РАДИОТЕХНИКА

РАДИОТЕХНИКА, наука об электромагнитных колебаниях и волнах радиодиапазона - о методах их генерации, усиления, излучения, приёма и об их использовании; отрасль техники, осуществляющая применение электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона для передачи информации - в радиосвязи, радиовещании и телевидении, в радиолокации и радионавигации, при контроле и управлении машинами, механизмами и технологич. процессами, в разнообразных науч. исследованиях и т. д. Радиодиапазон охватывает спектр электромагнитных волн (ЭВ) длиной от неск. десятков тыс. км до десятых долей мм (подробнее см. в ст. Радиоволны).

Развитие Р. тесно связано с достижениями в области радиофизики, электроники, физики полупроводников, электроакустики, теории колебаний, теории информации (см. Информации теория), в различных разделах математики, а также с прогрессом в технике высокочастотных измерений (см. Измерительная техника, Радиоизмерения), вакуумной и полупроводниковой технике (см. Полупроводниковая электроника), в произ-ве источников электропитания и др. В Р. входит ряд областей, главные из к-рых - генерирование электрических колебаний, усиление электрических колебаний, их преобразование, управление ими (см. Модуляция колебаний), антенная техника (см. Антенна, Излучение и приём радиоволн), распространение радиоволн в свободном пространстве, в различных средах (ионосфере, почве) и в направляющих системах (кабелях, волноводах), фильтрация электромагнитных колебаний, демодуляция, воспроизведение переданных сигналов (речи, музыки, изображений, телеграфных и иных знаков), контроль, управление и регулирование при помощи ЭВ и колебаний" (посредством радиоэлектронных систем).

История Р. восходит к работам М. Фарадея, заложившего основы учения об электрич. и магнитном полях (1837-46). Фарадей высказал мысль о том, что распространение электрич. и магнитных воздействий происходит с конечной скоростью и представляет собой волновой процесс. Эти идеи были развиты Дж. К. Максвеллом, математически описавшим (1864) известные электрич. и магнитные явления системой ур-ний, из к-рых следовала возможность существования электромагнитного поля, способного распространяться в пространстве в виде ЭВ, частным случаем к-рых являются световые волны.

ЭВ радиодиапазона (с длиной волны ок. 1 дм) были впервые получены и изучены Г. Герцем (1886-89), к-рый осуществил их генерирование и излучение при помощи вибратора, возбуждаемого искровым разрядом (см. Герца вибратор). При помощи второго вибратора, в к-ром под действием принимаемой волны проскакивала искра, Герц регистрировал ЭВ. Герц показал, что эти волны способны отражаться, преломляться, интерферировать и поляризовываться подобно световым волнам, однако он не предвидел возможности применения ЭВ для передачи информации. Существенную роль в опытах Герца играло явление резонанса, подробно изученное В. Ф. К. Бьеркнесом (1891). Важнейшая формула для определения резонансной частоты колебательного контура при отсутствии затухания (идеальный контур) была получена ещё в 1853 У. Томсоном (Кельвином). Э. Бранли (Франция) обнаружил (1890) и изучил явление уменьшения сопротивления металлич. порошка при воздействии на него электрических колебаний и восстановления исходного высокого сопротивления при встряхивании. О. Лодж (Великобритания) использовал это явление для индикации ЭВ при воспроизведении опытов Герца (1894); прибор в виде заполненной металлич. опилками стеклянной трубки с электродами на концах он назвал когерером.

А. С. Попов, развивая опыты Герца и стремясь решить задачу беспроволочной связи при помощи ЭВ, усовершенствовал когерер, применив для восстановления его сопротивления автоматич. систему, осуществлявшую встряхивание когерера после воздействия на него ЭВ. Автоматич. когерер стал основой первого аппарата для обнаружения и регистрации сигналов (их приёма) в системе беспроволочной связи. Попов также обнаружил, что присоединение к когереру вертикального провода - антенны - приводит к увеличению чувствительности такого приёмного устройства. Свой первый в мире радиоприёмник Попов продемонстрировал в действии 25 апреля (7 мая) 1895 во время доклада на заседании физического отделения Рус. физико-химич. об-ва. Примерно год спустя опыты по использованию радиоволн для беспроволочной связи продемонстрировал Г. Маркони, причём его аппаратура в осн. чертах совпадала с аппаратурой, разработанной Поповым.

