АКАДЕМИЯ НАУК СССР
ИНСТИТУТ ИСТОРИИ ЕСТЕСТВОЗНАНИЯ И ТЕХНИКИ


РАДИОЭЛЕКТРОНИКА В ЕЕ ИСТОРИЧЕСКОМ РАЗВИТИИ
Редакционная коллегия
член-корреспондент АН СССР В. И. СИФОРОВ (председатель), академик Ю. Б. КОБЗАРЕВ,
член-корреспондент АН СССР А. А. ПИСТОЛЬКОРС, доктор технических наук В. Т. ОВЧАРОВ, кандидат технических наук В. М. РОДИОНОВ, кандидат технических наук А. С. ФЕДОРОВ


ФОРМИРОВАНИЕ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
(Середина 20-х — середина 50-х годов)
Ответственный редактор
кандидат технических наук В. М. РОДИОНОВ
МОСКВА «НАУК А» 1988


УДК 621.37—621.396(091)
Авторы:
Л. С. Бененсон, канд. техн. наук (гл. 4), В. И. Капустин, канд. техн. наук (гл. 3), 3. И. Модель, д-р техн. наук (гл. 6), С. В. Новаковский, д-р техн. наук (гл. 8), В. Б. Пестряков, д-р техн. наук (гл. 9),
В. М. Родионов, канд. техн. наук (введение, гл. 13 и заключение),
А. А. Семенов, д-р физ.-мат. наук (гл. 2),
В. И. Сифоров, чл.-корр. АН СССР (от редколлегии),
Д. И. Трубецков, д-р техн. наук (гл. 12),
H. Н. Федоров, д-р техн. наук (гл. 1),
Е. Г. Федорович, инженер (гл. 5), Л. И. Филиппов, д-р техн. наук (гл. 3), /С. И. Фомичев, канд. техн. наук (гл. 10), А. П. Частиков, канд. техн. наук (гл. 11) Н. И. Чистяков, д-р техн. наук (гл. 7), А. А. Щука, канд. техн. наук (гл. 11)
Формирование радиоэлектроники (Радиоэлектроника в ее историческом развитии) /Ин-т истории естествознания и техники.— М.: Наука, 1988.—380 с.— ISBN 5-02-000070-1
В книге (второй из трехтомного издания «Радиоэлектроника в ее историческом развитии») дан исторический анализ процесса формирования комплексной области техники — радиоэлектроники с середины 20-х до середины 50-х годов XX в. Показана эволюция электродинамических идей в области распространения радиоволн. Рассмотрен процесс развития и взаимодействия научных идей и технических методов в технике генерирования и приема радиоволн, в антенно-фидерной технике. Показан процесс зарождения и развития телевидения, радионавигации, радиолокации. Рассмотрена роль фундаментального знания в формировании электроники сверхвысоких частот и полупроводниковой техники.
Для инженеров-радиотехников, специалистов в области истории науки и техники.
Рецензенты: И. Е. Ефимов, Ю. Б. Татаринов
Ф
2402010000-232
042(02)-88
313-88-11
© Издательство «Наука», 1988
ISBN 5-02-000070-1


ОТ РЕДКОЛЛЕГИИ
Читателю предлагается вторая книга обобщающего исследования «Радиоэлектроника в ее историческом развитии», выполняемого в Институте истории естествознания и .техники АН СССР. Перед авторами стояла задача рассмотреть пути научно-технической мысли в прошлом радиоэлектроники для того, чтобы понять побудительные силы ее развития в наши дни и в будущем.
В истории радиоэлектроники прослеживаются три периода. Первый — от возникновения простейшей связи до середины 20-х годов XX в. В это время произошло становление радиотехнического знания и наметились его практические применения для радиосвязи и радиовещания. Этому периоду посвящена первая книга нашего труда (В. М. Родионов. Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1985).
Настоящая, вторая, книга, написанная большим коллективом радиоспециалистов, охватывает последующий исторический период — от середины 20-х годов до середины 50-х годов XX в. К концу этого периода сформировался своеобразный комплекс проблемных, теоретических и технических аспектов, который стал отвечать понятию «радиоэлектроника». В книге рассмотрены историческое развитие общих проблем радиотехнической науки, эволюция отдельных ее дисциплин и областей применения в процессе формирования радиоэлектроники.
И наконец, третий период в истории радиоэлектроники (с середины 50-х годов XX в. по настоящее время) отличается ее применениями для нужд науки, техники и производства, далеко выходящими за традиционные рамки быта и культуры. Этому периоду будет посвящена третья книга нашего труда — «Современная радиоэлектроника».
Вся трехтомная история радиоэлектроники имеет многоплановый характер. Она предназначена для научно-технической интеллигенции, аспирантов, студентов электротехнических специальностей, для всех, кто интересуется историей техники. Вооруженный историческими знаниями читатель сможет более глубоко осмыслить процессы развития науки и техники. Труд «Радиоэлектроника в ее историческом развитии» может быть использован в курсах «Введение в специальность» радиотехнических вузов.
Председатель редакционной коллегии член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров


ВВЕДЕНИЕ
Период с середины 20-х годов до середины 50-х годов XX в. в развитии радиотехнических областей науки и техники отличается начавшимся расширением круга их применений. Это время характерно использованием радиотехнических и электронных устройств не только для радиосвязи, радиовещания и передачи изображения, но и для решения совершенно новых задач в навигации, в телеуправлении, в метеорологии. Радиотехнические знания и приборы начинают применяться для производственных целей. Для усиления токов и напряжений в радиосвязи и радиовещании, в автоматизации процессов в промышленном производстве, на транспорте широкое применение получают электронные лампы. В быт людей входят радиотехнические приборы радиосвязи, радиовещательные приемники, электронные устройства воспроизведения грамзаписи, проводные сети радиотрансляции. В предвоенные годы появляется телевидение. К началу Второй мировой войны радио в большинстве развитых стран и в СССР уже глубоко пронизывает жизнь общества. Радиотехника и электроника тем самым превращаются в один из важных социальных факторов.
Во время войны радиотехнические знания были использованы для военных целей. Освоение техники ультракоротких волн, появление новых типов электронных приборов в предшествующие годы стали базой, на которой развилась радиолокация, получившая широкое применение в военном деле. Военные нужды поставили перед радиотехническим производством задачу создания новых видов радиоматериалов и конструирования деталей с малыми габаритными размерами и массой, обладавших высокой надежностью в работе. Война потребовала приборов, способных работать при высоких температурах и давлении, выдерживать сильные вибрации и т. п. В этот период присходят большие изменения в радиотехнике и электронике в целом, состоящие в освоении измерений как радиотехнических, так и нерадиотехнических параметров, значения которых лежали за пределами возможностей органов чувств человека.
В первом послевоенном десятилетии радиотехнические области приобретают ряд важных черт, настолько отличающих их от радиотехники довоенного времени, что они стали определяться новым термином — радиоэлектроника. Это понятие обозначило широкий комплекс направлений науки и техники (прежде всего благодаря тесной взаимосвязи радиотехники с электроникой), имеющий целью использование электромагнитных явлений и электронных приборов не только для передачи сообщений, но и в научных исследованиях, в управлении процессами.
Взаимодействие радиотехники и электроники началось на пути слияния активных и пассивных элементов схемотехники в радиоэлектронных приборах новых типов, объединения их в единые комплексы.
6


В послевоенное десятилетие еще заметнее возросла общегосударственная роль радиоэлектроники, которая стала характеризовать уровень развития стран в целом, наряду с такими областями, как металлургия, энергетика, транспорт, военная техника. Быстрое развитие радиоэлектроники этого периода объяснялось рядом принципиальных особенностей, выделивших ее как мощный научно-исследовательский и прикладной инструмент деятельности людей. Это, во-первых, способность радиоволн распространяться и переносить информацию с максимальной в природе скоростью — световой. Во-вторых, — очень высокая чувствительность радиоприборов, недостижимая с помощью других технических средств. В-третьих, — возможность с помощью радиогенераторов получать большие мощности, сравнимые с мощностями электростанций. В-четвертых, — возможность получения очень коротких (длительностью менее 10“12 с) импульсов радиоэнергии, используемых для изучения быстропротекающих процессов, определения с высокой точностью очень малых расстояний. Наконец это уменьшение габаритных размеров и массы радиоприборов; в процессе развития этого качества радиоэлектронных приборов на смену электронным лампам пришли полупроводники, а затем микроэлектронные схемы.
Радиоэлектроника 20—50-х годов приобрела важное отличительное качество: крепли связи ее с другими отраслями науки и техники, прежде всего с физикой (оптикой, механикой) и математикой, а также с техническими областями — электротехникой и электросвязью. Это делало радиоэлектронику все более универсальной областью техники, оснащало ее фундаментальным знанием, способностью производить новое техническое знание для применения как в радиоэлектронике, так и в других областях науки и техники.
Интенсивное развитие радиоэлектроники в 20—50-е годы вывело ее в наши дни на передовые рубежи науки и техники, сделало одним из важнейших социальных факторов в жизни человечества. XXVII съезд КПСС определил существенное значение в развитии научно-технического прогресса таких новых технологий, как лазерная, плазменная и др.1 В их создании далеко не последнюю роль играют достижения радиоэлектроники. Они оказывают решающее влияние на эффективность средств труда, технологических систем во всех отраслях техники и производства.
Объектом исследования настоящей книги коллективного труда «Радиоэлектроника в ее историческом развитии» является история радиоэлектроники, развитие научно-технической мысли в этой области в период с середины 20-х до середины 50-х годов XX в. Для комплексного изучения этого объекта как существенного и сложного явления современного мира, для изучения его по единому методологическому плану весьма целесообразно было вычленить из объекта ряд предметов исследования, которые отличаются по своему характеру и сферам применения [1].
Такими предметами исследования в этой книге являются во-первых, теория электромагнитного поля (электродинамика), наука о распространении радиоволн, теория цепей и фильтров — составляющие физические основы радиоэлектроники. Во-вторых, выделены предметы внутреннего  11 Материалы XXVII съезда Коммунистической партии Советского Союза. М.: Политиздат, 1986. С. 237.
7


использования в радиоэлектронике: антенно-фидерная техника, радиоприемная техника, радиопередающая техника, техника СВЧ и др. И, наконец, выделяются предметы внешнего применения: телевидение, радионавигация, радиолокация и др.
Вычленение отдельных предметов исследования из оощего объекта позволило авторам книги подробно изучить историю направлений радиоэлектроники и составить целостное представление об особенностях их развития в 20—50-е годы. В последней главе книги сведены воедино наиболее общие закономерности, вскрытые в процессе такого изучения, и комплексно обобщены суммарные результаты исследования отдельных предметов.
Комплексное изучение радиоэлектроники в ее историческом развитии предпринимается впервые. Авторы задались целью показать, как под действием требований практики возникали и воплощались в технические устройства ключевые идеи и изобретения, как суммировался и рос коллективный научный и инженерный опыт в этой научно-технической области. Ни в нашей стране, ни за рубежом не существует работ, в которых ставятся задачи воссоздания общей картины развития мирОт вой радиотехники и радиоэлектроники. Такие работы соответствуют верхним иерархическим уровням классификации исследований по истории радиоэлектроники [2]. Поэтому авторы сознают всю ответственность, которую они взяли на себя при решении поставленной задачи.
В то же время, несмотря на отсутствие обобщающих исследований, в арсенале истории радиоэлектроники уже имеется несколько работ частного характера по истории отдельных направлений радиоэлектроники периода 20—50-х годов. На них авторы в какой-то мере опирались в своей работе. Это очерки по истории радиолокации, телевидения, радиовещания и т. д. [3—6], упоминающиеся и в отдельных главах книги. Некоторые общие аспекты развития радиотехники в СССР изложены в книгах [7—11]. Наиболее близкой по замыслу к настоящей книге является выполненная в 1965 г. в ИИЕиТ АН СССР работа [12], в которой анализируется мировое развитие радиотехники до 50-х годов в таких ее дисциплинах, как радиоприемная и передающая техника, антенны, распространение радиоволн, а также развитие средств связи в СССР. Однако цельная картина развития научной мысли в радиоэлектронике и в этой книге отсутствует. Следует упомянуть также весьма краткие главы, относящиеся к истории изобретения радио и к периоду становления мировой радиотехники до 1918 г., в коллективных монографиях «Техника в ее историческом развитии» [13, 14] ; они характеризуют предысторию развития направлений радиотехники.
Фактологическими основами настоящей книги являются специальная научно-техническая литература, патентные документы и другие общепринятые в истории техники источники, которыми широко пользовались авторы. Использовали они и свой богатый творческий опыт.
В первых главах книги рассматривается эволюция электродинамических основ оадиоэлектроники. Затем прослеживается история развития научной мысли в антенной технике, в методах генерирования и радиоприема колебаний, а также в телевидении, радионавигации, радиолокации. В отдельную главу вынесены некоторые проблемы дальней связи
8


в их историческом развитии. В рассматриваемый период появился новый тип электронных приборов — полупроводниковые, которые за полтора— два десятка лет почти полностью вытеснили электронную лампу из электрорадиотехнических устройств. Их история также рассмотрена. Определенное внимание уделено проблемам создания электронных ламп для СВЧ, сыгравших существенную роль в радиоэлектронике и других направлениях техники.
В некоторых главах (например, посвященных развитию электродинамического знания, телевидению, радиолокации и др.) делаются предысторические экскурсы в период, предшествующий 20-м годам XX в. Такой прием, составляющий особенность книги, вызван необходимостью дать более полную картину развития этих областей и в особенности тех, которые не рассматривались в первой книге.
История некоторых областей радиоэлектроники (например, радиоприемной техники, радионавигации) доведена до современности и в третьей книге уже рассматриваться не будет. Это вызвано индивидуальными чертами их развития и в немалой степени стилем авторов глав. В то же время история других направлений (например, радиолокации, радиопередающих устройств, антенно-фидерной техники, техники СВЧ) излагается и в этой книге и в третьей.
Авторский коллектив признателен за ценные советы всем, кто прочитал книгу в рукописи и способствовал ее улучшению. Все замечания читателей будут с благодарностью приняты.


ГЛАВА ПЕРВАЯ
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПОЛЯ
Фундаментальные исследования и открытия
Появление «Трактата об электричестве и магнетизме» Дж. Максвелла вызвало большой интерес прежде всего у физиков. Чрезвычайно важным был его вывод о эквивалентности света и электромагнитного поля. Это обстоятельство позволило в дальнейшем использовать законы оптики, в том числе и открытые ранее, при исследовании процессов в электромагнитном поле. Тем не менее теория Максвелла была воспринята физиками не сразу в силу ее новизны и недостаточно ясного изложения ее самим Максвеллом. Распространение этой теории среди инженеров началось значительно позднее, спустя 40—50 лет после выхода трактата. Электромагнитное поле стало рассматриваться как физическая реальность, а не математическая абстракция.
Непосредственно после публикации трактата его содержание вызывало многочисленные сомнения, в силу чего ряд исследователей осуществляет экспериментальную проверку выдвинутых теоретических положений и различных вопросов, связанных с электромагнитым полем. В 1875 г. Дж. Керр [1] осуществляет эксперименты, касающиеся прохождения света через пластины полевого шпата, находящиеся в нитробензоле. На нитробензол действовало электрическое поле. Возникло устройство, известное под названием «конденсатор Керра». Под действием поля менялась поляризация света. Устройство позволяло управлять его интенсивностью с помощью электрического поля и нашло в дальнейшем применение в телевидении.
В 1876 г. Г. Роуленд по совету Г. Гельмгольца экспериментально проверяет эквивалентность переносимого заряда току; эта мысль была высказана М. Фарадеем и повторена Дж. Максвеллом в трактате. В эксперименте было показано, что конвекционный ток, производимый вращающимся заряженным диском, вызывает такое же магнитное поле, как и обычный ток проводимости. Попытка первого теоретического объяснения результатов этого эксперимента с позиции теории Максвелла была предпринята Дж. Дж. Томсоном в 1881 г. [2]. Им был получен правильный результат в предположении, что величина {v/c)2 пренебрежимо мала (здесь v — скорость движения заряда, ас — скорость света).
Дальнейшее уточнение расчета Томсона было выполнено Г. Фитцджеральдом, опубликовавшим результаты несколько месяцев спустя после Томсона в 1881 г. [3]. Полученное выражение было верно только до первой степени отношения v/c.
10


Последующее исследование было осуществлено О. Хевисайдом в 1888—1889 гг. [4], который уточнил решение до более высоких степеней v/c. Он в 1889 г. дал формулу, определяющую силу FM, действующую на электрический заряд Q3, движущийся со скоростью v в поле с магнитной индукцией В:
FM=Q3[v.B].
Квадратные скобки указывают на векторное произведение, полужирным шрифтом выделены векторы.
Дж. Серл в 1896 г. показал [5], что движущийся заряд не является сферой, а представляет собой сфероид с отношением полярной оси к экваториальной, равным (1— v2/c2)f*. У. Мортон нашел [6], что при движении заряженной сферы силовые линии не подходя! к поверхности перпендикулярно.
Перечисленные исследования показали зависимость электромагнитных процессов от скорости движения тел по отношению к скорости света в данной среде. Томсон, Фитцджеральд, Хевисайд, Серл, Мортон, стоявшие у истоков этих исследований, могут считаться учеными, непосредственно связанными с релятивистской электродинамикой.
Ранее в 1885 г. [7] Хевисайд показал, что независимо от формы проводника переменный ток высокой частоты протекает в поверхностном слое, что определяло явление скин-эффекта и следовало из уравнений Максвелла.
Трактатом все же не был перекинут прочный мост между элетро- динамикой Максвелла и теорией света. Прошлые теории утверждали, что обмен электромагнитной энергией между двумя телами мог осуществляться в границах небольшой системы, в то время как в оптике энергия могла распространяться в пространстве без связи с каким- либо материальным телом. Более тесная связь между элетродинами- кой и оптикой была подтверждена Фитцджеральдом, который утверждал, что если идентичность двух процессов, указанная Максвеллом, справедлива, то можно генерировать получающуюся энергию с помощью чисто электрических средств.
5 мая 1882 г. он отметил, «что энергия переменных токов частично излучается в пространство и таким образом теряется для нас» [8]. В 1883 г. Фитцджеральд описал методику, с помощью которой может быть произведена излучающаяся энергия [9]. Система Фитцджеральда, известная под именем «магнитного осциллятора», состоит из малой замкнутой круговой электрической цепи, в которой ток меняется по периодическому закону. Фитцджеральд показал, что получаемая энергия мала при низкой частоте колебаний тока. Он указал путь получения колебаний высокой частоты путем разряда конденсатора, в качестве которого использовалась лейденская банка, на круговую петлю, которая и представляла собой излучающее устройство. Фитцджеральд указал на трудности, связанные с обнаружением излученных колебаний.
Осциллятор Фитцджеральда сходен по идее с излучателем Герца, разница заключается в том, что Фитцджеральд использовал конденсатор с сосредоточенной емкостью, тогда как у Герца в его вибраторе эта емкость была распределенной.
11


В теории излучения электромагнитного поля существенную помощь оказала общая теорема переноса энергии, сформулированная Дж. Пой- тингом в 1884 г. [10] и независимо О. Хевисайдом в 1885 г. [11]. Более ранние исследователи полагали, что электрический ток участвует в переносе энергии от источника к потребителю. Сущность теоремы Пойтинга состоит в том, что поток энергии в каждом месте пространства определяется векторным произведением векторов напряженности электрического и магнитного полей [Е Н]. В соответствии с этим выражением линейный провод с током должен создавать поток энергии, направленный в среду, окружающую провод, перпендикулярно от провода. Эти соображения были несомненно в пользу гипотезы о возможности излучения электромагнитной энергии в пространстве подобно свету. Решающее доказательство этого положения было сделано Г. Герцем.
В 1879 г. Герц по совету Гельмгольца занялся экспериментальной проверкой справедливости уравнений Максвелла и вытекающей из них гипотезы об излучении электромагнитной энергии. Создав свой знаменитый вибратор, Герц практически доказал возможность обнаружения излученной энергии на расстоянии. Он йостроил вогнутые цинковые зеркала в форме параболических цилиндров высотой 2 м и рас- крывом 1,2 м. С помощью этих зеркал, в фокальной линии которых соответственно располагались излучатель и приемный вибратор, Герц исследовал распространение и отражение электромагнитных волн. Далее он изготовил большую призму из асфальта с основанием в виде равнобедренного треугольника с боковыми сторонами 1,2 м и высотой 1,5 м и опытным путем нашел показатель преломления этой призмы, который совпал с оптическим показателем преломления асфальта. Вращая одно из зеркал вокруг оси луча, Герц определил поляризацию излучаемых колебаний, которую дополнительно исследовал с помощью решетки в виде деревянной рамы размером 2X2 м с натянутыми на ней через каждый 3 см тонкими медными проволоками. Эта рама играла ту же роль, что и кристалл турмалина в поляризационных опытах со светом.
Герц обнаружил, что его резонатор позволяет наблюдать стоячую волну, возникшую в результате отражения волны вибратора от стены комнаты. Тогда он использовал в качестве отражающей поверхности металлический лист, установленный на расстоянии порядка 10 м от вибратора. С помощью резонатора Герц отчетливо обнаружил стоячие волны и определил длину волны излучаемого поля, которая была равна 9,6 м. Период колебаний Герц считал равным 2,8 -10-8 с. Отсюда он получил скорость распространения электромагнитной волны
с = Х/ Г = 9,6/(2,8-10-8) = 3,4.108 м/с.
Герц получил скорость распространения несколько больше известного нам значения скорости света. Однако следует отметить высокую точность результата — с учетом малой точности определения периода колебаний из-за их нестрогой монохроматичности и малой точности используемых средств.
Проделав таким образом опыты с электромагнитными волнами, аналогичные опытам, связанным ранее со световыми волнами, Герц убедительно доказал полную аналогию электромагнитного и светового полей. По
12


окончании опытов Герц написал: «Мы не можем лучше охарактеризовать цель и результаты наших собственных опытов, как сказав: целью опытов была проверка основных гипотез Фарадея и Максвелла, результатом их явилось подтверждение основных гипотез этой теории» [12, с. 117]. Следует заметить, что Герц наблюдал также распространение электромагнитного поля в проводах, исследовал пондеромоторные действия электромагнитного поля.
С начала опытов Герца по электромагнитному излучению до их окончания прошел очень короткий срок, порядка двух лет. Эти опыты произвели переворот в науке, позволили понять все величие теории Максвелла. Герц был не только блестящим экспериментатором, но также и блестящим теоретиком. Установив экспериментально существование электромагнитных волн, он перешел к математическому описанию процесса излучения электромагнитного поля. Восстановим ход решения этой задачи, следуя опубликованной работе Герца [13].
Обозначив буквами X, Y, Z составляющие электромагнитного поля, ориентированные вдоль координат х, у, z, и буквами L, М, N — соответствующие составляющие магнитного поля, Герц записывает систему скалярных уравнений Максвелла. Далее он вводит следующие обозначения:
Xx/p+Yy/p = R, Ly/p — Mx/p = P, где р = V х2 + У2.
По сути дела R является составляющей электрического поля, ориентированной вдоль радиуса-вектора р, в то время как Р представляет собой составляющую магнитного поля, ориентированную перпендикулярно р. Затем Герц, без каких-либо объяснений, вводит функцию П> удовлетворяющую уравнению
A2d2П / dt2 = АД, где А = \/с, с — скорость света.
Также без объяснений Герц утверждает, что если ввести функцию Q с помощью соотношения
<2 = р^ПМ>>
то выражения
<pZ = dQ/dp, pP = AdQ/dt,
рR = -DQ/dz, N = 0,
представляют собой решения для составляющих электрического поля Z и /?, а также функций Р и N, представляющих составляющие магнитного поля.
Герц приводит, кроме того, следующие выражения для составляющих поля X, У, Z, L, М, N, входящих в исходные уравнения Максвелла:
X— — d2H/dxdz, L = Ad2H/dydt,
Y= — d2J[/dydz, M= —Ad2H/dxdt,
Z = d2Jl/dx2 + d2H/dy2, N = 0.
13


Подставляя эти выражения в исходные уравнения Максвелла, можно убедиться в том, что они тождественно удовлетворяются. Герц не дает пояснений, каким образом им были получены эти результаты. Можно строить различные предположения на этот счет. Одна из таких, удачных по нашему мнению, гипотез приводится в работе [12]. Приведенный авторами этой работы ход рассуждений логичен, однако это лишь разумное предположение, а истинные соображения Герца остаются неизвестными.
Изучив практически и теоретически явление излучения электромагнитных волн'и возможность приема их на расстоянии, Герц тем не менее не высказал своего мнения об использовании электромагнитных явлений для целей практической радиосвязи. Изобретателем радиосвязи по праву считается Александр Степанович Попов.
В дальнейшей истории развития учения об электромагнитном поле целесообразно отметить два обстоятельства. Первое касается подтверждения идентичности световых и электромагнитных процессов, и, следовательно, справедливости для электромагнитного поля разработанных ранее положений оптики. Второе обстоятельство касается самостоятельной ветви излагаемой науки — электродинамики движущихся тел, также связанной с развитием оптики. Первые систематические описания оптических явлений принадлежат греческому философу Емпедоклу (490—430 гг. до н. э.) и греческому математику Евклиду (III в. до н. э.). Древние греки знали [14] о законе отражения световых лучей, о прямолинейности распространения света и его преломлении.
Р. Декарт в 1637 г. [15] опубликовал запись закона преломления, установленного в 1621 г. В. Снеллиусом. Ф. Гримальди [16] отмечает существование света в области геометрической тени, т. е. по сути дела открывает дифракцию, Р. Гук и Д. Бойл [17] обнаруживают интерференцию световых волн.
В 1657 г. П. Ферма выдвигает принцип наименьшего времени, чем закладывает основы геометрической оптики. И. Ньютон обнаружил дисперсию, Гук высказал мысль о поперечности колебаний световых волн. Волновая теория света защищалась Л. Эйлером [18] и М. В. Ломоносовым [19]. О. Ре мер пришел к мысли о существовании скорости света [20].
К. 	Гюйгенс расширил теорию света и обнаружил явление поляризации. Однако авторитет Ньютона, отрицавшего волновую теорию, привел к крайне медленному ее проникновению в науку. Существенным шагом в утверждении волновой теории явилось объяснение интерференции, выдвинутое Т. Юнгом [21].
Следующий крупный шаг был сделан О. Френелем. Осуществив синтез идей Гюйгенса, и Юнга, Френель решил ряд фундаментальных дифракционных задач. Совместно с Д. Араго он обнаружил отсутствие интерференции лучей, поляризованных во взаимно перпендикулярном направлении. Юнг, узнавший от Араго об этом явлении, утвердился в мысли о поперечности световых колебаний. Френель вывел законы, определяющие интенсивность и поляризацию световых волн после преломления и отражения. Надежное обоснование волновой природы света было получено. Тем не менее был проведен контрольный эксперимент, предложенный Араго и осуществленный в 1850 г. Л. Фуко [22], А. Физо.
14


Френель наблюдал явление анизотропии, объяснил угол Брюстера и явление полного внутреннего отражения, обнаружил существование эллиптической и круговой поляризации. Он исследовал влияние движения земли на оптические процессы, что в дальнейшем легло в основу электродинамики движущихся сред Лоренца. Если учесть, что Френель был дорожным инженером, тщательно исполнявшим свои обязанности, то можно только преклониться перед его научным подвигом, выполненным за 9 лет (первые работы Френеля написаны в 1815 г., последние — в 1824 г.).
В 1814—1817 гг. Й. Фраунгофер изготавливает призмы очень высокого качества, с помощью которых открывает темные линии в солнечном спектре; это открытие стало началом спектроскопии, широко используемой в современной радиотехнике.
В 1861 г. Р. Бунзен и Г. Кирхгоф объясняют возникновение темных линий в спектре солнца: непрерывный солнечный спектр, прохрдя через более холодные газы солнечной атмосферы, поглощается в атмосфере именно на тех длинах волн, которые излучают-сами газы. Кирхгоф был выдающимся теоретиком, создавшим термодинамику излучения. Его теории используются в настоящее время при расчете электромагнитных полей, а спектроскопические данные легли в основу квантовой механики и электродинамики.
В 1842 г. К. Доплер исследует эффекты, связанные с движением источника света, и формулирует принцип, названный его именем.
Таким образом, к моменту появления исследований Максвелла накапливается огромный научный материал в оптике. Когда Максвелл определяет, что скорость распространения электромагнитных колебаний должна быть равной
с0= i Д/Wo,
а Кольрауш и Вебер находят значения электрической и магнитной постоянных и вычисляют, что скорость электромагнитных волн равна скорости света, вопрос о идентичности световых и электромагнитных процессов оказывается окончательно решенным. Весь огромный научный потенциал оптики используется исследователями в области электромагнитного поля, и процесс изучения этого поля резко ускоряется.
Специализация в электродинамике
В историческом развитии электродинамики постепенно начинает возникать специализация. Формируются пять основных направлений: внешние задачи электродинамики, внутренние задачи электродинамики, задачи возбуждения электромагнитного поля с помощью антенных устройств, электродинамика движущихся сред и квантовая электродинамика.
К первому направлению могут быть отнесены задачи распространения радиоволн в различных средах и задачи дифракции радиоволн на различных телах и образованиях.
Ко второму направлению принадлежат задачи распространения радиоволн в волноводах, задачи их возбуждения, колебания электромагнитного поля в объемных резонаторах и задачи возбуждения этих
15


колебаний. Несколько особняком стоят вопросы взаимодействия электромагнитного поля с электронами.
Задачи возбуждения электромагнитного поля с помощью антенных устройств вскоре выливаются в отдельную специальность, история которой рассмотрена в гл. 4.
Электродинамика движущихся сред также начала развиваться самостоятельно и вскоре вылилась в теорию относительности и связанные с ней направления физических исследований. Квантовая электродинамика, как и электродинамика движущихся сред, бурно развиваясь, превратилась в важную часть современной физики.
В настоящей главе нет возможности полно охватить историю развития указанных пяти направлений теории поля. В силу этого напомним только ее основные этапы (первые направления рассмотрены в гл. 2).
Задачи распространил радиоволн впервые встали перед А. С. Поповым, заметившим влияние среды на радиосвязь. В начале своих опытов Попов предполагал, что радиоволны подобно свету распространяются прямолинейно. Однако вскоре он указал [23] на необходимость учета влияния земной поверхности и предметов, находящихся на трассе передачи. Связь, установленная Г. Маркони 12 декабря 1901 г. между Ньюфаундлендом (Канада) и юго-западной Англией (расстояние 3700 км), заставила исследователей отказаться от мысли о прямолинейности распространения радиоволн.
В марте 1902 г. А. Кеннели [24] отметил, что распространение радиоволн может быть связано с их отражением от электропроводящих слоев атмосферы. В декабре 1902 г. к этому выводу пришел О. Хевисайд [25], показавший, что радиоволны направляются морем и проводящими слоями атмосферы. В 1909 г. А. Зоммерфельд рассмотрел теорию распространения радиоволн над плоской поверхностью. В 1909—1910 гг. Л. Остин в результате обработки практических наблюдений дает эмпирическую формулу для расчета напряженности поля в месте приема. Г. Вейль в 1919 г., Зоммерфельд в 1926 г., Уайз в 1930 г., Б. Ван-дер-Поль в 1932 г., В. А. Фок и Б. А. Введенский в 1934 г. более строго рассматривают распространение радиоволн над плоской землей. Измерения показали, что расчетные формулы для плоской земли справедливы до расстояний порядка 200 км. Далее наблюдается значительное расхождение. Основываясь на работах Дж. Ватсона, Введенский устанавливает дифракционную формулу, учитывающую конечную проводимость Земли, решает задачу дифракции в случае антенн, поднятых над Землей, и распространяет дифракционные формулы на диазпазон ультракоротких волн.
В 1944 г. П. Е. Краснушкин [26] указал на возможность дальнего распространения УКВ,в волноводных образованиях, возникающих в нижних слоях тропосферы.
В 1944 г. В. А. Фок получил строгое выражение для напряженности поля в месте приема на любом расстоянии от передатчика и в 1948 г. решил задачу одновременного учета дифракции и атмосферной рефракции.
Одновременно с исследованием дифракционной задачи распространения радиоволн вокруг Земли идет интенсивное изучение ионосферы. Вопросам теории взаимодействия радиоволн и ионосферы посвящены
16


исследования М. В. Шулейкина в 1920 г., Э. Эпплтона (1925 г.), М. А. Бонч-Бруевича (1932 г.), А. Н. Казанцева (1946 г.) [27] и др.
В 60-х годах, в связи с развитием космической техники, возник интерес к распространению радиоволн в различных плазменных образованиях, представляющих собой неоднородные поглощающие среды. Крайняя сложность задач, требующих практического решения, заставила исследователей использовать возможные теоретические методы наравне с методами математического и аналогового моделирования.
В простейших случаях изменения параметров среды вдоль одной координаты £ задача определения поля сводилась к решению дифференциального уравнения вида
d2L/dt,2-{ïfoL = 0,
в котором коэффициент /0 является функцией координаты £. В одиннадцати конкретных видах этой функции оказалось возможным осуществить точное аналитическое решение этого уравнения. Однако часто решение выражалось в виде функций настолько сложного вида, что получение практических результатов достигалось с помощью ЭВМ, и влияние тех или других факторов на процесс распространения оказывалось завуалированным.
Решением указанного уравнения занималось большое число исследователей: Р. Ганс [28], Л. М. Бреховских [29], Д. Хартри [30], X. Хадден- хорст [31], О. Ридбек [32], И. Валло [33], К. Форстерлинг [34], Дж. Стретт [35], С. М. Рытов и Ф. С. Юдкевич [36], К. Муллен [37], П. Эпштейн [38], Дж. Хеллер [39], Г. Элиас [40].
Следует заметить, что случаи, когда возможно точное аналитическое решение указанного простейшего уравнения, далеко не охватывают всех возможных видов функции fо, встречающихся на практике.
В ряде задач распространения радиоволн в неоднородных средах оказывалось возможным выделение малого параметра, под которым физически понималось малое относительное изменение параметров среды на расстояниях, соизмеримых с длиной волны в данной среде. При этом оказывалось возможным использование различных аналитических приближенных методов. В первую очередь к ним относится метод геометрической оптики, играющий важную роль при анализе задач распространения и дифракции и широко использующийся в оптике, радиофизике, физике плазмы, радиолокации, радионавигации и других областях науки и техники. Он оказался весьма плодотворным при расчете различных полей в неоднородных средах, таких как ионосферная, космическая плазма, плазма, окружающая летательные аппараты (движущиеся с гиперзвуковой скоростью в воздушном пространстве), плазма факелов двигателей, атмосфера Земли и планет, метеорные следы, морская вода, земная кора, различные неоднородные линзы и волноводы, среды со случайными неоднородностями.
Сам метод геометрической оптики в настоящее время имеет большое число различных модификаций, не позволяющих, однако, выйти за ограничения методов малого параметра. Первоначально развитие этого метода было завершено трудами У. Гамильтона [41]. На современное состояние геометрической оптики большое внимание оказала работа П. Дебая
17


(см. [42] ). Дальнейший импульс был дан в трудах С. Л. Соболева [43], С. М. Рытова [44], Р. Люненбурга [45], Ю. А. Кравцова и Ю. И. Орлова [46]. Существует много способов подхода к изложению метода геометрической оптики. Один из этих способов заключается в следующем. Рассматриваются монохроматические волны, подчиняющиеся уравнению Гельмгольца
V2u-\-k0n2(r)u = 0.
В этом уравнении /еа= со —волновое число, п(г) — коэффициент
преломления.
Решение уравнения полагают в виде выражения
и=А(г)е№(г).
Амплитуда А(г) и функция ф(г) полагаются мало изменяющимися на расстоянии, равном длине волны в рассматриваемой среде. Далее вводится малый параметр \х:
р=1 /(H0nL),
где L — наименьший из возможных масштабов изменения А(г), /г, или L = min(L|, L2), причем
Li< |A(r)|/| Vi4(r)|;L2>n/| Vn\.
Затем осуществляется разложение поля в ряд по малому параметру р. После приравнивания коэффициентов при одинаковых степенях \х получают ряд уравнении для фазы Ч? и амплитудных коэффициентов А0, Аи А2,... нулевого, первого, второго и т. д. приближений. Вид этих уравнений следующий:
(V¥)2 = n2,
2(VAoV'¥+AoV2W = 0,
Функцию 4я принято называть эйконалом, первое из приведенных уравнений — уравнением эйконала.
Гамильтон назвал функцию W характеристической функцией. Термин «эйконал», происходящий от греческого слова e/xcov (изображение), впервые употребил Г. Брунс.
Желание получить информацию о поле, существующем в зоне геометрической тени, заставило исследователей вспомнить о принципе Гюйгенса—Френеля [47], в соответствии с которым каждая точка на поверхности, возбуждаемой падающей волной, рассматривается как источник вторичного излучения сферической волны. Полное поле является результатом суперпозиции волн со всех точек поверхности и поля, созданного сторонними источниками. Математическая формулировка этого принципа была выполнена Г. Кирхгофом в прошлом веке в виде хорошо известного интеграла Кирхгофа.
При практической реализации этого метода токи на освещенной части поверхности полагаются такими, которые создаются падающей волной, а на теневой части поверхности эти токи считаются равными нулю. Другими словами, пренебрегается затеканием токов на теневую часть;
18


в этом заключается приближенность метода. Тем не менее интеграл Кирхгофа дает значение поля в теневой части, отличное от нуля, что определяет преимущество этого метода, названного методом физической оптики, по сравнению с методом геометрической оптики [48]. Расчеты поля в области тени и полутени с помощью описанных методов дают приближенные результаты.
В 1957 г. Дж. Келлер [49] предложил уточнение к методу геометрической оптики, базирующееся на обобщенном принципе Ферма, когда поле распространяется не только вдоль геометрических лучей, но и вдоль дифракционных лучей, под которыми понимаются лучи, проведенные по кратчайшему расстоянию от источника в точку наблюдения.
В 1962 г. П. Я. Уфимцев предложил метод краевых волн [50], уточняющий метод физической оптики. Дальнейшее уточнение было осуществлено В. А. Фоксом и М. А. Леонтовичем в 1970 г., которые развили метод параболического уравнения, позволивший найти решение упрощенного уравнения Гельмгольца также с существенным приближением.
Главным же недостатком отмеченных методов является необходимость использования малого параметра, медленности изменений параметров поля. На базе изложенных методов в 1980—1984 гг. был решен ряд важных практических задач, таких например, как задачи искажения сложных радиосигналов в диспергирующих средах [51], [52].
В настоящее время число методов, использующих малый параметр, достаточно велико. К ним относится также широко известный метод ДВКБ, названный так по имени Б. Джеффриса, В. Вентцеля, X. Крамерса и Л. Бриллюэна [53], которые ввели его в квантовую механику, применив к волновому уравнению Шредингера. Необходимо отметить, что возникновение этого метода, нашедшего в настоящее время широкое применение, связано с работами Ф. Карлини (1817 г.), Ж. Лиувилля (1837 г.) и Дж. Грина (1837 г.). Таким образом, авторство этого метода и само его название следует рассматривать с осторожностью. Метод не выходит за рамки методов малого параметра.
К этим методам близко примыкает метод пограничного слоя, разработанный М. И. Вишиком и Л. А. Люстерником [54] в 1960 г. Метод основан на том, что при больших потерях в среде резко возрастает ее диэлектрическая проницаемость за счет большей мнимой части. Это возрастание приводит к существенному уменьшению фазовой скорости, и, следовательно, уменьшению длины волны в среде. Возникает случай коротковолновой асимптотики, сопровождаемый резким затуханием поля. При этом легко доказывается сходимость применяемых рядов, и весь процесс локализуется в пределах малого пограничного слоя. Форма записи решения при этом мало отличается от приведенных выше, хотя его физическая природа другая. Этим методом в Московском энергетическом институте был рассмотрен сложный случай падения плоских волн на неоднородную среду, параметры которой меняются по трем координатам [55].
Необходимость решения все усложняющихся практических задач приводит к непрекращающемуся поиску новых подходов к их решению. Одним из таких подходов является метод эталонных уравнений, разработка которого началась в 1934 г. Л. А. Жекулиным [56]. Даже этот метод подвергся основательной разработке в Ленинградском государственном
19


университете силами большой группы ленинградских математиков [57].
Сущность метода заключается в том, что сложное дифференциальное уравнение, возникшее в результате учета реальных свойств среды, заменяется более простым уравнением, построенным так, чтобы все особые точки, включая точку поворота, совпадали с особыми точками исходного уравнения. Асимптотический характер решений по отношению к параметру является ограничивающим фактором при реализации всех методов «малого» или «большого» параметра. Крайне затруднительно их применение в случаях сложного характера изменения параметров среды. Тем не менее перечисленные методы являются перспективными и достаточно мощными в ряде конкретных случаев.
В большом числе практически важных случаев не удается выделить малый параметр, и изменение параметров среды оказывается настолько сложным, что при решении задач отыскания поля не удается использовать перечисленные выше методы. Это обстоятельство привело к появлению иных способов решения проблемы. К ним относится метод конформного отображения, также имеющий определенные ограничения, но представляющий практический и теоретический интерес. П. Е. Краснуш- кин, H. Н. Федоров, Е. А. Филатова использовали его при решении различных волновых задач [58], [59]. В каждом из этих исследований метод использовался по-разному. Существо метода состоит в следующем. Пусть дано скалярное уравнение вида
V2U + k2(x, z) U=0.
Параметры среды, входящие в функцию /г2, зависят от двух координат — X и z. Осуществим конформное преобразование уравнения путем введения аналитической функции ш:
w = f(£) = и(х, z)-\-jv(x< z)y
где \ -x-\-jz. Как известно, при таком преобразовании лапласиан в координатах м, V (или V2u,v) связывается с лапласианом в координатах X, z соотношением
v\vü=v\zu/\f'(t)\2.
В этом выражении D — функция U в координатах и, v\ — производная функции /(g), записываемая на основании условий Коши—Римана:
\f'(l)\2= (ди/дх)2-\- (dv/dx)2= (ди/дх)2-\- (du/dz)2 = (dv/dx)2-\-
+ (dv/dz)2= (du/dz)2-\- (dv/dz)2.
После преобразования исходное уравнение запишется в виде lf(i)l2V2u.t,i7-(-k\u, v)0=0.
Если исходное уравнение и функция w таковы, что соблюдается отношение
1П1)12 = £2(и, v)/kl
тогда, поделив преобразованное уравнение на функцию | f' (|) |2, получим
V2u.vO + k00=0.
20


Это уравнение представляет собой двумерное в координатах и, v уравнение Гельмгольца с постоянным волновым числом k0, которое элементарно решается. Далее, осуществляя обратное преобразование от координат и, v к координатам х, г, получим решение исходного сложного уравнения.
Применение метода конформных отображений к решению волновых задач нельзя считать разработанным до конца. Однако в истории развития электродинамики этот метод должен быть упомянут как метод, позволяющий в определенных случаях провести точное решение двумерных сложных волновых задач, что является важным хотя бы с позиции получения модельных, точно решаемых задач, с помощью которых могут проверяться другие непрерывно разрабатываемые в настоящее время методы. В 1961 г. этот метод был с успехом использован В. И. Ивановым [60] для упрощения формы границы решаемой задачи, что является перспективным направлением в дальнейшем развитии этого метода.
Выражение:
IПЕ) 12=*2(И, v)/iï
в развернутой форме запишется в виде
(ди/дх)2-\- (du/dz)2 = k2(u, v)/kl,
или
(dv/dx)2(dv/dz)2 = k2(и, v)/Ц.
Из этих соотношений следует, что функция k2(u, v) должна быть аналитической функцией, что существенно сужает возможности метода.
Как следует из изложенного, методы малого параметра и метод конформного отображения обладают серьезными ограничениями. Шестидесятые годы характеризуются повышенным интересом к исследованию электромагнитного поля в неоднородных средах, параметры которых меняются по координатным направлениям достаточно быстро и, кроме того, являются функциями частоты. Несмотря на успешное использование указанных методов в ряде случаев, существует достаточно широкий класс практических задач, где использование этих методов невозможно. В силу этого непрерывно идет поиск методов, принципиально свободных от параметрических ограничений. К числу таких методов относятся методы интегральных уравнений, значительный вклад в разработку которых внесен советскими учеными. В 1945 г. появляется работа В. А. Фока [61], посвященная этому вопросу, большой вклад в разработку этих методов внесли В. Л. Купрадзе (1950 г.) [62], А. М. Тихонов (1963 г.) [63] и др.
Существо этих методов заключается в следующем. Пусть в объеме и\ окружающем идеальную металлическую поверхность s', существуют сторонние электрические токи, характеризуемые объемной плотностью J3. Если бы в объеме v' не было поверхности s', тогда в любой точке наблюдения, характеризуемой координатами £, т], £, можно было бы найти векторный потенциал Аэ, используя известное соотношение
ÄaU, Л, 0 = Ыэ(Г, л', CO-Gft, Л, С, I', л',
Штрихами отмечены координаты источников, G — функция Грина. Поле,
21


созданное сторонними источниками j3, приведет к созданию на поверхности s' наведенных поверхностных токов v3. Допустим, что поверхности s' соответствует значение координаты £ = £0, тогда поверхностный ток будет связан с вектором магнитного поля Н, существующим у поверхности s', обычными граничными условиями у идеального металла (для простоты рассуждения примем, что поверхность s' выполнена из идеального металла) :
Под полем Н следует понимать суммарное поле, вызванное сторонними токами j3 и влиянием неоднородности s'; \п — единичный нормальный вектор, направленный изнутри поверхности s' наружу. Тогда может быть определен суммарный электрический векторный потенциал Аэ2, возникший в результате суперпозиции векторного потенциала Ä3 и потенциала, вызванного появлением тока v. Этот потенциал можно записать в виде формулы
Ал=ЬЛ(1'. V. ть с, V, Е')А»'+
+И1', л', E6)-G(g, л. Б, Г, л', E'o)ds'.
Суммарный потенциал Аэ2 связан с суммарным полем Н известным соотношением
Н= (l/(Ia)rot Аэ2.
Дифференцирование должно осуществляться в координатах точки наблюдения £, т|, £. Представляя rot Аэ2 в виде векторного воздействия оператора V на функцию Аэ2, получим
н= -J-[VÂ,ï]= 4-Üv (J»G)]d»' + -J-Uv (%G)W-
Ца M'a J M'a ^
Так как токи J3> v не зависят от координат точки наблюдения, в которых производится дифференцирование, то они могут быть вынесены за знак оператора V. Тогда
H = ~~=—\ vlh( V G)\lv' -f- s/[v ( V G)]ds'.
Подставим полученное соотношение в граничные условия:
i = -±-\ JJ, ( V G)] • 1 n}dv' + -Ц Ж V G)] • 1 n]ds'.
M'a J M'a J
Запишем это выражение в несколько ином виде:
V, - ЛЧ V G)] • 1 nW = 4-[ Ж( V G)]. 1 n}dü'.
Полученное соотношение является интегральным уравнением Фредгольма второго рода относительно функции v с известной правой частью. В случае его решения может быть найдена функция v3 и, следовательно, поле в любой точке наблюдения в объеме v'. Задача определения поля может быть сведена к интегральному уравнению первого рода путем следующих
22


рассуждений [64]. Положим, задано тело, ограниченное поверхностью 5', на котором выполняются импедансные граничные условия вида
[ln-Ê] =Z[b[l„.H]],
где Z — тензор поверхностного импеданса; \п — внешняя нормаль.
В объеме v', находящемся за границами поверхности s', заданы сторонние электрический и магнитный токи с плотностями j3 и jM. Вывод интегрального уравнения основан на использовании леммы Лоренца, которая для объема v' запишется в виде
L'{ [É- Нв] — [ÉB- H]}l„<is' = $y/[(Ej3B — ÉBJ3 — HJMB + HBjM)di/.
В этой записи: É, Н — искомое поле, Ёв, Нв — вспомогательное поле; Jэв, Jмв — вспомогательные токи, возбуждающие вспомогательное поле.
Используя граничные условия и учитывая, что \п — внутренняя по отношению к объему v' нормаль, можно написать лемму Лоренца в виде формулы
L'{ËB— Z[\n- HB]}vûfs' = Sy/(Éj3B— ÉBJ3 — HJMB + HBjM)öfü'.
Это выражение представляет собой интегральное уравнение первого рода относительно плотности поверхностного тока v. Сходным образом может быть получено уравнение для плотности тока vM. Знание v3 и vM позволяет вычислить поле в любой точке наблюдения.
В случае решения интегральных уравнений может быть получено точное решение всей поставленной задачи без введения малого параметра. Однако в практических случаях аналитическое решение, как правило, оказывается невозможным и задачу приходится решать с помощью ЭВМ. В этом случае решение даже двумерного уравнения наталкивается на значительные вычислительные трудности и часто приходится прибегать фактически к введению опять-таки малого параметра.
Бурное развитие ЭВМ, непрерывно возрастающие их возможности привели к использованию в начале семидесятых годов машинных методов для решения волновых задач. ЭВМ использовались не только для решения описанных интегральных уравнений, но также и уравнений дифференциальных, описывающих процессы распространения и дифракции радиоволн в сложных неоднородных и часто анизотропных средах, таких как неоднородная плазменная среда и эта же среда, находящаяся под воздействием магнитного поля.
Метод решения заключался в следующем. В исходных дифференциальных уравнениях в большинстве практически важных случаев, не поддающихся аналитическому решению, осуществлялся переход от дифференциальных уравнений к алгебраическим уравнениям в конечных разностях, которые затем решались с помощью ЭВМ. Существует несколько принципиальных трудностей при использовании такого метода. Прежде всего переход к уравнениям в конечных разностях с заданным шагом дискретизации эквивалентен появлению в уравнении некоторого добавочного члена, пропорционального квадрату шага дискретизации. Таким образом, фактически решается не первоначальное дифференциальное уравнение, причем решаемое уравнение тем более отличается
23.


от первоначального, чем больше шаг дискретизации. Ошибка, связанная с дискретизацией, растет с ростом поля исследования. Ограниченная память ЭВМ ставит определенные препятствия на пути уменьшения шага дискретизации, что затрудняет решение сложных задач электродинамики в неоднородных, анизотропных, параметрических и нелинейных средах, где в общем случае требуется дискретизация процесса не только по координатным направлениям, но также по времени и частоте. Эти соображения всегда имеют место, когда используется ЭВМ. В силу этого исследователи продолжили поиск таких путей решения сложных задач, при которых ограничения, свойственные ЭВМ, либо снимались, либо могли быть уменьшены. К числу таких методов относятся методы моделирования.
Методы моделирования могут быть разделены на два основных направления. К первому направлению относятся методы моделирования неоднородной среды и конкретных неоднородных образований с последующим модельным экспериментом с этой средой в лабораторных условиях. Ко второму направлению должно быть отнесено моделирование исходных уравнений с помощью аналоговых электрических схем.
Исследование распространения радиоволн в плазме, диэлектрическая проницаемость которой могла быть меньше единицы, требовало не только теоретических изысканий, но и экспериментальных подтверждений правильности полученных результатов. Работа с плазмой в лабораторных условиях наталкивалась на значительные трудности создания плазменных образований, аналогичных натурным образованиям. Возникла потребность в разработке искусственных диэлектриков, параметры которых были бы подобны параметрам плазмы. В 1953 г. появляются работы Дж. Брауна [65], Ж. Трентини [66], в которых предлагаются способы решения этой задачи. В. Д. Холопов и другие создают лабораторные установки, имитирующие конкретные плазменные образования. Подобные системы являются весьма трудоемкими в изготовлении, обладают недостатками дискретных систем и должны выполняться для каждого конкретного неоднородного образования. Перестройка этих систем от одной задачи к другой практически невозможна. В силу этого они не получили достаточно широкого распространения.
Ко второму направлению относится моделирование исходных уравнений с помощью аналоговых электрических схем. Развитие этого метода началось достаточно давно. В 1927, 1929 гг. появились исследования С. А. Гершгорина [67], посвященные решению уравнения Лапласа с помощью сеток из резисторов. Далее идея не получала дополнительного развития в течение десяти лет. В 1939 г. в АН СССР были начаты работы по методам электрического моделирования основных уравнений математической физики. Была показана принципиальная возможность создания моделей сложных многомерных уравнений. Значительный вклад был внесен в решение вопросов моделирования энергетических систем.
Аналоговые методы завоевывают большое число сторонников. Помимо моделирования с помощью электрических цепей широкое распространение получает моделирование полей с помощью электролитических ванн, первое применение которых было осуществлено в 1875 г. У. Адамсом [68]. В 1962 г. вырабатывается прогрессивный метод наведенного тока [69]. Исследуются методы моделирования интегральных уравнений. В иност¬
24


ранной печати появляются работы, использующие по сути дела более ранние исследования советских ученых. Осуществляется моделирование уравнений, описывающих процессы в волноводах и объемных резонаторах.
В семидесятых годах появляется серия работ, выполненных H. Н. Федоровым, Е. А. Филатовой и др. [70], [71] с использованием методов аналогового моделирования с помощью электрических схем. В этих работах исследуются вопросы распространения и дифракции радиоволн в сложных неоднородных поглощающих средах, в средах анизотропных, нелинейных, параметрических. Рассмотрению подлежат не только монохроматические радиоволны, но и импульсные колебания. С помощью аналоговых методов удается впервые решить важные практические задачи. Так как аналоговые устройства при решении внешних задач электродинамики не могут быть продолжены до бесконечности, то особому исследованию подвергаются вопросы создания нужных граничных условий на стыках неоднородных образований и безграничной однородной среды. Исследованию подвергаются самые общие случаи возможных уравнений в криволинейных координатах, что позволяет обобщить создание аналоговых схем для различных случаев. Осуществляется оценка точности исследований, проводимых с помощью аналоговых схем, и с этих позиций определяются целесообразные границы их применения.
Существо метода аналогового моделирования заключается в следующем. Исходное уравнение (или схема уравнений), описывающее электродинамические процессы в среде, записывается в конечных разностях с постоянным или переменным шагом разбиения вдоль координатных направлений. Далее подбирается матричная электрическая схема, состоящая из индуктивностей, емкостей и сопротивлений с заданной системой возбуждающих токов. Подбор этой схемы должен быть осуществлен с таким расчетом, чтобы уравнения Кирхгофа, написанные для узловых элементов схемы, совпадали бы по виду с разностными исходными уравнениями. Пользуясь принципом подобия, подбирают элементы схемы таким образом, чтобы процессы в электрической схеме были бы подобны реальным электродинамическим процессам. Далее измеряют амплитуды и фазы токов и напряжений в различных точках электрической схемы, соответствующих определенным пространственным точкам электродинамической задачи. Токи и напряжения в моделирующей схеме соответствуют составляющим электрического и магнитного полей в реальном процессе и обладает масштабной связью с этими составляющими.
Серьезным достоинством аналоговых методов является возможность решения импульсных нестационарных задач без осуществления дискретизации процессов по времени и частоте. Моделирующие цепочки, построенные с учетом дисперсионных свойств среды, позволяют получить нестационарный процесс непосредственно на экране осциллографа. Аналоговые методы наглядны и (при решении задач в неоднородных одномерных средах) весьма оперативны. Не случайной является наметившаяся в последнее время тенденция создания гибридных вычислительных устройств, соединяющих достоинства аналоговых и цифровых методов.
25


Электродинамика сверхвысоких частот
Исследование электромагнитного поля неизбежно привело к разработке линий передачи этого поля. Уже в 1850 г. А. Физо и Е. Гунелль опубликовали работу [72], в которой приводились результаты исследования скорости распространения электромагнитных волн вдоль железных и медных проводов. Аналогичное исследование было проведено В. Сименсом в 1876 г. Г. Герц в 1888 г. также определял скорость распространения электромагнитных волн вдоль одиночного провода и получил значение этой скорости равное 2* 108 м/с, сходную с результатом А. Физо и Е. Гу- нелля. Отметим, что эти исследования наблюдали «медленную» волну в одиночном проводе, поэтому последующая критика этих результатов, опубликованная Эрнстом Лехером в 1890 г., который исследовал скорость распространения в двухпроводной линии (колебание типа Т), не является состоятельной. Наиболее основательный анализ распространения электромагнитных волн в двухпроводной линии был осуществлен в 1900 г. Г. Ми [73]. Этот анализ практически исчерпал рассматриваемую проблему. Соображения о возможности распространения электромагнитных волн в полых трубах можно найти в книге Дж. Томсона [74], изданной в 1893 г. В этой книге рассматривается, что произойдет с полем, если на внутренней поверхности металлического цилиндра возникнут электрические заряды. Спустя год Дж. Лармор рассмотрел колебательные процессы, создаваемые искровым генератором, расположенным внутри металлического цилиндра. В 1897 г. Дж. Рэлей публикует работу, касающуюся распространения электромагнитных волн в прямоугольных и круглых трубах, заполненных диэлектриком.
В 1895 и 1896 гг. В. фон Ланг публикует работы, в которых повторяет с электромагнитными волнами интересные опыты Г. Квинке с акустическими колебаниями, что имело большое познавательное значение.
В 1898 г, сходные опыты повторяются П. Друде и в 1902 г. Б. Вебером. Д. Хондрос в 1909 г. Публикует первое сообщение о распространении электромагнитных волн вдоль диэлектрического стержня [75] и в 1910 г. совместно с П. Дебаем публикует вторую работу, посвященную этому же вопросу. Математическое рассмотрение вопросов, Связанных с распространением электромагнитных волн в идеально проводящих трубах, осуществлено также Л. Зильберштейном в 1915 г. Перечисленные работы, за исключением трудов Ланга, Вебера, Друде, представляли собой математические исследования. В 1933 г. интерес к волноводным устройствам резко возрастает в связи с рядом экспериментальных работ, показавших практическую целесообразность использования волноводов для передачи электромагнитных волн. Стало возможным генерировать колебания с длиной волны порядка 15 см.
Вопросы канализации электромагнитных волн, так же как и вопросы создания колебательных систем на высоких частотах, аналогичных колебательным контурам, становятся настолько актуальными, что начинает сформировываться специализация, касающаяся исследования внутренних задач электродинамики, которые связаны с расчетом волноводных устройств и резонаторов, использующихся в качестве колебательных высокочастотных систем.
26


Начиная с 1920 г. под руководством Дж. Саусворса развертываются большие экспериментальные работы в Массачузетском технологическом институте. С помощью круглого волновода диаметром 127 мм и длиной 267 м была осуществлена передача телеграфных и телефонных сигналов. Работа была закончена к 1934 г., но ее результаты опубликованы позднее [76]. Параллельно с экспериментальными работами проводится дальнейшая математическая разработка теории волноводов [77]. В 1940 г. публикуется сообщение о докладах, сделанных Саусворсом и его сотруд никами в период с 1937 по 1939 гг. в различных научных организациях. В сообщении рассматриваются волноводы как линии передачи, рупоры в качестве антенн и объемные резонаторы.
Основные вопросы электромагнитных колебаний в замкнутых механических полостях, имеющих наиболее простую геометрическую форму, были рассмотрены Я. И. Френкелем еще в 1934 г. [78]. В 1938 г. М. С. Нейман предлагает использование объемных резонаторов в качестве колебательных контуров [79]. В 1938 г. В. И. Бунимович в своей диссертационной работе исследует объемные резонаторы. В 1939 г. он публикует работу, в которой рассматривает колебания в прямоугольном параллелепипеде, цилиндрической полости и сфере. Определяется добротность таких систем, составляющие поля в резонаторе, рассматриваются свободные и вынужденные колебания, определяется входное сопротивление резонаторов. Исследование проводится в предположении независимости поля от продольной координаты. Более общее математическое рассмотрение полей в объемных резонаторах осуществляется М. С. Нейманом. Он анализирует моносферические резонаторы, используя присоединенные сферические функции, и получает решение общего вида [79]. В последующих его работах рассматриваются моноцилиндрические резонаторы, резонаторы различных тороидальных типов, и в работе, опубликованной в 1940 г., описываются экспериментальные исследования этих резонаторов. Работы Френкеля, Бунимовича и Неймана, по-видимому, являются первыми серьезными математическими и экспериментальными исследованиями в области объемных резонаторов. В дальнейшем происходит бурный рост теоретических и экспериментальных работ, посвященных внутренним задачам электродинамики.
Электродинамика движущихся тел
В электродинамике возникло еще одно, чрезвычайно важное направление. Этим направлением явилась электродинамика движущихся тел. Мы коснемся лишь самых основных моментов истории этой области, не претендуя на сколько-нибудь подробное ее изложение, ставя перед собой задачу показать все многообразие современной электродинамики.
В 1728 г. английский астроном Дж. Брэдли, ведя наблюдение звезды у созвездия Дракона, обнаружил, что он должен смещать телескоп, так как звезда в течение года описывала эллипс с большой осью, равной 20'. Брэдли высказал предположение, что это смещение вызвано относительным движением Земли и звезды. Так опытным путем было открыто явление аберрации — изменение направления светового луча за
27


счет взаимного движения источника света и наблюдателя. В 1804 г. Т. Юнг попытался объяснить аберрацию, исходя из предположения о неувлекаемом эфире. Результаты теории не совпали с опытными данными. О. Френель предположил, что плотность эфира в телах больше его плотности в окружающем пространстве и движущееся тело увлекает за собой этот избыток плотности. Это предположение также не привело к удовлетворительным результатам.
Динамика движущихся тел все более заинтересовывает физиков. Этому способствовало сообшение К. Доплера в 1842 г., указавшего, что цвет светового луча и высота тона акустических колебаний должны изменяться при взаимном движении источника и наблюдателя. В 1840 г. англичанин Дж. Стокс выступает с работой, предполагающей полное увлечение эфира движущейся Землей. Он утверждает, что только на некотором расстоянии от Земли возникает различие в скорости увлекаемого и неувлекаемого зфира и именно эта разность приводит к повороту фронта световой волны и вызывает аберрацию.
В 1859 и 1860 гг. А. Физо публикует результаты экспериментов, из которых следует, что свет увлекается движущейся средой; однако последующая проверка не подтверждает эти результаты.
В 1890 г. появилась работа Г. Герца «Об основных уравнениях электродинамики движущихся тел», в которой сказалось удивительное проникновение Герца в существо явлений. Герц указал, что в случае движения контура / интегральные уравнения Максвелла записываются в форме
ф,Н<11= - Dds+ -(j-ds,
4>.Edl = - - 4r\ B‘ds
c dt >
и соответствующие этим уравнениям дифференциальные уравнения
rotH = -
с
rotE= —
дР
dt 1 dB
+ CJ’
с dt
должны быть пополнены и представлены в следующей форме: 1 dD
rotH =
rotE= —
dt 1 dB
c dt
+ —J + —rot[D-u]H——u-divD, c c c
—rot [B-u]. c
В этой записи u — вектор скорости движения контура, u • div D — конвекционный ток, rot [D-u] —ток, вызванный движением поляризованного диэлектрика, rot [B-u] — ток. обусловленный движением вещества в магнитном поле.
Формулы Герца соответствуют экспериментальным данным. Однако в случае эфира не ясно, что считалось скоростью и и как можно объяснить существование добавочных членов. Для прояснения вопроса требовался убедительный эксперимент, существо которого было сформулировано Дж. Максвеллом. Максвелл считал, что необходимо измерить 28


значения скорости света при его распространении в направлении перемещения Земли и в обратном направлении и из этого эксперимента сделать необходимые выводы. Такой эксперимент, учитывая малую скорость движения Земли по сравнению со световой скоростью, требовал огромной точности и эта точность была достигнута А. Майкельсоном в опытах, поставленных им в 1887 г. совместно с Э. Морли. Измерения проводились многократно с последующей статистической обработкой результатов. Предложенный метод исключал неточность в изготовлении интерферометра. Однако ожидаемый результат, несмотря на все принятые меры, не был получен. Скорость движения Земли по отношению к источнику света определена не была, хотя точность интерферометра для этой цели была достаточна. Результаты опыта не были понятны. Формально возможное объяснение было предложено К. Лоренцом. Лоренц обнаружил инвариантность уравнений электродинамики Максвелла при применении к ним следующих преобразований:
х' = (х — и£)/д 1 — {u/cf ; у' = у\ z' = z\
t' = {t — их/с2)/л, 1 —(и/cf .
В этих преобразованиях, получивших название «преобразований Лоренца», X, и, z, t — координаты и время одной системы: х\ и\ z', t' — координаты и время другой системы, движущейся относительно первой системы со скоростью и; с — скорость света.
Из преобразований Лоренца следовал замечательный факт — сжатие материальных тел в направлении движения. Если длина покоящегося тела равна /о, то длина движущегося тела (при условии, что скорость ориентирована вдоль /0) должна быть подсчитана по формуле
1' = 1оЛ1-(ц/с)Г.
Формальное использование этого выражения в опытах Майкельсона— Морли объясняет отсутствие эффекта в проделанных экспериментах, однако не позволяет объяснить факт по существу дела.
Следующий шаг в прояснении возникших затруднений делает А. Пуанкаре. В 1889 г. на лекции в Сорбонне он высказал мысль о невозможности экспериментального обнаружения абсолютного движения и сказал, что это обстоятельство является принципом природы. В 1904 г. на Международном конгрессе в Сан-Луже он называет этот принцип принципом относительности, формулируя его следующим образом: «Согласно принципу относительности, законы физических явлений обязаны быть одинаковыми для неподвижного наблюдателя и для наблюдателя, который относительно него переносится равномерным движением, так что у нас нет и не может быть никаких способов отличить, уносит ли нас такое движение или не уносит» [80]. Следует заметить, что принцип относительности (разумеется, без использования и толкования преобразований Лоренца) был высказан уже И. Ньютоном. Пуанкаре не только четко сформулировал принцип относительности и дал его математическое выражение в виде преобразований Лоренца, он показал, что преобразования Лоренца формируют группу в многообразии четырех измерений.
Следующий шаг в развитии теории относительности сделан А. Эйн¬
29


штейном. В работе «К электродинамике движущихся тел», написанной в 1905 г., Эйнштейн высказывает мысль, на первый взгляд противоречащую здравому смыслу. Он утверждает, что свет всегда распространяется с постоянной скоростью, не зависящей от движения излучающего тела. Эйнштейн получает пребразование уравнений Максвелла для случая движущихся тел, лоренцово сокращение, дает теорию аберрации, получает принцип Доплера, закон изменения массы тела и многое другое.
Эйнштейн считал излишним введение не только эфира, но и каких-либо иных модельных представлений, отдавая приоритет чисто математическим преобразованиям. После работ К. Лоренца, А. Пуанкаре, Г. Минковского,
А. 	Эйнштейна, А. Зоммерфельда электродинамика движущихся тел приобрела законченную и строгую форму, в которой инвариантность уравнений Максвелла является выражением принципа относительности в электродинамическом смысле. М. Планк, П. Дирак положили начало квантовой электродинамике, о которой Пуанкаре высказался следующим образом: «Мы уже не ограничиваемся вопросом, должны ли быть изменены дифференциальные уравнения динамики, мы уже спрашиваем себя, могут ли еще законы быть выражаемы с помощью дифференциальных уравнений. И в этом-то и состоит наиболее глубокая революция, какую только переживала философия природы со времени Ньютона» [80].
Таким образом, развитие электродинамики непрерывно продолжается, и она охватывает все более широкий круг процессов, происходящих в природе. Электродинамика лежит в основе многих разделов радиотехники и, прежде всего, таких как учение о распространении радиоволн, ламповая и твердотельная электроника, квантовая радиотехника, а также теория четырехполюсников, антенно-фидерные устройства и др. В следующей главе будет рассмотрена преемственность основных положений электродинамической науки в историческом развитии знаний о распространении радиоволн в свободном пространстве, в реальном воздушном пространстве и в ионизированных слоях атмосферы.
ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭВОЛЮЦИЯ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН
Распространение радиоволн в свободном пространстве, над плоской и сферической Землей
Исследования распространения радиоволн (и в первую очередь — в приземной атмосфере) начинают свою историю с установления основных соотношений, связывающих воздействие среды и границы между средами на амплитуду и фазу любого волнового процесса. Однако наиболее близкими к проблеме распространения волн радиодиапазона были те исследования, которые касались распространения, отражения и рассеяния света. Классические формулы Френеля, связывающие пара¬
30


метры отраженной и преломленной волн с параметрами падающей волны и свойствами двух сред, разделенных плоской границей, полностью сохраняли свое значение в применении к радиоволнам как части общего диапазона электромагнитных волн, включающего и оптическое, и инфракрасное, и собственно радиоволновое излучение. Фундаментальная формула рассеяния Рэлея также применима к радиоволнам при сохранении общего требования малости рассеивающих частиц или неоднородностей среды по сравнению с длиной волны. Расчет энергии радиоизлучения в свободном или однородном пространстве не несет принципиальных отличий от соответствующих вычислительных операций в оптике.
В реальных условиях существенное влияние на процесс распространения радиоволн в атмосфере и значение напряженности поля в точке приема оказывают как земная поверхность, так и неоднородная структура атмосферы. Решение задачи о напряженности поля с учетом этих особенностей трасс распространения радиоволн связано со значительными трудностями. Преодоление этих трудностей уже в начальный период истории радиотехники явилось одной из самых актуальных проблем.
Закономерности распространения радиоволн не могли, конечно, оставаться без внимания основоположников радиотехники, и прежде всего создателя радиосвязи А. С. Попова. Уже при первых опытах он заметил ослабление принимаемого поля радиоволн при экранировании источника, а затем высказал предположение о влиянии земной поверхности на процесс распространения радиоволн в приземной атмосфере. Однако возникновение учения о распространении радиоволн следует отнести не к разрозненным и попутным наблюдениям, а к целенаправленным усилиям создать теоретические основы и получить экспериментальные данные, относящиеся к этой существенной части процесса передачи и приема радиосигналов. Решение этой задачи приобрело первостепенное значение в годы, непосредственно следовавшие за появлением радио. Практики-радисты принимали сигналы радиостанций на все более протяженных трассах. Все выше поднимались антенны, увеличивалась длина волны в соответствии с выводами теории дифракции, усиливалась и совершенствовалась приемопередающая аппаратура, а с какой закономерностью все это отражалось на уровне поля и его вариациях в точке приема — оставалось неясным. Способ теоретического обоснования этой проблемы был один — решение уравнений теории поля для заданных источников поля и .граничных условий. В такой постановке эта задача до последнего времени рассматривается в научной литературе и учебно-лекционных курсах .как раздел математической физики, характеризующийся особой актуальностью в связи с острой потребностью в теоретических основах расчета линий радиосвязи.
Первая попытка создания строгой теории распространения радиоволн в сформулированной выше постановке была предпринята немецким физиком И. Ценнеком в 1907 г. [1]. Ценнек руководствовался математическим подходом, поставив целью решение уравнений электромагнитного поля (уравнений Максвелла), описывающих поведение поля вдоль поверхности раздела однородной атмосферы, принимаемой приближенно за вакуум, и однородной Земли, электрические свойства которой характеризуются диэлектрической проницаемостью е. Из физи¬
31


ческих соображений следовало, что таким решением должно быть аналитическое выражение для волны, распространяющейся вдоль поверхности раздела. Поставив перед собой вопрос о существовании волны, которая, удовлетворяла бы граничным условиям на поверхности раздела и имела бы вид Е ~ ea*+ß!/, где х и у — поверхностные координаты, Ценнек ответил на него утвердительно: волна такого типа (т. е. поверхностная волна) существует, поскольку представляет решение уравнений Максвелла. Параметры а, ß и отношение Ех/Еу имеют определенные для рассматриваемых сред значения. «Волнами Ценнека» в течение ряда лет объясняли проникновение излучения за пределы радиогоризонта, в область, где прием прямой волны был невозможен, а радиосвязь все же действовала с неизменной и вполне удовлетворительной для тех времен надежностью.
«Волны Ценнека» были приняты за строгое решение задачи, объясняющее характер изменения поля радиоволн в зависимости от расстояния, особенно после математического анализа этой проблемы А. Зом- мерфельдом, который в 1894 г. получил строгое решение задачи оптической дифракции на бесконечной полуплоскости, а в 1909 г. развил теорию излучения вертикального диполя над поверхностью Земли [2].
В отличие от исходных предпосылок Ценнека Зоммерфельд обратился к задаче о поле вертикального диполя, находящегося на плоской поверхности раздела двух однородных сред. Решение Зоммерфельда вошло в классическую теорию распространения радиоволн и до середины 30-х годов рассматривалось как строгое подтверждение концепции Ценнека, но с существенным дополнением, состоящим в том, что составная часть поля в виде поверхностных волн сопровождается слагаемыми из двух пространственных волн — для атмосферы и Земли соответственно. И именно эти волны следовало считать характерными для распространения в каждой из двух сред в отдельности. В постановке задачи Ценнеком существенная черта рассматриваемого физического явления — связь искомого поля с источником излучения была совершенно обойдена, в решении же Зоммерфельда она заняла основное место, но не поколебала общепринятость концепции поверхностной «волны Ценнека» как объяснения возможности распространения радиоволн вдоль Земли на значительные расстояния.
Первый этап в аналитическом рассмотрении задачи об излучении диполя состоял в расчете его поля для случая, когда окружающая среда однородна. Тогда предстояло .найти решение волнового уравнения с правой частью — задача, уже рассмотренная с позиций чистой математики М. Абрагамом. Поэтому для теории распространения радиоволн нужно было взять это решение в применении к вектору Герца элементарного излучателя.
Напряженность поля в направлении максимума излучения в зависимости от параметров сферы и диполя определяется выражением
E = 60nIL-10_6 / (гХ) ,
где Е — напряженность поля, В/м; / — ток, A; L — длина диполя; г — расстояние от диполя; X — длина волны, м.
Таким образом, поле пропорционально току в диполе (или антенне,
32


рассматриваемой приближенно как диполь) и отношению 1/Х, т. е. при заданной длине антенны / поле тем больше, чем короче X. Такой результат решения задачи о поле элементарной антенны, полученный в предположении /< <Х, не отвечал на вопрос о закономерностях распространения радиоволн на приземных трассах, особенно с учетом сферичности Земли. Отсутствие приемлемых теоретических результатов требовалось восполнить отысканием эмпирических закономерностей. Поэтому для расчета линий радиосвязи Л. Остин в 1911 г. предложил полуэмпири- ческую формулу [3], из которой следовало, что напряженность поля в точке приема повышается с увеличением длины волны передатчика:
Е= 120я—e“ßr/r, гХ
где /, /, г означают те же величины, что и в предыдущей формуле, a ß и п — эмпирические коэффициенты. Закономерность, устанавливаемая этой формулой, подтверждалась в области низких частот, что укрепляло сложившееся тогда убеждение в бесперспективности применения коротких волн и в практической ценности перехода на все более длинные волны.
Сложившееся отношение между имеющимися теоретическими результатами и данными практики настойчиво выдвигало на первый план решение задачи о существенном влиянии на уровень поля границы между Землей и атмосферой.
Для плоской идеально проводящей Земли задача решалась весьма наглядным способом, основанным на элементарных положениях теории электромагнетизма. Рассматривался классический диполь в виде попеременно меняющихся местами зарядов, расположенный над идеально проводящей Землей на высоте h. Он служил вертикальной антенной (рис. 1). Предполагаемая идеальной проводимость Земли требует, чтобы тангенциальная составляющая электрического поля равнялась нулю. Следовательно, диполь может создать лишь такое электрическое поле, у которого при z = 0 существует только вертикальная компонента. Такое граничное условие удовлетворялось введением геометрически зеркального отражения диполя при сохранении знаков зарядов. Тогда в любой точке А на поверхности г — 0 результирующая будет перпендикулярна поверхности.
Горизонтальное расположение диполя можно также с помощью отражения привести к тому, что тангенциальная компонента поля исчезает (рис. 2).
Таким образом, добавление «зеркального» диполя равносильно устранению проводящей поверхности, и поле в любой точке В есть поле двух диполей.
В решении задачи о поле диполя над Землей с заданными диэлектрической проницаемостью е и проводимостью ô А. Зоммерфельду принадлежит идея, положенная в основу последующих расчетов, об интегральном представлении первичного возбуждения. При решении этой задачи оказалось возможным представить функцию поля (вектор Герца) в виде суперпозиции собственных функций задачи о колебаниях воздушной массы внутри кругового цилиндра. Математически это означало представ-
2 Зак. 1249
33


Рис. 1. Метод зеркального изображения для вертикального диполя
Рис. 2. Метод зеркального изображения для горизонтального диполя
ление функции в виде контурного интеграла с функцией Ганкеля. Помимо описания зависимости поля от расстояния, решение должно было обеспечить выполнение так называемых «условий излучения», вводимых из физических соображений о стремлении излученного поля к нулю при удалении точки наблюдения на бесконечно большое расстояние от антенны.
Размещение вертикального диполя на высоте h над поверхностью Земли (2 = 0) делило всю область излучения на три зоны: воздушное пространство {z> 0), слой воздуха (/г> -г> 0) и Земля (z<0). В первой и второй зонах существовало первичное и вторичное излучение; последнее — вследствие индуцированных в почве токов.
Введение граничных условий в виде непрерывности тангенциальных компонент векторов Е и Н на границе раздела двух сред позволило получить интегральное представление вектора Герца для данной точки пространства над поверхностью Земли. Вычисление интеграла в плоскости комплексного переменного привело к трем составным ча¬
34


стям, определяемым путями интегрирования в соответствии с общей теорией функций комплексного переменного.
Фундаментальные теоретические исследования Зоммерфельда получили дальнейшее инженерно-практическое развитие в трудах известных радиофизиков Г. Вейля [4], М. В. Шулейкина [5] и Б. Ван-дер-По- ля [6]. Идея Вейля и ряда последующих исследователей состояла в том, что все поле излучателя, помещенного над Землей, нужно считать комплексом, состоящим из пучка плоских волн, пучка отраженных волн и пучка преломленных волн. Каждой падающей плоской волне соответствуют волна отраженная и волна, преломленная в соответствии с законами Френеля. Налагая на пучки волн граничные условия и переходя к сферическим координатам, Вейль получил выражение для вектора Герца в атмосфере, которое даже в приближенном виде оказалось весьма громоздким, но для приподнятого диполя (в обработке Дж. Стретта) не включало интегральных операторов и цилиндрических функций.
Исходя из теории Зоммерфельда, Шулейкин в 1932 г. пришел к расчетной формуле для напряженности поля радиоволн в месте приема, считая Землю плоской, но имеющей заданные электрические параметры. Антенны, как передающая, так и приемная, в выводах Шулейкина считались расположенными вблизи земной поверхности. Формула Шулейкина во многом предвосхитила аналогичную формулу Ван-дер-Поля, полученную в 1931 г.
Исследования Ван-дер-Поля были направлены на преобразование формулы Зоммерфельда и приведение ее к приближенному соотношению. Расчеты, в основном, сводились к исследованию частного случая
е2 + (4л<т/а))2> > 1,
где e — диэлектрическая проницаемость, а — проводимость, со — частота. Это неравенство соответствует либо е> > 1 (например, вода), либо а/со> >> 1 (хорошая проводимость Земли, морская вода, длинные волны). Условие (4ла/со2> > 1 справедливо даже для ультракоротких волн (УКВ) и морской воды, а при более длинных волнах — для многих типов почвы. Закономерен интерес исследователей к анализу полученных соотношений при этих условиях.
Закон убывания напряженности поля с ростом расстояния при малых г почти не отличается от Г/г, а при больших — от 1 /г2. Из принятого условия, в частности, следовало, что длинные волны на одинаковом расстоянии дают большее поле, чем короткие.
Большую роль в развитии учения о распространении радиоволн в однородной атмосфере сыграли фундаментальные исследования Б. А. Введенского, относящиеся к 20—40-м годам.
В 192 Ь г. В. А. Введенским и А. И. Данилевским было замечено, что при работе на детекторный приемник напряженность поля ультракоротких (метровых) волн весьма быстро убывает с расстоянием, что не подтверждало существовавших в то время теоретических соотношений [7].
Введенский и его сотрудники уже в те годы установили также эмпирическую зависимость
E = khZI,
35


где Л и Z — высота антенны, / — ток в передающей антенне, k — коэффициент пропорциональности, значение которого было определено в последующих расчетах.
Дальнейшие опыты, выполненные при небольших поднятиях антенн, позволили вскоре уточнить формулу:
E = k'hZI/r\
Введенский Борис Алексеевич (1893—1969)
т. е. установить квадратичную зависимость напряженности поля от расстояния между пунктами приема и передачи. Полученная в это же время теоретическая формула Эккерслея [8] для случая вертикального диполя над плоской Землей имела сложный вид и была мало пригодна для практических расчетов. Применение формулы в преобразованном и значительно упрощенном, в соответствии с условиями эксперимента, виде давало более существенное совпадение теоретических и опытных данных. Однако эта формула все же не могла удовлетворить ни исследователей, ни практиков-связис- тов. Ее ограниченность была показана Б. А. Введенским [7, 9J, подчеркнувшим необходимость дальнейшего развития теории на основе экспериментальных данных о зависимости напряженности поля передающей антенны от расстояния [10]. Типичным примером таких данных явились измерения поля вертикального вибратора, поднятого над морской поверхностью на высоту 1,3 м, выполненные в 1932 г. [11]. При удалениях до 2,5—3 км от вибратора были зафиксированы существенные расхождения результатов расчетов по формуле Зоммерфельда с данными эксперимента. Выполненный Введенским учет интерференции прямого луча и луча, отраженного поверхностью, привел к устранению этих расхождений. На рис. 3 линия 1 построена по формуле Зоммерфельда, а 2 — по экспериментальным данным (А, = 10,35 м) и совпадающим с ним результатам теоретических расчетов с учетом интерференции.
Для описания лепесткорой структуры поля в вертикальной плоскости в «отражательную» (квадратичную) формулу Введенского была введена синусоидальная зависимость напряженности поля от отношения разности хода А г прямого и отраженного лучей к длине волны. Лепестковая структура поля в вертикальной плоскости обнаруживалась, например, при измерениях поля аппаратурой, размещенной на горизонтально летящем самолете (рис. 4). Для приземных измерений формуле Введенского в 1928 г. был придан вид, обеспечивший ей широкое инженерное применение для трасс прямой видимости в пре-
36


Р и с. 3. Напряженность поля (в условном логарифмическом масштабе) поднятого вертикального вибратора при горизонтальном полете / — теоретическая кривая, 2 — экспериментальная
Рис. 4. Лепестковая структура поля в вертикальной плоскости а — прямой и отраженный лучи, б — примеры распределения поля
делах первого лепестка излучения: 173 V^D 4jtZ,Z2
где Р£ — излученная мощность, D — коэффициент направленного действия антенны, X—длина волны, Z\ и Z2 — высоты передающей и приемной антенн, г — расстояние до приемника.
В 1934 г. вышла монография Б. А. Введенского [И], впервые в мировой литературе отразившая все аспекты учения о распространении радиоволн в однородной атмосфере.
Дальнейшее развитие теории распространения радиоволн вдоль земной поверхности связано с работами советского физика-теоретика
В. 	А. Фока. Анализируя решение Зоммерфельда, Фок пришел к выводу о том, что концепцией поверхностных волн нельзя объяснить распрост¬
37


ранение радиоволн вдоль земной поверхности [12]. Он указал на ошибку Зоммерфельда, допущенную при вычислении одного из интегралов решения задачи об излучении вертикальной антенны над плоской Землей: знаменатель подынтегрального выражения представлял быстро меняющуюся величину, которую нельзя считать постоянной и выносить за знак интеграла, как это сделал Зоммерфельд.
В связи с критическим анализом расчетов Зоммерфельда распространилось убеждение в полной нереальности поверхностных волн как физического явления, сохранявшееся до появления практического использования поверхностных волн в технике СВЧ [13].
В действительности же ошибка Зоммерфельда заключалась не в аналитическом подходе к решению задачи, а в том, что в выражении, полученном им для вектора Герца в виде суммы трех интегралов, он считал главным членом интеграл, соответствующий поверхностной волне.
В исследовании процесса распространения радиоволн вдоль земной поверхности возникали трудности при формулировании граничных условий. Зоммерфельд для плоской границы пользовался непрерывностью тангенциальных компонент Е и Н плоской волны, но распространение соотношений, связывающих Е и Я в плоской волне, на неплоские границы раздела и неплоские волны требовало анализа, обоснования и установления рамок применимости. Эта задача, весьма существенная для теории распространения радиоволн, была успешно решена в 40-х годах А. Н. Щукиным [14] и М. А. Леонтовичем [15], которые обосновали возможность применения приближенных граничных условий к задачам о распространении радиоволн вдоль земной поверхности. Эти условия основываются на том, что при большой комплексной диэлектрической проницаемости Земли длина волны в ней будет мала, так что внутри Земли приближенно выполняются условия применимости геометрической оптики. Приближенно полагая постоянным поле на расстояниях порядка длины волны от поверхности, можно считать, что внутри Земли от поверхности по нормали к ней распространяется плоская волна, т. е. внутри Земли у поверхности компоненты Е и Н связаны соотношением, характеризующим плоскую волну.
Работа по расчету поля над плоской Землей традиционно рассматривалась исследователями как один из первых шагов на пути к решению более сложной, но актуальной проблемы учета кривизны земного шара и влияния атмосферы.
Начальный этап решения этой проблемы состоял в развитии теории дифракции и применении ее к задачам распространения радиоволн над земной поверхностью на расстояния, превышающие дальности до горизонта. Дифракция электромагнитных волн на шаре математически строго была решена еще до практического применения радиоволн в условиях их распространения у земной поверхности. Дифракция волн, длина которых соизмерима с размерами сферы, была подвергнута строгому анализу в 1908 г. в трудах немецкого математика Г. Ми [16]. В последние десятилетия его расчеты нашли применение в лазерной технике и технике миллиметровых волн для описания процесса взаимодействия когерентного оптического и миллиметрового излучения с частицами воды в облаках, дождях и туманах. Теория Ми справедлива и для самого слож¬
38


ного случая — соизмеримости длины волны и размеров тела, на котором происходит дифракция. Рассеяние излучения частицами, размер которых меньше длины волны, стало объектом классических исследований Дж. Рэлея, результатом которых явилась известная формула для интенсивности рассеяния, пропорциональной четвертой степени частоты падающего излучения.
В 20-е же годы проблемы развития радиосвязи потребовали создания методов расчета напряженности поля за горизонтом, т. е. решения задачи дифракции волн на сфере с размерами, существенно превышающими длину волны. Ясно, что решение этой классической задачи дифракции имело целью получение соотношений инженерно-расчетного характера.
Основой теории дифракции радиоволн на шарообразной земле следует считать базирующийся на работах А. Пуанкаре, Г. Марха и других исследователей математический анализ проблемы, выполненный Дж. Ватсоном в 1919 г. [17, 18]. Электродинамическая задача решалась для идеализированной схемы: огромный гладкий шар с заданной проводимостью его вещества и радиоволна, длина которой соответствовала генераторам того времени, т. е. относилась к длинным волнам. Она на 3—4 порядка была меньше размеров шара. В такой постановке строгие решения задачи были известны и до Ватсона, но практическая применимость их была под существу исключена: решения получались в виде рядов, настолько медленно сходящихся, что число членов, нужных для количественной оценки, достигало огромного значения — удвоенного числа волн, укладывающихся на окружности земного шара. Простое суммирование было поэтому невозможно, и требовались поиски новых путей вычисления. Ватсон преобразовал сумму членов ряда в интеграл, доступный приближенному вычислению. Для расчетов поля можно было ограничиться одним членом и получить приближенную формулу.
Соотношения, относящиеся к 1918—1923 гг., и метод их получения допускали дальнейшее развитие с учетом конечной проводимости почвы. Расчеты показали, что при конечной проводимости и для больших значений X и о ослабление поля с расстоянием и зависимость скорости этого ослабления от длины волны остаются теми же самыми, что и для случая бесконечной проводимости [И].
В теории дифракции радиоволн, сформировавшейся к 1923 г., рассматривались проблемы распространения волн без учета влияния атмосферы. Поэтому выводы дифракционной теории были весьма далеки от практики. Например, теория предсказывала, что ослабление поля на расстоянии 10 000 км для двух волн длиной 8000 и 27 м должно отличаться в 1046 раз. Опыт же показывал, что поля на этих волнах имели приблизительно одинаковый уровень. Столь разительное противоречие требовало поиска новых подходов к проблеме.
Дифракцию волн стали рассматривать одновременно с их рефракцией в атмосфере. Однако простейшая попытка учета кривизны Земли введением «приведенных» высот антенн [19] не привела к удовлетворительным результатам и была заменена учетом рефракции волн в тропосфере при помощи концепции «эквивалентного» радиуса Земли и при¬
39


менения методов дифракции Френеля. Но и эти попытки не объясняли опытные данные.
Для дальнейшего развития теории распространения радиоволн в атмосфере нужны были новые знания в области электродинамических свойств атмосферы и теории дифракции. Исследования пошли по двум направлениям: изучение рефракционно-дифракционных явлений в приземных, тропосферных областях атмосферы и исследование нового довольно неожиданного механизма отражения волн ее верхними слоями — ионосферой, обеспечивающего дальний прием слабых сигналов.
Распространение коротких радиоволн в ионосфере
Низкая способность коротких радиоволн огибать кривизну Земли и не проникать сколь-нибудь заметно за пределы горизонта создавала им до 20-х годов нашего века репутацию диапазона, не пригодного для дальней связи. Глубокий интерес к новому средству обмена информацией охватил в 20-е годы широкие круги специалистов и радиолюбителей. О начальных шагах освоения коротких волн было кратко рассказано в первой книге («Зарождение радиотехники»), где подчеркивалось, что радиолюбительское движение, едва возникнув, ознаменовалось фундаментальным открытием: коротковолновая радиосвязь, осуществленная передатчиками мощностью в единицы ватт, возникала и держалась устойчиво в течение заметного времени на дальностях, недоступных радиостанциям, работающим в диапазоне длинных волн, хотя потребляемая ими мощность достигала сотен киловатт. Ученым предстояло незамедлительно откликнуться на это новое явление и сопоставить с ним существующую теорию распространения радиоволн вдоль земной поверхности.
Еще в начале 1900-х годов возникла мысль о том, что верхние слои атмосферы могут обладать электрическими свойствами, влияющими на прохождение радиоволн. Впервые эта мысль была высказана в 1902 г. независимо А. Кеннели [20] и О. Хевисайдом [21]. Проводящий гипотетический слой атмосферы получил в те годы название слоя Кеннели — Хевисайда.
В 1912 г. У. Икклзом [22] была предпринята попытка теоретически объяснить рефракцию радиоволн в проводящем слое атмосферы, но о структуре и параметрах этого слоя никаких опытных данных тогда не существовало. Однако сама постановка этой задачи свидетельствовала о необходимости теоретического и критического объяснения процесса распространения радиоволн в атмосфере. К тому времени относятся и первые попытки определить высоту отражающего слоя. Высказываются предположения [23], что в 1912 г. Л. де Форест выполнил экспериментальные исследования при помощи дугового передатчика и обнаружил, что высота отражения составляет приблизительно 100 км.
Накапливаемый опыт радиосвязи на коротких волнах показал, что принимаемое поле было изменчиво: оно зависело от длины волны, времени суток и сезона, от расстояния и географических параметров трассы. Отсюда следовал вывод о сильной изменчивости отражающего слоя. Бесспорным доказательством его существования явились факты обра-
40


зования «мертвых зон» на трассах, где прием резко затухал или прекращался, восстанавливаясь за пределами зоны (рис. 5). Простое геометрическое построение картины отражения при известных расстояниях и размерах «мертвых зон» позволяло найти высоту отражения, и она оказывалась, как правило, большей, чем 100 км, но не превышала 250—300 км.
Таким образом, в 20-е годы возникают два основных взаимосвязанных направления исследований в области распространения коротких волн: во-первых, изучение закономерностей их распространения в зависимости от экспериментально выявленных свойств отражения и, во- вторых, исследование физических
процессов возникновения и вариаций Хевисайд Оливер
атмосферных слоев, обладающих (1850—1925)
проводимостью.
Обнаруженная зависимость отражающих свойств слоя Кеннели— Хевисайда от времени суток, а следовательно — от освещенности атмо^ сферы Солнцем, не оставляло сомнений в том, что проводимость воздуха есть следствие воздействия солнечного излучения на газовые молекулы. Физические исследования уже установили к тому времени способность ультрафиолетового излучения ионизировать молекулы атмосферных газов, т. е. отрывать от них электроны и образовывать новые состояния вещества — смесь нейтральных частиц, ионов и электронов, получившую в физике название «плазмы». Появление свободных заряженных частиц в этом состоянии вещества и есть процесс превращения воздуха в среду, обладающую электрической проводимостью. Было ясно, что верхняя атмосфера подвержена этому превращению под действием солнечного излучения. Возникло новое, впоследствии укоренившееся название этой области воздушного океана,— ионосфера.
В 1924 г. Дж. Лармор [24] предпринял попытку теоретически объяснить отражательные свойства ионосферы, изменив расчеты У. Ик- клза. В отличие от предположений Икклза, Лармор рассматривал верхнюю атмосферу как среду, подобную диэлектрику, а не проводнику и носителями зарядов, определяющих взаимодействие с волной, считал электроны, а не ионы. Теория Лармора в применении к ограниченному диапазону волн сохраняет свое значение и до нашего времени.
Начало систематических исследований ионосферы относится к середине 20-х годов, когда в 1925 г. Э. Эпплтон убедительно показал [25], измеряя углы прихода радиоволн, что они соответствуют отражению излучения от слоя, находящегося на высоте около 150—200 км.
41


Рис. 5. Траектория волны при наклонном падении на ионосферу
1 — пункт передачи, 2 — ионосфера, 3 — пункт приема, 4 — мертвая зона
Эпплтон применял в своих исследованиях интерференционный метод вариации частоты излучения, но в том же 1925 г. Дж. Брейт и М. Тьюв [26] предложили более совершенный метод импульсного зондирования, заключающийся в посылке коротких радиосигналов и измерении времени их распространения от передатчика до отражающего слоя и обратно. Это было качественным скачком в экспериментальном изучении ионосферы.
Интересно, что многие теоретические вопросы, связанные с получением сведений о параметрах ионосферы по результатам ее зондирования, были развиты еще до окончательного опытного доказательства существования ионосферы. В связи с этим отметим М. А. Шулейкина, который внес значительный вклад в развитие многих направлений радиотехники. Он одним из первых разработал теоретические основы распространения радиоволн в.ионосфере. В 1922—23 гг. он развивает теорию дисперсии в однородной ионизированной поглощающей среде—верхних слоях атмосферы. Анализируя физические процессы в атмосфере, он приходит к выводу о неизбежности ионизации воздуха под действием ряда факторов, таких как ультрафиолетовое излучение и потоки заряженных частиц (ионов и электронов) от Солнца, космическое корпускулярное излучение и радиоактивность земных минералов. Исходя из известного в физике аналитического выражения для числа ионов, имеющих определенное время между столкновениями, он получает формулу диэлектрической проницаемости (а следовательно, показателя преломления) ионизированного газа. Он находит также коэффициенты распространения и поглощения волн в ионизированной среде, определяет значение фазовой скорости. И все это — задолго до аналогичных результатов, полученных зарубежными исследователями. Дисперсионные формулы, устанавливающие зависимость найденных характеристик распространения радиоволн от их частоты, были развиты Шулейкиным с целью получения уравнений траектории радиолучей в ионизированной атмосфере. При этом задавался закон изменения показателя преломления с высотой, который Шулейкин представил в виде степенной функции с показателем, имеющим для численных расчетов два значения: 1 и 2. Глубокое убеждение .в определяющей роли отражающего слоя атмо¬
42


сферы для дальних связей Шулейкин подтвердил детальным теоретическим анализом.
Теория взаимодействия радиоволн с ионизированной средой привела к фундаментальному выражению для ее диэлектрической проницаемости (без учета столкновений частиц) :
е = 1 — e2N / (e0mcD2),
где N — число электронов в единице объема, е — заряд электрона, е0 — диэлектрическая проницаемость вакуума (электрическая постоянная), т — масса электрона, со — циклическая частота падающей волны.
Частота, для которой диэлектрическая проницаемость обращается в нуль, получила название «критической». Обозначив ее сос, получаем, что
соc — e2N /(e0m).
Эпплтон Эдвард (1892—1965)
Как известно, показатель преломления среды равен л[г. Следовательно, при частоте сос показатель преломления ионосферы обращается в нуль.
На основании этого был предложен способ определения такой граничной (критической) частоты, выше которой распространение возможно, а ниже — проникновение радиоволн в ионосферу прекращается и происходит их отражение от ионизированного слоя. Для этого излучающая радиостанция должна посылать радиоволны, меняя их частоту. При низких частотах (длинноволновая часть диапазона коротких волн) на экране осциллографа наблюдается отраженный сигнал, и определяется высота отражающего слоя. С повышением частоты можно наблюдать за изменением положения отраженного импульса на осциллограмме и зафиксировать ту частоту, при достижении которой отражения не происходит: волна пронизывает ионосферу.
Для ионосферных измерений начиная с 1925 г. в ряде технически передовых стран, в том числе в СССР, создаются ионосферные станции, ставившие целью систематическое импульсное зондирование ионосферы и определение критических частот с тем, чтобы давать рекомендации в выборе частот для работы коротковолновых линий связи. В начале 30-х годов появляются первые автоматические ионосферные станции [27].
В 1924 г. в СССР были исследованы условия коротковолновой связи Нижегородской радиолаборатории с Ташкентом [28], в 1925 г. была построена коротковолновая станция в Томске, ставшая базой создания в 1932 г. В. Н. Кессенихом и Н. Д. Булатовым одной из первых ионосфер¬
43


