ГЛАВА 9 У истоков радиоэлектроники и техники сверхвысокой частоты (СВЧ)

ГЛАВА 9 У истоков радиоэлектроники и техники сверхвысокой частоты (СВЧ)

Открытие явления термоэлектронной эмиссии

В течение всего XX в. продолжалось триумфальное шествие электротехники и ее разнообразных практических применений в промышленности, сельском хозяйстве, транспорте, связи, медицине, быту. Оказалось, что нет такой сферы в жизни современного общества, где бы не получила применение электротехника.

Но в середине XX в. и особенно во второй его половине обнаружилась такая область, где прорыв по своим последствиям оказался равнозначным новой научно-технической революции – это электроника.

Зарождение электроники было исторически обусловлено и вызвано потребностями развивающегося производства, энергетики, новейших технологий. Электронные приборы позволяли исследовать и измерять процессы в микромире, недоступные другим средствам. Исключительная роль в развитии средств связи, радиотехники, информатики и управления принадлежит радиоэлектронике.

Первым человеком, стоявшим у колыбели радиоэлектроники, был уже известный читателю из предыдущих глав невероятно одаренный и талантливый изобретатель Т.А. Эдисон. Выдающийся талант Эдисона-изобретателя находил предмет изобретения, казалось бы, на «пустом» месте. Заурядное, известное многим явление творческим гением Эдисона приобретало совершенно новые грани. Внутренняя поверхность стеклянной колбы лампы накаливания со временем темнела, что заметно снижало интенсивность светового потока. Это знали тысячи людей, а для Эдисона это явление оказалось отправной точкой для открытия новой области техники, да еще какой – радиоэлектроники!

С 1880 г. он начал вдумчиво исследовать причины этого явления и обнаружил, что почернение колбы вызвано осаждением на ее поверхности частиц раскаленной угольной нити. Но как «поймать» эти частицы и определить, заряжены ли они, и если да, то каким зарядом – положительным или отрицательным?

Через три года экспериментов Эдисон создает опытную установку. На пути потока частиц он укрепил металлическую пластину, соединенную через гальванометр с источником питания. Оказалось, что угольные частицы отрывались от той ветви U-образной нити (рис. 9.1), которая соединялась с отрицательным полюсом батареи. Значит, эти частицы обладают отрицательным зарядом, и если внутри колбы поместить электрод, соединенный с положительным полюсом источника питания, то частицы будут притягиваться к нему. Эдисон изготовил лампу с добавочным металлическим электродом, соединенным с положительным полюсом батареи, и при включении гальванометра его стрелка отклонилась. Это убедительно доказывало, что в вакууме от нити к добавочному электроду идет электрический ток. Так было открыто явление термоэлектронной эмиссии, получившее название «эффект Эдисона». В то время научного объяснения этого необычного явления никто дать не мог, но Эдисон, не дожидаясь «научного обоснования», стремился применить открытый им эффект на практике.

Рис. 9.1. Схема опыта Эдисона:

1 – угольная нить; 2 – металлическая пластина; 3 – гальванометр

Через несколько лет, когда Дж. Дж. Томсоном был открыт электрон (1897), стало ясно, что Эдисон открыл эмиссию электронов с раскаленной нити. В 1884 г. в Американском институте инженеров-электриков был сделан доклад об «Эффекте Эдисона», который сразу же был опубликован. Это была первая в мировой технической литературе статья об электронике.

Изобретение радио

С изобретением радио и широчайшим распространением радиосвязи во всем мире связаны имена нескольких талантливых ученых и изобретателей, каждый из которых сделал свой вклад в создание одного из величайших завоеваний науки и техники. Но первым, кто должен быть назван среди них, был уже известный своими открытиями Никола Тесла.

