Области применения радиоэлектроники. Области применения электроники «Пензенский государственный университет»

Лекция №1

1.Введение. Предмет и основные понятия радиоэлектроники.

2.Основные принципы передачи и приема информации.

Введение. Предмет и основные понятия радиоэлектроники.

Радиоэлектроника - собирательное название обширного комплекса областей науки и техники, связанного с проблемами передачи, приема и преобразования информации с помощью электромагнитных колебаний радиочастотного диапазона. Радиоэлектроника охватывает радиотехнику, радиофизику и электронику , а также ряд новых областей, выделившихся в результате их развития и дифференциации. В основном радиоэлектроника «обязана» успехам развития радиотехники.

Радиотехника (от лат. radio - испускаю лучи; от греч. techne - искусство, мастерство) является основным фундаментом радиоэлектроники, и поэтому часто под термином «радиоэлектроника» понимают радиотехнику. В техническом аспекте радиотехника связана с разработкой разнообразных систем, предназначенных для передачи и приема информации с помощью электромагнитных колебаний (в том числе и оптических).

К числу радиотехнических систем относятся:

Системы звукового и телевизионного радиовещания;

Глобальные космические (спутниковые) системы радиосвязи, телевизионного вещания и радионавигации;

Системы подвижной радиосвязи с помощью наземных средств - сотовая,

профессиональная (транкинговая), пейджинговая и беспроводная связь;

Системы связи с воздушными, подвижными наземными объектами,

морскими надводными и подводными судами и другие виды радиосвязи;

Системы радиоуправления, биотелеметрии и радиотелеметрического

контроля разнообразных объектов;

Радиотехнические системы комплексов радиолокационной, противовоздушной и противоракетной обороны;

Метеорологические и информационно-измерительные системы и системы различного мониторинга, в том числе космического;

Мультимедийные и прочие системы.

К радиотехнике относятся также радиоастрономия, радиография, радиовидение, радиоразведка и радиопротиводействие, промышленная электроника и

радиотехника, медицинская радиотехника и пр.

Радиофизика - раздел физики, в котором изучаются физические основы радиотехники. Важнейшими проблемами радиофизики являются исследование возбуждения и преобразования электрических сигналов и помех, а также излучения и распространения электромагнитных колебаний.

Развитие радиотехники непосредственно связано с созданием элементной базы, в частности, с разработкой электронных приборов для систем передачи информации на расстояние с помощью электромагнитных колебаний. Дальнейшее развитие радиотехники непрерывно ставило задачи по созданию и внедрению новых электронных элементов и узлов, что привело к появлению самостоятельной отрасли науки - электроники.

Электроника - наука о взаимодействии заряженных частиц (электронов, ионов) с электромагнитными полями и методах создания электронных приборов и устройств, используемых в основном для передачи, хранения и обработки информации, возникла в начале XX в. Первоначально развивалась вакуумная электроника; на ее основе были созданы электровакуумные приборы. электроника четко разделилась на энергетическую или силовую электронику (мощные выпрямители, инверторы и т. д.) и микроэлектронику. Микроэлектроника - раздел электроники, связанный с созданием интегральных схем - неделимых изделий, выполняющих определенные функции по преобразованию и обработке сигналов и имеющих высокую плотность упаковки

электрически соединенных элементов.

Основные принципы передачи и приема информации.

В радиоэлектронике и технике связи перенос информации в пространстве осуществляется с помощью электромагнитных колебаний (волн). По определению К. Шеннона: «Информация - послание, которое уменьшает неопределенность» Информация - нематериальное свойство материи и подчиняется определенным законам. Важнейший из них закон сохранения информации: «Информация сохраняет свое значение в неизменном виде, пока остается в неизменном виде носитель информации - память». Совокупность знаков (символов), отображающая (несущая) информацию, называется сообщением . Сообщение может быть представлено в виде текста телеграммы, сведений, передаваемых по телефону, радио, телевидению и другим видам радиосвязи, совокупности электронных данных, хранящихся на магнитных носителях - дисках, флэш-памяти (от англ. Flash - «вспышка»; перепрограммируемая постоянная энергонезависимая память, допускающая многократную перезапись), используемых в компьютерах. Последний вид информации получил название электронной . Передают сообщение с помощью материального носителя. Например, при передаче сообщения по почте носителем служит бумага. В радиотехнике и радиосвязи носителями являются различные сигналы. Причем для передачи информации используются специфические сигналы - физические процессы, значения параметров которых отражают передаваемые сообщения. В качестве сигнала можно использовать любой физический процесс, изменяющийся в соответствии с переносимым сообщением. Сигнал - физический процесс (или явление), несущий информацию о состоянии какого-либо объекта наблюдения. По своей физической природе радиотехнические сигналы бывают электрическими, электромагнитными, оптическими, акустическими, магнитостатическими и др. В радиотехнике, радиоэлектронике и системах связи в основном используют электрические (в последние годы и оптические) сигналы. Физической величиной, характеризующей электрический сигнал, является напряжение, несколько реже ток (иногда мощность).

Электрический сигнал u(t) представляет зависимость напряжения от времени. Сигналы, отражающие информацию, могут воздействовать на преобразователи и усилители сигналов. Преобразователи сигналов делятся на два класса. На преобразователи одного класса воздействует физический процесс одной природы (например, звуковой сигнал), а на выходе получается сигнал другой природы (в частности, электрический сигнал на выходе микрофона, телевизионной камеры и пр.). В преобразователях (и усилителях) другого класса осуществляется, как правило, преобразование (и усиление) электрических сигналов без изменений их физической природы. Передаваемые (далее часто, полезные ) сигналы формируют путем изменения тех или иных параметров физического носителя в соответствии с передаваемым сообщением. Этот процесс изменения параметров носителя сообщений в радиотехнике и связи называют модуляцией. целесообразно ввести параметры передаваемого сигнала, которые являются основными с точки зрения его передачи. Такими параметрами являются длительность сигнала Тс , его ширина спектра Fc и динамический диапазон Dc . Длительность сигнала Тс является естественным его параметром, определяющим интервал времени, в пределах которого данный сигнал существует. Ширина спектра передаваемого сигнала Fc дает представление о скорости изменения этого сигнала внутри интервала его существования. Спектр передаваемого сигнала в принципе может быть неограниченным. Однако для любого сигнала можно указать диапазон частот, в пределах которого сосредоточена его основная (до 90 %) энергия. Этим диапазоном и определяется ширина спектра полезного сигнала.

Источник сообщений (источник информации; information source) может быть аналоговым или дискретным. Выход аналогового источника может иметь любое значение из непрерывного диапазона амплитуд, тогда как выход источника дискретной информации - значения из конечного множества амплитуд.

В обоих случаях для передачи сообщения используется несущее колебание. Несущая необходима для решения двух задач:

а) уменьшения размера антенн (h=λ/4; λ=3*10 8 /f );

б) размещения большого количества станций в эфире.

Процесс, в результате которого один или несколько параметров несущего колебания изменяется по закону передаваемого сообщения, называется модуляцией. Модулированное высокочастотное колебание относят к вторичным сигналам и называют радиосигналом.

Р ис. Временные диаграммы к процессу амплитудной модуляции:

а - модулирующий сигнал; б - несущее колебание; в - АМ-сигнал

Для несущей зависимость напряжения от времени определяется выражением

где U H - амплитуда (максимальная высота синусоиды; заметим, что амплитудой сигнала называют модуль наибольшего его отклонения от нуля, следовательно, амплитуда всегда положительна) в отсутствие модуляции (амплитуда несущего колебания); <ω 0 - угловая (круговая) частота; φ 0 - начальная фаза; Ψ= ω 0 t + φ 0 - полная (текущая или мгновенная) фаза.

Круговая частота ω 0 , период колебаний Т 0 и циклическая частота f 0 = 1/T 0

связаны между собой соотношением

При амплитудной модуляции огибающая амплитудно-модулированного сигнала (АМ-сигнала) U H (t) совпадает по форме с модулирующим сигналом, поэтому выражение примет вид:

Здесь k А - безразмерный коэффициент пропорциональности, такой, что всегда U H (t) ≥ 0.

Аналоговые системы радиосвязи. Упрощенная структурная схема канала аналоговой (с непрерывными сигналами) системы радиосвязи (радиоканала) с так называемой амплитудной модуляцией (AM; от англ. - amplitude modulation, AM) несущего колебания представлена на рис.

Рис. Упрощенная структурная схема канала аналоговой системы радиосвязи

В
общем случае исходное сообщение s = s(t) не является электрическим, может иметь любую физическую природу (подвижное изображение, звуковое колебание и т. п.), и поэтому его необходимо преобразовать в электрический (первичный) сигнал y(t) с помощью электрофизического преобразователя сигнала (ЭФПС), проще преобразователя сигнала, который часто совмещают с кодирующим устройством - кодером. Источником сообщения при телефонной передаче является говорящий; при телевизионной - передаваемое изображение и т. д. При передаче речи и музыки преобразователем сигнала и кодером служит микрофон; при передаче изображения - передающие телевизионные трубки, или специальные матрицы. В телеграфии при преобразовании сигнала последовательность элементов письменного сообщения (букв) с помощью телеграфного аппарата заменяется последовательностью кодовых символов (0, 1 или точка, тире), которая одновременно преобразуется в последовательность электрических импульсов постоянного тока разной длительности, полярности и т. д.

Цифровые (дискретные) системы радиосвязи (digital communication system - DCS). Это системы, в которых и передаваемый и принимаемый сигналы являются последовательностями дискретных символов. Типичным примером такой системы является телеграфия, в которой и сообщение, и сигнал являются последовательностями точек, тире и промежутков между ними. В цифровых (дискретных, импульсных) системах передачи информации энергия полезного сигнала излучается не непрерывно (как при синусоидальном переносчике - гармонической несущей), а в виде коротких импульсов. Это позволяет при той же общей энергии излучения, что и при непрерывном переносчике, увеличить пиковую (максимальную) мощность в соответствующем импульсе и тем самым повысить помехоустойчивость приема. В цифровых системах связи задачей приемника является не точное воспроизведение переданного сигнала, а определение на основе искаженного шумами сигнала, какой именно сигнал из конечного набора был послан передатчиком. В качестве переносчика первичного сигнала e(t) в цифровых системах радиосвязи используют периодическую последовательность видео- и радиоимпульсов.

Упрощенная структурная схема радиоканала цифровой системы связи

Рис. Траектории распространения волн при разных углах падения

Рис. Скачковое метровые электромагнитные колебания, распространение волн пространственными лучами

Рис. Распространение метровых волн

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http :// www . allbest . ru /

Министерство обороны Российской Федерации

Черноморское высшее военно-морское училище ордена Красной Звезды имени П.С. Нахимова

Факультет радио техники и информационной защиты

Кафедра радиотехнических систем

по учебной дисциплине «Введение в радио технику»

на тему «Этапы развития радиотехники и электроники»

Выполнила

Пузанкова С.О.

Проверил

Краснов Л.М.

Севастополь 2016

ВВЕДЕНИЕ

1. ИСТОРИЯ И РАЗВИТИЕ РАДИОТЕХНИКИ

2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

3. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

4. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА.НОВОЕ РАЗВИТИЕ

5. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

ВВЕДЕНИЕ

Электроника представляет собой бурно развивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется Промышленной Электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50-е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолокации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

Современный этап развития техники характеризуется всевозрастающим проникновением электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования.