ных станций в Советском Союзе [29]. К 1933 г. М. А. Бонч-Бруевичем при помощи импульсного метода был обнаружен слой повышенной ионизации на высотах менее 100 км [30].
В первые годы работы ионосферных станций характеристики ионосферы строились как полученные по осциллографическим измерениям графики зависимости высот отражения от частоты (рис. 6). В 30-х годах получает распространение предложенный Н. Д. Булатовым [31] панорамный метод снятия ионограмм, когда на экране высвечивается сама картина отражения.
Исследователи обнаружили сложную и меняющуюся по времени суток и сезонам картину: волны отражались от нескольких слоев, часть которых иногда существовала, а иногда пропадала; высоты их, сохраняя некоторый средний уровень, варьировались. При приближении к критической частоте фиксируемые осциллограммой высоты резко увеличивались, неизменно возникали явления раздвоения, а иногда и утроения отраженного сигнала, полоса засветки иногда расплывалась — и это далеко не полный перечень особенностей отражения радиоволн от ионосферы.
Разнообразие состояний верхней атмосферы отражалось на структуре высотно-частотных характеристик. Назрела задача их классификации и сопоставления типа ионограммы с условиями связи. К концу 30-х годов накопленный опыт зондирования ионосферы позволил В. Н. Кес- сениху, Н. Д. Булатову, А. И. Лихачеву установить, что основные черты ионограмм можно представить в виде 32 типов [32] (сведенных впоследствии путем объединения и упрощения к восемнадцати).
Упрощенное представление о ионосфере как отражающем слое не могло объяснить разнообразие его проявлений. Первые же опыты по зондированию ионосферы привели к обнаружению более сложной ее структуры, чем предполагалось вначале: была установлена ее много- слойность. В 1927 г. Э. Эпплтон обнаружил при наблюдениях в ночное время второй слой, помимо известного, расположенного на высоте около 100 км. Новый слой оказался более высоким: по измерениям Эпплтона он находился на высоте 240 км. Освоение коротких волн в 30-е годы шло настолько интенсивно, что число коротковолновых радиостанций, не считая радиолюбительских и военных, достигло к 1940 г. во всех странах уже 28 407 [33]. Ионосферные наблюдения позволили на основании данных об отражении радиоволн сформулировать фундаментальные положения о структуре ионосферы. Прежде всего было определено число ионосферных слоев и установлено, что, по существу, речь должна идти не о слоях, а о четырех максимумах концентрации электронов на разных высотах. Их существование варьировалось по времени суток и сезонов. Максимумы концентрации электронов на высотах около 100 км и около 250 км, обладающие наибольшим постоянством, получили соответственно названия областей Е и F. В дневные часы возникают еще два слоя: на высоте около 60 км, назвйнный слоем D, и слой F2y получившийся как бы в результате раздвоения области F на слои F\ и F2. На рис. 7 представлена (схематически) структура ионосферы (изменение концентрации электронов с высотой) в ее относительно регулярном состоянии. Такая ионосфера называется спокойной или невозмущенной.
44


/
Рис. 6. Высотно-частотная характеристика ионосферы
О — обыкновенная компонента радиоволны, х — необыкновенная
Р и с. 7. Структура невозмущенной ионосферы в различные сезоны и время суток а — летний день, б — зимний день, в — ночь (лето и зима)
Одной из особенностей распространения радиоволн в ионосфере является зависимость процесса распространения от силовых линий магнитного поля Земли. Задача о распространении волн в ионизированной среде в присутствии магнитного поля значительно усложнилась. Среда распространения радиоволн приобретает свойства анизотропии, т. е. ее воздействие на радиоволну зависит от направления распространения. В применении к ионосфере это явление получило название «магнитоионного эффектам Основы магнито-ионной теории изложил в уже упомянутом лекционном курсе М. В. Шулейкин [5]. В 1925 г. Э. Эпплтон [34] и другие исследователи [35] проанализировали влияние магнитного поля Земли на распространение радиоволн в ионосфере. В результате этих и многих последующих исследований было установлено теоретически и подтверждено экспериментально, что в ионосфере Земли радиоволна расщепляется на две компоненты аналогично тому, как световой луч в кристаллах исландского шпата разбивается на два луча, называемых в оптике «обыкновенным» и «необыкновенным». Более полный анализ этого явления и получение магнито-ионной дисперсионной формулы относятся к 30-м годам [36].
По аналогии с оптикой расщепленные два луча в ионосфере получили названия «обыкновенный» (обозначается индексом «о») и «необыкновенный» (обозначается индексом «х») (см. рис. 6). Это явление было объяснено тем, что электрический вектор поля может быть разложен на два вращающихся вектора — правый и левый (поляризация), а взаимодействие волн с правой и левой поляризацией электрического вектора в среде с магнитным полем неодинаково.
Высотно-частотные характеристики определяют структуру ионосферы только осредненно. Их наблюдаемое разнообразие свидетельствовало о весьма сложных процессах ионизации и распределения электронной плотности по высоте. Потребовалось создание теории ионизации и возникновения максимумов электронной концентрации, наблюдаемых в экс¬
45


перименте. В 1930 г. С. И. Крючков, сотрудник Д. А. Рожанского, посвятил свои теоретические исследования физическому процессу ионизации верхней атмосферы [37], а годом позже на основании ряда предварительных исследований анализ этого процесса дал С. Чепмен [38].
Исследования этих авторов, впоследствии развитые во многих работах, объясняли суточный ход ионизации в атмосфере в условиях ее невоз- мущенности. Ионизирующим фактором считалось ультрафиолетовое излучение Солнца. Созданная теория получила название теории простого слоя Крючкова—Чепмена. В ее основе лежит решение уравнений баланса ионизации, т. е. процессов образования ионов и рекомбинации ионов и электронов под действием ионизирующего излучения Солнца. Построение более общей теории даже в настоящее время затруднено из-за отсутствия исходных данных, поэтому теория простого слоя является лишь первым приближением в математическом описании ионизации верхней атмосферы. Прежде всего необходимо было знать распределение нейтральных частиц по высоте. В теории простого слоя эта зависимость взята в виде' барометрической формулы для некоторой постоянной температуры и одного сорта ионизуемых частиц. В последующем теория была усложнена введением высотного хода температуры. Несмотря на ее ограниченность теория ионизации в ее первоначальном варианте была все же значительным шагом вперед в понимании физических процессов в атмосфере на больших высотах. В сочетании с экспериментальными данными она позволяла получать основные сведения о плотности нейтральных частиц, температуре, влиянии сферичности Земли и других свойствах ионосферы. Теория позволяла получить выражение для скорости образования пар ионизированных частиц в зависимости от высоты, угла склонения Солнца и времени. Из рис. 8, где показан результат расчета ионизации для различных угловых высот Солнца, видно, что теоретическая кривая несимметрична. Заметим, что последующие измерения профиля концентрации (вплоть до применения ракетной техники) дали подтверждение этой особенности профиля, предсказанной теорией.
Для практических расчетов прохождения радиоволн в ионосфере необходимо было знать вертикальный профиль ионизации. Этой задаче было посвящено немало теоретических усилий. Они вошли в историю ионосферных исследований в виде моделей слоев ионосферы, носящих имена предложивших их авторов, или названия, определяемого видом аппроксимирующей кривой (например, слой Эпштейна, параболический слой и др.). Конечно, ценность каждой модели выявлялась экспериментом, но динамичность моделируемой среды до сих пор затрудняет выбор аппроксимации. По-видимому, даже для усредненных условий модели должны быть привязаны к пространственным и временным характеристикам атмосферы.
Сравнение теоретических выводов с данными ионосферных станций показало, что если для слоев Е и F\ в спокойных условиях зависимость ионизации определяется угловой высотой Солнца, то суточные и локальные вариации в слое F2, играющем основную роль в распространении коротких волн, обнаруживают такое разнообразие изменений, что согласие с теоретическим прогнозом отсутствует почти полностью. Уже в 30-х годах наблюдения за изменением ионизации слоя обнаружили загадочный
46


Р и с. 8. Зависимость количества возникающих электронов Q (отнесенного к Qmax) от высоты h (отсчитываемой в условных единицах от высоты максимума) для различных угловых высот Солнца
результат: максимум электронной концентрации в слое F2 зимой достигался вскоре после полудня, летом же сдвигался на время, близкое к заходу Солнца. Кроме того, летний максимум был определенно меньше зимнего вопреки зависимости от угловой высоты Солнца, имеющей значительно большие значения летом (рис. У; на рисунке восход Солнца обозначен пунктирной линией, заход — штрихпунктирной). Еще большую загадочность представляло (и представляет до настоящего времени) появление слоя с интенсивной ионизацией на высоте слоя Е (около 100 км), называемого E-спорадический.
В 30-е годы была выявлена существенная роль слоя F2 в обеспечении связи на коротких радиоволнах. Увеличение числа ионосферных станций, разбросанных по всему миру, привело к выводу, что появление этого слоя в глобальных масштабах не может быть описано простой моделью. Распределение электронной концентрации по географическим координатам отличается обилием аномалий. Значительно позднее, уже в послевоенное время, усилиями большого числа исследователей проводились глобальные синхронные исследования ионосферы (в период Международного геофизического года). Было показано, что магнитное поле Земли и приливные волны в атмосфере во многом определяют распределение электронной плотности на высотах слоя F2.
Слои F и Л, ионизация которых определяется положением Солнца, обладают более высокой концентрацией электронов по сравнению со слоем D. Они расположены на высотах с меньшей плотностью атмосферного воздуха и, следовательно, с меньшей частотой столкновений. Их отражательная способность, проявляющаяся в дневные часы, относится к более низким частотам, чем частоты, определяемые концентрацией слоя F2 (см. рис. 9).
Важность обеспечения связи на коротких волнах вызвала к жизни широкий поток исследований процессов распространения волн в ионосфере с тем, чтобы выработать рекомендации для проектирования коротковолновых линий.
Развивая идеи М. В. Шулейкина, Л. А. Жекулин проанализировал особенности траекторий электромагнитных волн в неоднородной ионосфере с учетом магнитного поля и показал, что траектории волновых нормалей обыкновенной и необыкновенной волн образуют своеобразные петлеобразные контуры [39]. Хотя этот вывод не относится к групповым траекториям, характеризующим распространение энергии волны, анализ Жекулина послужил началом глубоких теоретических исследований механизма взаимодействия радиоволн и ионосферы.
Дискуссионный теоретический вопрос возник при вводе величины
47


0 0 /6 26 0 S /â 26
Время суток
Рис. 9. Осредненные зависимости критических частот ионосферы от времени суток для лета и зимы а — июнь, б — декабрь
действующего на электрон поля в расчетные формулы для коэффициента преломления ионосферы. Э. Эпплтон и Д. Хартри в 1931—32 гг. ввели так называемую поправку Лоренца, учитывающую действие на электрон соседних зарядов, но дальнейший анализ показал необоснованность этого вывода [40].
Несмотря на значительные усилия исследователей теоретически проанализировать ионосферные явления, запросы практики не получили нужных рекомендаций для методики расчета линий связи и прогнозирования их надежности. Прежде всего возник вопрос о статистическом анализе замираний и поглощения радиоволн на коротковолновых трассах.
С 1925 г. А. Н. Щукин [41] одним из первых приступил к исследованию замирания радиоволн на трассах дальней связи и развил свои исследования в строгую теорию количественной оценки замираний (федингов). Фундаментальное значение приобрел анализ замираний статистическими методами. Основной вклад в это направление исследований внес В. А. Котельников [42]. А. Н. Щукин в те же годы сформулировал и доказал теорему об обратной пропорциональности коэффициента поглощения и частоты (для малой частоты столкновений по сравнению с частотой сигнала).
Расчет поглощения радиоволн в ионосфере всегда оставался одной из важнейших задач выработки рекомендаций для осуществления связи на коротких волнах. Он привлек внимание многих исследователей в СССР и за рубежом. К 1935—36 гг. А. Н. Казанцев получил формулу для расчета интегральных коэффициентов поглощения при прохождении радиоволн через ионосферу и отражении от нее [43]. Последующие исследования внесли большую ясность в зависимость поглощения от частоты. Если, например, с увеличением частоты удлиняется ионосферная трасса и если при этом произведение частоты столкновений v на концентрацию электронов N убывает достаточно медленно, то полное поглощение радиоволн может возрастать, а не убывать с ростом частоты [13].
Теоретические и экспериментальные данные об ионосферном распрост¬
48


ранении, полученные в 30-х годах, позволили приступить к решению важнейшей практической проблемы — проектированию линий коротковолновой радиосвязи. Ионосферные наблюдения определяют критическую частоту для данного региона при вертикальном зондировании. Пересчет на наклонную трассу состоит в умножении критической частоты на косеканс угла наклона а трассы по отношению к горизонту (см. рис. 5). Преобразованная таким образом частота получила название максимально применимой (МПЧ). И именно ее численное значение сообщалось работникам линий связи. Они могли применять для поддержания связи частоты, не превышающие МПЧ. По мере приближения к МПЧ уровень поля в точке приема возрастал, но на частотах выше МПЧ связь прекращалась, поскольку волны пронизывали ионизированный слой. Сезонный и суточный ходы МПЧ соответствуют сезонному и суточному ходам критических частот. В связи с этим изучение вариаций критических частот и их прогнозирование превратились в одно из основных направлений исследования распространения коротких волн в ионосфере. Возникла потребность в глобальных и региональных картах ионизации, составленных по измерениям и прогнозам критических частот. Это было решением важной задачи, поскольку линии связи могли работать только на отраженных сигналах. Построение карт ионизации и методика их применения для расчета коротковолновых линий были разработаны в СССР А. Н. Казанцевым [47]. На этих картах наподобие изолиний нанесены значения критических частот в координатной сетке местное время—географическая широта. Таким образом, долготная зависимость могла быть прослежена по семейству карт ионизации для определенных долготы и диапазона широт, но причина ее, связанная со сдвигом магнитного диполя Земли относительно ее центра, остается до сих пор предметом анализа. Одновременно велось изучение влияния солнечной активности на степень ионизации атмосферы.
В начале 30-х годов обратили внимание на особый характер распространения радиоволн, который позднее получил название волноводного. А. Н. Щукин [45] указал на возможность распространения радиоволн в сферическом волноводе ионосфера—земная поверхность. В его расчетах учитывались как ионизация верхних слоев атмосферы, так и просачивание радиоволн через ионизированный слой. В последующем в СССР была развита строгая физико-математическая теория этого явления [46]. На всем протяжении исследований ионосферного механизма распространения радиоволн ученые и радиоинженеры неизменно обращались к решению важнейшей практической задачи коротковолновой радиосвязи — методам ее расчета. Одним из первых значение этой задачи подчеркнул М. В. Шулейкин, разработавший основы расчета, с которыми он уже в 1920—1923 гг. знакомил слушателей в лекционном курсе [5]. В примененном им методе трасса рассматривалась как линия с распределенными параметрами. Параметры выражались через электрические характеристики земной поверхности и ионизированного слоя. В 1932 г. Щукин предложил метод расчета линий КВ радиосвязи, предполагая, что поглощение распределено по всей трассе, экспоненциальные множители поглощения зависят от освещенности, а на дальностях более 1000 км господствует волноводный механизм распространения [45].
49


В дальнейшем в расчетах учитывались ионизация, высота отражения при наклонном падении, влияние нижележащих атмосферных слоев и другие факторы. Карты ионизации и карты МПЧ составили содержание радиопрогнозов. Эти карты строятся теперь, как правило, для расстояний порядка 4000 км, рассылаются ионосферной службой и содержат прогноз условий распространения на три месяца. На основе этих данных персонал коротковолновых линий связи составляет расписание смены частот, т. е. определяет для своих трасс оптимальные рабочие частоты на данное время сезона и суток.
Резкие отклонения ионосферы от ее спокойного состояния можно раз-
Щукин Александр Николаевич Делить на два типа получивших назва- (р. 1900) ния ионосферных бурь и внезапных
вспышек поглощения. Первые представляют собою нарастания ионизации, проводящие к аномально высокой концентрации электронов и ионов, длящейся от одних суток до нескольких недель. Внезапные вспышки, известные также под названием «эффект Деллинджера», обычно возникают и развиваются весьма быстро и длятся примерно от 20 мин до 2 ч, а иногда и более. Оба явления одинаково влияют на радиосвязь, вызывая сильное поглощение энергии радиоизлучения до полного прекращения связи.
Источником этих явлений служит активность Солнца, вызывающая в период солнечных вспышек потоки ультрафиолетового, рентгеновского и корпускулярного излучения. Для электромагнитного излучения, вызывающего внезапное возмущение ионосферы, требуется на прохождение пути от Солнца до Земли около 8 мин, а корпускулы достигают ионосферы лишь через 20—30 ч после солнечной вспышки, вызывая сильное поглощение радиоволн. Процесс проникновения повышенного электромагнитного излучения в ионосферу отличается от корпускулярного воздействия на нее, поскольку на характер корпускулярных траекторий влияет магнитное поле Земли.
За последние годы материалы наблюдений за возникновением ионосферных бурь и вспышек поглощения существенно обогатились новыми данными, но исчерпывающего объяснения этих явлений еще не дано.
Обнаружение влияния нелинейных эффектов в ионосфере на радиосвязь также относится к первому периоду освоения коротковолнового диапазона. В 1932 г. была теоретически предсказана возможность модуляции свойств ионосферы полем достаточно мощного радиоизлучения [47], которое изменяет скорость движения электронов, а следовательно — число столкновений частиц и проводимость ионосферы. В результате волна другой радиостанции, отраженная такой ионосферой,
50


будет промодулирована радиоволной мощной станции. Этот эффект был обнаружен при приеме радиовещательных станций в Люксембурге и Горьком. Ф. А. Лбов в середине 30-х годов принимал в Горьком Московскую радиостанцию ВЦСПС, фиксируя одновременно слышимость радиостанции имени Коминтерна [48]. Нелинейное воздействие излучения на среду получило название «Люксембург—горьковского эффекта».
В последующие периоды, особенно в годы после второй мировой войны, исследование нелинейных эффектов в ионосфере, наряду с общим широким развитием и углублением изучения ионосферы, приобрело новую, неизмеримо более совершенную экспериментальную основу. Однако выдающиеся открытия и накопление знаний о распространении коротких волн в атмосфере, достигнутые в годы становления техники коротковолновой связи, сохраняют существенное значение и для современных исследований. На их основе возникают и развиваются новые средства изучения и использования ионосферы. Так, создаются методы активного воздействия на ионосферу мощным излучением и инжекцией частиц; изучаются и используются для целей связи свойства метеорных следов в атмосфере; исследуется влияние на ионосферу полетов космических кораблей. Все это открывает новые пути практического применения полученных результатов.
Рефракционно-дифракционные проблемы
распространения радиоволн
в земной атмосфере
Учет рефракционных свойств атмосферы означал, прежде всего, нахождение диэлектрической проницаемости 8 (и, следовательно, показателя преломления воздуха п) в различных областях атмосферы. Для диапазона не слишком коротких волн исходным пунктом расчетов рефракции в тропосфере служила формула, полученная полуэмпирическим путем:
(п- 1). 106 = 79(р + 4800е /Т)/Т.
Она позволяет вычислить показатель преломления воздуха п, если известны температура Т (в градусах шкалы Кельвина), давление сухого воздуха р и давление водяного пара е (в миллибарах). Здесь отсутствует зависимость от частоты. Она становится заметной в области частот, близких к резонансным частотам взаимодействия излучения с атмосферными молекулами паров и газов.
Формула показывает связь между метеорологическим состоянием и условиями распространения радиоволн в атмосфере. Накопление и анализ данных об этой связи в различных странах и в глобальном масштабе положили начало одному из новых направлений современной науки — радиометеорологии.
История изучения рефракции радиоволн в атмосфере началась с использования данных о закономерностях изменения метеорологичес- ских йараметров с высотой, т. е. с определения профиля показателя преломления. Изменчивость метеорологических параметров, определяющих погоду, была хорошо известна исследователям, и представление о профиле п сводилось к определению некоторых средних показателей. С помощью
51


измерений было установлено, что в среднем зависимость показателя преломления от высоты в нижних областях атмосферы определяется градиентом, представляющим весьма малую величину, порядка 4- 10-8 м-1. Однако даже такая, казалось бы, незначительная величина оказывает весьма заметное влияние на формирование траектории радиоволн [49]. Первой и наиболее простой проблемой рефракции было рассмдтрение траектории волны в плоско-слоистой среде. Эта задача сводилась к расчету луча как ломаной прямой при прохождении через слои с различными показателями преломления согласно известному закону Снеллиуса. Распространение решения задачи на случай сферически-слоистой среды (что важно для случая загоризонтного проникновения радиоволн путем огибания поверхности из-за рефракции) связано лишь с несколько большими вычислительными трудностями. Поэтому методы расчета рефракционного искривления луча в атмосфере шарообразной Земли привлекли усиленное внимание исследователей.
В 1930 г. возникла концепция так называемого эквивалентного радиуса Земли, получившая широкое распространение для расчета траекторий радиолучей в приземной атмосфере. Концепция сводилась к тому, что для этих расчетов реальные размеры земного шара и слоистая атмосфера заменялась неким фиктивным земным шаром с большим эквивалентным радиусом, но зато с однородной атмосферой. Однородность атмосферы обеспечивает прямолинейность распространения волны, поэтому концепция эквивалентного радиуса благодаря своей простоте широко использовалась и используется в расчетах до сих пор [50]. Но вскоре была показана экспериментально неприменимость теории эквивалентного радиуса для больших расстояний и достаточно коротких длин волн. Например, для волн длиной 6 м и дальности порядка 500 км теория эквивалентного радиуса дает значение ослабления поля на 120 дБ меньшее, чем регистрируется аппаратурой.
В 1935 г. Б. А. Введенский получил формулу, которая описывала поле в области тени. Она известна как одночленная дифракционная формула Введенского, поскольку для описания поля достаточно пользоваться одним членом ряда вычетов [51]. Затем задача была усложнена введением сферически-слоистой атмосферы. Как и в чисто дифракционном случае, при решении использовался метод вычетов при помощи тригонометрической аппроксимации Дебая. В результате был получен множитель, определяющий экспоненциальное убывание поля с расстоянием. Анализ полученных Введенским соотношений показал, ч4о под влиянием рефракции на больших расстояниях (за горизонтом) расчетное поле вертикальной антенны может быть как больше, так и меньше, чем при отсутствии рефракции. В то же время применение концепции эквивалентного радиуса приводило к выводу об увеличении поля под действием рефракции.
В строгой математической постановке задача дифракции радиоволн вокруг земной поверхности была рассмотрена и доведена до практического применения В. А. Фоком. Еще в 1926 г. он предложил общий метод вычисления задачи Зоммерфельда [52]. Однако эта новаторская работа, опубликованная в виде краткого сообщения, не имела детальных выводов и не была принята во внимание другими исследователями. В 1933 г. В. А. Фок вновь возвращается к задаче дифракции радиоволн [53] и по¬
52


лучает формулу, из которой, в частности, следует формула Ван-дер-Поля. Теоретические исследования в области распространения радиоволн получили развитие в монографии Фока [54], опубликованной в 1946 г. и, получившей широкую известность.
Уточнение законов распространения радиоволн вокруг земной поверхности стало актуальной задачей в связи с возрастающими требованиями к прецизионности радиолокационного зондирования объектов как природного, так и искусственного происхождения. Фок проанализировал электродинамическую задачу о вертикальном диполе над сферической Землей и рассмотрел решение этой задачи для вектора Герца в виде рядов по цилиндрическим и сферическим функциям. Основываясь на возможности преобразований функций Лежандра с помощью гипергеометрических функций, Фок выделил в преобразуемом к сумме вычетов выражении главный член и оценил остаток. Полученные выражения позволили свести решение для вектора Герца к трем интегралам, отражающим пути распространения волн. Анализируя выражения для волны в атмосфере, Фок ограничивается вначале зоной освещенности и вычисляет исходный интеграл по методу стационарной фазы (т. е. беря его в ограниченном интервале, определяющем основное его значение). Решения, полученные Фоком для этой задачи, включают в себя как частный случай формулы Вейля—Ван-дер-Поля, но одновременно с этим определяют условия, при которых можно пренебречь выпуклостью земной поверхности. Новизна расчетов Фока состоит главным образом в определении поля в области полутени, поскольку ранее полученные формулы относились к случаю, когда собственно дифракцией радиоволн можно было пренебречь, а первое приближение в решении Ватсона было применимо лишь к области глубокой тени. В. А. Фоком впервые была получена функция ослабления для всех практически встречающихся случаев распространения радиоволн вокруг однородной земной поверхности (без учета влияния верхних ионизированных слоев атмосферы). Пользуясь выводами этой теории, можно рассчитать амплитуду волны в зависимости от ее длины, электрических свойств почвы, высоты источника и расстояний от него.
Работы В. А. Фока в области дифракции радиоволн вокруг земной поверхности были дополнены им исследованиями рефракционных явлений [55] и до настоящего времени представляют наиболее высокий уровень теоретического анализа проблемы распространения радиоволн на приземных трассах без учета ионосферы.
Распространение радиоволн над неоднородной поверхностью, в атмосферных волноводах и в атмосфере со случайными неоднородностями
Решение задачи дифракции радиоволн вокруг земной поверхности с учетом рефракционных свойств атмосферы в той классической постановке, которая характеризует работы В. А. Фока, Б. А. Введенского, Б. Ван-дер-Поля и других исследователей, не отражало одной из существенных и распространенных особенностей приземных трасс — их неоднородности по электрическим параметрам среды и поверхности. Особое зна¬
53


чение приобретала проблема учета неоднородности трассы при распространении радиоволн с переходом от суши к морю, т. е. в условиях наиболее резких изменений параметров подстилающей поверхности. На этот вариант радиотрасс еще в 1937 г. было обращено внимание Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси [56], исследовавшими фазовую структуру поля у поверхности Земли. В дальнейшем это позволило решить важную для радиопеленгования задачу о так называемой береговой рефракции и определить скорость распространения радиоволн с высокой точностью. В течение длительного времени в радиотехнике господствовало представление о том, что радиоволны ослабляются каждым участком поверхности трассы и ослабление накапливается аддитивно. В действительности же процесс распространения радиоволн над поверхностью Земли представляет собою существенно пространственное явление, в ходе которого ослабление волны на одном из участков трассы может скомпенсироваться притоком энергии из пространства над другим участком. В результате возможны случаи, когда поле волны возрастает по мере некоторого удаления от излучателя. Заслуга строгого анализа этого явления принадлежит советским ученым, развившим теорию береговой рефракции применительно к кусочно-однородным трассам [57]. Одним из наиболее важных выводов из этих^ исследований было определение особой роли участков поверхности в начале и в конце трассы. Именно их электрические параметры наиболее существенно влияют на уровень поля в точке приема.
В годы Второй мировой войны широкое применение для радиолокационного обнаружения самолетов и кораблей получили ультракороткие волны. Накапливался обширный опыт работы радаров в различных метеорологических условиях. Неожиданностью оказались случаи приема относительно далеких загоризонтных станций, обычно находящихся вне зоны радиодосягаемости. Объяснение этого явления было подготовлено развитием теории и практикой применения в радиотехнике способов передачи энергии электромагнитных волн при помощи волноводов; волноводная концепция была распространена на атмосферу. Действительно, распределение по высоте над Землей метеорологических параметров, определяющих значение показателя преломления, может характеризоваться инверсиями и слоистостью, приводящими к аномально большому искривлению лучей — сверхрефракции. Пути радиоволн могут изгибаться при распространении между поверхностью Земли и областью отражения, так что они не выходят за пределы высоты отражения (рис. 10) и направляются таким атмосферным волноводом без заметных потерь на относительно дальние расстояния. Аналогичная картина может возникнуть и в толще атмосферы на некоторой высоте от поверхности (приподнятый волновод).
В 1947 г. П. Е. Краснушкин развил теорию волноводного распространения радиоволн на основе применения метода нормальных волн к ионосферным областям, но основы этой теории охватывают практически все механизмы волноводного распространения, включая и приземные трассы [46]. В 1950 г. В. А. Фок применил теорию дифракции к случаю неоднородной атмосферы и получил решения задачи распространения волн в атмосферных волноводах, при этом он установил аналогию между задачей о поле приподнятого диполя в неоднородной атмосфере и нестационарной задачей квантовой механики [58]. Теория распростра-
54


*7777777777777777777777777777777777777^7777777/
Рис. 10. Приземный атмосферный волновод
нения волн в слоистых средах нашла наиболее полное отражение в монографии Л. М. Бреховских [59]. Расчеты, достаточные для практики, показывают, что при стандартном градиенте показателя преломления по высоте внутри волновода (4-10-8 м-1) волноводное распространение возможно для волн длиной 10 см, если высота волновода (расстояние от земной поверхности до максимума профиля показателя преломления) составляет 24 м, а при длине волны в 10 м для возникновения волноводного механизма нужна высота волновода уже в 600 м. Атмосферные волноводы обычно характеризуются высотой в несколько десятков метров, т. е. волноводный механизм возможен, как правило, для волн сантиметрового и дециметрового диапазонов, поэтому и исследования его были предопределены развитием радиолокационной техники, работающей в ультракоротковолновом диапазоне. Атмосферные волноводы служат причиной нерегулярного сверхдальнего приема телевизионных станций и станций УКВ, однако их изменчивость и трудная прогнозируемость пока не позволяют использовать их для создания постоянно действующих линий радиосвязи.
Возможность более надежной дальней связи по радио через атмосферу была обнаружена позже, в 40—50-х годах, когда возникла проблема так называемого дальнего тропосферного распространения (ДТР), использующего переизлучение радиоволн атмосферными неоднородностями диэлектрической проницаемости, имеющими форму «глобул», или слоев, или их сочетания.
Из учения об электромагнетизме известно, что если на тропосферную область с неоднородностями диэлектрической проницаемости падает радиоволна, область становится излучателем, пусть с несравненно меньшей мощностью, но все же источником радиоволн той же частоты. С помощью высокочувствительной техники приема можно регистрировать переиз- лученное поле и обеспечить достаточно надежную связь между удаленными пунктами.
Теоретические основы рассеяния радиоволн неоднородностями атмосферы содержатся в классической теории электромагнитных волн. Однако их применение для практических расчетов связано с проблемой определения основной исходной величины — распределения значений диэлектрической проницаемости в пространстве и, в общем случае, изменения во времени. Здесь возможен лишь статистический подход, дающий средние значения или, по крайней мере, их оценку. В 1950 г. появилась основопола¬
55


гающая теоретическая работа X. Букера и У. Гордона [60], в которой вычислена эффективная площадь рассеяния неоднородностей, а следовательно, определена доля рассеянной энергии в направлении приемного устройства. Полученная формула содержит функцию корреляции случайных изменений значения диэлектрической проницаемости в рассеивающем объеме. Представление требуемой функции корреляции в виде аналитического выражения явилось объектом ряда исследований. Внимание их авторов в течение четверти века было направлено на создание теории распространения волн в средах со случайными неоднородностями. Наиболее важной для практики оставалась, конечно, проблема дальней связи.
Теоретические исследования в 50-е годы развивались весьма интенсивно. Если формула Букера и Гордона основывалась на корреляционной связи вариаций поля между точками объема рассеяния и на различии в фазах волн, приходящих от отдельных участков объема, то исследования Ф. Вилларса и В. Вайскопфа [61] при сохранении тех же различий в фазах элементарных излучателей содержали интеграл по рассеивающему объему в виде коэффициента Фурье при разложении пространственных флюктуаций показателя преломления в ряд Фурье. Таким путем было получено выражение для эффективной площади рассеяния, которая в конечном счете оказалась функцией вертикального градиента показателя преломления. Метод Вилларса — Вайскопфа дал более точное совпадение теории с экспериментом, определив зависимость эффективной площади рассеяния от частоты.
В то же время делаются попытки создать модельные представления о характере диэлектрической проницаемости среды распространения радиоволн. Так. Т. Кэррол и Р. Ринг [62] рассчитали дифракционные явления для сложного профиля диэлектрической проницаемости, предположив, что она имеет линейную зависимость от высоты до уровня 8,45 км, а выше — постоянна. Для сантиметровых волн было получено хорошее соответствие с экспериментальными данными.
Схема линий дальней тропосферной связи (рис. И) включает направленное в высокие тропосферные области излучение и обнаружение его приемным устройством, расположенным далеко за горизонтом. Если сравнить этот процесс с оптическими явлениями, то можно говорить об освещаемости участка атмосферы на высоте порядка десятка километров и о восприятии этого освещения далеким наблюдателем. Переизлучению подвергаются ультракороткие волны, дальность связи на которых в обычных условиях ограничена прямой радиовидимостью. Дальнее распространение УКВ позволяет использовать огромную частотную емкость этого диапазона.
В 60-х годах завершились основные работы по исследованию закономерностей ДТР, и тропосферные линии связи получили развитие особенно в тех районах, где строительство обычных радиорелейных линий затруднено или невозможно. В 1965 г. во всем мире насчитывалось более 70 тыс. км линий ДТР [63], но в дальнейшем более широкое развитие получили спутниковые и релейные линии связи.
Существенное значение в развитии теории и практики тропосферного распространения радиоволн имели исследования советских ученых. Ре-
56


зультаты многолетних экспериментов и их теоретических обобщений, принадлежащие А. Г. Аренбергу, М. А. Колосову, Н. А. Арманду, А. В. Соколову, О. И. Яковлеву, А. В. Шабельникову и многим другим последователям и ученикам Б. А. Введенского, получили широкую известность за рубежом. Ценной практической направленностью характеризуются работы В. В. Мигулина, С. М. Рытова, Е. Л. Фейнберга, А. И. Калинина, В. Н. Троицкого, Г. С. Шарыгина, Ч. Ц. Цыдыпова и многих других исследователей.
Большое развитие в последующие годы получили исследования влияния неровной поверхности (в первую очередь — поверхности моря) на характер временной и пространственной изменчивости поля радиоволн, распространяющихся на приземных и морских трассах [64, 65].
Исторические очерки ряда советских авторов позволяют установить некоторую условную периодизацию изучения распространения ультракоротких волн в тропосфере [66—71]. Первый этап этих исследований относится к 20-м годам и характеризуется, в основном, начальными сведениями о значительном влиянии подъема антенн на дальность передачи в зоне прямой видимости и о роли интерференции прямого и отраженного от земной поверхности лучей в формировании поля радиоволн в точке приема. Второй этап — начало 30-х годов — принес уверенность в закономерности проникновения УКВ за пределы горизонта и положил начало развитию рефракционно-дифракционных теорий в применении к этому диапазону. Открытие и исследование механизма волноводного распространения УКВ в атмосфере относятся к третьему этапу, охватывающему 40-е годы. Четвертый этап, начавшийся в конце 40-х годов, ознаменован открытием и широкими исследованиями дальнего тропосферного распространения ультракоротких радиоволн. К 40—50-м годам относится начало развития исследований распространения сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волн, а с 60-х годов — и когерентного оптического (лазерного) излучения. Эти исследования составляют пятый и шестой этапы изучения распространения радиоволн в атмосфере, характеризующиеся существенным расширением и углублением знаний в этой области и практической актуальностью результатов.
Влияние пульсаций показателя преломления атмосферного воздуха на поле волны впервые исследовал В. А. Красильников в 1949 г. [72]. Эта работа положила начало многим теоретическим расчетам и экспе-
57


риментальным исследованиям последующего десятилетия. Развитие теории флюктуационных явлений при распространении волн в атмосфере основывалось на теории случайных изменений параметров самой атмосферы. Заслуга открытия основополагающих соотношений, характеризующих динамическое состояние поля скоростей в турбулентной атмосфере, принадлежит А. Н. Колмогорову [73]. Им было введено для случайного процесса понятие структурной функции — усредненного значения квадрата разности двух случайных величин. В предположении локальной изотропности атмосферы и адиабатичности процесса дробления вихрей им был получен так называемый «закон 2/3», гласящий, что значение структурной функции пропорционально расстоянию между точками среды, в которых измеряется турбулентная скорость движения, в степени 2/3. Именно это соотношение, впоследствии обобщенное А. М. Обуховым [74] на поле температур, и показатель преломления, определило появление многочисленных расчетно-теоретических исследований проблемы распространения волн в турбулентной атмосфере. Вслед за исследованиями А. Н. Колмогорова, А. М. Обухова, В. А. Красильникова многие советские и зарубежные авторы внесли вклад в создание теоретического аппарата рассмотрения процесса распространения волн в случайно-неоднородных средах [75—77].
Таким образом, в 60-е годы широкое развитие получили статистические методы рассмотрения процесса распространения радиоволн. При этом показатель преломления среды представляется в виде функции координат, состоящей из постоянного члена (среднее значение) и флюктуирующей части. Подстановка этой зависящей от координат и времени величины в волновое уравнение приводит к формированию математической проблемы — получению дифференциального уравнения в частных производных. В ходе поиска решения этого уравнения был найден и использован ряд приближенных методов [78].
Если для относительно коротких трасс теоретические результаты можно было сопоставить с экспериментальными и установить некоторое их совпадение, то для протяженных трасс, связанных с изменением флюктуационных параметров поля радиоволн, расхождение теоретических и экспериментальных данных исключало применение приближенной теории. Ее развитие, относящееся уже к 70-м годам, состояло в сведении волнового уравнения для неоднородной среды к уравнению параболического типа и последующему применению его для отыскания случайных величин флюктуирующего поля [79]. Этими расчетами расширена область теоретически анализируемых явлений, но многообразие факторов, влияющих на распространение волн в реальной атмосфере, оставляет все же наиболее широкое поле исследований экспериментальному изучению вопросов взаимодействия сложной среды и электромагнитного поля [80].
Развитие радиоэлектроники во второй половине XX в. во многом обусловило характерные черты научно-технического и социально-экономического прогресса. Радиоволны, а начиная с 60-х годов — когерентное оптическое излучение находят возрастающее применение в многообразных направлениях науки и техники, проникают в производство и повседневную жизнь. Развивается радиометеорология, основанная на результатах исследования распространения радиоволн в тропосфере [81].
58


Успешно решаются многие задачи подземного и подводного распространения радиоволн. Устанавливаются закономерности распространения радиоволн в горах, процесса проникновения радиоволн различных диапазонов в земную кору и отражения от земных покровов, что находит практическое применение в геофизике и геологии. Развиваются радиофизические методы исследования природных ресурсов, позволяющие с помощью самолетного и спутникового радиозондирования определять важнейшие характеристики поверхности Земли, океанов, состояние атмосферы. Примерами применения этих исследований в народном хозяйстве могут служить определение влагосодержания земной поверхности, занятой посевами, лесами, насаждениями, и изучение при помощи космических станций атмосферных процессов, формирующих погоду (возникновение циклонов, движение фронтов и др.). Без знания законов распространения радиоволн постановка этих исследований невозможна [82].
Космическая радиосвязь потребовала решения задач о распространении радиоволн в межпланетной среде и планетных атмосферах. Здесь возникали, в основном, трудности получения исходных данных, а не поиска новых методов решения волнового уравнения. Исследователи столкнулись с такой необычной средой, как оболочка Солнца или атмосфера Венеры, и радиоволны являются здесь источником данных об этой среде. Если в первые годы развития радиотехники решался вопрос об изучении воздействия среды на радиоволны, то теперь стоит вопрос о получении достоверных сведений о самой среде по результатам этого воздействия. Таким образом, эра освоения космоса характеризуется широким использованием радиофизических методов в исследовании межпланетного, околопланетного и околосолнечного пространства. Важное место в комплексе научно-технических проблем освоения космоса принадлежит достижениям науки о распространении радиоволн, которые были получены предшествующими усилиями широкого круга специалистов [83]. По их рекомендациям космические аппараты станции оснащаются приборами, связанными с исследованием особенностей распространения радиоволн в космосе, включая и всю толщу земной атмосферы. Особая роль в этих исследованиях отведена аппаратам типа «Марс» (СССР), «Венера» (СССР), «Пионер» (США), «Маринер» (США), «Луна» (СССР), «Эксплорер» (США), запуски которых осуществляются с середины 60-х годов. В результате получены научные данные об атмосферах планет земной группы и межпланетной плазме. Аппараты типа «Вояджер» (США) в 80-е годы были направлены уже к границам солнечной системы, и связь с ними осуществляется при помощи радиоволн, распространяющихся в межпланетном и галактическом пространстве.
С 60-х годов характерно взаимопроникновение радиотехники и оптики. Возникают смежные с радиофизикой и оптикой области науки и техники, осваивается тот диапазон электромагнитных волн, который может обеспечить колоссальную пропускную способность в качестве канала передачи информации. Становятся актуальными вопросы распространения оптических, инфракрасных, субмиллиметровых и миллиметровых волн в атмосфере. В этих диапазонах взаимодействие излучения со средой имеет принципиально иной механизм: возникает молекулярное поглоще¬
59


ние радиоволн газами атмосферы и водяным паром. Оно носит резко резонансный характер: энергия поглощается на строго определенных частотах, соответствующих квантовым переходам между энергетическими уровнями молекул и атомов газов и паров, составляющих атмосферу. Исследователи должны точно определять так называемые линии поглощения и находить окна прозрачности атмосферы для передачи информации по радио- и оптическим каналам связи.
Широкий размах приобретают исследования ослабления лазерного излучения в атмосфере. В 70-х годах появляются мощные лазерные установки, и их излучение уже сопряжено с изменением самой среды, находящейся в зоне лазерного воздействия. Возникают задачи нелинейной оптики, в частности такие, как нахождение пороговых значений мощности излучения, при которых возникает электрический пробой в газах, изучение явлений самофокусировки и самодефокусировки среды. Эти процессы связаны с перспективами передачи через атмосферу значительных энергий по оптическому или квазиоптическому каналу. Особый интерес представляет возможность воздействия мощным излучением на туманы и облака для просветления каналов связи и управления. Проблемы распространения мощного излучения в атмосфере связаны с решением задач взаимодействия среды и излучения, когда необходимо учитывать нагревание и испарение капель, взрывные явления, перенос масс и другие физические процессы. Радиофизические задачи переплетаются здесь с задачами термодинамики, механики, гидродинамики, оптики и электродинамики сплошных сред.
В 60-е годы были получены существенные данные о распространении сверхдлинных волн (длина волны от трех до нескольких сот километров) в атмосфере Земли и, в частности, в ионосфере. Применение волн этого диапазона с использованием новой техники позволяет осуществлять надежную связь на дальцие расстояния, радиозондирование удаленных областей, радионавигацию с повышенной точностью, совершенствовать методику диагностики магнитосферной плазмы и изучения параметров ионосферы.
Важной задачей современных исследователей распространения радиоволн остается создание моделей атмосферы, отражающих ее свойства с такой точностью, чтобы было возможно составлять алгоритм расчета линий радиосвязи всех диапазонов волн. Учеными и инженерами интенсивно анализируются сложные проблемы изучения закономерностей распространения радиоволн как в пределах Земли и ее атмосферы, так и в космическом пространстве.
60


ГЛАВА ТРЕТЬЯ
РАЗВИТИЕ ИДЕЙ В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ И ФИЛЬТРОВ1
Предыстория
В настоящее время уже студенты старших курсов вузов знают, что основы теории цепей выводятся из уравнений Максвелла для электромагнитного поля. По крайней мере, два исходных уравнения Кирхгофа получаются интегрированием двух уравнений Максвелла. Дальнейшее развитие теории цепей — появление методов контурных токов и узловых потенциалов, комплексные представления гармонических колебаний, операторный метод'Хевисайда и многое другое — можно представить как перенос в область электрических явлений представлений, ранее найденных в аналитической механике и астрономии.
В первой книге нашей работы и в гл. 1 настоящей (второй) книги показаны эволюция электродинамического знания и начальные вехи в развитии цепей и фильтров. В целом же картина формирования основных положений теории цепей была далеко не гладкой. Уравнения Максвелла сформулированы лишь в 1873 г. Закон же Ома для реостата (резистора в современной терминологии) был открыт в 1827 г. Законы Кирхгофа сформулированы в 1845 г. Уже в то время было понято, что реостат — это лишь частная техническая реализация сопротивления (резистора), а лейденская банка — конденсатора. Дольше всего, по-видимому, продержалось представление о том, что катушка — это единственный «представитель» индуктивности. После этого приборы и устройства, подчас сложной механической конструкции, превратились в двухполюсники, описываемые простыми соотношениями
iR = uR/R, ic=Cduc/dt, uL = LdiL/dt.
Так основы теории цепей выделились из общего учения об электричестве в самостоятельное теоретическое направление задолго до появления уравнений Максвелла.
Таким образом, теория цепей «отделилась» от изучения физических приборов. Однако уже к концу XIX в. положение снова изменяется. Стало очевидным, что если прибор представить его эквивалентной схемой, то он снова становится предметом теории цепей. Была понята линейная природа параметров L, С, R (запасаемая или затрачиваемая энергия в них равна квадратам напряжений или токов). Это позволило широко использовать в теории цепей теорию малых колебаний, развитую ранее в механике, в частности, комплексное представление гармонических переменных (ввел Ч. Штейнмец в 1894 г.) На основе понятия комплексного сопротивления О. Хевисайд (1899 г.) сформулировал ряд приемов, известных как основы операционного исчисления (лишь значительно позднее Дж. Карсон указал на связь метода Хевисайда с преобразованиями Лапласа, которые были известны еще Л. Эйлеру).
1 В главе использованы обзоры И. И. Трифонова и Е. А. Богатырева.
61


Введение эквивалентных схем привело к представлению, что многие электротехнические устройства можно анализировать как электрические цепи. Однако на рубеже XIX и XX вв. обнаружилось, что есть устройства, которые внешне являясь цепями, не подчиняются теории. Это были длинные линии — кабели и фидеры для передачи сигналов. Вскоре, однако, О. Хевисайд развил теорию длинной линии как цепи с распределенными параметрами, введя такие понятия, как характеристическое сопротивление линии, отражение, согласование нагрузки. А в 1917 г. появилось нечто обратное: искусственные длинные линии, составленные из дискретных элементов L и С (А. Кеннели).
Описание цепей с помощью дифференциальных уравнений, а четырехполюсников с помощью комплексного коэффициента передачи К (/со) или импульсного отклика h(t) стало общепринятым явлением. Частотный и временной подходы к описанию линейных цепей стали традиционными.
Электрические фильтры занимают важное место в радиотехнике с первых шагов ее становления. Опыт работы первых радиостанций А. С. Попова и Г. Маркони показал, что прием сигналов в зоне действия двух одновременно работающих радиостанций невозможен из-за взаимных помех, создаваемых этими станциями. Выход был найден в передаче сигналов на различных частотах с использованием для их выделения явления резонанса, которое к тому времени было изучено Г. Герцем (1888 г.) и О. Лоджем (1880 г.). В результате изучения электромагнитного резонанса применительно к беспроволочной телеграфии Лодж предложил так называемую систему «синтонической телеграфии» [1], в которой настройка передающей и приемной станций в резонанс достигалась подбором индуктивностей и емкостей в антенных контурах. Почти одновременно с Лоджем Маркони применил в радиотелеграфии настроенные системы для улучшения избирательности и чувствительности приемного устройства.
Существенным недостатком резонансных LC-контуров является их невысокая избирательность, так как за пределами полосы пропускания сопротивление или проводимость контура изменяется недостаточно быстро. Стремление повысить избирательность привело к появлению многоконтурных схем, где относительно большая крутизна скатов амплитудно-частотных характеристик обеспечивается за счет высокой добротности контуров, а необходимая полоса пропускания — применением индуктивных или емкостных связей между ними. Впервые многоконтурные избирательные системы были применены Дж. Стоуном [2] и К. Франклином [3]. К концу первого десятилетия нашего века резонансные контуры прочно вошли в практику радиотелеграфии.
Неуклонно возрастающие требования к характеристикам устройств частотной селекции стимулировали активную работу в соответствующем направлении и подключение к ней специалистов по теории цепей. В 1914— 1915 гг. Д. Кэмпбелл и К. Вагнер ввели понятие электрического фильтра, это были структуры из периодически повторяющихся LC-звеньев. С этого времени теория фильтров занимает обширную область теории электрических цепей, которая еще более увеличилась с появлением через несколько десятилетий активных ^С-фильтров. Многие значительные результаты теории цепей появились в процессе решения задач синтеза фильтров.
62


Фильтры типа Z ввел И. Цобель в 1923—1924 гг. Понятие АСполюсника и идеального трансформатора ввели Д. Кэмпбелл и Р. Фостер в 1920 г.
Общее понятие линейного четырехполюсника, матриц проводимостей и сопротивлений,, правил их преобразования при различных видах соединения являются результатами работы ряда ученых, в частности в Германии и Франции.
Появление теоремы Фостера (1924 г.) для цепей с реактивными сопротивлениями можно рассматривать как истоки теории синтеза цепей и переход от методов аналитической механики к современной теории цепей. Но впервые вопрос о создании двухполюсника с заданным комплексным сопротивлением как функции частоты рассмотрел В. Кауэр (1926 г.). Это было началом развития теории синтеза цепей.
Классический синтез цепей
Задала нахождения электрической цепи с заданными частотными характеристиками первоначально решалась путем каскадного согласованного соединения простейших схемных структур с предварительно изученными характеристиками. Д. Кэмпбелл, К. Вагнер, А. Кеннели, И. Цобель строили фильтры нижних частот (а позднее фильтры верхних частот, полосовые и режекторные) путем «лестничного» согласованного соединения Г, Т и П-образных звеньев [4]. Выбор подобных структур был, по-види- мому, интуитивным, однако он оказался разумным. В середине 60-х годов выяснилось, что лестничные структуры достаточно стабильны и не очень критичны к не идеальностям элементов.
Развитие теории и техники расчета лестничных фильтров шло от использования графоаналитических методов, развивавшихся П. К. Акуль- шиным, И. А. Кощеевым [5], к разработке В. Н. Листовым и С. С. Коганом строгих аналитических подходов.
Дальнейшим развитием теории синтеза является подход, называемый в настоящее время классическим. При этом сначала определяется физически осуществимая передаточная функция цепи, аппроксимирующая заданные характеристики, а затем по ней находятся электрическая схема цепи и значения входящих в нее элементов (параметры).
Первая работа по теории классического синтеза принадлежит, по-видимому, Р. Фостеру и относится к 1924 г. [6]. Было показано, что любая реактивная рациональная функция частоты является входным сопротивлением (или проводимостью) некоторой цепи без потерь. Путем разложения функций на простейшие дроби были получены две возможные формы таких двухполюсников, называемых ныне каноническими формами Фостера. Первая структура состоит из последовательно соединенных последовательного и параллельных LC-контуров, вторая — из параллельного и последовательных LC-контуров, соединенных параллельно (рис. 12). Несомненно их сходство с ранее интуитивно найденными лестничными структурами.
При использовании иных форм для представления заданной рациональной функции частоты можно было найти и другие «канонические»
63


Cf Lf r^v'S
* «hh^LiJ—L„J—“
0 * i 4 r
Рис. 12. Пример реализации структуры с минимальным количеством элементов а — структура с последовательным соединением контуров, б — с параллельным
структуры. Так, в 1927 г. В. Кауэр, разлагая реактивную функцию в цепные дроби, нашел структуры, состоящие из последовательно соединенных цепочек, образующих в целом каскадное их соединение (фильтр нижних и фильтр верхних частот) [7]. В последующем Кауэр распространил свои идеи и идеи Фостера в отношении LC-двухполюсников на синтез двухэлементных RC и RL-цепей («формы Фостера и Кауэра»),
В 1931 г. О. Вруне показал, что любую заданную положительную рациональную функцию можно реализовать в виде RLC-двухполюсников [8]. Его основным аппаратом явилось также разложение в цепную дробь, при этом в качестве обязательного элемента появился идеальный трансформатор (звено Вруне). Типовая схема двухполюсника «по Вруне» приведена на рис. 13.
Реализация двухполюсников по методу Вруне часто приводила к необходимости иметь трансформаторы с жесткой связью *(коэффициент связи равен единице). В ряде последующих исследований это требование было снято, хотя, как правило, ценою увеличения числа необходимых элементов.
В 1949 г. Р. Ботт и Р. Даффин предложили метод, основанный на использовании дробно-линейного преобразования, при котором импеданс реализуется без применения трансформаторов [9]. Ф. Мията, представляя заданную функцию импеданса в виде суммы слагаемых с одинаковым полиномом знаменателей, предложил другой метод избавления от трансформаторов (каждое слагаемое реализуется отдельно одним из известных методов).
В 1939 г. С. Дарлингтон предложил метод реализации заданного сопротивления в виде реактивного (LC) четырехполюсника, выходные зажимы которого нагружены на активное сопротивление (резистор). При этом используются как звенья Вруне, так и звенья Дарлингтона (с двумя трансформаторами). Метод Дарлингтона также приводит
Jâexa i
Рис. 13. Реализация входного импеданса по Вруне
64


к цепной реализации. Он может быть применен и к синтезу цепей с заданными передаточными функциями.
Однако первая фундаментальная работа по синтезу реактивных четырехполюсников была выполнена еще в 1931 г. В. Кауэром [10]. Одна из найденных им структур показана на рис. 14. Суть метода состояла в аппроксимации заданной функции передачи и определении Z и 7-параметров реактивных четырехполюсников, каждый из которых раскладывался на простые дроби. Слагаемые с одинаковыми полюсами реализуются Т-образными звеньями с трансформаторами в выходных плечах. Правило сложения Z-параметров при последовательном соединении приводит к последовательному соединению простых звеньев. При разложении У-параметров получается другая структура, содержащая последовательные контуры LC и трансформаторы, при этом простые четырехполюсники оказываются соединенными параллельно.
Дальнейшим развитием теории синтеза четырехполюсников являются работы Е. Гиллемина [И, 12], Б. Дашера, Н. Балабаняна [13], Б. Ф. Емелина. Уже в 1934 г. стала ясна возможность аналитического подхода к синтезу на основе прототипа фильтра нижних частот, из которого можно получить другие типы фильтров. Соответствующие преобразования реактансов найдены Дж. Брандтом и В. Кауэром [14].
Наиболее сложным конструктивным элементом цепи была катушка индуктивности. Естественным поэтому было стремление получить частотно-селективную цепь без катушки индуктивности. Первую работу в этой области опубликовал X. Скотт в 1938 г. [15]. В последующем эта область исследований была продолжена в работах В. И. Сифорова [16], А. А. Ризкина [17], Л. С. Гуткина [18]. Развитием этих же идей было появление теории и техники активных фильтров. По-видимому, стремлением избавиться от катушек индуктивности было вызвано и появление работ Дж. Линвилла [19] и Т. Янагисавы [20], предложивших использование инверторов и конверторов импедансов.
Развитие общей классической теории синтеза рано или поздно должно было привести к идее оптимизации найденных структур по некоторым избранным критериям (показателям) качества. Эта возможность следовала из свойства эквивалентности электрических схем. Схемы, обладающие одной и той же передаточной функцией, могут отличаться по структуре, числу и номиналам элементов (L, С, /?), чувствительности внешних показателей к малым изменениям элементов схемы.
Представлял большой интерес вопрос о полной совокупности схем для реализации заданной передаточной функции. Полное решение этого вопроса остается, по-видимому, открытым. В 1954 г. В. Кауэр предложил метод линейных эквивалентных преобразований [14], при этом системы узловых или контурных уравнений преобразовывались так, что токи и напряжения в необходимых контурах оставались неизменными, а вновь образованные матрицы цепи удовлетворяли условиям физической реализации. Возникающие при этом трудности учета ограничительных условий были устранены в определенной степени в методе непрерывных эквивалентных преобразований Дж. Шоффлера [21]. В 60—70-х годах эти методы нашли развитие в работах Э. В. Зеляха [22], А. А. Ланнэ [23], Ю. М. Калниболотского [24].
3 Зак. 1249
65


Рис. 14. Пример построения реактивного четырехполюсника по методу Кауэра
// е/
0-rwH
12 l/V
С2 CAA
0-
■0
Существенным этапом построения теории синтеза цепей явилась задача аппроксимации (аналитического представления) заданных в различных формах (часто графических) частотных характеристик. Для этого сначала использовались методы интерполирования и разложения в ряды. При этом для представления низкочастотного прототипа использовались полиномы Баттерворта, аппроксимирующие постоянную характеристику (коэффициент передачи) на интервале 0—1. В 1935 г. Г. Боде использовал для аппроксимации фильтров нижних частот разложение функции tgx в бесконечные произведения, а также разложение рациональных дробей в степенные ряды. В этот же период начали использовать чебышевские аппроксимации. В. Кауэр и Пилотти использовали при анализе оптимальности фильтров дроби Е. П. Золотарева (золотаревские, или эллиптические фильтры).
В конце 40-х годов С. С. Коган упростил задачу вычисления параметров фильтров, заменив эллиптические функции тригонометрическими [25]. А. Ф. Белецкий решил общую задачу синтеза фильтров с любыми требуемыми характеристиками в заданной полосе и показал, что полученные при этом фильтры имеют минимальное число элементов [26]. Несколько ранее, в 1952 г., С. Дарлингтон использовал для аппроксимации разложения по полиномам Чебышева [37].
Характерной особенностью рассмотренных подходов было игнорирование вида фазовых характеристик фильтров. В 60-х годах рассмотрен и решен ряд задач синтеза фильтров с линейными фазовыми характеристиками. В этой области следует отметить работы А. Ф. Белецкого [28],
А. 	А. Ланнэ [23], И. И. Трифонова [29].
Широкое развитие численных методов аппроксимации и оптимизации частотных и временных характеристик связано с внедрением ЭВМ [30, 31]. Дальнейшим логическим развитием теории цепей является теория синтеза активных 7?С-фильтров.
Активные /?С-фильтры
Теория активных 7?С-фильтров (AÆC-фильтров) получила наибольшее развитие и оформилась в относительно самостоятельное направление в 60-е годы. Стимулом для этого послужила миниатюризация радиоэлектронной аппаратуры, обусловленная ее непрерывным усложнением и отсутствием простых путей миниатюризации катушек индуктивности
66


(их добротность уменьшается обратно пропорционально квадрату геометрических размеров). Исключение катушек индуктивности, которые ранее были обязательным элементом любого частотно-избирательного устройства, привело к появлению, по выражению Л. Хьюлсмана, «мира без индуктивностей»— специфического направления теории электрических цепей со своими схемотехническими решениями, возможностями и проблемами.
Л^С-фильтры —устройства, состоящие из резисторов, конденсаторов и активных элементов; они относятся к линейным стационарным цепям. Наличие активных элементов для однонаправленной передачи сигнала или его усиления — необходимое условие формирования характеристик таких фильтров.
Как и в классическом синтезе, задача построения Л/?С-фильтра достаточно четко разделена на два этапа: аппроксимации и реализации. На первом этапе теория активных фильтров не внесла существенно новых результатов. Для получения физически реализуемых функций цепей используются методы решения аппроксимационных задач, разработанные для синтеза LC-цепей, или их модификации. Подавляющее большинство новых результатов относятся к реализации.
История ЛЯС-фильтров начинается с упомянутой выше работы X.Скотта [15], где была показана возможность создания частотно-избирательной схемы путем охвата безынерционного усилителя частотнозависимой обратной связью через мостовые RC-цепи, одна из которых показана на рис. 15. Углубленный анализ таких схем проделан Л. С. Гут- киным [18] и В. И. Сифоровым [16]. Эта идея получила широкое практическое внедрение лишь 16 лет спустя, когда появились дешевые высококачественные транзисторные усилители. Работы [32, 33] ознаменовали фактическое начало современной теории Л/?С-фильтров. Начиная с 1954 г. количество соответствующих публикаций стремйтельно нарастало. Только по данным за 1972—1979 гг. опубликовано 1120 работ [34]. Первые схемы на основе одного усилителя напряжения с ограниченным усилением (звенья второго порядка Саллена—Ки [33] ) были эквивалентны по своим частотным характеристикам резонансным LC-контурам. Однако в отличие от последних в низкочастотном диапазоне они имели меньшие габаритные размеры и стоимость, более высокую добротность и надежность, способны были работать в сильных магнитных полях. Эти достоинства послужили причиной внедрения Л^С-фильтров в технику электросвязи, геологоразведки, гидроакустики и стимулировали поиски еще более эффективных решений.
Поиск в основном шел по пути синтеза пассивных RC-цепей (методами Гиллемина, Фиалкова—Герста и т. п.), которые при выбранной модели звена (см., например, рис. 15) обеспечивают требуемые передаточные функции. Возможность реализации произвольной передаточной функции с помощью единственного зависимого источника тока или напряжения была доказана в 1959 г. [35]. Разработанные схемы отличались довольно высокой чувствительностью характеристик к изменению коэффициента усиления усилителей. Для многих элементов эта чувствительность пропорциональна добротности, что неприемлемо при реализации высокоселективных устройств. Появление интегральных операционных
3*
67


Рис. 16. Звено второго порядка, моделирующее уравнение состояния
усилителей (ОУ) к началу 60-х годов позволило существенно уменьшить этот недостаток, используя модели, исследованные в [36, 37]. В этих моделях применены ОУ с бесконечным усилением, из-за чего расположение полюсов передачи полностью определяется нулями пассивных RC- цепей обратной связи. К этому классу цепей относятся широко используемые на практике фильтры Л. Рауха [38].
Существенное удешевление производства интегральных ОУ позволило в схемах второго порядка использовать несколько ОУ. В связи с этим получил практическое развитие метод переменных состояний, основные идеи которого были выскйзаны еще в конце 40-х годов М. Никольсом и Л. Раухом [39]. При использовании этого метода структура фильтра на базе интегратора, масштабных усилителей и перемножителей получается из непосредственного рассмотрения дифференциального уравнения, эквивалентного передаточной функции фильтра. Наибольшее применение метод нашел при синтезе звеньев второго порядка; фильтры более высокого порядка, получаемые по этому методу, имеют высокую чувствительность характеристик к изменению параметров элементов. Первое из этих звеньев, изображенное на рис. 16, было описано в [40]. Его модификации до настоящего времени находятся в числе наиболее эффективных А/?С-схем. Их отличают высокая стабильность, простота расчета и настройки, возможность получения различных фильтровых функций с помощью одной и той же схемы (при снятии выходного сигнала с выхода соответствующего ОУ). Такие звенья состоят из двух интеграторов, включенных в контур обратной связи (ОС), причем один из них охвачен местной резисторной ОС, предназначенной для регулирования добротности. Почти через 10 лет такая структура вновь широко использовалась для разработки звеньев второго порядка. На этот раз вместо ARС-интеграторов применялись появившиеся в начале 70-х годов ОУ с внутренней коррекцией, АЧХ которых в широком диапазоне частот
68


Рис. 17. Пример активного R-звена второго порядка
Рис. 18. Двойной Т-образный RC-мост (а) и его эквивалент на распределенной /?С-структуре (б)
подобна АЧХ интеграторов. Так было положено начало одному из новых направлений в практике активных фильтров — безреактивным фильтрам, или активным У?-фильтрам. Первой работой в этом направлении, по- видимому, следует считать [41], пример одного из наиболее распространенных AR-звеньев приведен на рис. 17. Устранить присущую таким цепям зависимость характеристик от технологических допусков и нестабильности параметров ОУ можно, используя системы фазовой автоподстройки.
Выше отмечены основные работы по синтезу AÆC-схем второго порядка, где в качестве активных элементов использованы управляемые источники тока, напряжения или ОУ. Следует отметить, что подобные задачи решались и на базе иных типов активных элементов: конверторов и инверторов (гираторов) [20, 32, 42—44]. Однако полученные при одинаковых ограничениях схемы либо топологически эквивалентны тем, что используют управляемые источники, либо уступают им по ряду важных показателей. Попытки использовать вместо дискретных конденсаторов и резисторов пассивный элемент другого типа — распределенную RC- структуру (многослойный пленочный элемент), сочетающую в себе свойства резистора и конденсатора, также не дали полезных для практики результатов. Работы в этом направлении активно велись с середины 60-х [45] по начало 70-х годов. По принципам построения и электрическим показателям фильтры на RC-структурах практически не отличаются от их аналогов на дискретных R и С-элементах. Их неоспоримым достоинством является простота. Для примера на рис. 18 показаны RC- мост и его эквивалент на распределенной RC-структуре. Однако из-за технологических трудностей производства RC-структур и трудностей расчета соответствующих схем это направление пока не получило заметного практического развития, хотя и не оставлено разработчиками.
69


Активные фильтры высокого порядка
Звенья второго порядка использовались самостоятельно в качестве простых фильтров или как элементная база для реализации передаточных функций высокого порядка, обеспечивающих хорошую селективность устройства. Традиционным методом построения фильтров высокого порядка является каскадирование взаимно развязанных звеньев. Он отличается простотой расчета и настройки, унификацией конструкции. Постоянно повышающиеся требования к селективности фильтров привели к увеличению числа каскадов и росту их добротности. При этом оказалось, что динамический диапазон и чувствительность фильтра часто неприемлемы. В 1970 г. Е. Ледер [46] и С. Хафлин [47] показали, что путем соответствующей компоновки полюсно-нулевых пар при формировании передаточных функций звеньев, выбора коэффициентов усиления и последовательности включения каскадов можно в больших пределах управлять качественными показателями фильтров, не воздействуя на его передаточную функцию. Они разработали эффективные алгоритмы оптимизации каскадных фильтров по ряду важных критериев. Однако даже оптимизированные схемы достаточно высокого порядка часто оказывались нереализуемы на современной элементной базе в основном из-за их большой чувствительности к технологическим допускам и нестабильности параметров элементов.
Исследования LC-фильтров на базе теории чувствительности, выполненные X. Орчардом [48] еще в 1966 г., вскрыли причину низкой чувствительности двусторонне нагруженных лестничных LC-фильтров: наличие множества внутренних взаимных связей между звеньями. Использование этого результата привело к появлению в начале 70-х годов ряда так называемых многопетлевых структурных схем (см., например, рис. 19), которые представляют собой каскадное соединение звеньев второго порядка (Tu Т2, Тп) с дополнительными частотнонезависимыми обратными связями и каналами прямой передачи сигнала [49—51]. Благодаря этому не только уменьшена чувствительность, но и появились новые свойства, такие как простота перестройки АЧХ, возможность построения фильтра любого типа на базе идентичных звеньев и др.
Наряду со структурными схемами, имеющими наперед заданную (фиксированную) топологию, применяются схемы, где соединения между звеньями определены для получения оптимальных показателей в соответствии с условиями конкретной задачи.
Другая концепция синтеза ALfC-фильтров высокого порядка с малой чувствительностью характеристик к допускам и высокой стабильностью характеристик заключается в моделировании LC-фильтра А7?С-цепью. При этом LC-фильър, имеющий требуемые характеристики, рассматривается как прототип проектируемого А7?С-фильтра (LC-прототип). В полосе пропускания ALfC-фильтры, имитирующие LC-прототип, имеют низкую чувствительность. Это объясняется очень малой чувствительностью характеристик согласованного с сопротивлениями нагрузок LC- прототипа [48]. К настоящему времени сформировались два подхода к имитации LC-прототипов: элементная имитация и операционная. Прин-
70


Рис. 19. Многопетлевые структурные схемы
цип элементной имитации прост и заключается в замещении элементов (или более крупных фрагментов) LC-прототипа или эквивалентной нормированной цепи гираторами или комплексными конверторами имми- танса, нагруженными на емкости или сопротивления.
Термин иммитанс, обозначающий либо полное сопротивление, либо полную проводимость, ввел Г. Боде [42]. Идея преобразования иммитан- сов относится к 30-м годам. Первой цепью, которая использовалась как инвертор иммитанса (возможно, еще не осознанно), явилась реактивная лампа, предложенная для автоподстройки частоты [52]. Однако принцип комплексной обратной связи, лежащий в основе действия реактивной лампы, высказал еще в 1931 г. Г. В. Брауде [53].
Выходные клеммы реактивной лампы (рис. 20) эквивалентны катушке индуктивности L = CR2/(Rg— 1) при добротности Q=^Rg— 1 /2. В дальнейшем А. А. Ризкиным [54] и другими авторами были предложены варианты реактивных ламп. С появлением транзисторов аналогичный принцип был использован для создания схем реактивного транзистора — аналога (имитатора) катушки индуктивности.
Гиратор, впервые предложенный Б. Теллегеном в 1948 г. [55] (рис. 21), является частным случаем инвертора, имеющего матрицу полных проводимостей
0
G12
— G21
0
где G12, G21 — частотно-независимые величины.
Представляя матрицу ||G|| в виде суммы двух матриц
0
0
+
0
G12
— G21
0
0
0
71


Рис. 20. Схема реактивной лампы (а) и эквивалентная цепь (б)
=>
zbx~PLi
■ Г
Рис. 21. Четырехполюсник, используемый для имитации индуктивности Рис. 22. Структурная схема гиратора
можно установить, что гиратор можно реализовать с помощью источников тока с прямыми проводимостями — Gn и G21, управляемых напряжением, т. е. цепью без реактивностей. Один из первых гираторов по такой схеме (рис. 22) был предложен Т. Рао и Р. Ньюкомбом в 1966 г. [56].
Гиратор обладает свойством имитации индуктивности при его нагрузке на емкость Сн (см. рис. 21), при этом эквивалентная индуктивность равна L3 = CH/(G12G21). Несколько позже была предложена удачная схема гиратора на ОУ, известная сейчас по имени своего автора А. Антонио [57]. Схема представляет частный случай обобщенного конвертора иммитанса (рис. 23), где У2=1//?2, У3 = рС3, У4=1//?4, У5 = 1//?Б, У6 = = 1//?6, эквивалентная индуктивность на зажимах 1 —Г равна L3 = = C3R2R4/Rs. Используя все средства, разработанные для синтеза пассивных LC-цепей, и замещая индуктивности LC-прототипа гираторами с емкостной нагрузкой, можно получить схему А/?С-фильтра.
Технические проблемы гираторной имитации, в первую очередь трудности имитации незаземленных индуктивностей, обусловили развитие других методов элементной имитации [43, 44, 58, 59], среди которых наиболее разработан метод Л. Брутона [59]. Как известно из классической теории цепей, нормирование полных сопротивлений элементов цепи на некоторый множитель, в том числе комплексный, не изменяет коэффициентов передачи токов и напряжений. Базируясь на этом свойстве, Л. Брутон в 1969 г. предложил в качестве такого множителя использовать к=\/р. Тогда элементы исходного LC-прототипа преобразуются, как показано на рис. 24. В частности, емкости преобразуются в новые элементы — частотно-зависимые отрицательные сопротивления (ЧЗОС), которые легко реализовать на базе обобщенного конвертора иммитанса, предложенного А. Антонио (см. рис. 23). Полагая У2 = рС2, Гз=1/^з, У4 = рС4, У5 = 1//?5, У6 = 1//?6, получим E==C2C4RzRb/Rç>- Пример пре-
72


Рис. 23. Схема обобщенного конвертора иммитанса
С'=//Я
0 II 0Z*//pC'
I
Z=Xr
С £'=с
0 11 0 0—111—0 Z=//pz£r
Рис. 24. Преобразование элементов при использовании нормирующего множителя к=\/р
образования исходного LC-прототипа в схему с ЧЗОС показан на рис. 25. Применение метода при имитации LC-прототипов с незаземленными индуктивностями позволяет существенно сократить количество активных элементов: так, например, при непосредственной имитации LC-прототипа (рис. 25, а) с помощью заземленных гираторов, построенных на ОУ, потребуется не менее 20 ОУ; при имитации с помощью ЧЗОС — 4 ОУ.
Еще одно использование идеи преобразования иммитанса состоит в синтезе Л/?С-цепей с применением конвертора отрицательного сопротивления (КОС) как активного элемента. КОС представляет собой четырехполюсник, который преобразует (с некоторой постоянной преобразования) сопротивление, подключенное к одной паре его зажимов, в сопротивление противоположного знака на другой паре зажимов. Легко показать, что G-параметры такого прибора удовлетворяют условию Gn = G22 = 0, Gi2G2i> 0. Известные методы синтеза Л/?С-цепей на основе КОС и пассивных /?С-цепей можно разделить на две группы, исходя из способа подключения этих цепей к КОС: для каскадного соединения (рис. 26, а) методика синтеза впервые предложена Дж. Линвиллом [32], а для каскадно-параллельного (рис. 26, б) — Т. Янагисавой [20]. Позже было разработано множество модификаций этих методов. Однако практического значения КОС- и RC-цепи не имеют, так как при увеличении порядка цепи резко возрастает чувствительность характеристик к нестабильности схемных элементов.
Элементная имитация приводит к Л/?С-цепи, эквивалентной LC-прототипу по частотным характеристикам и по чувствительности. Ряд других важных показателей ЛУ?С-фильтра (динамический диапазон, простота
73


ä L/ LJ LJ
^6bll
*6ых
Рис. 25. Пример преобразования LC-прототипа (а)
в схему с ЧЗОС (б)
Рис. 26. Структурные схемы синтеза цепей с КОС
а — для каскадного соединения, б — для каскадно-параллельного
настройки и перестройки и т. п.) также определяется исходной схемой LC-прототипа. Так как алгоритмов выбора наиболее подходящего LC- прототипа из множества схем, имеющих заданные частотные характеристики, нет и в ARC-схеме, как правило, недостаточно степеней свободы для удовлетворения других (кроме частотных характеристик и чувствительности) требований, то успех проектирования носит случайный характер. Это, вероятно, стимулировало поиск других методов имитации LC-прототипа, которые предоставляют разработчику степени свободы для оптимизации по многим важным показателям Л7?С-фильтра. Такими свойствами обладает операционная имитация, идея которой впервые была предложена Ф. Гирлингом и Е. Гудом в 1970 г. [49] и затем получила развитие в работах [60, 61]. В отличие от элементной имитации, когда элементы LC-прототипа замещаются эквивалентными в смысле входного сопротивления Л7?С-двухполюсниками, при операционной имитации моделируются операции, производимые L- и С-элементами над токами и напряжениями. Для этого применяют Л7?С-цепи с безразмерными передаточными функциями.
Чтобы пояснить различие между методами имитации, рассмотрим имитацию индуктивности (рис. 27, а). При элементной имитации она замещается ARC-двухполюсником с индуктивным входным сопротивлением (рис. 27, б). Операцию, выполняемую L-элементом, можно представить
74


Рис. 27. Операционная имитация LC-прототипа
а — прототип, б — имитация Л/?С-двухполюсником, в — имитация интегратором
в виде IL = UJpL. Полагая UL возбуждающим сигналом, а IL реакцией, эту же операцию можно выполнить с помощью интегратора с постоянной времени, пропорциональной L (рис. 27, в). Входное напряжение этого интегратора моделирует напряжение UL, а выходное — ток через индуктивность IL.
Таким образом, идея операционной имитации заключается в моделировании токов и напряжений на элементах LC-прототипа в пространстве новых переменных, имеющих для удобства реализации на ОУ размерность напряжения. При этом ARC-cxeua состоит из интеграторов (реже дифференциаторов) и сумматоров. Если каждому L- и С-элементу соответствует одна постоянная времени интегратора, то результирующая А/?С-цепь сохраняет низкую чувствительность, свойственную LC-прототипу. ARC-цепи, полученные по методу операционной имитации, имеют степени свободы для оптимизации по динамическому диапазону, чувствительности в заданном частотном диапазоне и т. п.
Для модификации поведения Л7?С-фильтров иногда при обработке сигнала используется его дискретизация во времени. Это преобразует аналоговый А/?С-фильтр в линейную цепь с переменными параметрами. Для исключения характерных паразитных эффектов (дополнительные полосы пропускания и составляющие в спектре выходного сигнала) спектр входного и выходного сигналов ограничивают частотами менее fs/2, где fs — частота коммутации. Тогда при частоте где fm —
максимальная частота обрабатываемого сигнала, все устройство (вместе с ограничителями спектра) эквивалентно обычному аналоговому фильтру.
В 1958 г. К. Дезоер [62] предложил метод периодической коммутации процесса для управления характеристиками линейных электрических цепей. Через 10 лет эту идею использовали И. Сан и И. Фриш [63] для перестройки AÆC-фильтров с помощью коммутируемых резисторов, (рис. 28) и конденсаторов. Простой анализ показывает, что эквивалентная (эффективная) проводимость такого резистора управляется2 скважностью периодической последовательности импульсов, замыкающих ключ на время т в течение периода Ts=\/fs:
£э= (1/R)t/7Y
Это позволяет управлять постоянными времени цепи, а следовательно, и частотными характеристиками Л7?С-фильтра. Одну и ту же последо¬
2 Аналогично управляется эквивалентная емкость коммутируемого конденсатора.
75


вательность импульсов можно использовать для коммутации многих резисторов цепи, что обеспечит согласованное изменение многих постоянных времени. Последнее делает метод периодической коммутации одним из наиболее эффективных для плавной перестройки сложных ARC- фильтров высокого порядка в широком диапазоне частот.
Одна из основных трудностей, препятствующих интегральному исполнению ЛУ?С-фильтров, обусловлена большими (до нескольких МОм) сопротивлениями резисторов, которые при современной технологии обладают большими допусками, нестабильны и занимают большую площадь кристалла. В 1972 г. была предложена идея моделирования
jSfi) ^S(t)
Рис. 28. Коммутируемый резистор
Рис. 29. Коммутируемая емкость (а) и ее реализация с помощью МДП-транзисторов (б)
таких «неудобных» элементов «удобными» в технологическом отношении коммутируемыми конденсаторами [64]. Она нашла дальнейшее развитие в [65]. Так как коммутируемые конденсаторы реализуются с помощью МДП-технологии, то соответствующий класс реализаций назван МДП- фильтрами с коммутируемыми конденсаторами, или ПК-фильтрами.
Идею моделирования резистора поясним с помощью схемы (рис. 29). Ключ коммутирует цепь с некоторой постоянной частотой fs, определяемой полосой входного сигнала. В левом положении ключа конденсатор С заряжается до напряжения Uи определяемого мгновенным значением входного колебания. В правом положении ключа конденсатор разряжается до напряжения U2<cUь Значение заряда, втекающего в узел U2, равно q=C(U2— U\). Средний ток, текущий из узла U\ в узел U2, равен Cfs(U2 — Ui); следовательно, сопротивление эквивалентного резистора /?э= \/(Cfs). Сопротивления порядка 10 МОм можно получить, коммутируя монолитный конденсатор емкостью 1 пФ с частотой fs=\00 кГц, оно займет на кристалле площадь всего 0,01 мм2. Если частота fs намного превышает максимальную частоту обрабатываемого сигнала, то в первом приближении эффекты, обусловленные дискретизацией, можно не учитывать и считать коммутируемый конденсатор непосредственной заменой резистора. На рис. 29, б показана ПК-реализация такого резистора, управляемого сдвинутыми последовательностями импульсов s(t), s(t).
ПК-реализация наиболее эффективна для фильтров, построенных на базе интеграторов (см., например, рис. 16). Она позволяет создавать такие фильтры звуковых частот в интегральном исполнении. Все постоянные времени RC этих фильтров определяются частотой коммутации fs и отношением емкостей конденсаторов. Это, во-первых, позволяет
76


достаточно просто управлять характеристиками изменением только частоты fs и, во-вторых, обуславливает высокую стабильность и точность реализации характеристик фильтра.
Многоканальные коммутируемые фильтры
Многоканальные коммутируемые фильтры привлекают в последнее время большое внимание, что объясняется их относительно простым математическим описанием и реализацией ключей по интегральной технологии. Эти фильтры не являются Л^С-цепями в строгом смысле этого термина, их частотные характеристики могут формироваться без участия активных элементов, только за счет изменения параметров во времени. Класс многоканальных коммутируемых фильтров появился, по-видимому, на основе изобретения, так как он непосредственно не следует из интеграла Дюамеля или интеграла Фурье.
Исходной точкой в истории многоканальных коммутируемых фильтров явился предложенный в 1941 г. В. И. Юзвинским принцип двойного преобразования частоты для создания полосовых фильтров с высокой избирательностью [66]. В 1947 г. несколько обобщенный (двухканальный) вариант аналогичного фильтра был разработан и описан Н. Барбером [67]. В 1960 г. Л. Франкс и И. Сандберг [68] предложили обобщенный аналоговый и дискретный А/-канальный фильтр (рис. 30), который они рассматривали как альтернативный каскадному способ реализации передаточных функций (особенно удобный для создания полосовых фильт- ров).
Если в качестве колебаний p(t) и q(t) подать гармонические колебания, а в качестве перемножителей в верхнем плече использовать аналоговые модуляторы с выделением разностной и суммарной частот, то получим фильтр Юзвинского, причем высокую избирательность формирует фильтр нижних частот h(t). Если в качестве p(t) и q(t) использовать последовательность коротких тактовых импульсов с периодом Т <С 1/(2 Д/5) и пере-
Р и с. 30. Структурная схема ЛЛканального фильтра
77


Рис. 31. Коммутационный вариант jV-канального фильтра
Рис. 32. Схема синхронного фильтра-
множители, то получаем дискретный (по времени) фильтр. При использовании двух каналов структуры, приведенной на рис. 30, получается квадратурный фильтр. В общем случае имеется N каналов, тактовые последовательности в которых смещены по времени на интервал Т/N. При этом iV-канальность фильтра позволяет формировать характеристики и компенсировать паразитные продукты преобразования частот или взятия выборок (в дискретном случае).
Некоторое практическое применение нашел, по-видимому, лишь квадратурный фильтр, позволяющий создавать высокоизбирательные полосовые фильтры с эквивалентной добротностью, достигающей значения 500. При этом узкополосные фильтры низкой частоты h(t) несложно реализовать посредством пассивных или активных ÆC-цепей. Требуемую полосу пропускания сравнительно просто реализовать на переменной средней частоте путем изменения частоты опорного генератора.
Простой реализацией А/-канального фильтра явился его коммутационный вариант (рис. 31), где N одинаковых простых фильтров Н(р) подключены ко входам, выходам и N поворотным переключателям. Роторы переключателей вращаются синхронно с угловой скоростью 2я/. Поворотные переключатели выполняются в виде электронных ключей.
Подобная интерпретация работы iV-канального фильтра «перекликается» с идеей синхронного фильтра, появившегося в 1953 г. [69]. В синхронном фильтре (рис. 32) четерыхполюсники по существу заменены одинаковыми конденсаторами С, образующими вместе с резисторами Ri и /?2 необходимые фильтры.
78


ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
РАЗВИТИЕ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ
Развитие антенной техники можно разбить на три основных периода. В первом — с конца XIX в. до середины 30—40-х годов XX в.— закладываются основы техники антенн и происходит становление теории антенн как самостоятельного научного направления. При этом ведущую роль играют интересы практики; разрабатываются, главным образом, приближенные инженерные методы расчета антенн, базирующиеся на электростатике, теории квазистационарных цепей и длинных линий. Недостаточная обоснованность этих методов зачастую приводила к неточным выводам и различным парадоксам. Тем не менее и в это время был получен ряд важных результатов общей теории антенн. На этом этапе развиваются вибраторные антенны для диапазонов от СДВ до УКВ (метровых волн).
Во втором периоде — начиная с конца 30-х годов — для расчета антенн все шире начинают применять более строгие методы электродинамики, опирающиеся на все усложняющийся математический аппарат. Ставятся и решаются задачи общего характера (например, синтеза антенн по заданным характеристикам и т. п.). По времени этот период соответствует развитию техники СВЧ антенн (главным образом, рупорных и зеркальных).
Для третьего, современного периода (примерно с 60—70-х годов) характерна разработка многозеркальных антенн, больших зеркальных и многовибраторных антенн для радиотелескопов, фазированных антенных решеток с применением разнообразных методов обработки сигналов и т. п.
В настоящей главе рассматриваются вибраторные и проводные антенны, развитие которых относится к первому из перечисленных периодов. При этом, поскольку обзор основных вех этого периода уже дан в нашей первой книге [1], то здесь более детально освещается идейная и научная стороны вопроса 1. Отметим, что история развития антенной техники этого периода изложена в обстоятельном обзоре И. А. Домбровского [2], основные этапы развития отечественных антенных устройств рассматривались в статьях Б. В. Брауде [3], А. А. Пистолькорса и Я. Н. Фельда [4], очерках И. Г. Кляцкина [5] и М. Ç. Неймана [1, библ. 79], в монографии А. А. Пистолькорса [1, библ. 94], а из зарубежных работ — в статье П. Картера и X. Бевереджа [6].
Начало антенной техники
Антенны впервые были применены в опытах Г. Герца [7]. Передающая антенна — «диполь Герца» — представляла собой симметричный вибратор в виде двух, разделенных малым искровым промежутком, металлических стержней с емкостными нагрузками (шарами, дисками) по концам. Антенна играла существенную роль в схеме Герца: примененный им электростатический генератор заряжал емкости диполя, а излуче¬
1 Ссылки на библиографию, содержащуюся в [1], даются ниже в виде: [1, библ. №].
79


ние возникало лишь в процессе их разряда через искровой промежуток. При этом в антенне, как в резонансной колебательной системе, возбуждались собственные высокочастотные колебания, затухающие вследствие потерь на излучение. Увеличение емкости антенны за счет концевых нагрузок было необходимо Герцу для повышения запасаемой энергии; эта емкость, кроме того, удлиняла собственную резонансную длину вибратора. Впоследствии с этой целью концевые нагрузки применялись в большинстве вибраторных антенн после перехода к работе на незатухающих колебаниях. Частотный спектр излучения определялся антенной. Диполь Герца явился родоначальником обширного семейства разнообразных вибраторных антенн, появившихся позднее. В качестве индикатора излучения Герц использовал такой же диполь, а также резонатор — незамкнутое проволочное кольцо, малый зазор в котором пробивался при достаточно интенсивном внешнем поле, при размерах диполя и резонатора, соответствующих резонансу. Чувствительность приемного резонатора Герца была чрезвычайно мала. Резонатор Герца можно рассматривать как прототип антенн другого, более позднего типа — кольцевых рамок. Герц впервые осуществил направленное излучение электромагнитных волн, применив параболический отражатель с диполем в его фокусе. Он наблюдал явление преломления радиоволн диэлектрической призмой и их поляризацию. Он объяснил механизм излучения дипольной антенны «отшнуровыванием» силовых линий поля при изменениях направления колебательного тока в диполе.
А. 	С. Попов в качестве передающих антенн, помимо разновидностей диполя Герца, применял различные проводные антенны, состоявшие из вертикального или наклонного снижения и верхней емкостной нагрузки (системы горизонтальных проводов),— прототипы различных Т-образных антенн. Такая конструкция была, очевидно, навеяна удобством ее установки между мачт корабля. Он впервые применил приемную антенну в виде вертикального или наклонного провода, существенно повысив этим эффективность приема [8].
Различные проводные приемные и передающие антенны применял и Г. Маркони. Он предпринял попытку выполнить на практике зеркальную антенну в виде двухэтажной системы вибраторов, расположенных по форме параболического цилиндра, однако существенного выигрыша в сигнале при этом получено не было.
Первые антенны составляли единое целое с генератором и приемником, органически входя в состав их выходного (генератор) или входного (приемник) контуров. Их резонансные свойства были невысокими. Поэтому вскоре антенны выделили в самостоятельные устройства. Начиная с 1899 г. появились патенты на различные конструкции антенн. В частности, фирма «Маркони» разработала зонтичную и Г-образную антенны [9]. Снижение выполнялось одиночным проводом или веером проводов, верхняя нагрузка создавалась горизонтально подвешенными параллельными или радиально расходящимися проводами. Эти антенны, как и Т-образная, явились в последующем основными типами передающих антенн в диапазонах СДВ и ДВ. При этом зонтичная антенна имела ряд разновидностей: с наклоненными от центра книзу радиальными проводами, чтобы избежать необходимости применения несколь¬
80


ких опорных мачт, с веерообразной (крышеобразной) верхней нагрузкой, занимающей неполный круг и т. п. Все эти антенны имели вертикальную поляризацию излучения, так как она обеспечивала большую дальность связи, и были ненаправленными в горизонтальной плоскости. В 1912 г. Г. Гершельман расчетно показал, а в 1914 г. Дж. Хоган экспериментально подтвердил наличие у Т-образных антенн некоторой направленности, обусловленной протяженностью горизонтальной части и потерями в земле.
Для применения в качестве приемных антенн был предложен ряд конструкций, обеспечивавших азимутальную диаграмму с одним или двумя нулями, пригодных для целей пеленгации приходящего сигнала и уменьшения пространственных помех. Среди них — системы из двухтрех разнесенных и сфазированных вертикальных вибраторов (И. Ценней, 1900 г., К Браун, 1899 г.), различные рамочные антенны (Л. де Форест, 1904 г., К. Браун, 1903, 1906 гг.), рамка с компланарным вибратором (Ж. Пикар [1, библ. 307]), имеющая кардиоидную диаграмму направленности.
Для того, чтобы обойтись без поворота громоздкой антенны для перемещения нуля диаграммы, Э. Беллини и А. Този [1, библ. 168] разработали гониометр — систему из двух неподвижных взаимно перпендикулярных рамок-антенн, присоединенных к двум также неподвижным взаимно перпендикулярным катушкам самоиндукции с установленной внутри них поворотной катушкой, напряжение с выхода которой подавалось на индикаторное устройство. Поворот этой катушки был эквивалентен повороту диаграммы направленности рамочной антенны. Гониометрические антенны нашли широкое практическое применение.
Одновременно с разработкой конструкций проводных антенн начались интенсивные исследования самих вибраторных излучателей, или, как их называли в то время,— открытых резонаторов. При этом исследователи (а среди них были такие видные физики, какМ. Планк, Дж. Томсон, П. Друде, В. Бьеркнес, А. Слаби и др.) опирались на теории акустических колебательных систем и электрических линий. Однако полностью описать явления излучения электромагнитных волн эти теории не могли. М. Абрагам в своей принципиально важной работе [10] рассмотрел осесимметричные собственные затухающие колебания эллипсоидального вибратора. Выбор такой формы излучателя объяснялся тем, что она допускала строгое решение уравнений Максвелла разделением переменных, и, кроме того, эллипсоид в пределе переходил в прямолинейный провод, т. е. в реальный вибратор. Абрагам нашел поля, излучаемую мощность и декремент затухания собственных колебаний. В последующих работах [1, библ. 147] он показал для вертикального заземленного провода, что методом зеркальных отображений этот излучатель сводится к симметричному вибратору. Аналогичную мысль практически одновременно высказал и А-. Блондель [1, библ. 172]. Абрагам пришел также к выводу, что волна, набегающая на конец провода, полностью от него отражается, так что в проводе устанавливается стоячая волна. Теоретические выводы Абрагама были экспериментально подтверждены Ф. Ки- битцем, А. Слаби и Г. Арко.
Исключительно важное значение для развития антенной техники имели работы Р. Рюденберга [1, библ. 324]. Используя представление
81


дипольной приемной антенны в виде эквивалентного LCÆ-контура, он учел взаимодействие антенны с падающим полем (что до него никто не делал), приводящее к обратному излучению, вследствие чего в эквивалентной схеме проявилось как бы дополнительное сопротивление, названное им сопротивление излучения R£. Это сопротивление Рюденберг приписал и диполю в режиме передачи; он не ошибся при этом, поскольку распределения тока в диполе в обоих режимах одинаковы. Получив простую расчетную формулу для R^ диполя, он распространил ее и на вертикальные провода, как с нагрузкой, так и без нее, введя при этом понятие длины эквивалентного диполя, определенное как отношение среднего тока в вибраторе к току у его основания. Этот параметр, получивший впоследствии название действующей высоты /гд антенны, так же, как и сопротивление излучения R£, и в настоящее время используются в качестве основных характеристик всех проводных антенн. При этом надо заметить, что формула Рюденберга в записи Ценнека для симметричного вибратора
/?z = 160тт2(/гд/Л,)2,
строго говоря, пригодна лишь для антенн малых размеров по сравнению с А,. Рюденберг пришел к выводу, что приемная антенна не только поглощает, но и рассеивает энергию падающего на нее электромагнитного поля с максимумом поглощения, как у резонансного вибратора, согласованного с нагрузкой (.Rh = R2). В этом случае поглощаемая и рассеиваемая энергии равны. Если же вибратор не имеет сопротивления (т. е. попросту замкнут накоротко, а омических потерь в нем нет), то рассеиваемая энергия учетверяется, а не удваивается. Рюденберг ввел понятие площади поглощения и нашел ее равной 3/2А,2/(4я) для настроенного и согласованного диполя. Эти результаты и оценки оказались правильными, а поглощающая поверхность впоследствии стала основной характеристикой приемных антенн более поздних типов, заменив действующую высоту, удобную лишь для проводных антенн. Но сделанный Рюденбергом вывод о том, что КПД приемного вибратора не может превышать 50%, нужно оценить критически. Следует рассматривать этот вывод Рюденберга как констатацию, что для настроенного диполя или резонансного вибратора максимальная поглощаемая приемной антенной мощность не может превышать рассеиваемую мощность. А КПД приемной антенны следует оценивать по реальным омическим потерям в самой антенне.
Длинноволновые антенны
Развитие антенной техники стимулировалось необходимостью в конструировании антенн для дальних, в том числе трансокеанских связей, поскольку использовавшийся в то время океанский кабель был ненадежен, а его прокладка дорога.
В работах А. С. Попова и Г. Маркони для затухающих колебаний было установлено, что эффективность радиосвязи росла при удлинении провода антенны, а это соответствовало возрастанию резонансной, т. е. рабочей длины волны. В результате последняя быстро возрастала: если
82


Г. Герц проводил свои опыты на метровых волнах, то первая трансатлантическая связь была установлена (Маркони, 1901 г.) на волне 366 м; в 1902 г. для устойчивой радиотелеграфной связи использовалась уже волна 1100 м, а в первой коммерческой линии связи Ирландия — Ньюфаундленд, открытой в 1907 г., длина волны равнялась 3650 м. Было установлено, что вертикально поляризованные антенны эффективнее горизонтально поляризованных, и это предопределило конструкцию антенн длинных и средних волн. Еще более быстрыми темпами происходило удлинение рабочей волны после перехода на незатухающие колебания. Это объянялось уменьшением (с удлинением волны) затухания приземных радиоволн, использовавшихся в дальних связях вплоть до перехода на короткие волны. Кроме того, упрощалось создание достаточно эффективных передающих и приемных устройств. К тому же длинные волны были пригодны для телеграфных сообщений, требовавших достаточно узкую полосу частот — порядка сотни герц. К концу Первой мировой войны длина волны радиостанций возросла до 20—25 км. Сверхдлинные радиоволны продолжают использоваться и в настоящее время, например в системах глобальной навигации или для связи с подводными лодками.
Развитие радиовещания, интенсивно начавшееся в начале 20-х годов, потребовало расширения рабочей полосы частот до 6—10 кГц. Это можно было реализовать, только уменьшая длину волны, так как в отведенном частотном диапазоне нужно было разместить очень много радиостанций. Поэтому за рубежом для радиовещания стали использовать средневолновый диапазон. В СССР, однако, в связи с необходимостью использования больших радиусов действия было сочтено целесообразным охватить и часть длинноволнового диапазона, так называемый промежуточный диапазон — от 1000 до 2000 м.
Уже первые длинноволновые антенны были довольно большими. Так, на радиостанции Полдью в 1902 г. на волне 1100 м использовалась антенна в виде вертикального конического веера высотой 64 м и диаметром (по верху), равным 61 м. При добавлении к нему горизонтального зонтика рабочая волна составляла 4270 м. В коммерческих линиях связи, сооруженных в 1907—1914 гг. фирмой «Телефункен», использовались зонтичные и крышеобразные антенны высотой 100—250 м. В то же время фирма Маркони перешла на Г-образные антенны с веерным снижением высотой 180 м и горизонтальной частью длиной около 1500 м на 13 мачтах высотой 120 м. И все же действующая высота этих антенн была весьма мала, составляя лишь сотые доли длины волны. Сопротивление излучения этих антенн равнялось долям ома, а верхняя нагрузка, вместе со своим зеркальным отображением в земле, представляла собой огромный плоский и практически неизлучающий конденсатор. Основными задачами инженерной отладки этих антенн были обеспечение согласования антенны с выходом передатчика и всемерное уменьшение омических потерь, в том числе в земле. Согласование выполнялось настройкой антенны ц резонанс при помощи удлинительных катушек самоиндукции на входе антенны. В связи с этим возникла необходимость расчета эквивалентной емкости сложных антенных сетей.
Емкость горизонтальных проводов антенны первым удалось рас¬
83


