eng
Выпуск #5/2015
Н.Борисова
Эволюция радиотехнологий как история освоения РЧС. часть 1
Эволюция радиотехнологий как история освоения РЧС. часть 1
Просмотры: 2463
Представлен ретроспективный взгляд на эволюцию радиотехнологий как на движение к использованию более высокочастотных участков электромагнитного спектра, опирающееся на результаты фундаментальных физических исследований
В текущем году исполняется 120 лет со дня изобретения радио. Термин "радио", имеющий ряд толкований, в данном случае обозначает передачу сообщений на расстояние без проводов с помощью электромагнитных волн. Первопроходцами в изучении и реализации этого процесса на долгие годы (вплоть до наших дней) стали физики, среди которых – русский ученый, преподаватель физики Минного офицерского класса в Кронштадте А.С.Попов (рис.1). Его современники, и сам Александр Степанович, начинали с изучения и демонстрации низкочастотных волн Герца. В начале 20 века ученые-физики обратились к исследованию физических особенностей распространения радиоволн, их влиянию на дальность связи; ближе к середине прошлого века приступили к изучению мегагерцовых участков электромагнитного спектра. Теоретические результаты были взяты на вооружение радиоинженерами, которым на их основе удалось создать излучатели и приемники электромагнитных колебаний в СВЧ-диапазоне электромагнитных волн.
Продвигаясь вверх по шкале электромагнитных волн в гигагерцовые участки спектра, ученые создают теоретические основы для разработки все более высокочастотной элементной базы и способствуют, таким образом, развитию радиотехнологий и решению актуальнейшей на сегодняшний день проблемы дефицита частотного ресурса. Эта тема не сходит с повестки дня конгрессов и форумов, страниц периодики и новостных лент сайтов телекоммуникационных операторов.
Основное внимание в решении проблемы дефицита частотного ресурса в наши дни уделяется организационно-техническим методам. Рассматриваются проблемы перераспределения занятых участков спектра, специалисты оперируют понятиями "конверсия радиочастотного спектра", "цифровой дивиденд" и т.п. Может быть, стоит обратить внимание на научно-технический поиск возможностей освоения незанятых участков на шкале электромагнитных волн, которая сродни периодической таблице химических элементов? О том, что это возможно (даже, если кажется невероятным), говорят и история формирования шкалы электромагнитных волн, и закономерности развития радиотехнологий, ведущих свой отсчет от далекого 1895 года, когда А.С.Попов перед маститыми учеными на заседании Русского физико-химического общества (РФХО) прочитал доклад "Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям" и сопроводил его демонстрацией в действии аппаратуры для беспроволочной передачи электрических сигналов различной длительности (рис.2).
Электромагнитный спектр в год изобретения радио
Все электромагнитные волны тождественны по своей природе: они подчиняются одним и тем же законам отражения, преломления, интерференции, дифракции и поляризации и имеют одинаковую скорость распространения в эфире, равную 3∙108 м/с; отличаются друг от друга только длиной волны. Полный электромагнитный спектр (окончательно сформировавшийся на основании экспериментальных данных) к началу 1920-х годов представлял собой совокупность всех получаемых и наблюдаемых на земле электромагнитных волн, расположенных в последовательном порядке в соответствии с длиной волн.
Идея упорядочить электромагнитные волны, известные к тому времени, пришла к ученым в 1880-х годах. Их стали изображать графически на логарифмической шкале длин (scala – по латыни лестница), чтобы иметь возможность изобразить длины волн всего электромагнитного спектра на листе. В качестве отметок в шкале использовали длину волны (линия волновых отметок) или частоту (линия частотных отметок). Линия волновых отметок строилась на основе упорядочения величин длин волны в метрах, сантиметрах, миллиметрах и т.д.; линия частотных отметок – величин частоты в герцах, килогерцах, мегагерцах и т.д. В отличие от измерительных шкал здесь не было ни нулевой, ни последней отметки.
Впервые графическое изображение спектра на логарифмической шкале было выполнено Релеем в 1883 году (Англия); этим способом воспользовались Гюильом в 1889 году (Франция), Рубенс в 1900 году (Германия), Лебедев в 1901 году (Россия). В те времена еще не все виды и свойства излучений были открыты, поэтому электромагнитный спектр не был сплошным. Физики стремились "сомкнуть" электромагнитный спектр – получить и исследовать все возможные частоты. На шкале, изображенной на рис.3, для сравнения условно представлены виды электромагнитных волн, которыми располагало человечество (т.е. имелись излучатели и / или приемники излучений) в конце 1894, 1895-го годов. Необходимо отметить, что 1895 год вошел в историю науки и техники не только как год изобретения радио, но и существенного пополнения знаний об электромагнитных волнах.
