1. Общая характеристика исторических этапов развития радиотехники и радиоэлектроники

1. Общая характеристика исторических этапов развития радиотехники и радиоэлектроники

История радиотехники и впоследствии радиоэлектроники весьма показательна и является одним из блестящих примеров бурного развития научно-технического прогресса [1]. Эту историю можно разбить на ряд характерных этапов. Существуют разные способы исторической периодизации и критерии периодизации могут выбираться различные. В данном случае удобно воспользоваться проблемно-хронологическим критерием периодизации, когда в каждом из периодов радиоэлектроника достигает своего известного развития, но в то же время появляется нечто новое, решающее возникшие проблемы и являющееся основой следующего исторического этапа развития.

Первый этап развития начался тогда, когда такого понятия, как радиотехника и тем более радиоэлектроника еще не существовало. Это было время первых изобретений беспроводного телеграфа А.С. Поповым, Г. Маркони, Н. Теслой, О. Лоджем, А. Слаби, Г. Арко, Э. Дюкрете и др. В этот период зарождалась радиотехника и происходил переход от сильно затухающих колебаний к незатухающим колебаниям.

Несмотря на огромные усилия нашего соотечественника, изобретателя радио Александра Степановича Попова по развитию отечественной радиотехники на этапе ее становления, все-таки основные поставки средств связи в Российскую армию и флот осуществлялись из-за рубежа. Предвидя огромные прибыли от поставок радиооборудования на российский рынок, в Россию ринулись не только известные фирмы, но и обыкновенные проходимцы. Предлагали свою продукцию немцы, англичане, американцы, причем в большинстве случаев это были опытные образцы техники или даже лабораторные макеты. В борьбе за заказы часто использовались коррупционные схемы и жульнические приемы [2].

Эта зависимость России от зарубежного, в лучшем случае лабораторного, оборудования частично объясняла неудачи России в Русско-японской войне 1905 г. Так только две береговые радиостанции, были установлены в 1903 г. на Дальнем Востоке. Они были маломощными, что не позволяло обеспечивать надежную связь и управление кораблями в море [2].

Искровые передатчики и кристаллические детекторы на этом этапе постепенно достигли технического совершенства. В конце этого периода, который приходился на конец Первой мировой войны, появились дуговые передатчики и машины высокой частоты. Казалось бы, все возможности радиотехники на этом этапе были исчерпаны и ее развитие должно было бы остановиться. Однако появляются новые приборы — электронные лампы.

Именно радиолампы внесли нечто принципиально новое, благодаря чему второй этап в развитии радиотехники характеризуется широким использованием электронных ламп как в качестве детекторов и усилителей в приемниках, так и генераторов в передатчиках. Радиолампы усовершенствовали радиотелефонию. Благодаря им появились новые отрасли промышленности — радиовещание, телевидение, радиолокация, автоматика, телемеханика и вычислительная техника. Поэтому более узкое понятие радиотехника было заменено емким — радиоэлектроника.

Большое значение в производстве отечественных радиоламп имело создание Нижегородской радиолаборатории в трудные первые годы советской власти. В разруху, голод, блокаду и Гражданскую войну коллективу Нижегородской радиолаборатории во главе с М.А. Бонч-Бруевичем удалось создать мощные радиолампы, не имевшие в то время аналогов за рубежом [3].

За годы первых советских пятилеток наметился бурный скачок в развитии отечественной радиоэлектроники. К началу Великой Отечественной войны советская радиопромышленность выпускала отечественные средства связи, радиостанции, пеленгационные и радиолокационные системы [4]. Конечно, имелись серьезные проблемы с оснащенностью войск радиотехническими средствами как в количественном плане, так и в плане номенклатуры поставляемых в войска средств. По некоторым направлениям (например, тактическая радиосвязь на УКВ) не удалось создать необходимых заделов для быстрой разработки серийных образцов и организации их массового выпуска. Решать эту задачу пришлось уже в ходе Великой Отечественной войны.

Технология радиоламп к концу Второй мировой войны достигла совершенства. Когда реальная угроза применения ядерного оружия против СССР требовала от разработчиков радиоаппаратуры нового качества — радиационной стойкости разрабатываемых изделий, а установка радиотехнического оборудования в реактивные самолеты и межконтинентальные ракеты, в которых аппаратура подвергалась огромным перегрузкам, требовала особой надежности, появились радиолампы особого типа. Это были радиолампы, созданные на Новосибирском НПП «Восток».