считать Л. Коэну в 1913 г. Затем в 1914—1917 гг. Г. Хоу разработал универсальный приближенный метод [1, библ. 255]. В методе Хоу электрический заряд принимался равномерно распределенным по всем соединенным между собой проводам радиосети и рассчитывался ее средний потенциал, после этого определялись емкости частей антенны как отношение заряда к среднему потенциалу. В последующие годы этот метод неоднократно модернизировался. Так, М. В. Шулейкин в 1917—1918 гг. [И] разработал упрощенный метод расчета антенн из горизонтальных и вертикальных проводов одинакового радиуса. Расчетами емкости антенн занимался также В. А. Гуров (1918 г.), ее измерениями — И. Г. Фрей- ман (1912 г.) и др., определением емкости воздушного противовеса — И. Г. Кляцкин (1921 г.). В 1922 г. М. В. Шулейкин и. А. Л. Минц разработали графический метод расчета радиосети. Формулы Шулейкина были экспериментально подтверждены А. А. Пистолькорсом (1927 г.).
В 1928 г. Ф. Гровер составил подробное руководство [12] по расчету емкости антенн, включающее систематическое изложение метода Хоу. Пятнадцать лет спустя, в 1943 г., в развитие расчета емкости антенн Я. Н. Фельдом был предложен более точный метод [13], учитывающий неравномерное распределение зарядов по проводникам антенны при ее любой конфигурации. Фельд составил точное интегральное уравнение для распределения зарядов по проводникам антенны. При численном решении этого уравнения с использованием таблиц и графиков Хоу распределение зарядов аппроксимировалось кусочно постоянной функцией, вследствие чего интегральное уравнение сводилось к системе алгебраических уравнений относительно плотностей зарядов на отдельных проводниках. Наконец, в 1963 г. Л. Ш. Натадзе уточнил и упростил расчетные формулы метода Хоу, приведя их к более удобному для инженерной практики виду. Уже в послевоенные годы в 1966 г. Б. В. Брауде [14] предложил использовать для расчета емкости сильно развитых полотен радиосетей теорию проволочных сеток, разработанную М. И. Конторовйчем и его учениками [15]. При этом Брауде учитывал также и провес полотен и возбуждение опорных металлических мачт.
На коротковолновом участке ДВ диапазона, где нельзя было представить антенну простым конденсатором, И. Г. Кляцкин в 1924 г. предложил вычислять реактивное сопротивление антенны как системы из соединенных между собой, параллельно или последовательно, отрезков длинных линий с различными волновыми сопротивлениями. Такой подход оказался весьма плодотворен и сразу нашел широкое применение.
Следует отметить, что в рамках теории длинных линий нельзя было найти активное сопротивление излучения, которое продолжали рассчитывать через вектор Пойнтинга. Первоначально для этого использовали формулу Рюденберга. Однако, в эту формулу входила действующая высота антенны, которую Рюденберг определил лишь для линейных вибраторов. М. В. Шулейкин [16] дал расчет действующей высоты реальных сложных антенн основных типов. В отдельных случаях действующая высота имела весьма простое выражение:
/гд
h
д. верт
— h
2
д. верт
/(2 U
где /гд ВерТ — действующая высота вертикальной, а Ьэ — эквивалентная
84


длина горизонтальной части антенны. В то же время формула Рюден- берга для Rz имела принципиальный недостаток: в ней не учитывалась разность хода от точек антенны. Поэтому, например, в случае полуволнового вибратора она завышала сопротивление излучения на 10%, что было отмечено еще Рюденбергом [1, библ. 324]. В связи с этим Б. Ван-дер-Поль [17] и независимо от него С. Баллантайн [18], используя тот же метод вектора Пойнтинга, вывели формулы, пригодные для линейных излучателей любой длины с синусоидальным распределением тока. Баллантайн исследовал случай ненагруженного (сверху) вибратора; он рассчитал график сопротивления излучения, отнесенного к пучности, в том числе на волнах короче резонансной. Именно такие излучатели рекомендовались им для диапазона СВ. Ван-дер-Поль рассмотрел более общий случай вибраторов с произвольными нагрузками по обоим концам, а М. И. Конторович придал формуле Ван-дер-Поля более удобный для практики вид:
Р2 =>4i cos 2kl3 — A2 sin 2kl3-\-Az,
где коэффициенты А\, А2, Аз являются функциями только высоты h вибратора, /э = /г-|-6э, Ьэ — эквивалентная длина верхней нагрузки; при этом коэффициенты At, А2, А3 были представлены им в виде графиков. Обосновывая необходимость полученных формул. Ван-дер-Поль указал на грубые принципиальные ошибки Л. Остина, допущенные им при применении формулы Рюденберга для расчета сложных антенн.
Для оценки омических потерь Rn М. В. Шулейкин предложил простую эмпирическую формулу Rn = AX / Хре3. В ней коэффициент А определялся экспериментально и составлял от 0,5 до 7 Ом. И. Г. Кляцкин показал, что КПД г] антенны ДВ можно рассчитывать по формуле т] = ( 1 -f- Rn / /?2) -1, если потери Rn отнесены к тому же току, что и /?2. Надо заметить, что в настоящее время применяется более общая формула, в которой сопротивления заменены соответствующими добротностями.
На базе рассмотренных идей было развито представление антенн СДВ в виде эквивалентного контура. Этими вопросами в 1918—1923 гг. занимались А. А. Петровский, В. В. Татаринов, Д. А. Рожанский, И. Г. Фрейман, исследовавшие эквивалентные параметры антенны как контура. Несколько позднее, в 1930—1932 гг. И. Г. Кляцкиным и М. И. Конторовичем были даны методы определения полосы пропускания длинноволновых антенн, а В. В. Татариновым — их декремента затухания, представлявших интерес для радиовещания.
Так как сопротивление излучения реальных антенн ДВ составляло всего лишь доли или единицы ома, то для обеспечения приемлемого КПД следовало уменьшать общие потери в антенной системе до значений такого же порядка. Основную роль играли потери в земле и заземлении, а также потери в проводах самой антенны и ее органах настройки, опорных мачтах, изоляторах и оттяжках. Еще в 1910—1912 гг. М. Райх [1, библ. 315] и Г. Труэ [19] исследовали токи в земле у основания антенны и их влияние на потери. Вслед за этим был разработан ряд конструкций заземлений. Опираясь на расчеты Т. Эккерслея (1922 г.), фирма «Мар- кони» применила воздушные противовесы в виде системы проводов, подвешенных под сетью антенны на расстоянии нескольких метров над
85


поверхностью земли. Однако такой противовес не охватывал всего поля антенны и оказался недостаточно эффективен. Затем в 1923 г. П. Бувье предложил систему многократных точек заземления с настраиваемыми ответвлениями, имитирующими сплошную металлизацию [20]. Наиболее эффективным оказалось заземление, разработанное в 1921 —1923 гг.
А. 	Мейснером [21]. Оно представляло собой оптимальную аксиальнокольцевую сеть, обслуживавшую все антенное поле. Отработка этой сети осуществлялась на моделях. При практической реализации усовершенствованной системы Мейснера удалось обеспечить КПД до 40—50% на волнах 12—16 км и до 70—85% на более коротких волнах.
Эти системы заземления использовались и в СССР, причем советские ученые проводили дополнительные исследования применительно к задачам проектирования конкретных антенных систем для реальных условий их расположения. Так, И. Г. Кляцкин еще в 1921 г. рассчитывал емкости воздушных противовесов, М. В. Шулейкин и В. И. Баженов в
1922 г.— потери в системе антенна—противовес—грунтовые воды, Б. П. Терентьев в 1926 г. исследовал поля антенной сети на моделях.
Значительный прогресс в разработке эффективных антенн СДВ был достигнут Э. Александерсоном. Описанная им в 1920 г. [1, библ. 152] антенна отличалась от обычной Г-образной антенны несколькими (до шести) разнесенными вдоль горизонтальной части и параллельно включенными в нее снижениями, заземленными через настраиваемые катушки самоиндукции. Этим достигалось уменьшение токов в каждом заземлении и соответственно — уменьшение суммарных потерь в земле в п раз, где п — число снижений. Одновременно возрастало сопротивление излучения каждого снижения из-за взаимодействия с остальными, а это облегчало настройку антенны. Настройка снижений осуществлялась так, чтобы они образовывали синфазную решетку настроенных в резонанс элементарных диполей. Правда, из-за малости общей длины антенны (всего лишь доли длины волны) азимутальная направленность такой решетки была незначительна — всего лишь 20% по полю. На волнах 12—16 км КПД такой антенны составлял около 20%, что значительно превышало КПД обычных Г-образных антенн. Впоследствии были предложены и другие эффективные варианты антенн с несколькими настраиваемыми снижениями. Так, при настройке снижений на разные частоты удалось добиться расширения полосы антенны настолько, что ее можно было применять для радиотелефонии. Однако, несмотря на столь очевидные преимущества намечавшееся за рубежом широкое развертывание строительства этих антенн не было реализовано из-за перехода на короткие волны, и дальнейшее развитие техники антенн СДВ на некоторое время было прекращено.
В первых советских радиостанциях начала 20-х годов, работавших на длинных волнах (2000—5500 м), использовались Г-образные антенны с резонансной волной 1500 м, подвешенные на деревянных мачтах высотой 120—150 м, и заземлениями как по схеме Бувье, так и с воздушным противовесом. Радиовещательная станция, сооруженная в 1922—
1923 гг., работала на волне 3100 м и имела Г-образную антенну. Для ее подвеса в Москве на Шаболовке по проекту инженера В. Г: Шухова была сооружена специальная цельнометаллическая башня. Вскоре в
86


СССР для радиовещания был принят промежуточный диапазон волн от 1000 до 2000 м и поставлен вопрос о строительстве общесоюзной сети таких радиостанций. Вопрос выбора антенн для них рассматривался
А. 	Е. Сузантом в 1926 г., формулировались требования к таким антеннам (И. Г. Фрейман, 1928 г.).
За рубежом аналогичные вопросы разрабатывались Н. Линденбладом и К. Брауном (1926 г.). Предлагались различные схемы антенн, среди которых отметим системы Т-образных антенн, размещенных треугольниками (И. Г. Фрейман, 1928 г.), П-образную антенну с двумя снижениями и «кольцевой Александерсон» в виде одного активного центрального и расположенными по кольцу несколькими пассивными настраиваемыми снижениями. И. Г. Кляцкин и А. Л. Минц (1928 г.) рассмотрели также возможность использования одной и той же антенны на двух несовпадащих частотах, когда на волне короче резонансной антенна работает «на укорочении». При этом у ее основания включается не самоиндукция, а емкость.
Этапным было сооружение разработанной в 1932 г. А. Л. Минцем,
3. 	И. Моделем, М. И. Конторовичем и С. В. Персоном антенны для 500-кВт радиовещательной станции им. Коминтерна (так называемый «Большой Коминтерн»). Антенна представляла собой три расположенные в линию синфазные Т-образные антенны с общей горизонтальной сетью, подвешенной на четырех мачтах. При расстояниях между мачтами 290 м и длине настраиваемых снижений 185 м резонансная длина волны составляла 1900 м, а рабочая длина волны — 1744 м; КПД равнялся 80%. Эта антенна [22] обычно относится к типу Александерсона, но отличается от нее мощными выходными усилителями, включенными в каждом снижении.
Среди разработок последующих лет отметим спроектированную Б. В. Брауде, Е. А. Копытиным, М. С. Нейманом и описанную в 1946 г. [23] антенную систему сверхмощной (1200 кВт) радиовещательной станции, сооруженной во время Великой Отечественной войны. Эта антенна представляла собой размещенную по сторонам квадрата систему четырех настроенных металлических башен высотой 200 м с верхней нагрузкой. В зависимости от фазировки башен можно было осуществлять как ненаправленное, так и однонаправленное излучение. Антенна работала в широком частотном диапазоне. В качестве фидера использовалась жесткая коаксиальная линия диаметром 570 мм, с внутренним проводником из 10-мм медных трубок, размещенных пучком диаметром 150 мм.
При проектировании антенн СДВ и ДВ важной была проблема перенапряжений в проводах антенны, приводящих к возможности коронного разряда. На более коротких волнах по этой же причине возникали факельные истечения. Исследования этих явлений были проведены в 1928 г. С. И. Зилитинкевичем, в 1935 г.— М. С. Нейманом, в 1939 г.— И. С. Гоноровским. Нейман, выполнив измерения с двухпроводной линией на разных частотах и при разных диаметрах проводов, применил их результаты к антеннам, перейдя от критических напряжений в линии к критическим напряженностям поля для антенны, и дал расчетные формулы.
В качестве приемных антенн в это время, помимо рамок, применялись антенны тех же основных типов, что и передающие, т. е. Г- и Т-образные,
87


зонтичные, но существенно упрощенные. Так, горизонтальная сеть выполнялась просто из двух параллельных проводов, поскольку можно было ограничиться меньшим КПД. В 1918 г. Г. Бевередж [1, библ. 170] предложил весьма простую антенну в виде провода, подвешенного горизонтально на небольшой высоте и нагруженного на волновое сопротивление (так называемая волновая антенна).
Сопротивление излучения радиопередающих ДВ антенн обычно рассчитывалось по формуле Ван-дер-Поля, а реактивное входное сопротивление и действующая высота вычислялись с использованием теории длинных линий. С. И. Надененко для этих антенн рассчитал упрощенные заземления в виде систем радиальных проводов длиной до 0,5 X с «пятачковыми» законцовками.
Перед самой Второй мировой войной и в последующие годы теория и техника антенн СДВ получили новый импульс вследствие появления новых областей их применения, в частности для связи с подводными лодками. В 1961 —1962 гг. обсуждается возможность использования в качестве антенн (помимо модернизированной системы Александерсона) естественных земных образований — островов (М. Морган, 1960 г.) или долин-каньонов («долинная антенна» — К. Хобарт, 1952 г.). Применяются схемы щелевого излучателя Айзенберга (исследованного на СВ Б. С. Надененко). Кроме того, исследуется возможность использования подземных антенн (Г. А. Лавров и А. С. Князев [24], В. Кронегер и X. Фогт, 1956 г.), идея которых была высказана еще Ф. Кибитцем. Совершенствуется и упрощается также и методика расчета антенн СДВ. Такая методика была разработана Б. В. Брауде [14]. Прежде всего, полоса 2F антенны связывается с ее добротностью QA = X2//?2 и КПД т| согласно формуле
2F /fBtc=\/(j\QA)9
где л = Qn / (Qn + QA), Qa = 3X3/(8ji21/) — добротность антенны, V — объем, занимаемый ее сетью, V = sh, Qn — добротность элементов ее настройки с учетом омических потерь в антенне, 5 — площадь радиосети, h — высота ее подвеса, приблизительно равная hA. Таким образом, одна и та же полоса получается при различных сочетаниях s и h. Оптимальная конфигурация выбирается исходя из экономических соображений с учетом, в частности, стоимости опорных мачт и металлоконструкций. Упрощается расчет емкости, более точно рассчитывается электрическая прочность антенны.
Большая работа была проведена по совершенствованию расчета заземлений. Так, Дж. Браун в ряде работ (например, [25]) развил метод расчета распределения токов в земле антенны и исследовал влияние заземления на эффективность антенны. Удобный для численных расчетов метод предложил М. С. Нейман. Б. В. Брауде показал, что при малых размерах антенны и заземления (в долях длины волны в почве) достаточно точен приближенный метод М. И. Конторовича и H. С. Бесчастнова. Ряд экспериментальных и теоретических работ был посвящен определению входного сопротивления антенн с учетом конечной проводимости земли. Сведения о некоторых типах антенн длинных и сверхдлинных волн приведены в [1, с. 131—135].
88


Антифединговые антенны и антенны СВ диапазона
Предположение о существовании в атмосфере ионизованных слоев было впервые высказано еще до открытии электромагнитных волн в 1874 г. при объяснении вариации магнитного поля земли. В 1902 г. О. Хевисайд [1, библ. 245] и независимо от него А. Кеннели [1, библ. 264] постулировали существование ионосферы и ее влияние на распространение радиоволн как объяснение трансатлантической связи, установленной в 1901 г. Г. Маркони. В 1912 г. У. Икклз подтвердил расчетом справедливость предположения Хевисайда и Кеннели. В дальнейшем на различных волнах проводилось зондирование ионосферы, исследовались ее изменения в зависимости от различных условий. При этом было подтверждено существование отражения от ионосферы волн различных диапазонов, от промежуточного до коротковолнового. Если на КВ эти отраженные волны вскоре начали применяться для дальних радиосвязей, то на ДВ и СВ они оказывали вредное действие: вызывали периодические замирания сигнала — фединги, т. е. неустойчивый прием, вплоть до полного пропадания сигнала. В системах связи для борьбы с федингами был предложен прием на несколько параллельных антенн. Для радиовещания, однако, такой метод был неприемлем.
С. 	Баллантайн в 1924 г. [26] нашел выход из положения, предложив использовать антенны с более узкой угломестной диаграммой направленности, первый нуль которой ориентирован так, чтобы отраженный сигнал либо совсем отсутствовал в зоне приема, либо был сильно ослаблен. Рассчитав диаграммы направленности вертикальных вибраторов различной длины с синусоидальным распределением тока, он рекомендовал применять передающие вибраторы высотой 0,64À, у которых распределение тока имеет нуль на высоте 0Д4А, над землей. Первый нуль угломестной диаграммы был ориентирован под углом 40° над горизонтом, а уровень следующего за ним бокового лепестка составлял всего лишь 3% (по мощности). Однако, такая высота антенны была значительна; поэтому Дж. Браун [27] провел детальный анализ различных вариантов выполнения антифединговых антенн, сравнивая их электрические, конструктивные и экономические параметры. Среди них были: несимметричные вибраторы без верхней нагрузки, с верхней емкостной нагрузкой, секционированные (т. е. с включением в различных местах катушки самоиндукции), симметричный вибратор, поднятый над землей, вертикальная антенна К. Франклина, а также система излучателей, расположенных по кольцу и т. п. В результате анализа он пришел к выводу, что по совокупности параметров наиболее оптимален вибратор, предложенный Баллан- тайном (т. е., длиной 0,64^), однако ценою уменьшения дальности действия его можно было укоротить до 0,528А,; ему эквивалентен вибратор высотой 0,375А, с верхней нагрузкой.
Вопросы построения антифединговых антенн навели Г. С. Рамма (СССР) на мысль рассмотреть общую задачу нахождения распределения тока в антенне по заданной диаграмме направленности. В 1937 г. он рассматривал обычное выражение диаграммы направленности вертикального вибратора длины I при симметричном распределении тока вдоль него [28]
89


I
£(0)= —/60 fer-'sin0exp( — jkr) j I(z)cos(kzcos&)dz (a)
как интегральное уравнение относительно распределения тока I{z). Для решения этого уравнения он использовал известное разложение
оо
cos(&zcos0)= VЕп(— \)nJ2n(kz)cos2nQ, Еп={п~^
Z-/ 12, п =^= 0,
л = о
где J2n(kz) — функция Бесселя. При этом уравнение (а) приводится к виду
оо
f(0)(sin0)-I= Y, ^2nCOS2/î0,
п = 0
где коэффициенты /
А 2п = Еп ^ I(z)J2n(kz)dz
быстро убывают с номером п при любых I(z). Рамм сделал важный вывод о том, что решение задачи возможно не при любых формах диаграммы направленности, а лишь таких, когда коэффициенты их разложения в ряд Фурье убывают определенным образом. Этот вывод имел принципиальное значение для всей последующей теории построения (синтеза) антенн по заданной диаграмме направленности. К работе Рамма близко примыкала работа А. А. Пистолькорса (1939 г.), в которой рассматривался более общий случай произвольных распределений тока. В этом случае интеграл в формуле (а) записывается в виде
i
^ I(z)exp(jkzcosQ)dz,
— i
а для его преобразования используется разложение
оо
exp(/xcos0)= Y Jn(x)exp(jnQ).
П — оо
Антифединговые антенны СВ диапазона за рубежом в основном выполнялись в виде цельнометаллических башен, либо изолированных от земли и установленных на изоляторе-подпятнике, либо свободностоящих, заземленных, с так называемым шунтовым питанием (рис. 33). Такое питание для вертикальных несимметричных вибраторов было предложено в 1937 г. Дж. Моррисоном и П. Смитом [29]. Они экспериментально исследовали характеристики таких антенн и показали возможность подбора точки подключения фидера, чтобы входное сопротивление антенны было чисто активным и близким к 70 Ом.
Как в СССР, так и за рубежом появилось много работ по конкретным конструкциям антифединговых антенн и анализу их характеристик. Предлагались различные варианты выполнения, рассматривалось влияние на их параметры элементов крепления оттяжек, тросов, верхней нагрузки, проводимости земли: О. Бем (1932 г.), 3. И. Модель и С. В. Персон (1936 г.), X. Гиринг и Г. Браун (1935 г.), Дж. Браун и Дж. Лейте (1937 г.), Б. В. Брауде (1939—1946).
90


/
Рис. 33. Схематическое изображение типичных антенн средних волн
а — антифединговая антенна-мачта с изолированным основанием', б — свободностоящая антенна-башня с заземленным основанием и параллельным возбуждением, в — антенна с верхним питанием, г — антифединговая антенна-мачта с регулируемым распределением тока (1 — мачта с изолированным основанием, 2 — свободностоящая башня, 3 — изолятор-подпятник, 4 — верхняя нагрузка, 5 — оттяжки с изоляторами, 6 — линия питания, 7 — подвижная перемычка, 8 — передатчик, 9 — внешняя труба антенны)
Дороговизна сооружения высоких одиночных башен-антенн побудила рассматривать и альтернативные пути обеспечения антифединговых характеристик. Это особенно важно было для СССР, где радиовещание велось и в диапазоне промежуточных волн, также подверженных федингам. Но в этом диапазоне сооружение высоких башен было нереально. Так, в обзоре А. Чемберлена и У. Лоджа [30] рассматриваются, а в изобретении А. Готе [31] патентуются конструкции систем относительно невысоких башен, размещенных по кольцу диаметром X, в которых требуемое сужение угломестной диаграммы направленности обеспечивается свойствами кольцевой решетки. В отечественных разработках антенн радиовещательных станций на промежуточных волнах учитывалась желательность сужения угломестной диаграммы: 3. И. Модель и
С. В. Персон (1937 г.), Г. Т. Марков (1936 г.), С. И. Надененко (1937 г.). Определенными антифединговыми свойствами обладала и четырехбашенная антенна 1200-кВт радиовещательной станции [23], особенно в режиме однонаправленного излучения.
В СССР антифединговые башни-антенны не нашли применения, и в качестве основной CB-антенны получила широкое распространение описанная в 1940 г. Г. 3. Айзенбергом [32] простая и дешевая антенна с «верхним питанием», в первом своем варианте представляющая собой полую цилиндрическую трубу с проложенным внутри нее проводом питания, возбуждающим «шляпку» верхней нагрузки (см. рис. 33, в). Труба антенны здесь играла роль внешней оболочки коаксиального фидера. Высота антенны составляла 0,25А,. Позднее, в 1946 г., Г. 3. Айзенберг описал [33] модернизированную конструкцию антенны увеличенной высоты со «средним питанием», снабженную регулировочной нижней реактивной нагрузкой у основания (см. рис. 33, г). Последнее изоли¬
91


ровалось от земли. Подбором верхней и нижней нагрузок можно было управлять распределением тока, в том числе и для обеспечения анти- фединговых свойств. При перестройке эта антенна могла перекрывать весь радиовещательный диапазон от 350 до 2000 м. Методы расчета конструкций антенных башен для различных диапазонов волн были разработаны Г. А. Савицким.
Антенны КВ диапазона
Возможность применения коротких волн для дальних связей была высказана в 1918 г. Б. Ван-дер-Полем на основании расчетов У. Икклза (1912 г.) и экспериментальных данных по зондированию ионосферы. В это время компания «Маркони» начала проводить опыты по применению КВ для связи, но пришла к отрицательным выводам. Решающим фактором практического применения коротких волн послужили неожиданные успехи радиолюбителей в 1922—1923 гг. В 1924 г. в Англии была сооружена первая экспериментальная радиостанция KB-связи, работавшая на волнах 80—100 м. Вслед за этим KB-связь начала быстро развиваться и в других странах. При этом стали разрабатываться антенны, остронаправленные как в вертикальной, так и в горизонтальной плоскостях. Основные типы ранних направленных антенн коротких волн изображены в [1, с. 210—211].
Сначала повсеместно разрабатывались и сооружались многоэлементные синфазные антенные решетки. Эти антенны были узкополосны, чему, однако, первоначально не придавалось значения. Одними из первых среди них были антенны К- Франклина английской фирмы «Маркони». Они представляли собой систему вертикально подвешенных проводов, каждый из которых (в окончательно принятых вариантах) состоял из трех син- фазно возбуждаемых полуволновых участков, разделенных емкостями (в антенне 1924 г.), самоиндукциями (в антенне 1928 г.) и четвертьволновыми шлейфами (в антенне 1930 г.) [34]. Антенные провода возбуждались фидерной системой, разветвленной по двоичной схеме. Позднее эти антенны были заменены конструктивно более простой так называемой петлевой антенной Франклина [35], представлявшей собой систему 2—4 параллельных горизонтальных проводов, изогнутых так, чтобы в каждом проводе образовывался ряд вертикально стоящих четвертьволновых шлейфов, разнесенных для синфазного возбуждения на пол волны друг от друга.
Почти одновременно во Франции были разработаны меандровая антенна Р. Мени, аналогичная в основе петлевой антенне Франклина, а также антенна Ширекса—Мени, представлявшая собой систему горизонтально подвешенных друг над другом в одной вертикальной плоскости проводов, изогнутых так, чтобы два соседних провода, возбуждаемых с конца двухпроводной линией, образовывали цепочку последовательно расположенных ромбовидных излучателей [1, библ. 189]; при этом токи в излучателях имели как вертикальные, так и горизонтальные проекции. Полезно использовались только вертикальные токи — они образовывали обычную синфазную решетку, тогда как горизонтальные токи возбуждались противофазно как по горизонтали, так и по верти¬
92


кали. Поэтому для них диаграмма направленности имела нуль в направлении нормали к плоскости антенны. Говоря современным языком, это соответствовало так называемому кросс-поляризованному излучению. Тогда это обстоятельство, по-видимому, не привлекло внимания.
В Советском Союзе исследования по осуществлению связи на КВ были начаты в Нижегородской Радиолаборатории — в 1923 г. По идее М. А. Бонч-Бруевича, они проводились с ненаправленной антенной — антенной «с верхним светом». С 1924 г. уже велась разработка направленных антенн [1, библ. 112]. В. В. Татаринов предложил оригинальную антенну, представлявшую собой систему вертикальных полуволновых вибраторов, установленных между двумя горизонтально подвешенными двухпроводными линиями, в которые они включались своими концами через полволны — попеременно в разные проводники линий. Это обеспечивало необходимый для синфазности дополнительный сдвиг фазы, равный л. Крепление фидерных линий к вертикальным опорам осуществлялось при помощи четвертьволновых шлейфов, явившихся прообразом четвертьволновых так называемых металлических изоляторов, нашедших широкое применение лишь 20 лет спустя. Эта антенна применялась в первых советских отечественных линиях связи Москва—Ташкент и Иркутск—прииск Незаметный, открытых в 1926 г. [36].
Широкое распространение в ряде стран получила антенна немецкой фирмы «Телефункен», представлявшая собой двумерную решетку горизонтальных полуволновых излучателей, возбуждавшихся по схеме «танненбаум», или «елка», т. е. с попеременным включением через полволны в разные провода двухпроводной линии, так же, как и в антенне Татаринова ( [89], [1, библ. 291] ). По-видимому, уместно будет пояснить, что немецкое слово «танненбаум» иногда ошибочно принимали за фамилию изобретателя.
Несколько типов направленных антенн было разработано в США. Так, фирма ИТТ в своих радиостанциях использовала антенну Э. Стэрба [1, библ. 345], излучатели которой выполнялись в виде восьмерок со сторонами в полволны. Система питания антенны Стэрба, так же, как и антенны Г. Ширекса, обеспечивала синфазность вертикальных и противо- фазность горизонтальных компонент токов; но излучатели возбуждались по параллельной, а не последовательной схеме. В то же время в разработках Американской Радиокорпорации (RCA) использовались гармо- никовые антенны [35] и V-антенны П. Картера [37] с плечом длиной примерно 8А,, располагаемые в несколько этажей. Для обеспечения однонаправленного излучения все эти антенны снабжались рефлекторами в виде таких же антенн, либо активных, либо пассивных, снабженных настроечными шлейфами. Общим их недостатком являлась узкополосность, обусловленная узкой полосой самих вибраторов (тонких проводов), а также последовательной схемой их возбуждения. Это приводило к перемещению луча с изменением длины рабочей волны; такое частотное качание луча нашло впоследствии широкое практическое применение. Кроме того, в большинстве антенн с изменением частоты нарушалось и распределение тока в излучателях. Поэтому начались поиски путей расширения полосы антенн, особенно усилившиеся, когда в результате многолетних наблюдений за распространением радиоволн было выяснено, что для устойчи¬
93


вой связи на коротких радиоволнах необходимо относительно часто менять длину волны — при изменении времени года, смене дня и ночи и, вообще, в зависимости от состояния ионосферы.
Предложенная С. И. Надененко и 3. М. Хайкиным в 1933 г. подводящая фидерная система, выполненная по параллельно разветвленной двоичной схеме с равными расстояниями от основного фидера до каждого элемента решетки, обеспечивала неизменность положения диаграммы направленности в полосе частот. Широкополосные вибраторы — диполь Надененко (рис. 34, а) (1932 г.) и вибратор конструкции А. А. Минца (1930 г.)— давали возможность улучшить согласование с фидером в полосе частот, но не в столь широкой, как требовалось по условиям распространения. Правда, плавной перестройки не требовалось, по крайней мере, для работы в дневное и ночное время (требуемые частоты были просто кратны), и поэтому для таких условий эта антенна нашла применение (под названием антенны кратных частот) (рис. 34, б).
Кардинальное решение задачи расширения полосы частот направленных антенн КВ было обеспечено применением так называемых апериодических антенн. Этапами на пути к созданию таких антенн были предложения Н. Линденблада нагрузить V-антенну на ее конце согласованными заземленными сопротивлениями, а затем соединить две V-антенны навстречу в один короткозамкнутый ромб. Однако, успех был достигнут лишь после того, как в 1931 г. Е. Брюс заменил короткое замыкание на конце ромба согласованной нагрузкой. Все же эта ромбическая антенна (см. рис. 34, в) нашла практическое применение лишь в 1935— 1938 гг. сначала в США [38] (фирма «Белл систем»), а затем и в других странах. Антенна была проста и дешева. Благодаря оконечной нагрузке в ней поддерживался режим бегущей волны, что обеспечивало хорошее согласование с фидером, а максимум излучения был направлен вдоль оси ромба. Однако антенна имела и ряд существенных недостатков: относительно высокий уровень боковых лепестков, сравнительно низкий КПД из-за потерь в нагрузке. Поэтому неудивительно проведение экспериментальных работ по сопоставлению ромбических антенн с антенными решетками: Г. Я. Михельсон (1935 г.), М. С. Нейман (1935 г.), И. М. Ру- щук (1936 г.).
Все же окончательный выбор ромбической антенны как антенны массового применения был сделан лишь после выяснения возможности улучшения ее характеристик. Здесь следует в первую очередь отметить работы советских ученых. Г. 3. Айзенберг в 1937 г. предложил применять системы параллельно включенных ромбов, расположенных так, чтобы компенсировались их боковые лепестки. М. С. Нейман в 1938 г. предложил вместо оконечной нагрузки включать последовательно еще один ромб, сфазированный так, чтобы излучения обоих ромбов складывались в фазе. Это дало возможность поднять КПД до 97%, но ценой ухудшения широ- кополосности. В. С. Школьников и др. предложили упрощенную конструкцию «согнутого» ромба. Аналогичные схемы в это время разрабатывались и за рубежом (Е. Брюс, П. Картер, В. Кристиансон и др.). Картер предложил также схему реверсирования, т. е. изменения на 180° направления излучения ромба. Усовершенствование ромбических антенн продолжалось и в послевоенное время.
94


Рис. 34. Схематическое изображение широкополосных антенн коротких волн а — диполь Надененко, б — многовибраторная антенна кратных частот, в — ромбическая антенна, г — диполь с параллельным питанием (/ — металлические стержни, 2 — симметричный вибратор, 3 — согласующий трансформатор, 4 — симметричный фидер, 5 — оконечная нагрузка)
В 1931 г. Г. Бевередж и Г. Петерсон предложили антенну бегущей волны [39]. Это была двухпроводная линия с подключенными к ней через емкости параллельными вибраторами. Емкостная связь была слабой, в линии поддерживался режим бегущей волны — этим и объяснялось название антенны. Однако КПД антенны был невелик, и она использовалась лишь как приемная. Последующие исследования (В. Д. Кузнецов [40], Г. 3. Айзенберг в 1959 г.) показали, что при оптимальном выполнении КПД такой антенны может быть поднят до значений, дающих возможность применять ее и как передающую. Для радиовещания эти антенны все же были малопригодны, и там продолжали применять решетки с малым числом излучателей, так как требовалась более широкая диаграмма направленности в азимутальной плоскости, вплоть до всенаправленной.
Для радиовещательных целей еще в 1929 г. В. В. Татаринов [1, библ. 113] предложил антенну из четырех расположенных по кольцу и последовательно питаемых четвертьволновых излучателей. Они возбуждались синфазно включением между излучателями гасящих короткозамкнутых шлейфов длиной 3/8À (или соответствующих емкостей). Аналогичный эффект получил О. Бем [1, библ. 173], возбуждая вибраторы, расположенные по сторонам квадрата, двумя двухпроводными линиями. Увеличение направленности в угломестной плоскости достигалось размещением излучателей в вертикальную решетку. В антенне Бема решетка возбуждалась по тому же принципу, что й в антенной решетке фирмы «Телефункен». Наконец, в конце 30-х годов в СССР были разработаны малоэлементные (2X2) решетки (с такими же рефлекторами) широкополосных вибраторов конструкции А. Л. Минца, возбуждаемые по параллельной схеме [41]. Эти антенны, монтируемые на металлических башнях, предназначались для радиовещательной станции мощностью 100 кВт. В антенне впервые было предусмотрено перемещение луча в азимутальной плоскости за счет изменения фаз питания половин решетки. Несколько
95


модернизированные антенны этого типа использовались и после войны.
Для радиоприема, а также в маломощных передатчиках низовой связи в 30-х годах применялись простые полуволновые симметричные вибраторы. Применялись такие излучатели и новых типов. Это, во-первых, вибратор В. Эверитта и И. Бирна [42] с однопроводным фидером, включенным в смещенную от центра вибратора точку, чем достигалась компенсация реактивного сопротивления; во-вторых, симметричный вибратор А. Е. Сузанта с шунтовым питанием двухпроводной линией с такой же компенсацией (см. рис. 34, г). Далее упомянем уголковый вибратор А. А. Пистолькорса с диаграммой направленности, не имеющей нулей в азимутальной плоскости.
Важную задачу при связи на коротких волнах составляла борьба с федингами, обусловленными многопутевым распространением радиоволн и интерференцией сигналов с различными фазами. Исследовались два основных метода борьбы с федингами. Во-первых — разнесенный прием в нескольких точках. Сигналы, принятые в этих точках, суммировались по низкой частоте, и так как фединги в разных точках не совпадали по времени, суммарный сигнал был достаточно устойчив. Результаты этих исследований были описаны Г. Бевереджем и Г. Петерсоном [39]. Во-вторых, производилось сужение угломестной диаграммы направленности и управление ее ориентацией так, чтобы выделить один из нескольких сигналов, пришедших по разным путям. Этот метод основывался на наблюдениях Е. Брюса и А. Бека (1935 г.), использовавших ромбическую антенну с управляемой (за счет изменения угла при вершине ромба) диаграммой направленности. В его основе лежали также эксперименты X. Фрииса (1934 г.), показавшие, что отдельные направления прихода сигналов устойчивы.
Для проведения более тщательных исследований фирмой «Белл» была сооружена экспериментальная система в виде линейной решетки из шести ромбических антенн средней направленности и схемы управления лучом, содержащей систему разветвлений и фазовращателей. Все это позволяло получать одновременно веер из трех независимых лучей. Один (сканирующий) луч использовался для нахождения направлений прихода сигналов, два других устанавливались по этим направлениям, и сигналы, принятые ими, сравнивались после демодуляции. В результате длительных исследований была подтверждена практическая эффективность этого метода, получен выигрыш отношения сигнал/шум до 8 дБ. Была высказана рекомендация о целесообразности увеличения числа антенн в решетке до восемнадцати. Это дало бы дополнительный выигрыш в 4,5 дБ (т. е. суммарно 12,5 дБ) по сравнению с неуправляемой антенной, направленность которой определяется возможным колебанием направлений угла прихода луча. Следует отметить, что эта система [43], названная «MUSA (сокращение от «Multiple Unit Steerable Antenna» — управляемая антенна из нескольких элементов), представляла собой- первый опыт создания управляемой приемной антенной решетки. На базе этих рекомендаций в Англии была сооружена 18-элементная антенная решетка ромбических антенн по схеме MUSA для связи с США. Однако, прокладка в 1956 г. трансокеанского многоканального телефонного
96


кабеля и его успешная эксплуатация устранили необходимость в этой системе. В СССР в предвоенные годы производились испытания макета системы MUSA из четырех сдвоенных ромбических антенн, показавшие, что на дальностях более 4000 км невозможно выделить одиночный луч.
Вибраторные УКВ антенны
Переход на УКВ произошел в конце 30-х годов и был связан с развитием ЧМ-вещания и телевидения, требовавших широких частотных полос, нереализуемых на более длинных волнах. Появившаяся в предвоенные годы радиолокация первоначально также использовала этот диапазон.
Требования к телевизионным антеннам были сформулированы М. С. Нейманом в 1939 г. Они сводились к следующему. Передающие антенны для телевидения должны обладать ненаправленным в азимутальной плоскости излучением и максимально возможной направленностью в угломестной плоскости. Антенны должны устанавливаться на высоких, в несколько сот метров, мачтах, поскольку в этом диапазоне волн можно было использовать только приземную волну в пределах прямой видимости. Таким образом считалось, что передающие телевизионные антенны следовало выполнять в виде вертикальной решетки ненаправленных излучателей. Приемные же антенны как антенны массового использования, должны быть максимально просты. Их азимутальную диаграмму можно сужать, поскольку направление приема известно. Для радиосвязи в пределах прямой видимости потребовались широкополосные антенны, работающие как на вертикальной, так и на горизонтальной поляризациях, т. е. антенны эллиптической поляризации.
В пеленгационных антеннах надо было решать задачу повышения их эффективности, т. е. переходить на резонансные системы, тем более что укорочение рабочей волны это сделать позволяло, и устранять ошибки, связанные с местом установки антенны (так называемая девиация), наводками на фидер и т. п.
Для целей радиолокации были необходимы остронаправленные антенны.
К этому времени уже существовали антенны, которые могли быть использованы на УКВ. В частности, к ним относятся широкополосные вибраторы Надененко и Минца, уголковая антенна Пистолькорса, кольцевая антенна Татаринова, квадратная антенна Бема и др. Еще в 1929 г. А. А. Пистолькорс и П. Н. Рамлау [44] запатентовали схему антенны, получившей впоследствии наименование турникетной, выполнявшейся в виде двух взаимно перпендикулярных вибраторов, возбуждаемых со сдвигом фаз, равным 90° (рис. 35, а). Эта антенна представляла особый интерес. В направлении оси она излучала поле эллиптической поляризации, в плоскости вибраторов имела, ненаправленную диаграмму, а поляризацию — горизонтальной. Могла найти применение исследованная еще в 1927—1929 гг. антенна Уда—Яги [45], впоследствии названная «волновым каналом». Последняя представляла собой линейную решетку поперечных к ее оси вибраторов, из которых первый являлся пассивным рефлектором, второй — активным излучателем, а все после-
4 Зак. 1249
97


Рис. 35. Схематическое изображение типичных УКВ антенн
а — турникетная антенна, б — антенна Уда-Яги, в — петлевой вибратор (бивибратор), г — элемент антенны Линденблада, д — элемент антенны Брауде, е — элемент антенны Мастерса, ж — диско-конусная антенна (/—вибратор, 2 — рефлектор, 3 — директоры, 4 — опорная штанга, 5 — грушевидный излучатель, 6 — заземленная «юбка», 7 — плоский излучатель из металлических стержней, 8 — коаксиальная линия, 9 — конический излучатель, 10 — противовес)
дующие — пассивными директорами (см. рис. 35, б). Такая антенна, являясь антенной осевого излучения, была конструктивно проста и легко выполнима на УКВ. Она давала возможность получать направленные в двух плоскостях диаграммы. Выполнение этой антенны было существенно облегчено после изобретения А. А. Пистолькорсом в 1939 г. апериодической шлейф-антенны.
Практическое применение получил упрощенный вариант этой антенны— бивибратор, или петлевой вибратор (см. рис. 35, в). Этот излучатель представлял собою два близко расположенных — на расстоянии (0,1 -=-0,05) X— короткозамкнутых по концам полуволновых вибратора: активный и пассивный. Он имел два важных достоинства. Во-первых, бивибратор можно было закреплять на опорной штанге так же, как и остальные вибраторы — рефлектор и директоры. Во-вторых, реактивная компонента его входного сопротивления была мала в полосе частот, активная же составляла 292 Ом (при одинаковых диаметрах образующих вибраторов). Это обеспечивало почти идеальное согласование со стандартным 75-омным коаксиальным кабелем при использовании симметрирующего перехода, понижающего сопротивление вчетверо. Исследование входного сопротивления бивибратора в зависимости от соотношения диаметров вибраторов было проведено в 1948 г. В 1943 г. на базе бивибратора была разработана кольцевая антенна, ненаправленная в азимутальной плоскости; она представляла собой бивибратор, согнутый в кольцо. Нанизывая эти кольца на мачту, можно было сужать диаграмму в вертикальной плоскости.
Большой интерес вызвала антенна, разработанная Н. Линденбладом
98


в 1939 г. [46]. Она состояла из четырех широкополосных вибраторов, размещенных радиально по кольцу и возбуждаемых по турникетному принципу Пистолькорса. Замена двух симметричных вибраторов четырьмя несимметричными дала возможность отдалять отдельные вибраторы по радиусу от центра и устанавливать их вокруг башен и других аналогичных сооружений. Вибраторы грушевидной (для увеличения ши- рокополосности) формы являлись продолжением центрального проводника коаксиального кабеля (см. рис. 35, г). По сути дела, они были развитием идеи антенны с «верхним светом» М. А. Бонч-Бруевича и В. В. Татаринова. В конструкции Линденблада (см. рис. 35, д) внешняя оболочка кабеля как бы выворачивалась наружу и замыкалась на землю. При этом вибратор по своей форме напоминал руку, выступающую из рукава, что и вызвало популярное название таких вибраторов, бытующее в зарубежной технической литературе,— «sleeve-antenna», т. е. антенна-рукав. При этом верхняя половина вибратора имела емкостный, а нижняя — индуктивный реактанс. Линденблад показал, что при выполнении условия RIi=^/L/C антенна будет широкополосной. Практически же ширина полосы составляла ±15% при ПО Ом.
Конструктивно антенна Линденблада, однако, была не очень удобна, и поиски более перспективных конструкций телевизионных антенн интенсивно продолжались.
Ряд конструкций излучателей и их решеток был запатентован П. Картером (1939 г.), Дж. Эпштейном (1942 г.), Дж. Брауном (1945 г.). Оригинальные конструкции плоских широкополосных вибраторов были предложены в 1946 г. Б. В. Брауде [47] и Р. В. Мастерсом. Вибратор Брауде шириной ^ср/4 устанавливался вертикально вдоль антенной мачты параллельно двухпроводной линии питания и был присоединен к одному из ее проводников на всем протяжении по высоте. Другой проводник линии замыкался на вибратор в его конце, образуя как бы коротко- замкнутый шлейф, включенный последовательно с вибратором. Токи в вибраторе были ортогональны к его длине, т. е. горизонтальны. Четыре таких вибратора, размещенные вокруг мачты, образовывали турникетную систему. Антенна Мастерса состояла из четырех симметричных вибраторов того же типа (см. рис. 35, е). Эти антенны стали основными передающими телевизионными антеннами в большинстве стран.
В дальнейшем телевизионные антенны усовершенствовал Д. М. Трус- канов. Используя принципиальное свойство турникетного способа питания — взаимную компенсацию реактивных сопротивлений двух ортогональных вибраторов при включении в фидер через 90°, он предложил принцип многократной компенсации за счет 90-градусного сдвига фаз питания между двумя ортогональными несимметричными вибраторами и между двумя парами таких излучателей одного этажа решетки, а затем — между смежными этажами излучателей и т. д. [48]. В результате суммарное сопротивление всей антенной системы настолько выравнивалось, что можно было ослабить требования к согласованию отдельных вибраторов. Поэтому в антеннах передающих телевизионных центров оказалось возможным в разных поддиапазонах применять разнообразные конструкции — и вибраторы Брауде, и простые радиальные штыри, и ма¬
4*
99


лые плоские решетки. Был также решен вопрос устранения фидерного эха — раздвоения телевизионного изображения, обусловленного многократными отражениями в фидере вследствие недостаточно хорошего согласования выхода передатчика с фидером (Э. С. Глазман, 1959 г.). Обстоятельный обзор развития отечественных передающих телевизионных антенн был сделан в 1957 г. Д. М. Трускановым [49].
В качестве стандартных коллективных приемных телевизионных антенн получили распространение простейшие антенны типа волновой канал, для наиболее коротковолновых диапазонов выполнявшиеся с тремя—четырьмя директорами.
В предвоенные и первые послевоенные годы проводились исследования широкополосных вибраторных антенн. Исходными здесь явились широкополосные цилиндрические вибраторы С. И. Надененко и А. Л. Минца. Было известно, что на УКВ возможности расширения полосы за счет увеличения диаметра вибратора возрастают, но с утолщением вибратора его входное сопротивление падает. Поэтому вместо полуволновых начали применять волновые вибраторы; правда, их длина была существенно меньше. Так, при отношении длины к диаметру около 10 укорочение составляет примерно 30%, а входное сопротивление — 200—280 Ом. Такой вибратор можно было согласовать с фидером в полосе частот до ±30%, если у основания вибратора последовательно включить четвертьволновый шлейф, разомкнутый на конце. Это объясняется тем, что у шлейфа dXBX/d(ù> 0, как у всякого реактивного двухполюсника. Между тем, у вибратора вблизи волнового резонанса dXBX/d(ù<0y поскольку вибратор имеет потери на излучение. Аналогичные результаты были получены и с плоскими вибраторами.
Принципиально новые возможности расширения полосы вибраторных антенн появились после разработки конических вибраторов. Теория таких антенн была создана в 1941 г. С. А. Щелкуновым [50]. Если обычные цилиндрические вибраторы являлись резонансными системами и это ограничивало их полосу, то конический вибратор представлял собой излучатель с бегущей волной, хорошо согласованной со свободным пространством при А,<А,макс; при угле конусности 60° А,маКс~71, где I — длина образующей конуса. Удачной была конструкция дискоконусной антенны, представлявшей собой вариант несимметричного конического вибратора с верхним питанием (см. рис. 35, ж).
Для радиосвязи на УКВ, особенно в самолетных радиостанциях, нашло применение большинство из перечисленных антенн, в том числе толстые несимметричные цилиндрические вибраторы с различным возбуждением (у основания, средним, верхним), конические вибраторы, бивибраторы, вибраторные турникетные антенны и т. п. В последней конструкции, представляющей собой антенну эллиптической поляризации, использовались металлические изоляторы для установки антенны над экраном и симметрирующие переходы от симметричного вибратора к коаксиальному фидеру. Для обеспечения вертикальной компоненты излучения плечи вибраторов антенны были отогнуты вниз, в связи в чем она стала известной под названием «крючок».
В бортовых радиопеленгаторах УКВ диапазона первоначально применялись антенны типа «Эдкок», замененные рамками усовершенствован¬
100


ной конструкции. В частности, для устранения антенного эффекта фидера были разработаны экранированные рамки с щелевым возбуждением (кольцевой щелью). Были разработаны конструкции «двойных рамок» с горизонтальной поляризацией. Для повышения эффективности эти антенны выполнялись резонансными. В радиолокационных станциях УКВ диапазона широкое применение нашли антенны типа «волновой канал» и решетки таких антенн.
Развитие теории вибраторных антенн
С 20-х годов начинается интенсивное развитие теории антенн. При этом развиваются и вопросы общей теории антенн, появляются первые, единичные, работы, посвященные принципиально новым направлениям, вводятся новые параметры антенн — коэффициенты направленного действия и усиления и т. д. В электродинамике формулируются теорема взаимности и ее приложения к антенной технике, рассматриваются вопросы синтеза антенн по заданной диаграмме направленности и оптимизации характеристик антенн. Однако, наибольшее внимание уделяется исследованию наиболее распространенных в этот период вибраторных антенн и их систем. Основными в теоретическом анализе вибраторных антенн были следующие шесть направлений:
разработка приближенных методов расчета проводных антенн, малых (по сравнению с длиной волны) размеров: здесь разрабатывались приближенные расчеты основных параметров одиночных излучателей — действующей высоты, активного R% и реактивного X2 сопротивлений излучения (методами вектора Пойнтинга — /?2, теории длинных линий — Х%) ;
исследование диаграмм направленности простейших решеток вибраторных излучателей в зависимости от геометрии решетки, числа излучателей и их фазировки. При этом предполагалось, что токи заданы, т. е. их взаимодействие не учитывалось; расчет сопротивления излучения решетки производился методом вектора Пойнтинга для простейших конфигураций;
формулирование метода наведенных ЭДС для одиночного излучателя, применение его к расчету активного сопротивления излучения;
применение метода наведенных ЭДС к системам активных и пассивных излучателей; делались расчеты амплитуд токов и их входных сопротивлений с учетом взаимодействий, а также расчеты комплексных взаимных сопротивлений;
разработка строгой теории вибраторных излучателей; разработка теории линий, в том числе однопроводных, однородных, неоднородных, несимметричных и связанных, и их применение к теории различных антенн, согласующих устройств, а также к измерению параметров антенн.
Теоремы взаимности в разных вариантах были известны в.различных областях физики. Для электродинамики теорема взаимности была сформулирована Дж. Карсоном [1, библ. 185], [51], исходившим из теоремы Рэлея для электрических цепей, и А. Зоммерфельдом [1, библ. 341], исходившим из леммы Лоренца. Формулировка Зоммерфельда относилась к диполям — электрическим и магнитным. Для антенн конечных размеров
101


(вообще говоря, линейных) она была обобщена М. П. Свешниковой [52]. Позднее, в 1943—1945 гг. Я. Н. Фельд получил наиболее общие формулировки — сначала для случая неустановившихся процессов [53], а затем для произвольных антенн, в том числе и с учетом внутренних сопротивлений генератора и приемника [54]. При этом он показал, что формула Свешниковой будет верна лишь при равенстве этих сопротивлений.
Хотя уже Дж. Карсон отмечал в своих работах, что на базе теоремы взаимности можно найти параметры приемных антенн, длительное время в этом направлении не было никаких результатов, и характеристики приемных антенн находились путем прямых расчетов, а теория приемных антенн развивалась независимо от теории передающих, причем с некоторым отставанием из-за большей сложности таких расчетов. Из различия в распределении возбуждающих полей (сосредоточенного — для передающего, и распределенного — для приемного вибраторов) следовало и различие в распределениях токов в них. Поэтому естественным было предположить, что и характеристики антенн в обоих режимах будут различны. Однако, А. А. Пистолькорс [55] установил, что и диаграммы направленности и действующие высоты вибраторных антенн в обоих режимах удивительным образом совпадают. Следует отметить, что распределения токов в проводах приемных и передающих антенн исследовались на протяжении длительного периода (1897—1929 гг.). Ясность в этот вопрос была внесена М. С. Нейманом, который, используя теорему взаимности, доказал принципиальную тождественность диаграмм направленности антенн в этих двух режимах [56], сведя таким образом, теорию антенн в режиме приема к теории передающих антенн. В дальнейшем А. Р. Вольперт [57] уточнил формулу Неймана, учтя в ней фазовую диаграмму, А. Стивенсон [58] повторил вывод формулы Неймана несколько иным путем.
Следует отметить, что тождество диаграмм направленности антенн в режимах приема и передачи еще не означало одинакового распределения токов в них, на что было указано Фельдом, Вольпертом, Стивенсоном. Причина заключалась в различии распределения возбужденных полей вдоль антенн в этих режимах. Первоначально этому не придавалось особого значения. Однако, когда начались исследования рассеяния приемными антеннами, источниками которого явились наведенные в них токи, то оказалось, что диаграммы рассеяния не совпадают с обычными диаграммами направленности именно вследствие различия в указанных распределениях. Исключением были резонансные вибраторы, вдоль которых распределение токов не зависело от распределения возбуждающих полей.
Широкое применение антенных решеток для радиосвязи на коротких волнах привело к необходимости развития их теории. Первоначально эта теория развивалась в предположении, что токи в излучателях решетки заданы, т. е. их взаимодействие не учитывалось. Первые работы по расчету диаграмм направленности линейных и двумерных решеток вибраторных излучателей были выполнены М. А. Бонч-Бруевичем [59, 60]. Он предложил простой и наглядный метод суммирования полей излучателей, аналогичный применяемому в электротехнике методу сложения полей несинфазных токов. Для диаграммы направленности решетки
102


было получено выражение, соответствующее теореме умножения. Им же были рассчитаны методом вектора Пойнтинга сопротивления излучения таких антенн [60]. Бонч-Бруевич ввел термин «множитель решетки», характеризующий эффект решетки и представляющий собой диаграмму направленности решетки ненаправленных элементов. Р. Фостер [61] рассчитал и построил диаграммы направленности решеток из двух и шестнадцати излучателей при различных расстояниях и сдвигах фаз между ними. С. Я. Турлыгин (1928 г.), Дж. Саусворт (1930 г.) [62] и Дж. Браун (1937 г.) [63] уточнили теорию решеток и исследовали их различные характеристики. В 1929 г. А. А. Пистолькорс ввел параметр e — направленность антенной решетки, характеризующий выигрыш по мощности сигнала в направлении главного максимума диаграммы по сравнению с полуволновым излучателем. Этот параметр был удобен, поскольку такие излучатели были в то время основными. Позднее было сочтено целесообразным за эталон сравнения принять гипотетический изотропный излучатель. Соответствующие параметры — коэффиициент направленного действия D= 1,64е и коэффициент усиления G = r\D (ri — КПД антенны)—были введены в 1931 г. П. Картером [37].
Следует отметить, что первоначально при изучении решеток ограничивались рассмотрением сдучая равномерного амплитудно-фазового распределения, т. е. с постоянной вдоль антенны амплитудой и линейным законом изменения фазы. Наибольший практический интерес представляли два частных случая — синфазных антенн, с максимумом излучения, перпендикулярным оси или плоскости решетки, и антенн осевого излучения, возбуждаемых с фазовой постоянной y^k. В этой связи большое принципиальное значение имела работа У. Хансена и Дж. Вудьярда, в которой исследовалась задача максимизации КПД подобных антенн. В этой работе было показано, что максимальным КПД будет обладать антенна осевого излучения с оптимальным возбуждением, соответствующим условию (условию Хансена—Вудьярда)
(y — k)Læn, v/fc«l+V(2L\
где L — длина решетки, у — эквивалентная фазовая постоянная процесса возбуждения решетки, определяемая как у = Аф/^, d — период решетки, Лф — разность фаз возбуждения соседних излучателей. При этом теоретический выигрыш в КПД решетки составляет 1,8—2,0 при L/Х от 0,5 до 0,3, уменьшаясь с ростом L до единицы при L-*- оо ; направленность элементов решетки при этом не учитывается. Предел возрастанию КПД с ростом L кладет резкое увеличение уровня боковых лепестков. Значение этой работы было все же не в получении приведенной численной оценки, а в том, что она стимулировала дальнейшее развитие теории антенных решеток в направлении поисков оптимальных методов их построения, анализа и управления параметрами.
Большое принципиальное и практическое значение имела разработка метода наведенных ЭДС. Этот метод почти одновременно и независимо друг от друга был предложен в 1922 г. Л. Бриллюэном [64] и Д. А. Ро- жанским [65]. К этому методу они пришли, заинтересовавшись распределением сопротивления излучения вдоль антенны, которое нельзя
103


определить при обычном расчете методом вектора Пойнтинга, поскольку этот метод дает лишь суммарный эффект. Заметив, что поле, рассчитанное по синусоидальному распределению тока, не удовлетворяет нулевым граничным условиям на металлической поверхности антенны, они предположили, что эти условия выполняются за счет добавочной ЭДС, наводимой полем на проводнике, а запись связи этой ЭДС с синусоидальным током на металле по обычному закону Ома приводит к некоторому распределению сопротивления излучения, интегрирование которого и должно дать тот же результат, что и при вычислении методом вектора Пойнтинга. Бриллюэн в качестве примера рассчитал Rz рамки и диполя, Рожанский — R% резонансного вибратора.
И. Г. Кляцкин, исследуя случай вертикального заземленного провода произвольной длины, ввел понятие напряжения излучения — синфазной с током компоненты поля, определяющей Т?2. Он нашел распределение сопротивления излучения вдоль провода и его суммарное значение. Эта работа, выполненная в 1924 г., была опубликована лишь в 1927 г. [66]. Всеобщее признание новый метод получил позднее, после опубликования А. А. Пистолькорсом в 1928 г. работы по расчету взаимных (наведенных) активных сопротивлений двух параллельных, а затем — и взаимно перпендикулярных [67] вибраторов при их различном расположении. Применив этот метод к расчету полных активных сопротивлений антенных решеток, состоящих из синфазных и противофазных вибраторов, Пистоль- корс показал, что полученные им формулы совпадают с формулами Бонч-Бруевича, найденными методом вектора Пойнтинга. Кстати, именно Пистолькорс ввел термины «метод наведенных ЭДС» и «метод вектора Пойнтинга».
Реактивная компонента сопротивления излучения полуволнового вибратора была впервые вычислена в 1928 г. сотрудником Б. А. Введенского М. Н. Глущенко, нашедшего ее равной 42,5 Ом. Для расчета реактивной компоненты взаимного сопротивления В. В. Татаринов [1, библ. 114] предложил оригинальный метод, показав, что она равняется активной компоненте взаимного сопротивления квадратурных токов. Следует отметить, что собственное реактивное сопротивление вибратора Татаринов находил путем предельного перехода при сближении взаимодействующих вибраторов. Этот метод расчета принципиально важен для нерезонансных вибраторов. В этом случае прямой расчет в предположении бесконечно тонкого провода дает бесконечное значение Х%. Если же, используя рекомендацию Татаринова, сближать вибраторы, но не до полного совпадения их осей, а до расстояния между ними, равного радиусу, то получим истинные значения (и /?2).
Изящный метод расчета взаимных сопротивлений полуволновых вибраторов предложил Р. Бехман в 1931 г. В общем случае произвольно расположенных и, в особенности, нерезонансных вибраторов точные расчетные формулы для ZB3 весьма громоздки и целесообразнее использовать приближенные (но справедливые для любых антенн при выполнении условий дальней зоны), в которых взаимные сопротивления выражаются в виде произведений диаграмм направленности взаимодействующих излучателей (А. 3. Фрадин, 1939 г., Г. Т. Марков [68], А. Р. Вольперт [57]). О. Н. Вендик в 1962 г. показал, что собственные
104


реактивные сопротивления антенн могут быть вычислены также по их диаграммам направленности на любых частотах. В ряде работ рассчитывались сопротивления излучения антенн с учетом потерь в антенном проводе (И. Лабус в 1932 г., В. Вессель в 1936 г.) и в земле (Л. Кинг в 1937 и др.). Достаточно подробный обзор довоенных работ, посвященный изложению развития представлений о сопротивлении излучения, дан М. В. Шулейкиным в [1, библ. 139, с. 14—32].
Нахождение взаимных сопротивлений не являлось самоцелью: знать их было необходимо для расчетов многовибраторных антенных решеток и систем с активными и пассивными излучателями. Общий метод расчета таких антенн был разработан В. В. Татариновым [1, библ. 114 и 115] и П. Картером [69]. В этом методе распределение токов в излучателях принималось известным (обычно — синусоидальным), а их амплитуды /ok должны были находиться из системы алгебраических уравнений
где, N — число вибраторов, коэффициенты Zik при неизвестных J0k представляют собой собственные (i = k) и взаимные (гфк) сопротивления излучателей, a Ui — ЭДС, приложенные к излучателям. За рубежом эти уравнения известны как уравнения Картера, хотя впервые аналогичные уравнения были использованы Татариновым для расчета системы из активного и пассивного излучателей [1, библ. 114] при решении задачи оптимизации пассивной решетки-зеркала. Следует отметить, что ранее расчет пассивного рефлектора выполнил в 1928 г. А. А. Пистоль- корс [1, библ. 93], но он использовал экспериментальные данные Татаринова по относительному сдвигу фаз тока в пассивном вибраторе, поскольку тогда учитывать взаимодействие излучателей еще не умели. В случае больших антенных решеток влияние взаимодействий на диаграммы направленности пренебрежимо мало и основной задачей был расчет входных сопротивлений излучателей.
Соответствующую формулу получил Татаринов, разделив левую и правую части выражения (б) на J0i. Если при этом положить /о*~/о/ при всех k (для синфазной антенны), можно получить расчетную формулу для Ui/J0i = Ziвх — входного сопротивления в решетке
которое оказывается просто равным сумме собственного и всех наведенных сопротивлений. В этой формуле можно учесть и влияние земли, вводя зеркальные изображения излучателей, и влияние активного или пассивного зеркала.
Методика Татаринова, обеспечившая расчет фидерных систем больших антенных решеток, а также настройку пассивных зеркал, была экспериментально подтверждена и в дальнейшем неоднократно использовалась для расчетов и исследований различных систем с пассивными вибраторами. Так, Дж. Браун [63] в 1937 г. выполнил детальные расчеты диаграмм направленности системы, состоящей из одного
N
(б)
105


Татаринов Владимир Васильевич (1878—1941)
активного и одного пассивного вибраторов, в зависимости от расстояния между ними и отношения реактивного и активного собственных сопротивлений излучения пассивного вибратора. Были найдены расстояния и расстройки, соответствующие оптимальным рефлекторному и директорному действиям пассивного вибратора. В последующие годы таким же образом рассчитывались системы типа «волновой канал» с большим числом пассивных элементов — директоров, но вследствие неточности задания сопротивлений (которые брались, как для полуволновых вибраторов) удовлетворительные результаты были получены лишь при небольшом (три-четыре) числе директоров (в Англии, 1946 г., в СССР, 1954 г.). Вследствие этого оказалось целесообразным подкрепить расчеты детальными экспериментальными исследованиями, выполненными в 1948—1949 гг. с антеннами типа «волновой канал» при числе директоров до 42. При этом расстояние между директорами бралось постоянным, а их оптимальная длина оказалась равной от 0,456 X (при двух) до 0,385 X (при 42 директорах). Эти работы показали ограниченные возможности метода наведенных ЭДС в его простейшем виде — уравнении (б), хотя в других случаях он успешно применялся для расчета вибраторных антенн. Впоследствии он был обобщен Я. Н. Фельдом и на случай щелевых антенн, т. е. «магнитных» излучателей [70], а в 1959 г. им же был развит обобщенный метод наведенных ЭДС—МДС [71, с. 298—302], позволяющий находить токи в излучателях с любой степенью точности.
Фельд показал также, что уравнения в методе наведенных ЭДС— МДС могут быть получены из точных граничных условий на поверхностях излучателей при одночленной (в простом) или многочленной (в обобщенном методах) аппроксимации распределения тока и что этот метод, по сути, родственен известному методу Галеркина. Но все это выяснилось лишь в послевоенные годы. А в 30-е годы предпринимались попытки усовершенствовать одночленное приближение, «подправив» распределение тока, вводя распределенные вдоль провода потери, эквивалентные потерям на излучение (Е. Зигель и И. Лабус, 1932 г.), поскольку простая синусоидальная аппроксимация тока в ряде случаев была непригодна, например для волновых вибраторов, где она приводила к бесконечному входному сопротивлению; однако искусственность такого приема была очевидна. Наконец, для широкополосных вибраторов
106


метод наведенных ЭДС в своей простой форме был также непригоден. Все это стимулировало разработку строгой теории вибраторов.
Строгая теория вибраторов базировалась на трех основных методах: собственных функций, интегральных и интегро-дифференциальных уравнений, эквивалентной нагруженной линии.
Первый метод явился развитием идей М. Абрагама [10]. В простейшей форме он применим лишь в тех случаях, когда замкнутая поверхность вибратора является одной из координатных поверхностей системы координат, допускающей решение волнового уравнения методом разделения переменных, т, е. практически Для сферических и эллипсоидальных вибраторов. В соответствии с этим методом был получен ряд интересных результатов (например, [72] ), в частности кривые входной проводимости для разных L/d (L — длина, d —диаметр вибратора). Однако на развитие антенной техники эти результаты сколько-нибудь заметного влияния не оказали, видимо вследствие известной оторванности от существовавшей приближенной теории вибраторов.
Более близкие к практике результаты были получены методом интегральных (Е. Халлен [73] ) и интегро-дифференциальных (М. А. Леон- тович и М. Л. Левин [74] ) уравнений. Исходное интегральное уравнение получается при записи граничных условий на поверхности вибратора в виде
ET{J) + Ест = 0, (б)
где J — неизвестный ток, Ест — приложенное к вибратору стороннее поле, ET{J} — компонента поля излучения вибратора, касательная к поверхности вибратора. Халлен решал это уравнение непосредственно, Леонто- вич и Левин сначала выделили в нем главную часть в виде дифференциального оператора ( V2 + k2). В обоих случаях рассматривался цилиндрический вибратор конечной длины I и радиуса г=а с осесимметричным распределением тока. Такое распределение тока сводится к линейному осевому току, но граничное условие (б) выполняется на истинной поверхности г = а. При этом появляются параметры малости
КЬГ'КгГ
а вблизи резонанса (при (о = оорез + Асо) — и [1п(сорез/Асо)]- '. Это дало возможность искать неизвестный ток в виде разложения по степеням того или иного параметра малости. В методе Леонтовича—Левина для нулевого приближения получается уравнение /о + 62/0 = 0, имеющее ненулевое синусоидальное решение, совпадающее с приближением теории линий только для резонансного вибратора. На других частотах /0 = 0 и распределение тока определяется следующим, первым приближением, существенно зависящим от распределения возбуждающей ЭДС. Оно же определяет ток в точке возбуждения для волнового вибратора, поскольку в этом случае /0(0)=0. С учетом первого приближения находится также и укорочение вибратора (т. е. поправка к 1 = пк/2, при которой Хвх = 0), а затем и вообще кривые ZBX(/), объясняются все парадоксы приближенных методов — наведенных ЭДС и длинных линий, определяются пределы их применимости, уточняются параметры вибратора.
В последующие годы Р. Кинг и Ф. Блейк (1942 г.), Р. Кинг и Дж. Гар¬
107


рисон (1943 г.) рассчитали входные сопротивления передающего вибратора и характеристики приемного вибратора. Эти результаты были проверены экспериментально Д. Кингом (1946 г.), Дж. Брауном и О. Вудвордом (1948 г.). Затем Л. Бриллюэн (1943 г.) уточнил теорию Е. Хал- лена, рассмотрев задачу о вибраторе с торцами (до него рассматривались фактически трубчатые вибраторы). Все же результаты расчетов были достоверны лишь для логарифмически тонких вибраторов, для которых справедливо соотношение
Поэтому задача разработки метода решения интегрального уравнения Халлена, применимого для случая более толстого вибратора (хотя бы при а//< 1) оставалась актуальной. Были достигнуты определенные успехи и в этом направлении. Однако, лишь в конце 50-х — начале 60-х годов были разработаны регулярные численные методы решения этой задачи [75, 76]. Ряд работ по теории вибраторов был опубликован Л. А. Вайнштейном. В одной из них [77] он применил метод, близкий к обобщенному методу наведенных ЭДС, используя для тока в вибраторе разложение в ряд по системе функций. Однако, численные расчеты им сделаны не были. Он развил и другой метод [78], особенно подходящий для относительно длинных вибраторов (/>А,). В этом методе источниками излучения являлись как бы точка возбуждения и концы вибратора; вектор-потенциал поля вибратора A(z) записывается в виде суперпозиции плоских волн, исходящих из этих точек:
а распределение тока вдоль вибратора бралось в таком же виде, но с медленно меняющимися амплитудами: P(z), Q(z), S(|z|), для которых и получалось интегральное уравнение (z — координата вдоль оси вибратора). Вайнштейн вычислил диаграммы направленности приемного и передающего вибраторов, а также входной импеданс последнего.
Наиболее близким к приближению длинных линий оказался метод эквивалентной нагруженной линии, развитый С. А. Щелкуновым применительно к биконическому вибратору [50]. Этот метод был основан на том, что при обычном для антенн симметричном возбуждении биконуса приложенной в его вершине ЭДС в нем возбуждается волна типа ТЕМ, относительно которой биконус оказывается эквивалентен обычной длинной линии с волновым сопротивлением ZB0лн= 120 ln ctg(ö/4) (0 — угол конусности). Однако, если в приближенной теории эквивалентная линия разомкнута на конце, то в теории Щелкунова она нагружена на сопротивление, которое находится из решения граничной задачи поддержания непрерывности полей на поверхности, разделяющей биконическую и внешнюю области. При пересчете этого сопротивления ко входу биконической линии находится входное сопротивление биконуса. Результаты таких расчетов оказались в хорошем согласии с экспериментальными данными.
Позже Ч. Папасом и Р. Кингом была решена задача о биконусах с произвольным углом при вершине. При конусах с малыми размерами
«*•)•
A(z)=Poékz + Q0e-‘*2+S0e‘*1 z 1,
108


результаты, получаемые по теории Щелкунова, совпадают с приближением длинных линий. Действительно, для этого случая коэффициент отражения от поверхности граничной сферы внутрь биконуса приближается к единице, что соответствует практически стоячей волне. Такой же характер имеет и распределение тока на поверхности конуса. Входное сопротивление биконуса при этом приводится к такому же виду, что и по теории длинных линищ т. е. к сумме активного сопротивления излучения и входного реактивного сопротивления шлейфа, разомкнутого на конце. При малом угле при вершине конуса оно совпадало с выражением, полученным по методу интегрального уравнения. При удлинении конуса и увеличении угла при его вершине улучшается согласование со свободным пространством, уменьшается отражение от конца конуса, распределение поля в полости конуса и тока на его поверхности приближается к чисто бегущей волне, а входное сопротивление — к волновому сопротивлению биконической линии. Для конусов с углом при вершине 60° это получается уже при длине образующей конуса 1>Х/3. График входного сопротивления конической антенны, построенный в координатах R — X в зависимости от 1/Х, имеет вид спирали, быстро навивающейся с ростом 1/Х на точку Z = ZBOnH, и тем быстрее, чем больше угол 0. Для цилиндрических вибраторов эффект «навивания» выражен значительно слабее, даже при довольно толстых вибраторах (d/XæOA) размах кривой ZBX значителен:
( ^макс ^мин) / Rev ^ 5 ~ 0*
Развитие теории вибраторов имело большое значение для выяснения принципиальных вопросов. Однако строгие методы не заменили приближенные, они лишь указали границы их применимости и предотвратили принципиальные ошибки. Сложные системы, не сводимые к простым конфигурациям, по-прежнему рассчитываются приближенно.
Развитие длинных линий и согласующих устройств
В антенных системах длинных и средних волн фидерные линии как таковые практически отсутствовали. Генератор обычно включался непосредственно в провод антенны у его нижнего конца при помощи контура связи. При переходе к коротким волнам расстояние между антенной и передатчиком настолько возрастало (в долях X), что применение фидерных линий становилось неизбежным. Первоначально применялись открытые двухпроводные и четырехпроводные линии, в дальнейшем появились экранированные линии, как двухпроводные, так и коаксиальные. Внешний экран не всегда выполнялся в виде трубы круглого сечения: в отдельных случаях использовались трубы прямоугольного сечения. Для закрепления центрального проводника использовались шайбы — фарфоровые, стеатитовые, позднее они делались из новых высокочастотных диэлектриков (полиэтилен, полистирол и т. п.). Шайбы врезались в проводники фидера так, чтобы не изменялось волновое сопротивление. Позднее, в жестких коаксиальных линиях сантиметрового диапазона шайбы зачастую, особенно в мощных станциях, заменялись металлическими четвертьволновыми изоляторами — короткозамкнутыми
109


опорными коаксиальными шлейфами, параллельно включенными в линию так, чтобы их центральный стержень поддерживал центральный проводник фидера. Прототип таких изоляторов применялся В. В. Татариновым еще в 1925 г. для подвески фидеров КВ антенны.
Уже в 1932 г. фирма «Телефункен» стала применять гибкие коаксиальные кабели с диэлекрическим заполнением. Конструкции таких кабелей были разнообразны. Первоначально в качестве диэлектрика использовались стеатитовые выпукло-вогнутые шайбы, входившие одна в другую, что и обеспечивало приемлемую гибкость кабеля. Затем начали применять кордельную конструкцию, состоявшую из диэлектрического стирофлек- сового жгута, спиралевидно накрученного на центральный проводник, и внешней стирофлексовой трубки, поверх которой навивалась медная лента в качестве внешнего проводника. Наибольшее распространение получили кабели со сплошным полиэтиленовым заполнением и внешней оболочкой из медной оплетки, облицованной снаружи хлорвиниловой оболочкой. Такие кабели обычно имели волновое сопротивление 50 и 75 Ом и различные диаметры — в зависимости от передаваемой мощности. Для повышения теплостойкости полиэтилен заменялся тефлоном, а хлорвиниловая оболочка — тефлоновой же лентой. Однако эти кабели обладали довольно существенными недостатками — сравнительно высокими потерями из-за сплошного диэлектрического заполнения и просачивания мощности через оплетку наружу. Поэтому вновь стали использовать кордельное заполнение, а внешний проводник — выполнять из тонкостенной трубки, медной или алюминиевой, допускающей возможность изгибания приемлемым радиусом.
При появлении устройств, работающих на еще более коротких сантиметровых волнах, возможность применения кабелей ограничивалась уже другими соображениями — необходимостью все большего уменьшения их диаметра, чтобы избежать возбуждения и распространения волн высших типов. Для этого, например, было необходимо, чтобы средняя длина окружности между проводниками коаксиальной линии была меньше длины волны в диэлектрическом заполнении. Это требование вступало в противоречие с условием передачи определенной мощности, усложняло изготовление как кабеля, так и других элементов фидерной линии, например, разъемов. В конце 30-х годов появились линии передачи принципиально иного типа — полые трубы-волноводы.
Развитие фидерных линий и необходимость оптимальной передачи мощности от передатчика в антенну, а также вопросы, связанные с представлением самой антенны в виде своеобразной линии, привели к постановке целого ряда как теоретических, так и практических задач.
Простейшие двухпроводные и коаксиальные линии были в основных чертах исследованы еще Дж. Томсоном (1893—1899 гг.), О. Хевисайдом (1892 г.), Г. Ми (1900 г.), Э. Лехером и др. Но необходимо было рассмотреть более сложные системы. Так, В. В. Татаринов методами теории цепей исследует так называемые однотактные и двухтактные волны, соответствующие синфазному и противофазному возбуждению проводников линии, вводит понятия канонических волновых сопротивлений проводников линии для этих волн, определяя их как L,-=[/*//,•, где Ui — напряжение в i-м проводнике относительно системы с нуле¬
110


вым потенциалом, /, — полный ток в этом проводнике [79]. Он исследует распределения тока и напряжения при одновременном возбуждении таких волн (например, вследствие влияния земли) и передачу энергии в этих условиях. В своей работе по одно- и двутактным волнам [80] Я. Н. Фельд рассмотрел общий случай несимметричной многопроводной линии без потерь с проводниками неравных радиусов, а затем в строгой электродинамической постановке [81] исследовал ТЕМ — волны в экранированных линиях с экранами коробчатой формы. Он показал, что в случае двухпроводной линии существуют независимые решения уравнений Максвелла в виде однотактных и двухтактных волн. Одновременное существование их свидетельствует о несимметрии возбуждения или нагрузки. Затем он нашел выражения для канонических волновых сопротивлений, введенных Татариновым, а также рассчитал потери, обусловленные скинэффектом (позднее, в 1947 г. А. Р. Вольперт рассмотрел общую задачу определения КПД фидеров).
В это же время А. А. Пистолькорс [82] развил теорию несимметричных линий, например для случая двухпроводного шлейфа над неидеальной землей. Целью этих исследований было определение влияния земли на провода антенн и фидеров, параллельных земле. В результате рассмотрения частного случая несимметричной линии Пистолькорс в 1939 г. пришел к идее шлейф-вибратора. Пистолькорс исследовал также обусловленный однотактной волной «антенный эффект» коаксиального фидера, у которого внешняя оболочка не заземлена по всей длине. Так как внутри такого фидера может существовать только двухтактная волна, для которой ток на внешней оболочке отсутствует, то однотактная и двухтактная волны будут разделены. По сути дела, эта теория явилась обоснованием принципа работы антенн с верхним питанием, предложенных Г. 3. Айзенбергом [32].
Исследования несимметричных систем привели А. А. Пистолькорса к разработке теории электрически связанных между собой двухпроводных линий [83]. Он нашел, что волны в таких линиях при наличии непрерывно распределенной связи могут быть представлены в виде суперпозиции двух типов волн, соответствующих синфазному и противофазному их возбуждению. Возбуждение же одной из линий эквивалентно одновременному возбуждению волн обоих типов, что приводит к пространственным биениям, т. е. к периодической перекачке энергии из одной линии в другую. На базе этой теории в дальнейшем [84] была предложена идея так называемого фидерного рефлектометра. Несимметричную линию передачи, по сути дела, представляет и одиночный провод, параллельный границе раздела двух сред, в частности земли и воздуха, как в случае антенны X. Бевереджа. H. С. Бесчастнов и М. И. Конторович (1944 г.), А. А. Пистолькорс (1952—1953 гг.), Г. А. Лавров (1951—1957 гг.), Г. А. Гринберг и Б. Э. Бонштедт (1954 г.) исследовали эти проблемы и нашли поправки к погонным параметрам провода из-за влияния земли, фазовую скорость и затухание волн в проводе.
Большой интерес представляло собой изучение волн, распространяющихся вдоль уединенного провода. Прежде всего, это было важно для решения вопроса о возможности использования такого провода в ка¬
111


честве конструктивно простой линии передачи. В этой связи рассматривался провод с потерями (А. Зоммерфельд [85]), провод с диэлектрической оболочкой и поверхностным импедансом произвольного вида (Г. Губо [86]). Во всех этих случаях волна вдоль провода имела поверхностный характер, т. е. экспоненциально убывала при удалении от поверхности провода вследствие эффекта замедления, связанного с потерями или импедансным (в том числе и диэлектрическим) покрытием. Губо пропагандировал возможности применения импедансного однопроводного фидера. Однако широкого распространения такие фидеры не получили вследствие их подверженности влиянию атмосферных условий, а также из-за потерь на излучение, возникающих на любых неоднородностях (изгибе, провисе и т. п.). Все же такие фидеры применяются в отдельных случаях, например в переносных полевых радиостанциях; КВ вибраторная антенна Эверитта—Бирна также возбуждалась однопроводным фидером.
Изучение однопроводной линии имело и другую цель, связанную с концепцией антенны как отрезка однопроводной линии передачи. Для выполнения расчетов ее входного сопротивления необходимо было знать волновое сопротивление ZbonH одиночного провода. Первоначально эта величина находилась через Lb С\ — погонные самоиндукцию и емкость провода. Используя формулы В. Ноттэджа для L\, Ci, В. В. Татаринов [1, библ. 115] получил для Zbo„h выражение ZBOnH = 60[ln(//a) — 0,307] Ом (/ — длина, а — радиус провода), которое для четвертьволнового заземленного вибратора переходит в выражение
Отметим, что ZB<WIH зависит от длины провода /. Это соответствует определению волнового сопротивления как сопротивления отрезка / линии, при которой в нем отсутствуют отражения. В свою очередь,
В. 	Н. Кессених, вычисляя L\ как величину, характеризующую связанную энергию провода, получил не зависящее от I выражение
Оно точно совпадало с выражением Татаринова в случае резонансного вибратора. В 1940 г. Кессених показал [87], что это выражение приближенно получается и при классическом вычислении ZB(WIH как входного сопротивления бесконечного провода при возбуждении его сосредоточенной ЭДС. Обе приведенные формулы успешно использовались при расчетах согласования вибраторных антенн с фидером. Дальнейшие исследования В. Н. Кессениха (1935—1940 гг.), Ф. Нэтера (1935 г.),
В. 	В. Владимирского (1944 г.) проводились в более широком плане — вычислялись поля в пространстве при различных способах возбуждения провода, учитывалась его конечная проводимость. Эти работы, по сути дела, подготовили последующие исследования (в частности, Г. Губо) по однопроводным линиям передачи.
Большое практическое значение имели исследования распределения тока и напряжения в линии в зависимости от нагрузки. На базе полученных при этом результатов была создана методика согласования
Ом.
112


антенн с фидером, разработаны соответствующие согласующие устройства. Рассматривая распределение в однородной нагруженной линии,
A. А. Пистолькорс [88] предложил характеризовать его коэффициентами k = Zb/r или r/Z0 (вернее, тем из них, который будет меньше единицы), где Z0 — волновое сопротивление линии, а г — сопротивление нагрузки.
B. В. Татаринов показал [89], что k= ÜÖшгкс, где UUHH, UMaKC — минимум и максимум распределения напряжения в линии, и назвал эту величину коэффициентом бегущей волны по напряжению — КБВН. В послевоенное время вместо КБВН стали использовать обратную величину — коэффициент стоячей волны КСВН=1/КБВН как более удобную характеристику при плохом согласовании.
X. Розенштейн в 1931 г., изучая влияние потерь в нагруженной линии на распределение тока и напряжения, разработал методику измерения распределения в открытой двухпроводной линии. Эти исследования в 1932—1933 гг. продолжил В. В. Татаринов [1, библ. 115], получивший формулы для вычисления сопротивления нагрузки, а также потерь в линии по данным измерений. В частности, было показано, что необязательно снимать все распределение, достаточно исследовать его кривую в окрестности минимума. Это было важно при передаче по фидеру высокой мощности. Снятие кривой распределения производилось при помощи пробников-зондов, перемещавшихся вдоль линии и гальванически связанных с ней. Такой зонд представлял собой заключенный в экранированный корпус резонансный контур с индикаторным прибором; наружу выступал штыревой щуп с последовательно включенным конденсатором (для уменьшения связи с линией).
В 1941 г. А. А. Пистолькорс и М. С. Нейман предложили более совершенный метод, в котором использовался фидерный рефлектометр, не включаемый непосредственно в линию [84]. Идея этого рефлектометра базировалась на теории связанных линий Пистолькорса, из которой, в частности, следовало, что связь линий является направленной, т. е. если в одной из них волна распространяется в одном направлении, то и в связанной с ней линии волна будет распространяться также в одном (в обратном) направлении. Поэтому, отношение уровней сигналов, распространяющихся во второй линии в обоих направлениях, будет таким же, как и в первой линии, т. е. будет просто равняться коэффициенту отражения от ее нагрузки. Экспериментальные исследования рефлектометра, проведенные А. Р. Вольпертом в 1941 г. (и опубликованные лишь в 1947 г.), полностью подтвердили эти расчеты. Несомненным преимуществом подобной методики явилось отсутствие необходимости в подвижном зонде, так как рефлектометр встраивается в определенном месте линии. Принципиальные основы этих двух методик сохранили свое значение и после перехода на более короткие волны, будучи использованы при разработке так называемых измерительных линий с подвижным зондом и автоматизированных КСВ-метров, в которых применяются неподвижные рефлектометры. Следует отметить, что теория связанных линий послужила основой для создания многочисленных фидерных элементов — направленных ответвителей, фазосдвигате- лей и т. п.
Методика, разработанная В. В. Татариновым, состояла из самих
113


измерений и последующего вычисления сопротивлений по этим данным. В антеннах КВ диапазона обработка измерений требовала существенно меньше времени, чем сами измерения. При переходе на УКВ и СВЧ положение изменяется: измерения распределений в фидере антенны, производимые при помощи специальных измерительных линий, подключаемых в разрыв фидера или ко входу антенны, стало занимать буквально минуты. В то же время объем таких измерений значительно увеличился из-за необходимости тщательной отработки большого числа макетов и настройки большого числа образцов антенн. Вследствие этого возникла настоятельная необходимость упрощения обработки результатов измерений и сокращения времени, затрачиваемого на это.
Выход был найден благодаря применению специальных круговых номограмм, позволивших избежать расчетов по громоздким формулам. Эти номограммы получаются путем совмещения на одной плоскости двух систем координат — Re Г, Im Г (Г(х) — коэффициент отражения в линии) и Re Z = R, Im Z = X (Z(x) — комплексное сопротивление в данной точке X линии). Совмещение плоскостей Г и Z позволяет осуществлять переход от Г(х) к Z(x) и обратно путем считывания соответствующих их значений для одной и той же точки плоскости. Однако основной смысл круговых номограмм заключается в том, что они позволяют без труда осуществлять трансформацию сопротивления и коэффициента отражения вдоль линии; при этом используются непосредственно измеряемые на линии величины — КСВН = (1 + | Г|)/( 1 — | Г|) и длина х на линии, связанная с фазой Г(х) —arg Г(х) соотношением arg T(x) = arg T(0) + 2ß х, где ß — фазовая постоянная волны в линии.
Если X отсчитывать от точки включения нагрузки, то значение Г(0), непосредственно определяющее сопротивление нагрузки ZHarp, легко найти, измерив КСВ и расстояние х до точки, где arg Г(х) обращается в нуль или л, т. е. до минимума или максимума распределения в линии. Трансформация сопротивления путем перемещения по линии КСВ = const позволяет осуществлять и подбор согласующих устройств. Например, можно найти реактивное сопротивление шлейфа, который следует включить в сечении с трансформированным активным сопротивлением, равным волновому. Можно также найти сечение, в котором обращается в нуль реактивное трансформированное сопротивление и где -следует включить трансформатор активных сопротивлений. Оба эти метода практически применялись в технике КВ антенн еще до разработки круговых номограмм. Последние просто существенно облегчили расчет согласующих устройств.
Практически были предложены два варианта выполнения номограмм; наиболее известна и широко распространена номограмма, разработанная независимо друг от друга в 1940 г. А. Р. Вольпертом [90] и в 1941 г. П. Смитом и названная поэтому круговой номограммой Вольперта—Смита. В ней за основную плоскость принята плоскость Г. Поскольку I ГI то вся номограмма размещается внутри единичной окружности (масштаб единицы выбирается из соображений удобства использования). Линии Re Г = const, и Im Г = const, образуют декартову сетку | Г| = const, (или KCB = const.)—концентрические окружности, радиусы соответствуют значениям arg Г или X/Z0. Несколько позже (в 1943 г.) В. Буш-
114


беком была предложена номограмма, в которой основной являлась плоскость Z с декартовой сеткой R = const., Х = const. Линии КСВ = const, представляли собой окружности с центрами на оси /?, пересекающие эту ось в точках RMaKC/Z0 = KCB, RMilH/Z0= 1/КСВ. Эта номограмма оказалась удобной для изображения на ней частотных характеристик антенн. Номограмма Вольперта—Смита применяется как при расчетах, так и в индикаторах автоматических приборов, называемых измерителями полных сопротивлений.
При разработке антенн КВ диапазона большое внимание уделялось изысканиям способов согласования антенн с фидером. Эта работа проводилась применительно к используемым в этом диапазоне симметричным двухпроводным линиям в различных направлениях. Так, использовались и элементы с сосредоточенными постоянными — секционированные катушки самоиндукции, ВЧ трансформаторы, резонансные контуры. Подобные резонансные трансформаторы описаны, в частности, В. В. Татариновым [1,библ. 115]. Большое распространение получили реактивные шлейфы — короткозамкнутые отрезки линий. Реактивное сопротивление их регулировалось изменением длины шлейфа при помощи передвижного короткозамыкающего мостика (рис. 36,а) (Г. Я. Михельсон, 1932 г.).
С. 	И. Надененко и В. В. Татаринов предложили различные схемы выполнения фидерного тракта с включением таких реактивных шлейфов и подвижных мостиков (рис. 36, б). При этом Татаринов обосновал идею параллельного включения шлейфа, компенсирующего реактивность. Затем были предложены двухшлейфовый (Михельсон) и трехшлейфовый (Татаринов) мосты. Достоинством последнего было отсутствие необходимости перемещать точку включения шлейфа при согласовании произвольных сопротивлений. Поэтому трехшлейфовые мосты нашли широкое практическое применение впоследствии и на более коротких волнах, вплоть до сантиметровых. Они выпускались в виде отдельного блока, включаемого в фидерный тракт, и применялись, главным образом, в измерительной аппаратуре или при предварительном согласовании. На базе шлейфов Надененко в 1932 г., а затем Михельсон в 1934 г. разработали схемы автоматических коммутаторов антенного тракта для антенн, работающих на разных частотах. При этом использовалось свойство шлейфа имитировать короткое замыкание или холостой ход при определенных длинах.
Для согласования неодинаковых активных сопротивлений нашли применение различные плавные и ступенчатые переходы от одного волнового сопротивления к другому. Плавный переход представлял собой линию с меняющимся по длине волновым сопротивлением. Задача о распространении волн в неоднородных линиях рассматривалась еще Р. Рюден- бергом (1913 г.), а затем — Дж. Карсоном (1924 г.), Д. Арнольдом и Р. Тэйлором (1932 г.), А. Е. Сузантом (1932 г.), который предложил использовать такую, плавно расходящуюся линию в качестве согласующего трансформатора для возбуждения полуволнового вибратора. Вслед за этим в период с 1934 по 1940 гг. был опубликован ряд работ, в которых развивалась приближенная теория периодически нагруженных линий (в том числе М. С. Неймана в 1934 г.— о регулировании скорости распространения электромагнитных волн в проводах и С. И. Надененко
115


Рис. 36. Согласующие устройства
а — одиночный шлейф, б — ступенчатый четвертьволновый трансформатор с компенсирующим шлейфом (/ — фидер, 2—шлейф, 3 — подвижная перемычка, 4 — вибратор, 5 — согласуемые фидеры, 6 — трансформатор, 7 — последовательный шлейф, 8 — параллельный шлейф)
в 1937 г.— о линиях с периодически включенными нагрузками). В работах Ч. Бэрроуза (1938 г.), Г. Уилера (1939 г.), М. С. Неймана (1938 г.) [91] рассматривались линии с экспоненциально меняющимся волновым сопротивлением. А. Р. Вольперт [92] исследовал линию с волновым сопротивлением, меняющимся по общему степенному закону, И. И. Вольман в 1939 г.— антенный трансформатор в виде расходящейся линии.
В послевоенное время резко возрос поток работ, посвященных уточнению и совершенствованию теории неоднородных линий, а также разработке методов синтеза оптимальных согласующих переходов. Упомянем лишь некоторые наиболее интересные работы. Так. И. Е. Средний в 1946 г., рассматривая общий случай неоднородной линии, предложил их классификацию, основанную на свойствах дифференциальных уравнений, которыми они описываются, рассмотрел подробно некоторые классы таких линий. А. Л. Фельдштейн в цикле своих работ 1951 —1959 гг. [93] развил метод исследования линий, основанный на предельном переходе от ступенчатой линии к плавной. Им решена задача синтеза неоднородной линии по заданной частотной характеристике, показано, что минимальная длина перехода при заданном уровне согласования обеспечивается так называемыми чебышевскими переходами. Задачу создания оптимальных плавных согласующих переходов рассматривали многие исследователи. С. И. Орловым в 1956—1961 гг. была рассмотрена сложная задача согласования произвольного комплексного сопротивления при помощи синтезируемой неоднородной линии. Эта задача сведена им к интегральному уравнению Фредгольма первого рода, решавшемуся как методом преобразования Фурье, так и разложением решения в ряд по полиномам Чебышева первого рода. Разработанный метод позволяет существенно сократить длину переходов.
На практике применяют и ступенчатые переходы, более простые в изготовлении. В таких переходах используют свойства четвертьволновых _отрез ков линии, которые при волновом сопротивлении Z0T = = л]Zq\Zo2 согласуют две линии с волновыми сопротивлениями Z01 и Z02. Полоса рабочих частот такого трансформатора может быть расширена .при включении на его входе и выходе дополнительных компенсирующих реактивных шлейфов, а также при использовании многоступенчатых пере-
116


Рис. 37. Симметрирующие устройства
а — ^/-колено, б — запирающий стакан, в — двойной стакан, г — совмещенный стакан (1 — симметричный вибратор, 2 — U-колено, 3 — коаксиальный фидер, 4 — стакан, 5 — симметрирующее устройство (СУ), 6 — симметричный фидер, 7 — совмещенный стакан, Z„ — эквивалентное сопротивление симметричной нагрузки (вибратора), ZCT — эквивалентное сопротивление стакана, ZCJ = jZoCTig (2л1/Х), 1= 0,25Хср — глубина стакана, Z0cT — волновое сопротивление стакана)
ходов с четвертьволновыми ступенями. Методика расчета оптимальных ступенчатых переходов разработана А. Л. Фельдштейном. Отметим, что возможность широкополосного согласования устройствами без потерь ограничена условиями, впервые рассмотренными P. М. Фано [94]. Проблема ограничения согласования в широкой полосе применительно к антеннам рассмотрена в 1951 г. Принципиально важное значение для изучения методов согласования, в частности путем компенсации реактивного сопротивления, имела теорема Р. Фостера, согласно которой для произвольного двухполюсника без потерь dX/d(ù> 0.
В связи с распространением коаксиальных фидерных линий возникла необходимость в симметрирующих устройствах для перехода к симметричным вибраторам. На более длинных волнах аналогичная задача решалась при помощи схемных устройств. Однако, на УКВ и тем более на СВЧ схемные методы были неприменимы. Первое симметрирующее устройство на УКВ было выполнено в виде «U-колена», когда плечи симметричного вибратора возбуждались от центрального проводника кабеля в точках, отстоящих друг от друга на полволны; при этом промежуточный отрезок кабеля сворачивался в виде U-петли (рис. 37, а). Оболочка кабеля при этом должна заземляться. U-колено понижало сопротивление вибратора в четыре раза и поэтому оказалось особенно удобным в случае высокоомных вибраторов, например бивибратора.
На волнах дециметрового и сантиметрового диапазонов практичнее оказалось симметрирующее устройство в виде четвертьволнового запи¬
117


рающего стакана, размещаемого соосно с кабелем на его внешней оболочке (устройство первого рода). Такой стакан устраняет «антенный эффект» кабеля, препятствуя затеканию токов на эту оболочку (см. рис. 37, б). Был разработан ряд разновидностей таких устройств, в том числе и принципиально широкополосных за счет симметрии самой конструкции — устройств второго и третьего родов (см. рис. 37, в, г). В вибраторах с верхним и средним питанием симметрия возбуждения обеспечивалась также за счет симметрии конструкции: верхняя часть вибратора являлась как бы продолжением центрального проводника коаксиальной линии, а нижней служила либо просто внешняя ее оболочка непосредственно (в антенне Айзенберга) (см. рис. 33, в, г), либо вывернутая наружу и образующая нечто вроде своеобразного запирающего стакана (в антенне Линденблада эта часть вибратора просто заземлялась) (см. рис. 35, г).
Таким образом, вибраторные и проволочные антенны сыграли большую роль на первом этапе развития антенной техники. В это время было создано много различных типов антенн и предложены эффективные методы их расчета. Однако в середине 30—40-х годов практика поставила ряд новых задач, требующих применения в антенной технике иных принципов проектирования. Но эти типы антенн сохраняют свое значение и до настоящего времени, являясь составной частью более сложных антенных систем. До сих пор применяются и приближенные расчетные методы, основанные на теории длинных линий, особенно в области СВЧ элементов — фильтров, переходов и пр.
ГЛАВА ПЯТАЯ
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДАЛЬНЕЙ РАДИОСВЯЗИ И ИХ РЕШЕНИЯ
В развитии дальней радиосвязи от середины 20-х годов до середины 50-х можно выделить три периода.
Первый период — от середины 20-х до середины 30-х годов — период развития радиосвязей на коротких волнах. Он характеризуется использованием высоких скоростей телеграфной манипуляции при автоматической передаче, ондуляторной записи сообщений на приеме и ручной обработки телеграфных сообщений с амплитудной модуляцией.
Второй период — от середины 30-х до середины 40-х годов — отличается использованием частотной модуляции, однополосной связи и внедрением буквопечатающих аппаратов.
Третьему периоду — от середины 40-х до середины 50-х годов — присуще дальнейшее развитие систем с частотной модуляцией и одной боковой полосой (ОБП), а также исследования дальней связи на метровых волнах.
118


