ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

Предмет, который Вам предстоит изучать, называется в разных местах по-разному: "ТОЭ"; "Электротехника и радиотехника"; "Радиофизика" – суть названия похожих курсов лекций в других вузах. Наш назвали: "Физические основы радиоэлектроники".

Можно определить предмет ФОРЭ как изучение физических процессов и математического описания возбуждения, преобразования и регистрации электромагнитных сигналов.

Слово "радио" происходит из хорошей семьи латинских слов – radiate, radiata, radiato, radiati, radiatis, radiatus, radiabit, radiant, radiatam, radiatorum,– излучать, испускать лучи.

Будем считать этапы развития радио от открытия М.Фарадеем закона электромагнитной индукции в 1831 году. В 1861-62 годах Дж.К.Максвелл опубликовал статьи с известными уравнениями (Максвелла). Гельмгольц, несогласный с теорией Максвелла, поручил своему ученику Генриху Герцу провести её экспериментальную проверку. Опыты Герца однозначно подтвердили правоту Максвелла и были описаны в работе "О лучах электрической силы", вышедшей в декабре 1888 г. Этот год считается годом открытия электромагнитных волн. Фактически Герц и был первооткрывателем радиосвязи. Он передавал без проводов и принимал импульсные сигналы.

В августе 1894 года Оливер Лодж демонстрировал первую преднамеренную передачу сигналов при помощи радиоволн (см. приложение). В мае 1895 года Александр Степанович Попов продемонстрировал передачу радиоволн в Петербурге. В июле 1896 года Гульельмо Маркони получил патент Великобритании на способ передачи электромагнитных волн. Приоритет не был признан в Германии, России, США и Франции. В 1904 Дж.Флеминг изобрёл вакуумный диод-детектор, а в 1906 году Л. де Форест – триод. В 1913 году А.Мейснер изобрёл ламповый генератор. В 1935 году Р.А.Ватсон-Ватт построил радиолокатор и обнаружил самолёт, летящий на расстоянии 64 км. В 1948 году В.Шокли изобрёл биполярный транзистор. В 1954 году Н.Г.Басов, А.М.Прохоров и Ч.Х.Таунс создали первые мазеры. В 1958 году Дж.Килби изготовил первую микросхему.

Радиоэлектроника тесно связана с физикой, она применяется практически во всех физических измерениях. Применение радиофизических методов привело не только к уникальным результатам, но и к открытиям, среди которых можно отметить следующие – нейтрон, нейтрино, все эффекты взаимодействия элементарных частиц. Реликтовое электромагнитное излучение. Пульсары, двойные пульсары. И многое другое…

Цепи. Электрическая цепь – совокупность устройств и элементов, предназначенных для протекания электрического тока, электромагнитные процессы в которых могут быть описаны с помощью понятий сила тока и напряжение. Изображение электрической цепи с помощью условных знаков называют электрической схемой.

Часть электрической цепи, имеющая два входных и два выходных зажима (полюса), называют четырёхполюсником. Пару зажимов четырёхполюсника, к которым присоединяют источник сигнала, называют входными, а пару зажимов, к которым присоединяют нагрузку (приёмник), – выходными.

Четырехполюсники подразделяются на пассивные и активные. Четырёхполюсник, в схеме которого не содержатся источники энергии, называется пассивным. Четырёхполюсник, в схеме которого есть источники энергии, называется активным.

Ко входу четырёхполюсника можно подключить идеальный генератор переменного напряжения. Идеальный генератор напряжения U_BX имеет нулевое внутреннее сопротивление и поддерживает напряжение при любых токах нагрузки. При коротком замыкании его ток должен быть равен бесконечности!

Рис. 1.1.

Схема включения четырёхполюсника. Коэффициент передачи определяется формулой (1.1).

Большинство цепей удобно представлять в виде четырёхполюсников. Тогда можно ввести комплексный коэффициент передачи, зависящий от частоты:

. (1. 1)

Переменный ток.Переменным током будем называть любой электрический ток, изменяющийся во времени. Так же определим и переменное напряжение. Если любые значения переменного тока повторяются через равные промежутки времени Т, то такой ток называется периодическим. Всякий реальный процесс имеет начало и конец. Поэтому, строго говоря, периодическим любой процесс можно считать лишь в некотором приближении.

Важнейшее значение в радиоэлектронике имеет изучение прохождения в цепях синусоидального переменного тока. Ниже будет показано, что во многих случаях сигналы другой формы могут быть представлены в виде суммы синусоидальных.

Напомним краткие сведения из школьного курса физики.

Синусоидальное переменное напряжение U(t) = U₀ sin(ωt+φ), ω = 2π f – круговая частота, измеряемая радианами в секунду, φ – фаза при t = 0, t – время, U₀ – амплитуда.