Начальный период развития Р.- период создания простейших передающих и приёмных радиостанций, работавших на сравнительно коротких радиоволнах, - характеризовался применением сильно затухающих радиоволн - коротких волн, возбуждаемых вибратором Герца. Дальность радиосвязи постепенно увеличивалась благодаря переходу к более длинным волнам, возрастанию мощности передатчиков и размеров (высоты и числа проводов) антенны. Увеличению дальности способствовало и применение заземления или системы низко расположенных проводов ("противовеса"). Дальность и избирательность (селективность) приёма также существенно увеличились благодаря переходу на слуховой (телефонный) приём с применением детектора (сотрудники Попова П. Н. Рыбкин и Д. С. Троицкий, 1899).

Следующий существенный шаг в развитии Р. сделал К. Ф. Браун, предложивший (1899-1900) разделить антенну и искровой разрядник. При этом разрядник помещался в замкнутом колебательном контуре, а антенна связывалась с этим контуром индуктивно, при помощи высокочастотного трансформатора. Схема Брауна позволяла излучать в пространство существенно большую часть энергии, запасённой в первичном колебательном контуре, однако значит. часть её возвращалась обратно из антенны в контур, возбуждая в нём новую искру, что приводило к потерям энергии. В 1906 М. Вин (Германия) предложил спец. разрядник, препятствовавший возврату энергии из антенны в колебательный контур. При этом колебания в антенне затухали слабо и почти вся энергия излучалась в виде радиоволн.

Дальнейшим шагом в развитии радиоустройств было применение незатухающих радиоволн, возбуждаемых дуговыми генераторами и машинными генераторами высокой частоты. Удачные образцы машин высокой частоты индукторного типа построил в 1912-34 В. П. Вологдин. При помощи машин Вологдина в 1925 впервые была осуществлена радиосвязь между Москвой и Нью-Йорком. В нач. 20-х гг. О. В. Лосев применил для генерирования электромагнитных колебаний кристаллич. детектор.

Коренные изменения во все области Р. внесло развитие и применение электронных ламп. В первом ламповом детекторе, предложенном Дж. А. Флемингом (1904), был использован эффект Эдисона - одностороннее прохождение электрич. тока в вакууме от накалённой нити (катода) к металлич. пластинке (аноду). Но этот детектор, как и приёмная трёхэлектродная лампа Л. де Фореста, уступал по чувствительности кристаллич. детектору, к-рый широко применялся до сер. 20-х гг. и вышел из употребления лишь после усовершенствования усилительных радиоламп. Ламповый генератор незатухающих колебаний был изобретён почти одновременно неск. учёными. Приоритет (1913) принадлежит А. Мейснеру (Германия; см. Генераторная лампа). Существенный вклад в теорию и разработку электронных ламп и схем с их применением внесли М. В. Шу-лейкин, И. Г. фрейман, М. А. Бонч-Бруевич, А. И. Берг, А. Л. Минц, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси и др., а также Г. Баркгаузен и Г. Мёллер. Центром исследований в области приёмно-усилит. и генераторных радиоламп в СССР была Нижегородская радиолаборатория (1918-28), вошедшая в 1928 в состав Центральной радиолаборатории. Надёжный приём незатухающих радиоволн в условиях различных помех стал возможным после появления гетеродинного метода (см. Гетеродин). Однако существенным шагом в увеличении чувствительности радиоприёмников было появление схемы регенеративного, а затем супергетеродинного (см. Супергетеродинный радиоприёмник) приёма (Э. X. Армстронг, 1913, 1918; Л. Леви, Франция, 1918). Теория радиоприёма разработана в трудах Армстронга, а также В. И. Сифорова и мн. др.