Период от середины 20-х до середины 30-х годов
Задача поиска методов получения устойчивых и эффективных радиосвязей, стоявшая почти с момента изобретения радио, в рассматриваемый период получила ряд удачных решений. Одним из них было применение для дальней связи коротких волн. Уже к 1924 г. в достаточной мере выявились преимущества коротких волн, и во всем мире началось развитие радиосвязей в этом диапазоне, в то время как работы по длинноволновым связям почти прекратились. Первая советская коротковолновая линия радиосвязи была открыта в 1927 г. между Ташкентом и Москвой. Во многих странах проводились исследования коротковолновых систем радиосвязи.
Основные проблемы радиосвязи решались путем совершенствования аппаратуры, создания направленных антенных устройств, изучения законов распространения радиоволн в ионосфере. Была организована мировая ионосферная служба — создана сеть ионосферных станций и лабораторий для изучения вариации магнитного поля Земли, состояния Солнца и других факторов, влияющих на коротковолновую радиосвязь [i].
С развитием мировой сети радиосвязи возникла необходимость регламентации ее работы. При Международном Союзе Электросвязи образуются специализированный Международный консультативный комитет по радио (МККР), а также Международный комитет по регистрации частот (МКРЧ). Рекомендации МККР, основанные на мировом опыте, регламентировали основные технические параметры оборудования радиосвязи, способствовали применению наиболее эффективных методов радиосвязи. МКРЧ распределял частоты между мировыми службами.
К середине 30-х годов на основе обширного материала по прохождению радиоволн появилась возможность предсказания ожидаемых нарушений прохождения сигналов в коротковолновых линиях радиосвязи — составление радиопрогнозов. В этот период было установлено, что главным препятствием к использованию коротких волн являются замирания сигналов. Наиболее эффективным способом борьбы с замираниями оказался предложенный Г. Бевереджем и Г. Петерсоном (Англия, 1925 г.) метод разнесенного приема. Одновременный прием на разнесенные антенны, подключенные к двум различным приемникам, позволил путем сложения сигналов обеспечить существенное повышение надежности приема.
Повышение мощности передатчиков и чувствительности приемников, использование направленных антенн на передаче и приеме повысили энергетические параметры коротковолновых радиолиний и утвердили их положение в мировой сети связи. Проблема улучшения эффективности использования радиоканалов решалась как повышением скоростей телеграфной манипуляции, так и многократным использованием радиоканала. Эта проблема становилась особенно острой по мере роста мирового количества радиосвязей.
9


Период от середины 30-х до середины 40-х годов
В это время достигнутая устойчивость радиосвязи позволила ввести на линиях высокие скорости манипуляции. Международные линии работали на средних скоростях, в то время как на внутренних трассах использовались более высокие скорости — до 300—500 слов в минуту. Работа велась кодом, автоматически, с помощью трансмиттеров на передаче и ондуляторов на приеме. Ондуляторная лента затем расшифровывалась, и телеграммы распечатывались на бланки на пишущей машинке. Поэтому высокие скорости манипуляции во всем канале не удавалось сохранить — распечатка телеграмм вручную снижала общую коммерческую скорость работы. Трансмиттерно-ондуляторная система обладала и еще одним недостатком. Сообщение дважды подвергалось ручной обработке — при передаче и приеме, и при такой обработке неминуемы были ошибки. По мере роста радиообмена переход на буквопечатание был настоятельно необходим.
В буквопечатающих системах многих стран использовались телеграфные системы с равномерными кодами, в которых каждый знак формировался равным числом элементарных посылок. Это существенно упрощало лентопротяжные механизмы, при печатании знака лента продвигалась на одинаковое расстояние. Использование равномерных кодов увеличило коммерческую скорость передачи.
В первых же дальних линиях связи на коротких волнах во всех странах пытались применить буквопечатающую аппаратуру. Естественно, что для этого использовались уже имевшиеся проводные телеграфные аппараты систем Крида и Бодо. Преимущественное распространение получила аппаратура системы Бодо. Она работала равномерным пятизначным кодом. В СССР над буквопечатающими системами работал А. Ф. Шорин, он в 1922 г. экспериментировал с аппаратурой Бодо и Уитстона [2]. Позже, в 30-е годы аналогичные опыты в СССР проводил Л. И. Тремль с изобретенным им телеграфным аппаратом старт- стопного типа [3].
В целом же до 1934—1935 гг. попытки использовать имевшуюся аппаратуру буквопечатания на радиосвязях не получили практического распространения. Большее применение на радио получили специальные буквопечатающие системы, одна из которых была разработана немецкой фирмой «Сименс». В аппаратуре «Сименс» использовался принцип Ч. Бердана: принимаемый сигнал запоминался конденсаторной схемой и затем поступал в приемную часть аппарата. Он накапливался путем нескольких повторений, а на приеме получался суммарный полноценный сигнал. Аппаратура Сименс—Вердан применялась как на длинных, так и на коротких волнах, давала возможность менять условия приема в зависимости от состояния радиоканала. В зависимости от характера дефекта в- канале (помеха или замирание) путем изменения полярности сигнала и увеличения числа повторений можно было улучшить качество работы, правда, за счет некоторого снижения пропускной способности системы.
В 1938 г. В. И. Керби и В. В. Новиковым (СССР) была разработана аппаратура на основе системы Бодо в шестикратном варианте с применением принципа Вердана [4]. Шестикратный аппарат «Бодо-радио»
120


был использован на нескольких советских радиолиниях большой протяженности и успешно эксплуатировался в течение ряда лет. Годом позже, в 1939 г. Л. П. Гуриным, Г. П. Козловым и А. Д. Игнатьевым (СССР) был разработан девятикратный аппарат Бодо с высокой пропускной способностью и защитой от дефектов радиоканала. В качестве элементов коррекции принимаемого сигнала использовались так называемый укороченный контакт и корректирующее электронное реле. Укороченным контактом из принятого сигнала вырезалась наименее искаженная средняя часть, которая воздействовала на электронное корректирующее реле. На выходе реле сигнал имел номинальные длительность и форму. Преимуществами девятикратного «Бодо-радио» являлись высокая эффективность защиты и коррекция без ухудшения пропускной способности системы.
В конце 30-х годов начинаются исследования и практическое использование однополосных систем (ОБП), рекомендованных MKKJP для широкого применения в дальней радиосвязи. Следует отметить, что в СССР системы с ОБП начали использоваться с 20-х годов [5].
К концу 1939 г. в СССР В. А. Котельниковым, А. В. Черенковым и А. Ф. Ганиным была разработана и введена в эксплуатацию высокоустойчивая система ОРМ («однополосная радиомногократка») для многократного использования коротковолнового ОБП-радиоканала. В системе ОРМ работали три телеграфных и один телефонный каналы. В каждом телеграфном канале мог применяться многократный телеграфный аппарат или устройство трансмиттерно-ондуляторной связи со скоростями манипуляции до 300 слов в минуту. Боковая полоса в системе ОРМ формировалась балансной модуляцией с подавлением на 90% амплитуды несущей частоты, остаток несущей служил пилот-сигналом.
При хорошем прохождении радиоволн система ОРМ работала с полной пропускной способностью. При ухудшении прохождения один из телеграфных каналов дублировался другим в противофазе: посылка сигнала прямой полярности передавалась на частоте одного канала, а противоположной— на частоте другого. Разнос частот составлял 620 Гц. Этот способ существенно повышал устойчивость радиоканала на самых протяженных и трудных по прохождению линиях радиосвязи. В сдвоенном канале можно было использовать девятикратный аппарат «Бодо- радио» с полной пропускной способностью. Положительный опыт использования этих систем позволил в разработках аппаратуры дальней радиосвязи послевоенного периода реализовать все возможности ОБП.
С середины 30-х годов во всех странах начались исследования частотной модуляции. Работы советских ученых В. И. Сифорова и А. А. Харкевича, В. С. Мельникова, А. А. Магазаника, В. А. Смирнова,
С. 	В. Бородича и других заложили основы для создания практических ЧМ-систем. При частотном радиотелеграфировании во время паузы между посылками излучаются электромагнитные колебания с той же мощностью, но на другой частоте.
В 1923 г. А. Н. Щукиным (СССР) была высказана идея использования двухканальной частотной модуляции. В 1946 г. И. Ф. Агаповым была разработана [6] система двухканального частотного телеграфирования (ДЧТ). При ДЧТ происходит поочередная передача сигна¬
121


лов на четырех различных частотах, причем каждая передаваемая частота соответствует либо посылке либо паузе. Система ДЧТ совмещает в себе и двухканальный принцип и преимущества частотного телеграфирования при непрерывной работе передатчика.
В дальнейшем система ДЧТ была рекомендована МККР для широкого применения.
Период от середины 40-х до середины 50-х годов
Для третьего периода характерны разработки специальных корректирующих кодов, которые позволяли находить и исправлять ошибки, возникающие из-за дефектов канала. При использовании таких кодов передаваемые знаки сообщения несли в себе и информационные и проверочные элементы. Со специально кодированным сигналом пропускная способность канала уменьшалась, и за счет потери скорости передачи информации вероятность ошибки в принимаемом сообщении могла быть изменена в широких пределах. В практике радиотелеграфной связи получил применение возвратный код с автозапросом при приеме искаженного знака (АЗО) и автоматическим повторением этого знака до получения его на приемном конце в точном виде [7]. Многие фирмы независимо друг от друга стали конструировать аппаратуру уплотнения коротковолновых радиоканалов по принципу АЗО. Рекомендация по использованию такой системы защиты была принята МККР в 1956 г.
Принцип АЗО, примененный в отечественных системах с многократным использованием радиоканалов, состоял в том, что в семизначном коде каждый знак формировался из трех элементарных посылок положительной полярности и четырех посылок отрицательной полярности. Нарушение этого соотношения, например при пропадании посылки или появлении помехи, заставляло срабатывать мостовую схему и устройство печатания специального знака, указывавшего, что сигнал принят неправильно. Использование семизначного защитного кода решило проблему использования телеграфных аппаратов стартстопного типа в усложненных условиях работы радиоканалов.
Для систем многократного использования радиоканалов конца 50-х годов характерно стремление унифицировать и усовершенствовать это оборудование и аппаратуру тонального телеграфирования. В разработках голландской фирмы «Филлипс», американской «Вестерн Юнион» и других фирм совмещена аппаратура тонального телеграфа и уплотнения радиоканалов, сдвоены каналы, применены специальные ограничители, введено управляемое экспандирование [8—10]. Исследования показали, что создание полностью унифицированного оборудования нереально, более рационально создавать специальную аппаратуру многократного использования радиоканалов. Этот вывод подтвердился, в частности, разработкой в 1958 г. аппаратуры «Кинеплекс» американской фирмы «Коллинз». Аппаратура «Кинеплекс» предназначена для радиоканалов, в ней применены фазовая манипуляция, интегрирование приемных сигналов, жесткая синхронизация передачи и приема. Аппаратура позволила получить пропускную способность системы порядка 3000 Бод [11]. К этому же периоду относится разработка аппаратуры
122


уплотнения однополосного канала западногерманской фирмой «Сименс Гальске» [12, 13].
В 1932 г. Т. Эккерслей опубликовал результаты исследований рассеяния радиоволн в нижних слоях ионосферы. Возможность применения этого явления для радиосвязи на метровых волнах, при растущем дефиците коротких волн, заставила многих ученых в 50-х годах заинтересоваться им. В СССР был накоплен большой экспериментальный материал, определены возможности использования радиолиний с ионосферным рассеянием.
Радиосвязь на УКВ с ионосферным рассеянием имеет ряд преимуществ перед коротковолновыми линиями. При правильно выбранной рабочей частоте линия слабо подвержена влиянию ионосферных возмущений. Линия проста в эксплуатации, может работать в течение длительного времени на постоянной рабочей частоте с повышенной надежностью радиосвязи. В то же время этим линиям присущ ряд недостатков: ограниченная длина пролета линии и высокая стоимость антенных устройств при относительно малой пропускной способности [14].
Примерно в это же время исследовалось явление отражения ультракоротких радиоволн от ионизированных следов метеоров. Оказалось, что при использовании кратких периодов этих отражений можно было осуществлять сеансы связи с высокими скоростями передачи. На приеме производилась скоростная запись принятых сигналов, которая затем расшифровывалась. Для осуществления такой прерывистой связи потребовалось изучение статистических закономерностей появления следов метеоров. Был разработан комплекс оборудования для метеорной радиосвязи [15]. С появлением широкополосных радиорелейных систем связи проблема использования прерывистой метеорной радиосвязи потеряла свое значение.
В развитии дальней радиосвязи большую роль сыграла радиотелефонная связь. Телефонирование на коротких волнах было начато в СССР в 1927 г. открытием связи между Москвой и Ташкентом. Некоторое время телефонная связь по радио была единственным средством связи с городами Сибири и Дальнего Востока, а также с рядом зарубежных стран.
Радиотелефонная связь предъявляла менее жесткие требования к каналу по сравнению с телеграфом, однако и здесь должны были решаться две серьезные проблемы. Требования к качеству радиотелефонной связи, осуществляемой на правах междугородной связи, были достаточно высоки. В то же время участвующие в радиотелефонной связи приемные и передающие технические средства корреспондентов, центры управления ими (радиобюро), тракт радиосвязи, проводные городские линии, междугородные станции составляли в целом сложный комплекс. Для решения первой проблемы — обеспечения высокого качества радиотелефонных связей — необходимы были специальные радио- проволочные переходные устройства (РППУ), устанавливаемые на обоих концах радиотелефонной линии.
В схеме РППУ были применены специальные эхозаградители, управляемые голосом говорящего и в каждый момент включающие только передачу или прием. РППУ строились на основе статистических ха¬
123


рактеристик речи [4]. Первый образец РППУ в СССР был разработан в середине 30-х годов. Последующие разработки не изменили принципа построения РППУ, вводились в них лишь новые технические элементы.
Новое решение проблемы построения РППУ появилось в 50-е годы — в схему РППУ были введены компрессор сигналов на передаче и экспандер на приеме. Применение автоматического регулирования действия этих устройств по специальному управляющему каналу, т. е. принципа управляемого компандирования в телефонной радиосвязи, дало весьма заметное повышение качества работы канала радиосвязи. Аппаратура, в которой впервые был применен предложенный принцип, была разработана в Англии — система «Линкомплекс». В СССР аппаратура с применением принципа управляемого компандирования появилась несколько позже (система «Арка» [16]).
Вторая проблема дальней радиотелефонной связи определялась необходимостью защиты телефонных разговоров от подслушивания. Эта проблема решалась двумя путями, рекомендованными МККР. Один путь заключался в применении устройств защиты, в которых разговорный спектр,частот инверсировался относительно некоторой фиксированной частоты: низкие частоты спектра превращались в высокие, а высокие — в низкие. Разборчивость речи при этом заметно ухудшалась, хотя при известной тренированности слуха можно было частично разобрать содержание разговора.
Другой путь был предложен для систем с независимой боковой полосой — использовать метод расщепления общего разговорного спектра на равные частотные полосы. Затем эти частичные полосы с инверсией (или без нее) по специальной программе перемещались во времени. Следует заметить, что для восстановления речи на приемном конце требовалась жесткая синхронизация программных устройств. На отечественных и зарубежных радиотелефонных линиях использовались устройства негласного телефонирования.
В 50-е годы вследствие развития широкополосных систем связи значение коротковолновой радиотелефонной связи начинает снижаться. В то же время потребовали решения проблемы передачи-неподвижных изображений по каналам дальней коротковолновой радиосвязи методом фототелеграфирования, при которой производится последовательная передача элементов изображения. Яркость этих элементов преобразуется световым модулятором в электрические сигналы, которые поступают в канал связи. На приемной стороне электрические сигналы про- йзводят электрохимическое, электротермическое или механическое воздействие на носитель — бумагу или пленку. Процесс фототелеграфирования предъявляет очень высокие требования к стабильности и синхронности работы передающих и приемных устройств.
Помехи, замирания, многолучевой прием сигналов ухудшают качество фототелеграфной передачи, особенно для полутоновых изображений. Борьба с этими явлениями составляет одну из основных проблем в технике фототелеграфирования.
В истории фототелеграфной радиосвязи прослеживается несколько периодов. В 1924—1928 гг. находят применение длинные волны. В 1929—
124


1938 гг. использовалась амплитудная модуляция на коротких волнах. В 1941 г. появилась система с частотной модуляцией поднесущей частоты и амплитудной модуляцией несущей (фирма RCA, США). С 1943 г. в СССР и с 1948 г. в США началось использование системы фототелеграфирования с непосредственной частотной модуляцией несущей передатчика. Этот метод, обеспечивший существенное повышение устойчивости на коротких волнах [17], с середины 50-х годов применялся в США, Канаде и Японии для передачи метеорологических карт на коротких и длинных волнах.
Одновременно с поиском эффективных методов использования фототелеграфного радиоканала проводились работы по совершенствованию оконечных аппаратов. В 50-е годы уже накопился опыт разработок фототелеграфных аппаратов в Англии (фирма «Мюирхед»), в Японии (фирма «Иточи»), в СССР: сложный «мокрый» процесс записи принятого изображения заменялся на более простой способ записи; барабанная развертка менялась на плоскостную, облегчающую условия синхронизации; совершенствовались схемы преобразования модуляции и т. д.
К концу 50-х — началу 60-х годов в СССР была создана система «Газета», с помощью которой была разрешена важнейшая проблема организации децентрализованной печати наиболее популярных изданий, редакции которых помещаются в центре. В этой системе изображение полос центральных газет передавалось по фототелеграфным каналам высокого качества в пункт децентрализованной печати. С принятого изображения делались клише, с которых печатались полосы газеты необходимым для данного пункта тиражом. Этот способ, ускоряющий прохождение газеты от редакции до подписчика, находит в дальнейшем все большее развитие.
ГЛАВА ШЕСТАЯ
ИСТОРИЯ ЛАМПОВЫХ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ
Задачи радиопередающей техники довоенного периода
Построенные в первой половине 20-х годов однокаскадные связные и вещательные передатчики с самовозбуждением вскоре перестали отвечать своему назначению, и прежде всего из-за недостаточной стабильности частоты.
Чтобы повысить стабильность частоты, стали строить передатчики в виде двух ВЧ каскадов: возбудителя колебаний и резонансного усилителя мощности, в котором производилась модуляция сигнала. Достигнутая таким способом стабильность частоты какое-то время была достаточной для радиовещания, но неудовлетворительной для КВ связи. Вскоре попытались обеспечить стабильность частоты, применяя кварцевые резонаторы — сначала в виде отдельных от передатчиков устройств, по которым корректировалась частота автогенератора, затем путем использования кварцевой пластины в качестве элемента
125


колебательной системы автогенератора. Одновременно исследовались методы стабильности частоты автогенератора с перестраиваемым LC- контуром.
Было ясно, что в КВ передатчиках, работавших в 5—8-кратном диапазоне волн, ВЧ возбудители следует строить в значительно более узком диапазоне с его расширением последующими каскадами умножения частоты. Соответственно ВЧ тракт КВ передатчика составлялся из следующих каскадов, перестраиваемых во всем КВ диапазоне: возбудителя, нескольких усилителей-удвоителей частоты и усилителя мощности.
При настройке ВЧ каскадов, особенно КБ работающих в широком диапазоне волн, и мощных многоламповых СВ и ДВ, выявился ряд явлений, нарушающих устойчивость работы. Обеспечение устойчивости работы передатчика составило одну из важнейших и наиболее трудно решаемых проблем радиопередающей техники довоенного периода.
В СССР в течение 30-х годов одной из главных радиотехнических задач было обеспечение радиосвязи центра с отдаленными районами страны и связи с крупнейшими зарубежными странами. Не менее важной задачей было обеспечение радиовещанием населения. Для их решения необходимо было разработать и соорудить мощные КВ радиоцентры и радиовещательные станции СВ и ДВ возможно большей мощности. В конце 20-х годов мощность отдельных радиовещательных станций в Западной Европе и США достигла 50—60 кВт. Начиная с 1929 г., после строительства в СССР первой в Европе 100-кВт радиостанции, была поставлена задача создания более мощных станций. В связи с этим потребовала решения проблема надежности работы каскадов с большим количеством мощных ламп.
Актуальными были и другие задачи. В области профессиональной связи — это улучшение формы телеграфных сигналов, повышение скорости их передачи, реализация на практике идеи однополосной радиотелефонии. В области радиовещания требовалось улучшить электроакустические показатели передатчиков со 100%-ной амплитудной модуляцией. До 1928—1930 гг. не было аппаратуры для объективного измерения электроакустических показателей и не существовали соответствующие нормы. Качество радиотелефонии определялось только на слух, путем сравнения детектированного сигнала на выходе передатчика с сигналом, подаваемым на вход его модуляционного устройства.
Стремление улучшить электроакустические показатели и повысить коэффициент модуляции составило предмет исследования различных методов AM. В связи с возрастанием мощности радиовещательных передатчиков актуальными стали в 30-х годах вопросы экономического характера, например, проблема повышения КПД генераторов, который тогда составлял около 20%.
Успешное развитие в СССР методов расчета ламповых генераторов помогло советским инженерам глубже анализировать процессы, происходящие в радиопередающих устройствах, и повысить качество проектирования устройств.
В 30-х годах началось активное освоение УКВ диапазона для телевидения, радиовещания с 4M и других применений. Разработчикам
126


ламп и радиоинженерам потребовалось расширить свои представления о физических процессах в электронных лампах для более эффективного их использования на очень высоких частотах.
Создаваемые в те же годы мощные радиопередающие устройства представляли собой сложные комплексы, состоявшие из ВЧ каскадов, модуляторов, источников питания и аппаратуры охлаждения ламп. В состав комплекса входили также устройства автоматического управления, защиты аппаратуры и средства техники безопасности. Прогресс в области радиопередающей аппаратуры был бы невозможен без соответствующего развития всех этих устройств.
Стабилизация частоты автогенераторов
В СССР с начала 30-х годов вопросами стабильности частоты автогенератора с перестраиваемым LC-контуром занимались Б. К. Шембель, Ю. Б. Кобзарев, М. С. Нейман [1]. Наряду с исследованиями дестабилизирующих факторов, таких как изменение температуры, напряжений питания, нагрузки, механических воздействий и др., разрабатывалась общая теория нестабильности частоты. Было получено уравнение относительной нестабильности частоты автогенератора
Л©/©« Acoo/coo+ (Дф*/Ла + Дф5/Да)Да/ (2Q).
Здесь Дсоо/соо^—0,5(AL/L + AC/C)— относительный уход собственной частоты LC-контура, обусловленный недостаточной эталонностью L и С; Q — его добротность, ф* и ф5 — фазовые углы коэффициента обратной связи и средней крутизны характеристики лампы. При этом учитывалось, что значения L и С определяются не только конденсаторами и катушкой индуктивности контура, но и всеми подключенными к ним малыми реактивностями — емкостями лампы, входной емкостью лампы последующего каскада и соединительных проводов, емкостями элементов схемы на землю и т. д.
Для уменьшения дестабилизирующих факторов применялся ряд приемов. Во-первых, генератор экранировали от внешних полей. Размеры экрана должны были сохраняться неизменными при воздействии дестабилизирующих факторов. Во-вторых, с целью ослабления влияния изменений реактивностей контура его волновое сопротивление р= coL= 1/(соС) стремились сделать малым. Он перестраивался переменным конденсатором из инвара — сплава с малым коэффициентом температурного расширения. В-третьих, для ослабления механических воздействий применялись жесткий монтаж и амортизация всего автогенератора. Так как при разогреве лампы после включения изменялись ее межэлектродные емкости, то это вызывало «выбег частоты». Автогенератор включался заблаговременно или даже оставался включенным при перерывах в работе. Как видно из приведенной выше формулы, влияние нестабильности фаз ф^ и ф5, значения которых зависят от напряжения питания и от нагрузки, обратно пропорционально добротности Q контура. Поэтому последующий каскад ставился в «буферный» режим без сеточных токов.
Для генератора с плавно перестраиваемым контуром особое значение
127


имела точность градуировки его шкалы. Проблема точности перестройки частоты не была решена в довоенном периоде.
Из формулы для относительной нестабильности следует, что нестабильность частоты кварцевого генератора должна быть значительно меньше вследствие несравненно большей добротности Q кварцевого резонатора и его гораздо более высоких эталонных свойств. При требуемой в то время стабильности можно было считаться только с одним дестабилизирующим фактором — зависимостью собственной частоты кварцевого резонатора от температуры. Это влияние можно было устранить, поместив кварцевую пластину в термостат.
Тем не менее в течение первых лет применения кварцевых генераторов стабильность их частоты оказалась хуже ожидаемой, что объяснялось новизной производства кварцевых пластин, поисками более совершенных срезов с малым температурным коэффициентом и не всегда удачными способами закрепления пластин в кварцедержателях. Наилучшие результаты были достигнуты, когда кварцевую пластину стали металлизировать в местах соединения с электродами и закреплять в узлах ее механических деформаций.
В 30-х годах, как правило, использовалась «осцилляторная» схема кварцевого генератора, при которой он не мог генерировать колебания без кварца. Чаще всего применялась схема Пирса—Кросслея с кварцем, включенным между сеткой и катодом лампы. [2, с. 110]. Очевидно, самовозбуждение в ней возможно на частоте, при которой кварцевый и анодный контуры представляют собой реактивности индуктивного характера. Для того, чтобы изменение реактивностей и анодного контура слабо влияли на генерируемую частоту, в некоторых генераторах анодный контур настраивался на вторую гармонику, и тогда кварцевый генератор одновременно выполнял функцию удвоителя частоты.
Для получения на выходе автогенератора более мощных колебаний (порядка десятков ватт) его стали строить на экранированной лампе по схеме, предложенной независимо Д. Доу (США) и Б. К- Шембелем (СССР) [3, с. 104]. Здесь экранная сетка выполняла функцию анода в кварцевом автогенераторе, в анодной же цепи усилителя колебания усиливались. В варианте, предложенном Шембелем, заземлялся по ВЧ не катод, как в схеме Доу, а экранная сетка — тем самым значительно уменьшалась обратная реакция анодного контура на авто- генераторную часть схемы и не ухудшалась стабильность частоты. Если определяющим был вопрос о стабильности частоты, то дополнительное усиление в анодной цепи осуществлялось апериодическим элементом — индуктивностью или резистором.
Для стабилизации частот выше 5—7 МГц кварцевые генераторы строили, как правило, на более низких частотах с умножением частоты последующими каскадами. Теперь приходится удивляться тому, что на практике мало использовалась другая, известная тогда, возможность: у кварцевой пластины как системы с распределенными параметрами механические колебания возникают не только на основной частоте, но и на более высоких гармониках. Поскольку в кварцедержателе с двумя электродами используются заряды на гранях противоположного знака, то пьезоэффект мог быть реализован только на нечетных механических
128


гармониках. В 1932 г. М. М. Пружанский (СССР) запатентовал способы усиления связи кварца, работающего на механических гармониках, с лампой [4]. Г. А. Зейтленок (СССР) предложил метод кварцевой стабилизации в диапазоне частот [3], названный впоследствии интерполяцией частоты. На рис. 38 показано два генератора: кварцевый Kr(fo) и перестраиваемый (интерполяционный) ИГ, частота которого F значительно ниже f0. Их колебания поступают на балансный преобразователь БП, на выходе которого перестраиваемым фильтром Ф выделяются частоты / в пределах от /0 — FMaKC до fo + FMaKC. Их нестабильность Дf определяется нестабильностями кварцевого генератора Afo и перестраиваемого ДF. Относительная нестабильность на выходе фильтра Ф
Д f /f = ( A f о + A f)/(f о ± f) « A f o/fo + (&F/F)(F/fo).
С уменьшением отношения FMaKC/f0 гораздо большая нестабильность интерполяционного генератора AF/F слабее отражается на нестабильности выходной частоты f в интервале 2/7макс. В случае широкого диапазона частот f возбудитель разбивался на узкие поддиапазоны шириной 2/7макс, средние частоты которых стабилизированы кварцевыми генераторами с интервалами, перекрываемыми интерполяционным генератором.
Такой возбудитель обеспечивал повышенную стабильность частот. Его существенным недостатком было наличие на выходе большого количества побочных частот fod=2/\ f0±З/7 и т. д. Так как они плохо фильтровались контурами последних каскадов, то засоряли эфир, создавая помехи приему отдаленных станций.
В послевоенные годы требования к стабильности частоты возросли. Было установлено, что так называемая «бесконтурная» схема генератора с кварцем, включенным между сеткой и анодом (рис. 39), позволяет повысить стабильность частоты до (1^5) -10“6. Однако с повышением стабильности частоты стал заметен медленный уход частоты из-за старения кварца. Это явление проявлялось тем сильнее, чем больше колебания на кварце, т. е. чем больше напряжение на нем.
Правильным выбором срезов и тщательной шлифовкой кварцев добротность у двояко- и плосковыпуклых пластин была доведена до сотен тысяч. Совершенствованием термостатов добивались неизменности параметров кварца. Широкое применение получил предложенный в США способ уменьшения напряжения на кварце. Для этого между сеткой и катодом лампы автогенератора включалось дополнительное отрицательное смещение, получавшееся путем детектирования части ВЧ колебания одного из последующих усилительных ВЧ каскадов передатчика. В 50-х годах в кварцевых генераторах стали широко применять транзисторы, менее мощные, чем лампы, но обладавшие большим сроком службы.
В 1947 г. Б. В. Войцехович и В. В. Беренев (СССР) [6] описали улучшенный генератор диапазона (60—120 м) для КВ передатчиков с повышенной стабильностью частот. Плавная настройка контура осуществлялась в 12 поддиапазонах шаровым вариометром из керамики, на котором витки были нанесены «печатным монтажом». Весь генератор
5 Зак. 1249
129


Рис. 38. Структурная схема прямой интерполяции частоты
БП — балансный преобразователь, КГ — кварцевый генератор, ИГ — интерполяционный генератор, Ф — фильтр
Рис. 39. Бесконтурная схема кварцевой стабилизации УВЧ — усилитель высокой частоты, Л —лампа
Рис. 40. Структурная схема фазовой автоподстройки частоты
АГ — возбудитель, КГ — кварцевый генератор, ИГ — интерполяционный генератор, См — смеситель, ФД — фазовый детектор, РЛ — реактивная лампа, Ф — фильтр
Рис. 41. Импульс анодного тока генераторной лампы
был помещен в керамический металлизированный экран. Шкала настройки с большим числом делений имела сильное оптическое увеличение. В отличие от возбудителей с интерполяцией частоты генератор обладал менее высокой стабильностью, но не имел большого количества побочных частот.
Основной недостаток метода прямой интерполяции частоты был в значительной мере устранен в 40-х годах В. С. Дулицким и позднее зарубежными фирмами благодаря использованию фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ). На рис. 40 возбудителем ВЧ колебаний передатчика является перестраиваемый автогенератор АГ. Его частота f, равная сумме колебаний кварцевого КГ (f0) и интерполяционного ИГ (F) генераторов, поддерживалась неизменной посредством кольца автоподстройки, состоящего из смесителя СМ, фазового детектора ФД, фильтра Ф и реактивного элемента РЭ (реактивной лампы, варикапа). В этой схеме частота f АГ поддерживалась равной алгебраической сумме частот fodzF с точностью до фазы (fo^>F).
Равномерную сетку стабильных частот тогда стали получать посредством импульсно-фазовой автоподстройки частот (ИФАПЧ). Так было положено начало синтезаторам частоты, которые достигли совершенства в течение последующих десятилетий.
130


Инженерный расчет лампового генератора
Во второй половине 20-х годов советские исследователи (А. И. Берг, А. Л. Минц, И. Г. Кляцкин и др.) разработали методы расчета лампового генератора, работающего в недонапряженном режиме. В этом режиме при настроенном анодном контуре мгновенные напряжения на сетке eg = Es-\-Ugcos Ы были меньше мгновенных напряжений на аноде еа = Еа— Ua с os со t.
В основу расчета была положена предложенная М. В. Шулейкиным линейная идеализация семейства характеристик анодного тока, параметрами которого служили: крутизна S, проницаемость D и внутреннее сопротивление R,= 1 /(SD). Соответственно динамические характеристики ia(ea) n.ia(eg) также получались прямыми, и импульсы анодного тока ia(wt) имели косинусоидальную форму с амплитудой 1а и углом отсечки 0 (рис. 41). Коэффициенты его разложения в ряд Фурье для постоянной составляющей ß0 = Ia0/Ia и первой гармоники ß1=/a,//fl зави: сели только от угла отсечки 0.
В 30-х годах появился интерес к перенапряженному режиму, при котором импульс ia{wf) имеет в верхней части седловину. А. И. Бергу [7] удалось разработать метод расчета, основанный на линейной идеализации статических характеристик токов лампы. При еа^0 можно было считать, что характеристики суммарного (катодного) тока ik = ia-\-ig линейны и параллельны вплоть до еа=р. Это семейство (рис. 42) Берг разделил на две области: недонапряженную, у которой без большой погрешности можно пренебречь сеточным током, приняв и пере¬
напряженную. В последней реальные характеристики ia(ea) при разных eg сходятся узким пучком, который он заменил «линией граничного режима» iarp с крутизной Srp = А/агр/Деа. Соответственно сеточные токи ig(ea), учитываемые в перенапряженной области, также представляют собой семейство параллельных прямых, параметры которых определяются из параметров семейства и iaгр.
На рис. 42 жирной прямой показана динамическая характеристика ik(ea)- При амплитуде Ua\ имеет место недонапряженный режим, при Uа2 — граничный (критический) режим. При амплитуде Uaz режим становится перенапряженным. Вследствие излома в динамической характеристике анодного1 тока ia(ea) появляется седловина в импульсе ia(wt), которую можно представить как разность косинусоидальных импульсов ik{wf)—ig(wt). Их параметры определяются формулами того же вида, как для импульса ia(wt) в недонапряженном режиме (см. рис. 41). Используя разложение косинусоидального импульса в ряд Фурье, можно определить составляющие анодного тока — постоянную и первую гармоники:
/аО = До— IgO', Ia\=ik\—Igl
Далее определялись мощности (колебательная =0,5 UJau потребляемая Р0 = Еа1а\ и теряемая на аноде Ра = Р0 — Р_) КПД т]=p^/p0t эквивалентное сопротивление анодного контура Rs=Ua/Iai
На практике чаще всего нужен расчет граничного режима, который является оптимальным, так как при этом лампа отдает максималь-
5*
131


ную мощность Р^ при КПД »]« «704-75% (в перенапряженном режиме КПД может быть немного выше, но при меньшей мощности Р^).
Линейная идеализация статических характеристик позволяла рассчитывать генератор и в другом порядке. Например, задаваясь мощностью напряжением Еа и углом 0 = 904-60°, можно было определить (/„• затем /„|. /(/0 и мощности Р<> и Ра. Если последняя превышала допустимую МОЩНОСТЬ Раит ДЛЯ КОНКреТ- ной лампы, то приходилось задаваться меньшим углом отсечки 0. В лампах довоенного периода катоды изготовлялись из чистого вольфрама, поэтому был еще один ограничивающий фактор — ток насыщения
Берг Аксель Иванович Ашас^/мш«-
(1893—1979) После расчета анодной цепи
определялись напряжения на сетке: Ец и i/o Мощности, теряемой на сетке РА„ сперва не придавали значения, и расчет сеточной цепи должен был приближенно определять только мощность ВЧ возбуждения, отдаваемую предварительным ВЧ каскадом. Из семейства характеристик сеточного тока определялась характеристика для wt = 0 (тогда Ецмякс — Ец + иц и еам1Ш = Еа— Ua. Далее по полуэмпирическим формулам определялись его составляющие i и мощности: ВЧ возбуждения Рц~ =0,5иц1щш источника смещения Р (ГО == Ец1щ) (обычно Ецс0 и /%<()), соответственно потерь на сетке Рц = Рц- + Рцп Отсюда коэффициент усиления каскада по мощности k«=P^/P^.
Разработанный С. И. Евтяновым (СССР) несколько отличавшийся метод расчета давал примерно те же результаты. По аналогичной методике рассчитывались удвоители и утроители частоты, использующие соответственно 2-ю (/„•_>) или 3-ю (1а-л) гармонику анодного импульса /„(со/), а также генератор на лампе с экранированным анодом, у которой семейство характеристик Цец) по мере увеличения постоянного напряжения на экранной сетке Ец>> смещалось влево. В соответствии с зависимостью Z)L>= — AE^/lE^y можно было увеличить коэффициент усиления каскада по мощности kn С другой стороны, с увеличением Ец<> возрастали импульс тока экранирующей сетки, его постоянная составляющая /Ц2о и рассеиваемая на ней мощность Рц2 = ЕЦ2^ции которая не должна превышать допустимую Рц>до».
Используя формулы аналитического расчета, можно было приближенно решить и более сложные задачи, встречающиеся на практике. Например, можно было оценить влияние вариаций кажущегося сопро-
132


тивления анодного контура /?э и неточной его настройки, изменения напряжения сеточного возбуждения Vg, а также приложенных к лампе постоянных напряжений Еа, Eg и Eg2 при амплитудной модуляции. Для этого представляли, что цепь первой гармоники составлена из ЭДС Еэ и последовательно соединенных внутреннего сопротивления /?£Э и нагрузки /?э. Так, при работе генератора в недонапряженном режиме И. Г. Кляц- кин получил соотношения
Ial= E3/(Ri3-{- RB), LJa — la\Rs-
У генераторной лампы /?1Э=1/5Д как правило, в несколько раз больше /?э. Так как ßi < 1, то ток 1а\ мало зависит от величины /?э и Ua~Rэ. Если 0=90°, то ßi =0,5 и
/al=( Д/Д/(2/?/ + /?э)~ Vg.
При работе в недонапряженном режиме влияние изменений постоянных напряжений можно оценить приближенной формулой Г. С. Рамма [8], справедливой при 5О°<0< 120°:
E^[Ug+\t2(Eg+DEa)]/D.
Соответственно амплитудную модуляцию тока 1а\ можно осуществить только изменением Ug или Egt а не Еа, так как D составляет единицы процента.
При работе лампы в перенапряженном режиме была предложена [9] приближенная формула
/al»l,lfia/(2/Srp + *s).
Так как 2/Srp<C/?3, то ток Ли сильно изменяется, а напряжение Uа мало меняется в зависимости от R3.
133


На практике работа лампы контролируется амперметрами постоянного тока (/до и Igo). Очевидно, характер изменений тока 1ао при рассмотренных вариациях должен быть примерно таким же, как у тока 1а\
Приведенные здесь формулы позволяют приближенно выбрать режим работы лампы при неточной настройке в резонанс анодного контура, заменив его сопротивление R3 комплексным Z3=|Z3|e/(p0, у которого модуль I Z3| = /?coscp3 уменьшается по кривой резонанса. Из этих формул видно, что в недонапряженном режиме с увеличением расстройки токи лампы /аi и /а0 увеличиваются гораздо меньше, чем в перенапряженном режиме; при этом напряжения Ua уменьшаются. Вследствие противоположного характера изменения мощностей Ро и мощность Ра, рассеиваемая на аноде, должна с ростом расстройки быстро увеличиваться.
Из приведенных формул можно заключить, что амплитудную модуляцию тока /а, можно осуществить в недонапряженном режиме изменением напряжений UgiEg и' Eg2, а анодную модуляцию можно осуществить в перенапряженном режиме изменением напряжения Еа. Последнее впервые объяснил в 1934 г. советский исследователь С. В. Персон.
Вопросы устойчивости ВЧ каскадов
На практике неустойчивость работы ВЧ каскадов передатчиков проявлялась по ряду причин, например, из-за самовозбуждения каскада на частоте, близкой к рабочей. Это могло быть и вследствие обратной реакции выходной цепи на входную или из-за паразитного самовозбуждения на частотах, существенно отличающихся от частоты настройки. Наконец, приводили к неустойчивости и опасные перенапряжения в неработающих деталях каскада.
Первые два вида неустойчивости объяснялись связью в каскадах между контурами через проходную емкость лампы анод—сетка, а также электромагнитной связью между катушками контуров. Последнюю устраняли экранированием.
В радиопередающей технике были попытки применить нейтрализацию, разработанную Л. Хазелтайном. Об этих методах (применительных в приемно-усилительных схемах) было рассказано в первой книге нашего труда [3, с. 173—175]. Однако, схемы нейтрализации Хазелтайна не дали хороших результатов. Причины неудачи были исследованы В. Бушбеком (Германия). Он показал [10], что схемы мостовой нейтрализации.Хазелтайна не обеспечивают полной развязки между каскадами. Так, при сеточной нейтрализации колебательное напряжение на анодном контуре создает через проходную емкость напряжение обратной связи в сеточной цепи, которое может увеличить напряжение возбуждения и привести к самовозбуждению. Анодная нейтрализация была несколько лучше. Более хорошие условия создавались в двухтактном усилителе с перекрестным включением нейтродинных конденсаторов [3, с. 173]. В этом случае контуры находятся в диагоналях моста и развязаны. Но на коротких волнах из-за влияния индуктивности нейтродинных шин приходилось уменьшать емкость нейтродинных конденсаторов.
Когда в конце 20-х годов появились лампы с экранированным анодом— тетроды, затем пентоды, то при замене ими триодов и заземлении по ВЧ
134


экранной сетки посредством конденсатора достаточно большой емкости, проходная емкость анод—управляющая сетка Cag настолько уменьшилась, что, казалось бы, надобность в нейтрализации отпадает. Однако, вопреки тому, что было в приемниках, у КВ передающих каскадов на экранированных лампах обнаружилась сильная склонность к самовозбуждению, особенно у более мощных ламп. Это объяснялось наличием внутри баллона индуктивности вывода экранирующей сетки. Она не позволяла обеспечить у нее нулевой ВЧ потенциал. Так как конструкция экранированных ламп того времени не позволяла радикально уменьшить эту индуктивность, то они повсеместно выпускались мощностью до 0,5—1 кВт.
В 1929 г. М. А. Бонч-Бруевич предложил строить КВ каскады с заземленной по ВЧ сеткой у триода, подавая ВЧ возбуждение на катод, изолированный по ВЧ от источника питания посредством дросселей. В этой схеме входной и выходной контуры усилителя мощности оказываются связанными через межэлектродную емкость Cak. Сделав сетку более густой, можно было бы уменьшить емкость Cak настолько, что нейтрализация не потребуется [11]. Такого же мнения придерживались американские фирмы «Бэлл систем» и «Маккей», которые построили в начале 30-х годов КВ радиоцентр, в котором более мощные каскады всех передатчиков были построены по схеме с заземленной сеткой.
Советские исследователи, а также многие зарубежные фирмы учитывали недостатки этой схемы (небольшой коэффициент усиления по мощности каскада, необходимость отделения катода лампы посредством громоздких ВЧ дросселей и, главное, наличие индуктивности у вывода сетки) и продолжали заниматься совершенствованием двухтактной схемы с нейтрализацией.
В. 	Бушбек пришел к заключению о том, что нейтрализация двухтактной схемы нарушается на частотах выше 20 МГц вследствие влияния межэлектродных емкостей, индуктивностей выводов лампы и нейтродинных шин. Для устранения их влияния он предложил сложную схему двойного моста нейтрализации, в которой нейтродинные цепи заменены теми же сложными комплексами малых реактивностей. Методика их прецизионного подбора им не была описана. В. В. Татаринов (СССР) предложил использовать вместо компенсационных реактивностей дополнительные лампы того же типа, но с холодными катодами. Это предложение было использовано в передатчиках фирмы «Телефункен». В СССР оно не нашло применения, так как работы Г. А. Зейтленка [12] и других советских исследователей показали, что можно осуществить двойной мост нейтрализации в прежней схеме, если ее дополнить небольшими индуктивностями в цепях катодов и нейтродинных шин. Им и И. X. Невяжским была разработана методика их практического подбора. Однако, в течение второй половины 30-х годов выяснилось, что двойные мосты нейтрализации не препятствуют, а в некоторых случаях даже способствуют возникновению паразитного самовозбуждения: напряжения на анодах и сетках обеих ламп становятся синфазными, лампы оказываются как бы соединенными параллельно. Основными элементами паразитных контуров нередко служат нейтродинные цепи. Устранение такого самовозбуждения в передатчиках СВ достигалось подключением ВЧ резисторов последовательно
135


с шинами, а в диапазоне более высоких частот — параллельно шинам.
Во второй половине 30-х годов Г. А. Зейтленок предложил схему балансной нейтрализации двойного моста [13], которая должна была исключить самовозбуждение как двухтактной, так и однотактной схем. Для этого конденсаторами перекрестно соединялись сетка одной лампы с катодом другой. Нейтродинные же конденсаторы включались между анодами и катодами каждой лампы. По этой схеме в конце 30-х годов были построены оконечные каскады КВ передатчиков 60-кВт связных радиоцентров СССР.
Интересно отметить судьбу схемы резонансной нейтрализации, разработанной фирмой «Телефункен», Германия. Было предложено подключать индуктивность LH к сетке и аноду лампы по ВЧ. Параллельный контур CagLH настраивался в резонанс на рабочей частоте. В 1929 г. представитель фирмы, посетив 100-кВт радиостанцию ВЦСПС, удивился попытке использования этой схемы, считая ее бесперспективной. А с середины 30-х годов эта схема стала широко применяться в США на СВ.
Исследования нейтрализации в 30-х годах способствовали лучшему пониманию механизма паразитного самовозбуждения. Было известно три вида самовозбуждения.
Первый вид самовозбуждения имел место в мощных усилителях ВЧ, отличающихся большими геометрическими размерами. Здесь имелось несколько паразитных резонансных частот из-за влияния малых реактивностей ламп и соединительных проводов, межвитковых емкостей катушек самоиндукции, из-за блокировочных реактивностей, а также паразитных емкостей всех элементов на землю. Самовозбуждение возникало на частотах, при которых напряжения сетка—катод и анод—катод оказываются в противофазе, если удовлетворяется уравнение самовозбуждения Баркгаузена, а кажущееся сопротивление контура самовозбуждения достаточно велико. Были разработаны методы выявления и подавления паразитного самовозбуждения. Например, во второй половине 30-х годов конденсатор связи между мощным каскадом и возбудителем устанавливался у сетки лампы, соединяясь с ней кратчайшими проводами.
При втором виде самовозбуждения паразитные колебания с собственной частотой сеточной цепи наблюдались в усилителях ВЧ и НЧ, работающих с сеточными токами в недонапряженном режиме. Колебания возникали, когда промежуток сетка—катод представлял собой отрицательное сопротивление вследствие динатронных явлений. Для их подавления промежуток сетка—катод шунтировался резистором.
Третий вид самовозбуждения имел место при и eg^>0. Г. Барк-
гаузен и К. Курц (Германия),С. И. Зилитинкевич (СССР) наблюдали возникновение внутри лампы СВЧ автоколебаний вследствие колебаний электронов около сетки.
Многочисленные резонансные частоты в мощных КВ каскадах приводили не только к паразитным колебаниям, но сильно осложняли волновую коммутацию контуров. При работе каскада на более коротких волнах диапазона в отключенной части реактивностей анодного контура нередко возникали пробои, факельные истечения. Для предотвращения этих опасных явлений приходилось нерабочие реактивности, в том числе витки катушек, замыкать накоротко.
136


Развитие амплитудной модуляции
в радиовещательных передатчиках
В 20-х годах на практике применялись две группы схем сеточной модуляции: гридликовые (Шеффера и Оганова) и с усилителем мощности низкой частоты, выходное напряжение которого суммировалось с постоянным напряжением на сетке (схема Минца и трансформаторная схема с НЧ усилителем). Параметры этих схем сначала подбирались экспериментально, затем был разработан инженерный расчет, учитывающий искажения модулирующего напряжения вследствие работы модулятора на нелинейную нагрузку. Применение во второй половине 30-х годов катодного повторителя оказалось наиболее рациональным [3, с. 192—196].
С появлением экранированных ламп стало возможным осуществление модуляции изменением напряжения на экранной сетке (у тетрода) и защитной сетке (у пентода). В 30-х годах модуляция на экранную сетку не представлялась перспективной, так как предполагали, что ее результаты окажутся такими же, как у модуляции на управляющую сетку, но потребуется гораздо более мощный модулятор. Наиболее перспективной представлялась модуляция на защитную (третью) сетку пентода. В интервале напряжений на третьей сетке от нуля до некоторого минимального мало изменяющиеся импульсы катодного тока лампы должны перераспределяться между экранной сеткой и анодом: при нулевом напряжении лампа работает в режиме, близком к граничному, при минимальном — в перенапряженном режиме за счет больших импульсов тока экранной сетки. В этих условиях ток третьей сетки равен нулю, и для управления напряжением на этой сетке нужен весьма маломощный модулятор.
Однако, с улучшением электронной оптики тетродов непосредственная надобность в пентодах отпала, а более внимательное рассмотрение экранной модуляции в тетроде показало, что можно подобрать такой режим, при котором форма модуляционной характеристики (анодный ток—экранное напряжение) станет выпуклой или практически прямой до /ai=0, при которой модуляция до 90—95% окажется линейной.
В течение довоенного периода во всех странах широко применялось усиление модулированных колебаний (УМК). Каскады УМК работали преимущественно с полупериодными ВЧ колебаниями анодного тока (0 = я/2). Тогда при линейной идеализации характеристик анодного тока токи Iai, /ао и напряжение Ua пропорциональны Ug; соответственно этому каскад УМК усиливал модулированные колебания без искажений — разумеется, при работе в недонапряженном режиме. Легко убедиться в том, что электронный КПД модулятора т| = nUa/ (4Еа). В пиковой точке модуляции, соответствующей граничному режиму, Ua/Ea~0,9 и г] =70%. Так как на несущей частоте (в режиме молчания) при т = 100% Uаг/Еот ~ 0,45, то пт ж 35%. При этом потери на аноде составляли 65% от потребляемой анодом мощности. Во время модуляции потребляемая УМК мощность не менялась, но потери на аноде с углублением модуляции уменьшались, так как колебательная мощность увеличивалась за счет боковых полос.
На практике не все каскады УМК работали с углом отсечки 0 = 90°. На рис. 43 показаны модуляционные характеристики Ia\(Ug) с разными
137


углами 0 в пиковой точке модуляции. При 0Макс<9О° характеристика линейна не на всем протяжении — в нижней части она имеет вогнутую форму. Так как крутизна ее линейного участка больше, чем у характеристики с 0 = 90°, то ее использовали для некоторого углубления модуляции сеточного возбуждения. При 0макс> > 90° модуляционная характеристика имеет некоторую выпуклость, которую использовали для уменьшения искажений при модуляции в негативе. Все эти способы позволили обеспечить у передатчиков малоискаженную модуляцию глубиной до 90%. Однако, энергетические показатели передатчика с учетом мощности, потребляемой предварительными ВЧ каскадами, катодами ламп, потерями в источниках питания, привели к тому, что общий КПД передатчика, построенного по системе УМК, составлял около 20%. При этом КПД понимался как: отношение мощностей несущей частоты, отдаваемой в антенну, к потребляемой от питающей сети. Другим крупным, недостатком такой системы была большая суммарная мощность ламп оконечного каскада, превышающая мощность несущей частоты примерно в 4,5 раза.
В связи с продолжавшейся тенденцией увеличения мощностей и количества радиовещательных станций проблема улучшения их технико-экономических показателей стала весьма актуальной в конце 30-х годов. В то время затраты на электроэнергию и лампы при работе около 15 ч в сутки превышали 60% всех эксплуатационных расходов.
Первая попытка решения этой проблемы принадлежала М. А. Бонч- Бруевичу. В 1929 г. он предложил раздельно излучать несущую и боковые частоты и строить передатчик в виде трех ВЧ каналов многокаскадного усиления колебаний несущей частоты и двух боковых частот мощностью в одну четверть несущей каждая. Каналы работали на три слабо связанные между собой антенны [14]. Такой комплекс позволил бы уменьшить затраты на электроэнергию и лампы приблизительно в 2,5 раза. Но, с другой стороны, должна усложняться эксплуатация, существенно увеличиваться антенное устройство и первоначальные затраты. Аналогичная идея, в несколько более экономичном варианте, была позднее предложена в США Д. Бирном и названа им полифазным радиовещанием [15]. Для нее требовалось два ВЧ канала (несущей частоты и биений двух боковых полос) и, соответственно, две не связанные между собой антенные системы Недостатком системы Бирна по сравнению с системой Бонч-Бруевича была меньшая (примерно на 30%) экономия в мощности ламп, а преимущество заключалось в более простой реализаций передатчика и антенной системы.
В 1932 г. технический руководитель французской фирмы SFR Г. Ши- рекс предложил модуляцию дефазированием, заключающуюся в преобразовании фазовой модуляции во встречных направлениях двух однотипных
Рис. 43. Модуляционные характеристики лампового каскада
138


каналов ВЧ усиления в амплитудную модуляцию в их общей нагрузке — антенне. В начале казалось, что каждый канал работает в этом режиме с высоким КПД. Однако более глубокий анализ этого метода, проведенный советскими исследователями, показал, что общая нагрузка выходных каскадов в процессе модуляции сильно изменяется по величине и фазе. Чтобы повысить КПД каждого канала в режиме несущей частоты до ожидаемого значения, нужно искусственно компенсировать фазовые сдвиги в колебательных контурах каналов. С этими выводами согласился и автор метода [16]. Фирма SFR стала выпускать передатчики по этой системе, но уже в предвоенные годы отказалась от ее широкого применения. Но история модуляции дефазированием на этом не закончилась.
Во второй половине 30-х годов были сделаны попытки уменьшить потребляемую передатчиком УМК электроэнергию. При отсутствии модулирующего сигнала амплитуда тока несущей частоты в модулируемом каскаде снижалась в 2—2,5 раза, а по мере роста модулирующего сигнала она возрастала до нормального значения. Увеличивался и коэффициент модуляции. Эта идея 20-х годов не была реализована из-за инерционности управления уровнем несущей частоты и вследствие возникавших по этой причине искажений. Но позже эти затруднения были в известной мере преодолены. В середине 30-х годов 150-киловаттный передатчик в Мюнхене несколько лет эксплуатировался по системе модуляции, разработанной X. Харбихом, Л. Пунгсом и Ф. Тертом и получившей название «ХаПуГ» [17]. Тем не менее, идея такой модуляции не получила поддержки у специалистов, и работы в этом направлении были прекращены.
Существовала возможность повышения КПД передатчика приблизительно вдвое и некоторого уменьшения мощности его ламп путем возврата к анодной модуляции в оконечном ВЧ каскаде, но с использованием в качестве модулятора мощного двухтактного НЧ усилителя, работающего в классе В, т. е. с полупериодными импульсами анодного тока. Эта мысль была практически реализована в 1934 г. в США. Фирма RCA построила станцию WLW мощностью 500 кВт. Оконечный ВЧ каскад передатчика модулировался на анод двухтактным усилителем класса В [18].
Анодная модуляция ВЧ генератора линейна при его работе в перенапряженном режиме. Если применить автоматическое смещение (от грид- лика), то увеличение анодного напряжения благоприятно отражается на линейности модуляционной характеристики и уменьшении сеточного тока. Тем самым понижается требуемая мощность сеточного возбуждения.
В СССР в 30-х годах шла подготовка к строительству мощных радиовещательных передатчиков КВ диапазона. Было решено провести необходимые исследования по применению в них анодной модуляции класса В. Этот вид модуляции имел ряд преимуществ. Одно из них состояло в том, что при анодной модуляции лампы кратковременно выдерживают двойное напряжение анодного питания, поэтому в режиме несущей частоты могут работать при номинальном анодном напряжении. Тем самым анодная модуляция позволяет уменьшить по сравнению с УМК суммарную мощность ламп в два раза.
В 1936 г. В. Догерти (США, фирма «Белл систем») предложил способ усиления модулированных ВЧ колебаний с повышением КПД в режиме несущей в два раза [19]. Предложенный им модулятор состоял из двух
139


а — принципиальная схема, б — модуляционные характеристики
ламп (рис. 44), соединенных между собой посредством контура C\LC2, служащего инвертором импеданса. На рис. 44, б показаны диаграммы первых гармоник токов 1а\ и 1а% а также колебательных напряжений Ua 1 и Ua2 в зависимости от амплитуды возбуждения Us. Лампа Л1 работает в течение всего периода модуляции полупериодными импульсами анодного тока 0 = я/2, как у обычного УМК. Лампа Л2 при модуляции вниз от несущей заперта. При этом благодаря инвертору C1LC2 кажущееся сопротивление контура нагрузки для лампы R^=2R32 и напряжение Ua 1 увеличиваются, причем U a i достигает в точке несущей граничного значения Ua гр. Работа идет с высоким КПД. При модуляции в позитиве работает лампа Л2 и нагрузочный контур Rs2 питается дополнительным током 1а% что благодаря инвертору С\ЬС2 вызывает уменьшение R3\ и дает неизменность напряжения Ua\ = Uarp. В пиковой точке модуляции токи, напряжения и колебательные мощности обеих ламп становятся одинаковыми. Так как напряжение на выходе и входе инвертора С\ЬС2 сдвинуты по фазе на 90°, то для арифметического суммирования токов ламп в общей нагрузке /?э2 приходится соответственно вводить сдвиг по фазе на 90° ВЧ возбуждения между лампами.
Так как модуляционная характеристика лампы Л2, отпиравшейся только при модуляции вверх, получалась нелинейной в ее нижней части, то для уменьшения нелинейных искажений применялись специальные меры, а они ухудшали КПД. Тем не менее, в США и отчасти в Европе система Догерти стала широко применяться в передатчиках СВ и ДВ диапазонов. Но в КВ диапазоне преимущества анодной модуляции были бесспорными. В СССР и во многих европейских странах считали, что передатчики СВ и ДВ диапазонов целесообразно строить также по системе анодной модуляции.
Двухтактные НЧ усилители звуковых частот, работающие в классе В, давно применявшемся на практике, имели в середине 20-х годов мощность порядка десятков, а затем сотен ватт. У них наблюдались перенапряжения в сеточной цепи из-за динатронной генерации. Кроме того, иногда возникали сильные перенапряжения в анодной цепи, причины которых остались невыясненными. Никаких публикаций по этому вопросу, а также по расчету и конструкции модуляционного трансформатора не было. В 30-х годах появились статьи о нелинейных искажениях, зависящих от выбора рабочей точки на нелинейных участках характеристик анодных токов.
В этот период встала проблема расчета и построения эффективных модуляционных трансформаторов. В СССР первый модуляционный транс¬
140


форматор был мощностью порядка 100—150 кВт. Его параметры выбирались, исходя только из допустимых искажений частотной характеристики. Как выяснилось позже, принципы построения этого трансформатора и трансформаторов 500-кВт передатчика в WLW в значительной степени совпали. Это определялось необходимостью обеспечения малого магнитного рассеивания не только между вторичной и первичной обмотками, но и между первичными полуобмотками. Эти требования теоретически были учтены путем анализа переходных процессов в двухтактном усилителе класса В [20, 21].
Так как в довоенные годы модуляторные лампы работали с сеточными токами, то для сохранения их возбуждения неискаженным связь с предшествующим каскадом осуществлялась через понижающий трансформатор. Это привело к построению многокаскадного модуляционного устройства по двухтактной схеме.
Большой интерес вызвали тогда работы Г. Блека [22] и X. Найквиста [23], связанные с уменьшением искажений в усилителях путем охвата их отрицательной обратной связью (ООС). Применение глубокой ООС открывало возможность не только уменьшения нелинейных и частотных искажений, но и обеспечения постоянства выходного напряжения при изменениях сопротивления нагрузки. Ток покоя у модуляторных ламп при отсутствии модуляции и сохранении низкого уровня паразитной модуляции также уменьшался. От введения ООС в модулируемом ВЧ каскаде пришлось отказаться, так как в замкнутой петле ООС находился бы весьма громоздкий модуляционный трансформатор с большими фазовыми сдвигами на верхних частотах. Поэтому пришлось оставить внутри петли ООС только аноды ламп модулятора, подмодуляционный трансформатор и предварительные НЧ каскады. Были предложены меры, позволившие охватить модуляционное устройство ООС глубиной порядка 16 дБ [24].
Во второй половине 30-х годов пытались улучшить энергетические показатели ВЧ генератора при анодной модуляции. В книге И. Ценнека и Г. Рукопа [25] высказывалась мысль о возможности существенного повышения энергетических показателей лампового генератора в бигармо- ническом режиме, когда импульс анодного тока и анодное напряжение содержат помимо первых гармоник противофазные составляющие третьей гармоники. Для этого анодная цепь должна содержать два резонансных контура. И. Н. Фомичев (СССР) показал, что такое условие создается при работе в перенапряженном режиме, когда импульс анодного тока имеет седловину [26]. Это предложение обещало повышение КПД оконечного каскада до 90—92% при линейной анодной модуляции 100%.
В послевоенные годы пересматривались прежние методы AM и появились новые идеи и задачи в этой области.
При объяснении механизма анодной модуляции ВЧ генератора с внешним возбуждением считалось, что она линейна, когда лампа работает в перенапряженном режиме. При испытаниях 1200-кВт передатчика выяснилось, что такой режим может сопровождаться термоэмиссией сетки. Анализ этого вопроса показал, что линейную анодную модуляцию можно осуществить, если синхронно модулировать амплитуду сеточного возбуждения. Тогда потребуется гораздо меньшая мощность предоконечного ВЧ каскада и отпадает угроза возникновения термоэмиссии сетки. Проще
141


Рис. 45. Схема автоанодной модуляции Н. Г. Круглова (1949 г., СССР)
всего это можно осуществить при одновременной анодной модуляции оконечного и предоконечного каскадов, уменьшая при необходимости модуляцию предоконечного каскада. Триодный ВЧ усилитель, построенный по схеме с общей сеткой, имел ряд особенностей при всех видах AM. Ограничение глубины модуляции в негативе, обусловленное электронной связью между его входом и выходом, устранялось применением анодной модуляции у предварительного каскада глубиной 70—80%. Аналогичным образом можно осуществить анодно-экранную модуляцию у тетродного генератора для уменьшения перегрузки экранной сетки.
Сложились представления о причинах перенапряжений в первичных полуобмотках модуляционного трансформатора. Причина была в синфазных вторых гармониках анодных токов в плечах модулятора. Токи протекали в колебательных контурах, образованных емкостями на землю анода и первичной полуобмотки трансформатора, и индуктивностью рассеяния Ls между этими первичными полуобмотками. При резонансной частоте этих контуров на них возникало перенапряжение. Так как контуры не нагружены, то их добротность относительно велика и перенапряжения при модуляции могут оказаться значительными. В СССР был предложен и до сих пор применяется способ уменьшения перенапряжений путем искусственного уменьшения добротности контура.
В послевоенные годы трансформаторный подмодулятор, применявшийся ранее в мощных модуляционных устройствах, был заменен катодным повторителем. Это позволило уменьшить искажение формы сеточного управления у модуляторных ламп и охватить модуляционное устройство более глубокой отрицательной обратной связью.
Советским исследователем Н. Г. Кругловым в 1949 г. была предложена оригинальная схема AM, названная им автоанодной [27]. Ее можно рассматривать как новый вариант усилителя модулируемых колебаний, отличавшийся применением двух НЧ дросселей Lgu и LflM (рис. 45). На сетку усилителя подается модулируемое ВЧ напряжение возбуждения Ug. Дроссель LgM в цепи смещения препятствует изменениям сеточного тока Igо — при достаточно большом значении Lgw ток Lg0 неизменен. Это может быть объяснено возникновением на дросселе LgM НЧ напряжения UgÇi, модулирующего смещение на сетке в противофазе с модуляцией Ug При пиковом напряжении Ug маКс лампа работает с минимальным углом отсечки 0МИн, при Ug мин — с максимальным.
Если бы в анодной цепи не было дросселя LflM, то ток 1ао был бы при Ug макс минимальным. Но "из-за дросселя LÛM ток 1а о неизменен вследствие возникновения на нем модулирующего напряжения UaQ. Таким образом при длительной модуляции чистым тоном ток 1ао не изменяется, но его
142


первая гармоника модулируется под воздействием сеточного возбуждения U g, смещения UgÇl и анодного напряжения UaQ.
Расчеты и опыт показали, что эта автоматическая анодная модуляция UaQ может быть глубокой — до 100%. В момент, когда Еа Макс~2£а, лампа может отдать увеличенную мощность, несколько меньшую, чем при обычной анодной модуляции. Но зато при этом не требуется мощное модуляционное устройство. Более того, анодный дроссель LaM может одновременно сглаживать пульсации выпрямителя анодного питания вместо обычного фильтра. Общий КПД передатчика — примерно такой же, как при анодной модуляции.
Недостатком данного метода являются сильные искажения модуляционной характеристики. Без применения специальных мер огибающая модулируемой первой гармоники 1а\ асимметрична — по мере углубления модуляции среднее ее значение понижается, что означает «сползание» мощности несущей частоты. Однако применением ряда мер, предложенных как Н. Г. Кругловым, так и другими исследователями, искажения удается уменьшить. Была доказана возможность применения этого метода в КВ передатчиках с понижением искажений противосвязью и устранением «сползания» несущей весьма простыми мерами [27]. Еще не сложилось единое мнение о перспективности построения новых передатчиков для радиовещания с автоанодной модуляцией. Предпочтение отдается анодной модуляции с мощным модуляционным устройством. Что касается передатчиков профессиональной связи, то там автоанодная модуляция, бесспорно, эффективнее телефонии с простой сеточной или анодной модуляцией.
Наряду с построением радиовещательных СВ передатчиков по схеме анодной модуляции режима В некоторые зарубежные фирмы используют УМК по схеме Догерти, внося в нее некоторые улучшения. Фирма RCA остановила свой выбор на модуляции дефазированием. Отметим, что зарубежная литература не содержит анализа и инженерного расчета этого метода. Анализ метода дефазирования выполнен в послевоенный период H. С. Фузиком (СССР) [28].
Построение колебательных систем
оконечных каскадов
Работа оконечного каскада определяется в значительной степени его лампой и колебательной системой в ее анодной цепи. Основные функции колебательной системы при AM состоят в согласовании ламп с нагрузкой (антенной), в подавлении в нагрузке второй и третьей гармоник анодного тока, которые соизмеримы с первой гармоникой. Колебательная система должна также равномерно пропускать боковые частоты.
Последние две задачи стали привлекать внимание с конца 20-х годов. Тогда в оконечном каскаде СВ и ДВ передатчиков небольшой мощности в качестве нагрузки использовался антенный контур, непосредственно связанный с лампой. В более мощных передатчиках употреблялся отдельный анодный контур, связанный с антенной. В КВ передатчиках применялся контур, связанный фидером с антенной. В передатчиках СВ и ДВ большой мощности ставился один контур или цепочка из двух контуров, свя¬
143


занных с антенным контуром. Контуры, как правило, настраивались в резонанс на несущую частоту.
При таком построении колебательной системы, работающей на частотах ниже 15—20 МГц, задача ее согласования с анодной цепью не представляла особых трудностей, и мощность в антенне составляла не менее 80% (около 90% у передатчиков СВ и ДВ) колебательной мощности лампы. Затруднения возникали при работе на более высоких частотах, в частности на кратчайших волнах КВ диапазона. При полном согласовании с лампой эквивалентное активное сопротивление анодного контура равно
/?3 = PiQ/ = piQi(l — т|а).
где pi = cdL= 1/(соС)—волновое сопротивление контура, Q\—его собственная добротность, определяемая потерями в его элементах, — КПД нагруженного контура. Зная /?э из расчета режима лампы и добротность, которая тогда не превышала Qi = 150 200, а также задаваясь прием¬
лемым значением можно было определить pi и C=l/(copi). Нередко в мощных передатчиках минимальная емкость контура, определяемая суммой емкостей анод—сетка и анод—земля емкости монтажа, нейтродин- ного конденсатора и др., превышала требуемую расчетную. Чтобы получить приемлемое значение эквивалентного сопротивления контура /?э, понижали напряжения питания анода Еа, тогда соответственно уменьшались мощность Ри Р'э= U'a/Iai. Для многих КВ передатчиков 30-х годов было характерным понижение мощности на кратчайших волнах на 25% и более.
Для мощных СВ и ДВ передатчиков весьма актуальным был вопрос о фильтрации второй и третьей гармоник. По международным нормам того времени в передатчиках, работавших на волнах длиннее 100 м, независимо от их мощности напряженность поля любой их гармоники не должна превышать £ = 300 мкВ/м на расстоянии 5 км от передатчика. Для небольших расстояний это соответствовало мощности гармоники Рп = 0,025 Вт. Р. Хансфорд [29] предложил оценивать фильтрующие свойства колебательной системы формулой
Ф =(W/al) : (IАп/1Al)’
Таким образом, зная соотношение hn/hx из расчета режима лампы, а соотношение IАп///ii из формулы 1а\/1ап=^]Р/Рп , можно было определить необходимый коэффициент фильтрации Ф колебательной системы. Очевидно, он определяется резонансными свойствами колебательных контуров, т. е. их добротностями, видами связи между лампой и анодным контуром и его связью со следующим контуром.
Распространенное в 30-х годах мнение о том, что двухтактный каскад не нуждается в фильтрации четных гармоник, так как они синфазны и взаимно компенсируются в колебательной системе, было ошибочным. Четные гармоники протекают через емкости контура, создавая на них синфазные напряжения. Под этим же напряжением находится индуктивность контура, и в проводах фидера протекают синфазные токи, излучаемые антенной. В тех случаях, когда фильтрация гармоники оказывалась недостаточной, дополнительно стали применять фильтры-пробки, настроенные на ее частоту.
144


До 1928 г. вопросы о частотных искажениях в ВЧ каскадах с ампли- тудно-модулированными колебаниями не затрагивались в литературе. Было ясно, что искажения возникают вследствие резонансных свойств анодного колебательного контура, определяемых его добротностью. Требуемое значение добротности определяли по допустимому спаду кривой резонанса на верхних боковых частотах. В 1929 г. Г. А. Зейтле- нок показал, что наличие у лампы внутреннего сопротивления /?,э равносильно некоторому понижению добротности.
Возник вопрос о частотных искажениях в колебательной системе, состоящей из двух настроенных контуров — анодного (промежуточного) и антенного. Авторы ряда статей 19£9—1931 гг. считали, что частотные искажения определяются произведением резонансных кривых обоих контуров. При такой трактовке резонансная характеристика первого контура имела вид полого спадающей кривой, и поэтому результирующая резонансная характеристика должна была быть более острой, чем у антенного контура. При проектировании в СССР 100-кВт передатчика в 1928 г. с целью уменьшения частотных искажений было решено исключить анодный контур и связать лампы оконечного каскада с антенным контуром.
Обсуждение этого вопроса побудило заняться анализом частотных искажений в усилителе модулированных колебаний, содержащем цепочку связанных резонансных контуров — сначала двух, затем трех и более. Были получены формулы коэффициента частотных искажений, выраженные в зависимости от добротностей нагруженных контуров [9, 30]. Как и ожидалось, результирующие частотные характеристики тока в N-m контуре, а также и в предшествующих в зависимости от отношения частоты модуляции к несущей (при достаточно сильной связи между соседними контурами) оказались многогорбыми. Было выяснено, что неравномерность частотной характеристики определяется преимущественно добротностью последнего контура. Если, например, допустить неравномерность порядка 3 дБ, то для одноконтурного усилителя (УМК) требуется значение добротности порядка отношения несущей частоты к удвоенной верхней частоте модуляции. Были получены аналогичные соотношения и для многоконтурных систем.
Следующим этапом исследования частотных искажений было выяснение роли связи передатчика с антенным контуром посредством фидера. Дело в том, что полное согласование антенны с фидером обеспечивается, строго говоря, только на несущей частоте, когда он нагружен на активное сопротивление, равное его волновому. На боковых частотах входное сопротивление антенны становится комплексным, изменяясь tio величине и фазе, и в фидере появляются стоячие волны. Этот вопрос первоначально исследовался Г. С. Раммом [31], который установил, что при фидерной связи боковые частоты проходят несимметрично. Для симметричного их прохождения длина фидера должна быть кратна четверти волны. При необходимости, недостающую длину фидера можно заменить эквивалентной искусственной линией. Затем этот вопрос был развит более простым способом с учетом всей колебательной системы оконечного каскада. Были исследованы частотные искажения в колебательных контурах при модуляции изменением сеточного смещения и при анодной модуляции, а также в усилителе Догерти [9].
145


Передатчики профессиональной радиосвязи
В довоенное время связные передатчики использовались преимущественно для телеграфной связи кодом Морзе. Затем в профессиональной связи все большее применение получил равномерный код Бодо с одинаковой длительностью посылок и пауз. Скорость передачи при букво- печатании составляла 50—75 Бод, при передаче фототелеграмм — более 1000 Бод.
Телеграфная манипуляция осуществлялась скачкообразным изменением напряжения на одной из сеток лампы или на аноде посредством обычных манипуляционных реле, работающих со скоростью до 120 Бод. Для размыкания цепей с большими токами или с высокими напряжениями использовались манипуляционные лампы. Во второй половине 30-х годов применялись также разнообразные схемы одновременной манипуляции на двух электродах.
Было очевидно, что малоискаженную манипуляцию легче осуществйть в каскаде небольшой мощности. Усиление манипулированных ВЧ сигналов нередко сопровождалось искажениями по следующим основным причинам. Во-первых, на волнах в единицы и десятки километров узкополосные антенны не пропускали боковых частот гармоник, и поэтому огибающая излучаемого сигнала не имела прямоугольной формы. Во-вторых, резкие изменения анодного тока сопровождались переходными процессами в фильтре, сглаживающем пульсации источника питания; при этом анодное напряжение паразитно модулировалось. Для уменьшения этой модуляции в оконечном каскаде применялось автоматическое сеточное смещение, при котором во время пауз ток был больше нуля, а также шунтировался резистором дроссель фильтра. В-третьих, при несовершенной нейтрализации в манипулируемом и последующих каскадах во время пауз возникали остаточные ВЧ колебания вследствие их прямого прохождения через емкость анод—сетка.
Опыт эксплуатации КВ телеграфных передатчиков натолкнул на мысль использовать полосу частот для одновременной передачи нескольких телеграфных сообщений подобно тому, как это делалось в проводной связи. Были проведены эксперименты многоканальной радиотелеграфии при независимой телеграфной модуляции каждого канала. Недостатком такого способа было резкое уменьшение мощности каждого телеграфного канала.
А. 	Н. Щукин в начале 30-х годов предложил систему двухканального частотного телеграфирования (ДЧТ) без потери мощности канала [32] : два независимых телеграфных сообщения управляют четырьмя частотами манипуляционного устройства — крайними (fi и f2), когда в обоих каналах ключи отжаты или нажаты, и двумя промежуточными (f3 и /ч), когда в одном ключ нажат, а во втором отжат и наоборот. Таким образом, в любой момент передатчик модулируется только одной частотой и работает с неизменной мощностью.
Во многих связных передатчиках предусматривался резервный вид работы — телефонный. Значительно лучшее использование мощности передатчика и уменьшение потребляемой им электроэнергии давала радиотелефония без несущей частоты. Устранив ее в передатчике и восстановив с той же фазой в приемнике, можно было бы при тех же лампах уд-
146


Рис. 46. Формирование ОБП-сигнала
БПЬ БП2, БПз и БЩ, БЩ, БЩ — балансные преобразователи, Гь Г2, Гз— генераторы, Фь Ф2, Фз — фильтры, УВЧ — усилитель высокой частоты
воить амплитуды боковых полос, потребляя при паузах относительно небольшую мощность. Однако, в начале 20-х годов было решено осуществить однополосную радиотелефонию, подавив несущую частоту и одну из боковых полос. Это решение не давало непосредственного энергетического выигрыша в мощности передатчика. Учитывая возможность сужения вдвое полосы частот в приемнике, можно было оценить выигрыш в мощности однополосного (ОБП) передатчика как восьмикратный.
Для реализации однополосной передачи пришлось решать ряд проблем, связанных с формированием ОБП-сигнала, с точной синхронизацией нёсущей частоты у гетеродина приемника. При многоканальной передаче, кроме того, необходимо было уменьшать нелинейные искажения в последующих ВЧ каскадах передатчика. Полностью эти проблемы в довоенные годы не были решены.
В 20-е годы Дж. Карсоном предложена идея подавления наиболее сильной компоненты несущей частоты AM сигнала посредством балансного модулятора, сестбящего из двух одинаковых усилителей ВЧ, возбуждаемых в фазе и модулируемых в противофазе. Подавление несущей частоты было возможно при условии, что сигналы обоих усилителей строго одинаковы. В то время ОБП-связь осуществлялась на длинных волнах — порядка единиц километров. Трудными задачами были подавление одной боковой полосы и разделение боковых полос друг от друга. Задачу разделения полос удалось решить применением повторной балансной модуляции (рис. 46). Колебания модулирующих частот подавались совместно с колебаниями промежуточной частоты на первый усилитель БПь при этом при несущей около 100 кГц относительный интервал между боковыми полосами составлял 4%, и полосовой фильтр <Di мог подавить боковую полосу fi—F. Далее выделенная полоса /i + F подавалась в качестве модулирующего сигнала совместно с частотой /"г = 85 кГц на второй усилитель БП?. На его выходе получались боковые полосы /2=h(/i + /7), разделенные относительным интервалом 2(/i -|-Г)/f2 = 30600/(85-103), что соответствовало 36%. Теперь ненужная боковая полоса могла подавляться контуром усилителя, настроенным на треоуемую полосу.
В 30-х годах однополосную связь стали осуществлять на коротких волнах, и для разделения боковых полос пришлось увеличить число ступеней повторной балансной модуляции. Постепенно расширялся интервал меж¬
147


ду разделяемыми боковыми полосами (их абсолютная ширина при этом оставалась такой же, как у модулирующих частот). Чтобы упростить перестройку в КВ диапазоне устройства формирования ОБП-сигнала, первые две ступени преобразования, требовавшие прецизионного выполнения, работали на неизменных промежуточных частотах f\ и /2 (в послевоенные годы балансные преобразователи стали строить на полупроводниковых диодах по апериодической схеме).
Кварцевая стабилизация до войны не была столь совершенной, и несущая частота, восстановленная гетеродином в приемнике, не всегда совпадала с несущей частотой передатчика ОБП. Это'затруднение было преодолено следующим образом. Помимо ОБП, передатчик излучал «пилот-сигнал» — немодулируемые ВЧ колебания с небольшой амплитудой, порядка нескольких процентов от пиковой амплитуды ОБП-сигнала. На рис. 46 показан пунктиром способ его получения на несущей частоте посредством дополнительных балансных преобразователей БП' и несложных фильтров Ф'. В приемнике пилот-сигнал управлял автоподстройкой гетеродина.
Было очевидно, что осуществление многоканальной передачи в КВ ОБП-передатчиках будет гораздо эффективнее. Так, например, можно подать на вход усилителя БП1 (см. рис. 46), помимо телефонной полосы F, несколько более высоких частот F\, F2 и т. д., разделив их на выходе фильтрами и манипулируя каждую своим телеграфным сигналом. Можно увеличить количество телеграфных сигналов, используя полосу 3 кГц, отведенную для телефонного разговора. Разумеется, при равной мощности всех п каналов амплитуды тока каждой из них должны быть в п раз меньше, а соответственно ее мощность в п2 раз меньше, чем при одноканальной работе передатчика. Опыт показал, что в период хорошего прохождения волн многоканальная работа существенно повышала оперативные возможности передатчика.
Радиопередающие устройства УКВ диапазона
По мере освоения УКВ диапазона и увеличения мощности генераторов выяснилось, что обычные генераторные лампы менее пригодны по ряду причин. Во-первых, время пролета электронов между электродами ламп на УКВ становится соизмеримым с периодом ВЧ колебаний. Во-вторых, из-за наличия у лампы относительно больших межэлектродных емкостей и индуктивностей выводов основная часть анодного колебательного контура находится внутри лампы и настройку в резонанс приходится осуществлять небольшой переменной индуктивностью, включенной между анодом и сеткой; при этом волновое сопротивление контура получается меньше значения, необходимого для получения высокого КПД контура. Основы теории электронных процессов в лампе с учетом времени пролета электронов были разработаны в середине 30-х годов советским ученым Г. А. Гринбергом [33], но методов инженерного расчета тогда еще не было.
Разработчикам генераторных ламп пришлось уменьшать зазоры между электродами и длины выводов. Чтобы при этом не увеличились межэлектродные емкости, пришлось сокращать длину электродов и осевые размеры ламп, а это приводило к ухудшению их теплового режима. Нужно
148


было так изменить конструкцию ламп, чтобы их выводы согласовывались с внешней частью колебательного контура. В каскадах средней и большой мощности контур выполнялся сначала в виде небольшого провода или ленты, а затем в форме отрезка двухпроводной линии, по которой перемещался закорачивающий мостик.
Двухтактные УКВ генераторы строились на двухпроводных линиях длиной в четверть волны, соединяющих электроды обоих плеч. В мощных лампах линии служили продолжением охлаждающих баков лампы, и по ним подавалась на аноды вода. В однотактных каскадах лампу иногда помещали внутри коаксиальной линии и соединяли ее анод с внутренним проводом линии. Получался генератор без внешнего ВЧ поля с контуром, обладающим высокой добротностью.
Советские исследователи во второй половине 30-х годов внесли большой вклад в развитие УКВ генераторов. Н. Д. Девятков создал прототип ламп, имеющих плоские электроды с практически безындукционными концентрическими выводами, сочленяющимися с внешней частью колебательной системы [34]. М. С. Нейман разработал конструкции разнообразных объемных резонаторов с внутренним электромагнитным полем [35].
В первой половине 30-х годов УКВ генераторы были однокаскадными и строились по схемам с самовозбуждением. Тогда важной задачей было создание такой схемы, которая обеспечивала бы слабую зависимость частоты от изменения обратной связи. Эту задачу удалось решить, когда основной частью колебательной системы был сделан контур, образованный емкостью Cag лампы и подключенной к ней индуктивностью Lag. Другие межэлектродные емкости Саь. и Cgk при этом использовались для емкостной обратной связи. Для регулирования обратной связи нужно было бы изменять кажущееся значение одной из этих емкостей путем параллельного подключения регулируемой индуктивности (например, Lak) \ при этом генератор стал бы двухконтурным. Если же общий электрод у обоих контуров заземлить по ВЧ, то, как показал советский исследователь А. М. Кугушев, можно регулировать обратную связь, включив изменяемую индуктивность между катодом лампы и его заземленным источником питания (аналогично схеме усиления с общей сеткой).
Во второй половине 30-х годов стали строить многокаскадные передатчики на метровых волнах мощностью до десятков киловатт, предназначенные для радиовещания с частотной модуляцией (4M) и для телевидения. Обеспечение устойчивой работы оконечных и относительно мощных предварительных каскадов облегчалось тем, что они, как правило, работали на неизменной частоте. В передатчиках 4M все каскады могли работать умножителями частоты, так было легче обеспечить устойчивую работу. Но энергетические показатели умножителя частоты были хуже, чем в усилителе.
Как известно, 4M колебания с девиацией частоты А/ эквивалентны фазомодулированным (ФМ) колебаниям с девиацией фазы АФ=Аf/F, где F — частота модуляции. Соответственно 4M колебания могут быть получены двумя способами: непосредственным иземенением собственной частоты контура ВЧ возбудителя или преобразованием ФМ колебаний.
149


Формирование 4M сигнала производится в маломощном возбудителе, работающем на пониженной частоте f0 с соответственно уменьшенной девиацией частоты Л/0 (или фазы Лср0). В результате n-кратного умножения частоты на выходе передатчика получаются частота f = nfо и девиация Af = nAfo. В 30-х годах было принято для 4M радиовещания значение девиации Af = 75 кГц.
Первый 4M передатчик был построен Э. Армстронгом [2, с. 158]. Он использовал метод фазовой модуляции, аналогичный опубликованному в 1932 г. Г. А. Зейтленком и Е. И. Каменским [36]. Оба метода были основаны на квадратурном сложении двух В4 колебаний частоты из которых одно или оба модулировались по амплитуде. При этом мало искаженная ФМ результирующих колебаний имела девиацию фазы в пределах d=20°. Для стандартной девиации частоты 75 кГц требовалась (при модуляции нижней частотой 50 Гц) девиация фазы dz86 000°. Поэтому использование этих методов потребовало многокаскадных преобразований полученных ФМ колебаний. Так, например, в схеме Армстронга 4M возбудитель содержал около 50 ламп.
Гораздо проще был 4M возбудитель с реактивной лампой, предложенный Д. Фостером и С. Сили [37]. Но у него средняя частота (при отсутствии модуляции) оказалась менее стабильной из-за дестабилизирующих факторов, действующих на реактивную лампу. Для улучшения стабильности средней частоты в схеме Фостера—Сили пришлось использовать устройства автоматической подстройки частоты (АП4), которые тогда работали ненадежно. Исследовательские работы, направленные на улучшение обоих методов, велись несколько десятков лет.
В предвоенных телевизионных УКВ передатчиках, разработанных в СССР, США и странах Западной Европы, амплитудная модуляция телевизионным широкополосным сигналом осуществлялась путем изменения сеточного смещения в оконечном каскаде, который работал как В4 усилитель. В СССР в 1937 г. были построены два передатчика для телецентров. В ленинградском телецентре В4 тракт состоял из кварцевого автогенератора с последующими каскадами умножения частоты или усиления на частотах ниже выходной. Оконечный каскад пиковой мощностью 14 кВт был построен по схеме двойного моста нейтрализации. Передатчик излучал обе боковые полосы видеосигнала. Звуковое сопровождение осуществлялось местным СВ передатчиком.
Московский передатчик, работавший на частоте около 50 МГц с пиковой мощностью около 20 кВт, состоял из трех каскадов, построенных на однотипных лампах. Первый каскад — автогенератор — был стабилизирован объемным резонатором, обладавшим добротностью порядка тысяч единиц; но он имел большой температурный выбег частоты, поэтому автогенератор нужно было включать заблаговременно. Антенна излучала несущую частоту и одну боковую полосу, вторая боковая полоса подавлялась специальным фильтром на выходе передатчика. Звуковое сопровождение осуществлялось УКВ передатчиком с амплитудной модуляцией. В телевизионном УКВ передатчике в Париже фирма «Стандарт электрик» построила оконечный двухтактный каскад по схеме усиления с заземленной сеткой.
150


Развитие новых областей радиотехники во время второй мировой войны было связано с использованием УКВ и СВЧ. Вопреки прежним прогнозам, развитие электронной техники привело к созданию мощных генераторных ламп с сеточным управлением, пригодных для дециметрового диапазона волн. Советские исследователи М. С. Нейман, Г. С. Рамм, Г. А. Зейтленок и др: разработали методы расчета, связанные с инерцией электронов в лампе [38—40].
Послевоенные телевизионные УКВ перёдатчики строились с возбуждением от кварца, умножением частоты и усилением мощности по схеме с заземленной сеткой обычно на тех же лампах, что и КВ передатчики. В первых отечественных передатчиках этого периода модуляция осуществлялась изменением сеточного смещения в оконечном каскаде. Анодный колебательный контур телевизионного передатчика должен был пропускать обе боковые полосы общей шириной около 12 МГц, для этого он имел пониженную добротность и относительно небольшое эквивалентное сопротивление. В этих условиях приходилось существенно понижать напряжение анодного питания и полезную мощность. Не вся колебательная мощность оконечного каскада отдавалась антенне, так как сигнал боковой полосы на частотах ниже 0,75 МГц попадал по специальному полосовому фильтру в балластную нагрузку.
На вход модуляционного устройства подавались телевизионные сигналы без постоянной составляющей, которые усиливались резистивными каскадами с коррекцией. Восстановление постоянной составляющей производилось на входе модулятора, работавшего в режиме усилителя постоянного тока. При управлении сеточным смещением оконечного каскада с заземленной сеткой модулятору приходилось работать на нелинейно изменявшуюся нагрузку, создаваемую постоянной составляющей сеточного тока, поэтому он был построен по схеме катодного повторителя.
В телевизионном передатчике был ряд особенностей, которые приходилось учитывать. Во-первых, вследствие значительных изменений ВЧ мощности, отдаваемой предоконечным каскадом, амплитуда ВЧ возбуждения не оставалась неизменной при модуляции, а изменялась противоположно изменениям напряжения смещения лампы. Чтобы про- модулировать анодный ток оконечного каскада в заданных пределах, нужно было увеличить интервал между напряжениями смещения и амплитудой возбуждения и соответственно увеличивать мощность модулятора. Во-вторых, в отличие от сеточной модуляции при телефонии в телевизионном передатчике напряжение модулятора должно подаваться в сеточную цепь модулируемого каскада без разделительного конденсатора, так как необходимо передать постоянную составляющую телевизионного сигнала. Для этого приходилось подавать модулирующее напряжение через незаземленный источник сеточного смещения оконечного ВЧ каскада. Чтобы емкость каскада на землю не ухудшала частотную характеристику модулятора, применяли так называемую цепь постоянного сопротивления. Эти две особенности модуляционного устройства сильно усложняли его построение. Каскад получался весьма громоздким, потребляющим относительно большую мощность.
В США телевидение продолжало развиваться и во время войны В 40-х годах фирма RCA применила в оконечном каскаде тетрод с зазе¬
151


мленным катодом, так как модулировать его изменением смещения на управляющей сетке было гораздо проще. Фирма «Дженерал электрик» осуществляла модуляцию в одном из ВЧ каскадов небольшой мощности. Последующие каскады усиления модулированных колебаний с заземленной сеткой сильно загружали своим малым вводным сопротивлением ВЧ контуры предварительных каскадов и понижали их добротность настолько, что они пропускали весьма широкую полосу боковых частот. Ненужное излучение нижней боковой полосы частот по-прежнему подавлялось посредством специального фильтра.
В послевоенных типовых телевизионных передатчиках СССР мощностью 5 и 15 кВт было применено более радикальное решение этой задачи. В передатчиках мощностью 5 кВт модуляция осуществлялась в предоконечном каскаде на управляющую сетку тетрода. Контур был достаточно широкополосным благодаря малому входному сопротивлению оконечного каскада на триодах с заземленной сеткой. Анодная колебательная цепь передатчика была двухконтурной, причем вторичный контур был нагружен антенным фидером. Шунтирование входа фидера двумя С-цепочками, настроенными на крайние частоты полосы 8 МГц, придало ей в пределах 6,75 МГц столообразную форму с увеличенным примерно на 40% кажущимся сопротивлением первого контура. Надобность в фильтре подавления нижней боковой полосы отпадала [41]. По аналогичной схеме был построен дополнительный мощный каскад у передатчика мощностью 15 кВт.
В соответствии с телевизионными стандартами передатчики звукового сопровождения имели меньшую мощность, чем передатчики изображения. Они были узкополосными, что позволило гораздо лучше использовать их лампы по мощности. Основным вопросом при их проектировании был выбор маломощного 4M возбудителя, который должен был надежно работать с повышенными качественными показателями (стабильная средняя частота, нелинейные искажения 1—2% в полосе частот от 30 Гц до 15 кГц).
В послевоенном периоде появились разнообразные схемы 4M возбудителей, однако устройств, полностью удовлетворяющих всем требованиям, не было предложено. Наибольшее применение получила схема импульснофазовой модуляции, позволившая осуществить в возбудителе на частоте 100 кГц фазовую модуляцию с девиацией до ±130°.
При конструировании генераторов дециметровых волн на триодах и тетродах приходилось с особым вниманием относиться к влиянию инерции электронов. Анализу этого явления, приводившего к снижению эффективности работы лампы на очень высоких частотах, посвящено много работ в СССР и за рубежом.
Во время Второй мировой войны была разработана серия металлокерамических триодов с плоскими электродами, подогревным катодом и с цилиндрическими выводами электродов, разделявшимися посредством колец из керамики с малыми потерями. Эти лампы удобно сочетались с наружными коаксиальными линиями. Благодаря очень малым межэлектродным расстояниям (порядка десятых долей миллиметра) лампы работали на ДЦВ при мощности до сотен ватт, а при импульсной работе — до 11 кВт на волне 9 см.
152


В послевоенные годы успешно осуществлялось параллельное соединение размещенных по окружности ламп путем соединения их сеток общим диском, а анодов и катодов — цилиндрами, образующими внешние части общей колебательной системы.
В специально разработанных для УКВ тетродах инерционные явления оказались менее выраженными, чем у триодов: в пространстве катод—управляющая сетка тетрода имели место явления того же характера, что и у триода. Однако постоянное поле экранирующей сетки ускоряло дальнейший полет электронов, что благоприятно отражалось на энергетических показателях тетродных генераторов мощностью в единицы киловатт на волнах до 30 см.
Дальнейшее совершенствование конструкции ламп, применение особых приемов так называемой электронной оптики позволили создать в середине 40-х годов мощный тетродный генератор «резнатрон» (США) с колебательными контурами сетка—катод и анод—экранная сетка, размещенными внутри баллона [42]. Выходной контур находился под постоянным анодным напряжением. Вследствие острой электронной фокусировки наибольшая часть электронного потока достигала анода. Резнатрон мощностью около 50 кВт работал как СВЧ усилитель (на волне порядка 50 см с КПД 40—60% и коэффициентом усиления по мощности кр= 10) и как автогенератор.
Методы построения мощных передатчиков
В 1929 г. в СССР под руководством А. Л. Минца был построен радиовещательный передатчик мощностью 100 кВт (т^60%), оконечный каскад которого содержал 18 параллельно соединенных 15-киловаттных ламп. Очевидным недостатком многолампового каскада была неравномерная нагрузка ламп из-за разброса их параметров. Кроме того, выявились следующие недостатки такого каскада: так как авария у одной лампы (вспышка газа и кратковременные пробои) не всегда быстро локализовалась, то нередко срабатывала защита у других ламп или у всего каскада; была недостаточно эффективна нейтрализация вследствие относительно большого расстояния между лампами, необходимого для доступа к каждой из них; усиливалась вероятность паразитного самовозбуждения; из-за большой длины ламповой установки паразитные колебания возникали на волнах не намного короче рабочих. Поэтому оконечные каскады последующих 100-кВт передатчиков были построены по двухтактной схеме — по шесть 30-киловаттных ламп в каждом плече, с быстродействующей защитой. Указанные отрицательные явления наблюдались в этих передатчиках реже, хотя работа передатчика нередко прерывалась несколько раз в сутки.
Гораздо серьезнее представлялась задача обеспечения устойчивой работы 500-киловаттного передатчика, разработанного в 1930 г. в СССР. Его оконечный каскад содержал в шесть раз больше 30-киловат- тных ламп, чем передатчики мощностью 100 кВт. Поэтому можно было опасаться, что работа будет прерываться гораздо чаще. А. Л. Минц осуществил оконечный каскад в виде шести рабочих и одного резервного блока. Каждый из них представлял собой оконечный ВЧ каскад 100-кВт
153


