Geum.ru

А. С. Попов и Г. Маркони шли от одной схемы радиоприемника, используя принцип когерера. Другим путем проблему передачи си

Вид материалаЛитература

Содержание


Радиотехника и радиофизика
Изобретение радио
Глава 3 РАДИОЛОКАЦИЯ
Подобный материал:
ОГЛАВЛЕНИЕ

Введение 2

Глава 1. Радиотехника и радиофизика 3

Глава 2. Изобретение радио 5

§1 Александр Степанович Попов 5

§2 Место гибели изменить нельзя 12

§3 Знал ли Попов "морзянку"? 13

§4 Микроволновый диапазон старше, чем кажется 14

§5 Наука требует жертв? 15

Глава 3. Радиолокация 16

Заключение 25

Литература 26


ВВЕДЕНИЕ


В истории радиотехники отчетливо выделяются два этапа. Первый этап начинается непосредственно с открытия А. С. Попова. Начальным пунктом второго этапа следует считать изобретение в 1907 г. американским радиотехником Ли де Форестом (1873—1961) электронной лампы — триода, внедрению которого в американскую промышленность и радиотехнику в сильной степени способствовал сам изобретатель, получив от соотечественников титул «отца радио». Первый, кто задумал принцип передачи сигналов с помощью радиоволн, был Герц. Он понял, что электрический ток в проводниках может создавать электромагнитные волны. И он создал приборчик, который мог передавать радиоимпульсы на небольшие расстояния. Этот прибор был усовершенствован А. С. Поповым.

По роду своей служебной деятельности А. С. Попов был тесно связан с военно-морским флотом, и именно во флоте произошло рождение великого открытия. Исторические условия для открытия созрели, к нему разными путями в разных странах почти одновременно шли несколько людей: Попов, Резерфорд, Маркони и другие. Первым добился успеха А. С. Попов.

Исторически точно установленным фактом является тот факт, что открытие радио было сделано А. С. Поповым и дата первого публичного сообщения об этом открытии 25 апреля старого стиля, 7 мая нового стиля 1895 г. является датой одного из величайших изобретений в истории человеческой культуры.

А. С. Попов и Г. Маркони шли от одной схемы радиоприемника, используя принцип когерера. Другим путем проблему передачи сигналов на расстояние пытался решить Эрнест Резерфорд (1871—1937).

Уже в 1913 г. Александр Мейснер (1883—1958) разработал генератор незатухающих колебаний с триодом.

Советскую радиотехнику интенсивно развивали И. Г. Фрейман (1890— 1929), автор первого советского курса радиотехники; В. П. Вологдин (1881-1953), конструктор машин высокой частоты; О. В. Лосев (1903-1942), открывший еще в 20-х годах транзисторный эффект; М. В. Шулейкин (1884-1939) и многие другие.


Глава 1

РАДИОТЕХНИКА И РАДИОФИЗИКА


В истории радиотехники до второй мировой войны отчетливо выделяются два этапа. Первый этап — искровой радиотехники — начинается непосредственно с открытия А. С. Попова. Начальным пунктом второго этапа следует считать изобретение в 1907 г. американским радиотехником Ли де Форестом (1873—1961) электронной лампы — триода, внедрению которого в американскую промышленность и радиотехнику в сильной степени способствовал сам изобретатель, получив от соотечественников титул «отца радио». Действительно, роль электронной лампы в развитии радиотехники трудно переоценить. Уже в 1913 г. Александр Мейснер (1883—1958) разработал генератор незатухающих колебаний с триодом. В годы первой мировой войны электронные генераторы, усилители и приемники начали интенсивно вытеснять искровую технику, и послевоенный период стал этапом электронной радиотехники и радиофизики.

Вторая мировая война стимулировала развитие микроволновой радиотехники и полупроводниковой электроники — третий этап в истории радиотехники.

Молодая советская наука и техника активно разрабатывала электронную радиотехнику. Здесь, прежде всего следует отметить заслуги Нижегородской радиолаборатории и ее организатора Михаила Александровича Бонч-Бруевича (1888-1940). Электронные лампы конструкции Бонч-Бруевича обеспечивали развитие советской радиотехники и радиофизики.

Другой тип ламп разрабатывал в Ленинграде Александр Алексеевич Чернышев (1882—1940), один из организаторов Ленинградского физико-технического института, крупный специалист по электротехнике высоких напряжений, впоследствии академик.

Молодая русская радиотехника чтила имя великого изобретателя радио А. С. Попова. В 1925 г. вышел специальный выпуск журнала «Электричество», посвященный А. С. Попову. В статье А. А. Петровского (1873—1942) отмечались заслуги Попова в изобретении радио, рисовался облик ученого и педагога. М. А. Бонч-Бруевич посвятил свою статью рассмотрению свойств и преимуществ коротких волн. В этом же номере рассказывалось и об успехах советского радиовещания.



Советскую радиотехнику интенсивно развивали И. Г. Фрейман (1890— 1929), автор первого советского курса радиотехники; В. П. Вологдин (1881-1953), конструктор машин высокой частоты; О. В. Лосев (1903-1942), открывший еще в 20-х годах транзисторный эффект; М. В. Шулейкин (1884-1939) и многие другие.