1. ИСТОРИЯ И РАЗВИТИЕ РАДИОТЕХНИКИ

Предметом электронной техники является теория и практика применения электронных, ионных и полупроводниковых приборов в устройствах, системах и установках для различных областей народного хозяйства. Гибкость электронной аппаратуры, высокие быстродействия, точность и чувствительность открывают новые возможности во многих отраслях науки и техники.

Радио (от латинского “radiare” - излучать, испускать лучи) -

1).Способ беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством электромагнитных волн (радиоволн), изобретённый русским учёным А.С. Поповым в 1895 г. ;

2).Область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, лежащих в основе этого способа, и с его использованием в связи, вещании, телевидении, локации и т.д.

Радио, как уже было сказано выше, открыл великий русский учёный Александр Степанович Попов. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г., когда А.С. Попов выступил с публичным докладом и демонстрацией работы своего радиоприёмника на заседании Физического отделения Русского физико-химического общества в Петербурге.

Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа:

· радиотелеграфный,

· радиотехнический

· электроники.

В первый период (около 30 лет) развивалась радиотелеграфия и разрабатывались научные основы радиотехники. С целью упрощения устройства радиоприёмника и повышения его чувствительности в разных странах велись интенсивные разработки и исследования различных типов простых и надёжных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.

В 1904 г. была построена первая двухэлектродная лампа (диод), которая до сих пор используется в качестве детектора высокочастотных колебаний и выпрямителя токов технической частоты, а в 1906 г. появился карборундовый детектор.

Трёхэлектродная лампа (триод) была предложена в 1907 г. В 1913 г. была разработана схема лампового регенеративного приёмника и с помощью триода были получены незатухающие электрические колебания. Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции ламповыми, что практически решило проблему радиотелефонии. Внедрению электронных ламп в радиотехнику способствовала первая мировая война. С 1913 г. по 1920 г. радиотехника становится ламповой.

Первые радиолампы в России были изготовлены Н.Д. Папалекси в 1914 г. в Петербурге. Из-за отсутствия совершенной откачки они были не вакуумными, а газонаполненными (с ртутью). Первые вакуумные приёмно - усилительные лампы были изготовлены в 1916 г. М.А. Бонч-Бруевичем. Бонч-Бруевич в 1918 г. возглавил разработку отечественных усилителей и генераторных радиоламп в Нижегородской радиолаборатории. Тогда был создан в стране первый научно - радиотехнический институт с широкой программой действий, привлёкший к работам в области радио многих талантливых учёных, молодых энтузиастов радиотехники. Нижегородская лаборатория стала подлинной кузницей кадров радиоспециалистов, в ней зародились многие направления радиотехники, в дальнейшем ставшие самостоятельными разделами радиоэлектроники.

В марте 1919 г. начался серийный выпуск электронной лампы РП-1. В 1920 г. Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт, а в 1923 г. - мощностью до 25 кВт. В Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым в 1922 г. была открыта возможность генерировать и усиливать радиосигналы с помощью полупроводниковых приборов. Им был создан безламповый приёмник - кристадин. Однако в те годы не были разработаны способы получения полупроводниковых материалов, и его изобретение не получило распространения.

Во второй период (около 20 лет) продолжало развиваться радиотелеграфирование. Одновременно широкое развитие и применение получили радиотелефонирование и радиовещание, были созданы радионавигация и радиолокация. Переход от радиотелефонирования к другим областям применения электромагнитных волн стал возможен благодаря достижениям электровакуумной техники, которая освоила выпуск различных электронных и ионных приборов.

Переход от длинных волн к коротким и средним, а также изобретение схемы супергетеродина потребовали применения ламп более совершенных, чем триод.

В 1924 г. была разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), а в 1930 - 1931 г.г. - пентод (лампа с тремя сетками). Электронные лампы стали изготовлять с катодами косвенного подогрева. Развитие специальных методов радиоприёма потребовало создания новых типов многосеточных ламп (смесительных и частотно - преобразовательных в 1934 - 1935 г.г.). Стремление уменьшить число ламп в схеме и повысить экономичность аппаратуры привело к разработке комбинированных ламп.

Освоение и использование ультракоротких волн привело к усовершенствованию известных электронных ламп (появились лампы типа “желудь”, металлокерамические триоды и маячковые лампы), а также разработке электровакуумных приборов с новым принципом управления электронным потоком - многорезонаторных магнетронов, клистронов, ламп бегущей волны. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие радиолокации, радионавигации, импульсной многоканальной радиосвязи, телевидения и др.

Одновременно шло развитие ионных приборов, в которых используется электронный разряд в газе. Был значительно усовершенствован изобретённый ещё в 1908 г. ртутный вентиль. Появились газотрон (1928-1929 г.г.), тиратрон (1931 г.), стабилитрон, неоновые лампы и т.д.

Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось разработкой и усовершенствованием различных фотоэлектрических приборов (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие телевизионные трубки) и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения.

В эти годы радиотехника превратилась в самостоятельную инженерную науку. Интенсивно развивались электровакуумная промышленность и радиопромышленность. Были разработаны инженерные методы расчёта радиотехнических схем, проведены широчайшие научные исследования, теоретические и экспериментальные работы.

И последний период (60-е-70-е годы) составляет эпоху полупроводниковой техники и собственно электроники. Электроника внедряется во все отрасли науки, техники и народного хозяйства. Являясь комплексом наук, электроника тесно связана с радиофизикой, радиолокацией, радионавигацией, радиоастрономией, радиометеорологией, радиоспектроскопией, электронной вычислительной и управляющей техникой, радиоуправлением на расстоянии, телеизмерениями, квантовой радиоэлектроникой и т.д.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались бесцокольные (пальчиковые) и сверхминиатюрные лампы, что даёт возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп.

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе.

Полупроводниковые приборы быстро и широко распространились за 50-е-70-е годы во все области народного хозяйства. В 1926 г. был предложен полупроводниковый выпрямитель переменного тока из закиси меди. Позднее появились выпрямители из селена и сернистой меди. Бурное развитие радиотехники (особенно радиолокации) в период второй мировой войны дало новый толчок к исследованиям в области полупроводников. Были разработаны точечные выпрямители переменных токов СВЧ на основе кремния и германия, а позднее появились плоскостные германивые диоды. В 1948 г. американские учёные Бардин и Браттейн создали германиевый точечный триод (транзистор), пригодный для усиления и генерирования электрических колебаний. Позднее был разработан кремниевый точечный триод. В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n- переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д.

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 мвт) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 вт, а уже в 1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 вт и более. Маломощные же транзисторы (до 0,5 - 0,7 вт) могут работать на частотах свыше 500 МГц. Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц. Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше +55 ё 70 °С, а на основе кремния - не выше +100 ё 120 °С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениеде галлия оказались работоспособными при температурах до +250 °С, и их рабочие частоты в итоге довелись до 1000 МГц. Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 °С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники.

Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и, что самое главное, достижения высокой надёжности работы. Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов.

Основной тенденцией микроминиатюризации является “интеграция” электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверх большие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование, в частности ЭВМ и т.д.

2. ИСТОРИЯ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

Электроника представляет собой бурноразвивающуюся отрасль науки и техники. Она изучает физические основы и практическое применение различных электронных приборов. К физической электронике относят: электронные и ионные процессы в газах и проводниках. На поверхности раздела между вакуумом и газом, твердыми и жидкими телами. К технической электронике относят изучение устройства электронных приборов и их применение. Область посвященная применению электронных приборов в промышленности называется Промышленной Электроникой.

Успехи электроники в значительной степени стимулированы развитием радиотехники. Электроника и радиотехника настолько тесно связаны, что в 50-е годы их объединяют и эту область техники называют Радиоэлектроника. Радиоэлектроника сегодня это комплекс областей науки и техники, связанных с проблемой передачи, приема и преобразования информации при помощи эл./магнитных колебаний и волн в радио и оптическом диапазоне частот. Электронные приборы служат основными элементами радиотехнических устройств и определяют важнейшие показатели радиоаппаратуры. С другой стороны многие проблемы в радиотехнике привели к изобретению новых и совершенствованию действующих электронных приборов. Эти приборы применяются в радиосвязи, телевидении, при записи и воспроизведении звука, в радиолакации, в радионавигации, в радиотелеуправлении, радиоизмерении и других областях радиотехники.

Современный этап развития техники характеризуется все возрастающим проникновении электроники во все сферы жизни и деятельности людей. По данным американской статистики до 80% от объема всей промышленности занимает электроника. Достижения в области электроники способствуют успешному решению сложнейших научно-технических проблем. Повышению эффективности научных исследований, созданию новых видов машин и оборудования. Разработке эффективных технологий и систем управления: получению материала с уникальными свойствами, совершенствованию процессов сбора и обработки информации. Охватывая широкий круг научно-технических и производственных проблем, электроника опирается на достижения в различных областях знаний. При этом с одной стороны электроника ставит задачи перед другими науками и производством, стимулируя их дальнейшее развитие, и с другой стороны вооружает их качественно новыми техническими средствами и методами исследования. Предметами научных исследований в электронике являются:

1.Изучение законов взаимодействия электронов и других заряженных частиц с эл./магнитными полями.

Разработка методов создания электронных приборов в которых это взаимодействие используется для преобразования энергии с целью передачи, обработки и хранения информации, автоматизации производственных процессов, создания энергетических устройств, создания контрольно-измерительной аппаратуры, средств научного эксперимента и других целей.

Исключительно малая инерционность электрона позволяет эффективно использовать взаимодействие электронов, как с макрополями внутри прибора, так и микрополями внутри атома, молекулы и кристаллической решетки, для генерирования преобразования и приема эл./магнитных колебаний с частотой до 1000ГГц. А также инфракрасного, видимого, рентгеновского и гамма излучения. Последовательное практическое освоение спектра эл./магнитных колебаний является характерной чертой развития электроники.

2. Фундамент развития электроники

Фундамент электроники был заложен трудами физиков в XVIII- XIX в. Первые в мире исследования электрических разрядов в воздухе осуществили академики Ломоносов и Рихман в России и независимо от них американский ученый Франкель. В 1743 г. Ломоносов в оде "Вечерние размышления о божьем величие" изложил идею об электрической природе молнии и северного сияния. Уже в 1752 году Франкель и Ломоносов показали на опыте с помощью "громовой машины", что гром и молния представляют собой мощные электрические разряды в воздухе. Ломоносов установил также, что электрические разряды имеются в воздухе и при отсутствии грозы, т.к. и в этом случае из "громовой машины" можно было извлекать искры. "Громовая машина" представляла собой Лейденскую банку установленную в жилом помещении. Одна из обкладок которой была соединена проводом с металлической гребенкой или острием укрепленным на шесте во дворе.

В 1753 г. во время опытов был убит молнией, попавшей в шест, профессор Рихман, проводивший исследования. Ломоносов создал и общую теорию грозовых явлений, представляющую собой прообраз современной теории гроз. Ломоносов исследовал также свечение разряженного воздуха под действием машины с трением.