Предприятие возникло в 1941 году, когда знаменитый Ленинградский завод «Светлана» был эвакуирован в Новосибирск и значился под номером 617. Уже в 1942 году план выпуска радиоламп этим заводом оценивался в 70 млн рублей. К концу 1942 года планировалось, чтобы и по номенклатуре изделий завод № 617 должен был соответствовать заводу № 211 («Светлана»), так как кроме выпуска приемных радиоламп, генераторных ламп и миниатюрных осветительных ламп, нужно было освоить производство мощных генераторных ламп, рентгеновских трубок и газовых приборов в пределах и по номенклатуре, обеспечивающей потребность страны в военной обстановке.

Именно на этом заводе и были созданы лампы, вызвавшие восторг даже у американцев. Только не 60 лет назад, а уже в наши дни. (см. статью на http://www.radiomuseum.org «Russian Subminiature Tubes constructed entirely differently from other subminiature tubes»). Таких ламп не было нигде в мире. Это стержневые радиолампы. Автором идеи использования вместо витых сеток стержневых электродов был Авдеев Валентин Николаевич, имя которого сейчас мало кому известно. Надежность таких ламп превышала 5000 часов. Они обладали удивительной экономичностью и, как показывает американский автор в своей статье, по сравнению с американскими миниатюрными лампами обладают заметно более высокими характеристиками. Эти лампы не устанавливались в панельки при монтаже, а впаивались как резисторы и конденсаторы на платы радиоаппаратуры.

В 1950-е годы электронные приборы получили массовое распространение, их номенклатура расширилась от усилительных и генераторных радиоламп разных типов и характеристик до электронно-лучевых трубок разных размеров и очень чувствительных фотоэлектронных приборов. Опять наступило насыщение в развитии радиоэлектроники. Нужен был новый качественный скачок для ее новой модернизации.

Появление к концу Второй мировой войны полупроводниковых усилительных приборов — транзисторов — указало на начало третьего этапа в развитии радиоэлектроники. Полупроводники были известны давно и широко использовались в качестве детекторов и выпрямителей. Исторически первым устройством, в котором полупроводник заменил электронную лампу, был изобретенный в 1922 г. сотрудником Нижегородской радиолаборатории О.В. Лосевым приемник, известный под названием «кристадин» [5]. Однако недостаточное в то время теоретическое и экспериментальное знание свойств полупроводников не позволило этому изобретению оказать заметное влияние на развитие радиоэлектроники. Только изобретение в США в 1948 г. транзистора [6], способного заменить электронную лампу, привело к широкому проникновению полупроводников в радиоэлектронику.

Новый исторический этап развития радиоэлектроники наступил с изобретением транзисторов. Полупроводниковые триоды, как тогда их называли, становятся непременной и существенной частью радиоэлектронных систем. Их применение приводит к коренным изменениям в радиоэлектронной аппаратуре — как схемотехническим, так и конструктивным.

Первые промышленные разработки полупроводниковых приборов в СССР относятся к 1947 году, когда в НИИ «ИСТОК» были внедрены в производство СВЧ диоды для радиолокационных систем сантиметрового и миллиметрового диапазонов. Эти работы были проведены под руководством А.В. Красилова. Первая публикация в СССР 1948 года под названием «Кристаллический триод» также принадлежит А.В. Красилову [7]. Он же в 1949 г. совместно с С.Г. Мадоян создает первый в СССР макетный образец действующего транзистора. 14 сентября 2010 года в ФГПУ «Пульсар» отмечалось столетие со дня рождения А.В. Красилова — создателя первых отечественных транзисторов, д. т. н., лауреата Сталинской премии, заслуженного деятеля науки Российской Федерации.

Первыми транзисторами, выпущенными отечественной промышленностью в НИИ «ИСТОК» (НИИ-160) были точечные триоды КС1, КС2, КСЗ, КС4, КС5, КС6, КС7, и КС8. Первые шесть типов предназначались для использования в усилительных схемах на частотах не выше 5 МГц, два последних типа были предназначены для генерирования колебаний до 1,5 МГц (КС7) и до 5 МГц (КС8). Вскоре триоды типа КС были сняты с производства и заменены новой модификацией более высокочастотных (до 10 МГц) точечных триодов С1 (усилительные триоды) и С2 (генераторные триоды) и их варианты в герметичных корпусах СЗ и С4.