III съезд русских физиков в Нижнем Новгороде в значительной мере был посвящен радиофизике и радиотехнике. Вопросы радиофизики и электроники интенсивно разрабатывались в Московском университете в школе В. К. Аркадьева, из которой вышел известный советский радиофизик академик Б. А. Введенский (1893—1969), в школе В. И. Романова (1880-1954) и Н. А. Капцова (1883-1966). С 1925 г. в Московском университете работал Л. И. Мандельштам, создавший мировую школу нелинейных колебаний.

Л. И. Мандельштам возглавил в университете кафедру теоретической физики. Возникновение советской теоретической физики — один из важных моментов ранней истории советской физики.


Глава 2

ИЗОБРЕТЕНИЕ РАДИО

§1 Александр Степанович Попов




Как известно, Герц не предвидел возможности применения электромагнитных волн в технике. В самом деле, было трудно увидеть в слабых искорках, которые Герц рассматривал в лупу, будущее средство связи, перекрывающее ныне космические расстояния до Венеры и Марса и позволяющее управлять самоходным аппаратом на Луне. Даже человеку с неистощимой фантазией, знаменитому писателю Жюлю Верну не удалось предвидеть радиосвязь, и герои его романа «Плавучий остров», написанного после опытов Герца, не знают способов беспроводной связи.

Вообще между принципиальным открытием и его техническим приложением лежит огромное расстояние. Эйнштейн не предвидел в обозримом будущем возможной реализации соотношения Е=mc2, Резерфорд считал химерой использование атомной энергии. Только люди с особыми способностями могут найти разумное техническое воплощение научной идеи. Именно такими способностями обладал замечательный русский физик Александр Степанович Попов, продемонстрировавший примерно через год после смерти Герца первый радиоприемник, открывший возможность практического использования электромагнитных волн для целей беспроволочной связи.

Александр Степанович Попов родился 16 марта 1859 г. на Урале (поселок Турьинский рудник) в семье священника. После окончания в 1877 г. общеобразовательных классов Пермской духовной семинарии он не стал продолжать духовное образование, а поступил на физико-математический факультет Петербургского университета. В университете его увлекла электротехника. Он работал монтером в товариществе «Электротехник», и первые его труды в 1882 г. были посвящены динамоэлектрическим машинам.

Хотя Попов был оставлен при университете для подготовки к профессорскому званию, он долго не пробыл в аспирантуре, как бы сказали сейчас, и с 1883 г. стал преподавателем Минного офицерского класса в Кронштадте, совмещая эту должность с педагогической работой в Техническом училище Морского ведомства в Кронштадте. В Минном офицерском классе Попов проработал до 1901 г., когда он был избран профессором кафедры физики Электротехнического института в Петербурге. В 1905 г. он был избран директором института и в этой должности скончался от кровоизлияния в мозг 13 января 1906году.

По роду своей служебной деятельности А. С. Попов был тесно связан с военно-морским флотом, и именно во флоте произошло рождение великого открытия. Исторические условия для открытия созрели, к нему разными путями в разных странах почти одновременно шли несколько людей: Попов, Резерфорд, Маркони и другие. Первым добился успеха А. С. Попов.

В 1889 г. А. С. Попов прочитал в собрании минных офицеров цикл лекций «Новейшие исследования о соотношении между световыми и электрическими явлениями» по следующей программе:

1. Условия происхождения колебательного движения электричества и распространение электрических колебаний в проводниках.

2. Распространение электрических колебаний в воздухе — лучи электрической силы. Отражение, преломление и поляризация электрических лучей.

3. Актиноэлектрические явления — действие света вольтовой дуги на электрические заряды.

Эти лекции сопровождались демонстрациями опытов Герца. Они имели большой успех, и Морской технический комитет предложил морскому министерству повторить лекции с демонстрациями в Петербурге, в Морском музее для петербургских офицеров. «Опыты, произведенные германским профессором Герцем в доказательство тождественности электрических и световых явлений, — говорилось в этом предложении,— представляют большой интерес не только в строго научном смысле, но также и для уяснения вопросов электротехники».

Очевидно, что А. С. Попов уже говорил в своих лекциях о возможности практического использования волн Герца, и руководящие лица русского военно-морского флота заинтересовались этим. Морское министерство согласилось на повторение лекций Попова в Петербурге и выделило необходимые средства на перевозку приборов. Лекция «Об электрических колебаниях с повторением опытов Герца» состоялась в Морском музее 3 апреля 1890 г. Можно с большим основанием утверждать, что А. С. Попов был не только одним из первых в России «пропагатором герцологии» (термин Столетова), но и тем, кто сразу оценил практическое значение открытий Герца и начал решать задачу их технического использования. 7 мая 1895 г. А. С. Попов на заседании физического отделения Русского физико-химического общества демонстрировал сконструированный им радиоприемник. Этот день в нашей стране ежегодно отмечается как день рождения радио.

Детектором электрических колебаний в приемнике Попова был изобретенный в 1890 г. французским физиком Эдуардом Бранли (1844—1940) прибор, названный английским ученым Оливером Лоджем (1851—1940) когерером. Это был своеобразный полупроводник. Стеклянная трубка, заполненная металлическими опилками, была плохим проводником электричества. Однако под воздействием электрических колебаний ее электропроводность резко возрастала. В опытах Бранли она менялась от миллионов до сотен и десятков Ом. Это уменьшение сопротивления сохраняется и после прекращения воздействия колебаний «иногда более 74 часов», по наблюдению Бранли. Трубку можно вернуть в состояние плохой электропроводности «слабыми отрывистыми ударами по дощечке, которая поддерживает трубку».