В 1802 году профессор физики Петербургской медико-хирургической академии - Василий Владимирович Петров впервые, за несколько лет до английского физика Дэви, обнаружил и описал явление электрической дуги в воздухе между двумя угольными электродами. Кроме этого фундаментального открытия, Петрову принадлежит описание разнообразных видов свечения разряженного воздуха при прохождении через него электрического тока. Свое открытие Петров описывает так: "Если на стеклянную плитку или скамеечку со стеклянными ножками будут положены 2 или 3 древесных угля, и если металлическими изолированными направителями, сообщенными с обоими полюсами огромной батареи, приближать оные один к другому на расстоянии от одной до трех линий, то является между ними весьма яркий белого цвета свет или пламя, от которого оные угли скорее или медлительнее разгораются, и от которого темный покой освещен быть может. " Работы Петрова были истолкованы только на русском языке, зарубежным ученым они были не доступны. В России значимость работ не было понято и они были забыты. Поэтому открытие дугового разряда было приписано английскому физику Дэви.

Начавшееся изучение спектров поглощения и излучения различных тел привело немецкого ученого Плюккера к созданию Гейслеровых трубок. В 1857 году Плюккер установил, что спектр Гейслеровой трубки, вытянутой в капилляр и помещенной перед щелью спектроскопа, однозначно характеризует природу заключенного в ней газа и открыл первые три линии так называемой Бальмеровской спектральной серии водорода. Ученик Плюккера Гитторф изучал тлеющий разряд и в 1869 году опубликовал серию исследований эл./проводимости газов. Ему совместно с Плюккером принадлежат первые исследования катодных лучей, которые продолжил англичанин Крукс.

Существенный сдвиг в понимании явления газового разряда был вызван работами английского ученого Томсона, открывшего существование электронов и ионов. Томсон создал Кавендишскую лабораторию откуда вышел ряд физиков исследователей электрических зарядов газов(Таундсен, Астон, Резерфорд, Крукс, Ричардсон). В дальнейшем эта школа внесла крупный вклад в развитие электроники. Из русских физиков над исследованием дуги и практическим ее применением для освещения работали: Яблочков (1847-1894), Чиколев (1845-1898), Славянов(сварка, переплавка металлов дугой), Бернардос(применение дуги для освещения). Несколько позднее исследованием дуги занимались Лачинов и Миткевич. В 1905 году Миткевич установил природу процессов на катоде дугового разряда. Не самостоятельным разрядом воздуха занимался Столетов (1881-1891). Во время его классического исследования фотоэффекта в Московском университете Столетов для эксперимента построил "воздушный элемент" (В.Э.) с двумя электродами в воздухе, дающим электрический ток без включения в цепь посторонних ЭДС только при внешнем освещении катода. Столетов назвал этот эффект актиноэлектрическим. Он изучал этот эффект как при повышенном атмосферном давлении, так и при пониженном. Специально построенная Столетовым аппаратура давала возможность создавать пониженное давление до 0,002 мм. рт. столба. В этих условиях актиноэлектрический эффект представлял собой не только фототок, но и фототок усиленный самостоятельным газовым разрядом. Свою статью об открытии этого эффекта Столетов закончил так: "Как бы ни пришлось окончательно сформулировать объяснение актиноэлектрических разрядов, нельзя не признать некоторые своеобразные аналогии между этими явлениями и давно знакомыми, но до сих пор малопонятными, разрядами Гейслеровых и Круксовых трубок. Желая при моих первых опытах ориентироваться среди явлений представляемых моим сетчатым конденсатором я невольно говорил себе, что перед мной Гейслеровая трубка, могущая действовать и без разряжения воздуха с посторонним светом. Там и здесь явления электрические тесно связанны со световыми явлениями. Там и здесь катод играет особую роль и по-видимому распыляется. Изучение актиноэлектрических разрядов обещает пролить свет на процессы распространения электричества в газах вообще…" Эти слова Столетова всецело оправдались.

В 1905 году Эйнштейн дал толкование фотоэффекту, связанного со световыми квантами и установил закон названный его именем. Таким образом фотоэффект, открытый Столетовым, характеризует следующие законы:

Закон Столетова - количество имитируемых в единицу времени электронов пропорционально, при прочих равных условиях, интенсивности падающего на поверхность катода света. Равные условия здесь надо понимать как освещение поверхности катода монохраматическим светом одной и той же длины волны. Или светом одного и того же спектрального состава. электроника радио лампа измерительный

Максимальная скорость электронов покидающих поверхность катода при внешнем фотоэффекте определяется соотношением:

Величина кванта энергии монохроматического излучения падающего на поверхность катода.

Работа выхода электрона из металла.

Скорость фотоэлектронов покидающих поверхность катодов не зависит от интенсивности падающего на катод излучения.

Впервые обнаружил внешний фотоэффект немецкий физик Герц(1887г.). Экспериментируя с открытым им электромагнитным полем. Герц заметил, что в искровом промежутке приемного контура искра, обнаруживающая наличие электрических колебаний в контуре проскакивает при прочих равных условиях легче в том случае если на искровой промежуток падает свет от искрового разряда в генераторном контуре

В 1881 году Эдисон впервые обнаружил явление термоэлектронной эмиссии. Проводя различные эксперименты с угольными лампами накаливания, он построил лампу содержащую в вакууме, кроме угольной нити, еще металлическую пластинку А от которой был выведен проводник Р. Если соединить провод через гальванометр с положительным концом нити, то через гальванометр идет ток, если соединить с отрицательным, то ток не обнаруживается. Это явление было названо эффектом Эдисона. Явление испускания электронов раскаленными металлами и другими телами в вакууме или в газе было названо термоэлектронной эмиссией.

3. ЭТАПЫ РАЗВИТИЯ ЭЛЕКТРОНИКИ

1 этап. К первому этапу относится изобретение в 1809 году русским инженером Ладыгиным лампы накаливания.

Открытие в 1874 году немецким ученым Брауном выпрямительного эффекта в контакте металл-полупроводник. Использование этого эффекта русским изобретателем Поповым для детектирования радиосигнала позволило создать ему первый радиоприемник. Датой изобретения радио принято считать 7 мая 1895 г. когда Попов выступил с докладом и демонстрацией на заседании физического отделения русского физико-химического общества в Петербурге. А 24 марта 1896 г. Попов передал первое радиосообщение на расстояние 350м. Успехи электроники в этот период ее развития способствовали развитию радиотелеграфии. Одновременно разрабатывали научные основы радиотехники с целью упрощения устройства радиоприемника и повышения его чувствительности. В разных странах велись разработки и исследования различных типов простых и надежных обнаружителей высокочастотных колебаний - детекторов.

2.Второй этап развития электроники начался с 1904 г. когда английский ученый Флеминг сконструировал электровакуумный диод. Основными частями диода (рис. 2) являются два электрода находящиеся в вакууме. Металлический анод (А) и металлический катод (К) нагреваемый электрическим током до температуры при которой возникает термоэлектронная эмиссия.

При высоком вакууме разряжение газа между электродами таково, что длина свободного пробега электронов значительно превосходит расстояние между электродами, поэтому при положительном, относительно катода напряжении на аноде Va электроны движутся к аноду, вызывая ток Ia в анодной цепи. При отрицательном напряжении анода Va эмитируемые электроны возвращаются на катод и ток в анодной цепи равен нулю. Таким образом электровакуумный диод обладает односторонней проводимостью, что используется при выпрямлении переменного тока. В 1907 г. американский инженер Ли де Форест установил, что поместив между катодом (К) и анодом (А) металлическую сетку (с) и подавая на нее напряжение Vc можно управлять анодным током Ia практически без инерционно и с малой затратой энергии. Так появилась первая электронная усилительная лампа - триод(рис. 3). Ее свойства как прибора для усиления и генерирования высокочастотных колебаний обусловили быстрое развитие радиосвязи. Если плотность газа наполняющего баллон настолько высока, что длина свободного пробега электронов оказывается меньше расстояния между электродами, то электронный поток, проходя через межэлектродное расстояние взаимодействует с газовой средой в результате чего свойства среды резко изменяются. Газовая среда ионизируется и переходит в состояние плазмы, характеризующееся высокой электропроводностью. Это свойство плазмы было использовано американским ученым Хеллом в разработанном им в 1905 г. газотроне - мощном выпрямительном диоде наполненном газом. Изобретение газотрона положило начало развитию газоразрядных электровакуумных приборов. В разных странах стало быстро развиваться производство электронных ламп. Особенно сильно это развитие стимулировалось военным значением радиосвязи. Поэтому 1913 - 1919 годы - период резкого развития электронной техники. В 1913 г. немецкий инженер Мейснер разработал схему лампового регенеративного приемника и с помощью триода получил незатухающие гармонические колебания. Новые электронные генераторы позволили заменить искровые и дуговые радиостанции на ламповые, что практически решило проблему радиотелефонии. С этого времени радиотехника становится ламповой. В России первые радиолампы были изготовлены в 1914 году в Санкт-Петербурге консультантом русского общества беспроволочного телеграфирования Николаем Дмитриевичем Папалекси, будущим академиком АН СССР. Папалекси окончил Страсбургский университет, где работал под руководством Брауна. Первые радиолампы Папалекси из-за отсутствия совершенной откачки были не вакуумными, а газонаполненными(ртутными). С 1914 - 1916 гг. Папалекси проводил опыты по радиотелеграфии. Работал в области радиосвязи с подводными лодками. Руководил разработкой первых образцов отечественных радиоламп. С 1923 - 1935 гг. совместно с Мандельштамом руководил научным отделом центральной радиолаборатории в Ленинграде. С 1935 года работал председателем научного совета по радиофизике и радиотехнике при академии наук СССР.

Первые в России электровакуумные приемо-усилительные радиолампы были изготовлены Бонч - Бруевичем. Он родился в г. Орле (1888 г.). В 1909 году окончил инженерное училище в Петербурге. В 1914 г. окончил офицерскую электротехническую школу. С 1916 по 1918 г. занимался созданием электронных ламп и организовал их производство. В 1918 году возглавил Нижегородскую радиолабораторию, объединив лучших радиоспециалистов того времени(Остряков, Пистолькорс, Шорин, Лосев). В марте 1919 года в нижегородской радиолаборатории началось серийное производство электровакуумной лампы РП-1. В 1920 году Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением, мощностью до 1 кВт. Видные немецкие ученые, ознакомившись с достижениями Нижегородской лаборатории признали приоритет России в создании мощных генераторных ламп. Большие работы по созданию электровакуумных приборов развернулись в Петрограде. Здесь работали Чернышев, Богословский, Векшинский, Оболенский, Шапошников, Зусмановский, Александров. Важное значение для развития электровакуумной техники имело изобретение нагреваемого катода. В 1922 году в Петрограде был создан электровакуумный завод, который слился с электроламповым заводом "Светлана". В научно-исследовательской лаборатории этого завода, Векшинским были проведены многосторонние исследования в области физики и технологии электронных приборов (по эмиссионным свойствам катодов, газовыделению металла и стекла и другие).