Еще в 1893 г. он разработал основные элементы радиосистемы, в том числе передатчик и приемник, настроенные в резонанс. Как писал один из английских биографов [9.3], в его схеме «были все признаки радио». Тесла указывал, что, если высокочастотный сигнал пропустить через катушку и конденсатор, то возникнет «резонансный эффект», передающийся на большое расстояние без проводов. И хотя он запатентовал часть своей радиосистемы с описанием аппаратуры, он «…никогда не занимался ее коммерческим применением и даже не удосужился сообщить об этом в печати». Кстати, так он поступал со многими своими открытиями, оставляя другим возможность их использования. А.С. Попов, создав в 1895 г. первый практически пригодный радиоприемник, тоже не получил на него патента. Это позволило итальянскому изобретателю Г. Маркони запатентовать в 1897 г. свою схему и заявить о своем приоритете. И только в 1943 г. через полгода после смерти Н. Теслы американский суд официально подтвердил его приоритет в изобретении радио. Отметим, что после утверждений Маркони о его заслугах, Н. Тесла в частных беседах указывал, что Маркони заимствовал идеи из 17(!) его патентов. Выдающийся английский физик Э. Резерфорд (1871-1937), называя Теслу «вдохновенным пророком электричества», подчеркивал: «Изобретателем беспроводной связи считается Маркони, но на самом деле это был Тесла».

Миллионы людей, с успехом использующие в наши дни мобильные телефоны, даже не представляют, что более 100 лет назад Тесла предсказывал возможность создания «радиотелефонных приемников, дешевых и портативных – не больше наручных часов», позволяющих передавать и слушать сообщения «по всему земному шару». Как сказал Цицерон об Архимеде (287-212), «…в нем больше гения, чем может вместить человеческая природа». Этими же словами можно характеризовать Н. Теслу.

Мы еще вернемся к работам Маркони, но прежде подробней осветим вклад А. С. Попова в изобретение радио. Работая преподавателем Минного офицерского класса в Кронштадте, А.С. Попов (1859-1905) еще до начала 90-х годов высказывал мысль о «возможности использования лучей Герца (т.е. электромагнитных волн) для создания беспроводной связи», потребность в которой наиболее остро ощущалась на флоте. Об этом, в частности, он говорил в своей лекции в Кронштадтском морском собрании в 1889 г. Основное внимание Попов уделял надежному и устойчиво работающему индикатору электромагнитных волн.

Еще в 1891 г. французский физик Бранли создал индикатор электромагнитных волн – стеклянную трубку, наполненную металлическими опилками и названную им когерером. Под воздействием электромагнитной волны опилки слипались, и трубка становилась проводником электричества. Для восстановления чувствительности когерера Бранли встряхивал его руками, а известный английский физик О. Лодж придумал специальный часовой механизм, встряхивающий когерер через определенные интервалы времени. Попов произвел многочисленные эксперименты с порошками металлов и неметаллических веществ (графит), чтобы выяснить их способность изменять проводимость под воздействием электромагнитных волн. Он остановился на «мелких железных опилках», которые поместил в трубку Бранли.

Второй, более сложной, проблемой явилось восстановление чувствительности когерера. То, что делали Бранли и Лодж, Попова никак не устраивало. Один из биографов писал о том, как долго и мучительно думал А.С. Попов над тем, чтобы автоматизировать работу когерера, как «заставить» электромагнитную волну «самую себя обслуживать». Однажды, когда у входа его квартиры зазвенел электрический звонок, Попов, в который раз взглянув на его «молоточек», мгновенно представил схему «звонкового реле», которое будет и сигнализировать о наличии излучения, и при обратном ударе «молоточка» встряхивать когерер. Это было – как все гениальное – просто, но Попов был подготовлен всей предыдущей работой к тому, чтобы увидеть то, что не увидели другие.