передатчика с анодным контуром и источниками питания [43]. Анодные контуры блоков были индуктивно связаны с общим нагрузочным контуром, питавшим антенну. Кроме того, дублировались все предварительные каскады с ВЧ возбудителями, модуляторами и источниками их питания. Такое решение позволило уменьшить перерывы в работе и в случае аварии в одном из блоков кратковременно выключить анодное питание оконечного каскада и быстро заменить неисправный блок резервным. Была предусмотрена возможность устранения неисправности в .нерабочем блоке во время работы всего передатчика.
Идея ламповых генераторов в фор- . . ме блоков была впервые высказана
Минц Меандр Львович в статье д Земма [44]. Исследования
особенностей работы этого типа передатчиков показали, что аварийные процессы у параллельного соединения генераторных ламп и у системы блоков существенно различаются между собой [45]. В случае пробоя или вспышки газа в лампе блока возникшее короткое замыкание не приводило к режимам короткого замыкания у ламп остальных блоков и не мешало им работать. Более того, они при этом разгружались. Однако выключение анодного питания в неисправном блоке или его ВЧ возбуждения могло привести к значительным перенапряжениям в контуре блока, если он остался настроенным и связанным с общим контуром. Поэтому до отключения неисправного блока его анодный контур необходимо было расстроить.
В результате была доказана возможность отключения неисправного и включения резервного блоков без перерыва в работе передатчика, что подтвердили последующие испытания. Оконечный каскад передатчика практически работал бесперебойно, гораздо надежнее, чем прежние 100-киловаттные передатчики. Замена неисправного блока производилась с кратковременным уменьшением мощности, малозаметным для радиослушателей.
Система блоков была затем применена в ДВ передатчиках мощностью 150 кВт. Вскоре фирма «Телефункен» применила ее в своих мощных радиовещательных КВ передатчиках.
В середине 30-х годов в СССР началась разработка радиовещательного КВ передатчика мощностью 120 кВт (тогда наиболее мощного в мире), который должен был состоять из двух передатчиков по 60 кВт, работающих либо совместно, либо на разных волнах. Оконечные каскады передатчиков модулировались на анод общим модулятором в режиме В. Один из руководителей разработки И. X. Невяжский, чтобы избежать
154


взаимосвязи блоков через общую нагрузку, а также ненадежной коммутации при переходе с раздельной работы на совместную, предложил новый метод «суммирования мощностей в пространстве» [46]. Каждый передатчик питал свою горизонтально поляризованную полуан- тенну, слабо связанную с другой полуантенной, отстоящей на расстоянии порядка 0,7 длины волны. Тем самым передатчики работали практически независимо друг от друга. При работе мощностью 120 кВт Оба передатчика имели общий ВЧ возбудитель, общие фазовращатели в их ВЧ трактах и устройства контроля направления излучения, так как в процессе работы сдвиг фаз между токами в полуантеннах мог изменяться. Диаграмма направленности обеих полуантенн существенно отличалась от диаграмм направленности каждой из них. При синфазных токах в полуантеннах поле в главном направлении было в два раза больше. Путем изменений сдвига фаз между токами в полуантеннах можно было несколько изменять направления излучения. Данную систему можно рассматривать как прототип применяемой в настоящее время системы антенных фазированных решеток.
В 500-киловаттном СВ передатчике WLW (США) [18] тоже использовалась система блоков. Оконечный каскад был построен из трех блоков, модулятор (в режиме В) — из двух блоков, с последовательным соединением вторичных обмоток выходных трансформаторов. Таким образом, выключение блока модулятора приводило к уменьшению вдвое коэффициента модуляции. Во избежание этого А. Л. Минц предложил в 1935 г. систему генераторно-модуляторных блоков, в которой каждый ВЧ блок имел автономный модулятор.
Эта система была разработана при создании наиболее мощной в мире радиовещательной СВ-ДВ станции, содержавшей два передатчика мощностью по 600 кВт, работающих либо совместно мощностью в 1200 кВт, либо раздельно, с одинаковыми или разными программами. 3. И. Модель (СССР) наметил следующие принципы построения системы генераторномодуляторных блоков: каждый передатчик строится в виде трех генераторно-модуляторных блоков на наиболее мощных 100-киловаттных лампах; суммирование мощности обоих передатчиков производится в антенных фидерах; в качестве предварительных ВЧ каскадов используются ранее спроектированные ВЧ каскады 150-кВт передатчиков СВ и ДВ диапазонов; анодное питание мощных каскадов от металлических ртутных выпрямителей включается быстродействующими высоковольтными автоматами.
В послевоенные годы, и отчасти еще в период войны, интенсивно развивалась техника построения мощных КВ передающих устройств для связи и радиовещания. Весьма большую роль в их прогрессе играли проблемы правильного конструирования мощных каскадов (систем перестройки деталей контура, систем охлаждения, элементов связи). Немалое значение имело и создание специальных конструкций ламп для генерирования мощных КВ колебаний. В это время широко распространились мощные КВ триоды и тетроды с малыми внутренними емкостями и кольцевыми выводами электродов для сочленения с двухпроводными и коаксиальными контурами и фидерными линиями. В оконечных каскадах преимущественное распространение получила схема с заземленной сеткой.
155


В 50-х годах были разработаны высокоэффективные тетроды, способные отдавать в нагрузку до 70% своей максимальной мощности.
Поэтому стриодными усилителями по схеме с общей сеткой стали серьезно конкурировать тетродные усилители, способные устойчиво работать на высоких частотах с большим коэффициентом усиления по мощности. При необходимости влияние весьма малой проходной емкости — анод—управляющая сетка устранялось без больших затруднений посредством нейтродинных кондесаторов весьма малой емкости. Мощные тетроды оказались пригодными для однополосных КВ передатчиков. Прежнее представление о том, что усилитель ОБП-колебаний выполняет те же функции, что и усилитель AM колебаний в радиовещательном передатчике при работе с углом отсечки 90°, оказалось правильным только для передачи одноканальных сообщений. При усилении многоканальных сообщений на ОБП он должен работать с гораздо меньшими нелинейными искажениями во избежание перекрестной модуляции. Так например, при передаче двух независимых разговоров ria обеих боковых полосах вследствие нелинейных искажений на выходе ОБП- усилителя получается спектр частот.
Помимо полезных боковых частот, появляются ближние к ним частоты 3-го порядка. Тогда один разговор прослушивается на фоне другого искаженного разговора. Требования к этим искажениям становились все более строгими. Нелинейные искажения возникали вследствие нелинейности статических характеристик анодного тока и работы ламп с сеточными токами, искажающими форму ВЧ возбуждения. Возникла проблема охвата многокаскадного ОБП-усилителя отрицательной обратной связью, введение которой потребовало много труда.
Из других вопросов развития техники ОБП-передатчиков послевоенного десятилетия отметим улучшение методов формирования ОБП-сиг- нала благодаря применению кольцевых схем на полупроводниковых диодах и разработке усовершенствованных полосовых фильтров, позволивших повысить частоту первого преобразователя до 100—200 кГц при применении кварцевых фильтров и до 300—500 кГц при использовании электромеханических фильтров.
Мостовой метод суммирования
мощности ВЧ генераторов
Существенным недостатком применявшихся до войны систем блоков была взаимосвязь между ними через общую нагрузку. Изменение числа работающих блоков и режима работы или настройки одного из них сопровождалось изменением работы других блоков. Этот недостаток усугубился с повышением частоты передатчика, в особенности при его работе в широком диапазоне волн. Кроме того, при возбуждении блоков от общего источника короткое замыкание сетка—катод у лампы одного блока прерывало работу всей системы блоков. Возникла задача обеспечения такого суммирования мощностей генераторов (блоков), которое позволило бы им работать совершенно независимо друг от друга. Решение такой задачи посредством использования моста было впервые описано Г. Брауном (США) [47].
156


Рис. 47. Структурная схема сложения мощности в мостах
а — мостовая схема суммирования мощностей генераторов, б — эквивалентная схема распределения мощности между двумя не связанными между собой нагрузками (М — мост, fi и Г2 — независимые генераторы)
В послевоенные годы начал применяться мостовой метод сложения мощностей. Идея его заключалась в следующем: для устранения связи между генераторами последние включались в диагональ сбалансированного моста, составленного из реактивностей или участков линий. Так как одним элементом моста служило активное сопротивление нагрузки, то для баланса моста он должен содержать еще одно активное — балластное сопротивление. При подключении к мосту одного генератора его мощность распределялась поровну между нагрузкой и балластным сопротивлением. Элементы моста выбирались так, чтобы при подключении к нему обоих генераторов обусловленные ими токи в нагрузочном сопротивлении складывались, а в балластном — вычитались. В случае одинаковых генераторов ток в балластном сопротивлении отсутствовал, и вся мощность генератора отдавалась нагрузке.
Сперва метод сложения в мостах был использован на СВЧ. В этом диапазоне мосты составлялись из элементов с распределенными параметрами — волноводных отрезков или отрезков коаксиальных линий. Плечами моста могли служить участки линии длиной в четверть волны, а четвертым плечом, соединенным с балластным сопротивлением,— линия длиной в три четверти волны. Благодаря этому токи в балластном сопротивлении, создаваемые генераторами СВЧ, вычитались. На более низких частотах вместо линий применялись сосредоточенные реактивности. Б. П. Терентьев (СССР) предложил вариант симметричного моста, составленного из однородных реактивностей, в котором баланс не зависит от частоты [48]. Так как входное сопротивление моста для генератора является комплексным, изменяющимся ‘с частотой, то на входах нужно включать устройства, трансформирующие входные сопротивления в активные нужной величины.
После войны были предложены схемы мостов для разных диапазонов волн — от ДВ до СВЧ, построенных на сосредоточенных или распределенных параметрах. Для передатчиков мощностью в тысячи ватт нашли применение мосты на трансформаторах, работающих в широком диапазоне волн. Были предложены мостовые устройства для суммирования мощностей любого заданного числа генераторов; при включении всех генераторов с одинаковыми параметрами мощность в балластных сопротивлениях не терялась, однако при отключении части генераторов мощность остальных генераторов частично терялась в балластных сопротивлениях.
157


В общем виде мостовые устройства для двух генераторов можно было рассматривать как восьмиполюсник (рис. 47). К двум парам входов подключались сопротивления RH и /?б и к другим входам — не связанные между собой генераторы П и Г2. Согласно закону взаимности это устройство могло быть превращено в устройство распределения мощности между двумя не связанными между собой нагрузками Ri и R2. При равенстве этих нагрузок любое изменение одной из них (вплоть до обрыва или короткого замыкания) не изменяло напряжения на другой нагрузке.
В послевоенном периоде стало практиковаться следующее применение мостового метода. Передатчик строился в виде двух передатчиков с общим ВЧ возбудителем, их мощности суммировались в антенном фидере посредством мостового устройства. В случае любой аварии в одном передатчике другой продолжал работать, однако с потерей половины его мощйости в балластном сопротивлении. При необходимости можно было быстро переключить исправный передатчик непосредственно на антенный фидер.
Развитие радиопередающей техники в период с середины 20-х до середины 50-х годов, появление многих важных изобретений и формирование специфических методов эффективного расчета и конструирования передатчиков ДВ, СВ и КВ для радиовещания и связи позволили этому направлению радиоэлектроники приобрести весьма высокий и действенный научно-технический потенциал* Реализация всех возможностей радиопередающей техники в последующий исторический период выведет это направление на новые рубежи, которые будут проанализированы в следующей книге.
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАДИОПРИЕМА Общая характеристика периода
В середине второго десятилетия нынешнего века завершился значительный этап формирования общих идей и принципов, лежащих в основе техники радиоприема. Началось быстрое накопление схемотехнического фонда радиоприемной аппаратуры, первоначальную основу которой составили кристаллический диод (детектор), колебательный контур (частотный селектор) и трехэлектродная лампа, выполняющая функции усилителя и нелинейного преобразователя радиосигналов.
В дальнейшем развитии за время от 20-х до 60-х годов выделяются несколько взаимно перекрывающихся, но более или менее характерных периодов. Отчетливо выражен этап лампового радиоприема, завершившийся в 50-е годы, и наступивший в итоге бурной «транзисторизации» радиоприема современный этап твердотельной элементной базы.
Как переход к полупроводникам, так и внутренняя периодизация отмеченных этапов в большой мере связаны с совершенствованием элементной базы радиотехники и зависят от уровня развития технологии
158


производства материалов и деталей. Доминирующим процессом в схемотехнике лампового радиоприема было до начала 30-х годов совершенствование приемника прямого усиления с трехэлектродными электронными лампами. В 30-е годы таким фактором было развитие супергетеродинного приема на базе нового поколения электронных ламп, а в 40-е годы — создание приемной аппаратуры микроволновых диапазонов (ОВЧ, УВЧ, СВЧ).
Освоение новых диапазонов было ускорено ростом общественной потребности в средствах связи, т. е. влиянием социально-экономических факторов. В эти годы были созданы широкополосные радиосистемы, нереализуемые в «старых» частотных диапазонах: высококачественное звуковое радиовещание с частотной модуляцией, электронное телевидение, многоканальные радиорелейные линии. В годы Второй мировой войны появилась радиолокация. Для радиоприемной аппаратуры всех этих систем потребовались, были разработаны и внедрены в производство соответствующие электронные приборы.
Для этапа твердотельной электроники в технике радиоприема характерны два периода:
замена электронных ламп дискретными транзисторами с сохранением без коренных изменений прежней схемотехнической основы (50-е годы),
появление значительных изменений, вызванных применением интегральной полупроводниковой электроники и быстрым развитием на .ее основе цифровой техники (60-е годы). Эти изменения охватили радиотехнику в целом и ко времени выхода из печати данной книги они еще не завершились.
Конец 20-х годов
Для более детального рассмотрения перечисленных процессов вернемся к первому периоду — к середине 20-х годов1. Основными социальнотехническими стимулами развития радиоприемной техники этого времени стали быстрый рост сети радиовещательных станций, возникновение промышленного производства бытовых радиоприемников и массовое радиолюбительство. Расширялись области применения радио в морской и воздушной подвижных службах. Помимо связной аппаратуры уже применялись для навигации приемники-пеленгаторы с рамочными антеннами. Практиковалось совместное включение открытой и рамочной антенн для получения кардиоидной диаграммы направленности. При сильной помехе «кардиоду» поворачивали минимумом в направлении источника помехи. Полезный сигнал, хотя и несколько ослабленный, мог быть в этом случае принят без искажений, вызываемых помехой. Так реализовался принцип пространственной селекции, сохранившийся в технике радиоприема, как одна из реализаций адаптивной компенсации помех при помощи вспомогательной антенны.
Для повышения помехоустойчивости радиосвязи в эти годы создавались выделенные приемные пункты. Постепенно рос удельный вес дальней
1 Развитие техники радиоприема в начальный период до середины 20-х годов рассмотрено в первой книге нашего труда [1].
159


связи на декаметровых волнах. Появилась буквопечатающая радиосвязь и усиливалось ее внедрение, но основным видом радиоприема в 20е годы еще оставался слуховой. Профессиональные и бытовые приемники мало отличались друг от. друга.
Хотя и сохранялся еще парк искровых радиостанций, уже доминировали телеграфные передатчики незатухающих колебаний. Применение искровых радиостанций мощностью более 0,3 кВт с 1930 г. было запрещено международным соглашением. Для слухового тонального приема незатухающих телеграфных сигналов в состав приемника добавлялся гетеродин, других же существенных схемотехнических отличий приемник для радиосвязи не имел. Профессиональные приемники отличались главным образом более надежной конструкцией и в некоторых случаях внушительными размерами. В них применялись катушки с достигаемой за счет увеличения размеров высокой добротностью, стабильные конденсаторы переменной емкости с большими толстыми пластинами и значительными зазорами, переключатели с крупными и сильными пружинными контактами.
Во второй половине 20-х годов основным типом приемника оставался регенератор. Ограниченное применение (главным образом в радиолюбительской практике) находили сверхгенераторы, а также некоторые варианты приемников с рефлексным усилением сигналов. Электронные лампы были трехэлектродными. Повышение усиления без самовозбуждения усилителей достигалось нейтрализацией внутренней обратной связи в приемниках-нейтродинах [1].
Более эффективным оказалось уменьшение проходной емкости ламп введением экранирующей сетки между анодом и управляющей сеткой. Первые тетроды появились в середине 20-х годов и этим был начат процесс коренного усовершенствования приемно-усилительных ламп, продолжавшийся в течение всего следующего десятилетия. Он привел к выработке для приемников устойчивых типовых решений, которые без существенных изменений просуществовали затем более 30 лет. Высокие показатели и надежность новых ламп сделали ненужными регенерацию и рефлексное усиление.
Появление двухсеточных ламп попутно привело к новым вариантам некоторых узлов приемников. Примером может служить гетеродинный приемник без отдельного гетеродина (автодинный приемник), выполненный по схеме рис. 48. Гетеродинные колебания генерировались в колебательном контуре, включенном в цепь анода, за счет динатронного эффекта. Напряжение на второй сетке превышало напряжение на аноде, что приводило к появлению падающего участка на анодной характеристике, т. е. к отрицательному сопротивлению анодной цепи по переменному току.
В другом варианте использования двухсеточной лампы управляющей была вторая сетка, а на первую сетку подавалось положительное напряжение. Лампа работала при низком напряжении на аноде, что сделало ее популярной у радиолюбителей. Регенеративный приемник с двухсеточной лампой мог работать с питанием от 2—3 батареек для карманного фонаря. Вскоре, однако, и до конца «ламповой» эпохи в радиотехнике основным типом приемно-усилительной лампы стал пентод.
160


В 20-е годы в принципе была решена проблема высокой частотной селективности радиоприема, поскольку был уже известен супергетеродинный прием и существовали образцы приемников с хорошими показателями. Пример схемы супер гетер од и иного приемника 20-х годов дан на рис. 49. В качестве первого и последнего каскадов этого приемника использовались автодинные преобразователи. То, что преобразователей два, а не один, как в гетеродинном приемшке, и явилось основанием для именования его супергетеродинным.
Первая лампа служит здесь для преобразования принимаемого сигнала в сигнал сверхзвуковой, «промежуточной» частоты. В те годы в профессиональных приемниках для радиосвязи промежуточная частота выбиралась порядка 30—60 кГц. При такой невысокой частоте нетрудно было получить большое и устойчивое усиление в последующих трех усилительных каскадах — в усилителе промежуточной частоты (УПЧ). Важно, что настройка этого усилителя — фиксированная, что сильно упрощало конструкцию, а резонансная характеристика на промежуточной частоте — острая, т. е. достигалась высокая селективность помех, близких к частоте принимаемого сигнала. В последнем каскаде осуществлялось автодинное детектирование, и сигнал преобразовывался в тональный, слышимый в телефоне.
В середине 20-х годов супергетеродинные приемники были еще редки: они считались неоправданно сложными, поскольку требования к селективности были невысоки. Кроме того, с примененным в этом приемнике простейшим одноконтурным преселектором при невысокой промежуточной частоте наблюдались сильные помехи по зеркальному каналу приема. Зеркальная помеха рассматриваласыкак органический недостаток супергетеродинного приема и сдерживала его внедрение. Этот недостаток был преодолен в 30-е годы применением более высокой промежуточной частоты с одновременной заменой в УПЧ одиночных колебательных контуров полосовыми фильтрами.
6 Зак. 1249
161


Рис. 50. Схема приемника Лилиенфельда (1925 г.)
При приеме амплитудно модулированных сигналов второй автодинный или гетеродинный преобразователь частоты заменялся амплитудным детектором; тем не менее, для приемника с преобразованием частоты радиосигнала в промежуточную частоту сохранилось название супергетеродинный.
В 20—30-х годах требования к приемной аппаратуре повышались сравнительно медленно. Нередко новые задачи решались не столько путем существенных изменений в структуре приемника, сколько за счет более сложных антенн и оконечной аппаратуры. Было очевидно, что ресурсы электронной лампы еще далеко не исчерпаны, пюэтому известные или возникавшие вновь идеи, предполагавшие поиск иных способов усиления и обработки «сигналов, не вызывали большого интереса. В частности, не получили развитие исследования и разработки полупроводниковых диодов с отрицательным сопротивлением, хотя явление отрицательного сопротивления у кристаллического диода и возможность его применения для генерирования колебаний радиочастоты были открыты японскими учеными У. Ториката, Е. Йокояма и М. Китамура еще в 1908—1910 гг. [2]. Успешные эксперименты Ж. Пикара во Франции (1920 г.) и О. В. Лосева в СССР, создавшего в 1922 г. свой знаменитый регенеративный и гетеродинный приемник «кристадин» [3], во второй половине 20-х годов не были продолжены, поскольку еще отсутствовал необходимый для них широкий фронт комплексных (физических, материаловедческих, технологических и схемотехнических) исследований. Лишь много позже, в 50-е годы, когда технология полупроводниковой электроники уже достигла высокого уровня, создание японским исследователем Л. Эсаки туннельного диода [4] вновь привлекло внимание к диодам с отрицательным сопротивлением (негатронам) и оказало большое влияние на прогресс радиоприема в микроволновых диапазонах.
Подобным образом обстояло дело и с полупроводниковыми аналогами электронной лампы. Полупроводниковый радиоприемник с невзаимными усилительными приборами (рис. 50) был изобретен Ю. Лилиенфельдом в 1925 г., но из-за отсутствия подходящих материалов и технологии
162


интенсивные разработки транзисторов начались много позже [5]. Полупроводниковый материал, на который можно было ориентироваться в то время (окись и закись меди), не мог дать хороших результатов, а для углубленных исследований и широкого поиска иных материалов еще не находилось оснований. Еще меньше была практическая потребность в углублении чрезвычайно интересных с современной точки зрения исследований свечения кристаллов, которыми также занимался О. В. Лосев; оптоэлектроника нашла почву для своего развития лишь через много лет.
Все усилия направлялись на дальнейшее совершенствование электронных ламп, которое шло быстрыми темпами, и расширение их производства. С начала 30-х годов стали широко применяться лампы с косвенным накалом («подогревные») с питанием цепей накала переменным током. Цепи питания были упрощены, а батареи были заменены в большинстве случаев выпрямителями переменного тока. Стоимость ламп быстро снижалась, а качество их росло. Это было в дальнейшем в течение длительного времени решающим фактором совершенствования приемной аппаратуры.
Выбор пути развития ламп не был однозначным, наиболее характерны были две тенденции. Во-первых, получение высоких показателей от одной лампы путем помещения в баллон нескольких в сущности самостоятельных усилительных приборов вместе с необходимыми компонентами узлов радиоаппаратуры. Во-вторых, расширение функциональных возможностей лампы путем увеличивания количества электродов в конструктивно едином и целостном приборе с единым катодом.
Первое направление начало развиваться еще в конце 20-х годов на основе ламп прямого накала. Типичными представителями этого направления могут служить лампы и радиоприемники германской фирмы Леве—Опта. Упрощенная схема приемника, в котором было реализовано это направление, дана на рис. 51. Это — регенератор с двухкаскадным резисторным усилителем радиочастоты, сеточным детектором, с цепью обратной связи и с двумя резисторными каскадами усиления звуковой частоты. Так на ранней стадии развития электроники проявилась общая тенденция, которая с конца 50-х годов дала толчок интегральной микроэлектронике. Но на базе вакуумной электроники эта тенденция не дала больших результатов и возобладала вторая тенденция: в арсенале приемной техники в начале 30-х годов за пентодами начали появляться гексоды,
6*
163


гептоды, пентагриды (разработаны в США в 1933 г.), триоды-гексоды, двойные диоды-триоды, двойные триоды и двойные пентоды. Эти лампы выпускались, как правило, с косвенным накалом. Стеклянный баллон был заменен металлическим.
Коренное изменение элементной базы произошло так быстро, что этот этап оказался в сущности самым крутым скачком в развитии техники радиоприема за первые три десятилетия радиотехники.
Создание новых ламп с высокими показателями и их массовое производство окончательно предопределили, начиная с 1930 г., «победу» супергетеродинного приемника в соревновании с нейтродином и другими вариантами приемников прямого усиления. На конструкциях приемников 30-х годов отразились и другие достижения в конструировании и технологии деталей и узлов аппаратуры.
30-е годы
Начинался процесс упрощения управления приемниками за счет исключения одних органов регулирования и механического сопряжения других. Завершился переход от отдельных конденсаторов переменной емкости в цепях настройки приемников и от вариометров — катушечных агрегатов с переменной индуктивностью — к сопряженным (сдвоенным, строенным, счетверенным) конденсаторным блокам на общей оси. Стали широко внедряться в УПЧ полосовые фильтры из связанных колебательных контуров. Уменьшились размеры катушек благодаря созданию магнитных сердечников с малыми потерями на радиочастоте: вначале нашел применение «феррокарт», затем карбонильное железо, ферриты. Появились электролитические конденсаторы большой емкости. Были созданы электродинамические громкоговорители.
На рис. 52 представлена упрощенная схема типичного радиовещательного приемника начала 30-х годов. Первый каскад приемника — УРЧ на пентоде, вход которого связан с цепью антенны. В эту цепь включен фильтр-пробка для ослабления помех на промежуточной частоте. Благодаря достаточно высокой, промежуточной частоте, общепринятым значением которой стало 465 кГц, два колебательных контура радиочастоты достаточно эффективно подавляют помехи зеркального канала.
Далее следует преобразователь частоты на триоде-гексоде с гетеродинной триодной секцией. На выходе преобразователя частоты — двухконтурный полосовой фильтр, с которого сигнал подается в УПЧ на управляющую сетку секции двойного диода-пентода. В УПЧ применен трехконтурный полосовой фильтр. Далее сигнал поступает на два диода, из которых правый служит амплитудным детектором, а левый — выпрямителем для получения управляющего напряжения цепи автоматической регулировки усиления (АРУ).
АРУ осуществлялась изменением смещения на сетках ламп усилительных каскадов. Такая регулировка стала возможной после создания и массового выпуска в начале 30-х годов разработанных С. Баллантайном и X. Сноу [6] пентодов с неравномерно намотанной управляющей сеткой, обладающих сильно вытянутым нижним участком характеристики (лампы «варимю»).
164


Четвертая лампа — электронный индикатор резонансной настройки типа «магический глаз», управляющим напряжением для которого служит постоянная слагающая напряжения с нагрузки детектора. Индикатор был необходим, так как АРУ поддерживала постоянство уровня сигнала даже при значительных отклонениях от точной резонансной настройки. Переменная составляющая продетектированного сигнала поступает через потенциометр—регулятор громкости на вход двухкаскадного УЗЧ, нагруженного динамическим громкоговорителем.
Сходные схемные решения использовались и в профессиональных приемниках для радиосвязи, но их оконечные цепи строились с учетом вида принимаемых сигналов.
Переход в 1930—1933 гг. от триодов к пентодам не снял проблему неустойчивости резонансных усилителей. Хотя емкость сетка—анод, через которую действует обратная связь, у пентода в десятки раз меньше, чем у триода, ее влияние осталось существенным вследствие расширения частотного диапазона приемников в сторону более высоких частот (диапазон КВ). Исследование условий устойчивости резонансного усилительного каскада было выполнено Р. Битти [7] в 1928 г. Анализ двухкаскадного усилителя выполнен в 1929 г. Дж. Нельсоном [8]. Полное и общее исследование устойчивости усилителей с произвольным числом каскадов было проведено В. И. Сифоровым [9].
Широкое внедрение в УПЧ двухконтурных фильтров позволило значительно повысить селективность приемников. Методику проектирования полосовых усилителей опубликовал Р. Битти в 1932 г. [10].
Особенность одноручечной настройки состояла в том, что в приемнике с несколькими поддиапазонами использовался общий блок одинаковых переменных конденсаторов, роторы которых сопрягались на общей оси, хотя коэффициенты перекрытия (отношение максимальной частоты к минимальной)—разные. Резонансьая частота входного контура и контура в усилителе радиочастоты должна при всех положениях органа перестройки отличаться от частоты гетеродина на промежуточную частоту приемника, в этом случае преселектор настроен на частоту принимаемого сигнала с удовлетворительной точностью. Такую настройку контуров в трех точках поддиапазона получили включением постоянных конденсаторов. При этом в других точках рассогласование настроек
165


невелико и погрешность настройки преселектора почти не отражается на селективности приемника. Задача сопряжения контуров могла оы иыгь решена путем применения для колебательного контура гетеродина секции переменного конденсатора со специальной формой пластин. Однако это было возможно только для одного частотного поддиапазона, тогда как приемники, и профессиональные и радиовещательные, выпускались с несколькими переключаемыми поддиапазонами. Методика расчета индуктивности катушек контуров и емкости конденсаторов, обеспечивающих сопряжение настроек, была разработана в 1932 г. А. Соверби [11]. Усовершенствованию этой методики были посвящены работы многих авторов.
Преобразователь рассматривался как линейная параметрическая цепь. Анодный ток лампы представлялся функцией трех напряжений: сигнала, гетеродина и промежуточной частоты. Функция аппроксимировалась рядом по степеням напряжений сигнала и промежуточной час тоты, которые считались малыми. Применение преобразователей частоты с многосеточными лампами практически во всех приемниках, выпускавшихся с первой половины 30-х годов, потребовало разработки теории и методики проектирования таких преобразователей. Это было сделано
Э. 	Уайтом [12], В. И. Сифоровым [13], М. Стрэттом [14] и др. в 1933—1934 гг. Ценность созданной в те годы теории заключалась в том, что она позже была распространена и на другие виды преобразователей — с транзисторами и интегральными модулями.
В созданную методику проектирования приемников в те годы вошел раздел, посвященный АРУ. Одна из первых работ на эту тему принадлежит X. Уилеру [15], но динамические процессы в цепях АРУ вследствие их сложности были изучены не сразу и им позже посвящено несколько серьезных исследований [16, 17.].
Период 20-х и 30-х годов был богат ценными идеями и изобретениями, которые далеко не все были осуществлены и в последующем десятилетии. К ним обращаются конструкторы. К их числу принадлежат методы ослабления импульсных помех. Внимание к этим помехам объясняется тем, что помехи грозового и индустриального происхождения были тогда основными.
Селективность приемников в начале 30-х годов была невысокой и полоса пропускания была сравнительно широкой, поэтому длительность помехи на выходе приемника была мала по сравнению с минимальным периодом модуляции принимаемого сигнала. Это предопределило выбор одного из способов борьбы с такими помехами — временную селекцию, т. е. ослабление процессов, отличающихся от принимаемого сигнала малой длительностью. Для этой цели Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси были разработаны так называемые автопараметрические фильтры, в которых нарастание колебаний вначале шло медленно, а затем (при действии более продолжительных принимаемых импульсных сигналов) убыстрялось.
Другой способ [18] заключался в ограничении амплитуды сильных помех на уровне сигнала. Особенно эффективным оказалось применение амплитудного ограничения и последующей узкополосной фильтрации.
166


Этот метод, известный под сокращенным названием Ш-О-У («Широкая полоса—Ограничитель—Узкая полоса») вошел в число классических методов подавления импульсных помех [19].
В те же 30-е годы было предложено прерывание принимаемого сигнала на время действия помех — метод, широко разрабатываемый в различных вариантах даже в самое последнее время и используемый в аппаратуре [20]. Преимущество этого метода состоит в сохранении линейности приемного тракта, поскольку не требуется включение амплитудного ограничителя. При отсутствии импульсной помехи узкополосный фильтр включен непосредственно за широкополосным входом приемника. На короткое время прохождения импульсной помехи подача сигнала на вход узкополосного фильтра прерывается. Преимущество этого способа проявляется, когда одновременно с импульсными помехами на вход ограничителя действуют сильные помехи от посторонних радиостанций. Из-за перекрестной модуляции и интермодуляции в нелинейной цепи (в ограничителе) эти помехи могут создавать неустранимые искажения принимаемого сигнала.
Еще один метод борьбы с импульсными помехами, который был предложен А. де Гротом еще в 1917 г. и получил известность в 30-е годы,— компенсация помех [21]. Метод основан на том, что спектр импульсных помех значительно шире спектра принимаемых сигналов. Поэтому «чистая» помеха может быть выделена из отдельного частотного канала, не занятого сигналами, и использована для компенсации в другом канале, в котором она же действует в сумме с сигналом. Хотя этот метод предложен еще в эпоху детекторных приемников, он и в самое последнее время реализуется в некоторых радиосистемах. Наиболее полное исследование компенсации импульсных помех путем приема по параллельным частотным каналам проведено В. А. Клязником [22]. Им найден простой и очень эффективный способ повышения качества компенсации помех в устройстве, в котором сигнал и помеха в одном канале и помеха в другом канале цолучаются после амплитудного детектирования.
К 30-м годам относятся также серьезные исследования метода помехоустойчивого синхронного детектирования амплитудно модулированных (AM) сигналов, который, как и ряд других методов борьбы с помехами, был предложен ранее. Этот способ приема аналогичен гетеродинному (или автодинному) с той особенностью, что частота гетеродина равна частоте несущей AM сигнала. Этот способ приема был запатентован в 1915 г., но детально испытан и описан был под названием «гомодинного приема» в первой половине 20-х годов. Применение его в те годы затруднялось отсутствием способа точной синхронизации гетеродина с несущей принимаемого сигнала.
Термин «гомодинный прием» в прошлом широко использовался для приема с настройкой по нулевым биениям. Специальным применением его был прием сигналов от AM передатчика с подавленной несущей. Гетеродин приемника при этом предназначался для восстановления несущей в приемнике, без чего не мог быть продетектирован и воспроизведен [23]. Передача телефонных сообщений без несущей могла быть простейшей формой засекречивания, так как при приеме на обычный
167


радиовещательный приемник сигнал в телефоне был неразборчивым. Позже термин «гомодинный прием» вышел из употребления, хотя прием с восстановлением несущей в приемнике сохранился в системах однополосной радиосвязи.
Первые наблюдения, послужившие стимулом для исследования синхронного детектирования, относятся к периоду распространения гетеродинного приема и регенератора. Было замечено, что при точном совпадении частоты гетеродина или автоколебаний в регенераторе с частотой несущей AM сигнала имеет место ослабление помех от радиостанций, работающих на близких частотах. Добавление синфазного гетеродинного напряжения к принимаемому сигналу в сущности эквивалентно повышению уровня этого сигнала, в результате чего растет превышение его над помехой, что и приводит к подавлению помехи. Интерес к этому способу приема усилился, когда в конце 20-х годов были проведены обстоятельные исследования взаимодействия сильного и слабого AM сигналов при амплитудном детектировании их суммы. Результаты этого исследования были опубликованы Р. Битти в 1928 г. [24]. Эффект подавления помехи в детекторе более сильным сигналом интенсивно исследовался и в последующие годы. В 1930—1931 гг. этот эффект был использован Е. Робинсоном в приемнике, получившем название «стенод-радиостат». Описание этого приемника и его исследование были опубликованы рядом авторов в начале 30-х годов [25].
В стеноде линейный селективный тракт, настроенный на частоту принимаемой станции, делался предельно узкополосным, например с помощью кварцевого фильтра. Боковые полосы спектра AM сигнала ослаблялись во много раз, что вело к уменьшению уровня сигнала после детектора, но это компенсировалось увеличением последетекторного усиления. Одновременно во много раз ослаблялась несущая мешающей станции соседнего канала. Это вызывало ослабление ее действия пропорционально квадрату относительного уменьшения несущей. В итоге отношение сигнала к помехе существенно увеличивалось. Узкополосный фильтр вносил частотные искажения принимаемого сигнала. Они корректировались в последетекторном усилителе звуковой частоты.
Стенод не нашел широкого применения из-за трудности удержания частоты сигнала в полосе пропускания узкополосного фильтра. По подобной же причине задержалось внедрение в практику и гомодинного приемника: не были еще освоены способы обеспечения точного равенства частоты гетеродина требуемому значению.
К идее гомодинного приема исследователи вернулись в начале 30-х годов, но применение его было ограниченным. Главным результатом работ этого времени было создание приемников сигналов, передаваемых на одной боковой полосе с ослабленной несущей. Остаток несущей выполняет в приемнике однополосной связи функцию пилот-сигнала, с которым синхронизируется генератор несущей.
Радиоприем с синхронным детектированием исследовался в те годы
А. 	де Бельсизом [26]. Опубликованные им в 1932 г. результаты [27] приобрели широкую известность и стали стимулом для исследований в разных странах. Де Бельсизом описан также способ фазовой автоматической подстройки частоты (ФАПЧ), впоследствии получивший широчай¬
ше


шее распространение в радиотехнических устройствах многих назначений. Не будет преувеличением утверждать, что создание и развитие ФАПЧ оказали глубокое влияние на все развитие радиотехники в послевоенные годы.
ß связи с исключительно важной ролью ФАПЧ в развитии радиотехники уместно отметить работу, выполненную еще в 1929 г. Б. П. Терентьевым [28, 29]. Предлагавшаяся система представляла собой в самом общем виде принцип ФАПЧ. Независимо от Терентьева и несколько позже (в 30-е годы) ФАПЧ была осуществлена и описана Е. Г. Момотом [30]. Представляет интерес отмеченная автором возможность совмещения ФАПЧ и прямого захватывания частоты синхронизируемого генератора сигналом.
К важным достижениям предвоенных 30-х годов принадлежат также развитие идей и принципов повышения помехоустойчивости путем применения частотной модуляции, раскрытие путей построения активных фильтров, а также появление перспективных разработок в области частотной стабилизации радиоприемной аппаратуры.
Применение частотной модуляции (4M) в системах радиосвязи и радиовещания связано с работами Э. А. Армстронга [31], в итоге которых была выявлена возможность значительного ослабления действия помех по сравнению с AM. Было выяснено, что повышенная помехоустойчивость получается при относительно широкополосной 4M, при которой максимальное отклонение частоты в процессе модуляции в несколько раз превышает максимальную частоту модулирующего сигнала. При соблюдении этого условия 4M открыла путь к осуществлению высококачественного звукового радиовещания, но потребовала использования для этой цели метровых и дециметровых волн, так как на более длинных волнах невозможно выделить достаточно широкие полосы частот. Развитие приема 4M стало одним из факторов, стимулировавших развитие радиовещания и связи в микроволновых диапазонах.
В приемнике 4M, имеющем широкую полосу пропускания до детектора, амплитудный ограничитель в детекторе и широкополосный тракт звуковой частоты, реализуется структура Ш-О-У, обладающая повышенной помехоустойчивостью при импульсных помехах.
В 1937 г. М. Кросби [32] указал на пороговый характер выигрыша от примения 4M. Когда флоктуационный шум в отдельные промежутки времени превышает пороговый уровень, он проходит на выход приемника в форме импульсной помехи. Для уменьшения количества надпороговых импульсов Дж. Чеффи предложил применить в приемнике обратную связь по частоте (ОСЧ) [33]. Если помеха слабее, чем сигнал, то ОСЧ пропорционально уменьшает девиацию частоты, как связанную с модуляцией, так и вызванную наложением помехи. В результате появляется возможность сузить полосу пропускания приемника, что ведет к уменьшению уровня шума, а следовательно и количества надпороговых импульсов. Этот метод нашел широкое применение в послевоенные годы, когда новые системы радиосвязи (особенно космические) потребовали создания малошумящих микроволновых приемников.
В основе ОСЧ лежит принцип, подобный автоматической подстройке частоты гетеродина в супергетеродинном приемнике, которая была иссле¬
169


дована Ч. Тревисом [34]. Следует отметить, что частотные детекторы, использованные в приемниках 4M, были первоначально предложены и исследованы Д. Фостером и С. Сили [35] применительно к частотной АПЧ.
В СССР А. С. Виницкий в 1940 г. для улучшения пороговых свойств приемников 4M предложил принцип следящего фильтра, обладающего свойствами, аналогичными ОСЧ [36].
Возникше в 30-е годы идеи в области синтеза электронных активных фильтров были в полной мере оценены лишь через 25—30 лет, когда проявилась тенденция к вытеснению катушек, используемых в качестве индуктивных компонентов, их электронными эквивалентами. Потребность в такой замене тем сильнее, чем ниже частота, поскольку тем больше соответственно должна быть индуктивность, тем больше размеры и сложнее изготовление катушек.
Катушка и электронный, двухполюсник эквивалентны при одинаковой связи между синусоидальным напряжением на концах двухполюсника и амплитудой первой гармоники тока в нем: ток должен отставать по фазе от напряжения на 90° и должен быть обратно пропорционален частоте. Одно из первых решений этой задачи представляет собой частный случай приложения общего метода, предложенного в 1930 г. и опубликованного в 1931 г. в СССР Г. В. Брауде [37]. Было показано, что при помощи усилителя с обратной связью, осуществляемой через цепи с комплексными импедансами, можно выполнить всевозможные преобразования свойств электрических цепей и даже получить свойства, нереализуемые при помощи элементарных компонентов, например отрицательную емкость или индуктивность.
В те годы метод и теория Г. В. Брауде не были в полной мере оценены, проблема исключения катушек из аппаратуры еще не предвиделась. Частный случай реализации этого метода представляла реактивная лампа, нашедшая в последующие годы применение для управления частотой генераторов. Ценное свойство реактивной лампы состояло в возможности изменять эквивалентную индуктивность или емкость чисто электрическим путем — изменением крутизны лампы. Позже, в 40-е годы, для активного четырехполюсника, обладающего свойствами преобразователя импедансов, был введен термин «гиратор» [38]. В 60-е и последующие годы метод Г. В. Брауде был широко реализован на основе новых электронных компонентов и микроэлектроники.
Стабилизация частоты
Среди проблем, связанных с электромагнитной совместимостью радиотехнических систем, одной из наиболее острых и трудных долго оставалась проблема стабилизации частот. Нестабильность настройки приемника при узкой полосе пропускания вела к потере сигнала, расширение же полосы при близком расположении частот — к помехам со стороны радиостанций соседних каналов. Недостаточная стабильность частот препятствовала, кроме того, широкому использованию однополосной радиосвязи и других наиболее эффективных радиосистем. Выходом
170


из положения явилось широкое внедрение кварцевой стабилизации частоты.
В приемниках для радиосвязи, работающих в широком диапазоне частот, в 30-е и 40-е годы стабилизация была связана с применением многих сменных кварцевых резонаторов, что осложняло эксплуатацию приемника. Кроме того, практически исключалась возможность точной температурной стабилизации резонаторов и соответственно затруднялось получение высокой стабильности. Позже выход был найден в стабилизации опорной частоты и получении сетки сФабильных частот путем кратного преобразования этой частоты. Начало разработке этого метода было положено в 30-е годы, когда гармоники генератора, стабилизированного кварцем, использовались для проверки частотной градуировки шкал настройки приемников. Для получения спектра с кратными частотами высоких порядков в предназначенном для этой цели генераторе — кварцевом калибраторе — из генерируемых колебаний с высокой стабильностью частоты формировались короткие импульсы. Позже исследователи перешли к использованию в супер гетеродинных приемниках гармоник со стабильными частотами в качестве гетеродинных напряжений. Это направление получило название диапазонно-кварцевой стабилизации и явилось первым шагом в реализации современных принципов синтеза частот, получившего большое развитие в 50-е и 60-е годы [39].
При высоком порядке гармоники трудно построить фильтр, в полосу пропускания которого не проникали бы гармоники соседних порядков. Так например, при выделении 287-й гармоники генератора с частотой 100 кГц соседние 286-я и 288-я гармоники с частотами 28 600 и 28 800 кГц отстоят от нее всего лишь примерно на 0,3%.
Эту задачу успешно решил способ фильтрации, предложенный в СССР в 1941 г. В. И. Юзвинским [40]. Этот способ был положен в основу диапазонно-кварцевой стабилизации частот в приемниках. В сущности, фильтр Юзвинского является основой одного из классов активных фильтров. В дальнейшем он сыграл важную роль в осуществлении декадных синтезаторов частот. В СССР значительный вклад в разработку коротковолновых диапазонных приемников с однокварцевой стабилизацией на основе способа Юзвинского был сделан в 40-е годы В. С. Ду- лицким [41]. В 50-е годы использование этого способа в приемной аппаратуре было описано Ф. Вадли [42], М. Кола [43] и другими.
Принцип фильтрации по Юзвинскому и ряд вариантов его реализации и развития в более поздних предложениях других авторов проиллюстрированы на рис. 53. Основная структура фильтра имеет вид, представленный на рис. 53, а. Здесь в преобразователе П1 частота сигнала /с преобразуется в промежуточную частоту fnp- Частота fnp, выделенная фильтром Ф, далее преобразуется в преобразователе Пг обратно в частоту fc. Для обоих преобразований служит общий гетеродин Г с частотой fr- Преобразование может осуществляться, например, по правилу fnp=fc—/г в П] и /v+/np=fc в Пг; при этом нестабильность частоты и изменение фазы гетеродина не отражаются на частоте и фазе выходного сигнала. Очевидно, что фильтр Ф может иметь различные характеристики: быть узкополосным, например кварцевым; быть не полоснопро-
171


л
П1 Ли пг ,
VjV
/г
Рис. 53. Принцип фильтрации по Юзвинскому
а, б, в — варианты реализации (Г — гетеродин, П1 и П2 — преобразователи, ФД — фазовый детектор, Ф — фильтр)
пускающим, а режекторным; представлять собой комбинацию из пропускающих и режекторных фильтров. Изменение частоты fr позволяет перестаивать фильтр Юзвинского в любых пределах.
Нестабильность гетеродина влияет на положение частоты в полосе пропускания фильтра Ф, что приводит к сдвигу фазы. Этого можно избежать применением ФАПЧ гетеродина при помощи напряжения от фазового детектора ФД, так показано на рис. 53, б.
Фильтрация может быть совмещена с поворотом фаз спектральных составляющих сигнала, в частности на 90° (преобразование Гильберта). В этом случае в цепь гетеродинного входа одного из преобразователей включается фазовращатель ср, как на рис. 53, в [44]. Аналогично получается сдвиг частоты одного из гетеродинных напряжений: вместо фазовращателя включается преобразователь частоты с дополнительным высокостабильным гетеродином.
Включением ряда одинаковых параллельных фильтров Юзвинского с разными гетеродинными частотами можно синтезировать цепи с различными свойствами [45].
На основе фильтра Юзвинского построен «следящий гетеродин» — предложенное в 60-е годы И. А. Гусятинским и Ю. Н. Марголиным порогопонижающее приемное устройство (рис. 54) для приема 4M сигналов [46, 20]. Гетеродинная частота, формируемая в преобразователе П, равна fr + fci поэтому промежуточная частота, на которую в этом устройстве настроен фильтр Ф, постоянна и равна fr— частоте гетеродина Г. При изменении частоты сигнала fc в процессе модуляции сигнал остается в полосе пропускания узкополосного фильтра Ф, как и в следящем фильтре Виницкого [36].
Сходно построен предложенный в 50-е годы приемник Э. Багдади (рис. 55), позволяющий принимать слабый 4M сигнал при наличии сильной помехи с налагающимся спектром [47]. При действии на входе приемника суммы сигнала и помехи с частотами /с и /п в цепи из ограничителя О и полоснопропускающего фильтра ПФ слабый сигнал подавляется и остается только сильная помеха. В преобразователе П1 частота fn преобразуется в /г. На эту же частоту настроен режекторный фильтр
172


г
Рис. 54
О Ъ
П, * пг
П
Р и с. 55
ЧД
4
Рис. 54. Порогопонижающее устройство П — преобразователь, Г — гетеродин, Ф — фильтр
Рис. 55. Приемник Багдади
П, Пь П2 — преобразователи, ЧД — частотный детектор, Г — гетеродин, О — ограничитель, Ф — фильтр
Рис. 56. Преобразование в стабилидине Кола
П, П|, П2 — преобразователи, Ф — фильтр, Г,, Г2 — гетеродины
РФ, поэтому сильная помеха на вход преобразователя Пг не поступает, тогда как слабый сигнал с частотой fr + fn — fc проходит в преобразователь Пг, где частота его приобретает первоначальное значение fc. Выделенный сигнал далее детектируется частотным детектором ЧД.
Приведенные примеры не исчерпывают множество задач, решаемых на основе фильтрации по Юзвинскому. Как уже было указано, этот способ позволил решить и задачу однокварцевой стабилизации частоты в диапазонном приемнике. Приемники, в которых используются гармоники высокого порядка от опорного генератора с кварцевой стабилизацией, были названы стабилидинами и в нескольких вариантах широко применялись с начала 50-х годов [48]. Типичный вариант преобразования частоты в стабилидине, описанном М. Кола в 1956 г. [43], показан на рис. 56. В главном тракте приема использован фильтр Юзвинского с преобразователями П1 и Пг, в котором нестабильность гетеродина Г i компенсируется. Частота гетеродинного напряжения преобразователя Пг
173


сдвигается описанным выше способом на величину, стабильность которой обеспечивается кварцем.
Колебания опорного генератора Г2 преобразуются в короткие импульсы, спектр которых содержит гармоники высокого порядка. В преобразователе Пчастоты этого спектра понижаются с помощью диапазонного гетеродина Гь Одна из гармоник выделяется фильтром Ф и используется в качестве гетеродинного напряжения в преобразователе П2. При частоте кварцевого генератора fr частота сигнала на выходе преобразователя П2 равна nfr — fc, где п—любое целое число. Следовательно, с одним кварцевым резонатором достигается эффект, соответствующий применению множества кварцев.
Из изложенного выше видно, что многие важные идеи и принципы приемной техники, сложившиеся в 30-е годы, продолжали развиваться в 40-е и последующие годы. До начала Второй мировой войны наиболее сложными считались приемники для профессионального коротковолнового приема. Они, как правило, были супергетеродинными, отдельными для телефонного и телеграфного приема с соответствующими оконечными блоками. В них применялись лампы тех же типов, что и в радиовещательных приемниках, но количество ламп доходило до 25—30. Широко применялся сдвоенный прием на резонансные антенны. Приемное устройство содержало два приемника, панель комбинирования сигналов от приемников, панель контроля качества приема и панель питания. В панели комбинирования сигналы с выходов параллельных приемников суммировались после детектора. Система АРУ, общая для обоих приемников, обеспечивала одинаковое усиление приемников. В этом случае при замирании сигнала в одной из двух антенн усиление связанного с ней приемника не увеличивалось и соответственно не возрастали помехи от этого приемника на общем выходе.
Микроволновые приемники
Как уже было отмечено в начале, развитие радиоприема в микроволновых диапазонах — наиболее значительное явление, которым были отмечены 40-е годы. Уже в 30-е годы началось постепенное возрастание интереса к освоению ультракоротких волн. Первым стимулом к этому было, как указывалось выше, раскрытие преимуществ широкополосной частотной модуляции (4M). Вопрос о создании систем высококачественного звукового радиовещания с 4M на метровых волнах был в принципе решен, но реализация этих систем задержалась из-за начавшейся мировой войны. В конце 30-х и начале 40-х годов были созданы системы радиосвязи на линиях протяженностью в десятки километров в диапазоне волн короче 10 м. Разрабатывалось оборудование для радиорелейной связи на метровых и дециметровых волнах. Для приемников диапазонов 0В4 и УВ4 были разработаны и освоены в массовом промышленном производстве электронные лампы с малыми расстояниями между электродами — миниатюрные лампы типа «желудь», «маячковые» лампы с плоскими дисковыми электродами и кольцевыми выводами, а также маломощные отражательные клистроны.
Наибольшие успехи в освоении микроволновых диапазонов были свя¬
174


заны в годы войны с развитием радиолокационной техники. После первых разработок, в которых использовались метровые волны, был быстро освоен диапазон дециметровых волн, а в конце войны полностью сформировались принципы и типовые конструкции аппаратуры сантиметровых волн.
В 40-е годы типовая структура радиоприемника дециметровых волн включала коаксиальный вход, подстраиваемый коаксиальный резонатор, преобразователь частоты на точечно-контактном кристаллическом диоде с гетеродином на отражательном клистроне и многокаскадный УПЧ на пальчиковых лампах. В радиолокационных приемниках имелся резонансный разрядник для защиты от импульсов передатчика. Применялись электронная автоматическая настройка с поиском частоты и подстройка приемника, причем управляющее напряжение подавалось на отражатель клистрона в гетеродине преобразователя частоты. Приемники сантиметровых волн отличались главным образом применением волноводных входных цепей. В приемниках радиорелейной связи значительное распространение получили широкополосные усилители на лампах бегущей волны.
Дальнейшее развитие приемных устройств УВЧ и СВЧ в 50-е годы отразило накопленные в 40-е годы общие достижения и тенденции технологии промышленного производства радиоаппаратуры. Наиболее значительным достижением того времени была замена печатным монтажом проводов в соединениях между компонентами приемников. Переход к этой технологии намечался еще ранее — с внедрением в производство катушек и конденсаторов, изготовленных нанесением тонких слоев металла на поверхность диэлектриков (способами вжигания, электролитического осаждения, напыления, фотолитографии и др.). Подобная же технология была создана и для изготовления резистивных компонентов.
Итогом развития технологии печатного монтажа стало изготовление основных узлов приемников в виде печатных плат. Это открыло пути для перехода от трудоемких процессов пайки соединительных проводов к автоматизированной сборке аппаратуры, значительно повысило надежность и открыло возможности миниатюризации. Как пример характерных для 40-х годов экспериментов в этой области можно указать на нанесение некоторых соединений и деталей непосредственно на стеклянный баллон электронной лампы, что превращало ее в своего рода интегральный модуль. В 40-е годы уже практиковалось печатное изготовление резонансных линий для дециметровых волн, вскоре ставшее основным способом в производстве приемников УВЧ.
В 50-е годы новое направление в конструировании и технологии было значительно усилено переходом к полупроводниковой электронике.
Переход к транзисторам
В 1938 г., через 13 лет после патента Ю. Лилиенфельда [5] Р. Поль в Германии практически применил полупроводниковый усилитель типа полевого транзистора, но и на этом этапе усилитель еще не получил дальнейшего развития. От полупроводникового усилителя тогда не ожидалось результатов, которые можно было бы сопоставить с высокими показателями электронных ламп. Тем более не ожидалось, что подобные усилители могут быть когда либо использованы во вновь осваиваемых диапазонах.
175


Рис. 57. Схема портативного радиовещательного приемника конца 50-х годов
Замена в 50-е годы ламп транзисторами, начатая в массовых радиоприемниках, привела к коренным изменениям всей техники радиоприема.. После 1950 г. лампы были вскоре почти полностью вытеснены транзисторами. В конце 50-х годов и в 60-е годы произошло и другое очень важное изменение: конденсаторы переменной емкости, служившие органом настройки приемников в течение примерно полувека, стали заменяться емкостными диодами — варакторами. Конструктивно сложная и ненадежная электромеханическая настройка уступила место электронной. Вначале регулирующее напряжение для изменения емкости варакторов получалось при помощи потенциометров, но это был только временный этап, так как сложность конструкции и недостаточная надежность по- тенцйометров со скользящим контактом требовали поиска иных решений.
Переход к полупроводниковым приборам имел одним из следствий миниатюризацию приемников и массовое распространение портативной аппаратуры. В радиовещательных приемниках в этот период были внедрены миниатюрные ферритовые антенны.
На первых порах процесс транзисторизации, естественно, сопровождался попытками сохранить позиции электронных ламп путем дальнейшего усовершенствования их конструкций. Были выпущены миниатюрные и экономичные лампы с повышенным сроком службы, рассчитанные на низковольтное питание. Но конкуренция продолжалась недолго, транзисторы быстро совершенствовались и вскоре лампы остались только в узких областях специальных применений.
Типичная схема портативного или карманного радиовещательного приемника конца 50-х годов показана с некоторыми упрощениями на рис. 57. Здесь еще сохранены все сложившиеся принципы построения приемников 30-х и 40-х годов, и только лампы заменены транзисторами. За одноконтурной входной цепью ВК с магнитной антенной MA следует автодинный преобразователь частоты АП, затем идут два каскада УПЧ с одиночными резонансными контурами, диодный детектор АД и усилитель звуковой частоты УЗЧ. Первый каскад УПЧ охвачен цепью АРУ с подачей регулирующего напряжения в цепь эмиттер—база. То обстоятельство, что транзисторы этого времени имели недостаточно хорошие усилительные свойства на высоких частотах, проявилось в отсутствии усилителя радио¬
176


частоты и в включении в обоих каскадах УПЧ нейтродинных конденсаторов Сн[1]. Характерно включение в цепи питания диода, предохраняющего транзисторы на случай ошибочного включения батареи питания с противоположной полярностью.
Быстрое улучшение параметров и удешевление транзисторов в 60-е годы позволили значительно повысить все показатели приемников, и количество транзисторов в них увеличивалось. Начали выпускаться приемники AM с добавлением диапазона КВ. Затем широкое распространение получили портативные приемники с диапазонами СВ (AM) и УКВ (4M). В конце 60-х годов радиовещательные приемники, как монофонические, так и стереофонические, стали транзисторными.
В 50-е годы в итоге транзисторизации приемной аппаратуры и развития технологии печатного монтажа уже отчетливо проявилось движение к интегральной электронике. Вначале основной формой этого движения была разработка типовых узлов аппаратуры в виде печатных плат с навесными транзисторами и другими компонентами. После покрытия твердеющим компаундом эти платы образовывали цельный взаимозаменяемый модуль. Внедрение таких модулей позволило упростить сборку аппаратуры и уменьшить ее размеры.
Следующим значительным этапом стал переход к «этажерочным» микромодулям. В них тонкие керамические печатные платы одинаковых размеров (порядка 1 X 1 см) с миниатюрными транзисторами и другими деталями монтировались в несколько ярусов с необходимыми соединениями между ними и после заливки компаундом представляли собой единый более или менее сложный функциональный блок. В 60-е годы это направление привело к развитию двух устойчивых форм интегральных микромодулей: гибридных (сочетавших печатный микромонтаж с дискретными бес корпусными транзисторами и навесными деталями) и монолитных, в которых все детали и транзисторы изготовлялись в пластинке полупроводника в едином технологическом процессе. Во втором случае наметился и непрерывный рост степени интеграции, т. е. рост количества деталей в одном кристалле при одновременном уменьшении их размеров.
Использование в технике радиоприема успехов физики твердого тела не ограничивалось внедрением транзисторов; в развитии приема СВЧ значительную роль сыграли также квантовые устройства.
В послевоенные годы началось быстрое развитие радиоастрономии. Построенные в 50-е годы радиотелескопы сыграли также важную роль как эффективное средство для высокочувствительного радиоприема в системах космических исследований и спутниковой связи. Для приема космических излучений потребовались малошумящие усилители СВЧ. Для этой цели были применены мазеры — квантовые усилители на кристаллах рубина, охлаждаемые жидким гелием [49]. Однако, более простым мало- шумящим усилителем, который получил в 60-е годы доминирующее применение в космической и спутниковой связи, стал варакторный усилитель с охлаждением жидким азотом, а в особо чувствительных приемниках — с охлаждением жидким гелием. Позже в результате совершенствования варакторов без охлаждения были получены шумовые свойства, практически не отличавшиеся от свойств усилителей с охлаждением азотом и даже при более глубоком охлаждении.
177


rfô/xaâ
и*
I 1
Рис. 58. Схема двухкаскадного усилителя на полосковых элементах и транзисторах
В упрощенной и малогабаритной аппаратуре, например в бортовых приемниках, в 60-е годы применялся малошумящий усилитель регенера-. тивного типа с туннельным диодом. В дальнейшем, однако, он был почти полностью вытеснен транзисторными усилителями СВЧ, характеристики которых благодаря совершенствованию технологии стали не хуже, чем с диодами.
Значительным стимулом для широкого внедрения приемной аппаратуры дециметровых волн стало начавшееся использование этого диапазона для звукового и телевизионного радиовещания. В УВЧ цепях этого диапазона совместились достоинства транзисторов и печатных полосковых резонансных цепей. Характерный пример схемы двухкаскадного усилителя с такими цепями представлен на рис. 58, где Б, Э и К — соответственно выводы базы, эмиттера и коллектора транзистора.
В те же 60-е годы интенсивно осваивались миллиметровые волны, чему способствовало наметившееся использование этого диапазона в спутниковых системах радиосвязи и вещания. Была создана аппаратура различного назначения: метеорологические радиолокаторы, системы радиорелейной связи и др. По мере улучшения показателей транзисторов приемная аппаратура этого диапазона по структуре стала приближаться к аппаратуре освоенных ранее более длинноволновых диапазонов.
60-е годы
Как и в начале обозреваемого промежутка времени, в 60-е годы процессы реализации идей, накопленных в предшествующие десятилетия, и преимуществ новой элементной базы сочетались с выявлением и первоначальной разработкой новых проблем, которые накладывают сильный отпечаток на изменения в технике радиоприема в следующие десятилетия.
Расширение и совершенствование элементной базы и схемотехники радиоприема не привели к упрощению проблематики в этой области. Условия радиоприема усложнились, так как дальнейший рост применения радиосредств вел к значительному повышению уровня помех приему, в то время как уровень принимаемых сигналов по известным экономическим и техническим причинам не мог быть существенно увеличен.
Важность практических и соответственно научных проблем радиоприема связана не только с особой ролью радиосистем в современном
178


научно-техническом прогрессе, но и с их непрерывно возрастающей ролью в развитии культуры. Приемник стал одним из самых распространенных технических устройств. Количество радиовещательных приемников в мире составляет уже, по-видимому, около миллиарда.
Проблемы, тенденции и перспективы развития радиоприемных устройств характерны сложностью и многообразием. Это связано с различием особенностей распространения радиоволн, видов помех и используемых способов модуляции, а также с разнообразием электронных приборов и конструкций аппаратуры в различных частотных диапазонах (от килогерц до сотен гигагерц) и в радиосистемах различных назначений.
К числу различий, позволяющих разделить современные радиоприемные устройства ориентировочно на два крупных класса, можно отнести то, что в микроволновых диапазонах профессиональные радиоприемные устройства чаще всего работают в фиксированной полосе частот, а в более низких частотных диапазонах профессиональные и бытовые приемники обычно выполняются как всеволновые. Это обстоятельство, а также значительная нестационарность сигналов и помех в части указанных диапазонов также расширяют спектр проблем.
Созданная глобальная сеть связи, базирующаяся на радиорелейных линиях, спутниковые и кабельные магистрали с их почти неограниченной пропускной способностью, казалось бы, должны были уменьшить роль коротковолновых радиолиний — одного из важнейших средств связи. Но ряд технико-экономических и эксплутационных достоинств обусловил сохранение КВ радиолиний наряду с другими не только в качестве одного из основных средств для подвижных служб, а также в качестве важного вспомогательного средства связи. По этой причине потребовалась и была начата реконструкция коротковолновых приемных радиоцентров, направленная на повышение качества, надежности и автоматизацию обслуживания.
В 60-е годы происходили изменения в конструкциях коротковолновых приемников для магистральной связи. Продолжалось совершенствование диапазонно-кварцевой стабилизации частот. Для дальнейшего развития высокостабильных приемников характерным направлением стало применение декадных синтезаторов частот [39]. Синтезатор содержал термостатированный опорный генератор с кварцем, делители частоты с переменными и постоянными коэффициентами деления, преобразователи частоты, при помощи которых суммировались частоты, а также гетеродины с ФАПЧ, синхронизировавшиеся с синтезированными колебаниями нужных частот и обеспечивавшие спектральную чистоту генерируемых колебаний.
На поколение приемников для коротковолновой связи, созданное в конце 60-х годов, особенно сильное влияние оказал инфрадин, предложенный еще в 1926 г. Сарджентом [50]. Это супергетеродинный приемник, в котором первая промежуточная частота выбрана значительно выше, а не ниже частот принимаемого сигнала. Побочные каналы приема в этом случае оказывались далеко за пределами рабочего диапазона и могли быть подавлены простейшим ненастраиваемым фильтром нижних частот. В итоге конструкция приемника сильно упрощалась. Настройка велась изменением частоты гетеродина, причем отпала необходимость
179


в контактном переключателе поддиапазонов, который был одним из самых ненадежных узлов приемника.
Если, например, диапазон частот приемника — от 30 кГц до 30 МГц (приемники морской службы, изменение частоты в 1000 раз), а промежуточная частота — 90 МГц, частота гетеродина должна изменяться от 90, 03 до 120 МГц, т. е. всего лишь в 1,3 раза, и деление на поддиапазоны не требовалось. В середине 20-х годов инфрадин не мог быть осуществлен из-за трудностей изменения частоты гетеродина шагами по несколько килогерц для настройки на близкие по частоте радиостанции. Шкала настройки должна была бы иметь до 10 000 делений. Не могла быть обеспечена и удовлетворительная стабильность настройки. Только через 40 лет эта задача была успешно решена, когда стала возможной замена гетеродина синтезатором частот с цифровым управлением.
Однако, внедрение инфрадина обострило проблему линейности входных каскадов приемника, так как при широкополосном преселекторе во много раз повысился уровень действующих на эти каскады радиопомех различного происхождения; в результате усилилось влияние на прием нелинейных эффектов, прежде всего интермодуляции и перекрестной модуляции. Для ослабления этих эффектов были разработаны входные каскады с повышенной линейностью. Для дополнительного ослабления продуктов нелинейности, помимо фильтра нижних частот, обычно включались субоктавные фильтры, которые делили диапазон частот на несколько полос и коммутировались при перестройке приемника электронным переключателем. Имелись и другие пути повышения селективности, но поиск и исследование их до сих пор остались актуальной проблемой.
Следует отметить, что острота проблемы линейности приемных трактов различных частотных диапазонов возросла в 60-е годы не только в связи с внедрением инфрандинов. Актуальность этой проблемы повысилась в большей мере вообще в результате перехода к транзисторам, так как в этом отношении они сильно уступают лампам. Актуальной задачей стало создание линейных широкополосных антенных усилителей для подключения нескольких приемников к общей антенне на приемных радиоцентрах. Аналогичная задача возникла в отношении широкополосных усилителей для коллективных антенн.
В связи с развитием многоканальных радиорелейных и спутниковых СВЧ систем также потребовалось развитие теории и методов проектирования широкополосных приемно-усилительных трактов, в частности для 4M, обладающих высокой линейностью [51].
Общее влияние успехов полупроводниковой электроники на технику радиоприема проявилось и в том, что по мере роста степени интеграции электронных модулей с начала 60-х годов значительно расширялись схемотехнические и конструкторские возможности совершенствования массовой аппаратуры. Если в начале 60-х годов приемник, содержавший 30—40 транзисторов, представлялся весьма сложным, то для приемной аппаратуры, разрабатывавшейся в конце 60-х годов, уже стали типичными конструкции с интегральными модулями, содержавшие сотни транзисторов и диодов. Эта тенденция в последующие годы усилилась.
Снятие ограничений схемотехнической сложности, которое принесла микроэлектроника, привело к быстрому переносу в массовую радиове¬
180


щательную аппаратуру технических решений, длительное время внедрявшихся только в конструкции профессиональных приемников. Так например, в массовых приемниках стала применяться поисковая электронная автоматическая настройка. Этот вид радиоавтоматики был впервые разработан для радиолокационной аппаратуры, где, как уже упоминалось выше, перестройка приемника при поиске сигнала осуществлялась изменением напряжения на отражателе клистронного гетеродина. В процессе пилообразного изменения частоты при попадании сигнала в полосу пропускания приемника импульсы от частотного детектора останавливали поиск и устройство переходило в режим автоматической подстройки. В радиовещательных приемниках аналогичные принципы нашли применение после внедрения варакторной настройки с конца 60-х годов.
Подобным же образом с конца 60-х годов в радиовещательные приемники переносятся методы стабилизации частоты, первоначально разработанные и внедренные к этому времени в коротковолновых приемных устройствах магистральной радиосвязи. Новый подход к частотной стабилизации привел к приемлемым для массовой аппаратуры конструкциям устройств цифрового синтеза частот, цифровой настройки и индикации частот. Применение синтезатора частот, электронной варакторной настройки гетеродина и ФАПЧ привело к переходу от приблизительной настройки приемников по уровню сигнала к точной настройке на требуемую частоту независимо от наличия или отсутствия сигнала.
В ходе развития этих электронных устройств были созданы и внедрены сенсорное и дистанционное управления, а к 70-м годам наметилась тенденция к применению микропроцессоров для автоматического управления приемниками. Управление, которое в приемниках старого типа осуществлялось главным образом ручной настройкой и ручкой или клавишами переключателя диапазонов, во многих приемниках было заменено управлением при помощи кнопок или сенсоров — чисто электронных переключателей. Управление путем нажатия кнопки с номером нужной станции или набором значения частоты стало в сущности цифровым. Ценное свойство цифрового управления состоит в сравнительной простоте дублирования аппаратуры дистанционным управлением. Для этой цели были разработаны цифровые устройства проводного или беспроводного дистанционного управления, в последнем случае с применением ультразвука или инфракрасного излучения.
Следствием внедрения схемотехнических решений, типичных для микроэлектроники, явилась общая тенденция к замене аналоговой техники цифровой. В частности, в системе электронной автоматической настройки на смену частотному детектору, в котором частота принимаемого сигнала сравнивается с резонансной частотой колебательного контура, пришел цифровой компаратор напряжений. Здесь было использовано однозначное соответствие между частотой настройки и настроечным напряжением на варакторах колебательных контуров приемника. В аналого-цифровом преобразователе настроечное напряжение преобразовывалось в число, которое в цифровом компараторе сравнивалось с числом, соответствовавшим заданной настройке. Результат сравнения определял дальнейшее действие автоматических устройств.
В конце 50-х и начале 60-х годов, когда начиналась разработка
181


ряда основных узлов нового поколения приемной аппаратуры, создаваемые устройства первоначально были сравнительно громоздки и в них применялись существовавшие ранее недостаточно совершенные элементы, как например лампы накаливания в цифровых дисплеях, в которых к 70-м годам получили применение светодиоды или жидкие кристаллы. Последние, благодаря их экономичности в потреблении тока, оказались особенно выгодны для портативной аппаратуры с питанием от миниатюрных батарей. По мере накопления опыта и развития элементной базы конструкции доводились до такого высокого качественного уровня, что становилось возможным их массовое производство, позволяющее внедрить их в дешевую аппаратуру.
Решающую роль сыграл промышленный выпуск многофункциональных модулей с высокой степенью интеграции. Интенсивные разработки их начались в 60-е годы после перехода от германиевых транзисторов к кремниевым. В итоге были созданы миниатюрные и недорогие устройства для синтеза управляющих напряжений электронной настройки, высокостабильные опорные генераторы и таймеры, устройства для синтеза частот, цифровые частотомеры, индикаторы частоты и времени, аналого- цифровые преобразователи и цифровые программно-управляющие устройства и др. Быстро расширяющееся применение микропроцессоров открыло возможности дальнейшего совершенствования массовых приемников в направлении облегчения пользования ими и улучшения реализуемых на практике качественных показателей.
Из обзора изменений техники радиоприема, происходивших или наметившихся в 60-е годы и в большей части непосредственно связанных с изменением элементной базы на основе микроэлектроники, видно, что они касаются главным образом способов и устройств настройки приемников. Действительно, это направление было (и в следующем десятилетии осталось) определяющим, Хотя оно не было единственным. Велись и другие разработки, предметом которых были, например, адаптация приемника к виду сигнала и к помеховой обстановке путем изменения полосы пропускания, автоматический выбор по качеству приема одной из радиостанций, перекрывающих одну и ту же информацию, автоматическое переключение радиовещательного приемника со стереофонического приема на монофонический и др. Часто эти устройства были основаны на применении микропроцессоров. Эти работы, однако, не привели к таким глубоким изменениям аппаратуры, как изменение способа настройки.
Старая система электромеханической настройки предполагала поиск радиостанции и сигнала по максимуму напряжения принимаемого сигнала. На этапе регенеративного приема до середины 30-х годов, как мы уже видели выше, применялась также настройка по нулевым биениям. Критерием точности настройки были слух человека, действие электронного или стрелочного индикатора напряжения. Настройка при этом являлась приблизительной и была возможна только тогда, когда принимаемая радиостанция уже начала работу. Стабильность настройки могла поддерживаться цепью автоматической подстройки, которая также действовала только тогда, когда присутствовал принимаемый сигнал. Кроме того, действие АПЧ ухудшалось при наличии помех.
Сложившийся к 70-м годам способ настройки не по уровню сигнала,
182


а по частоте принимаемой радиостанции был более точен и надежен, так как при действующих высоких нормах стабильности передающих радиостанций частота, а не уровень являлась главным признаком сигнала, на который должна быть ориентирована система настройки приемника.
Осуществимость преимуществ способа настройки, в основе которого лежало цифровое значение частоты, способствовала согласованность его с цифровыми методами управления. Предпочтительность цифровых методов управления передачи и обработки информации была в полной мере выяснена еще в 40-е годы, когда создавались первые системы импульсной радиорелейной связи; эти методы в наибольшей мере соответствовали также новым возможностям, которые открыла цифровая микроэлектроника.
По общетеоретическим, схемотехническим, расчетно-практическим и экспериментально-конструкторским вопросам радиоприема к 70-м годам сложилась обширная литература, отражавшая проведенные и продолжавшиеся исследования и тенденции развития этой области техники. Интенсивность потока публикаций возросла резко в послевоенное время, прежде всего в связи с ростом требований к точности передачи информации, созданием новых видов радиотехнических систем и обострением проблем электромагнитной совместимости. В этих условиях особенно возросли важность и сложность проблемы радиоприема информации в условиях помех, хотя и в прошлом эта проблема была ключевой в области радиоприема. Соответственно этому исследованиям (главным образом теоретическим) помехоустойчивости радиоприема была посвящена наибольшая часть опубликованных работ.
Математической основой работ в этой области стал вероятностностатистический метод, успешно примененный в теории связи в 20-е годы при формировании основ телефонного графика и массового обслуживания, развитый в 30-е годы в теории электронных приборов и флюктуа- ционных помех. Теория помехоустойчивости сформировалась как значительный раздел математической физики, представленный большой монографической и журнальной литературой. Наибольшее влияние на развитие приемной техники и общей теории радиоприема оказала ставшая классической теория потенциальной помехоустойчивости, созданная в 40-е годы В. А. Котельниковым [52]. В руках исследователя и разработчика аппаратуры эта теория служила и служит средством для сравнительной оценки предлагаемых методов селекции сигналов и специальных методов повышения помехозащищенности на стадии их проектирования.
Второе место по числу публикаций принадлежит продолжающимся исследованиям и разработкам в области электронной настройки, адаптации и автоматического управления в приемниках.
Третье место в литературе по вопросам радиоприема в течение длительного времени устойчиво занимает частотная фильтрация. Интерес к этому направлению вызван тем, что для фильтров еще не найдены оптимальные решения, совместимые с технологией микроэлектроники. Соответственно наибольшее внимание уделяется чисто электронным активным и цифровым фильтрам (см. гл. 3). Кроме того, после успешного внедрения в аппаратуре резонансных пьезокерамических фильтров интенсивно разра¬
183


батывается синтез фильтров с поверхностными акустическими волнами.
Продолжаются также исследования новых типов входных цепей, усилителей радио- и промежуточной частоты, амплитудных, частотных и фазовых детекторов, декодеров и индикаторов. Соответствующие публикации отражают изменения элементной базы радиоприема.
Мы отметили наиболее характерные, но далеко не все явления радиоприемной техники периода с конца 20-х годов и по 60-е годы. Новые достижения физики и новые материалы приводят к созданию и внедрению новых узлов и устройств, в том числе изготовляемых средствами интегральной технологии. В частности, внедряются миниатюрные керамические фильтры и фильтры с поверхностными акустическими волнами. С 60-х годов идет широкое исследование различных вариантов цифровых фильтров. Происходит процесс своеобразного соревнования цифровых, дискретно-аналоговых и аналоговых активных фильтров, в процессе которого быстро совершенствуются и те и другие. То обстоятельство, что преимущества всех этих фильтров наиболее полно реализуются на сравнительно низких частотах, оказывается дополнительным стимулом для интенсивного внедрения синхронных детекторов, позволяющих реализовать приемники прямого преобразования, без обычного для супергетеродинных схем тракта промежуточной частоты. В конечном итоге находятся оптимальные структуры приемных трактов, в которых сочетаются различные виды частотной фильтрации.
Создаются и внедряются новые средства частотной и пространственной селекции и новые устройства для повышения помехоустойчивости радиоприемника. Продолжается совершенствование приемников миллиметровых и субмиллиметровых волн. В конструкциях приемников получают отражение и новые виды модуляции, внедряемые в системах радиосвязи и вещания, как например, амплитудно-фазовая модуляция для целей стереофонического вещания в диапазонах ДВ, СВ, КВ, разработка которого ведется с конца 60-х годов.
Многие решения общих проблем приемной техники исторически сложились как ее приложения для телевидения, радиолокации, радиоастрономии и др. Эти решения имели определенную специфику, присущую той или иной конкретной области. Так например, телевизионные и радиолокационные приемники отличались от радиовещательных значительно большей полосой пропускания, способностью работать на частотах метрового и дециметрового диапазонов, а также требованием пропускать без искажений импульсы определенной формы. В то же время, например, не требовалась перестройка в диапазоне. Эта специфика составляла весьма характерный круг технических особенностей аппаратуры телевидения, радиолокации, радиоастрономии, который складивался в процессе исторического развития радиотехники. Об особенностях этой специфики можно составить представление из гл. 8 и 10 этой книги и из книги третьей.
184


ГЛАВА ВОСЬМАЯ
СТАНОВЛЕНИЕ ТЕЛЕВИДЕНИЯ
Первоначальные открытия и изобретения, лежащие в основе телевизионной техники, были сделаны еще в конце прошлого столетия. И с тех пор телевидение развивается на основе достижений многих областей науки и техники — физики, химии, электротехники, электроники, связи.
Один из основоположников телевидения Б. Л. Розинг еще в 1923 г. утверждал, что оно найдет самое широкое применение в человеческом обществе.
Сегодня телевидение применяется повсюду, связывает города и страны, объединяет людей, выполняет многочисленные прикладные функции. Телевидение прочно вошло в наш быт. А в последние два десятилетия оно приобрело огромное значение в космических исследованиях.
Рассматриваемый в настоящей главе этап развития телевизионной техники охватывает период от ее зарождения до начала 40-х годов XX в.
Ранние проекты фототелеграфов.
Физические предпосылки телевидения
В процессе овладения знаниями об электричестве появлялись различные проекты использования электричества для передачи информации на расстоянии — телефона и электрического телеграфа, а затем и фототелеграфа. Эти работы составляют наиболее раннюю предысторию телевидения. Первый проект фототелеграфа электрохимического типа, так называемый «Копиртелеграф», относится к 1843 г. А. Бэн (Шотландия) предложил производить разложение изображения на элементы путем построчной его развертки и последовательно передавать сигналы от каждого элемента вдоль строк и от строки к строке. Бэн также высказал идею синхронизировать развертку в передатчике и в приемнике [1, 2].
В Англии Ф. Бэкуэлл предложил в 1848 г. систему фототелеграфа, в которой на передатчике изображение рисовалось неэлектропроводной краской на металлической пленке (помещенной на поверхности вращающегося барабана). По барабану перемещался контактный грифель, соединенный с батареей и приемником. В приемнике, устроенном аналогично передатчику, на бумаге, смоченной раствором цианистого калия, под действием тока на неокрашенных участках изображения выявлялся рисунок синего цвета. Ф. Бэкуэллом была проведена опытная передача изображения (1848 г.) по проводам из Лондона в Слоуг и Брайтон.
В 1857 г. флорентийский аббат Дж. Казелли изобрел «Пантелеграф». В 1863 г. он передал по проводам изображение из Лиона и Марселя в Париж. Более подробно пантелеграф Казелли описан в первой книге нашего труда [3].
Представляет интерес и фототелеграфный аппарат француза Э. Белена, в котором на передатчике рисунок печатался на желатиновой пленке в виде рельефа. Пленка крепилась на вращающемся барабане
185


и по ней скользил конец плеча рычага; конец другого плеча этого рычага скользил по реостату. Таким образом, изменился ток от батареи, передаваемый в приемник по проводам.
Фототелеграфированием можно было осуществлять передачу только неподвижных изображений. Для передачи движущихся изображений необходимы были иные устройства. Ни электромагнитные, ни электрохимические системы фототелеграфа не были пригодны для этого: не было быстродействующего преобразователя света в электрический сигнал. В качестве первого такого преобразователя был использован селен, которому оказалось присуще свойство внутреннего фотоэффекта. Это явление в селене было замечено в 1873 г. английским техником К. Мэем. Он обнаружил, что электрическое сопротивление селеновой пластины уменьшалось при освещении. Явление было описано У. Смитом. В 1875 г. У. Адамс обнаружил такой же фотоэлектрический эффект в теллуре.
Русский ученый Н. А. Гезехус предпринял первую попытку теоретически рассмотреть фотоэффект и заметил, что селен имеет инерционность, т. е. запаздывание изменений проводимости относительно изменений освещенности.
Селеновый элемент применялся в фототелеграфе Ш. Бидуэлла (Англия, 1882 г.) и А. Корна (Германия, 1904 г.). 16 апреля 1907 г. Корн осуществил передачу изображений из Мюнхена в Берлин, а 8 ноября 1907 г.— из Парижа в Лондон [2].
В 1875 г. американец Ж. Кэри предложил передавать сигналы от всех элементов изображения в приемник одновременно (одновременная система). Изображение должно было проектироваться оптикой на панель, состоявшую из множества селеновых элементов, соединенных отдельными проводами с лампочками накаливания на приемном экране. Лампочки были расположены в том же порядке, что и селеновые элементы на передающей панели. Такая система требовала очень большого количества отдельных проводов между передатчиком и приемником и была практически нереальна.
В 1877 г. К. Сенлек (Франция) предложил «Телефоноскоп» — устройство для поочередной передачи по одному проводу элементов изображения [2]. На передающей стороне штифт из селена двигался вдоль строк изображения. Сигнал от него передавали по одному проводу в приемник, где мягкий карандаш синхронно перемещался по бумаге, и с помощью электромагнита, управляемого принимаемым сигналом, регулировалось его давление на бумагу. Таким образом предполагалось повторять изображение с различной яркостью его элементов. Это по своему существу был фототелеграф, но принцип поочередности в нем оказался телевизионным.
В 1878 г. португалец профессор Политехнической академии в г. Порто
А. 	де Пайва представил рукопись, с описанием изобретения для поочередной передачи сигналов по одному проводу [2]. Изображение на передающей стороне проектировалось на панель из множества миниатюрных селеновых элементов, по которым перемещался металлический стержень, касавшийся поочередно селеновых элементов, образуя тем самым для них цепь тока сигнала. В приемнике была применена одна электрическая лампочка, перемещавшаяся по такой же траектории, как
186


и стержень в передающем устройстве (синхронно и синфазно с ним).
В 1880 г. К. Сенлек в своей брошюре «Телектроскоп» [2] описал проект телевизионного устройства со светочувствительной панелью из множества селеновых элементов, соединенных с коммутатором, присоединяющим поочередно эти элементы к одному проводу, идущему в приемник. В приемнике имелись такой же коммутатор и панель из такого же числа элементов (газоразрядных ламп), способных светиться под действием сигнала.
В 1880 г. Дж. Перри и В. Айртон предложили интересное устройство для передачи изображений, построенное по принципу глаза человека [4],— это была панель из селеновых элементов, на которую проектировалось изображение. Каждый элемент соединялся отдельным проводом с катушкой своего электромагнита в приемнике и батареей. Катушка была надета на трубку, внутри которой был подвешен стальной кружок, поворачивавшийся и тем самым закрывавший частично просвет на угол, зависевший от значения тока в катушке, т. е. от сопротивления селена. Плоскость отверстий всех трубок образовывала приемный экран, а сзади находился источник равномерного света.
В 1880 г. француз М. Леблан предложил применять качающееся зеркало для получения развертки изображения в двух направлениях. Позже он предложил идею цветного телевидения — с помощью призмы разлагать световой луч на семь спектральных цветов. Каждый цвет воздействовал на свой селеновый элемент. Токи от этих элементов на поднесущих частотах передавались по проводам одновременно в приемник, где имелось семь источников соответствующих цветов [5].
Идея де Пайвы и Сенлека передавать сигналы от элементов изображения поочередно по одному проводу оказалась очень плодотворной и составила важнейший принцип действия всех последующих телевизионных систем. Технические трудности того времени не позволили де Пайва и Сенлеку реализовать свои идеи в виде действующих приборов. Некоторые пути решения этой задачи чуть позже нашли русский естествоиспытатель П. И. Бахметьев и немецкий железнодорожный служащий П. Нипков. Бахметьев разработал проект аппаратуры фототелеграфа и механического телевидения с поочередной передачей и воспроизведением элементов изображения и еще в студенческие годы сделал в 1880 г. сообщение об этом проекте на заседании общества «Славия». В 1885 г. он опубликовал в России статью об этом проекте, названном им «Телефотограф» [4]. У Бахметьева в передающем устройстве в плоскости изображения двигалась по спирали небольшая селеновая пластинка, соединенная проводом с электромагнитом на приемной станции. Этот электромагнит управлял газовым краном, и светильный газ горел с различной яркостью в зависимости от тока через селен. Свет пламени отражался параболическим зеркалом и линзой направлялся на экран, создавая на нем светлую точку. Газовая горелка и электромагнит описывали тот же путь и с такой же скоростью (не менее 5 циклов в секунду), что и селеновая пластинка в предыдущем устройстве. Для получения тока в цепи имелась батарея. Система Бахметьева была пригодна для передачи изображений медленно движущихся объектов,
187


могла воспроизводить различные градации яркости и, что самое главное,— могла быть реализована техническими средствами того времени.
П. Нипков предложил в 1884 г. простой и практически осуществимый способ телевидения с помощью диска со спиральными отверстиями К Такой диск, получивший в дальнейшем название «диска Нипкова», позволял реализовать простым способом идеи де Пайва и Сенлека по последовательной (поочередной) передаче в приемник сигналов от элементов изображения с помощью однопроводного канала связи.
По идее Нипкова свет от объекта попадал на светочувствительный элемент (селен, а в дальнейшем фотоэлемент с внешним фотоэффектом) через отверстия: свет проходил поочередно через 1-е отверстие от элементов 1-й строки изображения, через 2-е отверстие — от элементов 2-й строки и т. д. Количество строк в изображении было равно количеству отверстий в диске; значение сигнала на выходе светочувствительного элемента пропорционально освещенности элемента изображения. В приемнике такой же диск помещался между наблюдателем и источником модулированного света и вращался синхронно с передающим. В дальнейшем это была неоновая лампа с плоским анодом, яркость свечения газового разряда в которой пропорциональна приложенному к ее электродам напряжению сигнала. Наблюдатель видел источник света через отверстия в диске, т. е. видел светящиеся строки, яркость элементов которых пропорциональна яркости таких же элементов в изображении на диске передатчика.
Таким образом, П. Нипков предложил следующие принципы телевидения: разложение изображения на поочередно передаваемые элементы, разложение кадра на поочередно передаваемые строки, передачу подвижных изображений в виде последовательности передаваемых с достаточной скоростью кадров; так что наблюдатель за счет инерции зрения видел непрерывное движение объектов.
На принципе инерции зрения в дальнейшем был основан кинематограф.
П. Нипков описал свое изобретение в электротехническом журнале. В 1886 г. его патент был сдан в архив, так как автор не имел средств для его оплаты. В 1924 г. Нипков сделал новое важное изобретение — предложил осуществлять синхронизацию дисков передатчика и приемника от электрической сети1  2. Этот прием долгое время применялся в механическом и электронном телевидении раннего периода. Диск Нипкова долгое время применялся в телевизионных передатчиках различных стран, а в приемниках — конкурировал с зеркальным винтом и даже некоторое время с кинескопом [6].
В 1897 г. польский учитель Я. Щепаник предложил применять для развертки изображения зеркала. Изобретение Щепаника было описано П. И. Бахметьевым [7] и Д. Михали [5]. Щепаник пытался осуществить свое изобретение, но не имел для этого быстродействующих преобразователей для взаимного изменения света и сигнала (селеновый элемент был инерционен и малочувствителен, усилителей сигналов тогда не было).
1 Патент № 30105 (Германия), 15.01.1885 г.
2 Патент № 498415 (Германия), 1924 г.
188


В 1898 г. в России М. Вольфке из польского города Ченстохова в возрасте 15 лет изобрел систему телевидения без проводов3. На передающей стороне сигнал изображения, получаемый с помощью диска Нипкова, с селеновой пластинки подавался на высокочастотный трансформатор, создававший модулированные высокочастотные колебания, излучавшиеся вибратором (искровым генератором электромагнитных волн). В приемнике за диском Нипкова помещалась газоразрядная трубка Гейслера [8].
Через тринадцать лет после открытия внутреннего фотоэффекта Г. Герц обнаружил в 1886 г. явление внешнего фотоэффекта [9]. Работая с двумя индукционными катушками Румкорфа, соединенными последовательно, он заметил, что свет искры от разрядника одной катушки облегчал образование искры в разряднике другой катушки. Герц пришел к выводу, что искра создавала ультрафиолетовое излучение, которое воздействовало на второй разрядник. Описанное Герцем явление получило название внешнего фотоэффекта и побудило ученых провести его дальнейшее изучение.
В. 	Гальвакс исследовал в 1888 г. описанное Герцем явление. Он освещал металлический диск, соединенный с электроскопом или электрометром. Рядом с диском был помещен соединенный с другим электроскопом экран с отверстием для пропускания света на диск. Гальвакс обнаружил, что если диск был заряжен отрицательно, то под действием света он терял этот заряд, а экран приобретал отрицательный заряд. Если же диск был заряжен положительно, то свет не оказывал влияния. Он также убедился в том, что тело, на которое действовали ультрафиолетовые лучи, приобретало положительный заряд [10]. Такие же результаты получил во Франции в 1887 г. Р. Блондло. Итальянский физик А. Риги повторил в 1888 г. опыты Гальвакса, но в качестве экрана применил металлическую сетку. Он назвал пару из диска и сетки «Фотоэлементом».
Опыты Герца, Гальвакса, Риги и др. привлекли внимание выдающегося русского физика А. Г. Столетова. В феврале 1888 г. совместно с И. Ф. Усагиным он начал исследовать фотоэлектрические явления и назвал их «актиноэлектричеством». О полученных результатах Столетов прочитал доклады в 1888 г. в Физическом отделении Общества любителей естествознания, а в 1889 г. доложил о внешнем фотоэффекте в Париже на II Международном конгрессе электриков. О полученных результатах Столетов сообщил французскому академику Э. Маскару, который опубликовал эти сообщения Столетова в трудах Французской академии наук (1888—1889 гг.).
В последующем Столетов продолжил изучение актиноэлектрических явлений и открыл закон линейности фотоэффекта: актиноэлектрический ток пропорционален интенсивности световых лучей. Открыл он и другие закономерности внешнего фотоэффекта (явление насыщения фототока при увеличении напряжения между диском и сеткой, явление критического давления газа, при котором фототок достигает максимума — «явление Столетова», «постоянная Столетова» и др.) [11].
3 	Русская привилегия № 4498, 1900 г.
189


После работ Столетова явление поглощения света в поверхностном слое материалов стало в течение длительного времени предметом исследования многих физиков мира. Дж. Томсон и Ф. Ленард показали, что отношение заряда к массе электрона для фотоэлектронов такое же, как и для катодных лучей. В 1905 г. А. Эйнштейн развил теорию выхода фотоэлектронов из поверхности тела за счет поглощения в нем лучистой энергии. На основе квантовых представлений Эйнштейн установил, что фотоэффект происходит тем интенсивней, чем больше световой квант. Кроме того, он убедился в том, что для получения фотоэффекта величина кванта E = hcо должна отвечать условию E = h(ù'^(mv2/2)-\-P, где со — частота света, h — постоянная Планка, т — масса электрона, v — скорость вылета электрона, Р — работа выхода электрона.
После исследований Герца, Столетова, Гальвакса и др. в области внешнего фотоэффекта интерес к проблеме телевидения значительно повысился. 27 декабря 1899 г. русский физик К. Д. Перский впервые предложил термин «телевидение» (от греческого слова «теле» — вдаль и латинского «визио» — видение), и с тех пор этот термин стал международным.
В 1899 г. русский исследователь А. А. Полумордвинов сделал заявку на изобретение «Светораспределитель для аппарата, служащего для передачи изображений на расстояние» 4. Полумордвинов первым предложил реально осуществимую систему цветного телевидения, основанную на трехкомпонентной теории цветного зрения М. В. Ломоносова [12]. Полумордвинов предложил три способа развертки изображения. Первый осуществлялся с помощью двух вращающихся дисков со щелями. На пересечении щелей образовывалось отверстие для света. В одном диске щели закрывались поочередно красным, зеленым и фиолетовым светофильтрами. Свет, пройдя через отверстие, попадал на фотоэлемент и, таким образом, пробегал 'стороку за строкой по всему изображению. Цвета передавались поочередно сторонами (когда светофильтр закрывал соответствующую спиральную цель) или кадрами (когда светофильтр закрывал радиальные щели). В приемнике Полумордвинов предполагал такие же диски. По второму способу для развертки вместо дисков использовались два концентрические вращающиеся барабана с прорезями. И наконец, третий вид развертки предполагал применение двух вертикальных зеркальных призм, вращавшихся на взаимно перпендикулярных осях. Зеркала одной из них поочередно закрывались светофильтрами.
На заседании электротехнического отдела Русского технического общества 28 апреля 1900 г. был прочитан доклад Полу Мордвинова на тему «Телевизионная система «Телефот»». Полумордвинов сделал также ряд заявок на усовершенствование своей системы (в применении к тепловидению).
Весьма интересные и ценные предложения в области фототелеграфии и телевидения были сделаны русским исследователем О. А. Адамяном [13]. В 1907 г. он предложил оригинальный способ фототелеграфии с промежуточным клише 5 и дисками Нипкова в передающем и приемном
4 Русская привилегия № 10738, заявл. 23.12.1899 г.
5 Патент № 197443 (Германия), 28.03.1907 г.
190


устройствах. Этот способ в принципе был пригоден и для передачи изображений движущихся объектов.
Адамян сделал в 1908 г. заявку на «Приспособление для превращения местных колебаний светового пучка, отраженного от зеркала осциллографа, в колебания яркости трубки Гейслера»6. Он предлагал применить в приемнике две трубки Гейслера — одну из белого стекла, другую из красного. Светлые участки изображения воспроизводились белой трубкой, темные — красной (а по мысли Адамяна эти цвета могли имитировать приблизительно окраску лица человека). В передатчике и приемнике он предполагал применить диски Нипкова 7.
Формирование основ устройства приемной
электронно-лучевой трубки
В 1859 г. Ю. Плюккер, исследуя электрический разряд в разреженных газах, открыл катодные лучи. В 1869 г. И. Гитторф и в 1879 г. У. Крукс изучили свойства этих лучей, в том числе возможность их отклонения магнитным полем. Крукс создал первую газоразрядную трубку. Он обнаружил, что катодные лучи, падая на некоторые кристаллические материалы (названные впоследствии катодолюминофорами), вызывали их свечение — катодолюминесценцию. Ф. Ленард выявил линейную зависимость яркости этого свечения от силы тока луча и в 1894 г. показал, что эти лучи способны проникать через тонкие слои материала (алюминиевую фольгу и др.). В 1897 г. Дж. Томсон обнаружил, что катодные лучи отклонялись электрическим полем и назвал «электронами» частицы, из которых, как он считал, эти лучи состояли (еще в 1892 г. он измерил их заряд и массу).
В 1895 г. К. Браун на основе трубки Крукса создал катодную (электронную) осциллографииескую трубку («трубку Брауна»). Она представляла собой газонаполненную стеклянную колбу, в которой под действием электрического поля возникали положительные ионы газа, выбивающие из холодного катода электроны. Ускоряемые анодом, они направлялись к экрану в виде катодных (электронных) лучей. Экраном служила стеклянная пластинка, покрытая со стороны катода люминофором. Луч проходил через диафрагму и создавал на экране небольшое светящееся пятно. Магнитное поле управляющей катушки отклоняло электронное пятно на экране по вертикали. С помощью внешнего качающегося зеркала это пятно проектировалось на внешний экран и отклонялось по горизонтали. Несколько позже И. Ценнек добавил второе магнитное поле, перпендикулярное к первому, чтобы получить отклонение электронного пятна на самом люминофор ном экране. Вместо второго магнитного поля использовалось также электрическое поле между двумя параллельными пластинками, помещенными внутри колбы.
В 1903 г. немецкий физик А. Венельт сделал важное усовершенствование в трубке Брауна. Он ввел цилиндрический электрод с отрицательным (относительно катода) потенциалом. Изменение этого потенциала изме-
7
Патент № 197183 (Германия), 31.03.1908 г.
Патент № 7219 (Великобритания), 23.05.1908 г.
191


