Введение в специальность «Радиоэлектронные системы»

Московский государственный технический университет
имени Н.Э. Баумана

ВВЕДЕНИЕ В СПЕЦИАЛЬНОСТЬ
«РАДИОЭЛЕКТРОННЫЕ СИСТЕМЫ»

Под редакцией В.Н. Митрохина

Рекомендовано редсоветом МГТУ им. Н.Э. Баумана
в качестве учебного пособия

Москва
Издательство МГТУ им. Н.Э. Баумана
2009

УДК 621.396(075.8)
ББК 32.844
В24

В24

Р е ц е н з е н т ы:
В.К. Герасимов, С.И. Масленникова

Введение в специальность «Радиоэлектронные системы»
/ 
И.В. Вознесенский, А.В. Галев, Д.Д. Дмитриев,
В.А. Петров; Под ред. В.Н. Митрохина. – М.: Изд-во МГТУ
им. Н.Э. Баумана, 2009. – 64 с.: ил.
ISBN 978-5-7038-3318-6
Представлен краткий исторический обзор развития радиоэлектроники. 
Изложены принципы работы радиотехнических систем. Рассмотрены 
пассивные электрорадиоэлементы, основы радиоизмере-
ний.
Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «
Радиоэлектронные системы».
УДК 621.396(075.8)
ББК 32.844

ISBN 978-5-7038-3318-6
c⃝ МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2009

ПРЕДИСЛОВИЕ

Настоящее учебное пособие, посвященное введению в специальность 
радиоинженера, является ознакомительным курсом для
студентов, избравших радиоэлектронику своей будущей профессией. 
Такое предварительное знакомство с предметом позволяет
понять взаимосвязь его отдельных частей и в дальнейшем лучше
организовать процесс углубленного изучения.
В пособии излагается краткая история развития радиоэлектроники, 
рассматриваются физические принципы и фундаментальные
соотношения, а также этапы разработки изделия и внедрения его
в производство, рассказывается о том, что должен знать, уметь, о
чем должен иметь представление молодой радиоинженер.
Ввиду ограниченности объема пособие не может дать глубоких 
знаний по всем разделам радиоэлектроники. Однако авторы,
по возможности, не ограничились лишь самыми общими представлениями 
о процессах и дали пояснения их физического смысла, а
иногда и математическое описание.
Разработка пособия проводилась в рамках проекта № 3 инновационной 
образовательной программы «Научное и кадровое обеспечение 
инновационного развития технических систем, объектов и
технологий, отвечающих требованиям мирового уровня к качеству,
надежности и безопасности».
Изложенный материал может быть использован студентами
младших курсов не только для общего понимания предмета, но
и при выполнении домашних заданий и подготовке к лабораторным 
работам.

1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

1.1. Развитие радиоэлектроники до 1917 г.

Изобретатель радио Александр Степанович Попов (1859–1906)
родился в семье священника, но по духовной линии не пошел,
а поступил на физико-математический факультет Петербургского
университета. В 1882 г. он успешно окончил университет и поступил 
преподавателем в Минный офицерский класс в Кронштадте. 
Он изобрел и cконструировал (совместно с П.Н. Рыбкиным)
первые в мире радиоприемник и радиопередатчик, которые 7 мая
1895 г. были продемонстрированы на заседании Русского физико-
химического общества. Однако изобретение не было запатентовано.

В 1897 г. итальянский радиотехник и предприниматель Гу-
льельмо Маркони (1874–1937) получил патент на изобретение
радиоприемника
(принципиально
тождественного
созданному
А.С. Поповым).
На рис. 1, а, б изображены схемы приемника и передатчика
А.С. Попова, где Е — источник постоянного напряжения; P1, P2 —
реле; K1, K2 — контакты; 1 — подвижной рычаг, прикрепленный
к подвижной части сердечника трансформатора; 3 — звонок; когерер — 
стеклянная герметичная трубка, заполненная металлическим
порошком и имеющая два электрода; А — антенна; K — ключ; T —
трансформатор; И P — искровой разрядник; П — прерыватель.
Антенна обладает дуальностью: она преобразует токи и напряжения 
в электромагнитные волны (ЭМВ) в радиопередатчике и
преобразует принимаемые приемником ЭМВ в токи и напряжения.
Рассмотрим работу схемы приемника (cм. рис. 1). При отсутствии 
сигнала в антенне когерер осуществляет разрыв в цепи источника 
напряжения Е, поэтому контакт K1 разомкнут, а K2 —
замкнут. При приходе радиосигнала в антенну когерер становится

