Книжная полка Сохранить
Размер шрифта:
А
А
А
|  Шрифт:
Arial
Times
|  Интервал:
Стандартный
Средний
Большой
|  Цвет сайта:
Ц
Ц
Ц
Ц
Ц

Введение в специальность «Радиоэлектронные системы»

Покупка
Новинка
Артикул: 837375.01.99
Доступ онлайн
640 ₽
В корзину
Представлен краткий исторический обзор развития радиоэлектроники. Изложены принципы работы радиотехнических систем. Рассмотрены пассивные электрорадиоэлементы, основы радиоизмерений. Для студентов МГТУ им. Н.Э. Баумана, обучающихся по специальности «Радиоэлектронные системы».
Введение в специальность «Радиоэлектронные системы» : учебное пособие / И. В. Вознесенский, А. В. Галев, Д. Д. Дмитриев, В. А. Петров ; под. ред. В. Н. Митрохина. - Москва : Изд-во МГТУ им. Баумана, 2009. - 64 с. - ISBN 978-5-7038-3318-6. - Текст : электронный. - URL: https://znanium.ru/catalog/product/2160917 (дата обращения: 15.07.2024). – Режим доступа: по подписке.
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов. Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в ридер.
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 радиоизмерений.
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 физикохимического общества. Однако изобретение не было запатентовано.
В 1897 г. итальянский радиотехник и предприниматель Гульельмо 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. — членкорреспондент 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

Доступ онлайн
640 ₽
В корзину