4. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ТЕОРЕТИЧЕСКИХ ОСНОВ РАДИОТЕХНИКИ

      За первое десятилетие развития радиотехники (1895–1904 гг.) приемное устройство А. С. Попова было усовершенствовано введением в цепь антенны элементов ее настройки на частоту принимаемого сигнала, заменой когерера кристаллическим детектором с нелинейным сопротивлением контакта, а также переходом от автоматической записи телеграфных сигналов к их приему на слух. Эти усовершенствования содействовали увеличению дальности радиосвязи за счет повышения чувствительности и избирательности радиоприемного устройства [14] .

      В качестве теоретической основы развития радиотехники в этот период особенно важной была теория колебательных цепей. Работа одиночного колебательного контура аналитически и экспериментально рассматривалась еще до изобретения радио; в этой области исходными были труды Томсона-Кельвина и Герца. В начале прошлого века существенные теоретические результаты были достигнуты в анализе работы связанных колебательных цепей. Дальнейшее совершенствование радиоприемной техники базировалось на этих исследованиях. Были обоснованы выбор оптимальной связи между цепями антенны и детектора и резкое улучшение избирательности приемника путем введения промежуточного резонансного контура между этими цепями. Детекторные приемники, имевшие такой промежуточный контур, по инициативе В. М. Шулейкина нашли применение на наиболее ответственных линиях радиосвязи русского флота.

      На рубеже первого и второго десятилетий развития радиотехники произошли два замечательных события: изобретение диода и изобретение триода. Диод начал применяться в приемниках наряду с контактным детектором. Использование диода избавляло оператора от необходимости выбирать «на ощупь»  чувствительную точку для контакта на поверхности кристалла детектора, но качественных изменений в свойства приемника диод не вносил. Применение же триода повлекло за собой коренные изменения в радиоприемной технике (1905–1914 гг).

      Трехэлектродная лампа, изобретенная Форестом в 1906 году, первоначально предназначалась для усиления колебаний. В 1907 г. Б. Л. Розинг получил «Привилегию за № 18076» на приемную трубку для «электрической телескопии»,  что  явилось  предтечей развития  телевидения.

        В 1913 году Мейснер открыл возможность самовозбуждения электромагнитных колебаний в схеме, содержащей электронную лампу и колебательный контур. Возможность усиления и генерации колебаний оказалась той предпосылкой, которая определила перспективу перехода радиотехники от радиостанций затухающих колебаний к радиостанциям незатухающих колебаний, от детекторных приемников к ламповым.

      В 1913 году Э. Армстронг изобрел регенеративный радиоприемник (с обратной связью), а в 1918 году – супергетеродинный радиоприемник, схема которого используется и сегодня [14]. В них тогда применялась амплитудная модуляция, не позволявшая получить высокое качество звука радиоприемника из-за невозможности подавления помех в радиоэфире. Она обеспечивала верхнюю границу частотного диапазона не более 5000 Гц.

      Радиотехника, основанная на применении электродных ламп, завоевала главенствующее положение в третьем десятилетии (1915–1924гг.). Первоначально развитие приемно–усилительной аппаратуры с использованием электронных ламп диктовалось потребностями военного времени.  Например, вакуумные триоды впервые нашли широкое применение в усилителях низкой частоты, предназначавшихся для  подслушивания телефонных переговоров противника в условиях позиционной войны.  Затем появились гетеродины в качестве дополнительных устройств к детекторным приемникам для осуществления приема незатухающих радиотелеграфных сигналов. Передатчиками незатухающих колебаний первоначально служили радиостанции с дуговыми генераторами.

      С 1918 года большим достижением радиоприемной техники оказался регенеративный приемник. В нем один каскад с применением обратной связи сочетал в себе функции детектора, усилителя и гетеродина и обеспечивал сравнительно высокую чувствительность. Ламповые приемники с использованием регенерации изготовлялись и эксплуатировались в течение двух десятилетий. Конкурент и победитель регенеративного приемника – супергетеродинный приемник был изобретен Армстронгом в 1918 году.  Но супергетеродинный принцип радиоприема не дал существенных преимуществ при использовании триодов. Приблизительно одновременно с появлением радиотелефонных ламповых передатчиков была предложена схема сверхрегенеративного приема. В 1919 году Шоттки изобрел тетрод, который нашел практическое применение лишь в 1924–1929 годах [15].

       В 1922 году О. В. Лосев начал опыты по применению кристаллических приборов для усиления и генерации колебаний. В этом же году радиолюбителями открыто свойство коротких волн распространяться на любые расстояния благодаря преломлению в верхних слоях атмосферы и отражению от них.

      Таким образом, уже к 1925 году техника связи располагала рядом прогрессивных идей. Требовалось изыскать пути к оптимальному практическому воплощению этих идей.