Огромной заслугой А. С. Попова является успешное решение этой сложной для того времени задачи. В результате многочисленных экспериментов он изобрел «Прибор для обнаружения и регистрирования электрических колебаний», явившийся первым практически пригодным радиоприемником. На схеме (рис. 9.2) когерер MN горизонтально подвешен на легкой пружине, над ним помещен электрический звонок. Под воздействием электромагнитной волны срабатывал когерер и замыкал цепь нижнего электромагнитного реле. При замыкании контактов реле в цепь той же батареи посредством провода CD включалось второе верхнее «звонковое» реле. Якорь звонка притягивался, и молоточек ударял по чашечке звонка. Но при этом (вот где проявился изобретательский талант А.С. Попова!) размыкалась электрическая цепь звонка, молоточек опускался вниз, восстанавливая чувствительность когерера. Прибор снова был готов к приему новой электромагнитной волны. Для повышения устойчивости работы приемника в цепь когерера включались индуктивные катушки А, В.

Рис. 9.2. Схема радиоприемника А.С. Попова

Как позднее писал О. Лодж, «Попов первый заставил сам сигнал вызывать обратное действие, и этим нововведением мы обязаны Попову». Опыты весной 1895 г. показали, что прибор Попова реагировал и на грозовые разряды, и он соорудил еще один прибор, названный «грозоотметчиком», в котором сигналы от гроз записывались на бумажной ленте.

Вскоре А.С. Попов демонстрировал свой прибор на заседании физического отделения Русского физико-химического общества 25 апреля (7 мая) 1895 г., и его доклад вызвал большой интерес и сочувствие. Этот день в России называется «Днем радио».

Зимой 1895 – весной 1896 г. А.С. Попов занимался усовершенствованием своих приборов, в частности, он использовал более высокую антенну. Присоединив к схеме телеграфный аппарат Морзе, он ввел запись принимаемых сигналов на ленту.

Сообщения о нескольких докладах А. С. Попова были опубликованы в пяти русских печатных изданиях, и достижения ученого высоко оценили специалисты. Но патентной заявки на свое изобретение, как уже отмечалось, А. С. Попов не оформил, чем позднее воспользовались другие изобретатели.

Летом 1896 г. в зарубежной печати появились сообщения об опытах с электромагнитными волнами Г. Маркони (1874- 1937), приехавшего в Англию и сумевшего заинтересовать своими опытами английское Почтовое ведомство и Адмиралтейство. В июне 1896 г. Маркони подал заявку в британское патентное ведомство и получил в июле 1897 г. патент. После этого в докладе Королевского общества были описаны приборы и, как утверждает один из специалистов в области радиотехники [9.2], «за исключением второстепенных деталей аппаратура Маркони по схеме аналогична приборам для беспроводной связи, которые разработал А. С. Попов за 14 месяцев до этого». Кстати, достаточно взглянуть (даже не специалисту) на схему приемного устройства Маркони, чтобы убедиться в их почти полном сходстве. Об этом говорил и писал сам А. С. Попов.

В докладе «Телеграфирование без проводов», в 1899 г. на первом Всероссийском электротехническом съезде А.С. Попов утверждал: «…Моя комбинация реле, трубки и электромагнитного молоточка послужили основой первой привилегии Маркони. Во Франции мой прибор был описан в некоторых журналах, и при появлении описаний приборов Маркони указано было сходство его приемной станции с моим прибором». Еще ранее в июльском номере журнала «Электричество» за 1897 г., где было перепечатано сообщение из английского журнала о приборе Маркони, редакция сделала специальное примечание – «Реле Маркони представляет почти полную копию прибора г. Попова». Но в отличие от Попова, Маркони был опытным предпринимателем, и ему удалось с помощью видных представителей деловых кругов организовать в 1897 г. крупное акционерное общество «Маркони и К 0 », много сделавшего для развития беспроводной связи.