4

Рис. 1

проводящим ток и реле P1 замыкает контакты, а реле P2 размыкает
контакты, поднимая рычаг 1, который ударяет о звонок, фиксируя
приход радиосигнала. После этого рычаг падает, ударяет когерер,
приводя его снова к разрыву цепи реле P1, и контакты K2 замыкаются. 
Схема приходит в исходное состояние.
Работа передатчика происходит следующим образом (cм.
рис. 1).
При замыкании ключа K на вторичной обмотке трансформатора 
Т возникает напряжение, достаточное для пробоя
искрового разрядника И Р, возникают затухающие колебания и
излучаются ЭМВ. Замыкая и размыкая ключ K, можно создавать 
радиосигналы, которые передаются с помощью телеграфной
азбуки Морзе.
Гениальными учеными прошлого подготовлена научно-техническая 
база для современной радиоэлектроники.
Основополагающим моментом развития является открытие
единства взаимосвязи электрического и магнитного полей, которое 
было случайно открыто датским физиком Х. Эрстедом в
1820 г. (он наблюдал влияние электрического поля на магнитную
стрелку). Физик и математик А.М. Ампер (1775 — 1836) поставил 
эксперимент по взаимодействию двух проводников с током

5

и нашел законы их взаимодействия. Эти исследования продолжил 
М. Фарадей (1791–1867), открывший закон электромагнитной
индукции и создавший модель электромагнитного генератора.
Д.К. Максвелл (1831–1879) родился в богатой адвокатской семье. 
Он окончил Эдинбургский, затем Кембриджский университеты 
и работал во многих областях: исследовал кольца Сатурна,
занимался цветной фотографией и бытовой химией, писал сатирические 
стихотворения под псевдонимом dp/dt. Его гениальный
вклад в мировую науку — это четыре уравнения, именуемые теперь 
уравнениями Максвелла (1873). Им было получено двенадцать 
уравнений, но Г. Герц и О. Хевисайд свели их к четырем.
В этих уравнениях сконцентрированы все электромагнитные свойства 
природы и следствием этого является доказательство существования 
электромагнитного поля излучения.
Уравнения Максвелла следующие:

rotH = J + dD/dt;
rotE = −dB/dt;
divD = ρ;
divB = 0,

где H — вектор напряженности магнитного поля;
J — вектор плотности тока;
D — вектор электростатической индукции;
E — вектор напряженности электрического поля;
B — вектор магнитной индукции;
ρ — объемная плотность заряда.
Современники не cмогли оценить теорию электромагнитного
поля, и только немецкий физик Г. Герц экспериментально ее подтвердил. 
Английский физик О. Хевисайд независимо от Герца пришел 
к тем же выводам и за 15 лет до Эйнштейна вывел формулу
Е = mс2. Он создал операционное исчисление, разработал теорию
переходных процессов, указал на ионизированный слой, отражающий 
электромагнитные волны (слой Хевисайда).

1.2. Развитие отечественной радиоэлектроники после 1917 г.

Михаил Александрович Бонч-Бруевич (1888 — 1940) окончил
Петербургскую офицерскую электротехническую школу, работал
на Тверской радиостанции, где наладил отечественное производство 
электронных ламп. С 1918 г. он руководил первой в России
радиолабораторией в Нижнем Новгороде, где работал выдающийся 
ученый, заслуженный деятель науки и техники РСФСР, лауреат

6

Золотой медали им. А.С. Попова, профессор, доктор технических
наук, лауреат Государственной премии СССР, заведующий кафедрой «
Радиоэлектронные устройства» МВТУ им. Н.Э. Баумана с
1948 по 1979 г. Александр Михайлович Кугушев, который окончательно 
сформировал в МВТУ радиотехническую кафедру.
С 1922 г. Бонч-Бруевич — профессор МВТУ, с 1931 г. — член-
корреспондент Академии наук СССР. Он был высокообразованным, 
многосторонним человеком, играл на фортепиано, интересовался 
живописью и литературой.
Организатором Петербургского центра радиотехники был академик 
Михаил Васильевич Шулейкин (1884–1939). Он теоретически 
исследовал амплитудно-модулированные сигналы, разработал 
в 1920 г. основы теории распространения радиоволн с учетом
влияния ионосферы, инженерный метод расчета длинноволновых
антенн.
Валентин Петрович Вологдин (1881–1953) работал в Нижегородской 
радиолаборатории. Он разработал электромашину для
питания мощного передатчика, а также первые мощные ртутные
выпрямители для радиопередатчиков. Награжден первой Золотой
медалью им. А.С. Попова.
Олег Владимирович Лосев (1903–1942) в возрасте 19 лет, работая 
в Нижегородской лаборатории, открыл усилительные свойства
кристалла из оксида цинка, вольт-амперная характеристика которого 
имела «падающий» участок. На этой основе Лосевым был
разработан безламповый высокочувствительный приемник (кристадин).