Лодж в 1894 г. прочитал в Лондонском Королевском обществе лекцию памяти Герца под названием «Творение Герца». Здесь он говорил и о трубке Бранли: «Этот прибор, который я называю когерером, удивительно чувствителен как детектор герцевских волн». В опытах Лоджа когерер чувствовал влияние искры на расстоянии сорока ярдов (около 40 м). Лодж применял различные способы приведения когерера в рабочее состояние, в том числе и с помощью вибраций электрического звонка, смонтированного на одной доске с когерером. Однако Лодж не додумался до использования звонка и как регистратора поступившего сигнала и как автомата для приведения когерера в рабочее состояние. Это сделал А. С. Попов. Попов же применил антенну для улавливания электромагнитных волн. Сочетав звонок, когерер, антенну, А. С. Попов построил прибор, который позже (в июле 1895 г.) был назван Д. А. Лачиновым «грозоотметчиком», имея в виду его применение как регистратора грозовых разрядов. Однако Попов своим приемником пользовался и для приема волн, создаваемых передатчиком. В своей статье «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», опубликованной в журнале Русского физико-химического общества в 1896 г., А. С. Попов писал: «В соединении с вертикальной проволокой длиною 2,5 метра прибор отвечал на открытом воздухе колебаниям, произведенным большим герцевым вибратором (квадратные листы 40 сантиметров в стороне) с искрой в масле, на расстоянии 30 сажен».


Рис. 50. Схема приёмника Попова


Эти строки писались в декабре 1895 г. Таким образом, А. С. Попов в 1895 г. проводил опыты по передаче и приему электромагнитных волн на расстояние до 60 м. Летом того же года его прибор использовался для регистрации электрических возмущений в атмосфере, как при наличии грозовых разрядов, так и при отсутствии гроз. А. С. Попов заканчивал свою статью словами, что «прибор при дальнейшем усовершенствовании его может быть применен к передаче сигналов на расстоянии при помощи быстрых электрических колебаний». При этом он указывал на необходимость создания достаточно мощного генератора таких колебаний.

20 января 1897 г. А. С. Попов выступил на страницах газеты «Котлин» со статьей «Телеграфирование без проводов». Заглавие статьи ясно указывает, что в ней речь идет не о передаче и приеме спорадических сигналов, а о «телеграфировании», т. е. передаче и приеме осмысленного текста условным кодом. Статья появилась в связи с сообщением об опытах Маркони. Попов напоминает, что прибор, аналогичный описанному в сообщении, был им построен в 1895 г. и демонстрировался на заседании физического отделения Русского физико-химического общества в апреле (7 мая по н. ст.). Он указывает, что его прибор «приспособлен для опытов с электромагнитными волнами» и демонстрировался на научных заседаниях и лекциях.

А С. Попов указывает, что с помощью этого прибора он отмечал грозовые разряды на расстоянии «более 25 верст». Он подчеркивает, что сигнализация электрическими волнами «и сейчас возможна», но герцевские вибраторы как источник электрических лучей «очень слабы». Указав, что действие тумана на электрические волны «не было наблюдаемо», Попов подчеркивает, что «можно ожидать существенной пользы от применения этих явлений в морском деле...». И в дальнейшем А. С. Попов неустанно работает над разработкой радиотелеграфной связи для флота.

Работая для флота и отчетливо понимая всю важность этой работы для своей родины, А. С. Попов не спешил с печатными публикациями, стремясь информировать лишь специальную аудиторию: морских офицеров и ученых. Но с момента появления в печати сведений о работе Маркони А. С. Попов был вынужден выступить в защиту своего приоритета. Статья в газете «Котлин» от 20 января 1897 г. была первым таким выступлением А. С. Попова. Патент на «усовершенствование в передаче электрических импульсов и сигналов и в аппаратуре для этого» был выдан Маркони 2 июля 1897 г., т. е. спустя более двух лет после демонстрации А. С. Поповым своего приемника. Патент Маркони был английским и закреплял его приоритет в Англии. А. С. Попов ограничился сообщением 7 мая 1895 г. и печатной публикацией 1896 г. и своего изобретения ни в России, ни где бы то ни было не патентовал.



Г. Маркони

Исторически приоритет А. С. Попова бесспорен, он бесспорен с точки зрения научного приоритета. Но юридически патент Маркони, хотя и является только английским, был первым правовым актом, закрепляющим авторство изобретателя. Маркони был капиталистическим дельцом, он ничего не публиковал и не сообщал до подачи заявки на патент, он стремился закрепить не научный, не исторический приоритет, а юридический. И хотя истории науки нет никакого дела до юридической стороны, она решает вопрос с точки зрения исторической правды, находятся историки науки, которые защищают приоритет Маркони.

Заслуга Маркони в дальнейшем развитии радио бесспорна, в развитии, но не в открытии. Исторически точно установленным фактом является тот факт, что открытие радио было сделано А. С. Поповым и дата первого публичного сообщения об этом открытии 25 апреля старого стиля, 7 мая нового стиля 1895 г. является датой одного из величайших изобретений в истории человеческой культуры.

