существовал только оптический механический телеграф. И.П.Кулибин, выдающийся русский изобретатель, в 1794 г. усовершенствовал механизм оптического телеграфа. В 1839 г. была открыта самая длинная на то время в мире оптическая телеграфная линия между Петербургом и Варшавой (1200 км).

В 1820 г. датчанин Г.X.Эрстед обнаружил действие электрического тока на магнитную стрелку. В этом же годуА. Ампер предложил создать телеграфную систему с числом магнитных стрелок, равным числу проводов.

Первая практически применимая система телеграфирования по проводам была предложена в России П.Л.Шиллингом в 1828 г. Он использовал кодирование при передаче сообщений: разные буквы передавались комбинацией импульсов тока в проводах. Прием осуществлялся по комбинациям отклонения магнитных стрелок в разные стороны в зависимости от полярности тока. Этот телеграф использовал только восемь проводов (а позже даже два).

Однако подлинную революцию в деле электросвязи по проводам произвели русский ученый Б. С. Якоби и американец С. Морзе (вовсе не инженер, а известныйв свое время художник), создавшие независимо друг от друга пишущий телеграф. С.Морзе создал также используемый и ныне код («азбуку Морзе»). Он же и применил ключ для замыкания токапри передаче символов своей телеграфной азбуки. В приемнике был использован электромагнит, прижимавший перо к ленте, которая двигалась от пружинного механизма. Морзе в 1835 г. посетил Россию и, по рассказам очевидцев,«расстроился», увидев сходство русских аппаратов со своим изобретением.

Телеграфная линия для связи Петербурга с Царским Селом протяженностью в 25 км вошла в строй в 1843 г.Первая в США действующая линия связи Вашингтон – Балтимор длиной 63 км была построена в 1844 г.

В 1850 г. Б. С. Якоби создал первый буквопечатающий аппарат, усовершенствованный в 1855 г. американским изобретателем Д. Юзом. В нем комбинации импульсов тока («кодовые комбинации») управляли поворотом типового колеса, на окружности которого были расположены литеры. Этими литерами печатался текст телеграмм на прижатую к ним бумажную ленту.

За созданием телеграфа последовало изобретение проводного телефона. Принцип телефонной трубки был предложен профессором физиологии органов речи и физики Бостонского университета А. Г. Беллом в 1876 г., а в 1877 г. им был получен патент на микрофон. Уже в 1878 г. кампания «Белл телефон» открыла первую в мире телефонную станцию с коммутатором.

Очень скоро выяснились недостатки систем связи по проводам. Жизнь требовала новых инженерных решений. Их преподнесла радиотехника.

Радиотехника зародилась благодаря открытию единства и взаимосвязи электричества (электрического поля) и магнетизма (магнитного поля).

Воздействие электрического тока на магнитную стрелку «случайно» открыл X.Эрстед во время опытов по изучению теплового действия тока (нагреванию провода). Считается, что отклонение магнитной стрелки случайно лежавшего на столекомпаса при замыкании тока в проводнике заметил во время лекции студент, имя которого не вошло в историю. Это произошло 15 февраля 1820 г. Эрстед не смог дать объяснения этому явлению, удовлетворив любопытство наблюдательного студента и научной общественности, но позже описал этотэффект. Описание дошло доАмпера. Поставив серию экспериментов, Ампер исследовал взаимодействия проводников с токами, а также катушек с токами между собой и с магнитами. Оказалось, что взаимодействие катушек, обтекаемых токами, не отличается от взаимодействия магнитов.

Только с научным подвигом М.В.Ломоносова можно сравнить вклад в науку об электромагнетизме М.Фарадея. Он родился в 1791 г. в Лондоне, в семье кузнеца. В возрасте 21 года он решил посвятить себя науке. Сначала Фарадей занимался химией, но в 1820 г. Фарадей повторил опыт Эрстеда, еще не зная о работах Ампера. Фарадейпоказал, что проводник, по которому течет ток, движется в магнитном поле. Этот принциплег в основу современного электродвигателя.В 1831 г. Фарадей открыл закон электромагнитной индукции – появление ЭДС в проводах под действием переменного магнитного поля. Следует заметить, что Ампер был близок к этому открытию, однако не обнаружил эффекта, так как не обратил внимания на то, что важно несамо присутствие магнитного поля, а его изменение. Затем Фарадей создает модель электромагнитного генератора. Этобыло очередное торжество идеи взаимосвязи и обратимости физических явлений. Но современникам, и даже самому М.Фарадею, было трудно оценить важность этих открытий. Известно, что когда некая дама спросила у М.Фарадея о значении его открытий, он ответил в том духе, что, вероятно, в будущем на основе эффекта электромагнитной индукции станут делать забавные игрушки. Этими игрушками стала вся современная электроэнергетика и радиотехника.