Первыми промышленными типами плоскостных триодов в СССР являлись сплавные германиевые триоды типа П1, П2 и ПЗ, выпуск которых начался с 1955 г. (первые варианты этих триодов имели маркировку КСВ-1, КСВ-2 и КСВ-3). Вскоре на смену этих транзисторов пришли мощные транзисторы П4 и миниатюрные транзисторы П5. Максимально допустимый ток коллектора для триодов П4 составлял 5А. А транзисторы П5 отличались низким коэффициентом шумов, допускающим их использование во входных каскадах высокочувствительных усилителей низкой частоты, например в слуховых аппаратах. Более совершенным транзистором можно считать появившийся в то время плоскостной триод П6, который выпускался по технологии с применением точечной и кольцевой сварки, заменившей пайку. Такое усовершенствование обеспечивало высокую устойчивость к механическим нагрузкам. Срок службы триодов П6 возрос до 5000 ч, а максимальная рабочая температура до +100 °C. В дальнейшем модификация триодов П6 получила наименование П13, П14 и П15.

Наряду с этими триодами типа р-n-р был освоен выпуск симметричных по отношению к триодам П13-П15 германиевых n-р-n триодов П8, П9 и П11. Наряду с германиевыми был освоен выпуск кремниевых n-p-n транзисторов П101, П102, П103, П104, П105 и П106. Эти триоды предназначены для работы при температуре до 125 °C.

Полупроводниковые приборы становятся непременной и существенной частью радиоэлектронных систем. Их применение приводит к коренным изменениям в радиоэлектронной аппаратуре как схемотехническим, так и конструктивным. Появляются полупроводниковые источники электрической энергии — это и солнечные батареи, и термоэлектрические генераторы. Широко используются полупроводниковые источники света. Это и светодиоды, и полупроводниковые лазеры. Совершенствование полупроводниковой технологии позволило существенно уменьшить габариты разрабатываемых радиоэлектронных систем сначала за счет микромодульных конструкций, а затем и микросборок, используя монтаж с бескорпусными полупроводниковыми элементами.

Но вот наступает новый переломный момент в развитии радиоэлектроники, когда почти одновременно в СССР (НИИ «Пульсар») [9], и США (Texas Instruments) [8] создаются первые твердотельные интегральные схемы. Интегральная радиоэлектроника хотя и медленно, но набирает обороты. Интегральные микросхемы постепенно вытесняют транзисторы как в аналоговых, так и цифровых устройствах. Появляются настольные вычислительные машины на цифровых интегральных микросхемах.

Новое направление в радиоэлектронике — цифровая обработка сигналов — благодаря цифровым интегральным схемам и первым аналого-цифровым преобразователям в интегральном исполнении начинает реализовываться на практике. За первое десятилетие развития интегральная радиоэлектроника достигает таких высот, что в 1971 году в компании Intel(США) создается первый в мире программируемый однокристальный микропроцессор i4004 с 2300 транзисторами на одном кристалле. А еще через 8 лет эта же фирма создает первый программируемый сигнальный процессор 12 920 на одном кристалле, который мог подаваемый на его вход аналоговый сигнал преобразовывать в цифровой код, подвергать код цифровой обработке по запрограммированному алгоритму и преобразовывать результат в аналоговую форму, выдавая его на выход. Несколько позже в СССР появляется аналог американского микропроцессора 18080 с серийным названием 580ИК80, а в 1980-х усовершенствованный аналог сигнального процессора 12 920 с серийным названием КМ1813ВЕ1. Наступил новый этап развития радиоэлектроники, свидетелями которого мы все являемся.

Это этап программируемой радиоэлектроники.

А теперь постараемся ответить на важный вопрос. Что же характерно для нового современного этапа развития радиоэлектроники и почему современную радиоэлектронику можно смело назвать программируемой. Программируемая радиоэлектронная система — это не только цифровая, но и реконфигурируемая система, способная к постоянному усовершенствованию и модернизации только за счет смены программного обеспечения. Концепция программируемой радиоэлектроники отражает главное изменение в современной конструкторской парадигме, для которой соотношение аппаратно-программных средств выбирается с явным преобладанием программных средств, что и обеспечивает возможность быстрого изменения тактико-технических характеристик радиоэлектронных систем в соответствии с изменяющимися требованиями и возможностями. Эта концепция распространяется практически на все разрабатываемые современные радиоэлектронные устройства и встраиваемые системы, начиная от сотовых телефонов и до радиолокационных станций.