Переход от длинных волн к коротким и средним, и изобретение супергетеродина и развитие радиовещания потребовали разработки более совершенных ламп, чем триоды. Разработанная в 1924 г. и усовершенствованная в 1926 г. американцем Хеллом экранированная лампа с двумя сетками (тетрод), и предложенная им же 1930 г. электровакуумная лампа с тремя сетками (пентод), решили задачу повышения рабочих частот радиовещания. Пентоды стали самыми распространенными радиолампами. Развитие специальных методов радиоприема вызвало в 1934-1935 годах появления новых типов многосеточных частотопреобразовательных радиоламп. Появились также разнообразные комбинированные радиолампы, применение которых позволило значительно уменьшить число радиоламп в приемнике. Особенно наглядно взаимосвязь между электровакуумной и радиотехникой проявилась в период, когда радиотехника перешла к освоению и использованию диапазона УКВ (ультракороткие волны - метровые, дециметровые, сантиметровые и миллиметровые диапазоны). Для этой цели, во-первых, были значительно усовершенствованы уже известные радиолампы. Во-вторых, были разработаны электровакуумные приборы с новыми принципами управления электронными потоками. Сюда относятся многорезонаторные магнетроны(1938г), клистроны(1942г), лампы обратной волны ЛОВ (1953г). Такие приборы могли генерировать и усиливать колебания очень высоких частот, включая миллиметровый диапазон волн. Эти достижения электровакуумной техники обусловили развитие таких отраслей как радионавигация, радиолакация, импульсная многоканальная связь.

Советский радиофизик Рожанский в 1932 г. предложил создать приборы с модуляцией электронного потока по скорости. По его идее Арсеньев и Хейль в 1939 г. построили первые приборы для усиления и генерации колебаний СВЧ (сверх высокие частоты). Большое значение для техники дециметровых волн имели работы Девяткова, Хохлова, Гуревича, которые в 1938 - 1941 годах сконструировали триоды с плоскими дисковыми электродами. По этому же принципу в Германии были изготовлены металлокерамические лампы, а в США маячковые лампы.

Созданные в 1943г. Компфнером лампы бегущей волны(ЛБВ) обеспечили дальнейшее развитие СВЧ систем радиорелейной связи. Для генерации мощных СВЧ колебаний в 1921 г. был предложен магнетрон, его автор Хелл. По магнетрону исследования проводили русские ученые - Слуцкий, Грехова, Штейнберг, Калинин, Зусмановский, Брауде, в японии - Яги, Окабе. Современные магнетроны берут свое начало в 1936 - 1937 годах, когда по идее Бонч-Бруевича его сотрудники, Алексеев и Моляров, разработали многорезонаторные магнетроны.

В 1934 году сотрудники центральной радиолаборатории, Коровин и Румянцев, провели первый эксперимент по применению радиолакации и определению летящего самолета. В 1935 г. теоретические основы радиолакации были разработаны в Ленинградском физико-техническом институте Кобзаревым. Одновременно с разработкой вакуумных электроприборов, на втором этапе развития электроники, создавались и совершенствовались газоразрядные приборы.

В 1918 г. в результате исследовательской работы доктора Шретера немецкая фирма "Пинтш" выпустила первые промышленные лампы тлеющего разряда на 220 В. начиная с 1921 года голландская фирма Philips выпустила первые неоновые лампы тлеющего разряда на 110 В. В США первые миниатюрные неоновые лампы появились в 1929 г.

4. РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА.НОВОЕ РАЗВИТИЕ

В послевоенные годы начинается создание сети электронного телевидения и производство телевизионных приемников массового назначения, внедрение средств радиосвязи в различных звеньях народного хозяйства, транспорт, геологоразведку, строительство. Создаются средства многоканальной телеметрии для спутников Земли, радиослежения и связи с ними из различных районов суши и Мирового океана.

К этому периоду кончается эра радиоэлектронных ламп и наступает время полупроводниковой техники. Это вызывает необходимость перестройки в системе подготовки специалистов, в проектировании и производстве продукции радиопромышленности на новых принципах и элементной базе. К началу семидесятых годов относится появление интегральных схем, микропроцессорной техники, средств сверхдальней космической радиосвязи, гигантских радиотелескопов, способных улавливать радиосигналы из глубин космоса. Благодаря успехам ракетной техники и радиотелеметрии астрономы узнали о планетах Солнечной системы значительно больше, нежели за всю предыдущую многовековую историю этой науки.

Современная радиотехника - это одна из передовых областей науки и техники, занятая поисками новых применений электрическим колебательным процессам в самых различных областях, разработкой радиоаппаратуры, ее производством и практическим внедрением. Благодаря усилиям многих тысяч ученых и конструкторов как отечественных, так и зарубежных, базируясь на достижениях электроники и микроэлектроники, радиотехника в последний период переживает очередной качественный скачок буквально во всех своих направлениях.

Продолжая развивать традиционные сферы применения - радиовещание, телевидение, радиолокацию, радиопеленгацию, радиотелеметрию, радиорелейную связь,- специалистам удалось добиться существенного улучшения всех качественных показателей радиоаппаратуры, сделать ее более современной и удобной в эксплуатации. Расширилась и сфера использования средств радиотехники: в медицине - для лечения заболеваний токами сверхвысокой частоты, в биологии - для изучения поведения и миграции животных, рыб и птиц методами радиопеленгации, в машиностроении - для высокочастотной закалки деталей из металлов.

Современная радиотехника - это и огромная по своим масштабам радиотехническая промышленность, производящая миллионы черно-белых и цветных телевизоров, приемников самых разнообразных марок и категорий, не говоря уже о специальной аппаратуре для научных исследований, радиостанциях многоцелевого назначения - от мощных вещательных до мобильных переносных и портативных.

Предприятия радиотехнического профиля - это и производители значительной части компонентов радиоаппаратуры: контурных катушек, трансформаторов различного назначения, переключателей диапазонов, разнообразного крепежа и многого другого, что необходимо в современной аппаратуре. Поэтому для них характерен широкий набор рабочих профессий, многие из которых требуют подготовки в системе профессионально-технического образования. Например, штамповщики металлоизделий и пластических масс. Эти профессии крайне необходимы для изготовления корпусов приборов, деталей конструкций, деталей сложной конфигурации. По сути дела, это операторы специальных прессов, управляющих рабочими органами, регулирующими темп работы, скорость подачи материала и заготовок.

Необходимость повышения быстродействия ЭВМ заставляет специалистов искать все новые и новые средства усовершенствования технологии производства микросхем, оптимизации их архитектурной организации и физических принципов переработки цифровой и логической информации. Существенно меняются уже известные средства земной и космической электроники, телевидения, телефонии, телеметрии.

Все шире в эти сферы электронной техники внедряются цифровые способы обработки сигналов, переход на сверхвысокие частоты, широкое использование спутниковых систем в качестве многопрограммных телевизионных ретрансляторов, систем сверхточной навигации, для оперативной помощи терпящим бедствие на море, службы прогноза погоды, в исследовании природных ресурсов.

Многие достижения в области микроэлектроники породили необходимость пересмотра устоявшихся стандартов в отношении всех компонентов, используемых в разнообразной аппаратуре,- резисторов и конденсаторов, полупроводниковых элементов и разъемов, деталей телемеханики и автоматики. Принципиально меняется и требование к точности электрических параметров и механических характеристик сопутствующих изделий. Например, массово-бытовая аппаратура - проигрыватели, магнитофоны, видеомагнитофоны - в настоящее время представляет собой весьма точные устройства, по сути дела, сплав сложной электроники и качественной механики.

Если же говорить о специальном оборудовании, станках, прецизионной аппаратуре, современных роботах, используемых в производстве микросхем, то требования к их точности еще выше. Поэтому многие виды современной электронной продукции производятся с использованием микроскопов и системы видеоконтроля, обеспечивающего качественное изображение изготавливаемых деталей на большом телевизионном экране.

Полупроводниковая техника, да и многие другие компоненты в электронике выпускаются на базе специальных сверхчистых материалов: кремния, сапфира, арсенида галия, редкоземельных элементов, драгоценных металлов и их сплавов. Самые ответственные технологические операции производства полупроводниковых интегральных схем проходят в помещениях со стерильной чистотой, постоянной температурой и избыточным давлением воздуха, чтобы исключить любой внешний источник загрязнения. На таких производствах все работники одеты в специальные костюмы и соответствующую обувь. Им совершенно необходимо хорошее зрение и противопоказан тремор (дрожание) рук.

Миниатюризация и автоматизация электронной промышленности позволяют использовать уже на данном этапе элементы безлюдной технологии, когда отдельные виды изделий электроники изготавливаются без непосредственного участия человека: на вход технологической линии или участка поступает исходное сырье, а на выходе получается готовое изделие. Но большинство видов продукции все еще производится с участием человека, поэтому перечень рабочих профессий достаточно велик. Усложнение производства продукции, как правило, сопряжено с увеличением обязательных технологических операций и их специфичностью. Отсюда вытекает необходимость профессиональной специализации работников в овладении ими сложным промышленным оборудованием и знанием всего того, что положено в основу данной технологической операции, а также всех факторов, влияющих на качество производимой продукции.

Наиболее распространенными и необходимыми профессиями являются оператор вакуумно-напылительных процессов, оператор диффузионных процессов, юстировщик деталей и приборов, испытатель деталей и приборов и другие.

Продукция микроэлектроники с каждым годом все увеличивается, и эта тенденция едва ли в обозримом будущем изменится. Именно производство микросхем повышенной степени интеграции способно удовлетворить постоянно растущие потребности нашего народного хозяйства. В этом - перспектива развития электронной промышленности.

5. СОВРЕМЕННОЕ ПОНИМАНИЕ РАДИОТЕХНИКИ И ЭЛЕКТРОНИКИ

В современном мире нам дана возможность мгновенно найти нужного человека, проживающего на другом конце света, отыскать требуемую информацию, не вставая со стула окунуться в увлекательнейший мир прошлого или будущего. Вся рутинная и трудоемкая работа давно доверена роботам и машинам. Существование стало не таким простым и понятным как раньше, но однозначно более занимательным и познавательным.

Наша жизнь изобилует радиотехникой и электроникой, ее пересекают бесконечные провода и кабельные взаимосвязи, на нас действуют электрические сигналы и электромагнитные излучения. Таков результат стремительного развития электроники и радиотехники. Мобильная связь стерла все пространственные и временные границы, курьерская служба доставки интернет магазин лишили нас трудных и утомительных прогулок по магазинам и очередей. Все это настолько прочно вошло в нашу жизнь, что сложно представить, как без этого люди обходились веками. Развитие радиотехники и электроники послужило внедрению в жизнь микропроцессорных компьютеров, полнейшей автоматизации определенных видов производств, налаживанию связей с самыми труднодоступными точками, призванных осуществлять информационный обмен.

Каждый день в мире становится известно об электронных и радиотехнических новинках. Хотя, по большому счету настоящими инновациями они не становятся, поскольку изменяются только количественные характеристики, достигающиеся за счет размещения большего количества элементов на фиксированной единице площади, а сама идея может быть и годичной и более давности. Прогресс, несомненно, интересен многим людям, поэтому очень важно, что бы все заинтересованные могли объединяться, делиться наблюдениями и открытиями, создавать и воплощать в жизнь действительно новые и востребованные изобретения, направленные на улучшение уровня жизни людей во всем мире.

Пользуясь разнообразным оборудованием и аппаратурой в повседневной жизни, мы часто слышим о таких понятиях, как радиотехника и электроника. Для того, чтобы разобраться в устройстве или работе того или иного элемента, нам приходится прибегать к помощи интернета, различных специализированных журналов и книг.