Во-первых, следует отметить открытие в 1895 году Рентгеном так называемых X-лучей, и тот интерес, который был проявлен к этому событию физиками всего мира, в том числе А.С. Поповым. Не зная об опасности излучения, изобретатель радио начал экспериментировать с X-лучами сразу, как только узнал о новинке – в декабре 1895 года. Не исключено, что эти эксперименты могли негативно сказаться на его здоровье, став одной из причин раннего ухода из жизни – в конце 1905 года в возрасте 46 лет.
Во-вторых, в 1895 году экспериментально было доказано существование электромагнитных волн выше и ниже так называемого диапазона "Герц – Риги". Наибольшую длину волны (9,3 м) немецкому физику Г.Герцу удалось получить, исследуя отражение электромагнитных волн от грандиозного зеркала размером 2 × 4 м. При этом нельзя не отметить такой любопытный факт, что классический вибратор Герца работал на дециметровых волнах и был весьма эффективным излучателем для физических опытов, но не для передачи сообщений на расстояние. По представлениям того времени, когда модуляцию еще не придумали, для передачи на расстояние информации необходимо было излучать в пространство электромагнитные волны низких (информационных) частот. Если учесть, что дальность связи определялась длиной волны, а та, в свою очередь, соответствовала геометрическим размерам антенны, то становится понятно, почему сам Герц категорически отрицал возможность применения электромагнитных волн для осуществления беспроводной связи на расстояние. Он ссылался на то, что для достижения практически значимых дальностей потребовались бы антенные системы, превышающие по высоте самые высокие горы в мире.
До каких же пределов произошло расширение электромагнитного спектра волн Герца в 1895 году? Волномеров в те годы не существовало, поэтому длину волны излучателя и приемника можно оценивать только ориентировочно по размерам антенны. Когда А.С.Попов 25 апреля (7 мая) 1895 года демонстрировал работу своего приемника на заседании РФХО (в помещении), то он не вышел за нижний предел волн Герца, так как использовал в качестве антенны вертикальную проволоку небольшой длины (2,5 м). Но во время испытаний своего приемника в качестве грозоотметчика летом 1895 года в Лесном институте, в Санкт-Петербурге, А.С.Попов использовал антенную систему, которая имела общую длину порядка 108 м, что с учетом сопротивления и емкости трубки Бранли могло составить длину волны от 250 до 500 м.
По состоянию на 1894 год наименьшая длина излучаемой электромагнитной волны была получена итальянским физиком А.Риги, которому удалось уменьшить размеры вибратора английского физика О.Лоджа. Последний состоял из двух шаров диаметром около 10 см. В процессе экспериментов Риги уменьшил их диаметр до 4 см и 1,36 см, поместив в масло. П.Н.Лебедеву в 1895 году удалось, изменив конструкцию, получить волны длиной 6 мм, а при определенных условиях – даже 3 мм. Таким образом, в результате работ двух русских ученых-физиков, электромагнитный спектр волн Герца в 1895 году был сильно расширен передвижением его границ влево и вправо.
Когда в начале 20 века ученые расположили в один ряд все открытые к тому времени виды электромагнитных колебаний, то оказалось, что только в одном месте наблюдался разрыв – между самыми короткими радиоволнами, полученными Лебедевым и инфракрасными лучами, полученными Рубенсом, имевшими длину волны не более 100 мк. Но физики разных стран верили в существование всеобщей непрерывной шкалы электромагнитных колебаний. Один из ученых того времени писал: "В 1900 году на конгрессе физиков в Париже встретились Лебедев и Рубенс и, подавая друг другу руки, высказали пожелание протянуть друг другу руки и в спектре электромагнитных волн". Ни Лебедеву, ни Рубенсу не было суждено дожить до этого. Только в сентябре 1922 года (через двадцать два года после памятного рукопожатия) преподаватель Московского университета А.А.Глаголева-Аркадьева на третьем съезде Российской ассоциации физиков объявила о создании "массового" излучателя, в спектре которого были обнаружены колебания с длиной волны от 80 мк до 50 мм. Так был заполнен последний пробел в электромагнитном спектре, который касался микроволнового диапазона, востребованного современными радиотехнологиями.