      Следующее десятилетие характерно бурным количественным ростом производства радиовещательных  и началом практического освоения телевизионного приема сигналов. Запросы радиослушателей и творчество радиолюбителей стимулировали расширение производства и совершенствования аппаратуры связи, освоения новых диапазонов волн. В марте 1929 года начались первые регулярные телевизионные передачи в эфир. Бурное развитие средств радиосвязи привело к появлению большого количества радиоизлучающих средств в достаточно узком диапазоне волн, что привело к появлению помех радиоприему. Для борьбы с помехами необходимо было не только повышать избирательность и чувствительность приемников, но и осваивать новые более широкие по полосе пропускания диапазоны волн. В результате плодотворных научных изысканий в 30-е годы прошлого столетия осваиваются метровые радиоволны, распространяющиеся в пределах прямой видимости, прямолинейно, не огибая земной поверхности. Именно в этот период начала создаваться наука о радиоприеме и радиоприемных устройствах, объединяющая в себе творческие и инженерно-прикладные решения.    

      В 1934 году Э. Армстронг изобрел частотную модуляцию (ЧМ), позволившую избавиться от помех и обеспечивавшую высококачественное воспроизведение звука радиоприемника и передачу полного диапазона слышимости человеческого уха – звуков от барабана до флейты, в диапазоне от 50 Гц до 15 000 Гц.  В 1939 году Э. Армстронг построил первую радиостанцию, работающую в ЧМ диапазоне радиоволн. Сегодня в мире работают многие тысячи ЧМ-радиостанций, обеспечивающих высококачественное звучание. Применяется частотная модуляция и для передачи звука в телевидении.

       Теория цепей переменных токов, в том числе и токов высокой частоты уже в эти годы находилась на достаточно высоком уровне. Требовалось сочетание теории цепей с теорией работы электронных ламп. В этом направлении активно работали Шулейкин и Берг в Советском Союзе и Беркгаузен в Германии.

      Серьезным препятствием прогрессу радиоприемной техники служили свойства триода, ограничивавшие возможность усиления колебаний на длинных и особенно коротких волнах. Появление в тридцатых годах тетродов, а затем и пентодов открыли новые перспективы в развитии радиоприемной аппаратуры. Приемники, выполненные на пентодах, имели хорошую чувствительность даже без применения регенерации. Совершенно в новом свете представился принцип супергетеродинного приема. Работы Стрэтта в США, Сифорова в СССР создали теорию супергетеродина для приема длинных и коротких волн. Эта теория применяется и в настоящее время. Успешному применению супергетеродинных приемников содействовал выпуск специальных многосеточных ламп [15] для преобразования частоты. Были внедрены электродинамические громкоговорители, которые резко повысили акустические качества радиоприема. В середине тридцатых годов была изобретена автоматическая регулировка усиления, значительно улучшающая прием дальних коротковолновых радиостанций. Все эти достижения позволили супергетеродину занять главенствующее положение в технике радиоприема, которое он занимает и в настоящее время.

      Тогда же, в середине тридцатых годов, стали известны принципы электронного телевизионного приема и сформированы предпосылки для телевизионного вещания. Наконец, была теоретически и технологически освоена кварцевая стабилизация частоты.

       С 1935 года расширились теоретические и экспериментальные исследования в области сверхвысоких частот. Разрабатывалась теория симметричных и коаксиальных линий. Существенный вклад в эту область внес советский ученый А. А. Пистолькорс. Затем были предложены конструкции и обосновано применение объемных резонаторов и волноводов. В качестве электронного прибора для гетеродинов ультракоротких волн был создан клистрон. Наконец, благодаря работам Армстронга, Кобси, Сифорова и других была внедрена частотная модуляция на ультракоротких волнах. Все эти научные достижения положили основу для разработки приемников метрового, дециметрового, сантиметрового, а затем и миллиметрового диапазонов волн. Первоначально такие приемники предназначались для телевидения. Они имели широкую полосу принимаемых частот, примерно в тысячу раз шире, чем радиотелефонные приемники. Это поставило перед наукой новую проблему – проблему  ухудшения качества связи из-за флюктуационных шумов.

      Освоению ультракоротковолновой аппаратуры сопутствовало появление новых областей радиотехники: дальней радиорелейной связи и радиолокации. В качестве теоретической базы для проектирования радиорелейной приемной и передающей аппаратуры использовались научные достижения в области многоканального телефонного уплотнения линий проводной связи, т. к. техника уплотненных передач по проводам достигла к этому времени широкого развития.

      Радиолокация (в том числе и локационный прием) стала возможной с развитием техники сверхвысоких частот. Однако этого было недостаточно. Потребовалась глубокая разработка еще одной отрасли науки, которая получила название «импульсная техника» и которая базируется на изучении переходных процессов в цепях радиоаппаратуры. Интересы радиолокации потребовали расширения знаний в области антенн сверхвысоких частот.