Развитие Р. сопровождалось освоением различных диапазонов радиоволн. Период от изобретения радио до освоения дуговых и машинных генераторов был связан с постепенным увеличением длины радиоволн от неск. дм до неск. км, потому что удлинение радиоволн обеспечивало увеличение дальности и устойчивости радиосвязи как за счёт более благоприятных условий распространения радиоволн, так и вследствие одновременного увеличения излучаемой мощности. Применение радиоламп позволило эффективно генерировать радиоволны в диапазоне от сотен м до неск. км.

В нач. 20-х гг. наряду с радиотелеграфной связью возникло радиовещание. Увеличение кол-ва связных и вещат. радиостанций и стремление к работе на длинных волнах привело к взаимным помехам, к "тесноте в эфире" и необходимости строгого соблюдения междунар. соглашений о распределении радиоволн (см. Регламент радиосвязи). Радиолюбители, для к-рых были выделены радиоволны короче 100 м (см. Радиолюбительская связь), обнаружили возможность связи на этих волнах на больших расстояниях при помощи маломощных радиопередатчиков. Исследование законов распространения радиоволн коротковолнового диапазона позволило применить их для связи и радиовещания. Были созданы спец. радиолампы KB и УКВ (метрового) диапазонов, спец. схемы, а также антенны, предназначенные для этих диапазонов, и фидеры для соединения антенн с передатчиками и приёмниками. Для изучения законов распространения радиоволн много сделали Б. А. Введенский, А. Н. Щукин, В. А. Фок, А. Зоммерфельд и др. Совр. радиовещание осуществляется на ультракоротких, коротких, средних и длинных волнах. В создании мощных радиовещат. станций и синхронных сетей СССР занимает ведущее место в мире (А. Л. Минц и др.). Важнейшее значение приобрело появление электронного телевидения, ставшего массовым в сер. 20 в. Большой объём информации при передаче движущихся изображений может быть реализован только при помощи очень высокочастотных колебаний, соответствующих метровым и более коротким волнам. Помимо телевизионного вещания, телевизионная аппаратура применяется для наблюдения за процессами, протекающими в условиях, недоступных для человека (космос, большие глубины, зоны повышенной радиации и т. п.), а также в условиях малой освещённости (при астрономич. наблюдениях, при наблюдениях в ночное время и т. п.).

Особыми разделами Р. являются радиолокация и радионавигация. Радиолокация, основанная на приёме радиоволн, отражённых от объекта (цели), возникла в 30-х гг. (Ю. Б. Кобзарев, Д. А. Рожанский и др.). Её методы позволяют определять местоположение удалённых предметов, их скорость и, в нек-рых случаях, опознавать отражающий объект. Успешно развивается радиолокация планет (В. А. Котельников и др.). Радиолокация осуществляется при помощи наиболее коротких радиоволн (от метровых до миллиметровых). Метровые волны применяются гл. обр. для измерения больших расстояний, миллиметровые - для точного определения малых расстояний и обнаружения небольших объектов (в радиовысотомерах, в устройствах стыковки космич. кораблей и т. п.). Радиолокация стимулировала быстрое развитие всех элементов, необходимых для генерации, излучения и приёма метровых и более коротких волн. Были созданы коаксиальные кабели и волноводы, коаксиальные и объёмные резонаторы, заменившие в этом диапазоне частот двухпроводные фидеры и резонансные колебательные контуры. Возникли остронаправленные антенны, в т. ч. многоэлементные, снабжённые спец. отражателями или представляющие собой параболоиды, достигающие в диаметре неск. десятков м. Спец. переключатели позволили использовать одну антенну одновременно для передачи зондирующих импульсов и для приёма импульсов, отражённых от цели. Для радиолокационных станций были разработаны спец. радиолампы - триоды с электродами плоской формы и коаксиальными выводами, приспособленные для работы с коаксиальными резонаторами, а также радиолампы, основанные на новых принципах: магнетроны, клистроны, лампы бегущей волны и лампы обратной волны. См. также Сверхвысоких частот техника.