Развитие радиотехнической науки началось тогда, когда появились первые радиостанции, которые работали на коротких радиоволнах. Со временем радиосвязь становилась лучше из-за перехода на более длинные радиоволны и благодаря совершенствованию передатчиков.

Работу теле- или радиосистем невозможно представить без радиотехнических устройств, которые применяются в промышленной и космических областях, в дистанционном управлении, радиолокации и радионавигации. Более того, радиотехнические устройства применяются даже в биологии и медицине. Планшеты, аудио и видеоплееры, ноутбуки и телефоны - вот неполный список тех радиотехнических устройств, с которыми мы сталкиваемся ежедневно. Важным элементом в экономике любой страны является управление инвестициями. Радиотехническая отрасль, как и электроника не стоят на месте, постоянно развиваются, совершенствуются старые модели, появляются совершенно новые аппараты.

Нужно отметить, что всевозможные приборы радиотехники и электроники облегчают нашу жизнь, делают ее гораздо более интересной и насыщенной. И не может не радовать тот факт, что сегодня немало молодых людей, желая хорошо разбираться в радиотехнике и электронике, поступают в различные высшие и средние учебные заведения на соответствующие факультеты. Это говорит о том, что в будущем эти отрасли науки и техники не будут стоять на месте, а будут продолжать совершенствоваться и наполнять нашу жизнь еще более интересными приборами и приспособлениями.

ИСПОЛЬЗУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Словарь иностранных слов. 9-е изд. Издательство “Русский язык” 1979 г., испр. - М. : “Русский язык”, 1982 г. - 608 с.

2. Виноградов Ю.В. “Основы электронной и полупроводниковой техники”. Изд. 2-е, доп. М., “Энергия”, 1972 г. - 536 с.

3. Журнал “Радио”, номер 12, 1978 г.

4.Современные статьи журналов о радиотехники и электроники.

Размещено на Allbest.ru

...

Подобные документы

Понятие, области, основные разделы и направления развития электроники. Общая характеристика квантовой, твердотельной и вакуумной электроники, направления их развития и применения в современном обществе. Достоинства и недостатки плазменной электроники.

реферат , добавлен 08.02.2013

Исследование зарождения и этапов развития твердотельной электроники. Научные открытия Майкла Фарадея, Фердинанда Брауна (создание беспроволочной телеграфии). Кристаллический детектор Пикарда - "кошачий ус". Разработка детектора-генератора О.В. Лосевым.

реферат , добавлен 09.12.2010

Радиосвязь как передача и прием информации с помощью радиоволн, распространяющихся в пространстве без проводов, ее разновидности и сферы практического применения на сегодня. Физические основы телевизионной передачи изображений. История изобретения радио.

презентация , добавлен 23.04.2013

Основные этапы проектирования приборов. Роль и место радиоэлектронной промышленности в национальной технологической системе России. Формирование рынка контрактной разработки. Технология производства полупроводниковых приборов и интегральных микросхем.

курсовая работа , добавлен 22.11.2010

Естественнонаучные открытия в области электротехники. Первые устройства беспроводной связи. Формирование научных основ радиотехники. Начало беспроводной связи. Внедрение радиостанций в массовое производство. История радио и "беспроводной телеграфии".

реферат , добавлен 10.06.2015

Измерительная техника на сетях современных телекоммуникаций. Состояние развития рынка измерительной техники. Системное и эксплуатационное измерительное оборудование. Типовые каналы и тракты первичной сети. Современные оптические системы передачи.

дипломная работа , добавлен 01.06.2012

Этапы развития информационной электроники. Усилители электрических сигналов. Развитие полупроводниковой информационной техники. Интегральные логические и аналоговые микросхемы. Электронные автоматы с памятью. Микропроцессоры и микроконтроллеры.

реферат , добавлен 27.10.2011

Предпосылки зарождения электротехники. Первые опыты с электричеством. Применение математического аппарата в описании открытых явлений. Создание электродвигателя и телеграфа. Публичная демонстрация радиоприемника русским ученым А.С. Поповым в мае 1895 г.

реферат , добавлен 09.08.2015

Этапы и тенденции развития микроэлектроники. Кремний и углерод как материалы технических и живых систем. Физическая природа свойств твёрдых тел. Ионные и электронные полупроводники. Перспективные материалы для электроники: серое олово, теллурид ртути.

реферат , добавлен 23.06.2010

История изобретения и развития фотоаппарата. Исследование основных функций, достоинств и недостатков встроенных, компактных и зеркальных цифровых камер. Обзор способов записи изображений на цифровой носитель. Характеристика процесса выбора режима съемки.

157kb. 16.07.2007 15:04 784kb. 24.07.2007 12:37 306kb. 24.07.2007 13:43 131kb. 23.07.2007 17:03 83kb. 23.07.2007 17:14 90kb. 23.07.2007 17:04 1012kb. 15.07.2007 03:27 318kb. 15.07.2007 00:08 70kb. 09.02.2011 16:41

1.doc

ВВЕДЕНИЕ

Радиотехника, ее роль в развитии науки, науки, техники и технологии.

Перспективы развития и пути совершенствования радиотехники.

Радиотехника - это наука об электромагнитных колебаниях и отрасль техники, в которой эти колебания применяются для передачи, приема и извлечения информации, содержащейся в при-нимаемых сигналах .

Радио (от латинского “radiare” - излучать, испускать лучи) -

1). Способ беспроволочной передачи сообщений на расстояние посредством электромагнитных волн (радиоволн), изобретённый русским учёным А.С. Поповым в 1895 г. ;

2). Область науки и техники, связанная с изучением физических явлений, лежащих в основе этого способа, и с его использованием в связи, вещании, телевидении, локации и т.д

С момента зарождения радиотехника претерпела существенный скачок и в виде различных технических устройств сопровождает человека повсеместно. К числу областей, где используется радиотехника, относятся следующие:

радиосвязь - электрическая связь, осуществляемая посредством радиоволн. Передача сообщений (сигналов) ведется с помощью радиопередатчика и передающей антенны, а прием - с помощью приемной антенны и радиоприемника;

радиотелефонная связь - электрическая связь, при которой посредством радиоволн передаются телефонные (речевые) сообщения;

радиотелеграфная связь - электрическая связь, при которой посредством радиоволн передаются дискретные сообщения - буквенные, цифровые, знаковые;

радиовещание - одно из средств массовой информации;

радиолокация - наблюдение различных объектов (целей) радиотехническими методами;

радиоастрономия - исследование небесных тел по их радиоиз-лучению с помощью радиотелескопов;

радиография - исследование различных объектов (изделий, минералов, организмов и т.д.) с использованием воздействия излучения радиоактивного изотопа, прошедшего через вещество объекта;

телевидение - передача световых изображений подвижных объектов;

радиовидение - визуальное наблюдение с помощью радиоволн, отраженных или излучаемых, предметов, невидимых невооруженным глазом;

радиотелеметрия - передача на удаленные объекты сигналов и прием данных, полученных при автоматических измерениях;

радиоразведка и радиопротиводействие - получение данных о радиосредствах противника и создание им помех;

радионавигация - применение радиотехнических методов и средств lля вождения судов, самолетов и других подвижных объектов;

промышленная радиоэлектроника - радиоэлектронные устройства, применяемые в промышленности и на транспорте.

Последние годы характеризуются бурным развитием средств радиосвязи, возрождением интереса к радиотехнологиям. Стремление к глобализации и персонализации, желание потребителей иметь связь в любом месте, в любое время и с любым человеком на планете вызвали появление сотовой радиосвязи с подвижными объектами, а совершенствование и удешевление схемотехники сделали экономически выгодным применение радиодоступа или, как сейчас говорят, решение проблемы «последней мили» на основе радиотехнологий.

Существенный скачок отмечается и в развитии таких традиционных радиотехнологий, как телевидение, радиовещание, радиорелейная связь. Так, например, разработаны принципы телевидения высокой четкости (ТВЧ), информационного телевидения и др.

Прогресс в области радиотехнологий достаточно широко освещается в литературе - в специальных журналах появляются статьи, издаются монографии.

Следует заметить, что в настоящее время достаточно трудно выделить области знаний, которые были бы необходимы для практической деятельности только специалистам проводной или же, наоборот, беспроводной связи. Особенно это относится к теоретическим вопросам.

Таким образом, радиотехнические устройства находят широкое применение в различных областях науки и техники. Все эти устройства объединяет одна общая особенность, связанная с тем, что в каждом из них происходит работа с информацией путем передачи, приема и обработки электрических сигналов, в качестве которых выступают электромагнитные волны.

Развитие электроники после изобретения радио можно разделить на три этапа: радиотелеграфный, радиотехнический и этап собственно электроники

В марте 1919 г. начался серийный выпуск электронной лампы РП-1. В 1920 г. Бонч-Бруевич закончил разработку первых в мире генераторных ламп с медным анодом и водяным охлаждением мощностью до 1 кВт , а в 1923 г. - мощностью до 25 кВт . В Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым в 1922 г. была открыта возможность генерировать и усиливать радиосигналы с помощью полупроводниковых приборов. Им был создан безламповый приёмник - кристадин. Однако в те годы не были разработаны способы получения полупроводниковых материалов, и его изобретение не получило распространения

Переход от длинных волн к коротким и средним, а также изобретение схемы супергетеродина потребовали применения ламп более совершенных, чем триод

В 1924 г. была разработана экранированная лампа с двумя сетками (тетро), а в 1930 - 1931 г.г. - пентод (лампа с тремя сетками). Электронные лампы стали изготовлять с катодами косвенного подогрева. Развитие специальных методов радиоприёма потребовало создания новых типов многосеточных ламп (смесительных и частотно - преобразовательных в 1934 - 1935 г.г.). Стремление уменьшить число ламп в схеме и повысить экономичность аппаратуры привело к разработке комбинированных ламп

^ Развитие способов передачи изображений и измерительной техники сопровождалось разработкой и усовершенствованием различных фотоэлектрических приборов (фотоэлементы, фотоэлектронные умножители, передающие телевизионные трубки) и электронографических приборов для осциллографов, радиолокации и телевидения.