Фарадей оставил огромное печатное наследство. Интересно отметить, что он мало пользовался математикой и вместо формул привлекал графики полей и использовал силовые линии, по ныне широко применяемый способ изображения электрических и магнитных полей. Одну из книг М.Фарадея –«Экспериментальные исследования по электричеству» – прочел двадцатилетний студентКембриджского университета Д.К.Максвелл.

За свою не долгую жизнь в науке Максвелл плодотворно работал в различных областях: от исследования устойчивости колец Сатурна до цветной фотографии и бытовой химии. Он читал интересные лекции студентам и публиковал сатирические стихотворения за подписью "dp/dt". Однако его величайшим вкладом Максвелл в науку является создание математической теории поля, из которой были выделены четыре ныне всемирно известных уравнения Максвелла. В сочинениях самого Максвелла этих уравнений двенадцать и они разбросаны по нескольким разделам. Позднее выдающиеся ученые Г.Герц и О.Хевисайд упорядочили изложение Максвелла, изъяли уравнения, которые были следствием других, и представили в форме, дошедшей до нас в почти неизменной форме. В уравнениях Максвелла сконцентрированы фундаментальные физические закономерности, обобщающие все известноев электромагнетизме до сих пор. Величайшим следствием уравнений Максвелла было предсказание существования электромагнитного поля излучения. Из теории Максвелла вытекает, что вокруг переменного во времени тока создается переменное магнитное поле, способное возбудить в соседнем элементе пространства электрическое поле, которое за счет особого «тока смещения» создает, новое магнитное поле и т.д. При этом поле излучения распространяется в пространстве со скоростью света.

Предсказания Максвелла относительно существования и возможности создания электромагнитного поля излучения не произвели особого впечатления на современников. Вероятно, это произошло вследствие того, что очень сложна для понимания современниками оказалась его теория.

Значительную роль в утверждении теории Максвелла сыграли опыты П.Н.Лебедева, обнаружившего давление света. Существование этого давления следовало из электромагнитной природы света, предсказанной Максвеллом. Опыты косвенно подтвердили теорию Максвелла.

Но великая историческая миссия непосредственного экспериментального обнаружения электромагнитного поля излучения принадлежит немецкому физику Г.Герцу.

Исследования по электромагнитному полю Герц начал около 1886 г. 5 декабря этого же года он обнаружил, что создание искры (разряда) между двумя шарами, замкнутыми контуром, приводило к появлению искры в другом аналогичном контуре, расположенном на значительном расстоянии (сначала около 1,5 м). Перенос второго контура в соседнюю комнату не изменял результата, только искра становилась слабее.

Сначала Герц подумал, что он обнаружил новое явление – «волны Герца». Так как научные взгляды Герца формировалось под влиянием Гельмгольца, который был противником теории Максвелла (великие тоже могут заблуждаться!) то, приступая к опытам, он вовсе не стремился подтвердить теорию Максвелла. Но в процессе экспериментирования Герц установил, что волны преломляются призмой (сделанной из асфальта), скорость их распространения (грубоизмеренная косвенным методом) близка скорости света, что эти волны отражаются (как и световые) от металлических поверхностей, обладают свойством поляризации. Иначе говоря, обнаруженные Герцем волны полностью совпадали с предсказанными Максвеллом электромагнитными волнами. Герц признал этот факт.

Опубликование результатов опытов Герца вызвало породило ряд весьма очевидных предложений о создании системы передачи сообщений без использования проводов. Причем авторами предложений были не только изобретатели. О передаче энергии без проводов писал даже Жюль Верн. Но технического воплощения идеи Герца при жизни автора не увидели.

Г.Герц был не только экспериментатором. Именно он совместно с О.Хевисайдом придал двенадцати уравнениям Максвелла их современный вид.