А. С. Попов и Г. Маркони шли от одной схемы радиоприемника, используя принцип когерера. Другим путем проблему передачи сигналов на расстояние пытался решить Эрнест Резерфорд (1871—1937). Еще находясь в Новой Зеландии, он изучал намагничивание железа высокочастотными разрядами. Результаты своих исследований он опубликовал в «Трудах Новозеландского института» за 1894 г. Переехав в Кембридж, он продолжал заниматься этим вопросом и, установив уменьшение намагничивания стального стержня под влиянием электрических колебаний, предложил воспользоваться этим эффектом для детектирования электрических колебаний. Статья Резерфорда «Магнитный детектор электрических волн и некоторые его применения» была опубликована в 1897 г., в год выдачи патента Маркони. В этой статье Резерфорд сообщил, в частности, об использовании детектора в опытах по обнаружению электромагнитных волн на больших расстояниях. Он писал: «Мы работали с вибратором Герца, имеющим пластины площадью 40 см2 и короткий разрядный контур; мы получили достаточно большое отклонение магнитометра на расстоянии 40 ярдов, причем волны проходили через несколько толстых стенок, расположенных между вибратором и приемником». «В дальнейших опытах была поставлена задача — определить максимальное расстояние от вибратора, на котором можно обнаружить электромагнитное излучение...» «Первые опыты проводились в лабораториях Кембриджа, причем приемник находился в одном из дальних зданий. Достаточно большой эффект был получен на расстоянии около четверти мили от вибратора, и, судя по величине отклонения, эффект можно было бы заметить на расстоянии, в несколько раз большем...»

Но в том же, 1897 г., когда была опубликована эта статья, Резерфорд узнал о результатах Маркони и прекратил дальнейшие опыты с своим детектором. Его внимание привлекла область, в которой ему было суждено обессмертить свое имя, — радиоактивность. Проводя исследования в этой области, он пришел к открытию атомного ядра и первых ядерных реакций.

История открытия радио, в которой сплелись имена многих исследователей разных стран, еще раз подтверждает важный закон истории науки, о котором писал ф. Энгельс в 1894 г., за год до открытия радио, говоря, что, если время для открытия созрело, «это открытие должно было быть сделано» (Энгельс ф. В. Боргиусу. — Маркс К., Энгельс ф. Соч., 2-е изд., т. 39, с. 176).

Открытие радио подтвердило справедливость теории Максвелла высшим критерием истины — практикой. Теория Максвелла выдвинула перед физикой ряд острых и глубоких вопросов, решение которых привело к новому революционному этапу в истории физики.


§2 Место гибели изменить нельзя

Радиограмма, переданная 12 (24) марта 1896 г. во время первой публичной демонстрации беспроволочной телеграфии А. С. Поповым на заседании Русского Физического общества, содержала всего два слова: "Heinrich Hertz". Отправленная из Химического института, она была принята в физической аудитории Петербургского университета на расстоянии около 250 метров. Передачу ключом осуществлял П. Н. Рыбкин, а расшифровывал точки и тире, появлявшиеся на ленте телеграфного аппарата, маститый физик проф. Ф. Ф. Петрушевский (пользуясь, правда, шпаргалкой с кодом Морзе). Эту бумажную ленточку хранил в своем личном архиве участник заседания профессор В. К. Лебединский. В 1913 - 1918 годах он жил в Риге, преподавал в Рижском Политехническом институте. В конце первой мировой войны архив В. К. Лебединского погиб, а вместе с ним и историческая ленточка - материальное свидетельство рождения практической радиосвязи.

Таким образом, наш город навсегда останется в анналах истории как место гибели первой радиограммы.


§3 Знал ли Попов "морзянку"?

Интересно, умел ли основоположник радиосвязи принимать "морзянку" на слух? Такие навыки не были распространенными до начала ХХ века, ведь и телеграммы, и радиограммы, принимаемые на аппаратах Морзе, были не в виде звуков, а в виде точек и тире на бумажной ленте. Правда, в железнодорожной проводной связи иногда находил применение слуховой прием по щелчкам, издаваемым электромагнитом (так называемым клопфером) при нажатиях и отжатиях ключа. В докладе А. С. Попова на Первой всероссийской электротехнической конференции: «…можно принимать депеши на расстояниях, значительно больших, нежели при помощи реле и телеграфа, при той же высоте мачт… прерыватель на отправительной станции. Таким образом, можно отличать отправительные станции друг от друга, если их прерыватели работают с различной скоростью».

А вот что сказано в рапорте лейтенанта А. А. Реммерта - командира группы строителей радиостанции на о. Кутсало, предназначенной для обеспечения связи при проведении работ по снятию с камней броненосца "Генерал-адмирал Апраксин" в конце 1899 - начале 1900 г.: "24 января. С утра, в условленное время, в 9 часов, начали передавать телеграмму № 186 об уплывших на льдине рыбаках; утром приехал А. С. Попов и приступил к установке аппарата Морзе, но последний лишь чувствовал разряд, но не работал правильно. Поэтому слушали в телефон…

…Сигналы вначале давали с Гогланда быстро, так что едва поспевали разбирать. Подали сигнал "медленнее", на что последовал ответ уже в три раза медленнее. Вначале не верилось, что опыт удался, и думали, что сигналисты сменились".

"26 января. С утра находились все у телефона. Задавали вопросы, но прямых ответов не получали. Вопросы были: "длина искры, высота мачты". Наконец, получаем довольно ясно: "успех полный, уезжаем. Залевский, Рыбкин", и следовала подпись сигналиста… Но все-таки сильные разряды атмосферного электричества мешают слушать. Александр Степанович Попов сильно утомился…"

В своих более поздних воспоминаниях А. А. Реммерт пишет: "А. С. Попов приезжал к нам еще один раз. По его лицу видно было, что достигнутые им результаты дали ему полное нравственное удовлетворение. Веселый и разговорчивый, он проводил время в радиотелеграфной будке и сам принимал телеграммы".