В этот период продолжалось дальнейшее усовершенствование электровакуумных приборов. Большое внимание уделяется повышению их прочности, надёжности, долговечности. Разрабатывались бесцокольные (пальчиковые) и сверхминиатюрные лампы, что даёт возможность снизить габариты установок, насчитывающих большое количество радиоламп

Продолжались интенсивные работы в области физики твёрдого тела и теории полупроводников, разрабатывались способы получения монокристаллов полупроводников, методы их очистки и введения примесей. Большой вклад в развитие физики полупроводников внесла советская школа академика А.Ф.Иоффе

В начале 70-х годов точечные транзисторы практически не применялись, а основным типом транзистора являлся плоскостной, впервые изготовленный в 1951 г. К концу 1952 г. были предложены плоскостной высокочастотный тетрод, полевой транзистор и другие типы полупроводниковых приборов. В 1953 г. был разработан дрейфовый транзистор. В эти годы широко разрабатывались и исследовались новые технологические процессы обработки полупроводниковых материалов, способы изготовления p-n - переходов и самих полупроводниковых приборов. В начале 70-х годов, кроме плоскостных и дрейфовых германиевых и кремниевых транзисторов, находили широкое распространение и другие приборы, использующие свойства полупроводниковых материалов: туннельные диоды, управляемые и неуправляемые четырёхслойные переключающие приборы, фотодиоды и фототранзисторы, варикапы, терморезисторы и т.д

Развитие и совершенствование полупроводниковых приборов характеризуется повышением рабочих частот и увеличением допустимой мощности. Первые транзисторы обладали ограниченными возможностями (предельные рабочие частоты порядка сотни килогерц и мощности рассеяния порядка 100 - 200 мвт ) и могли выполнять лишь некоторые функции электронных ламп. Для того же диапазона частот были созданы транзисторы с мощностью в десятки ватт. Позднее были созданы транзисторы, способные работать на частотах до 5 МГц и рассеивать мощность порядка 5 вт , а уже в 1972 г. были созданы образцы транзисторов на рабочие частоты 20 - 70 МГц с мощностями рассеивания, достигающими 100 вт и более. Маломощные же транзисторы (до 0,5 - 0,7 вт ) могут работать на частотах свыше 500 МГц . Позже появились транзисторы, работающие на частотах порядка 1000 МГц . Одновременно велись работы по расширению диапазона рабочих температур. Транзисторы, изготовленные на основе германия, имели первоначально рабочие температуры не выше +55 ¸ 70 ° С, а на основе кремния - не выше +100 ¸ 120 ° С. Созданные позже образцы транзисторов на арсениеде галлия оказались работоспособными при температурах до +250 ° С, и их рабочие частоты в итоге довелись до 1000 МГц . Есть транзисторы на карбиде, работающие при температурах до 350 ° С. Транзисторы и полупроводниковые диоды по многим показателям в 70-е годы превосходили электронные лампы и в итоге полностью вытеснили их из областей электроники

Перед проектировщиками сложных электронных систем, насчитывающих десятки тысяч активных и пассивных компонентов, стоят задачи уменьшения габаритов, веса, потребляемой мощности и стоимости электронных устройств, улучшения их рабочих характеристик и , что самое главное, достижения высокой надёжности работы . Эти задачи успешно решает микроэлектроника - направление электроники, охватывающее широкий комплекс проблем и методов, связанных с проектированием и изготовлением электронной аппаратуры в микроминиатюрном исполнении за счёт полного или частичного исключения дискретных компонентов

Основной тенденцией микроминиатюризации является “интеграция” электронных схем, т.е. стремление к одновременному изготовлению большого количества элементов и узлов электронных схем, неразрывно связанных между собой. Поэтому из различных областей микроэлектроники наиболее эффективной оказалась интегральная микроэлектроника, которая является одним из главных направлений современной электронной техники. Сейчас широко используются сверх большие интегральные схемы, на них построено всё современное электронное оборудование, в частности ЭВМ и т.д

Таблица 1. Наиболее важные этапы развития радиотехники

Автор (организатор). Время	Событие					Примечание
	краткая формулировка	суть		значимость
Г. Герц (Германия), 1886-1889	Экспериментальное доказательство возможности излучения и существования свободно распространяющегося электромагнитного поля	Были построены простейшие вибраторные системы излучения и приема электромагнитных волн. Конструкция передающего и приемного электрических излучателей представляла собой первую реализацию открытого колебательного контура		Экспериментальное подтверждение теории электромагнитного поля Максвелла. Разработка первых радиотехнических устройств		Г. Герц считал свои опыты чисто научным исследованием, не имеющим практической ценности
Э. Бранди (Франция) 1890	Введение в экспериментальную установку специального индикатора появления электромагнитного поля	В резонансную систему Герца вместо искрового промежутка между элементами приемной антенны был введен когерер - трубка с металлическим порошком, сопротивление которого току от подключенной батареи резко уменьшалось при наведении в антенне ЭДС от внешнего электромагнитного поля		Совершенствование техники физического эксперимента с электромагнитными волнами. Повышение чувствительности индикатора электромагнитного поля		В 1894 г. английский физик О. Лодж применил в аналогичной установке периодическое встряхивание когерера, что позволило сделать индикацию поля периодическим процессом
АС. Попов (Россия), 1895	Создание первого радиоприемного устройства для практических целей	В цепи когерера включена обмотка чувствительного реле, замыкающего мощную цепь сигнального звонка, что существенно повышало чувствительность приемника. Периодический процесс возрастания то-ка в цепи когерера, срабатывания реле, включения звонка, встряхивающего когерер, продолжался до тех пор, пока на приемное устройство воздействовало электромагнитное поле		Доказательство возможности применения электромагнитных волн для передачи со-общения и других практических целей		Позднее в том же 1895 г. гро-зоотметчик А.С. Попова, усовершенство-ванный введением вертикальной антенны, стал применять-ся для грозового предупреждения на Нижегородской электростанции. Его дальность действия составляла 30 км
А.С. Попов (Россия), 1896, март	Экспериментальное подтверждение возможности беспроволочной связи	Применив телеграфный аппарат в сочетании со своим приемным прибором, А.С. Попов обеспечил возможность записи принимаемых сигналов на телеграфную ленту. Первая в мире радиограмма была составлена из слов «Генрих Герц»		Доказательство возможности технического обеспечения беспроволочной телеграфной связи		В 1889 г. помощник А.С. По-пова П.Н. Рыбкин обнаружил возможность радиоприема на слух, что резко увеличило дальность связи
Автор (организатор). Время	Событие				Примечание
	краткая формулировка	суть	значимость
Г. Маркони (Италия), 1896, июль - август	Подача заявки на патент на устройство беспроволочного телеграфирования	Передающее устройство заявке было аналогично излучателю Г. Герца, приемное - тождественно приемнику А.С. Попова	Маркони получил патент в 1897 г. Это стало свидетельством признания практической значимости зарождающейся радиотехники
Л С. Попов (Россия), 1900, февраль	Организация пер-вой практической линии радиосвязи	была обеспечена радиосвязь между городом Сотка и островом Гогланд, где шли работы по снятию с камней броненосца «Генерал-адмирал Апраксин». Протяженность радиолинии составляла 44 км	Начало практической радиосвязи радиотехники		За время работы этой линии связи А.С. Поповым на борт ледокола «Ермак» была передана радиограмма с заданием (выполненным успешно и вовремя) спасти унесенных на льдине рыбаков
Ли де Форест (США), 1906	Изобретение усилительного электровакуумного прибора - лампового триода	Введение в электровакуумный диод между анодом и катодом третьего электрода - управляющей сетки, что позволяло усиливать слабые радиосигналы	Начало эпохи «активной» радиотехники. Открытие широких возможностей усиления слабых сигналов
Мейснер (Германия), 1913	Изобретение лампового генератора электрических колебаний	Построение замкнутой колебательной системы, в которой восполнение потерь энергии электрических колебаний и их режим обеспечивались с помощью лампового триода	Создание ламповых передатчиков, возрастание их мощности. Начало внедрения гетеродинного метода радиоприема
М А. Бонч-Ьруевич и др. (СССР), 1934	Разработка первой в мире радиолокационной станции (РЛС)	Коллективом инженеров во главе с М.А. Бонч-Бруевичем была создана первая РЛС, работаю-щая в непрерывном режиме	Начало практических работ по раз работке принципов и техники радиолокации		В период 1937-1938 гг. в США, Англии и СССР были созданы импульсные РЛС
Дж. Бардин, У Браттейн (США), 1948	Изобретение транзистора	Соединение кристаллов германия, обладающих электронной п- и «дырочной» р- полупрово-димостями, в структуру p-n-р или n-p-п позволило создать схемы управления электрическими токами в относительно мощных цепях с помощью слабых токов R	Расширение границ применений, повышение на-дежности и экономичности радиоэлектронной аппаратуры, значительное уменьшение ее габаритов

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет»

________________________________________________________________

П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова

Основы проектирования электронных средств

Учебное пособие

Издательство

Пензенского государственного

университета

УДК 621.396.6.001.2

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Информационные технологии и системы»

ГОУВПО «Пензенская государственная технологическая академия»

доктор технических наук, генеральный директор ФГУП «Научно-исследовательский институт электронно-механических приборов»

В. Г. Недорезов

А65 Андреев, П. Г.

Основы проектирования электронных средств: учеб. пособие / П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова. – Пенза: Изд-во Пенз. гос. ун-та, 2009. – 147 с.

Изложены основные подходы к определению процесса проектирования, рассмотрен системный подход при проектировании электронных средств. Большое внимание уделено факторам, влияющим на конструкцию РЭС, условиям эксплуатации, описанию базовых несущих конструкций и задачам синтеза и анализа при проектировании электронных средств. Достаточно подробно изложены основные задачи планирования эксперимента.

Учебное пособие подготовлено на кафедре «Конструирование и производство радиоаппаратуры» и предназначено для студентов специальностей радиоэлектронного профиля.

УДК 621.396.6.001.2

государственного университета, 2009

Введение

Целью изучения дисциплины «Основы проектирования электронных средств (ЭС)» является подготовка студентов к проектированию ЭС: ознакомление с системным подходом к их разработке. Дисциплина дает представление о методологии проектирования ЭС с широким использованием систем автоматизированного проектирования (САПР).

Предмет изучения дисциплины –методология («стратегия») проектирования, определяющая проектирование как процесс и продукт.

Задачи изучения дисциплины: изучение ЭС как большой технической системы, системного подхода как методологической основы проектирования конструкций и технологий радиоэлектронных средств (РЭС), нормативной базы проектирования, стандартов, документооборота, элементной и конструктивной базы.

Цель : подготовка студента к самостоятельной работе в области проектирования ЭС на базе автоматизированных систем с учётом действия нормативных документов, воздействия объекта установки, внутренних и внешних дестабилизирующих факторов.

Изложенное можно представить рисунком 1.

Рисунок 1 – Предмет, задачи и цель изучения дисциплины

Изучение методологии проектирования, конструкторского проектирования с применением ЭВМ является важнейшим в системе подготовки ИНЖЕНЕРА по специальности «Проектирование и технология радиоэлектронных средств».

Учебное пособие содержит разделы по основным вопросам дисциплины «Основы проектирования электронных средств». Разделы состоят из глав, в которых дается подробное описание вопроса проектирования.

Учебное пособие написано на основе лекций, которые авторы в течение ряда лет читают по дисциплине «Основы проектирования электронных средств».

Раздел 1 Общие вопросы проектирования ЭС

Глава 1 Основные понятия и определения

Понятие ЭС. Определение процесса проектирования. Основные направления исторического развития ЭС. Области применения радиоэлектроники. Связь радиоэлектроники с другими областями науки и техники.

Определение ЭС

Электронное средство – изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы преобразования электромагнитной энергии.

Под термином «электронная аппаратура» подразумевается любой тип радиоэлектронной, электронно-вычислительной и управляющей аппаратуры, построенной с использованием микроэлектронной элементной базы .

В современной учебной и научно-технической литературе широко применяются термины «радиоэлектронная аппаратура (РЭА)», «компьютер», «электронная вычислительная машина – ЭВМ», «электронно-вычислительная аппаратура – ЭВА», «электронно-вычислительные средства – ЭВС», «радиоэлектронные средства – РЭС», «биомедицинская аппаратура» и др. Принципиальных различий между этими терминами с точки зрения конструкторско-технологического проектирования нет. Поэтому можно использовать термин «электронные средства – ЭС».

В состав электронных средств входят и радиоэлектронные средства и радиоэлектронная аппаратура.