В конце 1901 г. большой коллектив инженеров компании «Маркони», проявив незаурядные способности в решении сложных технических проблем и использовав передатчик мощностью 25 кВт, впервые в мире осуществил радиосвязь через Атлантический океан на расстояние около 3500 км. Это событие стало важнейшей вехой в истории радиосвязи, и она вскоре обрела широчайшее применение на всех континентах. Имя Маркони стало известно всему миру, его популярность быстро росла, а в 1909 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Щедро оплачиваемые им адвокаты с успехом защищали его патенты в судебных инстанциях, но, как уже отмечалось, американский суд «официально и окончательно» подтвердил приоритет Н. Теслы в изобретении радио. К сожалению, до этого великий ученый не дожил.

В то же время А. С. Попов, который не запатентовал свое изобретение и широко опубликовал результаты своих работ в научной печати, сделал – по выражению одного из биографов – «свое изобретение достоянием всего человечества». Несмотря на материальные трудности и отсутствие достаточной поддержки со стороны правительственных чиновников, А.С. Попов еще весной 1897 г. осуществил радиосвязь между двумя кораблями на расстояние 5 км, а летом 1899 г. впервые в мире осуществил дальнюю длительно действующую радиосвязь на расстояние более 40 км, обеспечившую спасение потерпевшего аварию броненосца Балтийского флота. Эта работа получила высокую оценку европейских специалистов. В 1900 г. на Всемирном электротехническом конгрессе и Всемирной выставке в Париже А.С. Попову была вручена золотая медаль и диплом «за вклад в изобретение беспроводного телеграфа».

Он был профессором и первым избранным директором Петербургского электротехнического института, но после безвременной скоропостижной кончины А.С. Попова в 1905 г. (ему едва исполнилось 45 лет) имя его, как создателя первого практически пригодного радиоприемника, стало постепенно забываться, стираться из памяти новых поколений, особенно на фоне триумфальной популярности Г. Маркони. Вскоре после смерти А. С. Попова физическое отделение Русского физико-химического общества создало авторитетную комиссию, которой было поручено изучить все документы и показать действительную роль А.С. Попова в изобретении радио. К решению комиссии были приложены свидетельства известных зарубежных ученых в области радиосвязи – О. Лоджа (Англия) и Э. Бранли (Франция). Таким образом, в 1909 г. был подтвержден приоритет А.С. Попова, а не Г. Маркони.

Первые радиолампы

Открытие «эффекта Эдисона» послужило толчком к созданию первых двух и трехэлектродных ламп – диода и триода, сыгравших важную роль в развитии радиотехники и не случайно называвшихся «радиолампами».

В 1904 г. английский физик и радиотехник Д.А. Флеминг (1849-1945) – член Лондонского королевского общества, изобрел первую электронную двухэлектродную лампу – диод. Он предложил его использовать для выпрямления переменного тока: металлическая нить, накаленная током от гальванической батареи, – катод – испускала электроны, устремлявшиеся к положительно заряженной металлической пластинке — аноду. В лампе возникал электрический ток, и этот прибор оказался весьма чувствительным детектором. Как указывалось в одной монографии, «диоду Флеминга, благодаря ряду последующих конструктивных усовершенствований, предстояла долгая жизнь в радиотехнике».

Рис. 9.3. Триод Ли де Фореста, как усилитель сигналов

Спустя три года, в 1907 г., американский радиотехник Ли де Форест (1873-1961), проведя множество экспериментов с вакуумными лампами, создал новый прибор – трехэлектродную лампу, поместив между анодом и катодом третий электрод, названный им «сеткой». Эта проволочная металлическая сетка располагалась ближе к катоду и управляла потоком электронов: при отрицательном потенциале на сетке она уменьшала поток электронов, а при положительном потенциале усиливала электронный поток, т.е. текущий через лампу анодный ток возрастал. Ли де Форест назвал свою лампу «аудионом», позднее она стала называться триодом. Лампа могла усиливать электрический сигнал, и с этой целью она устанавливалась в линиях связи через определенные расстояния и обеспечивала необходимую дальность связи (рис. 9.3).