§4 Микроволновый диапазон старше, чем кажется

Большинство из нас воспринимает освоение УКВ, сантиметровых и миллиметровых волн как достояние последнего полувека. Однако это не так.

Прежде всего отметим, что основополагающие исследования Г. Герца в 1886-90 гг. происходили на метровых и дециметровых волнах в диапазоне от 50 до 500 МГц. (Тогда еще не мегагерц, а просто миллионов периодов в секунду, конечно. Или, пользуясь терминологией А. С. Попова - миллионов перемен в секунду). А. С. Попов при демонстрациях свойств "лучей Герца" пользовался вибратором меньшего размера, чем сам Герц - с плечами приблизительно по 5 см длиной, то есть длина излучаемых волн могла быть около 20 см (т.е. с частотой выше гигагерца), и эти волны успешно фокусировались параболическим рефлектором всего 40 см высотой. Другое дело, что когда для увеличения дальности связи он присоединял к разряднику длинную проволочную антенну с заземлением, собственная частота колебательной системы значительно снижалась.

Уже в 1895 году П. Н. Лебедев много и плодотворно занимался исследованиями в миллиметровом диапазоне. Он исследовал свойства различных материалов (показатель преломления, величину диэлектрических потерь и. т.п.) при воздействии на них электромагнитных колебаний с длиной волны 6 мм, то есть с частотой 50 ГГц.

В 1901 г. И. И. Косоногов использовал направленные потоки радиоволн длиной 1,9 - 9 см для измерения показателя преломления (т.е. и диэлектрической проницаемости) ряда жидких диэлектриков.

Работая в начале ХХ века с сантиметровыми и дециметровыми волнами, В. К. Аркадьев открыл явление резкого снижения магнитной проницаемости ферромагнитных материалов с повышением частоты. Ему же принадлежит ряд остроумных изобретений, в частности, так называемый вихремер Аркадьева - калориметрический измеритель поля, состоящий из кольцевой трубки, заполненной электролитом. К этой трубке прикреплен капилляр, высота столбика электролита в котором увеличивается при нагревании СВЧ-полем кольца жидкости в трубке. Он также изобрел электрохимический способ визуализации электромагнитного поля СВЧ с использованием множества миниатюрных когереров (метод стиктограмм Аркадьева).

В 1922 году А. А. Глаголева-Аркадьева получила при помощи искрового разряда через металлические опилки, смоченные маслом (так называемый массовый излучатель), интенсивное широкополосное излучение электромагнитных волн в диапазоне от 50 мм до 0,082 мм, то есть от 6 ГГц до 365 ГГц!

Знаменитая формула Б. А. Введенского - квадратичный закон зависимости напряженности поля УКВ от расстояния при небольших (практических) высотах приемника и передатчика над землей - была выведена им в 1928 году.


§5 Наука требует жертв?

Как известно, жизнь Г. Герца была недолгой. Он умер в возрасте лишь 37 лет. А. С. Попов скончался от кровоизлияния в мозг в возрасте 46 лет. Хотя в те времена средняя продолжительность жизни вообще была значительно меньше, чем теперь, все же приходит мысль, а не стали ли их эксперименты с электромагнитными волнами причиной преждевременной смерти? Никаких мер предосторожности в то время (и еще долго после того) никто не предпринимал. А. С. Попов в одном из своих докладов отмечал, что радиоволны никак не ощущаются человеком. К сожалению, как и при исследованиях радиоактивности, опасность была выявлена довольно поздно. И тот и другой исследователи работали в самом опасном для человека диапазоне волн - метровом и дециметровом. Мощность излучения во многих экспериментах явно превосходила все мыслимые по современным понятиям санитарные нормы.

Глава 3

РАДИОЛОКАЦИЯ

Радиолокация - область науки и техники, предмет которой - наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами: их обнаружение, распознавание, определение их координат и скорости и др.

азличают активную и пассивную радиолокации. При активной радиолокации объект облучается радиоволнами, посылаемыми РЛС, в результате чего возникают сигналы от объекта. Активная радиолокация, в свою очередь, подразделяется на радиолокацию с пассивным и активным ответами.

При радиолокации с пассивным ответом обнаружение производят по сигналу, отраженному от объекта после облучения его электромагнитными волнами. В этом случае сигнал, излучаемый РЛС, называют зондирующим, а сигнал, приходящий от цели, - отраженным или эхо-сигналом. Значение отраженного сигнала зависит от отражающих свойств объекта.

При радиолокации с активным ответом обнаружение производят по сигналу, ретранслированному объектом. При этом прямой сигнал называют запросным, а сигнал приходящий от цели, - ответным. Ретрансляционную аппаратуру, находящуюся на объекте, именуют ответчиком. Интенсивность ответного сигнала зависит от мощности установленного на объекте ретрансляционного передатчика. Дальность действия этих РЛС намного больше дальности действия РЛС с пассивным ответом. Однако такие РЛС могут работать только со «своими» объектами. Их в основном используют для сопровождения ракет и других объектов, обладающих слабыми отражающими свойствами, а также для опознавания «своих» объектов.

Пассивная радиолокация основана на приёме собственного радиоизлучения объектов. РЛС с пассивной радиолокацией не имеет передатчика. Она имеет лишь направленную приёмную антенну, улавливающую излучения объекта, приёмник, усиливающий принятые радиосигналы, и устройства, с помощью которых происходят регистрация и анализ этих сигналов. Такие РЛС используют для исследования явлений, происходящих в космическом пространстве (радиотелескопы), а также для определения местоположения кораблей и самолетов по радиомаякам (радиопеленгация).