РЭС – изделие и его составные части, в основу функционирования которых положены принципы радиотехники и электроники (ГОСТ 26632–85). Примеры РЭС: радиоприемник, телевизор, магнитофон, радиопередатчик, радиолокационная станция, радиоизмерительные приборы.

РЭА – совокупность технических средств, используемых для передачи, приема и (или) преобразования информации с помощью электромагнитной энергии (ГОСТ Р 52907–2008).

С кибернетической точки зрения ЭС (РЭС) можно представить в виде «черного ящика» (рисунок 2), имеющего – выходные параметры (например, для приемника это – выходная мощность, диапазон частот, чувствительность, масса, габаритные размеры, стоимость, показатели надежности), в общем случае это основные свойства РЭС; – первичные параметры (параметры элементов РЭС: величины сопротивлений резисторов, параметры транзисторов, микропроцессоров, конденсаторов, масса электрорадиоэлементов – ЭРЭ, их габаритные размеры), влияющие на выходные параметры; – входные параметры (например, уровень входного сигнала, напряжение питания); – параметры внешних воздействий (температура, влажность, параметры механических воздействий, колебания напряжения в сети).

Рисунок 2 – Кибернетическая модель ЭС «черный ящик»

Такое представление ЭС дает возможность установить связь между выходными и входными параметрами, внешними воздействиями в виде «функции связи»:

, (1.1)

где j = 1, 2, ..., n ; i = 1, 2, ..., m , f = 1, 2, ..., l, h = 1, 2, ..., k .

Процесс проектирования

Сложность задачи нахождения вида уравнения (1) приводит к множеству частных подходов к проектированию ЭС.

Что такое проектирование? Это:

– «целенаправленная деятельность по решению задач» (Л. Б. Арчер);

– «принятие решений в условиях неопределенности с тяжелыми последствиями в случае ошибки!» (А. Азимов);

– «оптимальное удовлетворение суммы истинных потребностей при определенном комплексе условий» (Е. Мэтчетт);

– «вдохновенный прыжок от фактов настоящего к возможностям будущего» (Дж. К. Пейдж).

Создается впечатление, что имеется столько же различных процессов проектирования, сколько существует авторов, описывающих этот процесс.

Однако процесс проектирования один, что бы мы ни проектировали (самолет, танк, ЭС). А характер проектирования меняется от обстоятельств (разработка чертежей, вынашивание идеи конструкции).

Общее определение проектирования дает Дж. К. Джонс, исходя из результатов проектирования.

«Цель проектирования – положить начало изменениям в окружающей человека искусственной среде» . В результате создается РЭС – сложный объект, который связан с существующей средой, зависит от нее, влияет на нее (рисунок 3).

Рисунок 3 – Цель проектирования

Проектирование ЭС следует рассматривать в двух аспектах: как процесс составления описания будущего изделия и как конечный продукт (изделие) (рисунок 4).

Рисунок 4 – Подходы к проектированию

Первый подход – проектирование как процесс составления описания будущего изделия, т. е. совокупность действий, выполняемых проектировщиками (деятельность проектировщиков как таковых). В этом случае результатом проектирования является не сам материальный объект, а его модель. Эта практическая модель объекта указывает, что именно, в каком количестве, в какой последовательности и каким образом должно быть взято и сделано, чтобы получить материальный технический объект.

Второй подход – проектирование как продукт этих действий, т. е. материальный технический объект, представленный либо в виде проекта, либо в виде макетов, образцов или готового изделия.

Основные направления исторического развития ЭС

История проектирования РЭС начинается с 1895 г., состоит из девяти основных этапов и связана с возникновением главных проблем конструкторского проектирования: снижения стоимости, повышения надежности, комплексной микроминиатюризации РЭС. Историю развития конструкций ЭС следует анализировать, опираясь не только на усложнение конструкций, появление новых свойств, но и на взаимосвязь конструирования РЭС со схемотехникой, технологией, эксплуатацией.

Проектирование РЭС началось одновременно с развитием радиотехники .

7 мая 1895 г. в Петербурге на заседании Русского физико-химического общества профессор А. С. Попов продемонстрировал работу устройства для приема электромагнитных волн. Внешний вид приемника с электрическим звонком и схема приемника А. С. Попова показаны на рисунке 5.

Рисунок 5 – Приемник А. С. Попова:

а) внешний вид приемника с электрическим звонком, б) схема приемника

В 1906 г. американский инженер Ли Де Форест изобрел трехэлектродную лампу (триод), положив начало развитию научных основ и принципов построения электронных приборов (рисунок 6).

Рисунок 6 – Первые электронные лампы с сеткой Ли де Фореста

В 1907 г. английский инженер Х. Д. Раунд, трудившийся во всемирно известной лаборатории Маркони, случайно заметил, что у работающего детектора вокруг точечного контакта возникает свечение, что положило начало разработке и созданию светодиодов.

В 1922 г. во время своих ночных радиовахт 18-летний радиолюбитель Олег Владимирович Лосев обнаружил свечение кристаллического детектора, не ограничился констатацией факта, попытался найти ему практическое применение и перешел к оригинальным экспериментам. Светящийся детектор может быть пригоден в качестве светового реле как безыинертный источник света.

Первые имеющие промышленное значение светодиоды были созданы в 60-е г. г. прошлого века. Большой вклад в работу по исследованию физических процессов в области совершенствования светодиодов внес российский ученый Ж. И. Алфёров (1970 г.), получивший в 2000 г. Нобелевскую премию.

Радиоэлектронный аппарат начала ХХ в. представлял собой деревянный ящик (рисунок 5 а), на стенках которого с внешней стороны расположены основные детали: лампы, катушки индуктивности, проволочные резисторы, а с внутренней стороны был выполнен монтаж голым проводом. Соединение выполнялось резьбовыми деталями (болт, гайка).

Первый этап истории конструирования РЭА связан с появлением в 20-х г. г. нового конструкторского решения: в ящике устанавливали горизонтальный деревянный щит – несущую панель, на ней размещали детали, а на эбонитовой передней панели располагали только ручки управления. Такое решение было связано с тем, что именно в этот период РЭА из объекта исследования инженера-профессионала и радиолюбителя превратилась в предмет массового использования. Потребителя интересовало включение, настройка на нужную станцию, выключение приемника и его внешний вид.

Уже на первом этапе истории конструирования РЭА проявилась взаимосвязь конструкторского решения (конструкции) с «человеком-оператором» и возникла необходимость учитывать эксплуатационные требования: удобство эксплуатации и требования эстетики.

Производство РЭА этого периода было предельно просто: несколько деталей любых размеров, форм и типов соединялись друг с другом, подключались к питанию и регулировались до тех пор, пока не начинали работать нормально.

Опыт конструирования основывался на традициях телеграфной и электротехнической аппаратуры.

Второй исторический этап связан с появлением в 1924 г. лампы с экранирующей сеткой, а в 1928 г. – трехсеточной лампы – пентода. Функциональное усложнение аппаратуры (увеличение коэффициента усиления, увеличение количества каскадов) привело к необходимости экранирования. Вначале деревянные части облицовывались металлической фольгой с помощью гвоздей и клея, а позднее для сочетания конструктивных требований и требований экранирования стали применять шасси из листовой латуни и межкаскадное экранирование. В дальнейшем латунь заменили медью и алюминием и ввели экранирование катушек индуктивности каскадов усиления высокой и промежуточной частоты, что применяется до сих пор.

РЭА на этом этапе представляла металлическое коробчатое шасси (позднее стальное с защитой от коррозии) с расположенным внизу монтажом и металлической передней панелью.

Третий этап истории конструирования РЭА связан с введением в 30-х г. г. стандартных панелей, шириной 482 мм и высотой, кратной 43-м мм, что позволило снизить стоимость стандартных каркасов-стоек, шкафов, специальных деталей для них. Это было начало внедрения стандартизации в радиоаппаратостроение, установления взаимосвязи между конструкторским решением и производственным процессом. Внедрение нового технологического процесса привело к замене резьбовых соединений элементов монтажа пайкой. Размеры контактного узла уменьшились, появилась возможность ближе располагать элементы, но увеличились нежелательные электрические и электромагнитные связи внутри РЭА, возник вопрос о влиянии геометрических размеров РЭА на работоспособность устройства.

Четвертый этап истории конструирования РЭА , конец 30-х г. г., характеризуется расширением областей использования РЭА. Она применяется в полевых условиях (рисунок 7), её устанавливают на борту самолета, на кораблях, автомашинах.

Использование РЭА в полевых условиях поставило задачу влагозащиты и защиты от влияния климатических воздействий, а использование РЭА на автомашинах, самолетах, кораблях – задачу защиты от механических воздействий. Вопрос герметизации РЭА выдвинул задачу обеспечения отвода тепла.

Рисунок 7 – РЭА в полевых условиях

Но самым главным было признано то, что надежность аппаратуры имеет первостепенное значение. Аппаратура стала разрабатываться применительно к объекту установки. Конструкторское решение стало зависеть от условий эксплуатации, особенностей «человека-оператора».

Пятый этап истории конструирования связан с появлением в 40-х г. г печатного монтажа и методов автоматической сборки. Печатный монтаж резко сократил размеры изделия, позволил эффективно применять малогабаритные стандартные детали, применить автоматизированную пайку. Однако при увеличении плотности монтажа возникла проблема отвода тепла. Применение миниатюрных пассивных элементов при использовании мощных ламп сводит на нет идею миниатюризации.

В РЭА до конца 40-х г. г. использовались в качестве активного элемента электронно-вакуумные лампы. Эта аппаратура относится к I-му поколению .Термин «поколение» был введен для ЭВМ, но в дальнейшем распространился на все разновидности ЭС.

Шестой этап развития конструкций РЭА начинается с появлением в 1948 г. транзистора, разработанного американскими физиками В. Шокли, У. Браттейн, Дж. Бардиным. Применение транзисторов позволило значительно улучшить некоторые характеристики РЭА, особенно в части надежности, потребляемой мощности, габаритных размеров. В 50-х г. г начинается бурное развитие электронно-вычислительной техники.

Аппаратура этого периода относится ко II-му поколению . Для РЭА II-го поколения основной конструктивной единицей является модуль. В качестве модулей применяются сборки на печатных платах с корпусными транзисторами и дискретными навесными элементами, а также сборки из микромодулей этажерочного (рисунок 8) и плоского типа. Блоки по-прежнему соединяются жгутами, кабелями, штыревыми и штепсельными разъемами.

Рисунок 8 – Печатная плата со сборками из микромодулей этажерочного типа

Седьмой этап истории конструирования РЭА характеризуется разработкой аппаратуры, способной выдерживать критические условия окружающей среды. РЭА конца 60-х г. г. устанавливается на ракеты, искусственные спутники Земли (ИСЗ), управляемые снаряды, космические корабли. Резко возрастает сложность устройств в связи с усложнением функций, выполняемых аппаратурой, – с одной стороны.. С другой стороны – расширение областей использования РЭА повышает требования к массе, габаритным размерам, надежности, стоимости. Эти противоречия привели к возникновению задач, которые назвали проблемой комплексной микроминиатюризации.