У истоков техники СВЧ

Когда знакомишься только с частью опубликованных трудов Н. Теслы[*К сожалению, как недавно было установлено, в Национальном музее Н. Теслы в Белграде, где хранятся его ценнейшие рукописи и документы, а также модели созданных им машин и аппаратов, тысячи страниц его рукописей по разным причинам еще не изучены.], получившим более 800 патентов на изобретения в области электротехники, радиотехники и телемеханики, невольно поражаешься тому, как одному человеку удалось сделать столько открытий, большая часть которых до сих пор служит человечеству. Невольно вспоминаются строки одного сербского поэта, что «в голове Теслы исполинских мыслей рой»! Никола Тесла стоял и у истоков техники СВЧ.

Создание резонанс-трансформатора

Работая над созданием электрических машин, ученый впервые обратил внимание на особенности переменного тока высоких частот, и в 1889 г. построил первый высокочастотный генератор, дающий ток частотой 1000 периодов в секунду, а вскоре – еще более мощный – с частотой 20 тыс. периодов. Н. Тесла установил, что при дальнейшем увеличении частоты ухудшаются характеристики машин и пришел к выводу о необходимости изыскания немашинного способа генерирования высоких частот.

Ученому было известно, что еще в 1842 г. выдающийся американский физик Дж. Генри обнаружил колебательный характер электрических разрядов конденсатора, он знал и о катушке Румкорфа, и о первых простейших трансформаторах. С огромным интересом он следил за сенсационными исследованиями Г. Герца, доказавшего возможность получения электромагнитных волн, не оставил без внимания и появившиеся публикации о резонансных явлениях в электрических цепях.

Анализ всех этих открытий подсказал Н. Тесле удивительно перспективную идею: соединить в одном приборе свойства трансформатора и явление резонанса. И в 1891 г. он создает свой знаменитый резонанс-трансформатор, сыгравший огромную роль в развитии различных отраслей электротехники и радиотехники и широко известный по названием «трансформатор Теслы». Между прочим, с легкой руки французских электриков и радистов этот трансформатор стал называться просто «Тесла».

В приборе Н. Теслы (рис. 9.4, а) первичная обмотка L₁ (настроенная в резонанс со вторичной L₂) была включена через разрядник В с индукционной катушкой J, батареей лейденских банок и конденсаторами C₁ и С₂ . При разряде изменение магнитного поля в первичной цепи вызывало во вторичной обмотке L₂ , состоящей из большого числа витков, ток весьма большого напряжения и частоты. Изменяя емкость конденсаторов, можно было получить электромагнитные колебания с различной длиной волны.

О)

б)

Рис. 9.4. Резонанс-трансформатор Теслы

При проведении экспериментов ученый столкнулся с проблемой надежности изоляции катушек при сверхвысоких напряжениях и предложил погружать витки катушек в льняное масло (на рис. 9.4, б видна ванночка с маслом), которое позднее стали называть трансформаторным.

Н. Тесла предложил использовать резонанс-трансформатор для возбуждения проводника-излучателя, поднятого высоко над землей и способного передавать энергии высокой частоты без проводов. Очевидно, что излучатель ученого был первой антенной, нашедшей вскоре широчайшее применение в радиосвязи.

Говоря о практическом использовании высокочастотных колебаний, Н. Тесла в своей лекции «О световых и других высокочастотных явлениях», прочитанной им в 1893 г. во Франк- линовском институте в Филадельфии, утверждал: «Я хотел бы сказать… о предмете, который все время у меня на уме и который затрагивает благосостояние даже всех нас. Я имею в виду передачу осмысленных сигналов и, может быть, даже энергии на любое расстояние вовсе без помощи проводов. С каждым днем я все более убеждаюсь в практической осуществимости этой схемы… Мое убеждение установилось так прочно, что я рассматриваю этот проект передачи энергии или сигналов без проводов уже не просто как теоретическую возможность, а как серьезную проблему электротехники, которая должна быть решена со дня на день».