Основной является активная радиолокация, которая в дальнейшем именуется просто радиолокацией. В радиолокации применяют РЛС с непрерывным и импульсным излучением энергии.

Еще А.С. Попов заметил, что радиоволны имеют способность отражаться. На этом и основан принцип действия радиолокационной станции. Мощный луч радиолокационного передатчикам фокусируется большой антенной в направлении исследуемого объекта, фиксируется и изучается отраженный радиосигнал, на основе чего делаются выводы о тех или иных характеристиках объекта. Первые работы по созданию радиолокационных систем начались в нашей стране в середине 30-х годов. Впервые идею радиолокации высказал научный сотрудник Ленинградского электрофизического института (ЛЭФИ) П.К. Ощепков еще в 1932 году. Позднее он же предложил идею импульсного излучения.

16 января 1934 года в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) под председательством академика А. Ф. Иоффе состоялось совещание, на котором представители ПВО РККА поставили задачу обнаружения самолетов на высотах до 10 и дальности до 50 км в любое время суток и в любых погодных условиях. За работу взялись несколько групп изобретателей и ученых. Уже летом 1934 года группа энтузиастов, среди которых были Б. К. Шембель, В.В. Цимбалин и П. К. Ощепков, представила членам правительства опытную установку. Проект получил необходимое финансирование и в 1938 году был испытан макет импульсного радиолокатора, который имел дальность действия до 50 км при высоте цели 1,5 км. Создатели макета Ю. Б. Кобзарев, П. А. Погорелко и Н. Я. Чернецов в 1941 году за разработку радиолокационной техники были удостоены Государственной премии СССР. Дальнейшие разработки были направлены в основном на увеличение дальности действия и повышение точности определения координат. Станция РУС- 2 принятая летом 1940 года на вооружение войск ПВО не имела аналогов в мире по своим техническим характеристикам, она сослужила хорошую службу во время Великой Отечественной войны при обороне Москвы от налетов вражеской авиации. После войны перед радиолокационной техникой открылись новые сферы применения во многих отраслях народного хозяйства. Без радаров теперь немыслимы авиация и судовождение. Радиолокационные станции исследуют планеты Солнечной системы и поверхность нашей Земли, определяют параметры орбит спутников и обнаруживают скопления грозовых облаков.

Определение координат цели радаром производится с учетом выбранной системы координат. Выбор той или иной системы координат связан со сферой применения радиолокационной установки. Например, наземная радиолокационная станция (РЛС) наблюдения за воздушной обстановкой измеряет три координаты цели: азимут, угол места и наклонную дальность (полярная система координат).
















Рис.1. Система координат обзорной РЛС

 - угол места,  - угол азимута, R – наклонная дальность


Различают два основных режима работы РЛС: режим обзора (сканирования) пространства и режим слежения за целью. В режиме обзора луч РЛС по строго определенной системе просматривает все пространство или заданный сектор. Антенна, например, может медленно поворачиваться по азимуту и в то же время быстро наклоняться вверх и вниз, сканируя по углу места. В режиме слежения антенна все время направлена на выбранную цель, и специальные следящие системы поворачивают ее вслед за движущейся целью.

Удаленность того или иного объекта определяется по запаздыванию отраженного сигнала относительно излучаемого. Запаздывание сигнала очень мало, поскольку радиоволны распространяются со скоростью, близкой к скорости света (300 000 км/с). Действительно, для самолета, находящегося на расстоянии 3 км от РЛС, запаздывание сигнала составит всего 20 мкс. Такой результат, получается, из-за того, что радиоволна проходит путь в обоих направлениях, к цели и обратно, так что общее расстояние, пройденное волной, составит 6 км. Однако при радиолокации Марса, успешно проведенной в начале 60-х годов, задержка сигнала составила около 11 мин, а это время малым назвать нельзя. Современная вычислительная техника способна с высокой точностью обрабатывать сигналы с ничтожным временем запаздывания, поэтому с помощью радаров можно регистрировать объекты, расположенные как на больших, так и на малых расстояниях от наблюдателя. Существует единственное существенное ограничение применения радаров в целях сверхдальних наблюдений - это ослабление сигнала. Если сигнал проходит большое расстояние, то он частично рассеивается, искажается и ослабевает и выделить его в приемнике из собственных шумов приемника и шумов иного происхождения зачастую крайне затруднительно. Ослабление сигнала при радиолокации вполне поддается расчету, который основан на простых физических соображениях. Если в какой - то точке излучается мощность Р, то поток мощности через единичную площадку, находящуюся на расстоянии R, будет пропорционален Р/4R2. В знаменателе стоит площадь сферы радиусом R, окружающей источник. Таким образом, при обычной радиосвязи мощность, принятая антенной, обратно пропорциональна квадрату расстояния. Этот закон - закон сферической расходимости пучка энергии - выполняется всегда при распространении волн в свободном пространстве. Даже если сконцентрировать излучаемую мощность в узкий луч и поток энергии возрастет в несколько раз, (этот коэффициент называется коэффициентом направленного действия антенны, КНД), квадратичная зависимость от расстояния сохранится. Но в радиолокации радиосигнал преодолевает двойные расстояния, а сама облучаемая цель рассеивает энергию по всем направлениям, и если облучающий цель поток энергии ослабевает обратно пропорционально R2, то приходящий к приемнику рассеянный поток еще ослабляется во столько же раз и оказывается обратно пропорциональным R4. Это означает, что для повышения дальности действия РЛС в два раза при прочих равных условиях мощность ее передатчика надо повысить в 16 раз. Столь высокой ценой достигаются высокие характеристики современных РЛС.