      В послевоенное время радиотехника начинает развиваться ускоренными темпами.  Обобщение научных и практических достижений привело к тому, что эти достижения уже не охватывались старым понятием «радиотехника» – пришлось говорить о чрезвычайно обширной науке – радиоэлектронике, в которую с каждым годом входили и входят новые отрасли знаний и применений. Отдельные отрасли радиоэлектроники, такие как радиосвязь, радиовещание, радиолокация, телевидение, радионавигация, телеуправление, радиоастрономия и др., предъявляют свои специфические требования к радиоприемным устройствам. В каждой из этих областей используется не один, а несколько диапазонов радиоволн, что вносит еще большее разнообразие на пути совершенствования техники радиоприема.

      Не останавливаясь детально на всех направлениях развития радиоприемной техники, рассмотрим наиболее значимые общие достижения, широко вошедшие в эксплуатационный обиход.

       В первую очередь, рассмотрим историю применения полупроводниковых приборов в радиоэлектронике вообще и в радиоприемных устройствах в частности. Работы советского ученого О. В. Лосева, который в 20-е годы прошлого века изобрел и с успехом применял радиоприемные устройства с кристаллическими (полупроводниковыми) гетеродинами, привлекли внимание специалистов всего мира. Однако активное развитие электровакуумных приборов, а также ограниченность сведений о физике твердого тела не стимулировали дальнейших работ в области полупроводниковых приборов.

      Только во время второй мировой войны, в связи с необходимостью обеспечить преобразование частоты в супергетеродинных приемниках сантиметровых волн для радиолокации, были созданы и нашли широкое применение детекторы из полупроводникового элемента кремния. На этой основе уже после войны были разработаны полупроводниковые триоды с применением кристаллического германия, и для их массового производства развивалась технологическая база. Полупроводниковые триоды позволяют осуществлять  в приемниках усиление, генерацию и детектирование колебаний, т. е. заменяют собой электронные лампы. Применение полупроводниковых приборов вместо ламп имеют значительные преимущества [15].

      Перечисленные электронные приборы в сочетании с антеннами и колебательными системами явились основой для создания приемников, способных регистрировать сигналы ничтожно малой мощности – порядка нескольких милливатт – на входе. Такие приемники требуются в устройствах радиолокации для увеличения дальности обнаружения объектов наблюдения. Они необходимы для установок радиоастрономии, которая занимается наблюдением источников радиоизлучения вселенной: Галактика, межзвездный газ и др. Наконец приемники с высокой чувствительностью широко применяются на линиях радиосвязи, использующих рассеянное отражение радиоволн в тропосфере и ионосфере, космической связи.

С 1915 до 1950-х гг. аппаратура для радиосвязи развивалась на основе электронных ламп; затем были внедрены транзисторы и другие полупроводниковые приборы.

      Послевоенное развитие радиоэлектроники позволило поставить и решить задачу радиоприема без поиска  корреспондента и без подстройки на его частоту. Научными предпосылками для этого явились достижения в деле стабилизации частоты автогенераторов и автоматического регулирования. Высокая стабильность частоты обеспечивается колебаниями кварцевых эталонов. Принцип автоматической подстройки диапазонного генератора по гармоникам эталонной частоты позволяет получить широкую сетку стабильных частот при наличии одного кварцевого эталона. Проблема стабилизации частоты оказалась одной из тех проблем, которые стимулировали разработку теории автоматического регулирования, нашедшей в настоящее время применение в разнообразных областях механики, энергетики и радиоэлектроники.

      Стабильная радиолиния позволяет сравнительно простыми способами осуществить синхронный радиотелеграфный, радиотелефонный прием, на одной боковой полосе частот. В последнем случае передатчик излучает только полезную мощность сигнала. Кроме того, значительно уменьшается полоса пропускания как на передающей, так и на приемной стороне,  за счет чего эквивалентная мощность передатчика увеличивается в  16 раз.

      Проблема эффективности и надежности передачи сообщений  заключаются в том, чтобы передать наибольшее количество информации наиболее экономичным способом, т. е. затрачивая наименьшую мощность, наименьшее время и занимая наименьшую полосу частот. Проблема надежности – в обеспечении достоверности принимаемого сообщения при наличии помех различного происхождения. Эти оба требования противоречивы. Задача теории передачи сообщений состояла и состоит в преодолении этих противоречий, т. е. в изыскании путей разработки экономичных и надежных способов передачи (приема) сообщений и построения аппаратуры связи.

       Начало общей теории связи было положено в работах Купфмюллера (Германия), Котельникова (СССР) и развиты Шенноном (США) [16, 17]. Математической основой этих исследований служит теория вероятностей.   В настоящее время разработаны принципиально новые методы радиоприема, способные повысить эффективность и надежность воспроизведения сообщений.

       Таков путь развития теории  и техники связи от истоков до наших дней. Даже из этого краткого обзора можно убедиться, насколько тесной и неразрывной является связь этой науки со многими другими отраслями знаний: математикой, физикой, электроникой, теорией цепей, теорией радиопередающих устройств, антенных устройств, теорией распространения радиоволн, общей теорией связи, с акустикой, оптикой, технологией, техникой измерения и с вопросами эксплуатации средств связи.