Н. Тесле принадлежит заслуга и в создании первых газосветных ламп, которым он предрекал большое будущее. Проводя эксперименты с высокочастотными колебаниями, Тесла пришел к выводу о возможностях их практического использования.

Можно понять восторженный прием, оказанный Н. Тесле во время его выступлений и демонстраций удивительных для того времени явлений в различных городах Америки и Европы. В феврале 1892 г., будучи в Лондоне, Н. Тесла был приглашен в зал Королевского общества, где он был удостоен высочайшей чести: его усадили в кресло Фарадея и налили в бокал виски из бутылки, которую в свое время не допил Фарадей. Со времени смерти выдающегося английского физика ни одному из ученых не оказывали таких почестей.

Работая с высокочастотным источником напряжения, Тесла положил начало использованию СВЧ в медицине – диатермии и аппаратам УВЧ, им было разработано несколько типов медицинских аппаратов. В 1898 г. он с успехом выступил с докладом на Конгрессе американской электротерапевтиче- ской ассоциации.

Ранее мы уже писали о докладе Теслы в 1893 г. в Филадельфии «О световых и других высокочастотных явлениях», в которых он впервые указал на возможность практического использования высокочастотных колебаний «для передачи энергии или сигналов без проводов». В 1900 г. Тесла начал строительство уникальной мощной радиостанции «для всемирной передачи электроэнергии». Проект, названный, мировой системой, предусматривал сооружение гигантской каркасной 47-метровой башни. Он опубликовал в одном из известных журналов Америки «Манифест Николы Теслы», в котором надеялся на материальную помощь и кредиты банкиров, предлагал всем, кто будет использовать его изобретения, техническую помощь и подчеркивал: «Ближайшее будущее, в этом я уверен, станет свидетелем революционного переворота в производстве, превращении и передаче энергии, в области транспорта, освещения, телеграфа, телефона и других областях промышленности и искусства. По моему мнению, эти успехи должны будут последовать в силу всеобщего принятия токов высокого напряжения и высокой частоты и новых регенеративных процессов охлаждения при очень низких температурах…».

К сожалению, создание «Мировой системы» реализовать не удалось, монтаж электрооборудования задерживался из-за недостатка средств, и после начала Первой мировой войны все работы были прекращены, а башню во избежание использования ее в целях шпионажа пришлось взорвать.

Статью Теслы о передаче электроэнергии без проводов с большим интересом встретили электротехники разных стран.

Один из русских электротехников писал в 1905 г. в журнале «Электричество»: «Быть может, мысли Теслы – утопия, но это утопия гениальная». Как мы уже указывали в предыдущих главах, многое из того, о чем мечтал Тесла, свершилось в наши дни, но ряд его поистине фантастических идей пока реализовать не удалось.

В заключение приведем отрывок из книги швейцарского инженера Г. Эйхельберга, в котором ярко изображены нарастающие темпы научно-технического прогресса, изданной в Цюрихе в 1953 г. «Полагают, что возраст человечества = 600 тысяч лет. Представим себе это движение в виде марафонского бега на 60 км, начавшегося где-то и идущего к финишу. Большая часть этого расстояния пролегает через девственные леса, о которых мы ничего не знаем. Только в самом конце, после 58 – 59 км, мы находим первобытные орудия, первые признаки культуры и на последнем километре появляется все больше признаков земледелия. За 200 м до финиша дорога, покрытая каменными плитами, ведет мимо римских укреплений; за 100 м до финиша наших бегунов обступают средневековые городские строения. До финиша остается еще 50 м, там стоял человек, умными и понимающими глазами следивший за бегом. Это были глаза Леонардо да Винчи.

Осталось только 10 м! Они начинаются при свете факелов и скудном освещении масляных ламп. Но при броске на последних 5 м происходит ошеломляющее чудо: электрический свет заливает ночную дорогу, повозки без тяглового скота мчатся мимо, машины шумят в воздухе, и пораженный бегун ослеплен светом прожекторов, репортеров, радио и телевидения».