няло ток электронного луча, а следовательно, п яркость свечения люминофора на экране.
В 1907 г. русский физик Б. Л. Ро- зинг изобрел способ электрической передачи изображений на расстояние с применением на передающей стороне двух зеркальных барабанов для развертки изображения 8. В приемнике он применил усовершенствованную им трубку Брауна с холодным катодом [14]. В этой трубке электронный луч по вертикали и горизонтали отклонялся магнитными полями от двух пар взаимно перпендикулярных катушек, а сигнал от фотоэлемента подавался на пластины конденсатора, помещенного в трубке между двумя диафрагмами. Электрическое поле внутри конденсатора отклоняло луч по вертикали при Розинг Борис Львович изменении напряжения сигнала,
(1869—1933) вследствие чего изменялось количест¬
во электронов, проходящих на экран через отверстие в диафрагме. Таким образом достигалась яркостная модуляция тока электронного луча и изменялась яркость свечения точек экрана. Можно с полным основанием считать изобретателем электронного способа воспроизведения телевизионного изображения Бориса Львовича Розинга [15]. На этот способ Розинг получил также германский и английский патенты, которые закрепили его приоритет.
26 ноября 1910 г. Розинг выступил с докладом «Об электрической телескопии и об одном возможном способе ее выполнения» в Русском техническом обществе [16]. В нем Розинг четко определил основные особенности электрической телескопии, состоявшие в передаче изображения, подвижных предметов. Он подчеркнул, что за время менее 0,1 с необходимо передать в приемник сигналы от всех точек изображения, чобы получить в глазу наблюдателя цельное изображение. При такой скорости светочувствительность передающего устройства должна быть очень большой. Кроме того, требовалась высокая точность синхронизации разверток изображения в передатчике и приемнике.
В период с 1907 по 1911 гг. Розинг совершенствовал свое изобретение, использовал на выходе фотоэлемента пульсирующий фототок, чтобы его можно было усиливать посредством явления резонанса 9. Такой способ получения фототока на поднесущей частоте был в дальнейшем использован Д. Бэрдом в Англии и А. Каролусом в Германии.
В своих последующих работах Розинг отказался от модуляции тока электронного луча для повышения модуляционной чувствительности при-
8 Русская привилегия № 18076, 1910 г. (заявл. 25.07.1907 г.).
9 Русская привилегия № 24469, 1911 г.
192


емной трубки и применил модуляцию скорости движения электронного луча по экрану без изменения его тока. Этот метод был основан на зависимости яркости светящегося пятна на экране трубки от длительности его свечения. С уменьшением длительности пятно воспринималось глазом, как менее яркое. Для такой модуляции Розинг ввел в трубку пластины, отклоняющие по строкам. На них подавалось напряжение вместе с сигналом от фотоэлемента в такой полярности, что при малых сигналах скорость движения луча по экрану увеличивалась и экран светился слабо, и наоборот 10.
С помощью этой аппаратуры Розинг получил 9 мая 1911 г. четкое изображение на экране своего приемника — это были четыре белые полосы на темном фоне. На этой демонстрации присутствовали многие крупные физики. За эту работу Розинг был награжден Золотой медалью Русского технического общества. Следует отметить, что Розинг отказался от применения электронного луча для развертки изображения в передающем устройстве, считая, что здесь вполне пригодны оптико-механические системы.
Позже, в 1903 г., такой же метод разработал в Берлине Р. Тун совместно с М. фон Арденне.
В 1913 г. Розинг изготовил вакуумную телевизионную приемную трубку с магнитной фокусировкой электронного луча и накаливаемым катодом. В 1916 г. он опубликовал статью, в которой скоростной метод модуляции назвал «кинематическим» [17]. В 1923 г. Розинг издал книгу об электрической телескопии [18].
В 1924—1928 гг. Розинг усовершенствовал элементы своей электронной системы телевидения, применил ламповый усилитель для усиления фототока.
После опубликования патентов и статей Розинга появились предложения других авторов об использовании трубки Брауна для приема телевизионных сигналов. Это предложение англичанина А. Кэмпбелла- Свинтона (1908 г.) —система телевидения с применением электроннолучевых трубок в приемнике и в передатчике. После этого на применение в приемнике трубки Брауна последовали предложения американца А. Ни- кольсона (1917г.), француза Ж. Валанси (1922—1923), немца М. Дикма- на (1924 г.), американца К. Сабба (1925г.). Французы Э. Белен, Ф. Голь- век в 1927 г. и А. Довийе в 1928 г. описали приемники с трубкой Брауна, а в 1929 г. В. К- Зворыкин (США) описал применение трубки Брауна для передачи изображений кинофильмов.
Начальный период электронного телевидения рассмотрен в ряде работ [19—25].
Малострочное механическое телевидение
Изобретение электронной радиолампы позволило создать в начале двадцатых годов аппаратуру механического телевидения с поочередной передачей элементов изображения посредством диска Нипкова или подвижных зеркал. В радиотехнике начался период механического телевиде¬
10 	Русская привилегия «Nb 24469, 1911 г.
7 Зак. 1249
193


ния [26]. Для электронного телевидения тогда еще не было технологической базы.
Аппаратура механического телевидения строилась по следующим одинаковым схемам. Передатчик был или «прямого видения» (т. е. изображение проектировалось на диск Нипкова, через отверстия которого свет проходил к фотоэлементу с внешним фотоэффектом) , или — «с бегущим лучом». Во втором случае диск освещался мощным источником света. Световой луч проходил через отверстия в диске на объект передачи, находящейся в темноте. Бегущее световое пятно прочерчивало по объекту последовательные строки. Отраженный от объекта свет воспринимался фотоэлементом.
Для передачи кинофильмов изображение кинокадров создавалось объективом на плоскости диска Нипкова (кинолента двигалась непрерывно). Отверстия в диске были расположены не по спирали, а по окружности и поэтому они развертывали все время одну и ту же строку растра на плоскости диска. Благодаря движению киноленты на эту строку растра проектировались поочередно все строки кинокадра. Пройдя через отверстия диска, свет, модулированный оптической плотностью кинокадра, падал на фотоэлемент.
Разработчикам механических систем пришлось решать две противоречивых задачи — увеличение светочувствительности передающей аппаратуры и повышение ее разрешающей способности, т. е. четкости изображения. Для увеличения светочувствительности были предложены многоспиральные диски Нипкова и Санабрия, линзовые диски Нипкова, зеркальный барабан Вейлера, линзовый барабан Мехау и др.
В приемнике в качестве источника модулированного света применялась неоновая лампа с плоским электродом, яркость свечения которой была малой. Для получения большого проекционного экрана было предложено применять мощный модулированный источник света и при развертке изображения каждый элемент изображения создавать на экране полным световым потоком источника. Для небольших экранов таким источником была точечная неоновая лампа, а для больших — дуговая лампа. В качестве модулятора света использовался модулятор Керра, развертка изображения производилась зеркальным барабаном Вейлера.
Р. Бартелеми (Франция) для получения достаточной яркости изображения на экране предложил применять дополнительно к зеркальному барабану Вейлера еще несколько неподвижных зеркал. Находит также применение зеркальный винт, предложенный Ф. Околиксани (Германия) и имеющий малые габаритные размеры при большом размере изображения, лучшее использование света и повышенную яркость изображения. Зеркальный винт позволил довести число элементов изображения до 20 000. Он получил очень широкое распространение наряду с диском Нипкова в аппаратуре механического телевидения [27].
Канадский инженер Ч. Анрото в 1933 г. изобрел телевизионное устройство п, состоявшее из фотоэлемента, на катод которого прерывисто проектировалось изображение. Световой луч обегал поочередно поверхность фотокатода и вызывал фотоэмиссию; излученные при этом фотоэлектроны  1111 	Патент № 1.903.112 (Канада), 1933 г.
194


поглощались анодом. Их количество изменялось в зависимости от потенциала фотокатода.
В СССР первые работы по созданию системы малострочного телевидения с диском Нипкова провел в 1920 г. С. Н. Какурин, который изобрел фотореле для модуляции света в приемнике [28, 29].
В течение 1920—1925 гг. работы по механическим системам проводились в Нижегородской радиолаборатории (М. А. Бонч-Бруевич), в Государственном рентгенологическом и радиологическом институте (Л. С. Тер- мен, А. А. Чернышев) [26, 30]. История раннего периода телевидения в СССР отражена в книге [27].
В 1922 г. Б. А. Рчеулов (СССР) предложил оригинальную конструкцию для преобразования света в сигнал, явившуюся прообразом диссектора [31]. В 1924 г. в Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) В. А. Гуров разработал оптико-механическую систему с качающейся призмой на передатчике и барабаном с цилиндрическими линзами в приемнике [28].
В 1924 г. Г. В. Благовещенский выдвинул идею фотографировать на кинопленку и после быстрого ее проявления передавать изображение с нее в приемник 12. Эта идея была использована в дальнейшем в немецкой системе «Цвишенфильм» и на Лондонском телецентре [31].
Очень интересный проект трехцветной системы цветного телевидения предложил в 1925 г. О. А. Адамян (СССР). Это была система с поочередной передачей цветовых кадров диском Нипкова, на котором были выполнены три спиральных ряда отверстий, покрытых светофильтрами (желтым, зеленым, синим). Этот проект, основанный на уже упомянутом предложении Адамяна 1907 г., изложен в записке от 27 февраля 1925 г., хранящейся в Центральном музее связи в Ленинграде. В 1925 г. Адамян построил в лаборатории Ереванского университета цветной телевизор «Эра- тес» [13].
В системе А. А. Чернышева (СССР) с большим телевизионным экраном (1925 г.) использован модулятор Керра и мощный источник света [32, с. 119]. В том же году В. И. Волынкин (СССР) разработал телевизионный экран в виде панели, покрытой флюоресцирующим веществом, свечение которого мгновенно возбуждалось модулированным световым лучом 13. Л. С. Термен в июне 1926 г. продемонстрировал в физической лаборатории Ленинградского политехнического института телевизионную установку на 64 строки с экраном шириной более 1 м [30].
Широкие работы по механическому телевидению начались в СССР в 1928—1930 гг. в Государственном физико-техническом институте в Ленинграде (ГФТИ) (А. А. Чернышев и Я. А. Рыфтин) и во Всесоюзном электротехническом институте (ВЭИ) (П. В. Шмаков), а также В. А. Гуровым на заводе им. Коминтерна в Ленинграде, А. Ф. Шориным в Центральной лаборатории проводной связи и др.
В 1930 г. Л. А. Кубецкий (СССР) изобрел фотоэлектронный умножитель (ФЭУ) — прибор с многократным вторично-электронным умножением 14, который в дальнейшем нашел широкое применение в телевидении
12 Патент № 1763 (СССР), 1924 г.
13 А. с. № 3242 (СССР), 1925 г. Б. И. № 7, 1927 г.
14 А. с. № 24040 (СССР), 1930 г. Б. И. №> 11, 1931 г.
7*
195


в аппаратуре телекино с бегущим лучом, в диссекторе, в суперортиконе. С 1936 г. ленинградский завод «Светлана» начал выпуск этих приборов. Создание ФЭУ было крупным вкладом в телевизионную технику.
22 апреля и 2 мая 1931 г. лаборатория телевидения ВЭИ провела в Москве первые передачи телевидения на 30 строк через радиопередатчик ВЭИ на волне 56,6 м. Передачи принимались в Москве и Ленинграде [26, 28, 33], а с 1 октября 1931 г. было начато регулярное телевизионное вещание из Москвы (на 30 строк, 1200 элементов) через радиостанцию МГСПС на волне 379 м (изображение) и «Опытный передатчик» на волне 720 м (звук) [34].
В 1931 г. экспериментальные передачи телевидения были организованы в Ленинграде, Томске, Одессе, Новосибирске, Горьком.
В этот период происходит интенсивное развитие советского малострочного телевидения. Так, например, в 1932 г. в ВЭИ В. И. Архангельский разработал большой телевизионный экран размером 1,0Х 1,3 м на 1200 элементов [34, 35]. В 1932 г. была изготовлена аппаратура телекино на 19 200 элементов с непрерывным движением киноленты. В 1933—1934 гг. были разработаны телевизоры на 1200 элементов (ВЭИ). В 1933 г. создана лабораторная установка механического телевидения на 3000 элементов с вольтовой дугой, конденсатором Керра и призмами Николя. Получалось изображение размером 18X24 см с освещенностью 12—15 лк.
В 1934 г. в ВЭИ была сконструирована телевизионная аппаратура прямого видения на 1200 элементов с диском Нипкова, работавшая при освещенности искусственным светом 4—5 тыс. лк. Эта система послужила толчком для развития телевидения в СССР.
В 1933—1934 гг. на заводе им. Козицкого был разработан первый в СССР любительский телевизор с зеркальным винтом (А. А. Расплетин). В ВЭИ в 1934—1935 гг. была создана аппаратура на 48 строк (3000 элементов при 12,5 кадрах в секунду с полосой частот 20 кГц) с диском Нипкова и фотоэлектронным умножителем. На заводе им. Коминтерна А. Я. Брейтбарт сконструировал в 1934—1935 гг. телевизор Б-2 с диском Нипкова для массового выпуска. Появились и радиолюбительские конструкции телевизоров на 1200 элементов (А. А. Расплетин и др.).
В 1936 г. в Москве были начаты экспериментальные УКВ телевизионные передачи кинофильмов (при 19 200 элементах 25 кадров в секунду), а затем состоялась демонстрация больших экранов на 3000 элементов, с зеркальным барабаном и конденсатором Керра. В 1938 г. в ЦРЛ была разработана аппаратура на 60 и 90 строк (В. А. Гуров, А. А. Расплетин,
С. 	А. Орлов), в которой в приемнике на 90 строк применялась электроннолучевая трубка [36].
Телевизионное вещание на 30 строк применялось в СССР до 1938 г., когда его вытеснили электронные системы (343 строки в Москве и 240 строк в Ленинграде).
В 20-е годы процесс бурного развития малострочного телевидения проходил и в европейских странах. Так например, в Англии молодой шотландец Дж. Бэрд провел в 1923 г. демонстрацию телевидения в Лондонском универсальном магазине, использовав развертку с диском Нипкова. В апреле 1924 г. он провел первую передачу телевидения из студии. В 1928 г. Бэрд разработал аппаратуру цветного телевидения с одним фотоэлемен-
196


том. Он применил в передатчике диск Нипкова с тремя спиралями отверстий, покрытых светофильтрами (красная, желтая и синяя спирали), в приемнике — такой же диск Нипкова и три газонаполненные лампы (неоновая — красного свечения, гелиевая — желтого, ртутная — синего) [2].
В 1929 г. Бэрд создал полную систему телевидения на 30 строк при 12,5 кадров в секунду (2100 элементов) и с кадром формата 7:3. В передатчике (бегущий луч) и в поиемнике были применены диски Нипкова, в приемнике — плоская газосветная лампа. 14 июля 1930 »г. был впервые передан спектакль из студии в Лондоне. С 1930 г. Британская радиовещательная корпорация (ВВС) начала
регулярные передачи на этой сту- Дж°н
дни. (1888—1977)
В 1931 г. Бэрд продемонстрировал в лондонском кинотеатре «Коли- зеум», а также в Париже, Берлине и Стокгольме экран размером 60X140 см с панелью из 2100 ламп накаливания с вращающимся коммутатором.
В 1931—1932 гг. Бэрд разработал трехканальную систему телевидения — передаваемая сцена условно разделялась на три части, изображение каждой части передавалось отдельным фотоэлементом и через свой радиопередатчик; в приемнике — три неоновые лампы, изображение с которых проектировалось на общий экран.
В 1932 г. в Лондонском Радиодоме была установлена аппаратура Бэрда с бегущим световым лучом, дуговой лампой и зеркальным барабаном. Передачи на 30 строк были прекращены в Англии в сентябре 1935 г., и Бэрд предложил механическую систему на 240 строк (40 000 элементов) с прогрессивной разверткой и полосой видеочастот 1,5 МГц. С этой системой в Англии конкурировала система электронного телевидения на 405 строк с чересстрочной разверткой и полосой частот 2 МГц на передающей трубке типа эмитрон (вариант иконоскопа), разработанной фирмами «Маркони» и ЕМ1. В студии по системе Бэрда применялись два метода — с электронным диссектором и с промежуточным фильмом (ПФ).
Для передачи изображения диктора применялись бегущий световой луч и диск Нипкова. В процессе ПФ сцена фотографировалась на кинопленку и после быстрого проявления изображение с еще мокрой кинопленки передавалось в эфир с помощью диска Нипкова и ФЭУ. Для передачи изображений кинофильмов применялся диск Нипкова, ФЭУ и дуга в 60 а; кинопленка двигалась непрерывно. Изображение на 405 строк было более высокого качества, чем в системе Бэрда на 240 строк. В феврале
197


1938 г. Бэрд демонстрировал в Лондоне цветное телевидение на 120 строк на экране размером 3,7 X2,7 м.
В 1924 г. М. Дикман (Германия) изобрел развертку для трубки Брауна, а в 1926 г. демонстрировал работу такой трубки. Разработками телевидения в Германии занимались многие фирмы. В 1924 г. была создана система на 48 строк (Ф. Околиксани) с дисками Нипкова и конденсатором Керра. В 1928 г. А. Каролус показал в Берлине аппаратуру на 96 строк (10000 элементов) с зеркальным барабаном Вейлера в приемнике, а Э. Мехау демонстрировал телекинопроектор. В 1928 г. А. Каролус запатентовал приемный экран с трубкой Брауна (в качестве источника света постоянной яркости) и модулятором Керра. Позже А. Каролус создал (1935 г.) большой телевизионный экран 2X2 м, содержащий 10 000 ламп накаливания [2]. В 1928 г. изобретатель Д. Михали демонстрировал свою аппаратуру «Телегор» на 30 строк при 10 кадрах в секунду с дисками Нипкова и синхронизацией от электросети [5].
В 1929 г. в Германии началось телевизионное вещание на 1200 элементов из Берлина с аппаратурой Ф. Шретера. С 1931 г. в приемниках этой аппаратуры применялась трубка Брауна, а на передатчике сохранился диск Нипкова. В 1933 г. фирма «Фернзее» создала аппаратуру на 90 и 120 строк при 25 кадрах в секунду. Фирма «Телефункен» показывала изображение на экране размером 0,96X 1,20 м с четкостью 90 строк (модулятор Керра, четырехканальная система). К 1934 г. ряд немецких фирм подготовил аппаратуру на 180 строк; в телевизорах в большинстве случаев применялись кинескопы. С 1934 г. в Берлине были начаты регулярные передачи изображения кинофильмов на УКВ на 180 строк с механической разверткой на передатчике.
В 1935 г. в Берлине демонстрировалась аппаратура на 320 строк (123 000 элементов) с электронно-лучевой трубкой на передатчике, создающей бегущий световой луч, и аппаратура «Цвишенфильм» фирмы «Фернзее» на 19 200 элементов.
В 1929 г. Р. Бартелеми создал аппаратуру во Франции на 30 строк, а А. де Франс в 1931 г. передал изображение на 38 строк на волне 220 м из Парижа в Гавр. В марте 1932 г. в Национальной радиотехнической лаборатории исследовались три системы телевидения — Дж. Бэрда, А. де Франса и Р. Бертелеми. Значительным вкладом Бартелеми в развитие французского телевидения явилась его идея передачи видеосигнала и синхроимпульсов на одной несущей волне, при разделении их по уровням. Этот способ оказался очень плодотворным и принят в современном телевидении.
Передачи по механической системе с четкостью 2 700 элементов на волне 80 м и с четкостью 40 000 элементов (180 строк) через три радиопередатчика на УКВ (на волнах 5—8 м) проводились и в Италии.
В США работы по механическому телевидению проводились лабораторией фирмы «Белл». В 1927 г. под руководством Г. Айвса здесь был создан комплект аппаратуры прямого видения на 50 строк (2 500 элементов) при 18 кадрах в секунду с диском Нипкова и освещением электрической дугой, а также аппаратура с бегущим лучом на 50 строк (с диском Нипкова и дугой), причем в приемнике использовались диск Нипкова и неоновая лампа. Был создан большой экран 60X75 см из 2 500 неоновых
198


ламп с вращающимся коммутатором. В конце 20-х годов в США были проведены экспериментальные исследования многих аспектов телевизионной техники. Проводились опыты цветного телевидения с передачей сигналов трех основных цветов по трем кабелям. В передающем устройстве применялись светофильтры, в приемнике использовались газонаполненные лампы цветного свечения, диск Нипкова, а смещение световых потоков производилось с помощью полупрозрачных зеркал.
В 1930 г. в США был создан экспериментальный цветной видео- телефон на 5 000 элементов при 18 кадрах в секунду с дисками Нипкова.
Американский изобретатель Э. Александерсон разработал в 1930 г. аппаратуру цветного телевидения с зеркальным барабаном и систему на 48 строк с дисками Нипкова. Он создал проекционный экран размером 2X3 м (с модулятором Керра, линзовым диском Нипкова и дугой в 175 А). Американская радиокорпорация (RCA) проводила передачи на 60 строк при 20 кадрах в секунду (4 320 элементов) с диском Нипкова и зеркальным барабаном на передатчике, а позже — на 120 строк при 24 кадрах в секунду (17 300 элементов) через два УКВ радиопередатчика на высотном доме «Эмпайр» в Нью-Йорке (420 м). В приемнике использовалась электронно-лучевая трубка, на передатчике — диск Нипкова.
Развитие передающих электронно-лучевых трубок
Механические системы телевидения не могли решить проблемы получения высокой четкости изображения в приемнике и высокой светочувствительности передающего устройства. Идеи Б. Л. Розинга о применении электронного луча как безынерционного средства для развертки изображения привлекли внимание научных и инженерных кругов. При этом стала очевидной необходимость применения электронного луча не только в приемнике, но и в передающем устройстве. Развитие электронно-лучевых приборов составило важное направление в телевизионной технике и ее основу на многие годы.
Первое конкретное предложение по созданию передающей электронно-лучевой трубки было сделано в 1908 г. английским инженером А. Кэмп- беллом-Свинтоном [37; 38, с. 246]. Он предполагал решить проблемы дистанционного электрического видения, применяя катодные лучи, синхронно отклоняемые переменным полем электромагнитов в передатчике и в приемнике. Схематическое устройство передающей трубки Кэмпбел- ла-Свинтона показано на рис. 59, а. В ее основе — трубка Крукса, к катоду которой приложено отрицательное напряжение 100 кВ относительно анода. Узкий пучок электронов проходил через отверстие в аноде С и падал на экран /, описывая на нем с помощью отклоняющих катушек Е растр. Экран представлял собой фотоэлемент и состоял из миниатюрных изолированных друг от друга металлических кубиков (из рубидия), излучавших электроны под действием света, т. е. в нем был использован внешний фотоэффект. Изображение проектировалось сквозь сетку L и отсек с парами натрия на экран /. В описании сказано, что фототок сигнала снимался с сетки L. Электронный луч поочередно переходил с одного кубика на другой, при этом каждый кубик действовал как независимый фотоэлемент. Далее через ионизированный газ электроны по-
199


Рис. 59. Схематическое устройство передающих телевизионных трубок
а — А. Кемпбелла-Свинтона (1908 г.), б — В. Зворыкина (1923 г.), в — А. Чернышева (1925 г.) (/ — сетка, 2 — светочувствительный слой, 3 — диэлектрик, 4 — сигнальная пластина, 5 — электронный луч, 6 — электронный прожектор, А — мозаичная пластина, Б, В — светочувствительные слои, С — анод, Сь С2 — отклоняющие пластины, Д — электронный луч, Е — отклоняющие катушки, J — экран, L — сетка, У — анод и диафрагма, Z — катод)
падали на сетку L. В этом описании действия передающей трубки Кэмп- белл-Свинтон не отмечал, что в трубке имелась емкость между кубиками, а также между кубиками и сеткой, и что электронный луч создавал вторичную эмиссию электронов с кубиков. Между тем, в дальнейшем исследователи поняли, что накопление зарядов на емкость повышало во много раз светочувствительность прибора, а вторичные электроны участвовали в создании цепи для тока сигнала. Тем не менее, нужно отметить, что в передающей трубке Кэмпбелла-Свинтона имелись все элементы, которые вошли в конструкцию последующих поколений передающих трубок: двусторонняя мозаика из множества отдельных фотоэлементов с внешним фотоэффектом, коллектор в виде сетки L, отклоняющие катушки Е. Фотоэмиссия от всех фотоэлементов имела место в течение всего кадра, т. е. происходило накопление зарядов на указанных емкостях.
В 1923 г. В. К. Зворыкин (ученик Б. Л. Розинга, уехавший летом 1917 г. из России в США) сделал заявку на изобретение полностью электронной системы телевидения с передающей и приемной электроннолучевыми трубками 15 [39]. В передающей трубке Зворыкин применил трехслойную двухстороннюю мишень. Трубка (рис. 59, б) состояла из сигнальной пластины 4 — тонкой алюминиевой пленки (прозрачной для электронов), покрытой с одной стороны диэлектриком 3 из окиси алюминия, на который нанесен светочувствительный слой 2, обладающий
15 Патент № 2.141.059 (США), 20.12.1938 г. (заявл. 29.12.1923 г.).
200


внешним фотоэффектом. Рядом с этим слоем была установлена сетка 1. На алюминиевую пленку подавалось положительное (относительно сетки) напряжение. Изображение проектировалось на этот слой сквозь сетку 1. На другой стороне алюминиевой пленки электронный луч 5 из электронного прожектора 6 создавал растр. Сигнал снимался с нагрузки RH в цепи сетки 1. Трубка была наполнена аргоном, который ионизировался электронным лучом для образования проводимости между алюминиевой пленкой и элементом светочувствительного слоя [40]. В патенте указано, что мозаика передающей трубки содержала множество дискретных фотоэлементов и элементарных накопителей зарядов, которые заряжались светом одновременно и присоединялись к каналу передачи поочередно с помощью электронного луча.
В 1925 г. В. К. Зворыкин подал новую патентную заявку на телевизионную систему (патент 1928 г.)16. В этом патенте предлагался способ цветного телевидения. Изображение проектировалось на мишень передающей трубки через многоячеистый светофильтр, разделявпий световой поток на лучи красного, зеленого и синего цвета (каждый вид ячеек пропускал только одну часть спектра). В приемнике была использована электронно-лучевая трубка, на экран которой наложен снаружи такой же светофильтр. Передающая трубка имела мишень с отдельными фотоэлементами (глобулами), которая ничем не отличалась от мишени, указанной в патенте Зворыкина № 2.141.059 по заявке от 29.12.1923 г. Таким образом, двусторонняя трехслойная мишень была запатентована Зворыкиным в 1928 г. и была позже применена им в иконоскопе.
Далее в истории телевидения известен целый ряд патентов на передающие трубки. Их получили англичане Дж. Блэйк и Г. Спунер (1924 г.), французы Э. Шульц (1921 г.) и М. Сегин (1924 г.), К. Сабба (1925 г., США), А. фон Коделли и К- Тиханьи (Германия).
В Германии в 1925 г. М. Дикман и Р. Хелл изобрели передающую трубку мгновенного действия 17, в которой поток фотоэлектронов перемещался относительно отверстия в экране перед коллектором. Эта трубка содержала черты прибора, предложенного еще в 1922 г. в СССР Б. А. Рчеуловым, и являлась прототипом диссектора Фарнсворта.
А. А. Чернышев (СССР) предложил телевизионное устройство с оптической коммутацией 18, названное им «передатчиком в аппарате для электрической телескопии» [32, с. 229]. На рис. 59, в показано схематическое устройство трубки Чернышева. Предметом его изобретения была металлическая мозаичная пластина А из изолированных параллельных металлических столбиков, торцы которых с обеих сторон были покрыты слоем вещества Б и В с фотопроводимостью (селен, окись меди и др.). На светочувствительный слой В с одной стороны проектировалось изображение, на другую же сторону направлялся пучок света, который с помощью колеблющегося зеркала последовательно коммутировал элементы мозаики. При этом через нагрузку R\ в цепи слоя В проходил ток сигнала, пропорциональный освещенности элементов мозаики. На
16 Патент № 1.691.324 (США), 13.11.1928 г. (заявл. 13.07.1925 г.).
17 Патент № 450187 (Германия), 1925 г. (заявл. 5.01.1925 г.).
18 Патент № 5598 (СССР), 1925 г. Б. И. №> 6, 1928 г.
201


рис. 59, в, кроме упомянутых обозначений, С\иС2 — отклоняющие пластины, Е2 — анодное напряжение, z — катод, у — анод и диафрагма. В патенте Чернышева указано, что сила тока в цепи батареи Е\ при неизменной интенсивности катодного пучка будет зависеть от проводимости светочувствительного слоя. Эту трубку Чернышева можно считать прообразом видикона, поскольку в ней применялись фоторезисторы, но с тем принципиально важным отличием, что в видиконе по технологическим причинам применялся сплошной слой фотопроводящего материала (а не мозаика из металлических столбиков).
В 1925. г. Б. П. Грабовский, В. И. Попов и Н. Г. Пискунов (СССР) предложили проект телевизионной системы с электронно-лучевыми трубками на передатчике и в приемнике, названный ими «Радиотелефот». В передающей трубке около фотокатода на пути электронного луча была установлена сетка для отбора фотоэлектронов. Электронный луч бомбардировал фотокатод и, как считали авторы, встречал фотоэлектроны, которые ослабляли луч и тем самым модулировали его [31, с. 26].
В 1928 г. Ч. Дженкинс (США) изобрел принцип накопления заряда на емкостях фотоэлементов, образующих светочувствительную панель 19. На этой панели (рис. 60) к каждому фотоэлементу как бы был подключен конденсатор С. Свет падал на фотоэлементы, и конденсаторы заряжались одновременно в течение времени кадра Тк. Под действием света на мишени появлялся потенциальный рельеф зарядов. С помощью коммутатора конденсаторы поочередно разряжались через нагрузку /?н, с которой снимался сигнал. Ток сигнала при разряде
ic = Q Лэ = ео/^оТкДэ = eoFoti.
Здесь Q — заряд на конденсаторе, е0 — светочувствительность фотоэлемента, F о—световой поток, падающий на один фотоэлемент, п = = Тк/тэ — число фотоэлементов, тэ — длительность разряда одного конденсатора (равная длительности элемента изображения). Таким образом, в системе Дженкинса ток сигнала в п раз больше, чем в системе мгновенного действия, где он равен e0Fo [41, с. 222]. После изобретения Дженкинса усилия исследователей были направлены на применение электронного луча для коммутации, а также на более эффективное использование в передающей электронно-лучевой трубке явления накопления зарядов, чтобы поднять светочувствительность трубки. Однако, при рассмотрении патентов на передающие трубки следует помнить, что ток луча, создаваемого электронным прожектором, определяется режимом прожектора и является постоянным. Электронный луч при коммутации должен образовать отдельную цепь сигнала, состоящую, например, из вторичных электронов или из обратного электронного луча. Следует также иметь в виду, что присутствие около светочувствительной мишени сетки, через которую проходят электронные лучи, приводит иногда к искажению сигнала из-за вторичной эмиссии электронов с сетки. К сожалению, в ряде патентов эти обстоятельства не отмечаются и цепь протекания тока сигнала в них не указана.
В 1928 г. венгерский изобретатель К. Тиханьи подал заявку на изо-
19 	Патент № 1.756.291 (США), 29.04.1930 г. 202


Рис. 60. Принцип накопления зарядов в передающей трубке (Ч. Дженкинс, 1928 г.)
Câem
бретение передающей телевизионной трубки20. Эта передающая трубка схематически показана на рис. 61, а. Односторонняя мозаика представляла собой пластинку из диэлектрика 4 (рис. 61, б), на одной стороне которой были помещены отдельные, изолированные друг от друга, фотоэлементы 5, а на другой стороне нанесен металлический слой 3. На фотоэлементах создавалось оптическое изображение, под действием которого между каждым фотоэлементом 5 и металлическим слоем 3 создавался электрический заряд, пропорциональный освещенности фотоэлемента. Сетка 11 собирала фототоки. По мозаике двигался электронный луч б, создаваемый катодом 10, анодом 9 и отклоняемый пластинами 8 и 9. Этот луч нейтрализовал заряды на фотоэлементах, отражался от поверхности с фотоэлементами 5 и приходил в цилиндр Фарадея 1, 2. На выходе этого цилиндра появлялся сигнал, так как ток отраженного от мозаики луча зависел от заряда фотоэлементов в каждой точке мозаики. Ток сигнала снимался с трансформатора 12. Заметим, что для работы трубки в схеме следует заземлить катод 10. На рис. 61, б показано устройство мишени трубки, на рис. 61, в — схема другой трубки Ти- ханьи с изолированной двусторонней мишенью в виде проволочной сетки, покрытой фотоэлектрическим слоем.
В 1929 г. в СССР Ю. С. Волков предложил для передачи изображения в натуральных цветах разделить на три части фотокатод в передающей трубке: на верхнюю часть проектировать изображение через красный светофильтр, на среднюю — через зеленый, на нижнюю — через синий 21. Эти три части поочередно развертывались электронным лучом. Экран в приемной трубке также делился на три части, которые представляли собой люминофоры красного, зеленого и синего свечений. Электронный луч поочередно обегал три люминофора, и изображения этих частей складывались на общем экране.
В целях повышения светочувствительности передающей трубки усилия многих изобретателей были направлены на более эффективное использование накопления зарядов на емкостях фотоэлементов. Одной из первых попыток в этом направлении было изобретение А. П. Константиновым (СССР, 1930 г.) передающей трубки «для дальновидения»22. В трубке Константинова имелась панель из множества фотоэлементов
20 Патент № 2.158.259 (США), 16.05.1939 г.
21 Патент № 14744 (СССР), 2.02.1929 г. Б. И. № 3, 1930 г.
22 А. с. № 39830 (СССР), 28.12.1930 г. Б. И. № 10—11, 1934 г.
203


4
Рис. 61. Схематическое устройство передающей трубки и мишени К. Тиханьи (1928 г.)
а — трубка с односторонней мозаикой, б — мишень трубки, в — трубка с двусторонней мишенью (/, 2 — цилиндр Фарадея, 3 — металлический слой, 4 — пластинка из диэлектрика, 5 — фотоэлемент, 6 — электронный луч, 7,8 — отклоняющие пластины, 9 — анод, 10 — катод, 11 — сетка, 12 — трансформатор)
с конденсаторами. Процесс разрядки конденсаторов производился электронным лучом трубки Брауна. В предложении Константинова, в отличие от изобретенного Дженкинсом принципа накопления заряда, в качестве коммутатора емкостей впервые использовался электронный луч. В качестве цепи для тока сигнала в заявке Константинова также указан электронный луч. Заметим, что ток электронного луча определяется режимом электронного прожектора в трубке и является постоянным, не зависящим от тока сигнала. Для работы трубки электронный луч должен образовать при коммутации отдельную цепь тока сигнала, например из вторичных электронов или из обратного электронного луча.
Трубка Константинова (рис. 62) была устроена следующим образом [42, 43]. Мишень 3 служила в трубке 1 перегородкой, отделявшей левую часть 2, наполненную газом и образующую многоячейковый фотоэлемент. Последний состоял из металлической решетки 4, в ячейках которой были уложены металлические проводники 5, отделенные изоляцией 6. Емкости проводников 5 относительно решетки 4 являлись накопительными конденсаторами. По правой стороне мишени перемещался луч в качестве коммутатора. В трубке: 7 — катод, 8 — анод, 10 и 11 — отклоняющие луч пластины. Сигнал снимался с сетки 12 и выделялся на нагрузке 13.
В 1930 г. в США В. К- Зворыкин сделал заявку на передающую электронно-лучевую трубку с двусторонней мишенью из миниатюрных фотоэлементов в виде заклепок 23. Однако, из-за сложности технологии изготовления трубки она не была в то время реализована.
23 Патент № 2.246.283 (США), 17.06.1941 г. (заявл. 1.05.1930 г.)
204


fâem
f
Рис. 62. Схематическое устройство передающей трубки А. Константинова (1930 г.)
1 — трубка, 2 — левая часть трубки, 3 — мишень, 4 — решетка, 5 — проводник, 6 — изоляция, 7 — катод, 8—анод, 9 — анодный источник питания, 10, 11 — отклоняющие пластины, 12 — сетка, 13 — нагрузка, 14 — усилитель
В 1930 г. П. Фарнсворт в США проводил телевизионные передачи, применив усовершенствованный диссектор Дикмана—Хелла. Для повышения светочувствительности трубки он использовал цилиндр с отверстием, в трубку был введен фотоэлектронный умножитель [44, с. 325]. Диссектор Фарнсворта не требовал темного помещения для объекта передачи и тем самым был пригоден для внестудийных передач. Но все же его светочувствительность и разрешающая способность оказались недостаточными, вследствие чего он не получил широкого применения в технике телевидения.
Важное значение в развитии передающей телевизионной техники имело предложенное С. И. Катаевым (СССР) в 1931 г. «устройство для передачи движущихся изображений» 24. Оно также содержало передающую электронно-лучевую трубку с накоплением заряда на элементарных конденсаторах отдельных фотоэлементов. Схематическое изображение трубки Катаева и ее мишень показаны на рис. 63. В трубке применен дополнительный электрод 7 (рис. 63, а) в виде сетки или решетки, помещенный вблизи общей фотопанели со стороны электронного луча. Луч при коммутации должен был разряжать конденсаторы вследствие вторичной эмиссии с панели. Мишень была выполнена в виде дырчатого электрода 3, сквозь отверстия которого пропущены изолированные прутики 4, причем внешний левый конец их служил ячейкой фотоэлемента. Прутики являлись положительными обкладками элементарных конденсаторов 5, электрод 3 представлял собой общую отрицательную обкладку для всех конденсаторов. При попадании электронного луча на прутики 4 каждый конденсатор терял свой накопленный заряд. Разряд шел по цепи: электронный луч, катод б, резистор 8, электрод 3. На усилитель 9 поступал импульс сигнала, пропорциональный освещенности каждого фотоэлемента. Вторичные электроны с дополнительного электрода 7 переходили на конденсаторы 5 и ускоряли их разряд. Сетка /, установленная перед мишенью на пути светового потока, удаляла пространственный заряд фотоэлементов.
24 А. с. № 29865 (СССР), 24.09.1931 г. Б. И. № 4, 1933 г.
205


J 4
Рис. 63. Схематическое устройство передающей трубки (а) и мишени (б) С. Катаева (1931 г.)
1 — сетка, 2 — светочувствительный слой, 3 — дырчатый электрод, 4 — изолированный прутик, 5 — конденсатор (положительная обкладка), 6 — катод, 7 — дополнительный электрод, 8 — резистор, 9 — усилитель, 10 — металлический слой, 11 — панель
На рис. 63, б показан вариант мишени из заявки Катаева 1931 г., в которой электрод /, имевший положительный потенциал, помещен с внутренней стороны панели 11 из прозрачного материала. Сквозь панель проектировалось изображение на светочувствительный слой 2, находившийся также на внутренней стороне панели 11. На внешней стороне панели нанесен металлический слой 4, с которого снимался сигнал. Проектирование изображения можно было производить со стороны электронного прожектора или с противоположной стороны.
В июне 1931 г. в США группа В. К. Зворыкина начала работать над созданием передающей трубки с односторонней трехслойной мишенью 25. Первый иконоскоп Зворыкина с фотокатодом для ультрафиолетового света схематически. показан на рис. 64, а. Стеклянный баллон иконоскопа был шарообразным, с цилиндрическим отростком, в котором помещался электронный прожектор. В шаре находилась мишень, установленная наклонно к оси отростка. Эта мишень состояла из слюдяной пластинки, на одну сторону которой был нанесен металлический слой, названный сигнальной пластиной 6. На другую сторону мишени помещена светочувствительная мозаика, состоявшая из множества отдельных, изолированных друг от друга фотоэлементов с внешним фотоэффектом — глобул 5. Мозаика сначала наносилась на слюду методом испарения фотоэлектрического материала в вакууме. К концу 1931 г. она изготавливалась по патенту химика фирмы RCA С. Эссига 26.
Часть поверхности стеклянного шарового баллона трубки была сделана плоской, параллельной мишени. Через нее на мозаику проектировалось изображение, так что ось объектива была перпендикулярна плоскости мишени и отсутствовали искажения и дефокусировка оптического изображения. Близ мозаики перед глобулами 5 была поставлена сетка У, имевшая положительный потенциал относительно анода 3 прожектора (анод заземлен, на термокатоде 4 большой отрицательный по-
25 Патент 2.021.907 (США), 26.11.1935 г. (заявл. 13.11.1931 г.).
26 Патент № 2.065.570 (США), 29.12.1936 г. (заявл. 24.02.1932 г.).
206


Рис. 64. Схематическое устройство иконоскопа В. Зворыкина по патентной заявке 13.11.1931 (а), серийного выпуска (б)
1 — сетка, 2 — электронный луч, 3 — анод, 4 — термокатод, 5 — глобула, 6 — сигнальная пластина, 7 — усилитель, 8 — коллектор
тенциал). Электронный луч 2 проходил через эту сетку и создавал на мозаике растр. Сигнал снимался с сигнальной пластины 6. Эта мишень имела такое же устройство, как и в трубках Зворыкина 1923—1925 гг. Отличие состояло в том, что в иконоскопе мишень односторонняя и сигнал снимался с сигнальной пластины б, в то время как при двусторонних мишенях Зворыкина сигнал снимался с сетки.
В 1931 г. были изготовлены макеты иконоскопа и проведены конструктивные усовершенствования в нем [45]. Шар был заменен цилиндром (см. рис. 64, б) с отростком для электронного прожектора и вместо сетки (во избежание искажений сигнала) был применен коллектор 8 в виде металлического кольца, на внутренней поверхности цилиндра которого собирались фотоэлектроны и вторичные электроны, излученные мозаикой. На коллекторе вторичной эмиссии не возникало, так как электронный луч 2 его не касается. Мишень (см. рис. 59, б) состояла из мозаики фотоэлементов — светочувствительного слоя 2, слюдяной пластинки — диэлектрика 3 и металлической пленки в качестве сигнальной пластины 4. Элементарные конденсаторы мозаики разряжались при коммутации их электронным лучом по цепи: мозаика — поток фотоэлектронов и вторичных электронов — коллектор — нагрузочный резистор — сигнальная пластина, образуя в этой цепи, ток сигнала. Участок мозаика — поток вторичных электронов — коллектор — батарея — катод составлял цепь для тока электронного луча. В 1933—1934 гг. Зворыкин тщательно исследовал работу иконоскопа и развил его теорию [46—48].
Сравнивая заявки А. Кэмпбелла-Свинтона (1908 г.), В. К. Зворыкина (1923, 1925, 1931 гг.), К. Тиханьи (1928 г.), У. Дженкинса (1928 г.), А. П. Константинова (1930 г.) и С. И. Катаева (1931 г.), можно заметить много общего в структуре предложенных ими мишеней, хотя эти изобретения делались независимо. Важно отметить, что мишень Катаева (авторское свидетельство № 29865) по своей структуре была аналогична мишени, примененной Зворыкиным в его иконоскопе (патент № 2.021.907, 1931 г.). Отличие заключалось в том, что сетка 1 (см. рис. 63, а) в мишени Катаева заменена у Зворыкина кольцевым коллектором 8 (см. рис. 64, б),
207


и электронный луч падал на мишень наклонно, а изображение проектировалось вдоль оптической оси, нормальной к мишени.
В 1932 г. С. И. Катаев описал трубку с трехслойной мишенью и фотокатодом из мелких частиц (рис. 65, а). Отклонение луча производилось электростатическим электродом в виде сетки М. Мишень могла быть как двусторонней, так и односторонней. Электронный луч заряжал фотоэлементы до небольшого отрицательного потенциала, а избыток электронов попадал на сетку М, имевшую положительный потенциал, изображение же заряжало фотоэлементы до положительного потенциала [20].
Позже, в 1948 г., Катаев описал [15] трубку с односторонней мишенью, показанную на рис. 65, б.
В 1933 г. в СССР было получено с помощью трубки Катаева первое изображение с прогрессивной разверткой на несколько десятков строк. В 1935 г. на ее основе была создана система малокадрового телевидения на 250 строк при длительности одного кадра 10 с [40]. Такая же система много позже была применена в СССР для передачи изображений с первых искусственных спутников Земли.
Разработка иконоскопов в Советском Союзе началась в 1933 г. (Я. А. Рыфтин, Б. В. Круссер). В их производстве важную роль играла технология и именно решение технологических проблем определило прогресс. Был разработан оригинальный способ нанесения на слюду мозаики из серебра, очувствленного цезием. В июне 1934 г. на макетах иконоскопа были получены изображения, а в феврале 1935 г. состоялась демонстрация системы электронного телевидения на 180 строк. В 1936 г. было получено изображение на 240 строк.
В 1934 г. был создан однострочный иконоскоп (В. А. Гуров). В дальнейшем в СССР было освоено промышленное изготовление таких иконоскопов [50, 51]. Иконоскоп обеспечивал высокое качество изображения на 250—600 строк при освещенности 5 000—10 000 лк.
С. 	И. Катаев в 1932 г. предложил применять в передающей трубке тонкую диэлектрическую пластинку с прилегающей к ней сеткой, чтобы электронный луч, перемещаясь по пластинке, вызывал эмиссию вторичных электронов с нее. Фотоэлектроны, приходя на пластину, с фотокатода, создавали на ней электронное изображение и медленно разряжали ее элементы.
В 1933 г. П. В. Шмаков и П. В. Тимофеев предложил трубку со сплошным фотокатодом, работавшую по принципу накопления зарядов, вызываемых электронным изображением 27. В ней фотоэмиссия создавала электронное изображение на пластинке диэлектрика или на мозаике с целью получения вторичной эмиссии. Вследствие этого положительные заряды на поверхности диэлектрика существовали в продолжение всего кадра и нейтрализовались при коммутации электронйым лучом. Оказалось, что такая трубка была в десять раз чувствительнее иконоскопа. Она в окончательном варианте была названа «супериконоскопом» (рис. 65, в). Образцы первых супериконоскопов были разработаны и изготовлены в СССР под руководством Б. В. Круссера, а впоследствии было организовано их промышленное производство.
27 А. с. №> 45648 (СССР), 28.11.1933 г. Б. И. № 1, 1936 г.
208


Рис. 65. Схематическое устройство передающих трубок С. Катаева (статья 1932 г.; (а), С. Катаева (статья 1948 г.) (б), супер и кон ос коп а П. Шмакова и П. Тимофеева (по патентной заявке 28.11.1933) (в)
Рис. 66. Схематическое устройство передающих трубок ортикона (1940 г.) (а), трубки Г. Брауде (1938 г.) (б), суперортикона (1940 г.) (в)
1— сигнальная пластина, 2— изолятор, 3—фотокатод, 4 — тормозящий электрод, 5 — первый анод, 6 — электронный луч, 7 — электронное изображение, 8 — сетка, 9 — двусторонняя мишень, 10— анод, 11— фокусирующий электрод, 12— электронный умножитель, 13— прожектор, 14— обратный луч, А — прозрачный электрод, Л— электронный луч, М — диэлектрическая пластинка, П— коллектор
В США в группе В. К. Зворыкина в 1935—1936 гг. были разработаны фотоэлектронные умножители, подобные предложенным Л. А. Кубец- ким в СССР. Тем самым применению электронного умножения отводилось прочное место в телевизионной технике. В 1937—1939 гг. Зворыкин и др. разработали в США полупроводниковые двухслойные мишени для супериконоскопов.
В иконоскопе электронный луч приходил на мозаику с большой скоростью и вызывал на ней вторичную эмиссию электронов. В результате в электронном изображении появлялось так называемое «черное пятно». Чтобы устранить этот недостаток, в 1938—1939 гг. группа Зворыкина разработала новую передающую трубку — «ортикон» с медленными электронами в луче. Она имела одностороннюю мишень (фото¬
209


эмиссия и коммутация электронным лучом производились на одной стороне). Мишень ортикона (рис. 66, а) содержала сигнальную пластину 1 в виде тонкого металлического слоя и изолятора 2. На другой стороне был нанесен фотокатод 3. Электронный луч 6 имел малую скорость электронов благодаря действию тормозящего электрода 4 с потенциалом + 10В. Луч отдавал элементам мишени часть своих электронов, приводил потенциал мишени к нулевому потенциалу термокатода и поворачивал обратно. Обратный луч запирался первым анодом 5. В ортиконе коэффициент вторичной эмиссии с мишени меньше единицы (вследствие малой скорости электронов в луче), поэтому вторичные электроны забирались тормозящим электродом и не изменяли потенциала темных элементов мишени. Благодаря положительному потенциалу на тормозящем электроде фотоэмиссия происходила в режиме насыщения. Освещенные элементы мишени благодаря фотоэмиссии заряжены положительно, и на них попадало большое количество электронов из прямого электронного луча. В обратном луче от таких элементов имелось меньше электронов, чем от темных элементов. Таким образом, обратный луч содержал полезный сигнал. Ток сигнала протекал по цепи: фотокатод — обратный луч — первый анод — нагрузка — сигнальная пластина — емкость мишени — фотокатод. Ортикон имел более высокую светочувствительность, чем иконоскоп. В 1940 г. ортикон был построен и в СССР.
В 1934 г. в СССР был предложен Г. В. Брауде оригинальный трехэлектродный фотоэлемент 28. В нем нитевидный фотокатод был расположен перпендикулярно к пластинам анода и управляющего электрода. В момент, когда на него проектировалась строка изображения, часть нити эмиттировала фотоэлектроны, другая же часть не эмигрировала. При изменении напряжения на управляющем электроде граница между этими частями перемещалась вдоль строки. Фототок, прошедший на анод и пропорциональный интегралу освещенности вдоль этой строки, создавал на катушке самоиндукции, включенной в цепь анода, напряжение сигнала, пропорциональное освещенности вдоль строки. Этот прибор был запатентован в ряде стран. Он применялся на Опытном ленинградском телецентре для передачи изображений кинофильмов [41, 52].
В исследованиях советских и европейских ученых и инженеров довоенного периода изучались физические явления в передающих электронно-лучевых трубках, в частности с полупроводниковой мишенью. Им удалось показать, что полупроводниковая мишень обладает большей светочувствительностью, чем мишень иконоскопа.
В истории телевизонной техники большой интерес представляет изобретенная Г. В. Брауде «катодная передающая трубка» 29. В этой трубке (рис. 66, б) мозаика была нанесена с двух сторон на диэлектрическую пластинку М, обладавшую некоторой проводимостью. Вблизи нее помещен прозрачный электрод А, на другую сторону которого падал электронный луч Л. Элементарная емкость Сф между элементами А и М заряжа¬
28 А. с. № 44955 (СССР), 1934 г. Б. И. № И, 1935 г.; № 48541 (СССР), 1935 г. Б. И. № 8, 1936 г.
29 А. с. № 55712 (СССР), 3.2.1938 г. Б. И. № 9, 1939 г.
210


лась за время кадра фотоэлектронами, вырывавшимися светом из мозаики, и разряжалась на элементарную емкость См между сторонами диэлектрика М. Электронный луч выбивал из мозаики на другой стороне пластинки М вторичные электроны, которые переходили на коллектор П, соединяя емкости Сф и См. Во время коммутации электронным лучом заряд из емкости Сф переходил в См, и через нагрузку Z протекал ток сигнала. В 1945 г. Г. В. Брауде опубликовал описание этой трубки, указав, что мозаика может отсутствовать, если сама поверхность пластинки М является мозаикой [53].
В 1939—1942 гг. американской фирмой RCA (В. К. Зворыкиным) была разработана новая передающая трубка с высокой светочувствительностью для работы в видимом спектре и в инфракрасных лучах — «суперортикон» [54]. Она использовалась во время войны в 1939—1945 гг. для ночного видения. В суперортиконе (рис. 66, в) применялся перенос электронного изображения 7 с фотокатода 3 на стеклянную двустороннюю мишень 9 через сетку 8 с положительным потенциалом, собиравшую вторичные электроны с мишени. На другой стороне мишени электронный луч 6 с медленными электронами создавал растр, как в ортиконе. В трубке имелись прожектор 13, тормозящий электрод 4, анод 10, фокусирующий электрод 11. Обратный луч 14, модулированный сигналом, поступал в электронный умножитель встроенный в тот же баллон, где ток усиливается более чем в 1000 раз. Следует отметить, что мишень в суперортиконе аналогична мишени трубки Г. В. Брауде.
Развитие приемных электронно-лучевых трубок
К концу 20-х годов в технике телевидения уже сложилось убеждение, что для получения высококачественного телевизионного изображения необходимо было значительно усовершенствовать приемную трубку Брауна.
В 1929 г. В. К. Зворыкин изобрел высоковакуумную приемную электронно-лучевую трубку, названную им кинескопом. Это название позже было принято во всех странах. Первый кинескоп имел термокатод косвенного подогрева и апертурный диск для модуляции тока луча, а также первый и второй аноды, электростатическую фокусировку электронного луча на экране. Второй анод конструктивно выполнялся как посеребренное покрытие на внутренней стороне конической части стеклянного баллона. Отклоняющие элементы были помещены снаружи на участке между первым и вторым анодами в области малой скорости электронов в луче. В 1935—1936 гг. В. К. Зворыкин, И. Лэнгмюр и др. исследовали вопросы электронной оптики и создали проекционный кинескоп. Работы по электронной оптике, созданию приемной электроннолучевой трубки и разработке аппаратуры полностью электронного телевидения велись также в Германии с конца 20-х годов. Среди них выделялись исследования физика М. фон Арденне. Он был противником механических средств телевидения и стремился создать полностью электронную телевизионную систему.
В 1930 г. Арденне создал высоковакуумную телевизионную приемную электронно-лучевую трубку по образцу уже использованной им
211


передающей трубки. На передаче такая же трубка служила источником бегущего светового пятна. В 1930 г. Арденне получил в такой трубке изображение на 9000 элементов.
В 1930 г. Р. Тун, работавший в лаборатории Арденне, предложил метод скоростной модуляции светового пятна на экране приемной трубки. Электронный луч с неизменным током перемещался по люминофорному экрану с переменной скоростью. В тех точках экрана, где скорость этого перемещения больше, яркость свечения экрана меньше. Видеосигнал для модуляции подавался на отклоняющие пластины трубки [32, с. 233; 1, с. 147]. Тун совместно с Э. Худеком реализовал этот метод в 1932—1933 гг. Заметим, что такая система была впервые предложена в 1907 г. в России Б. Л. Розингом. В историю телевидения Арденне вошел как выдающийся ученый, большой энтузиаст электронного телевидения [55]-.
В СССР разработками приемных электронно-лучевых телевизионных трубок занимались многие исследователи. Сначала это были газонаполненные приборы (1931 г.), а в 1931—1932 гг. С. И. Катаев предложил вакуумную приемную трубку. Разрабатывались различные конструкции трубок, люминофоры различного свечения. В 1933 г. в ЦРЛ С. А. Орлов, А. А. Расплетин, Н. И. Дроздов и В. А. Гуров сконструировали первые советские телевизоры с кинескопом на 1200 элементов (30 строк) и на 35 000 и более элементов. Кинескоп для них был создан на заводе «Светлана», имел электростатическую фокусировку, отклоне- нение луча магнитным полем, работал при напряжении 5 кВ. На заводе «Светлана» в 1936—1937 гг. было освоено производство первого в Советском Союзе кинескопа с зеленым свечением для телевизора ТК-1. В 1934 г. был разработан проекционный кинескоп с направленным излучением.
В 1938 г. был создан кинескоп белого свечения с диаметром экрана 172 мм с яркостью на белом 20 кд/м 2, а затем проекционный кинескоп с яркостью свечения 3000 кд/м2 при высоком напряжении 40—60 кВ и допустимом токе второго анода 1000 мкА.
Формирование систем электронного телевидения
Освоение промышленного производства передающих и приемных телевизионных трубок (иконоскопов, кинескопов и др.), связанное как с достижениями электронной техники, так и со многими технологическими находками, позволили в 1934—1941 гг. в большинстве стран мира разработать и начать внедрять в жизнь системы телевизионного вещания с достаточно высокими параметрами и, прежде всего, с высокой четкостью изображения.
Английские фирмы «Маркони» и «И-Эм-Ай» в 1934 г. разработали полностью электронную систему телевидения с чересстрочной разверткой на 405 строк при 25 кадрах в секунду. Полоса частот сигнала для этой системы равнялась 2 МГц, работала система на метровых волнах. Было установлено, что чересстрочная развертка не создает мерцания яркости и не утомляет глаз, как это, например, имело место в системе Берда. Передачи по этой системе проводились в конце 1936 г.
212


В 1937 г. была разработана электронная телевизионная система во Франции на 455 строк.
В США в 1933 г. была подготовлена электронная система телевидения на 120 строк, а затем в 1934 г.— на 240 строк и в 1934 г.— на 343 строки при 30 кадрах в секунду. Весьма существенным достижением в этих работах было использование чересстрочной развертки (Р. Баллард, 1939 г.) 30, нашедшей в телевидении очень широкое применение. В эти годы в США и других странах были начаты исследования качественных показателей телевизионного изображения. К этому времени относится зарождение и кабельного телевидения; многие работы были связаны с изучением прохождения телевизионного сигнала по кабельным линиям.
В Советском Союзе в предвоенные годы сформировалась исследовательская база в области телевидения. Работы велись во многих научных учреждениях, в том числе во Всесоюзном научно-исследовательском институте телевидения (ВНИИТ), на заводе им. Коминтерна, в лаборатории телевидения Центрального научно-исследовательского института связи (ЦНИИС). В 1934 г. была создана лабораторная установка электронного телевидения на 180 строк (43 000 элементов) на советских иконоскопах, были проведены исследования характеристик телевизионного изображения для выбора параметров практически пригодных систем [56].
Нелегкими вопросами, определившими важнейшие технические параметры телевизионных систем и, конечно, их экономические стороны, были выбор четкости изображения и введение на нее впоследствии стандартов. G технической стороны четкость прежде всего задавала полосу пропускания телевизионных приемников, определяла трудности их схемного и конструктивного выполнения, процесс их настройки. При малой четкости (при небольшом количестве строк в разложении изображения) зритель видел на экране картинку, которая была весьма далека от оригинала и лишь в самых общих чертах напоминала его. Телевидение с малой четкостью, вызвав во всем мире всплеск интереса к новому радиотехническому направлению и новой бытовой аппаратуре, очень быстро достигло своеобразного насыщения интереса к нему. Вследствие весьма низкого качества изображения оно стало занимать в жизни людей место забавной и новой игрушки, не более того, и, конечно, не могло всерьез конкурировать с радиовещанием.
Чтобы открыть телевидению более широкие горизонты применения и облегчить проникновение в жизнь людей, необходимо было значительно усовершенствовать новый вид техники и прежде всего улучшить качество передаваемого изображения. Но задача увеличения четкости телевизионного изображения не была однозначной. Увеличение числа элементов разложения улучшало качество телевизионной картинки, но требовало при передаче более широкой полосы частот. А это, в свою очередь, усложняло аппаратуру и приводило к необходимости работать в более коротковолновых частях радиоспектра, в частности на УКВ, что было связано с освоением новой техники. Значит, требовалось изучить и свойства нового диапазона радиоволн, т. е. перед радиотехникой ста¬
30 Патент № 2.152.234 (США), 1939 г. (заявл. 19.07.1932 г.).
213


вились новые проблемы, а главное — все это уводило из области уже освоенного радиовещания и, следовательно, было связано с большими затратами.
С другой стороны, увеличивать четкость изображения нельзя было беспредельно. При определенных ее значениях зрительное восприятие телевизионного изображения вполне удовлетворяло самым строгим требованиям и дальнейшее улучшение было излишним. В то же время технические параметры телевизионной аппаратуры (полоса частот) получались приемлемыми и могли быть реализованы уже существовавшими радиосредствами. Так, например, для передачи с четкостью 343 строки (а такое значение вошло в первый советский телевизионный стандарт) требовалась полоса частот около 1,5 МГц. Вдвое лучшая четкость в 625 строк уже требовала полосы частот 6,5 МГц. При четкости 819 строк (такой стандарт предполагался в конце 30-х годов во Франции) полоса должна была составить 16 МГц. Расширение полосы радиотракта было делом трудным и приходилось искать разумные компромиссы в выборе между полосой частот и четкостью. Определение оптимального значения четкости телевизионной картинки составило предмет обширных исследований в радиолабораториях всех развитых стран.
Наряду с разработкой передающих электронных систем в СССР велись интенсивные работы по конструированию телевизионных приемных аппаратов и исследованию процессов в них.
В 1931 г. в Ленинградском электрофизическом институте (ЛЭФИ) был исследован видеоусилитель, а в 1933 г. Г. В. Брауде разработал способ простой противошумовой коррекции в телевизионных усилителях путем правильного выбора нагрузки передающей трубки, нашедший широкое применение [57]. В 1934 г. он предложил метод расчета коррекции амплитудных частотных и фазовых характеристик видеоусилителей путем разложения в ряд Маклорена коэффициента передачи. В 1936 г.
О. 	Б. Лурье предложил способ анализа видеоусилителей методом переходных характеристик. С. В. Новаковский в 1939 г. рассмотрел условия передачи и приема постоянной составляющей видеосигнала [58], а Лурье в 1940 г. рассмотрел метод восстановления постоянной составляющей [59].
Весьма важная для телевизионных систем схема катодного повторителя была рассмотрена в 1939—1940 гг. В. Л. Крейцером, а в 1940 г\ Г. В. Брауде разработал схему противошумовой коррекции видеоусилителя [60].
В США регулярное телевизионное вещание с четкостью 343 строки было начато в 1936 г. в Нью-Йорке Национальной радиовещательной компанией (NBC). С 1937 г. начались опытные передачи с четкостью на 441 строку; это вещание было не государственным, а коммерческим [61]. В начале 1939 г. в Нью-Йорке начал работать телецентр Колумбийской вещательной системы (CBS). На рынке появились дешевый телевизор фирмы RCA типа ТТ5 с 5-дюймовым кинескопом и сравнительно дорогие телевизоры ТРК-9 и ТРК-12 с 9- и 12-дюймовыми кинескопами, а также проекционный телевизор ТРК-20 с размером изображения 34X46 см. Для телевидения были отведены радиоканалы с полосой частот 6 МГц каждый в диапазонах 44—108 и 156—294 МГц.
214


В 1940 г. в США была разработана система цветного телевидения на 343 строки с поочередной передачей цветовых полей.
К концу 30-х годов в США приобрело большую популярность проведение внестудийных передач с помощью передвижной телевизионной станции (ПТС) на автомобильном шасси.
В середине 1941 г. в США для черно-белого телевидения был принят стандарт на 525 строк, 60 полей (30 кадров) в секунду с чересстрочной разверткой при негативной полярности модуляции радиопередатчика и ширине радиоканала 6 МГц. Несущая частота звукового сопровождения была выше несущей частоты изображения. Звуковое сопровождение производилось с частотной модуляцией.
В Англии в 1936 г. началось телевизионное вещание на 405 строк, и через год был введен стандарт на 405 строк. Радиопередатчик сигналов изображения имел выходную мощность 17 кВт, а звукового сопровождения— 3 кВт. Модуляция была амплитудной. В 1937—1938 гг. английская фирма «Скофони» разработала оригинальную систему большого телевизионного экрана, используя дифракционный ультразвуковой модулятор света [41] .
В Германии электронное телевизионное вещание с разложением изображения на 441 строку началось с 1938 г. Аппаратура телекино фирмы «Телефункен» работала на иконоскопах, в то же время в аппаратуре телекино фирмы «Фернзее» использовался диск Нипкова. В 1939 г. в Германии был разработан так называемый «народный телевизор» для массового выпуска.
Во Франции телевизионное вещание было открыто в 1936 г.; был принят на три года стандарт на 441—455 строк при 25 кадрах в секунду, полярность передачи — позитивная. Была разработана передающая трубка типа эрископ (вариант суцериконоскопа).
В ряде специальных работ [25, 62, 63] содержится обзор схем и конструкций телевизоров в США и странах Западной Европы периода 1936—1938 гг.
В СССР в 1935 г. для регулярного вещания была выбрана система электронного телевидения на 343 строки при 25 кадрах в секунду (формат кадра 4:3) с чересстрочной разверткой, и в 1936 г. началось строительство Московского телевизионного центра (МТЦ) на Шаболовке. 9 марта 1937 г. состоялась первая опытная передача программы из студии.
УКВ радиопередатчик сигналов изображения МТЦ работал на частоте 49,75 МГц и имел пиковую выходную мощность 17 кВт. Сигналы звукового сопровождения передавались на частоте 52 МГц с пиковой мощностью 10 кВт. Оба передатчика имели амплитудную модуляцию. Передающая антенна МТЦ была установлена на башне Шухова, радиус действия составлял 40—60 км. Передачи МТЦ отличались высоким качеством.
В 1939 г. П. Г. Тагер и др. разработали метод съемки на киноленту изображения с экрана кинескопа, положив начало работам по фиксации телевизионных программ.
В 1940 г. советскими специалистами был выработан общесоюзный стандарт на основные параметры телевизионного вещания: число строк 441, полоса видеочастот 4,25 МГц, формат кадра 11:8, ширина радио¬
215


канала 6,0 МГц, несущая частота изображения выше несущей частоты звука, для вещания выделяются три радиоканала [63, 64].
В 1936 г. в СССР была начата разработка аппаратуры на иконоскопе для Опытного ленинградского телецентра (ОЛТЦ). 16 сентября
1937 г. состоялась демонстрация приема изображения на телевизор типа ВРК в Доме техники [65]. Первая передача состоялась 5 июля
1938 г., а в сентябре 1938 г. ОЛТЦ начал регулярные опытные передачи [33]. На ОЛТЦ изображение имело прогрессивную развертку на 240 строк (70 000 элементов) при 25 кадрах в секунду и формате кадра 7:6. Частота кадров была синхронна с электросетью, частота строк — несинхронна. В студии работала одна передающая камера на иконоскопе. Для передачи изображения кинофильмов применялись два телекинопоста с камерами на иконоскопе и оптическим коммутатором и один телеки- нопост по системе Г. В. Брауде с трехэлектродным фотоэлементом [52]. Радиопередатчик ОЛТЦ работал на УКВ (радиостанция РВ-70). Мощность видеосигнала была 3,5 кВт с негативной полярностью модуляции на волне 8 м, постоянная составляющая изображения не передавалась. Звуковое сопровождение проводилось на средних волнах (288,6 м). В 1940 г. на ОЛТЦ был установлен новый телекинопередатчик по системе Г. В. Брауде на 340 строк с прогрессивной разверткой при 25 кадрах в секунду и равномерным движением киноленты, с полосой видеочастот .2 МГц [66, 67].
Важную роль в развитии телевидения в СССР играли работы по созданию телевизионных бытовых приемников. В годы, предшествующие второй мировой войне, удалось создать первые отечественные телевизоры, вполне пригодные для бытовых целей.
В 1937 г. в СССР С. А. Орлов и М. Н. Товбин разработали для приема ОЛТЦ супергетеродинный консольный телевизор с зеркалом на 240 строк с изображением 100X140 мм. Чувствительность его составляла 200 мкВ. В него был встроен радиовещательный приемник СИ-235 для приема звукового сопровождения на средних волнах.
В 1938 г. прием московского телецентра производился на 100 телевизоров типа ТК-1, изготовленных в Ленинграде на заводе им. Козицкого. Кинескоп имел диаметр 23 см, конструкция телевизора — консольного типа с зеркалом, схема — супер гетеродинная. Генераторы развертки работали на блокинг-генераторах.
В 1937 г. в СССР под руководством А. А. Расплетина и В. К. Ке- нигсона был разработан телевизор прямого усиления на 240—441 строку. В него был встроен всеволновый радиоприемник для звукового сопровождения типа 6Н-1. К 1941 г. А. А. Расплетиным были созданы настольные телевизоры 17ТН1 и 17ТНЗ.
К 1939 г. относится разработка в СССР первого узла кабельного телевидения на 30 абонентов, установленного в Москве в жилом доме.
Вторая мировая война приостановила развитие электронного телевидения как средства массовой информации и культуры почти во всех странах. В Европе прекратили работу все телевизионные центры. В этом аспекте телевидение в войне ни использовалось. Но научные и технические достижения телевизионной техники нашли применение и свое развитие в других сферах. Во время войны интенсивно стали разви¬
216


ваться радионавигация и радиолокация, и в этих областях потребовались новые электронные приборы, специальные аппараты для визуального отражения информации. Это были отметчики и индикаторы радиолокационных и радионавигационных станций и систем. Электронно-лучевая осциллографическая трубка и телевизионный кинескоп оказались в достаточно сильной степени развитыми к началу Второй мировой войны. Телевизионные трубки, системы развертки, схемные и конструктивные решения в управлении электронным лучом широко вошли в радиолокационные приборы. Генераторы разверток, системы накопления телевизионного изображения, методы и схемы генерирования мощных и очень коротких импульсов, а также сложившиеся в телевидении методы анализа и расчета этих элементов и широкополосных видеоусилителей составили серьезную научно-техническую базу в новом направлении радиотехники — в импульсной технике. И если годы войны затормозили непосредственное строительство телевизионных центров и развитие телевизионных электронных систем, то прогресс в телевизионной электронике продолжался в других областях радиотехники и электроники. История двух таких радиотехнических областей — радионавигации и радиолокации — будет рассмотрена в следующих главах.
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ИСТОРИЯ РАДИОНАВИГАЦИИ 1
Периоды развития радионавигации
Радионавигация является одним из ранних направлений радиотехники, которое развивалось не для передачи сообщений радиотелеграфом, радиотелефоном или в форме радиовещания, а для решения задач всепогодного вождения кораблей и самолетов. Сложность этих задач определила и особенности радионавигационных устройств. С самых ранних этапов их развития они отличались системностью и комплексностью как в методах решения задач, так и в применявшихся технических средствах.
Современная радионавигация имеет ряд важных целей, среди которых основная состоит в получении на борту объекта (корабля, самолета, ракеты и т. д.) информации о его местоположении и движении, а также в обработке этой информации. Другой не менее важной целью радионавигации является получение такой же информации в пункте управления движением. Еще ряд целей радионавигации определяется передачей команд и служебных данных из пункта управления на борт объекта и с борта на пункт, а также передачей информации о неисправности системы и др. Весь комплекс этих целей и задач складывается в процесс исторического развития радионавигации, причем задачи постепенно изменялись и усложнялись.
Развитие радионавигации происходило в тесной взаимосвязи с другими радиотехническими направлениями. В ней находили широкое применение достижения таких областей радиотехники, как радиопередающие устройства, техника радиоприема, антенно-фидерная техника, знания
1 В написании этой главы принимал участие Г. А. Пахолков.
217


в области распространения радиоволн. В основе радионавигационной аппаратуры лежали электронные приборы (сначала лампы, а затем полупроводниковые приборы и интегральные схемы). В послевоенный период в радионавигационных системах применяются ЭВМ.
В истории радионавигации можно выделить следующие этапы.
С 1897 по 1920 гг.— начальный период, когда были высказаны первые идеи радионавигации и появились отдельные радионавигационные устройства.
С 1920 по 1935 гг.— второй этап, когда были созданы и стали применяться радиомаяки и радиопеленгаторы со слуховой индикацией, работавшие на средних, коротких и ультракоротких волнах. Они обеспечивали средние дальности действия и имели небольшие точности определения координат при вождении и посадке самолетов.
С 1935 по 1945 гг.— третий этап, связанный со значительным повышением точности определения расстояния и увеличением удобств взаимодействия оператора с аппаратурой. Создание и внедрение радиополукомпасов и автоматических радиокомпасов с визуальной индикацией были отличием этого этапа. В это время были созданы первые фазовые системы высокой точности определения координат и коротковолновые импульсные системы с дальностью до 2000 км.
С 1945 по 1965 гг.— четвертый этап. Он отличается многоплановым развитием радионавигации, дальнейшим повышением точности, увеличением дальности действия, начавшимся комплексированием систем.
С 1965 г. по настоящее время — пятый этап, для которого характерны создание глобальных радионавигационных систем, использование для этих целей спутниковых систем, применение новой элементной базы в радиоаппаратуре.
Становление радионавигации
Первые идеи по определению направления распространения радиоволн для ориентации кораблей были высказаны А. С. Поповым. В его докладе, прочитанном в Петербургском электротехническом институте 19 октября 1897 г., было сказано: «История наших опытов... уже теперь позволяет мечтать о дальнейшем развитии этого дела и о практических применениях его в военно-морском и военном деле на суше, а также в помощь маячным световым и звуковым сигналам, так как электромагнитные волны не задерживаются ни туманом, ни бурей» [1, с. 128].
В «Отчете об опытах электрической сигнализации без проводников, произведенных на Минном отряде в кампанию 1897 г., А. С. Попов пишет: «Применение источника электромагнитных волн на маяках в добавление к световому или звуковому сигналу может сделать маяки видимыми в тумане и в бурную погоду: прибор, обнаруживающий волну звуком, может предупредить о близости маяка, а промежутки между звонками дадут возможность различать маяки. Направление маяка может быть приблизительно определено, пользуясь свойством мачт, снастей задерживать электромагнитную волну, так сказать, затенять ее» [1, с. 143].
Важные шаги, подготовившие развитие радионавигации, были сде¬
218


ланы в 1905—1907 гг., когда начались исследования простейших направленных замкнутых рамочных антенн, а также изучение закономерностей распространения радиоволн, и был предложен принцип гониометра (Э. Беллини и А. Този), обеспечивающий пространственное вращение диаграммы направленности неподвижных антенн [2]. В этот период О. Шеллер [3] предложил принцип радиомаяка с равносигнальной зоной, который был реализован значительно позже, и были начаты работы по созданию простейших слуховых радиопеленгаторов (Н. Д. Папалекси). В период 1910—1914 гг. были созданы первые радионавигационные пеленгаторы. К 1914 г. относятся создание под руководством русского инженера И. И. Ренгартена и установка в России радиопеленгаторов [4], которые активно использовались для радиоразведки (пеленгование радиопередатчиков германских кораблей), а также для ориентирования кораблей русского флота.
К концу войны таких радиопеленгаторов было построено в России около десяти. Каждый из них содержал шестнадцать рамочных антенн, к которым поочередно подключался приемник, и по минимуму слышимости определялся пеленг [4]. Вскоре (1915 г.) для этих целей был практически применен гониометр, об изобретении которого рассказано в первой книге настоящего труда [5].
В этот период в России был впервые создан направленный радиомаяк с вращающейся диаграммой направленности, в котором передатчик мощностью 600 Вт на волне 250 м поочередно подключался к шестнадцати рамочным антеннам высотою в 30 м. Используя обычный кор-абель- ный приемник, удалось по минимуму слышимости определять пеленг. Один такой радиомаяк, который в то время был назван радиокомпасом, работал на Балтийском море.
В 1910—1914 гг. в России, Франции, США создаются первые корабельные радиопеленгаторы с поворотными рамками и слуховой индикацией. По берегам морей во Франции и США начинается установка ненаправленных радиомаяков (тогда они назывались радиофарами) для пеленгования с корабля. К 1910 г. в мире насчитывалось около 20 маяков [6]. Это были искровые радиопередатчики, работавшие в диапазоне 200—600 кГц. Они создавали напряженность поля около 50 мкВ/м на расстоянии 85—100 км.
К началу Первой мировой войны сложились основные принципы построения радионавигационных устройств, были созданы и получили применение первые устройства радионавигационного назначения. Однако уровень радиотехники того времени не позволил обеспечить радионавигации столь широкое применение, которое характерно было в то время для радиосвязи. Это объясняется большой сложностью принципов действия радионавигационной аппаратуры, а также меньшей, по сравнению с радиосвязью, остротой проблемы внедрения радионавигации в морской флот. Следует заметить, что в это время авиация лишь появилась, и ее потребности в радионавигации были самыми минимальными.
В период Первой мировой войны существенных изменений в состоянии радионавигации не произошло и заметного влияния на оснащение армий и ведение боевых действий она не оказала. При этом наблюдались лишь частные применения радионавигации.
219


Угловые системы со слуховой индикацией
После Первой мировой войны радионавигации стали уделять больше внимания во многих странах. Этот интерес рос с развитием авиации, особенно сильно проявлялся он в США. Эта страна разбогатела на прошедшей войне и, имея соответствующие ресурсы для развития воздушных и морских сообщений, стала все шире применять радионавигацию.
Для этого периода радионавигации характерно использование волн от 200 до 2000 м и направленных рамочных антенн. В этот период для радионавигации применялись также бортовые корабельные радиопеленгаторы, работающие по береговым ненаправленным радиомаякам, наземные радиопеленгаторы, применявшиеся совместно с бортовыми связными радиопередатчиками, направленные и курсовые радиомаяки. Индикация была слуховой. Было предложено много видов простейших радионавигационных устройств.
После 1918 г. по берегам многих морей и около некоторых аэропортов началась установка наземных радиопеленгаторов. Пеленг выдавался по запросу экипажа корабля (самолета). Запрос проводился по международному коду через радиопередатчик связи. После обработки двух пеленгов бортового передатчика результат передавался на борт. Специального оборудования на борту не было, и процедура определения координат занимала не менее 1,5—2 мин. Работа велась на средних волнах (частоты 100—545 кГц). Первое время корабельные передатчики были искровыми, мощностью 0,5—10 кВт. Дальность действия доходила до 600 км. Точность пеленга была невысокая, порядка 2—3°. Она зависела от угла молчания (пеленгование по минимуму), который доходил до 10°.
Позже, когда началось освоение ламповых генераторов, появились самолетные передатчики радиосвязи. Их мощность составляла от 10 до 70 Вт, дальность пеленгования была 300 км и угол молчания составлял 5—10° [7, 8].
Важнейшим ограничением для таких пеленгаторов был «ночной эффект», когда ночью из-за наличия значительной по интенсивности отраженной волны проявлялись поляризационные искажения диаграммы направленности рамочных антенн. Ночью точность резко ухудшалась при дальностях над сушей более 50 км и над морем 150 км.
Для борьбы с этим явлением в 20-х годах стали применяться антенны типа «эдкок» [9]. Теорией этих антенн и их внедрением в СССР успешно занимался В. В. Ширков [10]. Переход на антенны типа «эдкок» позволил практически исключить ночной эффект, получить точность 2—3° при напряжении поля 10 мкВ/м и 10° при 1 мкВ/м на расстояниях до 300 км. Это достижение было логическим завершением основных работ по наземным слуховым пеленгаторам [11, 12]. Однако ни в СССР, ни за рубежом наземные радиопеленгаторы все же не получили значительного применения в радионавигации. Это объяснялось достигнутым к 1935 г. значительными усовершенствованиями в конструировании РЭА и появлением перспектив создания надежных малогабаритных бортовых радиопеленгаторов со значительно большими возможностями. Наземные радиопеленгаторы не утратили своего значения, так как на
220


их основе происходило в последующем развитие радионавигационной разведки и систем опознавания самолетов в районе аэропорта.
Бортовые радиопеленгаторы позволили оперативно, с малой затратой времени проводить определения места по сигналам простых ненаправленных радиомаяков — радиопередатчиков мощностью 200 Вт и больше [6, 13]. Вместе с этим выявилось важное явление, снижающее точность пеленгации — радиодевиация. Она возникала из-за переизлучения электромагнитных волн корпусами корабля или самолета. Смещение пеленга за счет радиодевиации достигало 15—20°. Учет же радиодевиации уменьшил погрешность до 1—2°. Природа радиодевиации, возможности ее компенсации были исследованы в работах А. И. Берга [14], М. Е. Старика, И. С. Кукеса [12].
В 30-х годах нашли применение корабельные слуховые радиопеленгаторы с индикацией по минимуму слышимости. Значительно сложгее оказалась проблема применения слуховых радиопеленгаторов на самолетах. Первые приборы были слишком громоздки, для их размещения требовалось много места. Поворот рамки осуществлялся вручную штурвалом, для работы на радиопеленгаторе необходимо было управлять многими ручками. Так например, немецкий самолетный радиопеленгатор фирмы «Телефункен» содержал 10 ручек управления, и поворотная рамка на 1,5-м колонке имела диаметр 80 см [12]. Конечно, такие радиопеленгаторы не могли получить в авиации широкого применения. Несколько лучшие характеристики были у французского пеленгатора CSF. Нахождению положения рамки, при котором слышимость падала до минимума, на самолете сильно мешали акустические шумы от двигателя и микрофонный эффект — модуляция принимаемого радиосигнала от вибраций электронных ламп и переменных конденсаторов.
Пеленгование по максимуму в бортовых слуховых радиопеленгаторах не применялось из-за низкой точности при использовании рамочных антенн. Попытка фирмы «Маркони» внедрить корабельный слуховой радиопеленгатор с пеленгованием по максимуму окончилась неудачно [12].
В этот период был создан радиопеленгатор, работавший по принципу сравнения интенсивности сигналов, принятых на антенну с двумя переключающимися диаграммами направленности [13]. Этот пеленгатор назывался «радиокомпас Робинсона» (рис. 67). В начале прием проводился на рамку P1, которая настраивалась на частоту сигнала конденсатором Сн, образующим контур с индуктивностью рамки Lpi и катушкой компенсации LK. Поворотом рамок Р1 и Р2 добивались максимума слышимости. Затем переключателем П1 вместо катушки LK подключалась рамка Р2, перпендикулярная Р1, и при вращении рамок производилось сравнение интенсивности приема в двух положениях переключателя П2. При положении рамок, когда интенсивность не изменялась, отсчитывался пеленг. Поскольку интенсивность приема на рамки P1 и Р2 значительно изменялась при отклонении от равносигнального направления и не было таких сильных помех, как при приеме по минимуму, удалось повысить точность до 1—2°. Однако эта разработка не решила задачу создания бортовых пеленгаторов, пригодных для широкого внедрения, так как пеленгатор оставался громоздким и сложшм в управле-
221


Рис. 67. Схема радиокомпаса Робинзона
нии. Использованный в нем принцип пеленгования сравнением привел впоследствии к созданию автоматических радиокомпасов.
Стремление определять координаты непосредственно на борту, при простейшей аппаратуре на корабле или самолете (обычный средневолновый приемник) привело к работам по направленным радиомаякам.
В СССР они начались с 1918 г. в Петроградском политехническом институте при участии В. И. Баженова. В период 1913—1921 гг. по этому вопросу появились первые публикации [15], а в 1935 г. вышла монография по радиомаякам [6]. Эта работа по глубине содержания заметно превосходила все опубликованное к тому времени за рубежом.
Действовавшие длительное время советские направленные радиомаяки были разработаны под руководством В. П. Щекина и вступили в эксплуатацию в 1934 г., один на мысе Херсонес и два в Арктике [16]. Схема и конструкция маяков были удачными и простыми. В них использовался принцип медленно вращающейся диаграммы направленности, обеспечивающий в диапазоне волн 800—1000 м дальность над морем до 350 км при точности порядка 1 —1,5°. Мощность передатчика была 1 кВт, пеленгование велось по минимуму слышимости, цикл составлял 5 мин при частоте вращения 1 об/мин. Отсчет пеленга производился во времени, с помощью секундомера, от момента приема «северного» сигнала (т. е. сигнала при направлении минимума диаграммы направленности на север) до момента минимальной интенсивности приема.
Для того, чтобы не пользоваться секундомером, В. И. Баженов предложил при разных положениях диаграммы направленности передавать кодом Морзе разные буквы. Пеленг определялся по той букве, которая была слышна наименее различимо. Два таких маяка были установлены в Арктике, однако ими пользоваться было сложнее, чем маяками В. П. Щекина.
В 1921 г. началось проектирование английских маяков, основанных на таком же принципе действия. В период 1924—1932 гг. в Англии были введены в эксплуатацию четыре маяка [6].
В основном маяки с рамочными антеннами использовались в кораблевождении для определения местоположения всех судов, на которых имелся обычный приемник. В авиации они не применялись из-за мешающего действия шума двигателя, быстрого движения самолета (для
222


Рис. 68. Образование равносигнальных зон в четырехкурсовом радиомаяке
а — образование равносигнальных зон, б — наложение знаков «а» и «н» азбуки Морзе
определения координат требовалось несколько минут) и большего влияния ночного эффекта над сушей.
Недостатки слуховой индикации привели к поиску методов визуальной индикации пеленга, и начиная с 1932 г. предлагались различные устройства, основанные на быстром вращении диаграммы направленности радиомаяка. Однако такие радиомаяки получили применение только с 1955 г. В этот период же в СССР и за рубежом были созданы маячно-дальномерные системы на УКВ (например, VOR—DME).
Радиомаяки, широко применявшиеся в период до 1930—1935 гг., относились к типу курсовых (створных, равносигнальных). Принцип их действия можно пояснить на примере наиболее распространенного тогда четырехкурсового радиомаяка с двумя антеннами, имеющими диаграммы направленности в виде «восьмерки» (рис. 68).
Диаграммами направленности ДН\ и ДН2 образованы равносигнальные зоны в направлениях I, II, III и IV {РС\—РС4) (см. рис. 68,а). В этих зонах интенсивность сигналов от двух антенн одинакова и если переключать передатчик поочередно к диаграммам ДН\ и ДН2, слышимость не будет изменяться. При отклонении от направлений I, И, III и IV слышимость сигналов будет различной. Если управлять самолетом так, чтобы слышимость была одинаковой, то движение будет происходить по прямолинейным маршрутам, проходящим через маяк в направлениях I, II, III и IV.
В курсовых маяках со слуховой индикацией наибольшее практическое применение получил более удобный метод «переплетающихся» сигналов (азбуки Морзе). Для этого при переключении диаграмм направленности антенн употреблялось такое сочетание разных кодовых комбинаций, которые при наложении сливались в непрерывный сигнал. Наиболее удобным оказалось сочетание букв «а» и «н» азбуки Морзе (см. рис. 68,6).
Реальные работы по созданию курсовых авиационных радиомаяков и введению их в эксплуатацию начались с 1922 г. [6], так как вопрос
223


о 	регулярном движении воздушного транспорта встал остро только к началу 20-х годов. В первую очередь такие работы велись в США, а затем в СССР и других странах.
Начиная с 1927 г. работы по курсовым радиомаякам и маякам с вращающейся диаграммой проводились на основе уже имевшегося опыта по устранению ночного эффекта в радиопеленгаторах с антеннами типа «эдкок». Была применена модификация антенн «эдкок», получившая название 7Т-антенны.
Курсовые радиомаяки с 7Х-антеннами давали возможность летать днем и ночью на расстоянии до 200—300 км, причем использовался обычный бортовой радиоприемник. В 30-х годах они получают широкое применение в ряде стран. Так например, если в США в 1922 г. имелось всего два маяка, то к 1932 г. их было уже 58, а к 1935 г. их число превысило сотню. К 1934 г. в СССР десятью курсовыми радиосигнальными маяками были оборудованы авиационные трассы Москва—Свердловск и Москва—Ленинград. Основной недостаток этих маяков состоял в том, что летчик длительное время должен был на фоне шумов напряженно вслушиваться, чтобы различить звучание сигналов «а» и «н».
Курсовые и направленные радиомаяки средней дальности, несмотря на имевшиеся недостатки, позволили внедрять радионавигацию в практику самолетовождения и кораблевождения, а принципы, лежащие в основе их работы, были использованы для целей слепого (или инструментального) захода на посадку.
Применение радионавигации при заходе на посадку сулило качественное изменение ситуации, позволяло приблизиться к комплексному решению задачи самолетовождения с использованием радиосредств.
Первые идеи по применению радиосредств для слепой посадки относятся к 1926 г. [8], однако реально системы были созданы позже, примерно в 1932 г.
При слепой посадке нужно было выполнить ряд требований, определяемых техникой посадки. Во-первых, надо, чтобы самолет проходил над серединой взлетно-посадочной полосы. Для этого было предложено использовать курсовые радиомаяки с «переплетающимися» сигналами. Во-вторых, следовало определять расстояние до полосы. Для этого стали применять маркерные маломощные (около 5 Вт) радиомаяки с веерной диаграммой направленности, направленной вверх. Они позволяли вместо непрерывного измерения дальности контролировать прохождение двух точек (около 3000 и 300 м от начала полосы). В-третьих, требовалось вслепую постепенно снижать самолет, начиная с удаления от полосы на 3000 м до высоты около 20 м к ее началу. При нормальной видимости Земли все это осуществлялось визуально. Наибольшие трудности были связаны со снижением. В первых системах не удалось решить все эти задачи с использованием радиотехнических средств.
Из систем, разработанных в Европе, получили применение только маяки фирмы «Лоренц». Аналогичная система «Ночь 1» была разработана в СССР (И. М. Векслин). В системе «Лоренц» курсовой маяк имел одну равносигнальную зону, создаваемую вертикальным диполем с боковыми рефлекторами. На волне 9 м излучались «переплетающиеся» сигналы с тональной модуляцией на частоте 1150 Гц [17].
224


В США в этот период была создана система, содержащая примерно те же элементы, что и система «Лоренц», но отработанная существенно хуже. В ней была сделана попытка реализовать при помощи радиотехнических средств контроль за снижением самолета по траектории неизменной мощности сигнала. При этом на точность положения самолета неизбежно влияли мощность излучения передатчика, точность настройки и стабильность передатчика и приемника, состояние поверхности Земли и т. п. Несмотря на рекламу, эта система не нашла применения.
Угловые системы с визуальной индикацией
и автоматические радиокомпасы
На предыдущем этапе радионавигации примерно к 1930— 1935 гг. определились принципы действия, выявились потенциальные возможности и практические трудности радионавигации, стали ясны недостатки и ограничения используемых методов слуховой индикации. Расширение круга задач, стоящих перед авиацией и морским флотом, потребовало коренных улучшений в радионавигационной технике.
К этому времени появились и определенные успехи в развитии элементной базы. Были разработаны малогабаритные и надежные лампы, высокочастотные магнитные сердечники, появились пленочные резисторы, компактные бумажные и слюдяные конденсаторы, малогабаритные соединители. Все это позволяло создавать более совершенную и удобную аппаратуру, пригодную для использования в авиации.
30-е годы составили определенный этап в радионавигации, связанный с применением систем с визуальными индикаторами и аналитическими указателями пеленга. Эти радиопеленгаторы обладали значительно большей помехоустойчивостью, чем слуховые, и позволяли решить проблему уменьшения размеров и аэродинамического сопротивления самолетных навигационных антенн. Важность этой проблемы возрастала по мере увеличения скорости самолетов [И].
Один из первых успешных шагов в развитии визуальной индикации состоял в применении радиоуказателей курса, отчасти напоминавших по идее магнитные компасы. Это были так называемые индикаторы типа «лево— нуль— право». Они позволяли с борта определять направление на наземный радиомаяк, при этом угол отсчитывался по лимбу рамочной антенны с кардиоидной диаграммой направленности. Об отклонении от курса можно было судить с помощью стрелочного электромагнитного прибора типа логометра. Направление на маяк соответствовало показанию «нуль» прибора. Отклонение в сторону прибор отмечал показаниями «лево» и «право». Система была удобной для привода самолетов на аэродром, где имелся специальный передатчик, который в дальнейшем стали называть приводной аэродромной радиостанцией (ПАР). Бортовые же приводные радионавигационные системы получили название радиополукомпасов (РПК).
Система типового радиополукомпаса показана на рис. 69. Принцип действия его состоял в следующем [11, 12, 18]. При повороте антенны
8 Зак. 1249
225


Рис. 69. Принцип действия радиополукомпаса РПК
1 — поворотная рамочная антенна, 2 — ненаправленная антенна, 3 — балансный модулятор, 4— звуковой генератор, 5 — сумматор сигналов от антенн 1 и 2, 6 — приемник, 7 — индикатор «лево— нуль—право», 8 — пружины, 9 — подвижная катушка со стрелкой, 10 — неподвижная катушка, 11 — шкала отсчета пеленгов, 12 — рукоятка вращения шкалы и антенны, 13 — гибкий вал, 14 — механизм поворота, 15 — переключатель диапазонов
в положение, когда принимаемый радиосигнал попадал в минимум диаграммы направленности рамки, У, напряжение на выходе балансного модулятора 3 периодически изменяло фазу на л и, складываясь с сигналом, принятым ненаправленной антенной 2, модулировало этот сигнал с частотой Q. После детектирования в супергетеродине 6 напряжение с частотой Q подавалось на подвижную обмотку 9, соединенную со стрелкой индикатора. На неподвижную обмотку 10 от звукового генератора 4 подавалось напряжение той же частоты. В результате взаимодействия магнитных полей подвижной и неподвижной обмоток стрелка отклонялась от нуля влево или вправо. Оператор начинал вращать рамку до тех пор, пока она не оказывалась в положении, соответствующем нулю приема сигнала пеленгуемого передатчика, и стрелка устанавливалась в положение «нуль». В этом положении по шкале поворота рамки отсчитывался пеленг. Такой индикатор оказался удобным для использования в бортовой аппаратуре. Летчик, удерживая стрелку около положения «нуль», мог направить самолет на приводную радиостанцию, расположенную вблизи аэродрома [11, 19]. Высокая помехоустойчивость радиополукомпасов определялась тем, что подвижная система индикатора демпфирована. Она не имела возможности совершать быстрые движения, и поступившие с приемника помехи вместе с полезным сигналом частоты Q воздействовали на стрелку в очень узкой полосе (около 1- 2 Гц).
Тем самым в визуальном индикаторе радиополукомпаса впервые были реализованы «инерционная» избирательность и принцип накопления с узкой полосой пропускания. Это позволило резко сократить размеры рамочной антенны (до 15— 25 см в диаметре) и ненаправленной штыревой антенны (до высоты 50—70 см); эти размеры были вполне приемлемы для самолетов предвоенного периода.
226


С появлением радиополукомпасов направление развития радионавигации существенно изменилось. Четырехкурсовые средневолновые радиомаяки из-за сложности введения визуальной индикации стали быстро терять свое значение. В СССР и за рубежом прекратилась установка таких маяков, наблюдалось сокращение их количества. Только в США, где было построено и введено в действие много сотен таких маяков, они эксплуатировались примерно до середины 50-х годов.
В предвоенный период (до 1941 г.) был опубликован ряд работ по теории радиополукомпасов [12,20] и их применений [19]. В последующем была создана полная теория, методы проектирования и использования радиополукомпасов [11, 21]. Проектирование и внедрение их в эксплуатацию активно проводилось начиная с 1934 г. В Германии (фирма «Теле- функен») был создан радиополукомпас «Циэльфлюггерет», в котором использовались электромеханический модулятор (коммутатор) и рамочная антенна, но прибор был ненадежен. Электромеханический коммутатор был установлен в цепи ненаправленной антенны и при малейшем нарушении регулировки, изменении температуры и т. п. создавал большие дополнительные помехи. Приборы американских фирм «Файрчайлд», «Лейер», «Бендикс» имели электронный модулятор, дистанционное управление рамкой и приемником с применением гибких валов.
Одновременно был разработан и широко использовался отечественный радиополукомпас РПК-2 («Чайка») с электронной коммутацией. Он имел дистанционное управление, компактную рамку в обтекателе (диаметром около 25 см). Его характеристики были на уровне лучших иностранных типов того времени [18].
В предвоенный период мировая радионавигация развивалась при возрастании роли радиополукомпасов, по мере совершенствования военной авиации. Создавались самолеты различного тактического назначения: истребители, штурмовики, легкие и дальние бомбардировщики. Необходимо было обеспечить их всепогодность и уверенный возврат на аэродром. В СССР по военно-тактическим соображениям большое значение имели самолеты с малочисленными экипажами (истребители и т. п.). В этих условиях обычные радиополукомпасы оказывались чрезмерно сложными в технической эксплуатации, трудоемкими в изготовлении. Они требовали значительного места при размещении на самолете. Вместе с тем малочисленный экипаж был не в состоянии использовать все возможности РПК. Он практически не в состоянии был выполнить пеленгование более двух—трех передатчиков, одновременную прокладку пеленгов и определение места. В боевых же условиях радионавигационные средства следовало использовать в первую очередь для возврата самолета на аэродром.
Это было правильно оценено конструкторами и военно-техническими специалистами. Так например, в СССР в очень короткие сроки была проведена разработка радиополукомпаса с неподвижной рамкой РПК-10 («Чаенок») (Е. Н. Геништа, В. Б. Пестряков и др.). Радиополукомпас РПК-10 мог устанавливаться на всех самолетах, пользование им отличалось простотой [И]. Однако он не позволял решать задачу посадки при плохой видимости Земли.
Особо остро встала задача посадки к началу войны. Исследования
8*
227