Академик В.А. Котельников создал теорию потенциальной помехоустойчивости 
приемников и показал возможность радиосвязи
на одной боковой полосе. Под его руководством такая система была 
реализована.
Академик А.И. Берг развил теорию анализа процессов в нелинейных 
системах и возглавил от Академии наук направление кибернетики. 
Член-корреспондент АН СССР В.И. Сифоров являлся
крупнейшим специалистом в области радиоприемных устройств,
был избран почетным членом Всеамериканского общества радиоинженеров. 
Большой вклад в разработку новых антенных систем
внесли академики Б.А. Введенский, А.А. Пистолькорс, Л.Д. Бахрах
и другие ученые.

7

2. ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ РАДИОТЕХНИЧЕСКИХ
СИСТЕМ

Изучение принципов работы радиосистем для радиосвязи, радиолокации, 
радионавигации, телевидения можно начать с рассмотрения 
работы радиоканала. Под радиоканалом следует понимать
радиопередатчик (источник радиосигналов), приемник радиосигналов 
и среду распространения радиосигналов. Источником радиосигналов 
является передатчик с антенной, а приемным устройством — 
радиоприемник с антенной. Из этих устройств наиболее
сложным для понимания является антенное устройство, осуществляющее 
излучение и прием электромагнитных волн.

2.1. Излучение электромагнитных волн (радиоволн)

Одним из сложных процессов в радиосистемах является генерация 
и излучение радиоволн.
Для понимания процесса генерации электромагнитных волн
(ЭМВ) рассмотрим резонансную систему — колебательный контур
(рис. 2). Проанализируем процессы, происходящие в колебательном 
контуре. Пусть R = 0 (идеальный контур). Поставим переключатель 
П в положение 1. Тогда конденсатор С зарядится за
время t до напряжения Uc, и его накопленная электрическая энергия 
будет равна: CU2
c /2; Uк = Uc ⩽ Eб.

Рис. 2
Теперь поставим переключатель в положение 2. Тогда к катушке 
L будет приложено напряжение Uc, конденсатор начнет раз-

8

ряжатся через катушку, и потечет ток разряда ip. Через время tp
конденсатор разрядится, отдав свою запасенную энергию Li2
p/2
электромагнитному полю катушки L. Катушка L, в свою очередь,
начнет отдавать в замкнутую цепь накопленную в ней энергию
Li2
p/2, и по контуру потечет ток противоположного направления,
заряжая конденсатор С. Заряд конденсатора закончится тогда, когда 
катушка L отдаст конденсатору накопленную в ней энергию.
Затем этот процесс начнет повторяться, и в контуре возникнут
периодические колебания тока и напряжения с так называемой резонансной 
частотой, равной ωp = 1/

√
LC. Эти колебания будут
гармоническими, т. е. синусоидальными uk = Uк sin(ωp + ϕp), где
Uк — амплитуда колебаний, а ϕp — начальная фаза (рис. 3).

Рис. 3

Резонансная частота контура ωp, вычисленная по формуле
ωp = 1/

√
LC, может выражаться в радианах, но чаще — в герцах
(Гц): fp = ωp/2π; тогда период гармонического колебания равен
Tp = 1/fp. В случае если R ̸= 0, колебания в контуре будут
затухающими.

2.2. Амплитудно-частотная и фазовая характеристики
колебательного контура

Параллельным
контуром
называется
электрическая
цепь,
в которой конденсатор С и катушка L соединены параллельно,
а сигнал uг подается параллельно контуру (рис. 4, а), а последовательным 
контуром — когда L, C и источник сигнала соединены
последовательно. Амплитудно-частотная характеристика (АЧХ)
параллельного и последовательного контуров подобны.

9

Рис. 4

Пусть в колебательный контур введено гармоническое напряжение 
uг = Uг sin(ωг + ϕг), тогда АЧХ Y есть зависимость отношения 
напряжений на контуре на любой частоте к напряжению 
на контуре при резонансе при изменении частоты от 0 до
∞; Y = Uк/Uк.р = F1(ω); фазовой характеристикой называется
зависимость фазы от частоты, ϕ = F2(ω) при Uг = const. Эти
характеристики представлены на рис. 4, б.
Основные параметры параллельного колебательного контура:
1) резонансная частота контура ωp = 1/

√
LC;
2) характеристическое сопротивление контура ρ =

L/C;
3) затухание контура d = R/ρ;
4) добротность контура Q = 1/d; Uк = QUг. Добротность
контура показывает, во сколько раз увеличивается напряжение на
контуре по сравнению со значением подводимого к нему гармонического 
напряжения;
5) полоса пропускания контура ΔωП = ω2 − ω1;
6) сопротивление контура при резонансе Rэ = L/RC.
Следует заметить, и это теоретически и экспериментально доказано, 
что ток, протекающий по проводнику, cоздает вокруг него
электрическое и магнитное поля, синхронно двигающиеся с током
со скоростью света Vс (рис. 5).
Если скорость тока обозначить через Vc, то оказывается, что
векторы E (напряженность электрического поля) и H (напряжен-

10