Шкала электромагнитных волн (полный электромагнитный спектр) делится на следующие диапазоны: радиоволны, инфракрасные лучи, свет, ультрафиолетовое, гамма- и рентгеновское излучения (рис.4). За пределами гамма-излучения ученые предполагают наличие космических лучей. Иногда встречается зеркальное изображение шкалы, когда она начинается с гамма-излучения и заканчивается радиоизлучением. В этом случае при движении по шкале вправо увеличивается длина волны и уменьшается частота излучения.
Упорядоченное представление электромагнитных волн оказалось необычайно полезным как для изучения природы электромагнитных волн, так и для развития радиотехнологий.
Продвигаясь вверх по шкале электромагнитных волн в гигагерцовые участки спектра, ученые создают теоретические основы для разработки все более высокочастотной элементной базы и способствуют, таким образом, развитию радиотехнологий и решению актуальнейшей на сегодняшний день проблемы дефицита частотного ресурса. Эта тема не сходит с повестки дня конгрессов и форумов, страниц периодики и новостных лент сайтов телекоммуникационных операторов.
Основное внимание в решении проблемы дефицита частотного ресурса в наши дни уделяется организационно-техническим методам. Рассматриваются проблемы перераспределения занятых участков спектра, специалисты оперируют понятиями "конверсия радиочастотного спектра", "цифровой дивиденд" и т.п. Может быть, стоит обратить внимание на научно-технический поиск возможностей освоения незанятых участков на шкале электромагнитных волн, которая сродни периодической таблице химических элементов? О том, что это возможно (даже, если кажется невероятным), говорят и история формирования шкалы электромагнитных волн, и закономерности развития радиотехнологий, ведущих свой отсчет от далекого 1895 года, когда А.С.Попов перед маститыми учеными на заседании Русского физико-химического общества (РФХО) прочитал доклад "Об отношении металлических порошков к электрическим колебаниям" и сопроводил его демонстрацией в действии аппаратуры для беспроволочной передачи электрических сигналов различной длительности (рис.2).
Электромагнитный спектр в год изобретения радио
Все электромагнитные волны тождественны по своей природе: они подчиняются одним и тем же законам отражения, преломления, интерференции, дифракции и поляризации и имеют одинаковую скорость распространения в эфире, равную 3∙108 м/с; отличаются друг от друга только длиной волны. Полный электромагнитный спектр (окончательно сформировавшийся на основании экспериментальных данных) к началу 1920-х годов представлял собой совокупность всех получаемых и наблюдаемых на земле электромагнитных волн, расположенных в последовательном порядке в соответствии с длиной волн.
Идея упорядочить электромагнитные волны, известные к тому времени, пришла к ученым в 1880-х годах. Их стали изображать графически на логарифмической шкале длин (scala – по латыни лестница), чтобы иметь возможность изобразить длины волн всего электромагнитного спектра на листе. В качестве отметок в шкале использовали длину волны (линия волновых отметок) или частоту (линия частотных отметок). Линия волновых отметок строилась на основе упорядочения величин длин волны в метрах, сантиметрах, миллиметрах и т.д.; линия частотных отметок – величин частоты в герцах, килогерцах, мегагерцах и т.д. В отличие от измерительных шкал здесь не было ни нулевой, ни последней отметки.
Впервые графическое изображение спектра на логарифмической шкале было выполнено Релеем в 1883 году (Англия); этим способом воспользовались Гюильом в 1889 году (Франция), Рубенс в 1900 году (Германия), Лебедев в 1901 году (Россия). В те времена еще не все виды и свойства излучений были открыты, поэтому электромагнитный спектр не был сплошным. Физики стремились "сомкнуть" электромагнитный спектр – получить и исследовать все возможные частоты. На шкале, изображенной на рис.3, для сравнения условно представлены виды электромагнитных волн, которыми располагало человечество (т.е. имелись излучатели и / или приемники излучений) в конце 1894, 1895-го годов. Необходимо отметить, что 1895 год вошел в историю науки и техники не только как год изобретения радио, но и существенного пополнения знаний об электромагнитных волнах.
Во-первых, следует отметить открытие в 1895 году Рентгеном так называемых X-лучей, и тот интерес, который был проявлен к этому событию физиками всего мира, в том числе А.С. Поповым. Не зная об опасности излучения, изобретатель радио начал экспериментировать с X-лучами сразу, как только узнал о новинке – в декабре 1895 года. Не исключено, что эти эксперименты могли негативно сказаться на его здоровье, став одной из причин раннего ухода из жизни – в конце 1905 года в возрасте 46 лет.