Дальнейшее развитие в связи с потребностями радиолокации получили кристаллич. детекторы, на основе к-рых были созданы полупроводниковые диоды. Их усовершенствование привело к появлению транзисторов, а впоследствии к разработке полупроводниковых микросхем (плёночных и интегральных), к созданию полупроводниковых параметрических усилителей и генераторов. Успехи полупроводниковой электроники обусловили вытеснение в большинстве областей Р. радиоламп полупроводниковыми элементами. Появились более совершенные электроннолучевые приборы, в т. ч. снабжённые многоцветными экранами, что способствовало появлению цветного телевидения. Потребности радиолокации стимулировали развитие квантовой электроники и криогенной электроники (см. Криоэлектроника).

Радионавигация и близкая к ней радиогеодезия, прошедшие длинный путь развития (А. С. Попов, 1897; Н. Д. Па-палекси, 1906, 1930; И. И. Ренгартен, 1912; Л. И. Мандельштам, 1930),- необходимые средства мор., возд. и космич. навигации, картографии и гсодезич. съёмки. Радиометоды позволяют определять положение и скорость объектов наблюдения с наивысшей точностью (погрешность в ряде случаев не превышает миллионной или даже стомиллионной доли измеряемой величины). Различают пассивные методы радионавигации, когда на подвижном объекте имеются лишь устройства, принимающие сигналы опорных наземных радиостанций, и активные, использующие радиолокацию. В практику вошли преимущественно пассивные и комбинированные радионавигац. системы. Однако, напр., посадка космич. аппаратов на Луну и планеты Солнечной системы обеспечивается автономными активными системами, получающими с Земли лишь исходные команды (см. Телемеханика).

Совр. Р. характеризуется проникновением практически во все области человеческой деятельности. Радиосвязь при помощи обычного и быстродействующего буквопечатающего телеграфирования, радиотелефонная связь и передача изображений, чертежей, рисунков, газетных матриц, факсимиле стали доступными при любых расстояниях. Развитие космич. исследований потребовало обеспечения надёжной радиосвязи с искусств. спутниками Земли (ИСЗ) и автоматич. космич. аппаратами, направленными к планетам или находящимися на их поверхности, передачи науч. информации и изображений на Землю и передачи команд для управления этими аппаратами. Общеизвестно значение Р. в обеспечении космич. полётов человека. С другой стороны, ИСЗ сами входят в состав линий связи в качестве ретрансляционных станций для осуществления надёжной связи между удалёнными пунктами, для передачи телевизионных программ, сигналов точного времени и т. п. (см. Космическая связь). Ввиду того, что ультракороткие волны плохо огибают земную поверхность, для передачи телевизионных изображений и для дальней связи используются радиорелейные линии, спец. высокочастотные кабельные линии и ретрансляторы, в т. ч. установленные на ИСЗ.

Методы Р. лежат в основе действия мн. систем автоматического управления, регулирования автоматического и обработки информации. Сложный комплекс элементов Р. представляют собой ЭВМ, совершенствующиеся вместе с развитием элементной базы Р.

Р. широко применяется в пром-сти и нар. х-ве. Высокочастотный Нагрев используется для плавки особочистых металлов в условиях вакуума и в атмосфере инертных газов, а также с успехом применяется для закалки поверхностей стальных деталей, для сушки древесины, керамики и зерна, для консервирования и приготовления пищи, в мед. делях и т. д.

Р. тесно переплелась с различными областями науки. Примером может служить радиометеорология, изучающая влияние метеорологич. процессов (движение облаков, выпадение осадков и т. п.) на распространение радиоволн и применяющая методы Р., в частности радиолокацию, для метеорологич. исследований. Первым радиометеорологич. прибором был грозоотметчик Попова. При помощи этого прибора Попов изучал явления, сопровождающие грозы, чем, по существу, положил начало радиометеорологии.

Исследования атм. радиопомех привели к возникновению радиоастрономии (К. Янский, США, 1931), к-рая располагает средствами наблюдения небесных объектов на расстояниях, недоступных оптич. телескопам. Радиотелескопы сделали возможным открытие пульсаров, подробное исследование невидимого ядра нашей Галактики, квазаров, солнечной короны, поверхности Солнца и др.