В РЛС с фазовым методом измерения дальности, характерно непрерывное зондирующее излучение. В этом случае о расстоянии до объекта судят по изменению фазы сигнала генератора масштабной частоты (ГМЧ) за время распространения электромагнитных волн до объекта и обратно. В фазометре (Ф) рис.2 сравниваются две волны: прямая, поступающая непосредственно от ГМЧ, и отраженная, поступающая с выхода приемника (Пр) после отражения от объекта. Эти радиоволны имеют различные фазы.


ГВЧ


ГМЧ


Объект








Фазометр

Приемник



Рис.2 Структурная схема фазового метода измерения дальности

Пусть напряжение, вырабатываемое ГМЧ, изменяется по закону

Umax=Um*sin(t+0),

где 0 – начальная фаза;  - масштабная частота ГМЧ. Этим напряжением модулируются колебания генератора высокой частоты (ГВЧ), которые излучаются в пространство. Тогда напряжение отраженного сигнала на выходе приемника (Пр)

Uотр= Um отр* sin[(t - t0)+0] = Um отр* sin(t - t0+0),

где t0 – сдвиг фаз между прямым и отраженным сигналами.

В этой формуле не учитываются запаздывание фазы сигнала в цепях РЛС и сдвиг фаз, возникающий при отражении от объекта. Эти параметры постоянны и могут быть получены экспериментальным путем. Поскольку t0 = 2D/c, то

 = 2D/c = 4fD/.

Из этой формулы следует, что сдвиг фаз между прямым и отраженным сигналами зависит от дальности до объекта и частоты колебаний, генерируемых ГМЧ. Поскольку частота колебаний постоянна, по сдвигу фаз можно определить дальность до объекта.

Наибольшее распространение получил импульсный способ определения дальности. Работой импульсного локатора управляет генератор импульсов (ГИ), следующих с относительно невысокой частотой повторения - порядка сотен импульсов в секунду. Мощные импульсы подаются на генератор высокой частоты (ГВЧ), вырабатывающий очень мощные короткие импульсы высокочастотных (ВЧ) колебаний. Через антенный переключатель (АП) ВЧ импульс поступает в антенну и излучается. После излучения импульса антенна подключается к входу приемника (Пр.).









ГИ


ГВЧ


АП







Пр

ГР

ЭЛТ



Рис.3. Структурная схема импульсной РЛС

Одновременно с излучением импульса запускается генератор развертки (ГР.), вырабатывающий линейно нарастающее пилообразное напряжение. Оно поступает на пластины горизонтального отклонения электронно-лучевой трубки, экран которой и является экраном РЛС.

Усиленный и продетектированный сигнал с выхода приемника подается на пластины вертикального отклонения. Что же можно наблюдать на экране? Прежде всего, в самом начале линии развертки появится мощный импульс сигнала ВЧ генератора, который служит началом шкалы дальности. Спустя некоторое время, нужное для распространения волн, придут сигналы от целей. Луч к этому времени переместится правее. Чем дальше цель, тем дальше от начала развертки окажутся отраженные импульсы. А их амплитуда будет соответствовать интенсивности отраженного сигнала. По ней в какой - то мере можно судить о величине цели. Определять дальность на экране импульсного локатора достаточно просто: под линией развертки можно расположить шкалу. Но, поскольку такой способ уж очень несерьезен, в схему локатора ввели масштабные генераторы меток. Шкалу дальности стал рисовать электронный луч параллельно со своим основным назначением - индикацией целей. Генератор развертки совершенствовался, например, достигнута возможность «растянуть» по горизонтали любое место линии развертки, чтобы подробнее рассмотреть отраженные сигналы в заданном интервале дальностей. У описанного индикатора (он получил название «индикатор типа «А») есть существенный недостаток: он дает только дальность, а направление на цель надо определять по шкалам поворотного устройства антенны. Поэтому очень скоро был разработан другой индикатор (тип В), используемый в РЛС кругового обзора. Антенна этой станции вращается вокруг вертикальной оси, «просматривая» все азимутальные направления от 0 до 360 градусов. Структурная схема РЛС и порядок работы остаются прежними, но индикатор кругового обзора (ИКО) выполнен совсем по-другому. Пилообразное напряжение развертки подается на специальный кольцевой отклоняющий электрод, и линия развертки проходит по радиусу - от центра к краю экрана. Она поворачивается синхронно с антенной. Для поворота линии развертки на обычные отклоняющие пластины X и Y подают синусоидальные переменные напряжения в квадратуре, т.е. на одну пару пластин - косинусоидальное напряжение, а на другую синусоидальное. Частоты этих напряжений равны частоте вращения антенны и составляют доли герца. Луч при этом описывал бы круги на экране, но, поскольку имеется еще напряжение радиальной развертки на кольцевом электроде, изменяющееся значительно быстрее с частотой повторения излучаемых импульсов, луч чертит линию развертки, вращающуюся вместе с вращением антенны.