и опыт показали, что примерно в 90% случаев плохой видимости Земли в средней полосе кромка облаков не опускалась ниже 100—200 м. При этом для безопасной посадки важно было вывести самолет в начало посадочной полосы на высоту около 25 м в направлении ее оси. Дальнейшие действия осуществлялись путем визуальной ориентировки. Такую задачу могли решать системы слепого захода на посадку (например, «Лоренц» и «Ночь-1»), упомянутые ранее, но они требовали установки на борту и на аэродроме специального оборудования. Советские специалисты предложили усовершенствовать радиополукомпас РПК-10 и использовать две приводные радиостанции. В основу этих предложений было положено использование явления «переброса пеленга» при пролете над приводной радиостанцией для фиксации момента пролета. При этом приводные радиостанции выполняли функции маркерных радиомаяков. Теоретические и экспериментальные исследования, проведенные в 1940— 1941 гг., результаты которых были опубликованы позже, показали, что для точной отметки момента пролета ненаправленную антенну необходимо размещать в центре тяжести фюзеляжа (из-за искажений электромагнитного поля корпусом самолета). Приборы, регистрирующие пролет самолета над приводной радиостанцией, получили название радиоотметчиков.
Радиоотметчики, совмещенные с радиополукомпасом типа РПКО-10, широко применялись в СССР с 1942 г. Они обеспечивали простое размещение на самолетах и обладали удобными эксплуатационными качествами. Эта система не имела аналогов за рубежом.
В Германии в период войны также ориентировались на применение радиополукомпасов, однако там не удалось создать радиоотметчик, и, таким образом, не обеспечивалась слепая посадка. По трудоемкости изготовления, большой массе и другим характеристикам немецкие аппараты существенно уступали советским. Развитие радионавигации в США и Англии пошло по пути создания систем для океанской навигации.
Благодаря созданию радиополукомпаса РПКО-10 авиация СССР получила радионавигационную систему, обеспечивающую ориентировку в полете и заход на посадку при отсутствии видимости Земли. Эта система сыграла определяющую роль и оказалась основной в Великой Отечественной войне. Незначительная трудоемкость и простота изготовления позволили полностью обеспечить ею потребности авиации.
В период войны в связи с появлением реактивных скоростных самолетов в более острой форме проявились ограничения, свойственные используемым в то время РПК и РПКО: значительное аэродинамическое сопротивление антенны, необходимость управления ручками приборов и т. д.
По изложенным причинам в период войны стали проводиться работы по созданию внутрифюзеляжных антенн и автоматических радиокомпасов [22].
Первые автоматические радиокомпасы появились примерно к 1938 г. Так например, в одном из первых таких приборов типа R-5 фирмы «Стандарт телефон» рамка вращалась со скоростью 5 об/с, и принятый радиосигнал приводной радиостанции был промодулирован частотой 5 Гц. Фаза модуляции зависела от направления прихода радиоволны.
228


Детектированный сигнал подавался на фазометрический индикатор. Однако такой прибор оказался значительно более сложным, чем радиополукомпас, так как в нем имелся механизм вращения рамки; система индикации была мало устойчива к помехам. Сколько-нибудь значительного применения прибор R-5 не получил.
В США в 1942 г. фирмой «Бендикс» был создан автоматический радиокомпас с наружной рамочной антенной, устанавливавшийся во время войны на многих американских самолетах. В нем использовался принцип следящей системы. Входная часть была подобна радиополукомпасу, отклонение рамки от положения пеленга вызывало модуляцию сигнала с частотой звукового генератора, управлявшего балансным модулятором. Продетектированное напряжение подавалось после усиления на фазочувствительную двухканальную систему с тиратронными реле. От балансной схемы питался асинхронный двигатель привода рамки.
Последующие исследования показали, что сам принцип следящего привода перспективен [11]. Он обеспечивал высокую помехоустойчивость. Однако техническое его осуществление в приборе фирмы «Бендикс» не было удачным. Помехи от тиратрона приводили к ошибочным срабатываниям привода рамки, и она беспорядочно колебалась вокруг положения пеленга. Модель фирмы «Бендикс» вскоре была снята с эксплуатации.
Развитие радионавигации в дальнейшем пошло по пути создания помехоустойчивых фазочувствительных систем следящего управления на основе двухтактного синхронного детектора, эффективного в условиях помех. При этом обеспечивалась очень узкая полоса частотной селекции за счет инерционных свойств подвижной демпфированной рамки, что позволило применить внутрифюзеляжные антенны.
Важным преимуществом автоматического радиокомпаса со следящей системой являлось то, что он не намного сложнее, чем радиополукомпас.
Начало работ по созданию автоматических радиокомпасов в СССР относится к 1940 г. Автоматический радиокомпас АРК-5 с внутрифюзе- ляжной рамкой, основанный на указанном принципе действия, был разработан в 1944—1946 гг. (В. Б. Пестряков) и получил широкое применение. К 1947 г. он был освоен в производстве и внедрен в эксплуатацию.
Структурная схема автоматического радиокомпаса АРК-5 приведена на рис. 70 [11, 21].
Создание радиокомпаса АРК-5, использовавшегося длительное время, имело и важное техническое значение: в нем была впервые реализована помехоустойчивая узкополосная следящая система, принцип которой достаточно распространен в наши дни [21]. Принцип действия АРК-5 использовался также в американских и английских системах. Теоретические основы автоматических радиокомпасов были разработаны в СССР в 1951- 1955 г. [11, 21].
Начиная с 1953 г. в СССР создается ряд автоматических радиокомпасов и автоматических пеленгаторов с применением следящего привода. Они совершенствуются до настоящего времени, в основном за счет использования новой элементной базы.
Большое значение для их развития имела разработка в СССР (1955 г.)
229


Рис. 70. Структурная схема автоматического радиокомпаса АРК-5
1 — внутрифюзеляжная рамка, 2— ненаправленная антенна, 3 — приемник, 4 — звуковой генератор, 5 — синхронный детектор, 6 — усилитель, 7 — сетевой трансформатор, 8 — асинхронный двигатель, 9 — механизм поворота
радиокомпасов с комплексным применением транзисторов. Это был первый в мировой практике опыт комплексного применения транзисторов в бортовой радиоаппаратуре [23], который позволил в несколько раз уменьшить массу и объем аппаратуры, значительно облегчить тепловой режим и увеличить надежность при сохранении тактико-технических характеристик по точности, дальность и т. п. Важность этого шага определялась тем, что к 1955 г. радиосистемы стали значительно сложнее. Переход на транзисторы ознаменовал новое, второе поколение радиоаппаратуры, и в самолетных приборах был сделан первый шаг в решении проблемы миниатюризации.
Важным преимуществом автоматических радиокомпасов явилось то, что с их использованием удалось получить очень наглядную отметку пролета над приводной радиостанцией. При движении над ней стрелка компаса находилась около нуля. Ее колебания количественно отображали отклонению самолета от курса на радиостанцию. При полете над ней стрелка сильно отклонялась. Летчик переключал настройку компаса на частоту другой ближней приводной станции, и стрелка вновь возвращалась к нулю. Продолжая движение, снижая самолет и удерживая стрелку около нуля, летчик выводил самолет к ближней приводной станции.
Появление фазовых методов
определения координат
Как в самолетовождении, так и в кораблевождении всегда существовала необходимость определения координат с высокой точностью. Особенно это нужно было во время Второй мировой войны, например при проводке кораблей в опасных районах и по протраленным узким проходам в минных полях.
Но впервые остро встала задача определения координат кораблей
230


с высокой точностью при освоении в 30-х годах в СССР Северного Морского Пути. Потом эта задача решалась для точного определения координат на поверхности Земли для геодезических, гидрографических и картографических работ. К 1930 г. стало ясно, что использовавшиеся в то время угломерные системы с малонаправленными антеннами имели по точности принципиальные ограничения, вызванные рядом непреодолимых факторов, связанных с особенностями распространения радиоволн (радиодевиация, отражения и переизлучения от зданий, предметов и элементов рельефа местности), а также тем, что при определенной угловой ошибке линейная ошибка увеличивалась пропорционально дальности.
Угломерные средневолновые системы повышенной точности, например немецкая «Зонне», а также разработанная на ее основе английская система «Консол» (40-е годы), позволили уменьшить угловые ошибки до 0,3° при дальности до 1500 км. Система «Зонне—Консол» имела маяк с вращающейся многолепестковой веерной диаграммой. В ней велся прием на слух. Такие системы не давали кардинального решения проблемы точного определения координат и просуществовали короткое время (до 50-х годов).
Значительно более перспективным оказалось использование фазовых принципов, основанных на измерениях разностей фаз радиоволн, принятых от нескольких радиопередатчиков, положение которых на местности точно известно. Принципиальные преимущества таких систем для точных определений координат за пределами прямой видимости были правильно оценены советскими учеными, академиками Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси [24], которые с 1930 г. начали проводить исследования, закончившиеся созданием, при участии Г. Я. Щеголева, системы МПЩ для высокоточной морской радионавигации.
Система на 10 лет опередила зарубежные. При дальностях действия до 100—200 км система МПЩ обладала погрешностью 10—20 м, или 0,01% от дальности, что соответствует эквивалентной угловой ошибке 0,01—0,02°. Результаты этих исследований были опубликованы еще до войны [25, 26].
Принципы измерения разности фаз были положены в основу фазовой системы «Декка», разработанной в начале войны в Англии [27].
В зарубежных работах по истории радионавигации [28, 29] приоритет ошибочно приписывался только Англии, советские работы игнорировались.
Основное свойство фазовых систем состояло в том, что они позволили осуществить измерения расстояний, разности расстояний и углов с точностью намного более высокой, чем в системах других типов [30]. Информация о дальности при фазовом методе содержалась в сдвиге фаз, который увеличивался при распространении радиоволн.
Измерение сдвига фаз можно было сравнительно просто осуществлять с погрешностью около 5—10°. Ошибка в измерении расстояния составила 0,012—0,025 длины волны. При указанной погрешности определения разности фаз ошибка (в радианах) в измерении направления была в пределах 0,01—0,02 от отношения длины волны к расстоянию.
В амплитудных пеленгаторах ошибки в основном зависели от ширины диаграммы направленности. Погрешность амплитудных пеленгаторов
231


при антеннах много больших, чем длина волны, составляла (в радианах) 0,03 от отношения длины волны к раскрыву антенны. В фазовых же пеленгаторах разнос между независимо работающими простыми ненаправленными антеннами можно сделать большим без значительного увеличения стоимости и тем самым увеличить точность определения координат. В то же время увеличение размеров направленных антенн в амплитудных пеленгаторах связано со значительными техническими трудностями, и их стоимость пропорциональна квадрату размеров Однако практически трудно получить амплитудную погрешность менее 6 -10“4 рад. В фазовом пеленгаторе при отношении разноса антенн к длине волны более 1000 ошибка составляла (1-ь2)*10-5 рад, т. е. много меньше, чем в амплитудных пеленгаторах.
Основное применение системы с измерением разности фаз получили в варианте с двумя передатчиками. Здесь измерялась разность фаз сигналов, приходивших от этих передатчиков, и на основании этого определялась разность расстояний от объекта до передатчиков. Такие системы иногда назывались гиперболическими, так как точки на местности, в которых разность расстояний была постоянна и соответствовала измеренной, образовывали гиперболу. Обычно использовались три передатчика, «ведущий» и два «ведомых», координаты которых известны, и по пересечению двух гипербол находили координаты объекта.
Основные преимущества разностно-дальномерных систем состояли в том, что мощные передатчики и громоздкие антенны, обеспечивавшие большие дальности действия, располагались на земле, а на борту устанавливалось только приемо-индикаторное устройство; кроме того, определять свои координаты могло неограниченное количество кораблей или самолетов. Погрешности в измерении разности расстояний невелики на территории, размеры которой тем значительнее, чем больше расстояния между ведущей и ведомыми радиостанциями.
Получение высоких точностей в фазовых системах было связано с необходимостью решения двух проблем: создания возможности измерения сдвигов фаз у сигналов, приходящих от разных передатчиков, и устранения многозначности.
Фазовые системы были впервые предложены в 1932 г. Л. И. Мандельштамом и Н. Д. Папалекси. Они использовали частоты радиопередатчиков, находящихся в дробно-рациональном отношении. При этом сигналы не препятствовали приему друг друга, а переход к общей частоте, на которой производилось измерение разности фаз сигналов, принимаемых от пары радиопередатчиков, достигался умножением частот на разные дробно-рациональные коэффициенты.
На этом же принципе основывалась система «Декка» (Англия). Однако при простой аппаратуре подобные системы были многозначными. Этот недостаток в системе «Декка» не удалось устранить до конца войны. Поэтому при ее использовании на флоте определялось точно начальное положение корабля, а затем при его движении считалось количество полных циклов изменения фаз на 2я и измерялся сдвиг фаз в пределах от 0 до 2я (метод радиолага). Очевидно, что это определяющим образом ограничивало возможности и применение фазовых систем в радионавигации [27, 31]. Поэтому в развитии фа-
232


Мандельштам Леонид Исаакович Папалекси Николай Дмитриевич
(1879- 1944) (1880- 1947)
зовых систем к 1945— 1950 гг. определилась основная проблема — устранение многозначности. В ее решении наметились два основных направления.
Первое направление было связано с сохранением принципа действия, основанного на дробно-рациональном отношении частот, но с использованием кратковременной работы передатчиков (Англия, модифицированная система «Декка»). Это хотя и позволило устранить многозначность, но значительно усложнило наземную и бортовую аппаратуру, а также процедуру получения однозначного отсчета разности расстояний [27, 31, 32].
Второе направление было основано на фазоимпульсном принципе, при котором все три станции для точного отсчета разности расстояний получали последовательно импульсные сигналы на одной частоте в разные интервалы времени цикла, а в паузах производилось излучение импульсных сигналов на других частотах, тоже одинаковых для всех трех станций. Таким образом определялись значения разностей от разности фаз, полученных на двух частотах, и затем получались отсчеты разности расстояний. И хотя достигались меньшие точности, зона однозначности расширялась [30].
Фазоимпульсные системы впервые стали разрабатываться в СССР начиная с 50-х годов как продолжение работ по фазовым системам, начатых еще в 1932 г. [30]. Была создана и в начале 60-х годов внедрена в эксплуатацию радионавигационная длинноволновая фазоимпульсная система высокой точности РСВТ-1 (В. Б. Пестряков, И. Е. Кинкулькин). Наземные станции этой системы размещались на
233


берегах морей и океанов, омывающих СССР, а бортовой аппаратурой были оборудованы многие корабли.
Фазоимпульсные системы получили значительное применение и в СССР, и за рубежом. Они использовались, например, в системах гидрографических (СССР), геодезических (Англия), а также в системах сверхдальней радионавигации (дальности до 10 000 км), работающих на частотах 8—20 кГц (например, система «Омега», США) [32, 33].
В последующем в США и в СССР были созданы системы дальней радионавигации, в которых точность в дневных и ночных условиях была одинакова [28, 34].
В сравнении с методом дробно-рациональных частот фазоимпульсный принцип позволил более эффективно устранить многозначность, дал большую точность измерения. Кроме того, помехоустойчивость получилась выше, а частотный диапазон использовался лучше.
Импульсные разностно-дальномерные
системы
Проблема радионавигационного обеспечения в океанах, остро проявившаяся в период Второй мировой войны, заставила искать новые принципы действия радионавигационных систем, так как ни радиополукомпасы, ни автоматические компасы, ни фазовые, ни фазоимпульсные длинноволновые системы не могли служить основой для ее решения.
К середине войны получила развитие импульсная радиолокация, а также импульсные УКВ системы наведения самолетов для бомбометания (системы «Гобой», «Ребекка—Эврика», «Шоран», «Джи-и» [35—37] ). В радионавигации также стали применять импульсные методы.
Особый интерес в этом отношении представляла система «Джи-и» (ЛЕЕ), созданная в Англии в начале войны. В этой системе был использован принцип измерения разности расстояний. В ней три наземных радиопередатчика согласованно излучали короткие импульсные сигналы. На самолет эти сигналы приходили в разное время. Измерения задержек сигналов в самолетном приемнике позволяли найти разности расстояний. Принцип действия системы «Джи-и», основанный на импульсном измерении разности расстояний, давал возможность создания систем с большими дальностями действия. В разностно-дальномерных системах передатчики и антенны, обеспечивающие нужную дальность действия, располагались на Земле, а на борту имелось только приемоиндикаторное устройство небольшой массы и малых габаритных размеров. На основе системы «Джи-и» во время войны в США была разработана импульсная разностно-дальномерная система «Лоран А» для морской навигации, работавшая на частотах около 1,5 МГц [34, 38, 39].
В системе «Лоран А» мощные 100-кВт передатчики размещались в пунктах, координаты которых были известны с высокой точностью. Передатчики устанавливались на расстоянии до 600 км друг от друга (в некоторых вариантах — до 2000 км) и работали согласованно в группе, обычно состоящей из трех станций — центральной (ведущей) и двух боковых (ведомых).
Ведущая станция периодически, с частотой около 30 Гц излучала
234


импульсный сигнал длительностью 40 мкс, который принимался ведомыми станциями и на корабле. После каждого принятого от ведущей станции импульса ведомые станции излучали аналогичные импульсные сигналы с точно известной задержкой.
На корабле сигналы от трех радиопередатчиков принимались с разным запаздыванием из-за разного проходимого ими расстояния. Измерение разности запаздывания при известном расстоянии между ведущей и ведомыми станциями позволяло найти две разности расстояний. Так как линии равной разности расстояний, как известно, являются гиперболами, то точка пересечения двух таких кривых, построенных на карте, соответствовала местоположению самолета (корабля).
Эффективность функционирования импульсных разностно-дальномер- ных систем зависела от особенностей распространения радиоволн и от точности измерения задержки между импульсными сигналами.
Диапазон частот около 1,5 МГц был выбран удачно. На этой частоте период составлял около 0,7 мкс. Это позволило создать импульсы длительностью 40 мкс, содержащие около 50 периодов колебаний высокой частоты. Импульсы позволяли измерить задержку с точностью около 1—2 мкс, что соответствовало ошибке измерения разности расстояний в 300—600 м. Эта точность была очень хорошей. Конечно, сигналы более высоких частот позволяли увеличить точность измерений, но они давали меньшую дальность действия, так как сильно поглощались при распространении. Более низкие частоты требовали увеличения длительности импульса и приводили к меньшей точности измерений. Как показала практика, система «Лоран А» обеспечивала дальности днем 1200 км над морем и 200 км над сушей, а ночью до 2400 км (по отраженной от ионосферы волне) с точностью 0,5—2 км днем и 5—15 км ночью [38, 39]. Важной положительной особенностью системы «Лоран А» была небольшая масса бортовой аппаратуры, всего около 20 кг.
При дальности действия системы 2400 км была возможность (при выборе соответствующего расположения наземных станций) обеспечить радионавигационной службой практически все акватории Земли. Но система «Лоран А» не решала полностью проблемы дальней радионавигации, так как дальность над морем не превышала 2400 км, а над сушей дальность была меньше, чем с применением автоматических радиокомпасов. Точность также была невысокой. Однако, для того времени эта система была заметным достижением и обеспечивала нужды определения координат в океанах.
Система «Лоран А» эксплуатировалась длительное время, было выпущено много вариантов бортовых устройств. В США и Японии практически все суда были оборудованы приемо-индикаторными устройствами системы «Лоран А». Цепочки наземных станций располагались по берегам Европы, Азии и Америки, они перекрывали почти все акватории.
Ограничения по дальности действия над сушей, присущие системе «Лоран А», вызвали разработку в 40-х годах в США проекта ее нового варианта на частоте 180 кГц. Однако в связи со снижением частоты примерно в 10 раз соответственно увеличивалась длительность импульса, и погрешность измерения разности расстояний возрастала до 10—20 км.
235


Как и следовало ожидать, предложение о переходе на частоту 180 кГц не было реализовано.
Примерно с 1955 г. систему «Лоран А» стали вытеснять фазоимпульсные системы на сверхдлинных волнах («Омега») и другие фазоимпульсные системы на длинных волнах, из которых наиболее известна американская система «Лоран С». В ней начальное определение запаздывания производилось по огибающей импульсов, а затем определялась точная разность фаз несущих колебаний в радиоимпульсах, полученных от наземных станций [34].
В настоящее время система «Лоран А» потеряла свое значение, появились спутниковые средства, позволившие создать глобальные радионавигационные системы со значительно более высокими точностями.
Азимутально-дальномерные системы ближней радионавигации
Значительное увеличение плотности воздушного движения к 50-м годам потребовало повышения точности ориентировки в ближнем полете, чтобы получить больше коридоров для движения самолетов. Так как полеты проходили в населенных регионах, то экономически оправданными оказались оснащение трасс многими новыми наземными станциями и дооборудование самолетов радионавигационной аппаратурой.
В послевоенные годы в аэронавигации широко распространялись азимутально-дальномерные системы ближней радионавигации [35]. В них использовались наземные радиомаяки, имевшие в своем составе азимутальный и дальномерный каналы, которые образовывали навигационную систему с полярной сеткой координат. Определение азимута и дальности достигалось с одной наземной станцией. При работе по наземному радиомаяку на борту летательного аппарата измерялся азимут.
С начала 50-х годов в ряде стран начал широко эксплуатироваться американский азимутальный всенаправленный радиомаяк VOR, который совместно с радиодальномером DME образовывал азимутально-дально- мерную систему [35].
Система VOR работала в трехметровом диапазоне волн, а радиодальномер DME имел частотные каналы в диапазоне 30 см.
В основе действия системы VOR лежал метод измерения азимута на борту по сдвигу фаз огибающей. Производилось электрическое вращение кардиоидной диаграммы направленности антенны радиомаяка. В опорном сигнале фаза не зависела от пространственного направления на самолет.
Измерение разности фаз между опорным напряжением и сигналом, полученным в результате приема сигнала от вращающейся диаграммы направленности (который зависел от азимута), давало возможность в бортовом приемнике определить азимут летательного аппарата.
В радиодальномере DME использовался так называемый принцип запроса—ответа, при котором с борта самолета излучалась серия микро- секундных импульсов, которая возвращалась на борт наземным ретранслятором дальномера. Время распространения сигналов туда и обратно определяло дальность.
Основным недостатком систем VOR—DME была низкая азимутальная
236


точность из-за широкой диаграммы направленности антенны в горизонтальной плоскости и, как следствие, из-за сильного влияния сигналов, отраженных от объектов вблизи аэродрома. Для устранения этого явления в США была разработана азимутально-дальномерная система TACAN. В азимутальном канале в ней был применен метод двушкального отсчета [40, 41].
На кардиоидную диаграмму направленности азимутальной антенны были наложены девять более узких лепестков. Обе диаграммы направленности формировались в едином антенном блоке пассивными отражательными элементами. Девятилепестковая диаграмма направленности давала возможность точного определения угла, а многозначность устранялась кардиоидной диаграммой направленности. Дальномерный канал системы TACAN был выполнен по принципу системы DME. Система TACAN работала в диапазоне 30 см и широко использовалась за рубежом с 1958 г. [35]. В гражданской авиации в ряде стран продолжает применяться система VOR и дальномерный канал TACAN (система VORTAC).
Несколько иной подход при проектировании системы ближней радионавигации был принят в Советском Союзе. В 1958 г. в СССР была разработана радиотехническая система ближней навигации — РСБН (Г. А. Пахолков).
Необходимость достижения высоких точностей, составляющих по азимуту 0,25° и по дальности 200 м, потребовала применения антенн с острой направленностью и широкополосного излучаемого сигнала. В результате были значительно снижены ошибки, вызванные влиянием отраженного сигнала от местных предметов. РСБН работала в диапазоне 30 см. В азимутальном канале использовались вращающиеся антенны с двухлепестковой диаграммой направленности шириной порядка 4°. В момент поворота оси антенны на север через направленную антенну излучался так называемый «северный» сигнал.
Таким образом реализовывался принцип измерения «сканирующего луча с опорным временем», принятый в дальнейшем для перспективной международной системы микроволновой посадки самолетов (в СССР названной «Плацдарм»).
В дальномерном канале РСБН применялся одномикросекундный импульс, и радиоприемное устройство имело соответствующую ширину полосы пропускания, что также обеспечивало получение высоких точностей при отражениях от местных предметов.
В отличие от зарубежных систем ближней радионавигации, отечественная РСБН обладала рядом дополнительных функций [42]. Принцип действия маяка РСБН иллюстрируется рис. 71.
Система РСБН была использована в качестве своего рода вторичного радиолокатора для получения отметок от самолетов на экране индикатора кругового обзора наземного радиомаяка. Кроме того, с Земли по каналу радиодальномера передавались соответствующие запросные кодированные импульсы. Ответный сигнал с самолета формировался в момент совпадения в бортовом приемнике одного из принятых запросных импульсов и азимутального сигнала. Индикаторный канал РСБН служил для определения полярных координат самолетов и наземного контроля
237


Р и с. 71. Принцип действия радиомаяка РСБН 1 — диаграмма направленности вращающейся антенны азимута, 2 — диаграмма направленности неподвижной антенны опорного сигнала
за полетами в зоне действия системы, а также для их познавания путем посылки дополнительного задержанного импульса с самолета в момент проведения сеанса радиосвязи.
Для расширения возможностей системы РСБН разработаны наземные курсовой и глиссадный радиомаяки, а также специальный ретранслятор радиодальномера. Принцип действия таких посадочных радиомаяков напоминал системы посадки СП-50, СП-70 и ILS хотя и имел ряд отличий [31, 43].
Важным этапом в развитии бортового оборудования РСБН явилось использование его навигационной информации для коррекции автономных средств счисления координат на самолете. В тенденции построения навигационных систем летательных аппаратов после 60-х годов наблюдается стремление к объединению систем навигационной информации в единый бортовой навигационный комплекс. Принцип коррекции автономной системы навигации с помощью средств ближней радионавигации был предложен в 1956 г. в СССР и оказался весьма эффективным, позволив устранить в комплексной системе навигации ряд недостатков. Комплексная навигационная система стала обладать точностью; равной точности системы ближней радионавигации, так как в момент коррекции устранялись все накапливающиеся со временем ошибки автономных средств.
Кроме этого, благодаря работе автономных средств навигации появилась возможность при полетах измерять координаты в провалах диаграммы направленности антенн радиотехнической системы и при работе за радиогоризонтом. Использование априорной информации от автономных средств позволило улучшить помехозащищенность и точность радиотехнической системы навигации, ввести логическую оценку правильности и достоверности радиотехнического сигнала, а также увеличить пропускную способность системы.
Радиотехнические системы посадки самолетов
К началу 50-х годов сформировалось понятие метеорологического минимума погоды, которому должны отвечать системы посадки. Международной организацией гражданской авиации (ИКАО) была принята классификация следующих категорий минимумов погоды: I категория —
238


горизонтальная дальность видимости 800 м и высота нижней кромки облачности 60 м; II категория — 400 м и 30 м соответственно; III категория — • полное отсутствие видимости (туман, нулевая нижняя кромка облачности).
Эти три категории были приняты после войны. Использовавшиеся в период войны радиосистемы им не соответствовали. Лишь системы инструментального захода на посадку и система РПКО весьма приблизительно удовлетворяли требованиям минимума погоды I категории.
Аналогичные возможности имела система ОСП-48, предусматривавшая использование автоматического радиокомпаса и двух приводных радиостанций, которую можно также рассматривать как систему захода на посадку. Примерно такими же возможностями обладала упомянутая выше система «Лоренц». Основным недостатком этих систем было отсутствие точного контроля радиотехническими средствами положения в вертикальной плоскости. Эту проблему до 1943 г. решить не удавалось.
В конце войны в США разработали радиотехническую систему типа SCR-51 для инструментальной посадки самолетов, способную работать в трудных метеоусловиях [44]. Она состояла из курсового, глиссадного и маркерного радиомаяков.
Курсовой трехметровый радиомаяк и глиссадный радиомаяк (длина волны 0,9 м) работали с равносигнальной зоной. В глиссадном радиомаяке она образовывалась пересечением лепестков диаграммы направленности двух антенн, подвешенных на различной высоте над землей и имевших различную интерференционную структуру поля в вертикальной плоскости.
Два маркерных радиомаяка на волне 4 м имели веерную вертикальную диаграмму направленности и были установлены соответственно на расстоянии 1 и 4 м от точки посадки.
В системе SCR-51 и курсовом маяке работали слабонаправленные антенны, что существенно снижало эксплуатационные возможности. В 1944 г. в СССР перешли на остронаправленные антенны. Значительно позже в США в курсовых радиомаяках также перешли на остронаправленные антенны.
В первые послевоенные годы в Советском Союзе был создан вариант инструментальной системы посадки самолетов СП-50 («Материк», И. М. Векслин), в которой как в курсовом, так и в глиссадном радиомаяках использовался принцип равносигнальной зоны. Местные предметы при остронаправленной антенне облучались радиоволной значительно меньшей интенсивности, что и определяло ослабление влияния отражений на положение равносигнальной зоны.
Системы СП-50 и SCR-51 определили в дальнейшем главную линию развития радиотехнических систем инструментальной посадки самолетов всех типов. Это привело к созданию в 1948 г. в США системы ILS, а в Советском Союзе в 1952 г.— к модификациям системы СП-50 [35, 42]. Система СП-50 удовлетворяла I категории минимумов погоды по нормам ИКАО.
Для работы в условиях II и III категорий минимумов погоды потребовалось усовершенствовать наземную и бортовую аппаратуру. В СССР была создана система СП-70. Основная ее особенность, как и амери¬
239


канской системы ILS, состояла в использовании антенн с большим рас- крывом для получения узких диаграмм направленности [43, 45].
Системы посадки СП-70 и ILS позволяли производить автоматическую посадку летательных аппаратов при управлении от автопилота. С 1960 г. магистральные самолеты Аэрофлота начали эксплуатироваться по условиям I категория минимумов погоды с использованием при посадке автопилота до высоты 60 м.
Задача полностью автоматической посадки (до самого приземления) могла быть решена на основе инструментальной системы посадки СП-70 с введением автоматики на борту самолета.
В курсовом радиомаяке, использовавшемся с системой СП-70, антенна с горизонтальным раскрывом 50 м имела в направлении взлетно-посадочной полосы ширину основного луча около 4°. Американская система ILS также была использована для создания секторных курсовых радиомаяков с остронаправленными антеннами.
Таким образом, к началу 60-х годов были созданы весьма совершенные радиотехнические системы, удовлетворявшие требования автоматической посадки самолетов вплоть до приземления. Однако, необходимые значения параметров (точность, стабильность равносигнальных зон, надежность) достигались за счет значительного усложнения аппаратуры и реализации особых требований к местности в районе установки радиомаяков.
С другой стороны, развитие авиационной техники требовало решения проблемы посадки по сложным траекториям. Даже самые совершенные из существовавших систем посадки создавали в пространстве только одну фиксированную прямолинейную траекторию посадки. Все это побудило искать технические решения по созданию радиотехнической системы посадки летательных аппаратов всех ведомств и типов.
В 1980 г. Международной организацией гражданской авиации были приняты соответствующие технические требования. В западных странах и Советском Союзе начались работы по созданию прототипов новой единой международной системы посадки в шестисантиметровом диапазоне волн, основанной на принципе остронаправленного сканирующего луча с отсчетом времени от начала его движения [35, 42].
Сантиметровый диапазон волн позволил создать сканирующие лучи шириной 1—2°, что сняло искажения характеристик радиомаяков из-за влияния местных предметов и упростило требования к местности. Принцип сканирования и измерения времени позволял производить отсчет азимута и угла места на борту летательного аппарата. Точный бортовой радиодальномер системы обеспечил одновременно с измерением угловых координат построение любой необходимой траектории посадки. Микроволновая система посадки обладала высокими точностями и хорошими эксплуатационными характеристиками. Она стала использоваться для посадки летательных аппаратов любых типов при метеоусловиях III категории.
В начале 50-х годов в Советском Союзе и за рубежом были созданы радиолокационные системы посадки самолетов, основанные на принципиально ином подходе к процессу обеспечения посадки летательных аппаратов [35]. В них использован прецизионный посадочный наземный радиолокатор для подачи необходимых данных на борт самолета.
240


В Советском Союзе было разработано несколько моделей радиолокационных станций посадки (РСП-4, РСП-6, РСП-7). Это были трехкоординатные посадочные радиолокаторы, работавшие в 3-сантиметровом диапазоне с двумя механически сканирующими антеннами (курсовой и глис- садной). В состав оборудования посадочного комплекса входил диспетчерский аэродромный дециметровый радиолокатор кругового обзора. В посадочном радиолокаторе для уменьшения помех от местных предметов и метеообразований были применены методы селекции подвижных целей и круговая поляризация излучаемого сигнала.
В настоящее время все крупные аэропорты Советского Союза оборудованы радиолокационной системой посадки самолетов. За рубежом также широко используются подобные системы GCA и PAR.
Международные аспекты радионавигации и ее развитие после 1965 г.
В начале 30-х годов проблемы радионавигации приобрели международный характер, возникла необходимость унификации параметров радионавигационных систем для их применения в разных странах. Это особенно важно было для Европы, поскольку гражданская авиация не ограничивалась национальными рамками. Пожалуй, ни одно направление в радиотехнике не получило такого широкого международного внимания, как радионавигация.
Для выработки международных соглашений и регламентов был проведен ряд международных конференций. В Варшаве в 1934 г. были приняты требования к системам слепого захода на посадку, и для Европы была рекомендована система «Лоренц» [17].
В последующем определилась необходимость создания международной регулярно действующей организации по радионавигации. В 1944 г. при участии 52 стран на конференции в Монреале была сформирована ИКАО — Международная организация гражданской авиации. СССР вошел в ее состав в 1965 г.
После окончания войны стала остро проявляться борьба США за лидерство в радионавигации, за то, чтобы системы, разработанные в США, были признаны международными. Это расширило бы американским монополиям рынок сбыта.
В этот период проводились международные конференции по радионавигации с демонстрацией аппаратуры и систем в действии [39, 44, 46], а капиталистические фирмы рекламировали системы явно не перспективные, как например, английскую средневолновую систему «Кон- сол», а также системы BABS, «Ребекка», «Джи-и» и др. Эти системы были мало пригодны для гражданской авиации.
Вместе с тем многие системы получили признание, широкое применение и последующее развитие, например автоматические радиокомпасы, импульсные разностно-дальномерные системы- («Лоран А»), УКВ системы посадки (SCR-51). Международные договоренности по использованию ряда радионавигационных систем значительно способствовали дальнейшему развитию радионавигации в отдельных государствах, инициировали новые разработки (в частности, фазоимпульсных систем, усо¬
241


вершенствованных систем посадки, УКВ маячно-дальномерных систем).
К 1960—1965 гг. радионавигация удовлетворила многие требования практики. Все самолеты и корабли оборудовались разнообразными радионавигационными средствами, аэродромы и морские порты, побережья морей и океанов, маршруты над сушей имели множество наземных радионавигационных станций. Значительно выросли безопасность и регулярность движения кораблей и самолетов. Однако остались не решенными многие проблемы [47—49]. Дальнейшее развитие радионавигации основывалось на общих достижениях науки и техники, таких как быстрое совершенствование ЭВМ и применение цифровых методов обработки сигналов, широкое внедрение микроэлектроники. Определялось оно и бурным освоением космоса.
В этот период создаются спутниковые системы, основанные на новых принципах действия и образующие глобальную систему радионавигации. Цель этой системы — обеспечить высокую точность определения координат независимо от дальности полета и местоположения объекта. Получали развитие импульсные радионавигационные автономные системы ориентирования самолетов по радиолокационной картине местности без использования наземных радиомаяков [50]. Нашли применение и доплеровские радионавигационные системы [51, 52].
Важной чертой развития радионавигации на современном этапе является комплексирование. На борту самолета (корабля) обычно находятся до десятка различных радионавигационных систем.
Кроме того, имеются автопилот и нерадиотехнические навигационные системы (гироинерциальные, инерциальные, астрономические и т. д.). Большое количество независимо действующих систем затрудняет их совместное использование и создает большую нагрузку на членов экипажа. Поэтому еще в 50-х годах одновременно с применением автоматизации в радионавигационных системах проводились работы и по комплекси- рованию РНС. После того, как достижения микроэлектроники позволили создать компактную и надежную бортовую аппаратуру, применить в ней ЭВМ, обработка информации улучшилась и стало реальным создание бортовых навигационных комплексов, которые ныне получают все более широкое развитие и применение.
Естественно, что аппаратура радионавигационных систем совершенствуется с общими достижениями радиотехники, конструирования и технологии изготовления радиоэлектронной аппаратуры. Наиболее характерным здесь является переход к интегральным микросхемам и к большим интегральным схемам, устройствам функциональной электроники, микропроцессорным средствам. При этом используются цифровые методы, цифровая обработка сигналов.
В технике радионавигации послевоенного периода все большую роль стали играть методы радиолокации, на которых мы здесь не останавливаемся, так как истории радиолокации посвящена следующая глава.
242


ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ИСТОРИЯ РАДИОЛОКАЦИИ
Формирование физических основ радиолокации
Радиолокация представляет собой область науки и техники, связанную с обнаружением и распознаванием объектов, определением их местоположения и некоторых других характеристик с использованием радиоволн. Под радиолокацией понимается также сам процесс радиолокационного наблюдения объектов и определения их координат.
Физической основой радиолокации является способность радиоволн отражаться (рассеиваться) от объектов, электрические свойства которых отличаются от электрических свойств окружающей их среды. При этом в основе определения местоположения объектов лежат постоянство скорости распространения радиоволн, равной скорости света (около 3• 108 м/с), и прямолинейность их распространения. Для радиолокационного наблюдения, кроме отраженных от объектов радиоволн, также используются радиосигналы, переизлучаемые ретранслирующими устройствами, специально установленными на объектах, и собственные радиоизлучения объектов, связанные с работой их радиоустройств и тепловым излучением.
Возникновению радиолокации как самостоятельной отрасли науки и техники предшествовал длительный период развития радиотехники, в течение которого накапливались знания и разрабатывались элементы техники, которые в дальнейшем явились основой для развития радиолокации. В 1886 г. при проверке гипотезы Дж. Максвелла о единстве природы различных форм электромагнитных колебаний Г. Герцу удалось установить, что радиоволны отражаются металлическими и диэлектрическими телами подобно световым волнам и могут формироваться в лучи с помощью металлических зеркал, аналогичных по форме зеркалам, используемым для формирования луча света. Измерение времени прохождения радиоволнами расстояний позволило Герцу доказать, что радиоволны и световые волны подчиняются одним и тем же законам природы.
В 1897 г. русский ученый А. С. Попов во время опытов по радиосвязи, проводившихся им на Балтийском море, заметил, что радиосвязь нарушалась, когда между двумя кораблями проходило третье судно. В отчете, представленном в штаб Кронштадтского порта, Попов связывал это явление с отражением и затенением радиоволн.
В дальнейшем зародилась идея использования явления отражения радиоволн для обнаружения объектов. Впервые эта идея была изложена в 1904 г. в авторской заявке немецкого инженера X. Хюльсмейера, по которой в 1905 г. был выдан патент на «Способ обнаружения металлических предметов по отраженным ими радиоволнам» [1]. Согласно этому способу наличие металлических предметов (кораблей, поездов ит. п.) обнаруживалось с помощью излучения радиоволн в сторону предполагаемого местонахождения предмета и приема отраженных от него радиоволн. Для реализации этого способа предлагалось устройство, состоящее из искрового передатчика, передающей и приемной антенн
243


в виде цилиндрических рефлекторов и приемника со звуковым или световым индикатором. По существу своим предложением Хюльсмейер предопределил решение одной из основных задач радиолокации — обнаружение отражающего объекта, и хотя предлагаемое им устройство являлось несовершенным по современным представлениям, оно содержало в себе основные функциональные элементы радиолокатора обнаружения. Вторую задачу радиолокации — определение направления на отражающий объект — Хюльсмейер предполагал решить, используя направленное излучение передатчика.
В другом патенте Хюльсмейера, выданном ему в 1906 г. [2], описывался также способ определения расстояния до отражающего объекта.
Предложения Хюльсмейера не могли дать практических результатов из-за сравнительно низкого уровня развития радиотехники и отсутствия в тот период времени острой необходимости в такого рода аппаратуре. Дальнейшее развитие радиотехники по пути использования длинных волн также способствовало тому, что предложения Хюльсмейера были забыты.
Применительно к истории радиолокации представляют интерес идеи по применению радиоволн для отыскания подземных ископаемых. Так, в предложении X. Лёви и Г. Леймбаха по геологоразведке содержалась, как и во втором патенте Хюльсмейера, идея радиодальнометрии [3].
Работы по геологоразведке привели к идее прямого видения обнаруживаемых объектов с помощью радиоволн. Одно из таких предложений было сделано Л. Махтсом в 1919 г. для целей фотографирования рудных и угольных залеганий при помощи трансформации изображения в отраженных радиоволнах в световое изображение [4]. По прямому видению объектов были и другие предложения, которые также внесли определенный вклад в научную базу радиолокации [5, с. 58—63].
Развитию идей по обнаружению объектов с помощью радиоволн способствовали и работы Г. Маркони по радиотелеграфии на волнах длиной в несколько метров, в ходе которых неоднократно приходилось сталкиваться с помеховым действием радиоотражений. В 1922 г. Маркони предлагал использовать явление отражения радиоволн для обнаружения объектов. В том же году Э. Тейлор и Л. Юнг провели эксперименты в Морской исследовательской лаборатории США на волне 5 м [6]. При проведении экспериментов передатчик располагался на земле, приемник — в автомобиле. По мере того, как автомобиль двигался в сторону от передатчика и проходил мимо железобетонных зданий, от которых излучение передатчика отражалось, в результате интерференции радиоволн наблюдались резкие минимумы и максимумы амплитуды принимаемых сигналов. Эксперименты были успешно повторены над водной поверхностью, когда передатчик и приемник располагались на противоположных берегах реки. При этом было зафиксировано прерывание сигнала проходившим по реке деревянным пароходом. В отчете, составленном Тейлором на основании результатов этих экспериментов, содержались предложения использовать наблюдавшиеся явления для радиообнаружения в военных целях. Отмечалось, что обнаружение прохождения корабля между двумя другими кораблями возможно вне зависимости от тумана, темноты или дымовой завесы.
244


Из других работ, способствовавших подготовке научной и технической базы радиолокации, следует отметить работы, связанные с исследованиями ионосферы. Наличие проводящего слоя атмосферы было предсказано в 1902 г. физиками А. Кеннели (США) и О. Хевисайдом (Англия) независимо друг от друга в качестве гипотезы, объясняющей сверхдальнюю радиосвязь, отмеченную Г. Маркони в 1901 г. [7]. Доказательство существования ионизированного слоя было впервые получено экспериментальным путем только в 1924 г. английскими учеными Э. Эплтоном и М. Барнеттом [7—9]. Использовавшаяся в экспериментах аппаратура состояла из передатчика непрерывных колебаний, перестраивавшегося по длине волны в пределах от 385 до 395 м, и приемника с гальванометром на выходе, расположенного от передатчика на расстоянии 160 км. При этом предполагалось, что если ионосфера существует, то в ночное время приемник будет принимать как прямую волну, распространяющуюся параллельно земной поверхности, так и отраженную от ионизированного слоя волну. В результате интерференции радиоволн амплитуда результирующего сигнала на входе приемника будет меняться в зависимости от фазовых соотношений интерферируемых волн. При частотной модуляции передатчика амплитуда результирующего сигнала будет меняться с частотой, равной разности частот интерферируемых волн и прямо пропорциональной разности путей, проходимых прямой и отраженной радиоволнами. Измеряя эту частоту и зная расстояние между передатчиком и приемником, можно было рассчитать высоту ионизированного слоя.
Почти одновременно с английскими учеными и независимо от них проводили исследования ионосферы американские ученые Дж. Брейт и М. Тьюв [6, 7, 10] с использованием импульсного режима излучения. В организации экспериментов и установке аппаратуры принимали участие Тейлор и Юнг. Первые эксперименты состоялись весной 1925 г. на волнах 600, 650 и 675 м. Импульсная модуляция осуществлялась с помощью прерывателя, включенного в цепь сетки генераторной лампы. Длительность импульсной посылки была около 1 мс, частота повторения импульсов равнялась 500 Гц. Приемник супергетеродинного типа подключался к осциллографическому индикатору с кольцевой разверткой, синхронизированной субгармоникой частоты следования импульсов. Если приемник принимал только прямую волну, на экране индикатора возникала одиночная отметка. При распространении радиоволн двумя путями, когда приемник принимал и отраженную волну, на экране возникало две метки, причем положение второй метки относительно первой позволяло определить разность длин путей распространения радиоволн и по ней рассчитать высоту отражающего слоя над землей.
Несмотря на то, что первые эксперименты не дали положительных результатов, поскольку использовавшийся связной приемник не был приспособлен для приема импульсных сигналов, они представляют большой интерес для истории радиолокации, так как применявшаяся аппаратура содержала элементы будущих импульсных радиолокаторов; в том числе индикатор осциллографического типа, обладавший очевидными преимуществами перед звуковыми и стрелочными индикаторами, применявшимися в более ранних экспериментах. Следует отметить, что в разви¬
245


тие осциллографических индикаторов большой вклад внесли русские ученые. Еще в 1907 г. профессор Б. Л. Розинг предложил применить электронно-лучевую трубку с магнитной разверткой. В тот же период Л. И. Мандельштам разработал схемы и методику применения электронно-лучевых трубок для изучения быстрых электрических колебаний.
Исследования ионосферы проводились и другими учеными. При этом менялись длины волн, состав аппаратуры и методика. Так, были проведены успешные измерения высоты ионосферы на волнах длиной 14,35 км [7, с. 9]. В 1928 г. М. Тьюв улучшил метод измерения высоты ионосферы, предложенный Дж. Брейтом, путем использования мультивибратора, позволившего формировать более короткие импульсы (длительностью 0,1—0,2 мс) с интервалами между ними в сотни миллисекунд. Использовавшийся Брейтом метод импульсной модуляции с частотой 500 Гц создавал импульсы с интервалами, намного превышавшими длительность импульса. Это привело к плохой разрешающей способности по дальности и сильным помехам от местных предметов [7, с. 13].
В 1929 г. М. Тьюв провел измерения высоты ионосферы с использованием двух передатчиков на волнах длиной 67,6 и 33,8 м с кварцевой стабилизацией частоты. Передатчики генерировали мощность 20 кВт и модулировались одновременно с помощью мультивибратора [7, с. 19].
Представляет интерес предложение по измерению дальности, запатентованное X. Лёви в США в 1926 г. [11]. Сущность его заключалась в ттом, что приемник и передатчик коммутировались в противофазе с помощью электронного коммутатора. В результате длительность импульсного сигнала на выходе приемника менялась в зависимости от времени задержки отраженного сигнала. Измеряя длительность выходного импульса, можно было определить дальность до отражающего объекта расчетом по формуле
R == Т^вых^/2,
где тВых — длительность импульса на выходе приемника, с — скорость света.
Используя известные принципы измерения дальности, в конце 20-х и начале 30-х годов было предложено несколько методов решения задач определения высоты полета самолета. Один из таких методов был реализован в альтиметре Ю. Бентли, заявленном в 1928 г. и запатентованном в 1935 г. [12]. Метод основан на излучении непрерывных частотно-мо- дулированных радиоволн и приеме отраженных от земли радиоволн. В результате интерференции излучаемой и отраженной радиоволн на входе приемника возникали биения с разностной частотой, пропорциональной высоте полета самолета. В состав альтиметра по существу входили все основные элементы радиолокации: приемная и передающая антенны, передатчик, приемник и индикаторное устройство.
В 1930 г. Л. Эспеншид предложил другой вариант альтиметра, отличавшийся от альтиметра Бентли тем, что в нем генератор высокой частоты одновременно служил и детектором [13]. Были и предложения измерять высоту полета самолета импульсным методом, аналогичным принципу измерения высоты ионосферы, применявшемуся Дж. Брейтом и М. Тьювом [1, 6]. В качестве индикаторов предлагалось использовать
246


катодно-лучевые трубки с круговой разверткой и калибровкой в единицах высоты.
Представляют интерес измерения высоты ионизированного слоя атмосферы в Заполярье, выполненные в 1932—1933 гг. М. А. Бонч-Бруевичем на волнах длиной 75 и НО м. В качестве генераторов использовались две параллельно включенные электровакуумные лампы мощностью по 150 Вт. В качестве импульсного модулятора использовался конденсатор, заряжаемый до напряжения 20—30 кВ и разряжаемый на анодную цепь генераторных ламп через вращающийся разрядник. В результате обеспечивалось генерирование высокочастотных импульсов длительностью 0,2 мс с периодом следования импульсов 20 мс. Наблюдение отраженных сигналов производилось на экране электронно-лучевой трубки с кольцевой разверткой.
Рассматривая научно-технические предпосылки радиолокации, нельзя не упомянуть о всесторонних исследованиях условий распространения радиоволн, проводившихся в 20-е годы в интересах радиосвязи. Об этом подробно рассказано в гл. 2. Большой вклад в изучение УКВ внес академик Б. А. Введенский, начавший свои работы в этом направлении в 1922 г. Им были изучены явления, связанные с изменением силы приема радиоволн и обусловленные влиянием мешающих предметов на пути распространения радиоволн [14, 15]. Велись исследования условий распространения УКВ и в других странах. Так, в 1930 г. немецкие ученые продемонстрировали ограничение радиосвязи на УКВ пределами прямой видимости. Это позднее было подтверждено экспериментами в Англии и Франции [4]. Широкая программа исследований условий распространения УКВ была выполнена в США в 1930—1933 гг. [16, 17].
Таким образом, к концу 20-х и началу 30-х годов в результате фундаментальных научных исследований в области радиотехники и накопленного опыта по разработке и эксплуатации радиоэлементов и радиоустройств была подготовлена прочная научно-техническая база радиолокации, сущность которой можно охарактеризовать следующими положениями: 1) было установлено, что радиоволны являются составной частью электромагнитного спектра и распространяются в однородной среде прямолинейно со скоростью света; 2) радиоволны отражаются (рассеиваются), встречая на своем пути препятствия в виде объектов с электрическими характеристиками, отличающимися от характеристик окружающей среды; 3) явление отражения радиволн объектами может использоваться для обнаружения объектов и определения их местоположения; 4) отраженные от объектов радиоволны могут обнаруживаться с помощью приемников по явлению интерференции их с излучаемыми радиоволнами (в режиме излучения непрерывных колебаний) или непосредственно по принятому отраженному радиоимпульсу (в режиме импульсного радиоизлучения) ; 5) дальность до отражающего объекта может измеряться по частоте биений прямой и отраженной радиоволн, если используется излучение частотно-модулированных колебаний, или по времени запаздывания отра(женного радиоимпульса относительно излучаемого, если используется излучение радиоимпульсов; 6) направление на отражающий объект можно определять с помощью направленного излучения, поскольку радиоволны могут формироваться в узкие лучи с помощью
247


металлических зеркал; 7) регистрация отраженных волн может производиться различными устройствами, но наиболее удобным является электронно-лучевая трубка. В ходе радиотехнических исследований были отработаны методы и техника обнаружения отражающих объектов, определения их местоположения (дальности, высоты, угловых координат) и регистрации отраженных сигналов.
Техника радиолокации
Для того, чтобы радиолокация стала реальностью, потребовалось бурное развитие в конце 20-х и начале 30-х годов военной авиации. В соответствии с этим проблема своевременного обнаружения самолетов, независимо от метеорологических условий и времени суток, стала наиболее актуальной, требовавшей быстрого решения.
Было очевидным, что существовавшие методы обнаружения самолетов с помощью оптических и звуковых средств непригодны. Так, оптические средства (бинокли, дальномеры) обеспечивали высокую точность определения местоположения самолета, но работали только в условиях хорошей видимости. При дожде, в тумане, снегопаде, сильной облачности и в ночное время оптические средства становились неэффективными. Звуковой метод, пришедший на помощь оптическому методу, несколько расширил возможности обнаружения, можно было обнаруживать самолет ночью и при плохих метеорологических условиях, но сравнительно невысокая скорость распространения звука (330 м/с) и шумовые помехи приводили к большим ошибкам целеуказания. К тому же звукоулавливатели могли работать только в сравнительно тихую погоду. Дальность действия звукоулавливателей при благоприятных условиях не превышала 25 км, что при высоких скоростях самолетов позволяло подать сигнал тревоги, но при этом почти не оставалось времени для принятия соответствующих мер по отражению атаки.
Были попытки решить задачу обнаружения с помощью теплолокации. Существование инфракрасных (ИК) лучей было обнаружено еще в 1800 г. британским астрономом У. Гершелем. Первое предложение по использованию ИК излучения для обнаружения самолетов относится к 1918 г. Однако опыты в Колумбийском университете США не имели успеха, как и последующие попытки по обнаружению самолетов по ИК излучению, выполненные в 1926 г. в США [6]. Велись такие исследования в конце 20-х годов и в Советском Союзе. В 1932—1934 гг. были созданы экспериментальные теплообнаружители с автоматическим наведением на источник ИК излучения [18]. Испытания показали возможность обнаружения самолета по его тепловому излучению на дальности 10—12 км, но только ночью на фоне безоблачного неба. При поиске самолета в направлении Луны или облаков теплообнаружитель сбивался на сопровождение Луны или облаков. При сплошной облачности обнаружение самолета, летящего в облаках или над облаками, оказывалось невозможным.
Необходимость своевременного обнаружения самолетов противника и неэффективность известных тогда средств привели к возникновению радиолокации как самостоятельной научно-технической дисциплины. Та¬
248


ким образом, возникновение радиолокации явилось ответом на четко определенный социальный заказ по созданию новой техники [19].
По мнению историков техники, как советских, так и зарубежных [4, 20—24], радиолокация возникла примерно в одно и то же время в различных странах — в СССР, США, Англии, Германии, Франции, Японии. Поскольку исследования радиолокации планировались с самого начала в военных целях, то характерным для них был режим строжайшей секретности, и запрет на публикации, касающиеся каких-либо результатов этих исследований. Отсутствие взаимной информации существенно не сказалось на развертывании работ в области радиолокации, поскольку научно-техническая база радиолокации, созданная в предшествующие годы, была хорошо всем известна.
Структура первых радиолокационных устройств по существу была заимствована из опыта ионосферных исследований. Поэтому для начального периода радиолокации были характерны использование непрерывного радиоизлучения метрового диапазона волн и обнаружение отражающих объектов по эффекту интерференции радиоволн. Интерференционный метод был заманчив своей технической подготовленностью, так как для его реализации могли быть использованы уже имевшиеся средства радиотехники: генераторы и премники непрерывных радиоизлучений. При этом можно было использовать узкополосную аппаратуру, что позволяло снизить мешающее действие различного рода естественных помех, в том числе и помех от окружающих неподвижных объектов, поскольку на индикаторные устройства поступали сигналы только от движущихся целей.
Но непрерывный режим радиоизлучений создавал большие трудности по развязке передающей и приемной антенн, требовавшей в ряде случаев разноса передатчика и приемника в пространстве на десятки километров. С переходом к импульсному режиму излучения развязка антенн стала возможной за счет временного разнесения излучаемого и принимаемого импульсов. Это существенно упростило создание радиолокаторов и позволило отказаться от двухпозиционных систем. Но переход к импульсному режиму, более распространенному в современной радиолокации, стал возможным позднее, когда были разработаны соответствующие компоненты: генераторные лампы высокой импульсной мощности, чувствительные широкополосные приемники, быстродействующие индикаторы. Характерным для всего развития мировой радиолокации явились постепенное увеличение излучаемых мощностей (от единиц до сотен киловатт) и переход к более коротким волнам (от единиц метров до сантиметров). Несмотря на сходство путей развития радиолокации в различных странах, были между ними и различия.
Интерес к использованию радиоволн для обнаружения самолетов в Советском Союзе возник в 1930 г. в связи с экспериментами по улавливанию электромагнитного излучения от системы зажигания двигателей самолета [21]. Эти эксперименты не дали положительных результатов, но послужили основанием для планирования исследований радиотехнических методов обнаружения самолетов. Официально работы по радиообнаружению самолетов начались в конце 1933 г. — начале 1934 г. по инициативе двух управлений Наркомата обороны: Главного артиллерийского управле¬
249


ния (ГАУ, М. М. Лобанов) и Управления противовоздушной обороны (ПВО, П. К. Ощепков) [48, 20, 21, 25, 26].
Развертыванию работ предшествовали экспериментальные исследования в 1933 г. со связной аппаратурой дециметрового диапазона волн, выполненные в Центральной радиолаборатории под руководством инженера Ю. К- Коровина. Эксперименты показали, что имеют место отражения радиоволн от поверхности земли, высот и холмов, что справедлив квадратичный закон распространения УКВ, выведенный в 1928 г. академиком Б. А. Введенским. И наконец, стало ясно, что возможно использовать отражение радиоволн для обнаружения препятствий и определения направления на них.
Опираясь на эти результаты, Коровин в январе 1934 г. провел серию экспериментов по обнаружению гидросамолета. В состав аппаратуры входили: связной радиопередатчик непрерывного излучения на волнах 50—60 см мощностью 0,2 Вт, супер регенеративный приемник и зеркальные антенны параболического типа диаметром 2 м. Коровин подтвердил возможность обнаружения самолета на дальностях 8—10 км при мощности передатчика порядка десятков ватт и длине волны 10—20 см. Учитывая сомнения и даже отрицательное отношение к идее радиообнаружения самолетов некоторых ученых и инженеров, результаты экспериментов Коровина имели решающее значение для развертывания работ по радиолокации.
В период с 1935 по 1937 гг. в Центральной радиолаборатории (ЦРЛ) под руководством Коровина было изготовлено и испытано несколько экспериментальных установок с непрерывным режимом излучения и спаренными параболическими антеннами диаметром 1,5 м. Однако получавшиеся результаты показались неудовлетворительными, и работы были прекращены.
Работы в Ленинградском электрофизическом институте (ЛЭФИ) в интересах ГАУ были начаты почти одновременно с работами в ЦРЛ. Непосредственным руководителем работы был назначен инженер Б. К Шем- бель [21]. И здесь остановились на аппаратуре с непрерывным излучением. В результате выполненных работ был изготовлен подвижный двухантенный зенитный радиолокатор «Буря» на волне 24—25 см с магнетронным генератором мощностью 6—7 Вт. Приемная и передающая антенны параболического типа диаметром 2 м имели диаграмму направленности шириной 7—10°. Испытания радиолокатора в 1936 г. показали, что дальность обнаружения самолета составляла 10—11 км, а точность пеленгации — по азимуту 3° и по углу места 4°.
К концу 1939 г. НИИ-9 изготовил три опытных образца зенитного радиолокатора: Б-2 и Б-3 [20, с. 75]. Первый из них имел параболическое зеркало с диаграммой направленности 5—6°. При поиске самолета использовалась коническая развертка луча в пределах 40—50°. В момент обнаружения самолета радиопеленгатор переходил на его сопровождение, определяя угловые координаты по методу равносигнальной зоны, предложенному в 1937 г. Шембелем.
Два радиолокатора Б-3 работали совместно: один из них осуществлял поиски цели в азимутальной плоскости, определяя азимут, а другой — в
250


вертикальной плоскости, определяя угол места. Обе установки имели антенны с веерными диаграммами направленности с шириной 35—40° в одной плоскости и 2—3° — в другой (плоскости пеленгации). Испытания радиолокаторов показали, что точность пеленгования у них в 1,5—3 раза выше, чем у звукоулавливателей, а дальность обнаружения достигала 20 км.
Дальнейшие работы по совершенствованию аппаратуры позволили создать экспериментальный радиолокатор «Мимас» [21, с. 50] с дальностью обнаружения бомбардировщика 30—35 км и точностью определения угловых координат 0,6° при высокой надежности обнаружения. Антенная система состояла из трех рупорных антенн: одной передающей и двух приемных, развернутых по углу для пеленгации по методу равносигнальной зоны. Однако данная установка, несмотря на ее высокие характеристики, не была принята на вооружение и в промышленное производство, так как к этому времени всем уже стали ясны несомненные преимущества импульсного метода.
Одновременно с разработкой радиолокатора для зенитной артиллерии шла разработка радиолокатора дальнего обнаружения для службы воздушного наблюдения, оповещения и связи (ВНОС) ПВО. Инициатором этих работ являлся инженер П. К. Ощепков [20, 21,27], руководить работами было поручено также инженеру Б. К. Шембелю. Работы начались с использования непрерывного режима излучения. К 1 июля 1934 г. был разработан радиолокатор «Рапид», состоявший из генератора мощностью 200 Вт на волне 4,7 м, суперрегенеративного приемника и приемной антенны в виде одиночного полуволнового горизонтального вибратора. Приемник размещался на расстоянии 11—50 км от передатчика. Испытания подтвердили возможность обнаружения самолета, пересекающего трассу электромагнитного излучения, по интерференции прямой и отраженной радиоволн на входе приемника.
Дальнейшие работы по радиообнаружению шли по линии использования идей, заложенных в аппаратуру «Рапид» [20, с. 106]. В результате в Научно-испытательном исследовательском институте связи Красной Армии (НИИИС КА) была разработана под руководством инженера Д. С. Стогова система «Ревень», состоявшая из передающей и двух приемных станций, смонтированных на автомашинах [20, с. 126—128]. Приемные станции располагались на расстоянии 30—40 км по разные стороны от передающей станции, и обнаружение самолетов осуществлялось по интерференции радиоволн, регистрируемой на бумажной ленте. В сентябре 1939 г. система «Ревень» под названием РУС-1 (радиоулавливатель самолетов) была принята на вооружение войск ПВО и прошла боевую проверку зимой 1939—1940 гг. во время войны с Финляндией. До июня 1941 г. было выпущено 45 комплектов этой системы [18, с. 114].
Таким образом, работы с использованием непрерывного режима излучения в Советском Союзе закончились разработкой радиолокатора, принятого на вооружение и испытанного в боевых условиях. Однако более перспективным в тот период все же оказался импульсный метод радиоизлучения.
Разработка и освоение импульсной техники на УКВ, приведшие к
251


созданию РЛС дальнего обнаружения, в Советском Союзе были начаты в Ленинградском физико-техническом институте (ЛФТИ) совместно с Управлением ПВО в начале 1935 г. Была разработана специальная импульсная генераторная лампа ИГ-7 на волну 3,5—5 м мощностью до 50 кВт и анодным напряжением до 10 кВ, ставшая основным типом генераторных ламп в РЛС обнаружения. Работы в ЛФТИ велись группой инженеров во главе с Ю. Б. Кобзаревым [20, с. 88].
Созданию первого макета импульсной установки для обнаружения самолетов предшествовали экспериментальные исследования по рассеянию самолетом электромагнитной энергии на возможных дальностях обнаружения. Непосредственно к разработке импульсной аппаратуры в ЛФТИ и Управлении ПВО приступили в 1936 г. Управление ПВО взяло на себя создание импульсного передатчика, а в ЛФТИ были разработаны импульсный модулятор и приемно-индикаторное устройство. Чтобы устранить мешающее воздействие передатчика на приемник, предполагалось разнести их на расстояние 300—500 м друг от друга.
Первые опыты с аппаратурой, рассчитанной на импульсную мощность около 1 кВт, были проведены в 1937 г. и дали положительные результаты. Отраженные самолетом импульсы с расстояний до 12 км фиксировались фотографически. Визуально они наблюдались вплоть до 17 км. В середине 1938 г. была изготовлена новая установка с передатчиком на генераторных лампах ИГ-8 (модификация лампы ИГ-7) мощностью до 40—50 кВт в импульсе и передающей антенной типа «волновой канал». Приемная антенна имела такую же антенну и располагалась на расстоянии 1 км от излучающей антенны. Испытания показали возможность обнаружения самолета на высоте 1500 м на дальности до 50 км. В результате была создана подвижная РЛС кругового обзора «Редут» с дальностью обнаружения самолета 50, 75 и 9,5 км при полете самолета соответственно на вы- • сотах 1,5, 3,0 и 7,5 км. Станция использовалась во время войны с Финляндией в 1939—1940 гг.
В апреле 1940 г. было изготовлено два опытных образца станции на волне 4 м и с мощностью 50 кВт в импульсе. В состав станции входили следующие узлы: передатчик, смонтированный внутри фургона, вращающегося на шасси автомашины; приемная аппаратура в таком же синхронно вращающемся фургоне на автомашине с индикатором на электроннолучевой трубке, рассчитанным на дальность обнаружения до 100 км; две антенны типа «волновой канал», жестко укрепленные на каждом фургоне. Станция «Редут» была принята на вооружение войск ПВО под названием РУС-2 (рис. 72). Значение РЛС РУС-2 было значительным. С помощью ее командование ПВО могло наблюдать за динамикой воздушной обстановки в зоне радиусом до 100 км, определять силы воздушного противника и даже его намерения. Однако две раздельные антенны с синхронным вращением создавали определенное конструктивное неудобство, поэтому дальнейшие усилия были направлены на создание одноантенной станции. В результате был разработан одноантенный вариант станции РУС-2 и станции «Пегматит» с объединенной приемо-передающей антенной [20, с. 141, 147]. Вращение автофургона было заменено вращением только антенны. Сложный механизм синхронного вращения антенн
252


Рис. 72. Радиолокатор дальнего обнаружения РУС-2 (СССР). Излучающая установка
был исключен. Передача высокочастотной энергии к антенне обеспечивалась вращающимся переходом с хорошим согласованием и высокой электрической прочностью. РЛС «Пегматит» в начале 1942 г. была принята на вооружение войск ПВО, ВВС и ВМФ под названием РУС-2с и с некоторыми изменениями выпускалась в течение всей войны. Всего к концу войны было выпущено 463 таких станций [21, с 156].
В марте 1937 г. по договору с Управлением связи РККА начались работы под руководством профессора А. А. Слуцкина в физико-техническом институте Академии наук Украинской ССР по созданию импульсной станции для зенитной артиллерии (ЗА). В результате был создан макет станции «Зенит» [18, с. 72] на волне 64 см с импульсной мощностью 10—12 кВт и длительностью импульса 10—20 мкс. Испытания макета в сентябре 1940 г. показали, что дальность обнаружения одиночного бом¬
253


бардировщика составила 25 км, а точность определения дальности — 1 км, азимута — 3—4°,угла места — 1—2°. По сравнению с радиолокатором «Буря» станция «Зенит» имела значительные преимущества по дальности обнаружения и возможности определять все три координаты цели, необходимые для стрельбы ЗА. Но она имела и ряд недостатков (дискретность определения координат, наличие «мертвой» зоны радиусом 6 км), не позволивших довести макет до промышленного образца [18, с. 72—79].
Бортовые радиолокационные средства начали разрабатываться после того, как появились радиолокаторы дальнего обнаружения и управления огнем ЗА. Первые разработки велись в сантиметровом диапазоне волн, поскольку они позволяли создавать аппаратуру с меньшими габаритными размерами и массой и более высокой точностью пеленгации. Однако начавшаяся война помешала этим разработкам и заставила вернуться к идеям создания станции в метровом диапазоне, поскольку в этом диапазоне имелись и аппаратура, и опыт работы. В результате был создан бортовой радиолокатор под названием «Гнейс-2», работавший на волне 1,5 м с мощностью излучения 10 кВт и предназначенный для установки на двухместном самолете Пе-2 [18, с. 152]. Успешные испытания его в середине 1942 г. показали, что дальность обнаружения самолета-бомбардировщика составляет 3,5 м и точность наведения — ±5°. Станция «Гнейс-2» была принята на вооружение, и до конца 1944 г. было выпущено более 230 таких станций. В дальнейшем была разработана более совершенная самолетная станция «Гнейс-5» [21, с. 116] для двухместного истребителя, с мощностью 30 кВт и дальностью действия 7 км, не уступавшая по характеристикам зарубежной аппаратуре аналогичного назначения.
Начало Второй мировой войны (сентябрь 1939 г.) и угроза вовлечения в нее Советского Союза заставила форсировать оснащение флота радиолокационной техникой. После проведения испытаний РЛС РУС-1 и «Редут» применительно к нуждам ВМФ было решено в основу РЛС для ВМФ положить станцию «Пегматит». В апреле 1940 г. было выдано соответствующее задание на разработку корабельного варианта РЛС. Один из комплектов РЛС «Редут» в 1941 г. был установлен на крейсере «Молотов», сыгравшем большую роль в защите Севастополя и боевых действиях на Черном море. К началу 1944 г. была создана РЛС «Гюйс» на волне 1,5 м. Испытания ее на Северном флоте были успешными и послужили основанием для разработки последующей РЛС «Гюйс-1» с мощностью 60— 80 кВт в импульсе и дальностью обнаружения линкора 15 км, крейсера — 13 км, эсминца — 9 км, тральщика — 7,5 км. РЛС имела антенну типа «волновой канал» с частотой вращения 3—5,5 об/мин и успешно использовалась до конца войны.
Дальнейшие разработки шли по линии модернизации данной станции. Была разработана РЛС «Гюйс-1м» на волне 1,43 м с мощностью 80 кВт в импульсе и массой 174 кг для использования на малых кораблях [20, с. 163, 180].
В годы Великой Отечественной войны в Советском Союзе было разработано и введено в эксплуатацию много другой радиолокационной аппаратуры, обладавшей высокими боевыми качествами. Так, с первого дня войны стала на боевое дежурство полигонная экспериментальная станция дальнего обнаружения под Токсово (Ленинградская обл.), разработан¬
254


ная ЛФТИ. НИИИС КА для усиления системы ПВО Москвы создал стационарную станцию с дальностью обнаружения 225 км. НИИ радиопромышленности создал стационарную РЛС «Порфир» [21, с. 121] с дальностью обнаружения 200—250 км. Станция, имевшая двухъярусную антенну типа «волновой канал» длиной 7 м и высотой 25 м, сыграла большую роль в защите Москвы при первых налетах фашистской авиации. В 1942 г. коллектив завода-института, созданного Государственным Комитетом Обороны, за восемь месяцев создал два экземпляра опытной станции орудийной наводки СОН-2 [20, с. 199—202] на волне 4 м с мощностью 250 кВт в импульсе и дальностью обнаружения самолетов 20—40 км. Станция СОН-2 была принята на вооружение, поставлена на серийное производство и сыграла важную роль в борьбе с авиацией немцев, в 1943 г. была изготовлена РЛС «Нептун» с мощностью 150 кВт в импульсе на волне 1,5 м для управления огнем войсковой ЗА.
В 1944 г. была разработана новая РЛС обнаружения П-3 на волне около 4 м с более высокой точностью определения координат цели, чем РЛС РУС-2 и РУС-2с. Станция была принята на вооружение в начале 1945 г. [20, 21].
Наряду с разработкой радиолокационной техники большое внимание уделялось решению проблемы опознавания обнаруженных целей. В результате в 1941 г. была разработана отечественная система опознавания, которая с начала 1943 г. после успешных испытаний была принята на вооружение и поставлена на серийное производство. Принцип опознавания заключался в излучении радиолокатором специального сигнала, в ответ на который свой самолет излучал соответствующий сигнал с помощью специальной аппаратуры. Этот сигнал принимался РЛС и являлся свидетельством, что обнаруженный самолет является своим.
Наиболее ранние работы по радиолокации в США относятся к 1930 г., когда Э. Тейлор начал исследования в Морской исследовательской лаборатории с целью создания устройства радиообнаружения противника. Следует отметить, что первое обнаружение самолета по эффекту интерференции прямой и отраженной радиоволн на входе приемника было получено в США в 1930 г. Л. Хилендом, сотрудником той же лаборатории. При работе с пеленгационной аппаратурой на волне 9 м, когда приемник располагался на расстоянии 3 км от передатчика, Хиленд регистрировал интерференцию волн каждый раз, когда направление излучения передатчиком радиоволн пересекалось самолетом. Последовавшие за этим более детальные исследования на волне 5 м позволили к началу 1932 г. подготовить аппаратуру с непрерывным излучением, способную обнаруживать самолет [7]. Аппаратура была запатентована Э. Тейлором, Л. Юнгом и Л. Хилендом как система обнаружения объектов с помощью радиоволн [28]. Имели место и другие случаи регистрации отраженных от самолета радиоволн. В статье Б. Тревора и П. Картера, опубликованной в 1933 г. [17], приведены результаты детальных исследований отражений радиоволн от суши и водной поверхности, проведенных фирмой RCA на волнах 5—7 м. В процессе исследований обнаружились хорошо выраженные вариации приема, когда трассу передатчик—приемник пересекал самолет [29]. В ходе экспериментальных исследований по распространению
255


УКВ, проведенных в 1931 —1932 гг. на фирме «Белл телефон лабора- ториз», также наблюдались интерференционные явления [16]. Все это стимулировало разработки аппаратуры радиообнаружения.
Ограничения аппаратуры с непрерывным излучением, особенно связанные с необходимостью разноса передатчика и приемника на значительные расстояния, заставили американских исследователей также обратиться к импульсному методу радиоизлучения. Первые работы по импульсным системам были начаты в 1934 г. в Морской исследовательской лаборатории и закончились к началу 1938 г. разработкой импульсного радиолокатора XAF на частоте 200 МГц с импульсной мощностью 6 кВт и дальностью действия 80 км. К началу 1941 г. было изготовлено промышленностью и установлено на кораблях девятнадцать таких РЛС под названием СХАМ [22]. К концу войны поступили на вооружение системы, работающие в диапазонах 400, 600 и 1200 МГц.
Почти одновременно велись работы по созданию импульсного радиолокатора Корпусом войск связи США. В результате было разработано три модели радиолокатора, получившего наименование SCR-268. В первой модели, работавшей на частоте 110 МГц, использовались три антенных решетки (передающая и две приемных), причем приемные решетки имели пересекающиеся диаграммы направленности для пеленгации равносигнальным методом. Аппаратура включала в себя тепловой обнаружитель для слежения за самолетом по тепловому излучению его двигателей. Полевые испытания этой модели показали, что дальность при обнаружении самолетов типа В-10 и 0-25 составляет 36 км, а точность пеленгации — около 4° по азимуту и 2,5° по углу места. Наиболее совершенная модель аппаратуры SCR-268 работала на частоте 205 МГц, имела мощность 50 кВт и единую антенную установку, объединявшую конструктивно все три антенные решетки. Эта модель успешно прошла испытания и была выбрана для серийного производства. В феврале 1941 г. четырнадцать образцов станции было направлено в армейские части. Станция широко использовалась на всех театрах военных действий. Общий вид РЛС SCR-268 представлен на рис 73 [30, 31].
В 1938 г. были начаты работы над созданием станции дальнего обнаружения. В результате была разработана РЛС SCR-270 с единой приемопередающей антенной, состоящей из 32 полуволновых диполей, с частотой вращения 6 об/мин.
По сравнению с РЛС SCR-268 станция SCR-270 имела ряд интересных технических решений. Передатчик работал на двух последовательно соединенных генераторных лампах и развивал импульсную мощность 30— 100 кВт. Приемник имел высокочастотный усилитель. РЛС SCR-270 обеспечивала дальность обнаружения бомбардировщика, равную 190 км, и истребителя—120 км. Для стационарного размещения выпускалась станция SCR-271, общий вид которой представлен на^-рис. 74. После вступления США в войну в станцию SCR-270 был введен панорамный индикатор кругового обзора (ИКО), позволивший представить полностью воздушную обстановку в зоне действия.
Кроме станций SCR-270/271, для обнаружения самолетов применялась РЛС AN/TPS-3, разработанная в 1943 г. и предназначенная для защиты сухопутных войск от авиации. Станция работала на частоте
256


Рис. 73. Общий вид радиолокатора SCR-268 (США)
1 — антенна азимута, 2 — индикатор дальности, 3 — трансформатор накала, 4 — передатчик, 5 — индикатор высоты, 6 — передающая антенна, 7 — антенна высоты, 8 — приемник высоты, 9—индикатор азимута, 10—генератор импульсов, 11 — модулятор, 12 — приемник азимута
600 МГц с приемо-передающей параболической антенной диаметром около 3 м и обеспечивала дальность обнаружения одиночного самолета средних размеров до 100 км. В 1943 г. была разработана РЛС AN/MPG-1 трехсантиметрового диапазона волн с импульсной мощностью 35 кВт и дальностью действия 72 км (в режиме обнаружения) и 25 км (в режиме слежения) .
РЛС SCR-268 оставалась стандартной аппаратурой управления огнем ЗА до начала 1944 г., когда она была заменена РЛС SCR-584 сантиметрового диапазона, разработанной радиационной лабораторией Массачусетского технологического института в период 1941 —1943 гг. Станция SCR-584 представляла собой значительное достижение радиолокационной техники за время войны. Из всех станций подвижного типа она обладала наибольшей мощностью излучения (300 кВт) и наибольшей точностью определения координат (20 м по дальности и 3,6' по углам), что обеспечивалось излучением очень коротких импульсов (0,8 мкс) с высокой частотой повторения (1707 Гц) и коническим сканированием луча при пеленгации цели. В качестве приемо-передающей антенны использовался параболический отражатель диаметром 1,8 м, возбуждаемый асимметричным диполем, вращающимся с частотой 30 Гц вокруг своей оси. Асимметричность диполя обеспечивала формирование диаграммы направленности с максимумом, отклоненным от оси симметрии антенны. При вращении диполя диаграмма направленности описывала в пространстве конус, и отраженный от цели сигнал оказывался модулированным по амплитуде с частотой сканирования в зависимости от положения цели относительно
9 Зак. 1249
257


Рис. 74. Антенна одного из образцов радиолокатора SCR-271 (США)
1 — мотор вращения по азимуту, 2 — фидер, 3 — секция настройки, 4 — вибратор, 5 — рефлектор
направления на станцию, причем глубина модуляции несла информацию о значении отклонения цели, а фаза — о положении цели относительно оси антенны. Сигнал модуляции выделялся путем детектирования и использовался для автоматического наведения антенны на цель. При ведении огня станция непрерывно следила за целью и выдавала ее координаты на прибор управления зенитным огнем (ПУАЗО); эффективность стрельбы по самолетам была достаточно высокой.
Максимальная дальность действия в режиме поиска достигала 64 км, а в режиме слежения — 29 км, причем поиск осуществлялся лучом шириной 7°, а слежение за целью — лучом 4°. Необходимо отметить, что
258


пеленгация прогрессивным методом конического сканирования луча к этому времени уже была реализована немцами в СОН «Вюрцбург — С, Д» (1940, 1941 гг.) и «Большой Вюрцбург» (1942 г.).
В Англии началу развития радиолокации предшествовали, как и в США, интенсивные исследования ионосферы, которые стимулировали ряд предложений, нацеленных непосредственно на использование явления отражения радиоволн от различных объектов. Так, в 1928 г. Л. Алдер предлагал модулировать радиоволны по частоте и обнаружение отражающего объекта производить по явлению интерференции прямой и отраженной радиоволн на входе приемника [32], что по принципам совпадало с основной идеей радиолокации. В 1931 г. У. Батмент и П. Поллард предложили систему для определения положения кораблей с берега. Однако эти предложения не привлекали внимания военных ведомств Англии, находившихся в плену устаревших представлений о достаточности акустических и оптических средств обнаружения самолетов и направлявших свои усилия на совершенствование этих средств. В конце 1931 г. инженеры Почтового ведомства Великобритании, проводя эксперименты по связи в диапазоне УКВ (5 м), неоднократно регистрировали периодические изменения силы сигнала, вызванные интерференцией радиоволн при пролете самолета в зоне испытаний. Это явление, подтверждавшее возможность скрытного обнаружения самолетов с использованием радиоволн, было отнесено к разряду помех средствам связи, и никаких практических выводов по радиообнаружению самолетов сделано не было [29].
Интерес к идее радиообнаружения у военных появился только после прихода нацистов к власти в Германии, когда угроза войны с массированным использованием авиации возросла, а неэффективность существовавших средств обнаружения самолетов стала очевидной.
В 1934 г. был создан Комитет по научному обеспечению ПВО страны под председательством физика Г. Тизарда. Важным фактором для развертывания работ по радиообнаружению явились меморандумы известного английского ученого Национальной физической лаборатории Р. Уотсона- Уатта, направленные в феврале 1935 г. в военное ведомство и положившие начало радиолокации в Англии [33—35]. В них обосновывалась возможность радиообнаружения самолетов и намечалась программа ее реализации.
Первое обнаружение самолета по интерференции прямой и отраженной радиоволн Уотсон-Уатт осуществил в феврале 1935 г., используя для этого аппаратуру связи на частоте 6 МГц (50 м). Передатчик и приемник были разнесены на расстояние около 9 км, при этом обеспечивалось обнаружение самолета на дальности до 15 км.
В мае 1935 г. Уотсон-Уатт совместно со своими сотрудниками разработал импульсную аппаратуру на волне 50 м и продемонстрировал ее действие при определении дальности самолета; это было почти на год раньше аналогичных экспериментов в Морской исследовательской лаборатории США. Большие атмосферные помехи на выбранной рабочей волне заставили в дальнейшем снизить ее до 25 м, что было выгодным и по конструктивным соображениям. Первые эксперименты с импульсной аппаратурой
9*
259


Уотсон-Уатт Роберт (1892—1973)
показали возможность обнаружения бомбардировщика на высоте 4,5 км на дальности около 24 км. К сентябрю 1935 г. дальность обнаружения бомбардировщика удалось увеличить до 67 км, и разработанная установка была принята за основу при создании станций защиты Лондона с воздуха.
В начале 1937 г. первые пять импульсных станций дальнего обнаружения самолетов СН (Chain Home) были установлены в устье реки Темзы. В конце 1937 г. число таких станций увеличилось до 20 [30], в результате Оыла создана сеть защиты восточного и западного побережий Англии от налетов авиации. В 1938 г. станции СН начали круглосуточное дежурство, которое продолжалось до конца войны. Темпы работ были очень высокие. Поэтому несмотря на то, что Англия позднее приступила к разработкам радиолокационной техники, чем США, в 1935 —1938 гг. она опережала США по РЛС дальнего обнаружения. Станции СН работали в диапазоне волн 10— 13 м, имели мощность 200 кВт (позднее 800 кВт) и дальность действия 140 км при высоте самолета 4,5 км [33]. Передающая антенная система представляла группу горизонтальных вибраторов и рефлекторов, подвешенных на мачтах высотой около 115 м. Приемная антенная система состояла из двух ортогональных вибраторов в азимутальной плоскости, позволявших определять азимут, и двух вибраторов на разных высотах, позволявших измерять углы места. Приемные антенны подвешивались на деревянных башнях высотой около 80 м. Метод пеленгации с помощью ортогональных вибраторов был предложен Р. Уотсоном-Уаттом и основывался на сопоставлении амплитуд сигналов, принятых вибраторами по отдельности, с помощью гониометра. Высота самолета над землей определялась через угол места и дальность. Передающая антенна станции СН устанавливалась неподвижно и имела широкое направление излучения.
Станции СН имели серьезные недостатки. Во-первых, высокий уровеьь боковых и задних лепестков передающей диаграммы направленности приводил к сильным отражениям радиоволн от гор, холмов, а также самолетов, летящих вне рабочей зоны станции. Во-вторых, скрещенные горизонтальные вибраторы'давали поляризационную ошибку при определении азимута цели. Кроме того, низколетящие самолеты обнаруживались только на близких расстояниях, что объяснялось отжанием первого лепестка диаграммы направленности от поверхности моря за счет отражения радиоволн и явлений интерференции.
Для обнаружения низколетящих целей была начата разработка РЛС
260


на более коротких волнах длиной 1,5 м; на эту волну был разработан передатчик мощностью 100 кВт. Преход на более короткую волну позволил разработать объединенную приемо-передающую антенну, сформировать узкую диаграмму направленности шириной 10° в азимутальной плоскости, осуществлять сканирование пространства путем вращения антенны в горизонтальной плоскости. В результате в 1939 г. была создана станция CHL (Chain Home Low), обнаруживавшая низколетящие самолеты и надводные корабли на дальности 100 км [33]. Остронаправленное излучение осуществлялось приемо-передающей антенной решеткой, состоящей из 32 элементов, с коэффициентом направленного действия 80. В станцию был введен индикатор кругового обзора с яркостной отметкой, существенно упростивший наблюдение за воздушной обстановкой. Станция позволяла определять азимут с точностью 0,25° равносигнальным методом пеленгации, с применением переключения лучей приемной антенны.
С разработкой станции CHL появилась возможность создать наземную станцию наведения перехватчиков GCI (Ground Control of Interception) (рис. 75). Для осуществления наведения до этого пользовались данными, полученными от РЛС СН, нанося их на карту-планшет. Введение в станцию ИКО упрощало процесс наведения. Поэтому станция GCI представляла собой модернизированный вариант станции CHL. Модернизация свелась к разделению антенной решетки на верхнюю и нижнюю половины для обеспечения измерения угла места равносигнальным методом. В результате коэффициент направленного действия приемной антенны уменьшился в два раза, что привело к некоторому уменьшению дальности действия РЛС по сравнению с РЛС CHL. В ходе войны была разработана более совершенная РЛС наведения истребителей с решетчатой параболической антенной диаметром 9 м, работавшая на волнах 50—60 см с импульсной мощностью 200 кВт и обеспечивавшая дальность действия 208 км при отсутствии влияния отражений от земли.
Одновременно с РЛС обнаружения самолетов разрабатывались РЛС управления артиллерийским огнем, самолетные и корабельные РЛС [30]. Первой РЛС управления огнем ЗА была РЛС GL-MK-1 (Gun- Laying), работавшая на волне 5 м и позволявшая измерять дальность до 16 км с точностью 25 м. Этот тип РЛС использовался до 1939 г. Последующие образцы РЛС орудийной наводки, выпущенные в 1940 г., обеспечивали дальности до 20 км при углах места, близких к нулю, и до 30 км при работе с большими углами места. Измерение угловых координат производилось по методу равносигнальной зоны, для чего осуществлялась коммутация парных вибраторов, расположенных в азимутальной и угломестной плоскостях, а наведение антенн производилось вручную с использованием для этого индикаторов с амплитудной отметкой.
Недостатками станций орудийной наводки метрового диапазона были наличие «мертвой» зоны, в пределах которой РЛС не вели наблюдение за целью и не обеспечивали управление огнем ЗА, и сравнительно невысокие точности определения угловых координат (±0,5° по азимуту и 4=1,0° по углу места). Кроме того, они имели большие габаритные размеры и массу, вращающиеся кабины с аппаратурой, что в целом снижало их мобильность. Поэтому дальнейшее развитие радиолокаторов орудийной наводки
261


Рис. 75. Вид мобильной наземной радиолокационной станции наведения GCI (Англия)
шло по линии укорочения длины рабочей волны. Примером более совершенной станции является РЛС GL-MK-3 сантиметрового диапазона волн (рис. 76) с коническим сканированием луча, обеспечиваемым, как и у РЛС SCR-584, вращением асимметричного диполя в фокусе параболоида диаметром 1,22 м. Сканирование осуществлялось только приемной антенной. Передающая аятенна обеспечивала симметричное излучение. При импульсной мощности 200 кВт станция имела следующие значения максимальной дальности действия: в режиме поиска — 60 км и в режиме автоматического сопровождения — 30 км. Точность определения угловых координат достигла =Ь (8-МО') [30].
Созданию радиолокационных станций сантиметрового диапазона в значительной степени способствовала разработка многокамерного магнетрона, позволившего увеличить импульсные мощности примерно в 100 раз по сравнению с СВЧ триодами.
Чтобы повысить эффективность ночных действий истребителей и облегчить условия работы летчика, была разработана специальная самолетная РЛС AI (Aircraft Interception). Она работала на волне 1,5 м, имела мощность 10 кВт в импульсе, обнаруживала цели на дальности 3—5 км и определяла три координаты. Но станция имела недостаточную дальность обнаружения и не могла обходиться без наведения истребителя наземной станцией GCI, что снижало эффективность борьбы с бомбардировщиками.
Более поздняя модификация РЛС AI работала на волне 10 см с импульсной мощностью 50 кВт и дальностью действия 18 км [30, 33] В качестве антенны использовался параболоид диаметром около 74 см, установленный в носовой части фюзеляжа самолета.
Одновременно с самолетной станцией наведения истребителей в 1938 г.
262


Рис. 76. Радиолокатор орудийной наводки GL-MK-3 (Англия)
была разработана самолетная станция для обнаружения целей на море ASV (Aircraft to Surface Vessel). К началу войны были изготовлены четыре такие станции. После улучшения конструкции станция с 1941 г. стала применяться также для обнаружения подводных лодок (ПЛ) на поверхности. Первые станции ASV работали на волне 1,5 м и по своей конструкции напоминали бортовую РЛС AI. Дальность обнаружения кораблей достигала 16 км и была значительно меньше при обнаружении ПЛ.
В конце 1942 г. было установлено, что по излучению станции ASV немецким ПЛ удавалось узнавать о приближении к ним самолета уже на расстоянии 80 км, что позволяло ПЛ своевременно погрузиться в воду и избежать* атаки [30]. Эффективность борьбы с ПЛ резко снизилась. Возникла необходимость перевести станцию ASV на другие волны. В результате в начале 1943 г. на вооружение поступила станция ASV сантиметрового диапазона, многим похожая на станцию AI того же диапазона. Но в отличие от AI, в станции ASV был применен ИКО, что давало возможность наблюдать полную картину очертаний берегов моря, кораблей на нем и т. д. В качестве антенны использовался усеченный параболоид, установленный под фюзеляжем и формировавший диаграмму направленности косеканс-квадратной формы. На базе такой станции была создана радиолокационная станция H2S на волне 3 см с импульсной мощностью 50 кВт и дальностью действия 50 км.
Первые корабельные РЛС в Англии работали на волне 3—7 м и использовались в начальный период войны. Основным отличием их являлось использование легких малогабаритных антенн, устанавливавшихся на
263


мачтах. В более поздних разработках уже использовались дециметровые (50 см) и сантиметровые (10 см) волны.
Проблема опознавания принадлежности обнаруживаемых целей Англии занимала умы специалистов с 1936 г. и частично была решена к концу 1939 г. на базе аппаратуры с активным ответом и использованием кодированного сигнала [36].
Во Франции разработка РЛС велась по двум направлениям, каждое из которых было связано с использованием непрерывного излучения. Одна из систем, разрабатывавшаяся в Радиотехнической лаборатории под руководством инженера П. Давида, была рассчитана на сравнительно большую длину волны (4 м). На ее основе была создана действующая двухпозиционная установка, позволявшая обнаруживать цель при прохождении ее в пространстве между передающей и приемной антеннами (идею такого «барьерного» заслона впервые предложил Давид в 1928 г.). Использование нескольких подобных установок позволяло определить курс цели и ее скорость. Второй вариант представлял систему с излучением на волне 16 см. В феврале 1935 г. французские ВМС провели сравнительные испытания этих систем. Из-за низкой мощности передатчика работы над дециметровой системой были прекращены.
Один из макетных образцов системы с длиной волны 16 см был установлен на французском лайнере «Нормандия» в целях обнаружения айсбергов и использовался летом 1935 г.
В октябре 1938 г. Давид предложил однопозиционную РДС, однако никаких работ в этой области во Франции не производилось до тех пор, пока британские специалисты не представили французам в апреле 1939 г. сведения о своих разработках в области радиолокации [24].
Германия подошла к радиолокации несколько с иных позиций, чем Советский Союз, Англия и США. Основываясь на доктрине молниеносной наступательной войны и вере в могущество своей авиации, военное руководство Германии недооценивало необходимость организации надежной системы ПВО страны и первоначальные разработки радиолокационной техники вело только в интересах ВМФ, на который возлагались большие задачи по нарушению океанских коммуникаций Англии. В соответствии с этим в 1934 г. была создана фирма «Гема», специально предназначенная для разработки средств корабельной радиолокации и гидролокации. Эта фирма сконструировала в 1939 г. станцию дальнего обнаружения надворных и воздушных целей под названием «Фрейя» с рабочей волной 2,4 м. Антенная система станции состояла из приемной и передающей решеток, установленных совместно.
РЛС «Фрейя» интенсивно использовалась на протяжении всей войны и имела ряд модификаций, различавшихся по мощности и дальности действия. Так, «Фрейя-F Лафет» имела импульсную мощность 12 кВт и дальность действия 100 км, «Фрейя-LZ»— 25 кВт и 150 км соответственно [18, 37—39].
К середине 1939 г. фирма «Гема» изготовила несколько станций для установки на кораблях («Фумо-21, «22, -23»), работавших на волне 80 см. Они имели импульсную мощность 40 кВт, дальность действия 10—
264


Рис. 77. Радиолокатор орудийной наводки «Вюрцбург» (Герма¬
ния)
20 км (в зависимости от высоты расположения антенны) и использовались для наведения орудий главного калибра кораблей различных классов.
Делались попытки освоения и диапазона СВЧ. Так, в 1935 г. была сконструирована РЛС для обнаружения кораблей, работавшая на волне 14 см с дальностью действия около 4 км. Причиной малой дальности были отражения от поверхности воды и нестабильность работы имевшихся в то время передатчиков и приемников этого диапазона. На основании этих результатов был сделан ошибочный вывод о непригодности для радиолокации волн короче 20 см, и работы в этом направлении были прекращены.
Известная немецкая фирма «Телефункен», оценив перспективы радиолокации, по своей инициативе начала разработку средств радиолокации для ПВО. Однако эти работы в течение трех лет не получали поддержки правительственных кругов. Только в 1939 г., Когда командование вооруженными силами Германии начало понимать значение радиолокации для ПВО, фирме «Телефункен» был выдан соответствующий заказ, и была организована специальная исследовательская лаборатория на острове Вангероог. В июле 1939 г. успешно прошли испытания радиолокационной станции орудийной наводки (СОН), получившей впоследствии наименование «Вюрцбург» (рис. 77).
В связи с выявившейся острой необходимостью радиолокационного опознавания самолетов фирма «Гема» а 1938 г. сконструировала действовавший на волне 2,4 м прибор опознавания «Эрстлинг», предназначенный
265


для совместной работы с РЛС «Фрейя». Однако по состоянию на начало 1943 г. большая часть наземных РЛС не имели устройств для опознавания целей. Поэтому одной из задач на 1944—1945 гг. явилось оснащение СОН «Вюрцбург» приборами опознавания. Массовый выпуск СОН «Вюрцбург» начался в 1940 г. (всего за время войны было выпущено 4000 таких станций). Первые серийные образцы станции работали на волне 53 см, имели импульсную мощность 8 кВт и дальность действия около 35 км.
Особенностью развития германской радиолокационной техники явилась упорная работа по совершенствованию уже принятых на вооружение образцов. Так, начав с РЛС «Вюрцбург-А» (1939-1940 гг.), осуществлявшую пеленгацию по максимуму диаграммы направленности с точностью 1—2°, немцы выпустили в 1940—1941 гг. модификации этой станции «Вюрцбург-С и -Д», с пеленгацией цели методом конического сканирования с точностью в четыре раза более высокой, чем их предшественницы. В 1943 г. была разработана СОН «Маннгейм», работавшая в том же диапазоне, что и «Вюрцбург», с импульсной мощностью 16 кВт, дальностью обнаружения 40 км и дальностью сопровождения 25 км. РЛС обладала высокой точностью измерения дальности (20 м) и угловых координат (±0,7°).
В начальной период войны Германия не располагала специальными станциями наведения, и функции по наведению истребителей обычно выполняла РЛС «Фрейя». При этом она теряла возможность обнаружения новых целей. Этим пользовались союзники и посылали бомбардировщики последовательными волнами. Немцам пришлось срочно решать задачу по наведению истребителей. В 1942 г. была разработана на базе станции «Вюрцбург-Д» новая РЛС «Большой Вюрцбург» (рис. 78). Она была стационарной, имела параболическую антенну диаметром 7,5 м (вместо 3 м), вращающуюся в азимутальной плоскости с частотой 1,5 об/мин, и обеспечивала точность пеленгации ±0,1° методом конического сканирования луча [39, 40]. При наведении истребителей на цель использовались две такие станции: одна — для определения координат цели, другая — истребителя.
Поскольку дальность действия РЛС «Фрейя» (120—150 км) была недостаточной для заблаговременного оповещения о приближении самолетов противника и приведения всей системы ПВО в боевую готовность, в 1940—1941 гг. была разработаны РЛС дальнего обнаруженйя «Маммут» и «Вассерман», работавшие с импульсом мощностью 100 кВт на волне 2,4 м и имевшие дальность действия свыше 300 км. Они были стационарными и работали с невращающимися антеннами больших размеров.
Опыт применения РЛС наведения истребителей вызвал необходимость разработки самолетной РЛС перехвата. РЛС «Большой Вюрцбург» обеспечивала наведение истребителей на бомбардировщик, но не обеспечивала их точную встречу. Это было существенным недостатком, особенно ночью, при облачности и в плохую погоду. В начале для ближнего наведения истребителей применялись теплолокаторы, но они оказались малоэффективными. Позднее (в августе 1941 г.) была сконструирована РЛС перехвата «Лихтенштейн», работавшая на волне 2 м и обеспечивавшая дальность действия 2,5 км. Модернизированный образец
266


Рис. 78. Вид антенны радиолокатора «Большой Вюрцбург» (Гер¬
мания)
этой станции «Лихтенштейн-2», предназначенный для установки на ночных истребителях, имел дальность действия 9 км. К концу 1943 г. около 25% ночных истребителей, базировавшихся в западной Германии, были оборудованы такими РЛС.
В феврале 1943 г. над Роттердамом немцами был сбит английский самолет с РЛС сантиметрового диапазона. Наличие таких РЛС у союзников явилось для немцев полной неожиданностью, поскольку они не верили в перспективность использования для радиолокации волн короче 20 см. Это обстоятельство, а также необходимость борьбы с умышленными помехами, создаваемыми противником, заставили немецких специалистов пересмотреть свое отношение к более высоким частотам и вернуться к разработкам РЛС сантиметрового диапазона, начатым в 1935 г. Срочно была запущена разработка копии английской бортовой РЛС под шифром «Роттердам». Позднее немцы разработали СОН «Эгерланд» на волне 9 см с дальностью действия 65 км (в режиме поиска) и 32 км (в режиме сопровождения) и самолетную РЛС «Берлин» (1944 г.)
Следует отметить: что по корабельной радиолокационной технике германский флот отставал не только от техники союзников, но также и от техники германских сухопутных и военно-воздушных сил. В 1942— 1943 гг. командование флота было вынуждено устанавливать на корабли наземные и самолетные РЛС, не приспособленные для специфических условий ВМФ, а с 1944 г. было передано на вооружение 250 станций
267