Радиотехнич. методы и устройства применяются при создании приборов и устройств для науч. исследований. Ускорители заряженных частиц представляют собой, по существу, мощные генераторы радиочастотных колебаний с блоками модуляции, линиями передачи и спец. резонаторами, в к-рых происходит процесс ускорения частиц. Большая часть установок для исследования элементарных частиц и космич. лучей представляет собой сложные радиотехнич. схемы и блоки, позволяющие идентифицировать частицы по наблюдаемым результатам их взаимодействия с веществом. Сложные системы обработки данных, зачастую содержащие ЭВМ, позволяют вычислять энергию, заряд, массу и др. характеристики частиц. Методы изотопного анализа и магнитометрии, опирающиеся на Р., используются в археологии для объективного измерения возраста археологич. объектов. Радиоспектроскопы различного типа, в т. ч. для исследований электронного, ядерного и квадрупольного резонансов, являются радиотехнич. приборами, применяемыми в физике, химии и биологии при определении характеристик атомных ядер, атомов и молекул, при изучении химич. реакций и биологич. процессов (см. Радиоспектроскопия).

На основе развития Р. возникли электроакустика, изучающая и реализующая практич. процессы преобразования звука в электрич. колебания и обратно, различные системы звукозаписи и воспроизведения (магнитная и оптич. запись звука), а также системы, использующие ультразвук в технике (ультразвуковая связь под водой, обработка материалов, очистка изделий), медицине и т. п. Аппаратура, применяемая в ультразвуковой технике, является, по существу, радиоаппаратурой (генераторы, преобразователи, усилители и т. п.).

Р. породила мощную радиопромышленность, выпускающую радиоприёмники и телевизоры массового применения, связные, радиовещательные и телевизионные станции, аппаратуру магистральных линий связи, пром. и науч. радиооборудование, радиодетали и т. п.

Большую роль в развитии Р. играет деятельность междунар. и межгосударств. радиотехнич. союзов и обществ, издание науч. периодич. журналов. Междунар. науч. радиосоюз (МНРС) - один из старейших науч. союзов; он объединяет ведущие науч. орг-ции мн. стран. Сов. учёные активно участвуют в работе союза с 1957. МНРС каждые три года проводит Ген. ассамблеи, подводящие итоги развития Р. и формулирующие её новые актуальные задачи. МНРС также систематически проводит тематич. симпозиумы. Важнейшие межгос. орг-ции, регламентирующие деятельность стран-участниц в области радиосвязи и радиовещания,- Междунар. консультативный к-т по радио (МККР) и Междунар. комиссия по распределению радиочастот (МКРЧ), в их работе активно участвует Сов. Союз.

Массовая организация в области Р. в СССР - Научно-технич. об-во радиотехники, электроники и связи им. А. С. Попова, секции и местные орг-ции к-рого работают во мн. городах всех союзных республик. Из зарубежных радиотехнич. об-в наиболее известен Ин-т инженеров в области электроники и электротехники (IEEE; США). В СССР регулярно издаются общесоюзные журналы "Радиотехника и электроника", "Радиотехника", "Радио". За рубежом вопросам Р. посвящены периодич. издания: "IEEE Proceedings", "L‘Onde Electrique", "QST", "Alta Frcquenza", "Hochfrcquenztechnik und Eleklroakustik", "Wireless Engeneer" и др.

Лит.: Изобретение радио А. С. Поповым. Сб., под ред. А. И. Берга, М,- Л., 1945; Из предистории радио. Сб., сост. С. М. Рытов, М.-Л., 1948; Очерки истории радиотехники, М., 1960; Изобретение радио. А. С. Попов. Документы и материалы, под ред. А. И. Берга, М., 1966; Очерки развития техники в СССР, [кн. 3], М., 1970; Бренёв И. В., Начало радиотехники в России, М., 1970; Гоноровский И. С., Радиотехнические цепи и сигналы, 2 изд., М., 1971. М, Е. Жаботинский, В. А. Котельников.