После появления в 1958 г. интегральной микросхемы стала разрабатываться РЭА III-го поколения . Основы РЭА III-го поколения составляют интегральные микросхемы (ИМС). Они содержат до 10 – 40 эквивалентных элементов и представляют собой функциональный узел (триггер, формирователь сигналов, усилитель и т. п.), размещенный в индивидуальном корпусе. Размещение ИМС осуществляется на общей печатной плате (однослойной или многослойной) (рисунок 9).

Рисунок 9 – Печатная плата с микросхемами

Для этого периода характерны коренные изменения в построении конструкций. Стали применяться новые методы конструирования, основанные на использовании новейшей технологии. Широкое распространение получил функционально-узловой метод конструирования с унификацией размеров функциональных узлов, блоков (рисунок 10).

Рисунок 10 – Функциональный узел

Появление в 1960 г. лазера (открытие советских ученых Басова и Прохорова) привело к развитию оптической связи.

Восьмой этап развития конструкций РЭА (70-е г. г. прошлого века) характеризуется усложнением РЭА. АппаратураIV-го поколения содержит большие интегральные схемы (БИС), большие гибридные ИС (БГИС). На этом этапе остро стоит проблема комплексной микроминиатюризации, связанная с разработкой малогабаритных электрорадиоэлементов (ЭРЭ).

Дальнейшее усложнение РЭС связано с внедрением радиоэлектроники в различные области деятельности человека (в частности, разработкой биомедицинской аппаратуры).

Девятый этап (середина 80-х г г.) – развитие РЭС V-го поколения , в которых применяются приборы функциональной электроники.

Приборы функциональной электроники выполнены на средах с распределенными параметрами. В таких средах в нужный момент под воздействием управляющего сигнала возникают динамические неоднородности. Эти неоднородности управляют прохождением сигнала. Использование приборов функциональной микроэлектроники эквивалентно резкому возрастанию степени интеграции по сравнению с обычными ИМС.

К приборам функциональной электроники относятся, например, пьезокерамические фильтры, запоминающие устройства на цилиндрических магнитных доменах, микропроцессоры.

Области применения радиоэлектроники

В настоящее время РЭС используются для радиосвязи, радиовещания, телевидения, радиолокации, радионавигации, радиоуправления, радиотелеметрии, радиоизмерений, радиоастрономии, радиометеорологии, радиоразведки. РЭС применяются также в промышленности, медицине, в научных лабораториях, на транспорте, в быту .

Радио, оптическая и проводная связь – прием, передача радиосигналов от одного абонента к другому по радио, оптическим или проводным линиям связи.

Аппаратура должна обеспечивать многоканальность, беспоисковое вхождение в связь, помехозащищенность.

Радиовещание и телевидение – передача речевых, музыкальных или развлекательных сообщений большим группам людей.

Аппаратура должна обеспечивать достаточную дальность действий, необходимое количество каналов и высокое качество воспроизведения сигналов (моно-, стерео- или квадрофоническое – для акустических, черно-белое, цветное и объемное – для визуальных).

Радионавигация – вождение самолетов и кораблей (в том числе и космических кораблей) с помощью радиосредств.

Аппаратура требует высокой точности.

Радиолокация – обнаружение, опознавание и определение координат и параметров движения различных движущихся и неподвижных объектов.

Аппаратура должна обеспечивать точность и достоверность работы в условиях помех.

Радиоуправление – управление с помощью радиосигналов различными объектами и процессами.

Аппаратура должна обеспечить простоту, точность и скрытность управления.

Радиолокация и радиоуправление могут быть частными случаями радионавигации.

Радиотелеметрия – частный случай радиосвязи – передача телеметрической информации, то есть информации о различных процессах и явлениях, протекающих на удаленных от места приема объектах (самолетах, ракетах, космических кораблях).

Аппаратура должна обеспечивать точность, быстродействие и часто быть малогабаритной и экономичной.

Радиоастрономия – получение информации о космических объектах.

Аппаратура должна обеспечивать наивысшую чувствительность и широкополосность, так как ими определяется количество получаемой информации. В астрономии используется и радиолокация.

Радиометеорология – получение информации о состоянии погоды в различных местах Земли.

Аппаратура должна обеспечивать точность и своевременность получения метеоданных.

Радиоразведка – военная разведка с помощью радиосредств, в частности разведка данных о радиосредствах противника (о местах их расположения и параметрах излучаемых сигналов).

Геологоразведка – разведка с помощью радиосредств месторождений полезных ископаемых.

Радиопротиводействие – применение радиосредств для создания помех нормальному функционированию радиосредств противника.

Радиоизмерение – измерение с помощью радиосредств радиотехнических параметров радиосигналов (напряженности поля, мощности, частоты, фазы, глубины модуляции).

Аппаратура должна обеспечивать требуемую точность, стабильность, уровень и быстродействие, минимальное влияние на параметр контролируемой цены.

Промышленная радиоэлектроника – применение ЭС в промышленности, на транспорте. Это и использование телевидения для диспетчерской службы на заводах и железнодорожных станциях, а также для наблюдения за трудно доступными человеку явлениями и процессами (например, процессами, протекающими при высоких температурах или на больших глубинах), применение высокочастотного излучения для закалки стали и сушки древесины, устройства обработки данных в АСУ, цех-автомат.

Аппаратура должна обеспечивать требуемое качество и простоту управления, высокую надежность и бесшумность работы.

Медицинская радиоэлектроника – использование методов и средств радиоэлектроники для создания излучения, обладающего целебными свойствами при лечении заболеваний, получение с помощью радиосредств информации о различных биологических процессах, «бесшовная хирургия».

Аппаратура должна обеспечивать высокую эффективность при минимальном нежелательном воздействии на организм, быть простой в обслуживании, часто быть сверхминиатюрной.

Радиоэлектроника для научных исследований – использование радиосредств для получения информации о технологических процессах, для исследования космического пространства, внутриядерных и молекулярных процессов, биологических исследований; создание излучения для воздействия на исследуемые материалы, объекты, устройств записи и воспроизведения сигналов: акустических, визуальных на различных носителях.

Аппаратура должна обеспечивать избирательное энергетическое воздействие в соответствии с назначением, быть миниатюрной.

Похожая информация.

Понятие "радиоэлектроника" образовалось в результате объединения понятий "радиотехника" и "электроника".

Радиотехника - это область науки, использующая электромагнитные колебания радиочастотного диапазона для осуществления передачи информации на большие расстояния.

Электроника - это область науки и техники, использующая явления движения носителей электрического заряда, происходящие в вакууме, газах, жидкостях и твердых телах. Развитие электроники позволило создать элементную базу радиоэлектроники.

Следовательно, радиоэлектроника - собирательное название ряда областей науки и техники, связанных с передачей и преобразованием информации на основе использования радиочастотных электромагнитных колебаний и волн; основные из них - радиотехника и электроника. Методы и средства радиоэлектроники применяются в большинстве областей современной техники и науки .

Основные этапы развития радиоэлектроники

Днем рождения радио считается 7 мая 1895 г., когда А.С. Попов продемонстрировал «прибор для обнаружения и регистрации электрических колебаний». Независимо от Попова, но позже него Маркони в конце 1895 г. повторил опыты Попова по радиотелеграфии.

Изобретение радио явилось логическим следствием развития науки и техники. В 1831 г. М. Фарадей обнаружил явление электромагнитной индукции, в 1860-1865 гг. Дж. К. Максвелл создал теорию электромагнитного поля и предложил систему уравнений электродинамики, описывающих поведение электромагнитного поля. Немецкий физик Г. Герц в 1888 г. впервые экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, нашел способ их возбуждения и обнаружения. Открытие в 1873 г. У. Смитом внутреннего фотоэффекта и в 1887 г. Г. Герцем внешнего фотоэффекта послужило основой технических разработок фотоэлектрических приборов. Открытия этих ученых подготовлены множеством других.

Одновременно шло развитие электронной техники. В 1884 г. Т. Эдисоном открыта термоэлектронная эмиссия, и пока в 1901 г. Ричардсон изучал это явление, уже были созданы электронно-лучевые трубки. Первый электровакуумный прибор с термокатодом - диод - разработан Д.А. Флемингом в 1904г. в Великобритании и использован для выпрямления высокочастотных колебаний в радиоприемнике. В 1905 г. Хелл изобрел газотрон, 1906-1907 гг. ознаменовались созданием в США Д. Форестом трехэлектродного электровакумного прибора, получившего название «триод». Функциональные возможности триода оказались чрезвычайно широки. Он мог применяться в усилителях и генераторах электрических колебаний в широком диапазоне частот, преобразователях частоты и т.д. Первые отечественные триоды изготовили в 1914-1916 гг. независимо Н.Д. Папалекси и М.А.Бонч-Бруевич. В 1919 г. В. Шотки разработал четырехэлектродный вакуумный прибор - тетрод, широкое практическое применение которого началось в период 1924-1929 гг. Работы И. Ленгмюра привели к созданию пятиэлектродного прибора - пентода. Позже появились более сложные и комбинированные электронные приборы. Электроника и радиотехника объединились в радиоэлектронику.

К 1950-1955 гг. был создан и запущен в серийное производство ряд электровакуумных приборов, способных работать на частотах вплоть до миллиметрового диапазона волн. Успехи в разработке и производстве электровакуумных приборов позволили уже в сороковых годах двадцатого века создавать достаточно сложные радиотехнические системы.

Постоянное усложнение задач, решаемых радиоэлектронными системами, требовало увеличения числа используемых в аппаратуре электровакуумных приборов. Разработка полупроводниковых приборов началась несколько позже. В 1922 г. О.В. Лосевым была открыта возможность генерирования электрических колебаний в схеме с полупроводниковым диодом. Большой вклад в теорию полупроводников на начальном этапе внесли советские ученые А.Ф. Иоффе, Б.П. Давыдов, В.Е. Локшарев.

Интерес к полупроводниковым приборам резко возрос после того, как в 1948-1952 гг. в лаборатории фирмы «Белл-Телефон» под руководством У.Б. Шокли был создан транзистор. В небывало короткий срок было начато массовое производство транзисторов во всех промышленно развитых странах.

С конца 50-х - начала 60-х гг. радиоэлектроника становится в основном полупроводниковой. Переход от дискретных полупроводниковых приборов к интегральным схемам, содержащим до десятков-сотен тысяч транзисторов на одном квадратном сантиметре площади подложки и являющимися законченными функциональными узлами, еще больше расширил возможности радиоэлектроники в технической реализации сложнейших радиотехнических комплексов. Таким образом, совершенствование элементной базы привело к возможности создания аппаратуры, способной решать фактически любые задачи в области научных исследований, техники, технологии и т.д. .

Значение радиоэлектроники в жизни современного человека

Радиоэлектроника является важным инструментом техники коммуникаций и связи. Жизнь современного общества немыслима без обмена информацией, который осуществляется с помощью средств современной радиоэлектроники. Ее применяют в системах радиосвязи, радиовещании и телевидении, радиолокации и радионавигации, радиоуправлении и радиотелеметрии, в медицине и биологии, в промышленности и космических проектах. В современном мире без радиоэлектроники невообразимы телевизоры, радиоприемники, компьютеры, космические корабли и сверхзвуковые самолеты.

Следует отметить огромную роль радиотехнических средств в исследовании атмосферы, околоземного пространства, планет солнечной системы, ближнего и дальнего космоса. Последние достижения в освоении солнечной системы, планет и их спутников является наглядным подтверждением.