Сигнал с выхода приемника подается на управляющий электрод (сетку) ЭЛТ и заставляет луч увеличивать яркость при наличии отраженных импульсов. Таким образом, на экране ИКО луч «рисует» радиолокационную карту местности. Место расположения самой РЛС соответствует центру экрана. Локатор кругового обзора хорошо подходит для морской навигации, дальнего обнаружения воздушных целей, диспетчерского контроля в аэропортах. Теперь все чаще переходят к секторному обзору, при котором антенна «осматривает» не весь горизонт, а только нужную его часть. Большие наземные РЛС снабжают индикаторами нескольких типов: кругового обзора для обнаружения целей и контроля обстановки, типа А для точного определения дальности и т.д. Если, например, диаграмма направленности антенны может «качаться» еще и по углу места (для этого обычно не наклоняют всю антенну, достаточно «качать» ее облучатель), то применяют в дополнение к ИКО индикатор «дальность - высота». В нем луч развертывается по радиусу и «качается» в некотором секторе синхронно с антенной, а координаты выбраны прямоугольными. Такой индикатор наглядно покажет и высоту цели.

Технические характеристики РЛС во многом зависят от конструкции приемо - передающей антенны. Энергию волн из волновода в открытое пространство можно передать посредством рупорной антенны. Хорошая рупорная антенна должна быть длинной, поскольку любые неоднородности в волноводе приводят к отражению распространяющейся энергии. Переход от волновода к рупору как раз и является такой неоднородностью, поэтому он должен быть достаточно плавным. Чтобы правильно сформировалась диаграмма направленности, поле в раскрыве антенны должно быть синфазным. Это значит, что колебания поля электромагнитной волны в различных точках раскрыва должны происходить одновременно. Но при распространении от рупора и вдоль его грани волна проходит разный путь и колебания на краях раскрыва запаздывают относительно колебаний в центре. Если разница путей достигает четверти, или даже половины длины волны, рупорная антенна окажется неэффективной. Для уменьшения указанной разницы путей, рупорные антенны делают длинными. Это не совсем удобно, поэтому в радиолокации предпочитают зеркальные антенны, а рупор используют в качестве облучателя зеркала. Чем больше размеры антенны, тем уже ее диаграмма направленности. Угловая ширина диаграммы направленности  связана с размером антенны формулой =/D , где угол  выражается в радианах.

Стремление увеличить дальность действия привело к тому, что радиолокация, как и многие другие области техники, пережила эпоху «гигантомании». Создавались все более мощные магнетроны, антенны все больших размеров, устанавливавшиеся на гигантских поворотных платформах. Мощность РЛС достигла 10 и более мегаватт в импульсе. Более мощные передатчики создавать было уже физически невозможно: резонаторы и волноводы не выдерживали высокой напряженности электромагнитного поля, в них происходили неуправляемые разряды. Появились данные и о биологической опасности высококонцентрированного излучения РЛС: у людей проживающих вблизи РЛС наблюдались заболевания кроветворной системы, воспаленные лимфатические узлы. Со временем появились нормы на предельную плотность потока СВЧ энергии, допустимые для работы человека (кратковременно допускается до 10 мВт/см2).

Новые требования, предъявляемые к РЛС, привели к разработке совершенно новой техники, новых принципов радиолокации. В настоящее время на современных РЛС импульс посылаемый станцией представляет собой сигнал, закодированный по весьма сложному алгоритму ( наиболее распространен код Баркера), позволяющий получать данные повышенной точности и ряд дополнительных сведений о наблюдаемой цели. С появлением транзисторов и вычислительной техники мощные мегаваттные передатчики ушли в прошлое. На их смену пришли сложные системы РЛС средней мощности объединенные посредством ЭВМ. Благодаря внедрению информационных технологий стала возможна синхронная автоматическая работа нескольких РЛС. Радиолокационные комплексы постоянно совершенствуются, находят новые сферы применения. Однако есть еще масса неизученного, поэтому эта область науки еще долго будет интересна физикам, математикам, радиоинженерам; будет объектом серьезных научных работ и изысканий.

Развитие современной науки и техники невозможно представить себе без применения радиолокации, которая используется и в исследовании космоса, и в навигации воздушных и морских судов, и в военной технике (для обнаружения цели и наведения ракет на цель).


ЗАКЛЮЧЕНИЕ


Радиолокация как наука окончательно сформировалась во время Второй Мировой войны. В то время использование радиолокационных станций давало огромное преимущество перед противником. И за счет этого радиолокация получила огромный толчок для быстрого развития.

Сегодня мы имеем, с одной стороны, классическую учебно-научную дисциплину, с другой стороны, удивительные по своим возможностям многочисленные различные радиолокационные станции и устройства, действительно способные совершить невозможное и увидеть то, что в житейском плане в принципе невозможно увидеть.

На радиолокации основано действие многих приборов, широко применяемых как в повседневной жизни, а также в военной области. Отражение радиоволн — первая основа, первый принцип радиолокации. Не будь отражения радиоволн, не было бы и радиолокации. Направленность составляет также основу радиолокации, то есть второй ее принцип.

Подводя итоги можно сказать, что лицо современной радиолокации и радиолокации будущего составляют радиолокационные станции с фазированными антенными решетками.


ЛИТЕРАТУРА

1.Основы радиолокации и телевидения. А.А.Немец, В.И.Федотов, Москва, Высшая школа, 1984г.

2.Радиолокация без формул. М.К.Размахнин, Москва, Советское радио,1971г.

3.Что такое радиолокация? С. А. Божанов 1948 г.