Выдающийся ученый своего времени, английский физик, член Лондонского королевского общества, О.Хевисайд независимо от Герца пришел к тем же выводам в отношении уравнений Максвелла. Работая в области физики, О. Хевисайд за 15 лет до А.Эйнштейна вывел известную формулуЕ=тс². В области математики он заложил основы теориирасчета переходных процессов, используемый до сих пор, явился одним из создателей операционного исчисления. Исследуя причины искажений телеграфного сигнала в трансатлантическом кабеле,Хевисайд изобрел средства повышения дальности действия проводного телеграфа и телефона.В 1902 г. он одновременно с А. Э.Кеннелли указал на существование ионизированного слоя атмосферы, действующего как отражающая среда для электромагнитных волн.

Признавая авторитет и заслуги первооткрывателя электромагнитных волн, в одном из первых опытов с радиоприемником А.С.Попов передал при помощи электрических сигналов без использования проводов фразу "Генрих Герц". Дальность связи при использовании этого приемника была ничтожна – всего около 250 м. Но уже в 1899 г. радиосвязь обеспечила дальность 45 км и продемонстрировала важное значение для практики: радиопередачи были использованы при спасении унесенных в море рыбаков и при снятии с камней броненосца "Генерал-адмирал Апраксин".

Уже в процессе первых опытов со средствами радиосвязи, в 1897 г., А.С.Попов обнаружил эффект отражения электромагнитных волн от корабля, когда трассу распространения сигнала между судами "Европа" и "Азия" пересек миноносец "Лейтенант Ильин". Попов предположил (можно сказать – предсказал), что это явление может быть использовано для обнаружения объектов и определения направления на них. Это явление, наряду с некоторыми другими физическими эффектами, легло в основу такого направления теории и техники радиоэлектронных систем, которое впоследствии было названо радиолокацией.

На первых шагах радио проявилось и еще одно явление, занявшее важное место в истории техники. В 1904 г., во время Русско-Японской войны, обнаружилось, что средства радиосвязи, используемые Военно-морскими силами для координации действий кораблей и корректировки артиллерийского огня, подвержены помехам негативному воздействию специально организованных помех, а помехи эти создаются средствами, технически подобными радиопередатчикам системам связи. Так было положено начало новому направлению в радиотехнике – технике радиоэлектронной борьбы. При обороне Порт-Артура было организовано радиопротиводействие корректировке, сорвав артиллерийский обстрел рейда и города японскими кораблями. И наоборот, недооценка возможностей радиоэлектронной борьбы, отказ от противодействия радиопередачам, координирующим действия японского флота, дало возможность противнику сконцентрировать крупные силы в Корейском проливе около Цусимских островов, на крайне невыгодных для русской эскадры позициях.

Радиоэлектроника в первой половине ХХ века стремительно прошла огромную дистанцию от примитивных систем связи, использующих для технической простоты реализации азбуку Морзе, до сетей радиовещания, охвативших целые континенты, и даже до реализации таких способов передачи изображений. Именно тогда возникло телевизионное вещание, которые к концу века перешагнуло технические рамки и превратилось в социальное явление.

Мощный толчок развитию радиотехники и электроники придела Вторая мировая война. Во время войны появились серийные средства мобильной связи, серийные радиолокаторы. Радиолокационные системы стали неотъемлемой частью комплексов противовоздушной обороны, управления войсками и оружием.

Следующая страница или, вернее, целый том истории радио – появление космической радиоэлектроники. Еще до запуска первого ИСЗ широкому кругу специалистов было ясно, что системы глобальной связи и передачи данных должны опираться на космический сегмент. Но по мере становления и развития космической техники очень быстро обнаружилось, что само существование не только космических группировок, но и отдельных космических аппаратов невозможно без радиоэлектронной поддержки. Освоение космоса потребовало создания систем траекторных измерений и радиотелеметрических систем, а взамен открыло возможность непосредственного телевизионного вещания, глобального позиционирования, эффективного изучения и исследования природных ресурсов Земли, а также свойств Луны и иных планет.

Предсказание будущего радиоэлектроники – довольно неблагодарное дело. Прогресс этой области применении человеческого гения опрокидывает любые, даже самые смелые предвидения. На отрезке жизни одного поколения землян появились и стали массовыми такие мощные радиоэлектронные средства, как вычислительные системы, достигшие высот искусственного интеллекта, системы индивидуальной мобильной связи, глобальные системы навигации.

За сто с лишним лет, прошедших с момента (точнее – периода) времени зарождения радиоэлектроники и до наших дней не было года, который не приносил этой бы динамично развивающейся области внушительные достижения и не демонстрировал бы новые успехи. Только перечисление достижений и обещаний радиоэлектроники заняло бы всю книжку.