Во-вторых, в 1895 году экспериментально было доказано существование электромагнитных волн выше и ниже так называемого диапазона "Герц – Риги". Наибольшую длину волны (9,3 м) немецкому физику Г.Герцу удалось получить, исследуя отражение электромагнитных волн от грандиозного зеркала размером 2 × 4 м. При этом нельзя не отметить такой любопытный факт, что классический вибратор Герца работал на дециметровых волнах и был весьма эффективным излучателем для физических опытов, но не для передачи сообщений на расстояние. По представлениям того времени, когда модуляцию еще не придумали, для передачи на расстояние информации необходимо было излучать в пространство электромагнитные волны низких (информационных) частот. Если учесть, что дальность связи определялась длиной волны, а та, в свою очередь, соответствовала геометрическим размерам антенны, то становится понятно, почему сам Герц категорически отрицал возможность применения электромагнитных волн для осуществления беспроводной связи на расстояние. Он ссылался на то, что для достижения практически значимых дальностей потребовались бы антенные системы, превышающие по высоте самые высокие горы в мире.
До каких же пределов произошло расширение электромагнитного спектра волн Герца в 1895 году? Волномеров в те годы не существовало, поэтому длину волны излучателя и приемника можно оценивать только ориентировочно по размерам антенны. Когда А.С.Попов 25 апреля (7 мая) 1895 года демонстрировал работу своего приемника на заседании РФХО (в помещении), то он не вышел за нижний предел волн Герца, так как использовал в качестве антенны вертикальную проволоку небольшой длины (2,5 м). Но во время испытаний своего приемника в качестве грозоотметчика летом 1895 года в Лесном институте, в Санкт-Петербурге, А.С.Попов использовал антенную систему, которая имела общую длину порядка 108 м, что с учетом сопротивления и емкости трубки Бранли могло составить длину волны от 250 до 500 м.
По состоянию на 1894 год наименьшая длина излучаемой электромагнитной волны была получена итальянским физиком А.Риги, которому удалось уменьшить размеры вибратора английского физика О.Лоджа. Последний состоял из двух шаров диаметром около 10 см. В процессе экспериментов Риги уменьшил их диаметр до 4 см и 1,36 см, поместив в масло. П.Н.Лебедеву в 1895 году удалось, изменив конструкцию, получить волны длиной 6 мм, а при определенных условиях – даже 3 мм. Таким образом, в результате работ двух русских ученых-физиков, электромагнитный спектр волн Герца в 1895 году был сильно расширен передвижением его границ влево и вправо.
Когда в начале 20 века ученые расположили в один ряд все открытые к тому времени виды электромагнитных колебаний, то оказалось, что только в одном месте наблюдался разрыв – между самыми короткими радиоволнами, полученными Лебедевым и инфракрасными лучами, полученными Рубенсом, имевшими длину волны не более 100 мк. Но физики разных стран верили в существование всеобщей непрерывной шкалы электромагнитных колебаний. Один из ученых того времени писал: "В 1900 году на конгрессе физиков в Париже встретились Лебедев и Рубенс и, подавая друг другу руки, высказали пожелание протянуть друг другу руки и в спектре электромагнитных волн". Ни Лебедеву, ни Рубенсу не было суждено дожить до этого. Только в сентябре 1922 года (через двадцать два года после памятного рукопожатия) преподаватель Московского университета А.А.Глаголева-Аркадьева на третьем съезде Российской ассоциации физиков объявила о создании "массового" излучателя, в спектре которого были обнаружены колебания с длиной волны от 80 мк до 50 мм. Так был заполнен последний пробел в электромагнитном спектре, который касался микроволнового диапазона, востребованного современными радиотехнологиями.
Шкала электромагнитных волн (полный электромагнитный спектр) делится на следующие диапазоны: радиоволны, инфракрасные лучи, свет, ультрафиолетовое, гамма- и рентгеновское излучения (рис.4). За пределами гамма-излучения ученые предполагают наличие космических лучей. Иногда встречается зеркальное изображение шкалы, когда она начинается с гамма-излучения и заканчивается радиоизлучением. В этом случае при движении по шкале вправо увеличивается длина волны и уменьшается частота излучения.
Упорядоченное представление электромагнитных волн оказалось необычайно полезным как для изучения природы электромагнитных волн, так и для развития радиотехнологий.
Отзывы читателей