сантиметрового диапазона «Берлин-VF» для установки их на ПЛ и сторожевых кораблях.
Таким образом, в Германии в 1944 г. началось интенсивное освоение сантиметрового диапазона волн в области радиолокации. Были разработаны РЛС различного назначения в диапазоне 9,0, 3,0 и 1,5 см, в том числе для запуска с самолетов реактивных снарядов. В общей сложности в 1944 г. велось более 320 новых разработок. Однако многие разработки, в том числе и комбинированная установка «Эгерланд», не были доведены до серийного производства.
Необходимо отметить широкое распространение в Германии методов пассивной радиолокации. После изучения РЛС, найденной на сбитом английском самолете, немедленно началось производство простых по конструкции приемных устройств трехсантиметрового диапазона «Наксос», которые стали устанавливаться на всех подводных лодках. С их помощью английские самолеты с РЛС типа H2S обнаруживались на расстоянии 9 км, и этого было вполне достаточно для того, чтобы ПЛ успела погрузиться. Впоследствии эти приемники были усовершенствованы и обеспечивали дальность обнаружения работы самолетных РЛС порядка 50 км. Ночные истребители были оснащены специальными приемниками «Наксос-2» с вращающимися антеннами и дальностью действия около 50 км. Фирма «Блаупункт» изготовляла наземные радиолокационные приемники «Корфу», обеспечивавшие обнаружение самолетов с РЛС типа H2S на базах в Англии и готовящихся к вылету. Следует отметить, что немцы также получали предупреждение о предстоящих налетах самолетов союзников путем приема излучений английских береговых РЛС обнаружения, находившихся на круглосуточном дежурстве. В момент прохождения самолетами союзников зоны радиооблучения этими станциями на входе немецких приемников возникали характерные биения, свидетельствовавшие о приближении самолетов.
Оценивая состояние радиолокации в Германии, отметим широкий размах работ и массовое производство радиолокационной аппаратуры в период войны. Так, к концу войны выпуском радиолокационной аппаратуры было занято около 100 заводов; более 2000 фирм поставляли им детали и сырье. Всего радиолокационной промышленностью за время войны было выпущено около 9000 наземных РЛС, более 8000 самолетных РЛС, более 100 000 самолетных ответчиков для системы опознавания и много другой радиолокационной аппаратуры, в том числе аппаратуры для создания помех и защиты от них [37, 38].
По техническому уровню и объему радиолокационной техники Германия в начальный период Второй мировой войны (1939—1941 гг.) не отставала от Англии и США, а по применению дециметровых волн была даже впереди. Отставание появилось позднее, когда основное внимание немецких разработчиков было направлено на совершенствование уже принятых на вооружение образцов, а не на разработку новой аппаратуры. Англичане и американцы в это время стремились к созданию более компактных и технически завершенных РЛС, постепенно переходя к более коротким волнам, включая сантиметровые волны, в результате чего существенно опередили немцев к концу войны.
268


Начало радиолокации в Японии относится к 1936 г. и связано с работами проф. К. Окабе в Осакском университете над электронным методом обнаружения пролетающего самолета [41]. Метод основывался на излучении непрерывных радиоколебаний с звуковой модуляцией в направлении удаленного приемника и регистрации изменения тона звукового сигнала в момент пролета самолета. Первая доплеровская система предупреждения о приближении самолетов была введена в действие в 1941 г.
Работы по использованию импульсного метода радиообнаружения начались только в 1940 г. Этому способствовало посещение Германии японской технической миссией, во время которого была получена соответствующая информация, в том числе по английским радиолокаторам. Ввиду этого обстоятельства, а также того, что в 1942 г. японцами был захвачен ряд американских и английских наземных РЛС, в разработанных радиолокационных установках сказалось сильное влияние англо- американской радиолокационной техники. Так, первые два радиолокатора (1943 г.), «Тачи-1» и «Тачи-2» (частота 200 МГц, мощность в импульсе 10 кВт, дальность 50 км), имели много сходства с английскими РЛС обнаружения. Одна из них имела раздельные антенны для передачи и приема, другая — совмещенную приемо-передающую антенну, установленную на одном автоприцепе. РЛС «Тачи-3», которая была основной стационарной РЛС управления огнем, напоминала английскую РЛС управления огнем GL-Mk-II. Она развивала мощность 50 кВт в импульсе на частоте 78 МГц и обеспечивала дальность действия 40 км. В дальнейшем был разработан мобильный вариант, «Тачи-31», который стал стандартным вариантом армейской РЛС. Станция работала на частоте 200 МГц с мощностью 10 кВт в импульсе и дальностью действия 40 км. Она имела четыре антенны типа Уда—Яги, обеспечивавшие точность пеленгации 11°. Одновременно велась разработка копии немецкого «Вюрцбурга» («Тачи-24»), которая должна была работать на волне 50 см и давать более высокую точность пеленгации (порядка 0,12°). Техническая документация на станцию была доставлена из Германии на ПЛ в январе 1944 г. Осуществить разработку до окончания войны не удалось. Первая армейская РЛС дальнего обнаружения, «Тачи-6», изготовленная в 1942 г., работала на частотах от 68 до 80 МГц и отчасти соответствовала американской РЛС SCR-270. Она представляла собой громоздкую стационарную установку с импульсной мощностью от 10 до 50 кВт. В том же году была изготовлена мрбильная РЛС, работавшая на частоте 100 МГц, «Тачи-7», общей массой 18 т и дальностью обнаружения до 300 км. В 1943 г. станция была подключена к боевой работе. Всего было изготовлено 60 таких станций.
Интересно отметить: что РЛС обнаружения как импульсного, так и непрерывного режима обычно устанавливались рядом на армейских постах, окружавших Японию, и информация в центры поступала одновременно от обеих систем. Это отчасти объяснялось верой в непрерывный метод обнаружения и некоторыми сомнениями в надежности импульсного метода.
В начале 1945 г. были изготовлены две новые РЛС, «Тачи-20» и «Та- чи-35», для управления огнем ЗА. Первая использовала равносигнальный метод пеленгации с переключением лучей в обеих плоскостях, вторая
269


РЛС для пеленгации применяла гониометрический метод. РЛС работали в диапазоне 80 МГц и обнаруживали самолеты на дальностях до 40 км.
Первая самолетная РЛС, «Таки-1», была изготовлена в 1943 г. Она работала на частоте 200 МГц, имела импульсную мощность 10 кВт, массу 150 кг и предназначалась для установки на бомбардировщиках. Эта установка хорошо удовлетворяла задачам поиска на море на дальностях до 50 км. В августе 1943 г. начались исследования по созданию сантиметрового бортового радиолокатора, которые привели к созданию РЛС «Таки-24» на волне 10 см и РЛС «Таки-34» на волне 5 см (передатчик на магнетроне). Индикатор кругового обзора в бортовых РЛС начал применяться в 1945 г. после знакомства японцев с американской конструкцией ИКО на сбитом бомбардировщике В-29.
В наведении истребителей с земли японцы испытывали большие трудности. Для этой цели был создан наземный комплекс «Тачи-13», передающий на частоте 184 МГц и принимавший на частоте 175 МГц. Он должен был работать с ответчиком для опознавания и определения местоположения ночного истребителя.
Исследования и разработки импульсных РЛС для нужд японского ВМФ начались в 1941 г. В сражении у Гуадалканала в ноябре 1942 г. использовался бортовой радиолокатор обнаружения (тип II) мощностью 40 кВт в импульсе, работавший на частоте 100 МГц. Всего было произведено 80 таких радиолокаторов. В конце 1942 г. появилась портативная радиолокационная установка мощностью 5 кВт в импульсе на частоте 20 МГц, принятая на вооружение.
В 1942 г. была разработана корабельная РЛС обнаружения в диапазоне 10 см (тип 22) с импульсной мощностью 6 кВт, рассчитанная на работу с дальностью до 25 км. Станция имела два индикатора: типа ИКО и типа А (с регулируемым участком ускоренной развертки в 1 км). Использовался супергетеродинный приемник с кристаллическим детектором. По своим характеристикам эта РЛС считалась армией и ВМФ как одна из лучших станций. На ее бале была выпущена модифицированная модель РЛС обнаружения для ПЛ с дальностью действия около 10 км. В качестве антенн использовались рупоры, установленные рядом.
После изучения английской самолетной РЛС H2S, попавшей в руки немцев, японцы изготовили свою самолетную РЛС (тип 51), похожую на американскую РЛС SCR-717B.
Японцы также разрабатывали и средства радиоэлектронного противодействия. Станции помех «Таки-8» и «Таки-23» обеспечивали создание прицельных шумовых помех импульсным и непрерывным РЛС. Они перекрывали диапазон длин волн от 7 м до 80 см.
Борьба с радиолокационными средствами во время войны
Разработка радиолокационных средств и использование их в боевых действиях в сильной степени определили эффективность борьбы на море, в воздухе и на суше. Приведем несколько примеров боевого применения радиолокации [18,42]. В марте 1941 г. англичане у мыса Матапан в условиях ночи потопили три итальянских крейсера и два эсминца. В мае того же года был потоплен немецкий линкор «Бисмарк», а в декабре 270


1943 г. полярной ночью был потоплен другой немецкий линкор «Шарн- хорст». В сражении у Гуадалканала (Соломоновы острова) в ноябре 1942 г. американцы потопили один японский линкор и три крейсера. Во всех случаях поиск, обнаружение и управление огнем главного калибра осуществлялись с помощью радиолокационных средств.
Большую роль радиолокация сыграла в противолодочной борьбе. Радиолокация лишила подводный флот основного преимущества — неожиданности.
Радиолокационная техника обеспечила высокую точность аэронавигации и бомбометания. Статистический анализ показал, что эффективность бомбардировок самолетами, снабженными РЛС, возросла примерно в пять раз [43].
Неоценимую помощь радиолокация оказала в защите крупных промышленных и населенных пунктов от налетов авиации. РЛС обеспечивали не только своевременное обнаружение приближающихся бомбардировщиков, но и высокую эффективность огня зенитной артиллерии. При использовании радиолокационных средств потери самолетов в среднем достигали 6% и были весьма чувствительными. Наземные РЛС сыграли большую, роль в борьбе с самолетами-снарядами при защите Лондона. Рекордным был день 28 августа 1940 г., когда немцы выпустили 101 самолет-снаряд, но лишь четыре из них упали на Лондон, а 97 были сбиты в пути.
Налет японских самолетов на Пирл-Харбор 7 декабря 1941 г. был заблаговременно обнаружен с помощью РЛС, но ее информации не было придано должного значения, в результате чего американский флот понес огромные потери.
Таким образом, Вторая мировая война показала, что радиолокационные средства являются эффективным оружием и требуют к себе серьезного внимания. Разработчики радиолокационной аппаратуры понимали это и не могли не думать о средствах, способных снизить эффективность этого оружия у противника. В результате почти одновременно с радиолокацией возникло и развивалось направление радиотехники, связанное с изысканием методов и разработкой радиотехнических средств борьбы с радиолокационными станциями, известное в настоящее время как радиоэлектронное противодействие (РЭП). Сущность РЭП заключается в создании искусственных помех работе радиолокационных систем [44—46].
О возможности создания помех радиолокаторам было известно с момента разработки первых их образцов. Она вытекала непосредственно из самого принципа радиолокации. Облучая цель, радиолокатор демаскировал себя и давал большой объем информации о своем режиме работы, позволявший противнику сформировать помеховый сигнал. При этом помеховый сигнал мог либо приводить к маскирующему эффекту, создавая засветку экранов РЛС и не позволяя на фоне помехи найти метку цели, либо создавать ложную информацию, затруднявшую принять правильное решение, хотя в принципе в этом случае метка реальной цели и не маскировалась.
Наиболее универсальным видом маскирующей помехи явились шумы. Впервые шумовую помеху как боевое средство против радиолокации нем¬
271


цы применили 12 февраля 1942 г. при выводе своей эскадры из французского порта Брест. Операция была непростой, поскольку порт был заблокирован английскими кораблями и находился под круглосуточным наблюдением английских береговых РЛС. Готовясь к этой операции, немцы в течение длительного времени продуманно создавали шумовые помехи РЛС, приучая операторов РЛС относиться к ним как к явлениям атмосферного характера, и достигли поставленной цели. В день выхода эскадры из порта операторы английских РЛС наблюдали обычную картину «атмосферных помех, связанных со скверной погодой», и ничего более. Это позволило под покровом тумана немецким линкорам «Шарнхорст» и «Гнейзенау», тяжелому крейсеру «Принц Евгений» и десяти эсминцам беспрепятственно и скрытно пройти через пролив Ла-Манш в свои воды [18].
Немцы понимали боевую эффективность активных помех и с февраля
1942 г. интенсивно разрабатывали методы создания шумовых помех. В результате были разработаны передатчики помех для каждого типа английских радиолокаторов, включая РЛС управления огнем. Из станций активных помех, применявшихся германским флотом, можно отметить станции «Ольга-III» диапазона 135—185 см с выходной мощностью 450 Вт, «Кеттенхунд» диапазона 120—180 см и мощностью 60 Вт, «Роде- рих» диапазона 9,5—10,5 см и мощностью 3 Вт, «Роланд-М» диапазона 8—И см и мощностью 50 Вт [37].
Зная о том, что английские противолодочные самолеты оборудованы радиолокаторами дециметрового диапазона, немцы установили на своих ПЛ приемники того же диапазона. В результате ПЛ получала предупреждение о приближении к ней самолета задолго до того, как они обнаруживались бортовым радиолокатором самолета, что позволяло ей своевременно погрузиться и не быть обнаруженной. Только с установкой нового радиолокатора сантиметрового диапазона англичанам удалось восстановить утраченное положение.
Немцами были также изготовлены приемники, настроенные на частоту бомбоприцелов, позволявшие наводить ночные истребители на бомбардировщики союзников. Потери бомбардировщиков возросли. Ответной мерой явилась строгая регламентация работы бомбоприцелов, но прежде чем это было введено, союзники потеряли дополнительно несколько сотен бомбардировщиков.
Большое внимание созданию помех уделяли и союзники. Но в тот период им доступнее было создание пассивных помех путем массового выброса в нужной зоне металлизированных бумажных лент (дипольных отражателей). Радиолокационные сигналы, отражаясь от таких лент, создавали засветку экранов индикаторов РЛС, что мешало оператору правильно обнаруживать цели и вводило его в заблуждение при оценке реальной воздушной обстановки.
Первые испытания пассивных помех в США, проведенные в марте
1943 г., оказались настолько успешными, что было принято решение о массовом выпуске металлизированных лент. Были начаты разработки зенитных снарядов (идея англичан) и ракетных снарядов (идея американцев), начиненных лентами.
Первое боевое применение дипольных отражателей было произведено
272


в 1943 г. при налете союзников на Гамбург и явилось для немцев неожиданным. Постановка помех была хорошо продумана. До того, как вылетели главные бомбардировочные силы, эскадрилья самолетов, полностью загруженных пачками дипольных отражателей, разбросала диполи во многих районах над Германией. В результате операторы немецких РЛС системы ПВО сообщили о движении очень большого количества самолетов. В воздух были подняты истребители, но летчики не обнаружили самолетов противника. В то же время по докладам операторов РЛС противник был всюду, поскольку экраны индикаторов были заполнены сигналами, отраженными от диполей. В результате управление средствами ПВО было полностью нарушено. В таких условиях главные силы английской авиации незаметно приблизились к Гамбургу и нанесли сильнейший бомбовый удар. Потери составили всего 12 самолетов, т. е. 1,6% (против 6% в обычном случае). Когда немцы поняли, в чем дело, они предприняли большие усилия, чтобы восстановить утраченное положение. На разработку средств защиты от дипольных помех были нацелены усилия свыше 4000 инженеров и ученых. ВВС Германии установили премию в размере 700 000 марок за лучшее решение возникшей проблемы. В результате была разработана приставка сёлекции движущихся целей (СДЦ) и был создан самолетный радиолокатор SN-2 для ночных истребителей, менее чувствительный к дипольным помехам. Но этим проблема полностью не решалась. Приставка СДЦ позволяла выделять сигналы от движущихся целей на фоне малоподвижных диполей, но только когда интенсивность помехи превосходила силу сигналов не более чем в 5 раз. В действительности же это отношение достигало 20—40.
Низкая помехоустойчивость немецких РЛС объяснялась еще тем, что все они работали на близких частотах. Так, в начале войны РЛС «Фрейя», «Вюрцбург» имели диапазон перестройки всего 8 и 20 МГц соответственно. Для защиты от активных помех в данных станциях к 1944 г. была предусмотрена возможность перестройки частоты в более широком диапазоне (100—120 МГц) [46].
Необходимо отметить, что для противодействия преднамеренным помехам в английских береговых РЛС была предусмотрена возможность работы на любой из четырех различных длин волн и поэтому их помехозащищенность была выше немецких РЛС [36].
Первое боевое применение американских передатчиков шумовых помех типа «Карпит» было осуществлено 8 октября 1943 г. при налете на Германию 68 бомбардировщиков, оснащенных этими передатчиками. В результате потери самолетов были снижены на 50%. К концу Второй мировой войны каждый самолет 8-й воздушной армии США был оборудован по крайней мере одним, а в некоторых случаях и четырьмя передатчиками помех такого типа. Специальный самолет-постановщик помех В-29 имел на своем борту 18 передатчиков помех на разные диапазоны частот, а также соответствующее количество разведывательных приемников и пеленгаторов.
Для противодействия немецкой береговой артиллерии с радиолокационным управлением, установленной на французском побережье, англичане создали вдоль Ла-Манша целую систему наземных станций помех, которые действовали против РЛС «Большой Вюрцбург». Среди них были
273


уникальные установки. Так, на базе мощного тетрода-резнатрона, генери- ровшего непрерывные колебания мощностью 75 кВт на частоте около 500 МГц, был создан и введен в действие в начале 1944 г. передатчик помех под названием «Туба» с огромной рупорной антенной, направленной в сторону Франции. Передатчик сыграл большую роль при подготовке и высадке союзников в Нормандии созданием помех бортовым РЛС немецких ночных истребителей. Успех высадки в Нормандии во многом определился тем, что немцы были введены в заблуждение относительно места планируемой высадки войск. При организации этой дезинформации широко использовались пассивные и активные средства РЭП. Так, для защиты кораблей при их движении через Ла-Манш было установлено около 600 передатчиков помех на 262 кораблях. В результате принятых мер потери союзников от огня береговой артиллерии составили всего 6 кораблей из 2127 [44].
Англия использовала также специальные самолетные постановщики помех для подавления РЛС дальнего обнаружения «Фрейя» и «Вассерман». Такие самолеты в количестве до 14 шт. барражировали над территорией Англии и создавали своеобразный противорадиолокационный щит. Иногда с самолетов сбрасывались диполи, имитировавшие атаки английских истребителей.
В целях дезориентации операторов самолетных панорамных РЛС союзников немцы широко использовали искусственные отражатели, устанавливаемые на воде или суше и переотражающие радиолокационные сигналы в направлении, откуда они пришли. В качестве таких отражателей немцы обычно использовали трехгранные уголковые отражатели, в конструктивном отношении представляющие соединение трех металлических плоскостей под прямым углом [46, 47]. В процессе исследований в качестве отражателей были испытаны также двойные конусы, у которых образующие расположены под прямым углом. Они обеспечивали круговое переотражение радиоволн, но оказались более сложными и дорогими, поэтому не нашли широкого применения.
Было известно, что на экранах панорамных РЛС высвечивались контуры местности, над которой летел самолет, похожие на действительные, наблюдаемые визуально: Реки, озера, моря на экране индикатора выгдядели темными, земля, сооружения — более светлыми. Все это позволяло хорошо ориентироваться при ночных бомбардировках намеченных целей. При бомбардировках Берлина удобно было использовать в качестве ориентиров многочисленные озера, разбросанные вокруг города. Немцы это понимали и на протяжении 1940—1942 гг. вели исследования по возможным методам радиолокационного дезориентирования. Разработанные ими уголковые отражатели при установке на водных поверхностях меняли характер радиолокационного изображения водного объекта, искажали естественную его конфигурацию, меняли кажущиеся размеры. Во второй половине 1943 г. и начале 1944 г. на ряде озер вокруг Берлина были установлены на расстоянии 100—150 м друг от друга такие отражатели. Это обеспечило частичную радиомаскировку Берлина.
Для получения всенаправленного действия применялись счетверенные конструкции трехгранных уголковых отражателей. При установке их на водной поверхности роль третьей грани отражателя обычно выполняла
274


сама водная поверхность. Площадь отдельных уголковых отражателей менялась от 1 до 2 м2. Аналогичные мероприятия были проведены для защиты шлюзов, плотин, электростанций. Многие массированные ночные налеты союзников, когда наведение осуществлялось только с помощью радиолокационных средств, оказывались неудачными. Выбрасываемые ложные цели широко использовались и подводными лодками немцев. Они отвлекали на себя разведывательные самолеты союзников и позволяли ПЛ уходить незамеченными.
Применялись также помехи для подавления японских РЛС. Но при этом требовалась более низкочастотная и широкополосная техника, чем на Европейском театре военных действий, поскольку японские РЛС работали на более низких частотах и использовали весьма широкий диапазон частот. В соответствии с этим при постановке дипольных помех пришлось отказаться от связок металлизированных лент, которые становились длинными, объемными и громоздкими, а применять одиночные длинные (120 м) ленты шириной 1,2 см, сбрасываемые на парашютах. Такие ленты обеспечивали достаточно интенсивные отраженные сигналы в широком диапазоне частот. Что касается активных помех, то применение их союзниками было очень эффективно, и начиная с мая 1945 г. стрельба японской ЗА с радиолокационным управлением стала невозможной без визуального слежения за целями [41, 44],
Развитие радиолокации в послевоенное десятилетие
Окончание Второй мировой войны привело к некоторому затишью в развитии радиолокации, но ненадолго. Бурный прогресс реактивной авиации, ракетной техники и атомного оружия явился стимулом дальнейшего совершенствования радиолокационной техники в интересах обороны [48]. Вместе с тем применение радиолокационных средств уже не ограничивалось сферой военной техники, а распространилось и на гражданские отрасли, включая радионавигацию, геологию, геодезию, метеорологию и др. Этому в значительной степени способствовало ослабление режима секретности. Многое из достигнутого в области военной техники стало достоянием гласности. Вышло в свет много монографий, учебников, статей, в которых описывались принципы и методы радиолокации, приводились технические решения, характеристики радиолокационной аппаратуры, данные о тактике и эффективности ее применения в период Второй мировой войны. Во всех странах налаживалась планомерная и систематическая подготовка специалистов — разработчиков и исследователей в данной области.
В радиолокации стали интенсивно использоваться достижения теории информации и кибернетики, вычислительной электроники, антенно-фидерной, приемо-передающей и индикаторной техники, системотехники, автоматического управления и регулирования. При этом уделялось большое внимание увеличению энергетического потенциала и чувствительности приемных устройств для увеличения дальности действия РЛС. Для повышения эффективности использования радиолокационных средств в системах ПВО, ПРО и различных гражданских отраслях увеличивалась разрешающая способность РЛС по дальности, скорости, угловым координатам,
275


а также точность измерения координат. Увеличивалось быстродействие всех процессов обработки информации, связанной с обнаружением, целеуказанием, сопровождением и наведением средств поражения, повышалась помехозащищенность РЛС.
Послевоенный период развития радиолокации характерен интенсивным развитием ряда направлений радиоэлектроники, в том числе зеркальных антенн, фазированных антенных решеток (ФАР), генераторных и усилительных приборов СВЧ диапазона. При этом нужно отметить следующие тенденции: значительное повышение чувствительности приемных устройств; внедрение ЭВМ в различные процессы управления РЛС, в том числе обработку информации; все более широкое использование доплеровского метода селекции целей; освоение длинноимпульсного режима излучения радиосигналов с частотной и фазокодовой внутриимпуль- сной модуляцией и сжатием импульсов, отраженных от цели, в приемнике; применение (помимо диапазона СВЧ) ультракоротких волн; внедрение нового моноимпульсного метода пеленгации целей.
Упомянутое совершенствование зеркальных антенн стало возможным благодаря разработке мощной электронно-вычислительной техники, позволившей проводить сложные расчеты диаграмм направленности, их синтез на основе характеристик первичных источников излучения и создаваемого ими амплитудно-фазового распределения электромагнитного поля в раскрыве антенны. Результаты расчетов при широком варьировании исходных данных позволили оптимизировать конструкцию антенн.
Появились новые излучающие устройства — фазированные антенные решетки. Они представляли собой плоскую антенную систему, состоявшую из большого числа излучающих элементов. Каждый элемент обычно возбуждался собственным передатчиком и имел свое приемное устройство. Когда сигналы, поступавшие ко всем элементам, были синфазны и равны по амплитуде, образовывался узкий луч, перпендикулярный плоскости антенной решетки. При введении разности фаз между соседними элементами направление формируемого луча соответственно изменялось. Применяя программируемое управление ФАР с помощью ЭВМ, можно формировать многолучевые диаграммы направленности, осуществлять скоростное электронное сканирование пространства, контролировать уровень побочных излучений и повышать помехозащищенность РЛС [49].
Эволюция генераторных и усилительных приборов в основном пошла по пути дальнейшего увеличения мощности, стабильности их характеристик и эффективности. Магнетрон явился первым генераторным прибором, обеспечившим высокие мощности в СВЧ диапазоне. Но ему была свойственна нестабильность амплитудно-частотных характеристик, не позволявшая управлять фазой колебаний от импульса к импульсу и осуществлять стабильную внутриимпульсную модуляцию по частоте и фазе. Вследствие этого нельзя было реализовать РЛС со сжатием импульсов, имелись ограничения по применению доплеровских методов селекции целей и измерения их скорости. В этом отношении клистроны и лампы бегущей волны, разработанные позже, оказались более перспективными. Они позволяли усиливать импульсные сигналы, получать высокие мощности и управлять фазой колебаний. Последующая разработка мощных усилительных ламп с перекрестными полями еще более ускорила
276


внедрение РЛС со сжатием импульсов, а также когерентно-импульсных РЛС с селекцией движущихся целей.
Увеличению чувствительности приемников способствовали прогресс в технологии кристаллических смесителей, малошумящих ламп бегущей волны (ЛБВ), параметрических и квантовых усилителей, применение новых способов обработки сигналов (интегрирования, корреляции, сжатия импульсов и др.). Использование этих научно-технических достижений позволило приблизить приемники к тому уровню, когда их чувствительность стала определяться в основном уровнем внешних шумов и потерями в передающих линиях, а не самим приемником.
Получивший известность в первое послевоенное десятилетие моно- импульсный метод пеленгации целей [45, 50] основан на приеме отраженных от цели сигналов одновременно по нескольким приемным каналам. В зависимости от структуры приемной антенной системы информация о направлении на источник принимаемых сигналов формировалась непосредственно в приемной антенне в виде амплитудных, фазовых или амплитудно-фазовых соотношений принимаемых по разным каналам сигналов. При этом для формирования такой информации достаточно одного импульса (отсюда и название «моноимпульсная радиолокация», предложенное впервые в 1946 г. [50]). Определяя количественно соотношение амплитуд сигналов (в амплитудных системах) или разность фаз (в фазовых системах), можно определить направление на цель, поскольку между этими соотношениями и направлением на цель существует прямая зависимость.
Такой пеленгационный метод, известный еще в 1928 г., использовался для измерения угла прихода радиоволн при исследовании распространения коротких радиоволн. В период 1936— 1940 гг. в Англии под руководством Р. Уотсона-Уатта был разработан прототип поискового радиолокатора с несколькими приемными каналами. В 1940 г. в Морской исследовательской лаборатории США, независимо от англичан, также были проведены первые эксперименты по использованию приема одновременно по нескольким диаграммам направленности антенны.
Эти работы, направленные первоначально на улучшение характеристик радиолокационного сопровождения цели, показали возможность получения более высокой точности измерения угловых координат, что обуславливалось нечувствительностью моноимпульсного метода (в отличие от метода конического сканирования луча) к амплитудным флуктуациям принимаемых сигналов. Однако реализация моноимпульсного метода была связана с усложнениями приемного тракта (требовалось несколько приемных каналов с высокой идентичностью амплитудно-фазовых характеристик и пр.). Поэтому развитие моноимпульсных РЛС шло медленно, тем более, что одноканальные системы, более простые в конструктивном отношении, вполне удовлетворяли требованиям их боевого применения. Широкое внедрение моноимпульсных систем началось с середины 50-х годов.
В 40-е годы большинство разработок по радиолокации выполнялось в сантиметровом диапазоне волн. Это обеспечивало высокую направленность излучения и возможность генерирования коротких импульсов, давало хорошую разрешающую способность по угловым координатам и
277


дальности. Аппаратура имела сравнительно небольшие габаритные размеры и массу.
Недостатком работы в сантиметровом диапазоне оказалась чувствительность аппаратуры к различного рода помехам, в том числе к атмосферным помехам, связанным с метеоусловиями. Эти недостатки особенно сказывались при работе на больших дальностях. Поэтому в послевоенный период отмечается тенденция возврата к диапазону УКВ, особенно в РЛС дальнего обнаружения. В этом диапазоне значительно меньше потери мощности радиосигналов, обусловленные условиями распространения радиоволн в атмосфере.
Расширение научно-технической базы и возникновение разнообразных задач военного и гражданского характера привели в 50-е и последующие годы к возникновению ряда новых направлений радиолокации и разработке уникальных радиолокационных систем. На этих вопросах мы остановимся в третьей книге нашего труда.
Одним из важных направлений радиоэлектроники, в весьма сильной степени повлиявших на характер аппаратуры и систем радиолокационной техники, была техника СВЧ, на ключевых проблемах которой мы остановимся в гл. 12.
ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
СТАНОВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ
Ранние исследования полупроводников
Полупроводниковые приборы и устройства создавались на основе элементов с сосредоточенными параметрами. В дискретной полупроводниковой электронике возникла и интенсивно развивается микроэлектроника, открывшая широкие возможности уменьшения габаритных размеров, повышения надежности электронных приборов и устройств, интеграции большого числа однотипных приборов.
История исследований свойств веществ, которые в настоящее время относятся к классу полупроводников, насчитывает около ста пятидесяти лет. К полупроводникам относятся вещества, имеющие значения удельной электропроводности от 10-10—10-12 (диэлектрики) до 104—106 (металлы) Ом-‘см-1. Характерной особенностью полупроводников является возрастание электропроводности по экспоненциальному закону при повышении температуры.
М. Фарадей первым в 1833 г. обнаружил эту особенность при исследовании сернистого серебра [1, с. 122—124]. Еще до работ Фарадея в 1821 г. Т. Зеебек выяснил, что некоторые «плохие» проводники, например теллур, обладают достаточно большими значениями термоЭДС. Такая электродвижущая сила возникла в электрической цепи, состоявшей из последовательно соединенных разнородных проводников, контакты между которыми имели различную температуру (эффект Зеебека).
278


Вкладом в исследования свойств полупроводников явилось открытие в 1839 г. Э. Беккерелем фотоЭДС при освещении солнечным светом поверхности электрода, находящегося в электролите [2].
В 1873 г. У. Смитом было сделано важное открытие. В своей лекции в Обществе инженеров телеграфии он сообщил: «...Найдено, что сопротивление селёновых стержней заметно изменяется под действием света, причем это изменение доходит до 15—30% в зависимости от освещенности» [3].
Год спустя, в 1874 г. К. Браун обнаружил явление выпрямления переменного тока в месте контакта свинца и пирита [4]. Зависимость тока от напряжения в контакте не подчинялась закону Ома. Сопротивление контакта зависело от значения и знака приложенного напряжения. При попытке использовать контакты в качестве выпрямителя основные трудности заключались в воспроизводимости параметров.
Высокое экспериментальное мастерство позволило ранним исследователям по совокупности физических свойств выделить полупроводники в самостоятельный класс веществ, определить их отличительные признаки, несмотря на то, что в те времена очень редки были образцы из чистого вещества и отсутствовала даже элементарная теория строения вещества.
Эффекты выпрямления и фотопроводимости были обнаружены и в других веществах. В большинстве своем это были сульфиды и оксиды металлов, а также кремний. Контакты между блестящей и неблестящей (вероятно, покрытой закисью меди) медной проволокой также обнаруживали выпрямляющее действие [5]. Природу выпрямления тока тогда объяснить не удалось. Большинство ученых думали, что это неизвестный термический эффект, и идея продолжала существовать вплоть до 1906 г., когда Г. Пирс доказал электрическую природу выпрямления тока. Эти эффекты натолкнули исследователей на мысль использовать их для практических целей.
Первый фотоэлемент с запорным слоем, генерирующий ток без помощи внешнего источника ЭДС, был изготовлен на основе селена У. Адамсом и Р. Деем в 1876 г. [6]. Первый твердотельный выпрямитель электрического тока с большой поверхностью (из селенового слоя с золотым покрытием) был сделан в 1883 г. С. Фриттсом [7].
Таким образом, спустя пятьдесят лет после первых опытов с полупроводниками удалось установить, что полупроводникам свойственно отрицательное значение температурного коэффициента электросопротивления, диапазон значений удельного сопротивления полупроводников лежал в пределах от 106 до Ю_4Ом-см. Кроме того, в полупроводниках получались большие значения термоЭДС по сравнению с металлами. Стало известно, что закон Ома нарушался в контактах между полупроводниками и наблюдалось выпрямление электрического тока. Очень важным было установление фоточувствительности, проявлявшееся в появлении фотоЭДС или в изменении сопротивления при освещении полупроводника.
80-е годы прошлого столетия ознаменовались многочисленными фундаментальными открытиями в области электрических явлений. Т. Эдисон в 1883 г. открыл названный его именем эффект появления электрического тока между угольной нитью накаливания и металлическим электродом, введенным в баллон лампы и находящимся под положительным потенциа¬
279


лом. Термоэлектронная эмиссия не привлекла к себе внимания исследователей, пока Дж. Томсон в 1897 г. не разработал методику исследования катодных лучей и доказал существование заряженных частиц — электронов с наименьшей массой и наименьшим электрическим зарядом.
В 1887 г. Г. Герц наблюдал внешний фотоэффект и отметил зависимость интенсивности фототока от длины волны оптического излучения. Оказалось, что электрический разряд между двумя электродами происходил сильнее, если искровой промежуток освещался ультрафиолетовыми лучами.
Все эти фундаментальные открытия дали толчок интенсивному развитию электротехники и средств связи. Изобретатель телефона А. Белл в поисках пути усовершенствования своего изобретения в 1880 г. построил «фотофон», в котором звуковые волны вызывали колебания отраженного луча. В качестве приемника Белл использовал селеновый фотоэлемент, который в зависимости от интенсивности освещения менял сопротивление и генерировал звуковые колебания. Это было, по-видимому, первым применением полупроводников в электросвязи.
Полупроводники в устройствах связи
Развитие беспроводной связи поставило перед исследователями задачу создания надежных детекторов электромагнитного излучения [8]. Решения этой задачи велись по двум направлениям.
Первые детекторы радиоволн были дискретными твердотельными. В них использовался точечный контакт полупроводникового материала и металла [9].
В качестве полупроводников на заре радио широко использовались многие вещества — карбид кремния, теллур, окись цинка, цинковый халкопирит, галенит и др. Опытным путем было установлено, что кремниевые детекторы более стабильны, а галеновые — более чувствительны. В эти же годы выяснилось, что основой работы детекторов радиоволн явилась электрическая природа явления выпрямления [10].
Другим бурно развивающимся в начале XX в. направлением создания детекторов электромагнитного излучения стали электровакуумные приборы: диод-выпрямитель Дж. Флеминга, аудион-усилитель Л. де Фореста. Кристаллические твердотельные детекторы позволяли выпрямлять радиочастотные сигналы, но не могли их усиливать. В острой конкуренции они уступили место электровакуумным приборам, отличавшимся в те времена высокой надежностью и большим коэффициентом усиления. Но исследования в области твердотельной электроники не прекращались: совершенствовались когереры и кристаллические детекторы, разрабатывались твердотельные фотоприемники.
Открытый в 1879 г. эффект Холла, заключавшийся в возникновении поперечной ЭДС при прохождении электрического тока через помещенный в магнитное поле проводник или полупроводник, стал мощным инструментом для исследования материалов. Было установлено, что хотя число носителей тока в полупроводниках существенно меньше, чем в металлах, но их подвижность несколько больше.
Исследования на основе эффекта Холла показали, что кремний, селен,
280


теллур обладали свойствами полупроводников. С помощью эффекта Холла и явления термоЭДС было обнаружено, что заряд носителей тока имел положительный знак. Наблюдалось также изменение знака заряда носителей тока в одном и том же веществе при его нагревании. Но тогда не нашлось удовлетворительного объяснения этому явлению. Обнаружение положительного знака заряда привело к значительной путанице в теории. И только еще развивавшаяся в начале XX в. квантовая механика позволила дать удовлетворительное объяснение экспериментальным результатам.
В 1922 г. О. В. Лосев, изучая свойства кристаллического детектора, обнаружил у кристалла падающий участок вольт-амперной характеристики. Он впервые построил генерирующий детектор, т. е. детекторный приемник, способный усиливать электромагнитные колебания. В своем приборе Лосев использовал контактную пару: металлическое острие — кристалл цинкита. На эту контактную пару подавалось небольшое напряжение. Прибор Лосева вошел в историю полупроводниковой электроники как «кристадин» [11 —13]. Следует подчеркнуть, что Лосев широко оперировал понятием отрицательного сопротивления, характерным для генератора или усилителя. Позднее, в 1927 г. Лосев открыл еще одно явление — свечение кристаллов карборунда при прохождении тока через точечный контакт (свечение Лосева). Он дал правильное физическое истолкование открытому им явлению свечения кристаллов, доказав экспериментально существование некоторого «активного слоя» в детектирующем контакте [14]. В терминах сегодняшней электроники это явление называют рекомбинационным излучением р-ц-переходов.
Открытие Лосева вызвало большой, но кратковременный интерес к кристадину. В то же время кристаллический детектор почти на три десятилетия прочно вошел в технику связи, а затем продолжал оставаться достоянием радиолюбителей вплоть до 50-х годов.
В 1924 г. П. Гейгер предложил устройство для выпрямления тока, обладающее униполярной проводимостью и состоящее из двух электродов и слоя закиси меди. Изучая вольт-амперные характеристики такого выпрямителя, Гейгер обратил внимание на возникновение ЭДС при освещении слоя закиси меди. Продолжая эксперименты совместно с Л. Грондалем, он обнаружил, что пластинка с закисью меди представляла собой выпрямительную систему [15]. Будучи включенной в цепь переменного тока, она хорошо проводила ток в «пропускном» направлении и плохо — в противоположном. Одновременно было выяснено, что селен также способен обеспечить одностороннее пропускание электрического тока и что на нем также возникала ЭДС при освещении. Были созданы купроксные (меднозакисные) и селеновые выпрямители тока, а также фотоэлементы.
Все исследования остро нуждались в создании теории, которая объяснила бы отдельные экспериментальные результаты. В 1926 г. австрийский физик Э. Шредингер пришел к известному квантово-механическому уравнению, которое помогло объяснить многие явления в твердых телах. Теоретическая мысль была направлена на формирование представлений об электронных ансамблях, зонной теории валентности и т. п. Исследования в физике твердого тела пошли по двум направлениям. Первое было связано с эффектом выпрямления тока и возникновением фотоЭДС на
281


поверхности раздела между полупроводником и металлом. Другое направление было связано с механизмом проводимости в терморезисторах и фоторезисторах. Таким образом, к началу 30-х годов проводились исследования фотоэлектрических свойств полупроводников, а также предпринимались эмпирические поиски новых полупроводниковых веществ. Изучались свойства кремния, германия, сульфидов, селенидов свинца, интерметаллических соединений. Эти работы носили в основном эмпирический характер. Блестящие идеи А. Эйнштейна, М. Планка, Н. Бора, Э. Резерфорда и других исследователей формировали квантовую механику, теорию поля, физику твердого тела, а также смежные с теорией полупроводников научные дисциплины.
Становление теории полупроводников
Выдающийся советский физик А. Ф. Иоффе подчеркивал, что для физической теории полупроводники имели исключительное значение — они дали возможность изучить электрические и оптические свойства твердого тела, квантовые состояния электронов, их связь с атомами вещества. Оптика XX в. и электроника твердого тела строились на изучении полупроводников [16].
Одна из первых удовлетворительных теорий полупроводников была построена А. Уилсоном в 1931 г. привлечением аппарата волновой механики [17]. По Уилсону энергетические состояния электронов в твердом теле создавали непрерывные зоны, разделенные промежутками «запрещенных» значений энергии. Если ширина запрещенной зоны между наивысшей заполненной зоной и следующей за ней пустой зоной велика, то электропроводность отсутствовала. В таком теле не обеспечивалась возможность ускорения электронов. Если же ширина «запрещенной» зоны невелика, то имелась возможность теплового возбуждения электронов. Они могли переходить в пустую зону и после возбуждения участвовать в создании электропроводности. С ростом температуры число таких электронов должно увеличиваться и электропроводность должна расти с температурой. По теории Уилсона эти признаки характерны для полупроводников.
Впоследствии выяснилось, что процесс электропроводности значительно сложнее. Термически возбужденные электроны становились свободными электронами проводимости. Сложившееся в 30-е годы квантово-механическое представление о структуре твердого тела подсказывало, что свободные места, или, как их назвали, «дырки», тоже становились свободными носителями заряда. Дырки вели себя подобно возбужденным электронам, обладали подвижностью и плотностью тока. Энергия для возбуждения дырки значительно меньше, чем ширина запрещенной зоны. Термин «дырочная проводимость» был введен советским физиком Я. И. Френкелем.
Благодаря примесям чужеродных атомов в решетке основного вещества возможно перемещение электрических зарядов. Исследование химических и электрических свойств полупроводников позволило К. Вагнеру и
В. 	Шоттки обнаружить два типа полупроводников — избыточных и дефектных [18]. К избыточным полупроводникам относились образцы окис¬
282


лов металлов, обладающие некоторым избытком металла. Для них характерно было отрицательное значение эффекта Холла во всей области температур. Дефектными назывались образцы, содержавшие меньшее количество металла по сравнению со стехиометрической формулой состава. В таких образцах знак термоЭДС и постоянная Холла при низких температурах имели положительное значение. Эти работы впервые позволили выявить зависимость электрических свойств полупроводниковых соединений от их стехиометрического состава. Вагнер и Шоттки считали, что локальные дефекты в решетке полупроводника, вызванные тепловым движением, определяли его электрические свойства.
В конце 20-х годов А. Ф. Иоффе первым в Советском Союзе приступил к обстоятельному изучению свойств полупроводников. В Ленинградском физико-техническом институте он и его сотрудники занялись выяснением механизма электропроводности полупроводников и причин, способных оказывать на нее влияние.
Изучая удельную электропроводность закиси меди, В. П. Жузе и Б. В. Курчатов в 1931 г. установили, что собственная проводимость чистой закиси меди обусловлена генерацией носителей тока молекулами вещества. Закись меди с избыточным числом атомов кислорода обладала примесной проводимостью при низких температурах и собственной проводимостью для области высоких температур. Примесная проводимость возникала благодаря генерации носителей тока атомами примеси [19]. Продолжая исследования полупроводников различного химического состава, сотрудники ЛФТИ установили, что примеси могли в самых широких пределах менять значение электропроводности и ее знак [20, 21]. Для большинства полупроводников роль примесей выполняли не только атомы посторонних веществ, но и атомы основных элементов. Как правило, избыточное число атомов металла приводило к электронной проводимости, а избыточное число атомов неметалла сообщало веществу дырочную проводимость. Выяснилось, что когда электрон переходил из полностью заполненной зоны в более высокую пустую, то в ранее заполненной зоне освобождался уровень (вакансия) и остальные электроны получали возможность переходить на освободившийся уровень энергии. Такая вакансия (или дырка) способна двигаться во внешнем электрическом поле. Направление ее движения противоположно направлению движения электрона.
В исследовании объемных свойств полупроводников было сделано еще одно открытие. В 1931 г. X. Дембер обнаружил разность потенциалов между освещенной и неосвещенной сторонами закиси меди [22]. Спустя несколько лет Я. И. Френкель объяснил это явление тем, что световые кванты создавали пары электрон—дырка и разность потенциалов росла из-за различия коэффициентов диффузии дырок и электронов в веществе [23]. Он также объяснил фотомагнетоэлектрический эффект, открытый И. К. Кикоиным и М. М. Носковым [24]. Эффект заключался в возникновении разности потенциалов на гранях освещенной пластинки закиси меди, находящейся в магнитном поле. В результате освещения увеличивалась концентрация электронов и дырок у поверхности пластинки. Внутри полупроводника концентрация носителей зарядов меньше и поэтому электроны и дырки диффундировали в глубь пластинки. В присутствии
283


магнитного поля электроны и дырки отклонялись в противоположные стороны перпендикулярно направлению этого поля. Такое смещение отрицательных и положительных зарядов приводило к возникновению электрического поля в объеме полупроводника. Эффект Кикоина—Носкова нашел широкое применение при изучении свойств полупроводников.
Большое внимание исследователи уделяли поверхностным свойствам полупроводников. В 30-е годы широко использовались выпрямители из закиси меди, а также селеновые, приготавливавшиеся из расплавленного селена путем его нанесения на металлическую шайбу, причем в производстве выпрямителей было больше ремесла, чем науки. Было найдено, что большинство контактов с полупроводниками являлись в определенной степени выпрямляющими. Искусство состояло в том, чтобы сделать один контакт максимально выпрямляющим, а другой — максимально «омическим». В выпрямляющем контакте ток нелинейно возрастал с ростом напряжения на контакте, а в «омическом» контакте должна соблюдаться пропорциональность между током и напряжением.
Исследователи ставили один вопрос: каков механизм выпрямления? Было установлено, что в купроксных выпрямителях «выпрямляющей» явилась поверхность между медной базой и поверхностным слоем закиси меди, в то время как в селеновых выпрямителях — поверхность между селеном и нанесенным слоем металла. Закись меди и селен имели положительное значение постоянной Холла. Другие полупроводниковые выпрямители с отрицательным значением постоянной Холла имели тенденцию выпрямлять ток в противоположном направлении. При освещении выпрямляющего контакта ярким светом наблюдалось возникновение фотоЭДС. Хорошие фотоэлементы одновременно являлись хорошими выпрямителями. Было также экспериментально обнаружено, что термо- ЭДС в полупроводниках имела значение на несколько порядков больше, чем для металлов. Все эти экспериментальные факты требовали хорошего теоретического объяснения.
Механизм выпрямления на протяжении ряда лет оставался неясным, ни одна теория контактных явлений не выдерживала экспериментальной проверки. В конце 30-х годов Б. И. Давыдов, Н. Мотт и В. Шоттки независимо друг от друга показали, что в полупроводниковых материалах вблизи границы дырочного и электронного полупроводника имело место обеднение носителями заряда [25—27]. Для этого работа выхода электронов из дырочного полупроводника должна быть больше работы выхода из электронного. Возникал эффективный барьер для равновесных электронов. Через такую систему в одном направлении ток проходил свободно, в другом — плохо. Электрическое сопротивление системы зависело от направления тока. На границе полупроводников возникал электроннодырочный барьер. Приложение электрического поля, снижавшего высоту барьера, позволило электронам переходить через него. Изменение направления поля еще больше обедняло полупроводник и увеличивало высоту барьера для электронного потока. Давыдов при разработке теории выпрямления в таком барьере подчеркивал важную роль неосновных носителей — дырок в электронном (избыточном) слое и электронов в дырочном (дефектном) слое полупроводника. Он также обращал внимание на строгий учет неосновных носителей в явлениях генерации фото-
284


ЭДС. Однако эти работы в свое время не привлекли внимания исследователей. В 1941 г. В. Е. Лашкарев экспериментально подтвердил, что в меднозакисном купроксном выпрямителе осуществлялся контакт полупроводников различного типа [28]. Работы советских физиков повлияли на развитие проблемы и способствовали успехам, достигнутым промышленностью в области изготовления полупроводниковых выпрямителей на ряде заводов.
Таким образом, разработанная Б. И. Давыдовым теория выпрямления тока в месте контакта получила блестящее экспериментальное подтверждение. В конце 40-х и начале 50-х годов, когда технология уже позволяла получать чистые монокристаллы р- и я-типа и переходы между ними, теория Давыдова получила и количественное подтверждение.
Интенсивное развитие работ по изучению фотоэлектрических свойств полупроводников привело исследователей к идее преобразования солнечной энергии в электрическую. Одним из пионеров изучения фотоэлектрических свойств полупроводников был в 30-х годах А. Ф. Иоффе [29]. На основе исследований советских и зарубежных ученых было организовано производство полупроводниковых фотоэлементов. Полупроводниковый фотоэлемент из сернистого галлия, который создал Б. Т. Коломиец, на прямом солнечном свету имел КПД около 1,1% [30]. Этот успех возродил уверенность в больших возможностях фотоэлектрических полупроводниковых преобразователей и стимулировал исследования в этой области.
Создание полупроводниковых приборов требовало ускоренного развития полупроводникового материаловедения. В 40-х годах активизировались работы по всестороннему исследованию соответствующих материалов, в частности, кремния. Технология позволяла получать кремний как электронной проводимости, так и дырочной. По типу основных носителей первый стали называть я-типом кремния (negative), второй — р-типом (positive). Эти термины впоследствии стали универсальными. С развитием технологии удалось получить образцы кремния с электронным типом проводимости на одном и дырочном — на другом конце. Между этими типами проводимости имелась четкая граница.
Образец, вырезанный из цилиндрического слитка перпендикулярно оси и включавший границу перехода между двумя типами проводимости, обладал прекрасными выпрямляющими свойствами и давал большую фотоЭДС [31]. Эти эксперименты были первыми в направлении создания и исследования так называемого р-я-перехода, явившегося важнейшим элементом полупроводниковой электроники.
Таким образом, теоретические исследования и технология создания полупроводниковых приборов позволили в начале 40-х годов улучшить параметры детекторов электромагнитного излучения.
Применение полупроводников в радиоэлектронике
Радиолокация послужила стимулом для быстрого развития электроники, мощных источников высокочастотной энергии. Все больший интерес проявлялся к дециметровому и сантиметровому диапазонам волн, к созданию электронных приборов, способных работать в этих диапазонах.
285


Если в диапазоне метровых волн электронные лампы были еще в состоянии обеспечить работу входных каскадов радиоприемников, то в диапазоне дециметровых и сантиметровых волн собственные шумы существенно ограничивали их чувствительность. Применение на входе радиоприемников точечных детекторов, использующих нелинейность вольт-амперной характеристики для преобразования частоты, позволило резко снизить собственные шумы и повысить чувствительность и дальность обнаружения объектов.
В годы войны использование детекторов в радиолокаторах в качестве смесителей, видеодетекторов и восстановителей постоянной составляющей было очень интенсивным. Разворачивались научные и прикладные исследования по кристаллическим детекторам. Были улучшены их электрические характеристики, механические и климатические свойства, повышена устойчивость к выгоранию и т. п. Основным материалом для кристаллических детекторов были германий и кремний. Поначалу более широкое применение получили германиевые кристаллы. Детекторы представляли собой герметизированные устройства, которые были способны выдержать постоянное обратное напряжение 50 В, прямое сопротивление их составляло 0,1 Ом и они могли работать в частотном диапазоне до 4 ГГц [32]. В дальнейшем кристаллические детекторы стали называться полупроводниковыми диодами. Следует отметить, что если разработки германиевых диодов основывались на слиточном германии, то кремниевые детекторы изготавливались из пленочного кремния. Пленки кремния получались из газовой фазы путем разложения тетрахлорида кремния алюминием и осаждались на графитовые подложки, а также на слиточный германий или кремний. Это были первые эксперименты по эпитаксии германия и кремния. В дальнейшем разложение алюминием было заменено разложением водородом, предложен силановый метод, а затем пленки стали выращивать на монокристаллической подложке.
Быстрое развитие сверхвысокочастотной техники стимулировало и развитие полупроводниковых приборов, которые по основным параметрам превосходили электровакуумные аналоги.
В СССР первые партии точечных диодов начали выпускаться с 1951 г. [33], а к 1959 г. промышленность освоила их выпуск в объемах, превышающих 20 млн шт. Эти диоды широко применялись в самой различной электронной аппаратуре, в вычислительной технике, в том числе в качестве амплитудных детекторов вместо вакуумных двойных диодов.
Большие силы ученых и инженеров в годы войны и послевоенный период были брошены на создание приборов и практическое применение. В начале 50-х годов появились германиевые выпрямители, позволившие поднять технику преобразования переменного тока на новый качественный уровень и достичь КПД 98%. Появились более мощные кремниевые выпрямители с меньшими размерами, способные работать при более высоких температурах, с более высоким значением обратного напряжения.
На основе глубокого понимания физико-химического строения полупроводников, роли в них примесей А. Ф. Иоффе дал объяснение физической природы интерметаллических сплавов ZnSb, Mg3Sb2 и т.п. Оно заключалось в том, что такие сплавы явились типичными химическими соединениями с валентной связью, образующими гетерополярную решетку из по-
286


Рис. 79. Развитие полупроводниковых детекторов
ложительных ионов Zn++, и отрицательных Sb . Такие соединения в идеальном случае при абсолютном нуле должны быть диэлектриками, а при повышенных температурах — типичными полупроводниками. Таким образом, открылась возможность создания полупроводников с изменяемыми свойствами. Иоффе на основе анализа свойств твердых растворов и теплопроводности веществ пришел к заключению, что структура энергетического спектра кристалла и ширина запрещенной зоны определялись природой химической связи.
287


Иоффе одним из первых указал на связь между природой химических сил в кристаллической решетке и полупроводниковыми свойствами тел, на необходимость комплексного исследования свойств полупроводников. В результате были изучены термоэлектрические свойства полупроводников и были созданы термоэлектрогенераторы, массовый выпуск которых начался в 1953 г. [34].
В дальнейшем Иоффе создал теорию термоэлектрических преобразователей и предложил использовать термоэлектрические свойства полупроводников для создания охлаждающих устройств [35]. В 1950 г. его сотрудник Л. С. Стильбанс провел необходимые расчеты, разработал конструкцию и создал первый в мире полупроводниковый холодильник, основанный на использовании эффекта Пельтье [36].
На рис. 79 показана схема развития полупроводниковых детекторов.
Эпоха транзисторизации
Если проследить ретроспективу радиоэлектроники, то будет очевидна ее способность всегда выполнять заказы времени. Сначала это была задача создания беспроводной связи и связанное с ней развитие вакуумной электроники. Потом это была задача создания экономичных электронных выпрямителей для преобразования энергии. В годы войны задачи радиоэлектроники и связи решались на основе электронных вакуумных, а затем твердотельных приборов и устройств. Одновременно встала задача развития вычислительной техники.
Первые цифровые вычислительные машины—компьютеры использовали в качестве ключей различную элементную базу — от телефонных реле до вакуумных ламп, и их быстродействие и надежность оставляли желать лучшего. Работы в области телефонизации также требовали замены механических переключателей электронными ключами без использования малонадежных радиоламп. В 40-е годы исследователи обладали достаточными знаниями для того, чтобы создать электронные ключи на основе кристаллического усилителя [37]. Эти приборы, как правило, были твердотельными аналогами вакуумного триода и использовали эффект электрического поля в полупроводнике.
Первая попытка создать полупроводниковый твердотельный усилитель относится к 1925 г., когда Ю. Лилиенфельд получил несколько патентов на конструкцию усилителя с использованием сульфида меди. Спустя десять лет еще один патент в Англии был выдан О. Хейлю на полевой триод. Он предложил использовать управляющий электрод для регулирования тока через тонкий слой полупроводника. Его конструкцию обычно считают прототипом полевого транзистора с изолированным затвором. В 1938 г. немецкие физики Р. Поль и Р. Хилын разработали кристаллический усилитель, действие которого было основано на использовании проволочной сетки для управления потоком электронов через нагретый кристалл бромида калия. Прибор позволял усиливать сигналы с частотой менее 1 Гц, и именно он доказал возможность создания кристаллических полупроводниковых приборов [32, 37].
Решающий перелом наступил, когда в 1947 г. исследовательская группа «Bell telephone laboratories» в составе У. Шокли, Д. Бардина и
288


Шокли Уильям (р. 1910)
У. Браттейна приняла на вооружение гипотезу поверхностных состояний.
Бардин предположил, что поверхность полупроводника находилась в равновесном состоянии еще до того, как на ней создан определенный контакт, на поверхности полупроводника всегда имелся слой равновесного объемного заряда [38]. Было также установлено, что малая плотность поверхностных состояний (в несколько раз меньшая, чем одно на каждый атом поверхности) позволяла экранировать полупроводник от умеренного поверхностного поля.
Когда плотность поверхностных состояний не слишком велика, поле контактного потенциала могло изменить слой пространственного заряда в ту или иную сторону. Эти предположения позволили объяснить явление выпрямления тока в выпрямляющих контактах Шоттки, представлявших собой контакт металла с полупроводником. Контакты Шоттки работали на основных носителях и их работа практически не зависела от используемого для контакта металла. Эффект выпрямления объяснялся электростатической разностью потенциалов между внутренней частью полупроводника и его поверхностью.
На существование поверхностных состояний на свободной поверхности твердого тела еще раньше указывали И. Е. Тамм [39] и У. Шокли [40]. Была выполнена серия экспериментов по подтверждению теории поверхностных состояний. Было также подтверждено существование электрического поля, вызванного областью пространственного заряда. Носители, генерированные при освещении перехода в зависимости от их знака и контактной разности потенциалов, рассасывались этим полем в противоположные стороны. При этом значение контактной разности потенциалов заметно менялось и измерялось экспериментально [41, 42].
Дальнейшие эксперименты Д. Бардина и У. Браттейна привели к использованию электролита для воздействия на поверхность, и именно тогда был создан точечный транзистор. В кристаллическом усилителе использование жидкости было неконструктивным, и в дальнейшем использовался контакт между золотой фольгой и германием. Расположив на небольшом расстоянии друг от друга два точечных контакта и на один из них подав прямое смещение, а на другой — обратное, можно было с помощью тока через первый контакт управлять током через второй контакт. Усиленный сигнал на нагрузке в цепи второго контакта получился в декабре 1947 г. Полупроводниковый усилитель Шокли, Бардина, Браттейна имел коэффициент усиления порядка 100 и работал до верхней границы диапазона звуковых частот [43, 44]. По предложению Дж. Пирса кристал-
10 Зак. 1249
289


Бардин Джон Браттейн Уолтер
(р. 1908) (р. 1902)
лический усилитель получил название transistor [32]. Они увидели в транзисторе сходство с радиолампой. Действительно, важным параметром лампы являлась ее крутизна (transconductance), в полупроводниковом же усилителе усиление обеспечивалось благодаря его переходному сопротивлению (transresistance).
Изобретение транзистора стало одной из крупнейших вех в истории полупроводниковой электроники и революционизировало электронику в целом.
Исследование работы транзистора показало, что неосновные носители играли важную роль даже при их малой концентрации. Большая часть обратного тока точечного контакта на германии п-типа состояла из дырок, идущих к металлу. В прямом направлении сопротивление модулировалось инжекцией дырок.
Первые точечные транзисторы не отличались надежностью, прежде всего из-за несовершенной конструкции — проволочные пружинки прижимались к куску германия. Тогдашняя технология изготовления транзисторов не позволяла получать приборы с хорошо воспроизводимыми характеристиками. Стоимость их была велика. Однако транзистор обладал уникальными свойствами — был безынерционным прибором, не имел нака ливаемого катода, потреблял мало энергии, не содержал вакуумной полости, имел малые габаритные размеры. Именно эти свойства транзистора стимулировали работы по его усовершенствованию. Было предложено множество новых технических решений, велись поиски новых технологических процессов производства транзисторов. И конечно, развитие транзистора, как электронного прибора, прежде всего определялось развитием и совершенствованием технологии его изготовления, развитием электронной промышленности.
В Советском Союзе транзисторный эффект впервые наблюдался в 1949 г. Авторами первого точечного транзистора были А. В. Красилов и 290


С. 	Г. Мадоян. Лабораторный транзистор работал не более часа, а затем требовал новой настройки. Первые промышленные образцы точечных транзисторов типа С1—С4 просуществовали несколько лет. Токоотводящими элементами точечных переходов служили заостренные бронзовые проволочные электроды. Кристалл германия соединялся с корпусом. Выводы эмиттера и коллектора запрессовывались в пластмассовую ножку. Триод помещался в никелевый кожух для улучшения влагостойкости [45]. Лабораторные образцы германиевых транзисторов были разработаны также Б. М. Вулом, А. В. Ржановым, В. С. Вавиловым и др. (ФИАН),
В. 	М. Тучкевичем, Д. Н. Наследовым и др. (ЛФТИ), С. Г. Калашниковым,
Н. 	А. Пениным и др. (ИРЭ АН СССР) [46]. В 1953—1955 гг. закончилась разработка серий германиевых р-я-р-транзисторов типа П1—ПЗ.
В 50-е годы уже существовало технологическое оборудование, с помощью которого выращивались кристаллы с легирующими примесями. Такой кристалл разрезался на много стерженьков с р-я-р-структурой. К, каждой из трех областей присоединялись проволочки, и возникала возможность изготовления множества транзисторов. Такие приборы обладали более низкими шумами и могли рассеивать значительную мощность. Интерес к транзисторам нарастал лавинообразно.
Транзисторы не только позволяли использовать традиционные схемы, ранее разработанные для ламп, но и создавать на их основе новые, не имеющие аналогов. Например, комплементарное включение р-я-р- и я-р-я-транзисторов позволяло создавать электронные схемы с чрезвычайно малым энегопотреблением. Разработанная теория p-я-перехода и транзистора с р-я-переходами позволила создать очень экономичную конструкцию и предложить технологические способы ее реализации [37].
В области технологии транзисторов был разработан метод изготовления плоскостных транзисторов путем приплавления индиевых таблеток к противоположным сторонам тонкой германиевой пластинки [32, с. 84]. Характерной особенностью полупроводниковой технологии стала автоматизация. Именно она позволила получить хорошее воспроизведение параметров приборов и высокую надежность.
Возросшие требования к частотным характеристикам транзисторов привели к поиску новых технологических методов их изготовления. Уменьшение толщины германиевой пластинки методом электролитического струйного травления в местах приплавления индиевых таблеток позволило уменьшить толщину базы транзистора и, таким образом, довести рабочую частоту до 100 МГц. Так как уменьшение физической толщины базы не давало кардинального решения проблемы повышения частоты, то возникли идеи создания неоднородного распределения примесей в базе путем формирования внутренного дрейфового поля. На пути реализации этой цдеи была разработана технология сплавления — диффузия. Метод был предложен в 1955 г. фирмой «Белл систем». Диффузия позволила получить транзисторы с малой толщиной базы и неоднородным распределением в ней примесей для получения высокой концентрации со стороны эмиттера (малое сопротивление базы) и малой концентрации со стороны коллектора (малые значения емкости коллектора). Встроенное в базу дрейфовое поле позволило уменьшить пролетное время носителей и, следовательно, достичь высоких предельных частот. Отечественные сплавно-диффузионные гер¬
10*
291


маниевые транзисторы 401—403 были рассчитаны на частоты 30, 60 и 120 МГц. Разработанные в 50-е годы транзисторы типа П410 и П411 имели максимальные частоты генерации 200 и 400 МГц соответственно. По принятой технологии на германиевой пластине с помощью ультразвукового инструмента одновременно изготовлялось несколько сот лунок, в которые загружались шарики эмиттерного и базового сплавов. Производился процесс вплавления-диффузии одновременно для всей группы приборов.
Процесс диффузии позволил резко увеличить точность задания толщины базовой области потому, что глубина проникновения примесей задавалась температурой, давлением паров, временем их воздействия, а эти факторы можно было точно дозировать. Использование диффузии позволило наладить групповое производство транзисторов.
Первым прибором, изготовленным с использованием процесса диффузии, был меза-транзистор, появившийся в 1958 г. (фирма «Фейрчайльд»). Его поперечное сечение по форме напоминало плоскогорье. Особенностями меза-транзисторов были высокие рабочие частоты, прочность и хороший теплоотвод. Меза-транзистор мог быть изготовлен групповым методом, при котором диффузия и травление большого количества транзисторов на одной пластине производилась одновременно [32, с. 89].
Дальнейшее развитие транзисторов тесно связано как с совершенствованием конструкции, так и поиском новых технологических процессов. Так, только в США за первые двадцать лет после изобретения транзистора появилось около 800 патентов, в том числе на полевой транзистор, зонную очистку, разновидности диффузии, планарную технологию и т. д. [37, с. 7].
В методе зонной очистки (У. Пфанн, 1952 г.) использовалось свойство примесей оставаться в расплаве в форме химических элементов и соединений. Для этого расплавленную зону прогоняли вдоль образца, собирали все присутствующие в кристалле примеси на одном из концов образца и затем обрезали этот конец. Метод зонной очистки позволял получать концентрацию вредных примесей в образце не более 1012 см-3 и лучше [47].
В 1959 г. был сделан еще один важный вклад в транзисторную технологию. Исследования транзисторных структур показали, что диффузия фосфора и бора в маску из окиси кремния наделяла ее пассивирующими свойствами. Пассивация поверхности позволила создать планарную конструкцию транзистора [37, с. И]. Предложенные в 1959 г. планарные транзисторы Дж. Герни (фирма «Фейрчайльд») были более надежными, чем транзисторы ранее известных конструкций.
В планарном транзисторе эмиттерная область создавалась путем диффузии в базовую область. В свою очередь, базовая область получалась посредством диффузии в коллекторную подложку. Главным достоинством планарного транзистора явилась возможность создавать множество плоских приборов на одной подложке. Это открывало путь к интеграции приборов в пределах одной подложки.
Перед разработчиками транзисторов всегда стоял вопрос о мощности, частоте и габаритных размерах. Улучшение какого-либо из этих параметров, как правило, вело к ухудшению других. Так, увеличение размеров кристалла приводило к снижению рабочей частоты. Этим, в частности,
292


объясняется большое число типов транзисторов, которые отвечали определенному оптимальному параметру. Качество транзистора можно охарактеризовать произведением рабочей частоты на отдаваемую мощность. Этот параметр постоянно увеличивался благодаря внедрению новых технических решений, а также развитию технологии производства и сборки транзисторов.
Для создания высокочастотных транзисторов необходимо было увеличивать активную площадь структуры, т. е. площадь инжекции эмиттерного тока в базу. При этом габаритные размеры прибора необходимо было сохранить прежними. Решение было найдено в создании структур с развитым периметром эмиттера. Появились приборы с гребенчатой структурой [37, с. 17].
История транзисторов знает много примеров новых технических решений, которые впоследствии открывали отдельные направления в полупроводниковой электронике [48,49]. Примером поиска новых конструктивных решений стало появление полевого транзистора. Этот прибор выполнял функцию резистора, управляемого напряжением.
Первый промышленный полевой транзистор был изготовлен в 1958 г. во Франции С. Тешнером и назывался «текнетроном». Необходимо отметить, что годом ранее подобную идею высказал Дж. Уолмарк (США), но реализовать ее не сумел. Вольт-амперные характеристики полевого транзистора имели малую крутизну. Транзистор имел большие токи утечки и мог работать на частотах несколько мегагерц. Первые практические применения полевой транзистор нашел в структурах сложных логических вентелей в усилительных и аналоговых схемах для авиационно-космической аппаратуры. Полевые транзисторы обладают уникальными характеристиками, среди которых — высокое входное сопротивление, низкий уровень шумов. Они конструктивно просты и экономичны.
Применение планарной технологии позволило существенно улучшить характеристики полевых транзисторов и резко уменьшить их стоимость при массовом производстве. Полевые транзисторы образовали самостоятельное направление в полупроводниковой электронике. В середине 60-х годов объем выпускаемых дискретных полупроводниковых приборов сильно вырос (рис. 80). Затем рынок сбыта дискретных полупроводниковых приборов стабилизировался и лишь в последние годы несколько увеличился.
В настоящее время транзисторы по-прежнему являются основной продукцией полупроводниковой промышленности. Они составляют от 50 до 60% рынка сбыта дискретных приборов, или 7—10% рынка сбыта всех полупроводниковых приборов (в денежном выражении). Ныне применяются два основных типа транзисторов: биполярные и полевые. Первые составляют подавляющее большинство — около 80% всех транзисторов. Биполярные транзисторы выпускаются маломощные (до 1 Вт), средней мощности (от 1 до 20 Вт), высокой мощности (более 20 Вт). Они работают на высоких частотах — свыше 1 ГГц. Маломощные транзисторы весьма миниатюрны и используются в схемах специального назначения, гибридных интегральных схемах и т. п. Мощные транзисторы широко используются в выходных цепях усилителей низкой частоты, генераторах, схемах управления, в качестве релейных элементов, в сервоусилителях, сенсорных
293


Рис. 80. Развитие технологических методов в истории полупроводниковых приборов
1 — точечно-контактные приборы, 2 — сплавные приборы, 3 — меза-приборы, 4 — планарно-эпитаксиальные приборы
переключателях и т. п. Наметилась тенденция создания высоковольтных, комплементарных, высокочастотных мощных транзисторов. Коэффициент усиления ряда транзисторов достигает значения 5 -104 и более, рабочие напряжения около 500 В, пиковые значения тока до 200 А; они сохраняют способность работать при температурах корпуса порядка 100°С.
В мировой электронике идет конкурентная борьба за создание мощных транзисторов дециметрового диапазона для использования в бортовом и наземном оборудовании в диапазоне частот 225—400 МГц. Типичное усиление таких транзисторов составляет 8—9 дБ. Перспективным прибором является биполярный транзистор с проницаемой базой, который сможет работать на частотах 10 ГГц и более.
В последние годы в производстве полупроводниковых приборов отмечается возрастание роли полевых транзисторов из арсенида галлия с затвором на основе барьера Шоттки. Разработаны компактные приборы на частоте до 40 ГГц с коэффициентом усиления от 4 до 14 дБ и коэффициентом шума в пределах 0,5—4,0 дБ. Значительный прогресс достигнут в области мощных полевых СВЧ транзисторов. Приборы этого типа рассчитаны на частоту 4—25 ГГц с коэффициентом усиления 3—6,5 дБ, выходной мощностью 20—45 дБ • м и КПД до 40%. Ведутся разработки мощных высоковольтных полевых транзисторов. Разработаны транзисторы с рабочим напряжением до 500 В, работающие при токах 20 А в непрерывном и 50 А в импульсном режимах; типичное время включения составляет 60 нс, выключения — 200 нс. Этот тип транзисторов найдет применение в схемах управления электроприводом, электронных устройствах автомобилей, си- темах робототехники, управления станками.
294


Вслед за транзистором
Исследование транзистора, поиск его оптимальных конструкций занимали умы многих исследователей в мире. Транзисторы и другие полупроводниковые приборы стали основой многих исследовательских программ. Изобретательский дух, творческая атмосфера, которые способствовали созданию транзистора, выдвинули электронную промышленность в ряды самых динамичных отраслей промышленности.
В полупроводниковой электронике, как в фокусе, сконцентрировались достижения физики твердого тела, квантовой механики, кристаллографии, материаловедения и других областей фундаментальных и прикладных наук. Если в 30—40-е годы 90% объема продажи изделий ламповой электроники концентрировалось в основном вокруг радиотехнических устройств, то уже в 50-е годы на радиооборудование приходилось не более 20%. Исследования и разработки новых изделий полупроводниковой электроники все время возрастают, оказывая существенное влияние на прогресс в смежных областях науки и техники. Электронные предприятия ежегодно расширяли номенклатуру своей продукции, рос приток инженеров как в электронную промышленность, так и в исследовательские центры по электронике.
Широкий фронт исследований в современной полупроводниковой электронике позволил придать многим теоретическим изысканиям большую практическую направленность. Так, в 1952 г. было экспериментально доказано существование экситона — квазичастицы, соответствующей электронному возбуждению кристаллов полупроводника или диэлектрика. Выяснилось, что экситон способен мигрировать по кристаллу без переноса электрического заряда и массы [50]. Еще в 1930 г. Я. И. Френкель предложил гипотезу, что при поглощении излучения в кристалле возникали два различных типа возбуждения кристалла — фотоактивный и нефотоактив- ный [51, с. 126, 157, 182]. Он предположил, что в неметаллических кристаллах существовали состояния, связанные с поглощением фотона с энергией меньше ширины запрещенной зоны и возбуждением атома без создания носителей тока. Электрон связывался с образованной им дыркой в единую нейтральную систему, которую Френкель назвал экситоном.
Было отмечено существование в инерционной поляризующейся среде особого квантового стационарного состояния электрона — полярона. На это впервые указали Л. Д. Ландау (1933 г.) и Я. И. Френкель (1936 г.). Концепция поляронов существенно повлияла на развитие теории полупроводников.
Начиная с 1948 г. в СССР под руководством С. Г. Калашникова был проведен цикл исследований высокочастотных свойств р-п-преходов. Удалось понять природу основных физических процессов в полупроводниковых системах в высокочастотных полях и разработать германиевые СВЧ диоды, организовать их промышленное производство в СССР. Калашников одним из первых указал на важную роль наличия нескольких электронных уровней энергии у примесных атомов и дефектов. Это позволило понять кинетику рекомбинационных процессов, определить сечения захватов, время жизни. Ему удалось установить, что доминирующим процессом стала ударная рекомбинация [52].
295


Интересные результаты были получены при изучении воздействия корпускулярного облучения на физические свойства полупроводников, предвосхитившие разработку метода ионного легирования и травления в микроэлектронике [53].
Пожалуй, наиболее интересным случаем, когда фундаментальные исследования привели к появлению полупроводникового прибора, явилось создание туннельного диода. Многообразие функций, которые он мог выполнять (генерирование и усиление электромагнитных колебаний, переключение, преобразование частоты и т. д.), по технической значимости поставило создание туннельного диода вровень с открытием транзистора. Работа туннельного диода основана на туннельном эффекте, в соответствии с которым частицы с заданным потенциалом могли с определенной вероятностью проникать через высокопотенциальный барьер. Этот эффект был предсказан в 1939 г. Г. Гамовым. Диод на его основе был создан в 1958 г. Л. Эсаки [54]. Он сумел сформировать чрезвычайно резкий переход между очень сильно легированными р- и м-областями в германии так, чтобы обедненная область в диоде была очень тонкой. Прилагая напряжение смещения в прямом направлении, Эсаки обнаружил возрастание суммарлого туннельного тока в этом направлении. При увеличении напряжения смещения сверх некоторого значения ток в прямом направлении убывал вследствие уменьшения числа состояний электронов, доступных для туннелирования. Этот эффект эквивалентен возникновению отрицательного сопротивления, которое можно использовать для создания высокочастотных усилителей, генераторов, переключателей. Уже в 1959 г. были разработаны туннельные диоды, работавшие на частотах свыше 1 ГГц. В ходе дальнейших исследований Эсаки открыл явление сильного возрастания магнитосопротивления при определенном значении электрического поля (эффект Эсаки), а в 1966 г. обнаружил сверхпроводящую энергетическую щель в полупроводниках.
Работы по совершенствованию конструкций транзисторов и исследованию их свойств интенсивно продолжались. Так, обнаруженный эффект спада предельной частоты усиления транзистора с ростом тока эмиттера привлек внимание ряда исследователей у нас в стране и за рубежом [55, 56]. Исследование этого явления, получившего название эффекта Федотова—Кирка, позволило конструировать транзисторы для электронных схем с прямым автоматическим регулированием усиления, а также для генераторных транзисторов. Группа исследователей, используя введенный У. Шокли принцип транзистора с ловушкой в коллекторе, в середине 50-х годов предложила конструкцию твердотельного тиратрона путем добавления к транзисторной структуре еще одного р-я-перехода. Такая транзисторная конструкция, полученная на основе р-п-р-п- или п-р-п-р-структур и названная тиристором, обладала бистабильными характеристиками и способностью переключаться из одного состояния в другое [57]. В зависимости от способа включения р-п-переходов различали тиристоры диодные (динисторы) и триодные (тринисторы). Благодаря двум устойчивым состояниям и низкой мощности рассеяния в этих состояниях тиристоры нашли широкое применение в устройствах для регулирования мощности, в электропреобразовательных высоковольтных устройствах и т. п.
296


В 1958 г. в СССР появились первые полупроводниковые стабилитроны (типа Д-808—Д-813), а в дальнейшем были созданы и освоены в производстве стабилитроны с широким диапазоном напряжений (от 0,7 до 180 В) и мощностью 5—8 Вт. Уход напряжения прецизионных стабилитронов не более 5-10_3% за 5000 ч работы, а температурная стабильность— не хуже 5* 10_5% на градус.
В 1963 г. Дж. Ганн обнаружил в кристалле арсенида галлия с электронной проводимостью эффект генерации высокочастотных колебаний тока. Образец полупроводника обладал N-образной вольт-амперной характеристикой, имевшей участок с отрицательным дифференциальным сопротивлением.
Этот эффект вызван периодическим появлением и перемещением в образце области сильного электрического поля — так называемого домена Ганна. На основе этого эффекта СВЧ генераторы функционировали в диапазоне частот 0,3—2,0 ГГц. Для этой цели использовались полупроводники электронного типа GaAs, SnP, CdTe, ZnS, InSb, InAs, а также германий с дырочной проводимостью [58]. Другим типом полупроводникового СВЧ диода с отрицательным дифференциальным сопротивлением стали лавинно-пролетные диоды (ЛПД). В них использовались явления лавинного умножения носителей заряда, ударная ионизация, лавинный пробой в структурах типа n+-p-i-p+, выполненных из кремния, германия или арсенида галлия путем ионного легирования [59]. Различали несколько режимов работы ЛПД. Пролетный режим работы основан на использовании лавинного пробоя и пролетного эффекта носителей в обедненной области различных полупроводниковых структур. Этот режим назвали также режимом IMPATT (Impact Avalanche Transit Time — ударная ионизация и пролетное время), а диоды, работающие в этом режиме, — IMPATT-диодами. Аномальный режим работы ЛПД с захваченной плазмой назвали режимом TRAPPAT (Trapped Plasma Avalanche Triggered Transit — захваченная плазма, пробег области лавинного умножения), соответственно этому диоды, работавшие в этом режиме,— TRAPPAT-диодами.
ЛПД применяли для генерации и усиления в СВЧ диапазоне на частотах от 10 до 100 ГГц с КПД до 50%.
На базе полупроводниковых параметрических усилительных диодов были созданы усилители сигнала, обладавшие температурой шума в 50—60К без охлаждения и 25К и ниже при охлаждении. Они нашли широкое применение в устройствах дальней связи, радиоастрономии, в системах спутниковой связи. Одним из крупнейших научных достижений физики полупроводников стало создание Н. Г. Басовым с сотрудниками полупроводниковых лазеров оптического и ближнего инфракрасного диапазонов [59], которые нашли широкое применение в оптических системах записи, хранения и обработки информации, в системах связи и~т. п. Весьма перспективным явилось применение полупроводниковых лазеров в волоконнооптических линиях связи.
Проблему преобразования световой энергии в электрическую с помощью полупроводников одним из первых поставил А. Ф. Иоффе. Основополагающими в области фотоэлектрических свойств полупроводников были работы советских ученых Б. И. Давыдова, И. В. Курчатова,
297


Ю. М. Кушнира, Л. Д. Ландау, В. Е. Лашкарева и В. М. Тучкевича, Ж. И. Алферова и др. В 50-е годы был создан германиевый фотоэлемент, работавший в диодном режиме и управлявшийся светом по обратному току. Разработанные в США и СССР фотодиоды с р-я-переходом позволили существенно повысить КПД фотопреобразователей.
Благодаря освоению технологии выращивания монокристаллов кремния были созданы кремниевые вентильные фотоэлементы большой площади с сравнительно большими КПД. Эти приборы нашли широкое применение в наземных и бортовых устройствах непосредственного преобразования солнечной энергии в электрическую [60, 61]. Фотоэлектрическими элементами стали заниматься промышленные фирмы во всем мире.
КПД преобразования кремниевых элементов достиг 10—18%. Дорогие арсенид-галлиевые приборы выгодно использовать при высокой концентрации света. В таком случае в процессе фотоэлектрического и фототермического преобразований КПД достиг значения 25%. Современной наукой поставлена задача создания установок, способных сделать фотоэлектрические источники конкурентоспособными по отношению к другим видам генераторов. С 50-х годов стала разрабатываться идея использования р-п-переходов для преобразования ядерной энергии в электрическую. При прохождение через кристалл проводника ионизирующие частицы вдоль своей траектории генерировали электронно-дырочные пары. Эти пары создавали напряжение на р-я-переходе. Созданная на основе этого явления экспериментальная атомная батарея позволяла непосредственно осуществлять преобразование энергии радиоактивного излучения в электрическую энергию. Одновременно были созданы фотопреобразователи на основе сернистого кадмия CdS, чувствительные к рентгеновским лучам и корпускулярному излучению. Они широко использовались в качестве дозиметров рентгеновского излучения и счетчиков ос- и ß-частиц.
Одним из применений полупроводников явилось детектирование инфракрасного излучения. По своим технико-экономическим характеристикам полупроводниковые детекторы инфракрасного излучения на основе PbS, PbSe, PbTe, InSb существенно превосходили ранее использовавшиеся детекторы теплового излучения. Термовизоры на базе полупроводниковых детекторов инфракрасного излучения, которые начали разрабатываться в 60-х годах, нашли применение в различных областях науки и техники. По мере обработки отдельных узлов улучшились технические характеристики устройств. Применение системы на базе прецизионной оптики и полупроводниковых детекторов излучения со встроенным микропроцессором позволило измерять температуру в диапазоне от 30 до 2000° С с разрешающей способностью 0,1° С. Можно получить термальное изображение объекта на экране тепловизора, используя естественное инфракрасное излучение этого объекта. Высокоскоростная цифровая память позволила хранить и обрабатывать информацию об измеренных значениях температур, выполнить сканирование термически неоднородных поверхностей.
В последние годы основными приемниками инфракрасного и субмиллиметрового излучения в диапазоне длин волн от 6 до 500 мкм явились
298


примесные-фотоэлектрические приемники на основе кремния, германия, эпитаксиальных пленок арсенида галлия, антимонида индия. Созданы приемники излучения с разогревом носителей тока в полупроводниках. Все они нашли применение для наблюдения источников космического излучения, излучения Земли, для изучения распределения яркости Солнца по диску и т. д.
Полупроводники обладают повышенной чувствительностью к воздействию внешних факторов. Температурные, электрические, магнитные, электромагнитные поля, механические деформации зачастую приводят к изменению свойств полупроводниковых приборов за счет изменения их электрических параметров. Эти свойства полупроводников были использованы для создания различных датчиков и приборов на их основе. Разработаны и производятся полупроводниковые резисторы, использующие зависимость электрического сопротивления от внешних факторов: термисторы, фоторезисторы, варисторы, тензорезисторы. Промышленные образцы термисторов, меняющих электросопротивление под действием тепловых полей, изготовлены из композиции полупроводников, которые подобраны так, чтобы коэффициент температурной зависимости сопротивления был максимально большим. Термисторы с положительным значением температурного коэффициента получили название позисторы, их разработка велась в начале 60-х годов. Термисторы, предназначенные для измерения мощности электромагнитного излучения в видимой, инфракрасной областях спектра, а также в СВЧ диапазоне названы болометрами.
В фоторезисторах использовано явление внутреннего фотоэффекта, т. е. изменение электрического сопротивления от освещенности. В первых фоторезисторах использовался селен, затем стали применяться сернистый свинец, сернистый висмут, позже — сернистый кадмий. Затем получили распространение кремниевые фоторезисторы. Разработаны полупроводниковые варисторы, обладающие нелинейным сопротивлением, меняющимся в зависимости от приложенного напряжения; они стали использоваться в низковольтных и высоковольтных цепях для защиты от перенапряжений. Тензорезисторы с зависимостью сопротивления от механического напряжения нашли применение в контрольно-измерительной аппаратуре для измерения линейных деформаций, механических напряжений, давлений.
На стыке научных направлений физики полупроводников появились интересные работы. Особенно интересны работы по акустоэлектронике. Здесь был предсказан и экспериментально обнаружен новый тип поверхностных акустических волн Гуляева—Блюстейна. Большое значение также имели теоретические и экспериментальные исследования явлений увлечения электронов акустическими волнами и открытие акустоэлектри- ческого и акустомагнетоэлектрического эффектов, поперечного акусто- электрического эффекта, нелинейных акустоэлектрических явлений, акустооптических явлений и т. д. Эти разработки были широко использованы при создании акустоэлектронных устройств для систем связи и обработки информации [62].
Реальные пути стыковки дискретных полупроводниковых приборов с традиционными элементами связи открыла оптоэлектроника, представ¬
299


ляющая особый раздел науки и техники, посвященный вопросам генерации и приема, а также преобразования и хранения информации на основе сочетания электрических и оптических методов и средств[63]. Оптоэлектроника стала развиваться с 60-х годов на основе достижений квантовой электроники, полупроводниковой электроники, электрооптики, голографии, инфракрасной техники и т. д.
Сборка сложного электронного оборудования была трудоемким процессом, который все усложнялся с ростом числа элементов схем. Только в одном компьютере 60-х годов было более 100 000 диодов и около 25 000 транзисторов. Поэтому все острее вставал вопрос о создании новой технологии, которая позволила бы исключить соединения между дискретными элементами во все усложняющихся схемах [64]. Так возникла идея создания интеграции полупроводниковых приборов в одном кристалле — идея интегральной схемы. Правда, идея интегральной схемы появилась еще в 1952 г. после появления групповых методов изготовления полупроводниковых приборов. Она прозвучала в докладе Д. Даммера, который отмечал, что с появлением транзистора и работ в области полупроводниковой техники вообще можно себе представить электронное оборудование в виде твердого блока, не содержащего соединительных проводов; блок мог состоять из слоев изолирующих, проводящих, выпрямляющих и усиливающих материалов, в которых определенные участки вырезаны таким образом, чтобы они могли непосредственно выполнять электрические функции [32, с. 91]. Заслуга изобретения интегральных схем связана с именем Дж. Килби и Р. Нойса, которые сделали это независимо друг от друга, не зная об идеях Даммера. Именно в самом начале 60-х годов появилось принципиально новое направление в полупроводниковой электронике — интегральная микроэлектроника. История этого направления, родившегося и выпестованного в недрах полупроводниковой дискретной электроники, будет рассмотрена в следующей, третьей книге нашего труда.
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ
Начало исследований по СВЧ
В цепи исследований, связанных с использованием все более высоких частот электромагнитного спектра, важный этап составило освоение сверхвысоких частот (СВЧ), т. е. частот в диапазоне 0,3—3000 ГГц. По длинам волн в этом участке выделены диапазоны: дециметровый (0,3—3 ГГц), сантиметровый (3—30 ГГц), миллиметровый (30—300 ГГц) и субмиллиметровый (300—3000 ГГц). Диапазон СВЧ оказался очень перспективным в применениях как для радиотехнических нужд, так и в областях, достаточно далеких от радиотехники.
Сверхвысокие частоты нашли применение в радиотехнике для ин¬
300


формационных целей, для передачи разного рода радиосигналов в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радионавигации, радиоуправлении, технической диагностике и технике измерений, а также в вычислительной технике.
Весьма разнообразен круг применений СВЧ в физических исследованиях, где техника СВЧ явилась своеобразным средством изучения явлений,— в радиоспектроскопии, физике твердого тела, ядерной физике, радиоастрономии и др. Это также и технологические применения СВЧ, использование их в медицине и биологии. Наконец, следует отметить область использования СВЧ, носящую больше энергетический, чем информационный характер,— для генерирования, передачи и преобразования радиоэнергии относительно высокой мощности, например для радионагрева и т. д.
При освоении диапазона СВЧ понадобилось создание соответствующих приборов: генераторов и усилителей, линий передачи СВЧ, основанных на новых физических принципах и явлениях. Более длинноволновые приборы традиционного типа для целей СВЧ оказались непригодными.
Первые исследования электромагнитных колебаний и волн в этих диапазонах — уже давняя и славная страница в истории физики. Действительно, еще в 1888 г. с помощью волн длиной порядка 66 см Г. Герц экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн, что по его же словам означало «...блестящую победу теории Максвелла» [1, с. 182]. Явление дифракции, затемнявшее все другие эффекты, не позволило последующим многочисленным экспериментаторам, работавшим на длинах волн этого порядка, прибавить что-либо к уяснению сходства между световыми и электромагнитными волнами. В этом смысле уникальными оказались опыты П. Н. Лебедева, усовершенствовавшего метод Герца. При помощи миниатюрного искрового генератора Лебедев получил колебания с длиной волны 0,6 см. Это позволило ему провести опыты по двойному лучепреломлению электромагнитных волн [1, с. 190, рис. 48 на с. 192]. Впоследствии А. А. Глаголева-Аркадьева получила волны от 50 мм до 82 мкм, осуществив тем самым «смыкание» электромагнитных волн со световыми—инфракрасными [2, с. 104, 105]. Однако, упомянутые и многие другие исследователи работали с некогерентными искровыми источниками. Только через тридцать с лишним лет после опытов Герца был< найден способ генерирования коротких монохроматических незатухающих колебаний с помощью электронной лампы.
Колебания сверхвысоких частот впервые были получены в 1919 г. в аудионе (трехэлектродной лампе — вакуумном триоде), содержащем управляющую сетку между нитью накала и анодом. Триод был сконструирован Л. де Форестом для работы на низких частотах, а СВЧ колебания имели место при наличии колебательного движения электронов в межэлектродном пространстве при положительном потенциале на сетке и отрицательном на аноде [3, с. 52].
Вскоре были открыты и исследованы колебания в простейших генераторах новых типов — магнетронах («гладком» и с разрезным анодом), а затем в диодах.
301


Важность СВЧ диапазона для различных применений была быстро понята, что привело к интенсивным поискам путей усовершенствования уже существующих ламп и созданию новых, в основе которых были заложены иные принципы. Идеи появлялись в изобилии, и их количество быстро росло. Однако, надо иметь в виду, что приборам нового типа на пути к их широкому использованию приходилось вести жестокую конкурентную борьбу с приборами старых типов, технология производства которых была хорошо отработана. Лишь немногие новые приборы выдерживали эту борьбу. Если проследить за развитием электроники, то нетрудно заметить, что ежегодно появлялся ряд новых типов приборов, которые однако создавались в виде немногих лабораторных макетов и затем оставались лишь вехами на пути развития научных идей. Массовое же применение получали, как правило, только приборы с выдающимися свойствами [4, с. 221, 222]. Очевидно, что выдающимися свойствами обладали те приборы, в основе принципа действия которых лежали выдающиеся идеи — идеи механизмов взаимодействия электронных потоков со стоячими или бегущими электромагнитными полями.
Можно выделить пять выдающихся идей, которые легли в основу СВЧ электроники: 1) модуляция электронов с последующим группированием в пространстве дрейфа (идея, породившая клистроны) ; 2) взаимодействие электронов, движущихся в скрещенных статических электрическом и магнитном полях, с высокочастотным электрическим полем (идея привела к созданию магнетрона) ; 3) взаимодействие электронного потока с замедленной электромагнитной волной (на этом пути родилась лампа с бегущей волной); 4) взаимодействие электронного потока с обратной электромагнитной волной (идея привела к созданию лампы с обратной волной — карсинотрона) ; 5) взаимодействие незамедленной электромагнитной волны с потоком электронов, движущихся по винтовым траекториям (приборы, основанные на этой идее, получили название мазеров на циклотронном резонансе; в них, по существу, имело место индуцированное излучение классических осцилляторов). Первым трем идеям и посвящено содержание этой главы.
Первые открытия. Диоды СВЧ
История распорядилась так, что впервые генерация электромагнитных колебаний СВЧ была получена в устройствах, которые сегодня называют электронными мазерами [5, с. 1416]. Эти колебания были обнаружены Г. Баркгаузеном и К. Курцем в 1919 г. при исследовании обычных триодов, в которых сетка находилась под положительным потенциалом по отношению к аноду и катоду [6]. Независимо С. И. Зилитинкевич в Ленинграде обнаружил аналогичные колебания в усилительных лампах с сетками [7]. Баркгаузен объяснял механизм колебаний в таком генераторе тем, что вылетевшие из катода электроны ускорялись сеткой, но, пройдя ее, возвращались обратно тормозящим полем в пространстве сетка—анод, проскакивали сетку в обратном направлении, разворачивались, вновь ускорялись сеткой, проходили ее, вновь тормозили и т. д. Такие колебания электрона около сетки происходили до тех пор, пока он не попадал на нее. Каждый электрон был подобен маятнику, совершав-
302


тему в общем случае нелинейные колебания, обусловленные электростатическими полями между электродами. По современным воззрениям, совокупность таких нелинейных электронов — классических осцилляторов проявляла свойства «универсальной» активной среды, способной поддерживать электромагнитные колебания без электродинамических систем, состоящих из мелкоструктурных элементов с размерами порядка длины усиливаемой или генерируемой волны К
Группирование электронов-осцилляторов под действием переменного поля определялось их неизохронностью, т. е. зависимостью их собственной частоты соо от энергии Е. Если частота со внешнего воздействия в точности равна со0 (резонанс) и осцилляторы изохронны (d(D0/d£ = 0), то половина электронов будет отдавать энергию ВЧ полю («правильнофазные»), а половина — забирать («неправильнофазные»). Поэтому для получения эффекта индуцированного излучения электронов-осцилляторов нужно было «убрать» неправильнофазные электроны из пространства взаимодействия — нужен был механизм фазовой рассортировки. В схеме тормозящего поля таким механизмом явилось поглощение электронов анодом или сеткой [8, с. 90—103].
Рассмотрим теперь резонансную раскачку неизохронных электронов-осцилляторов (d(ù0/dE=£0), используя для наглядности фазовую плоскость (хх), где х — смещение осциллятора, ах — его скорость. На рис. 81 жирная фазовая траектория соответствует движению электронов-осцилляторов в отсутствие переменного поля. Чаще всего dco0/ /dE < 0, т. е. частота уменьшалась с ростом энергии. При этом ускоренные электроны-осцилляторы колебались медленнее (на фазовой плоскости это соответствовало переходу на внешнюю по отношению к начальной траекторию; относительное движение их показано стрелкой Б), а заторможенные начинали колебаться быстрее (переход на внутреннюю по отношению к начальной траекторию; относительное движение показано стрелкой А). В результате создавался «фазовый сгусток» (на рис. 81 он заштрихован) [4, с. 370—390], [5, с. 1420, 1421]. Аналогичная фазовая группировка имела место и при diù^/dE> 0, но сгусток создавался в фазе, сдвинутой на я по отношению к предыдущему случаю. Образовавшийся сгусток мог поддерживать колебания определенной фазы, т. е. можно сказать, что имело место индуцированное излучение классических электронных осцилляторов, которое характеризовалось возможностью весьма широкой перестройки частоты, поскольку последняя определялась напряженностью статических полей в пространстве взаимодействия.
Генератор Баркгаузена—Курца или, как позднее стали говорить, генератор с тормозящим полем привлек внимание многих физиков. Этому способствовали исследования триодов с положительной сеткой,
1 	Именно возможность использовать индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов (в нашем случае электронов-осцилляторов) и,утвердил а за подобными приборами название «электронные мазеры». MASER — microwave amplification by stimulated emission of radiation, т. e. усиление радиоволн в результате вынужденного излучения. Этот термин не обязательно относится к среде из квантовых осцилляторов, среда может быть и классической.
303


в которых в противоположность результатам Баркгаузена и Курца, когда частота определялась разностью потенциалов и расстоянием между электродами, колебания почти целиком определялись параметрами внешних контуров [9, с. 12, 13].
Поначалу думали, что открыто нечто принципиально новое. Однако благодаря многим детальным исследованиям, в первую очередь М. Т. Греховой, Н. А. Капцова и С. Д. Гвоздовера, было понято, что «чисто электронные» колебания соответствуют лампе с малым зарядом сетки (фазовая группировка), а контурные — с относительно большим зарядом сетки (фазовая рассортировка) [9, с. 12, 13], [10, с. 5].
Рис. 81. Образование сгустка неизохронных электронов-осцилляторов на фазовой плоскости
В дальнейшем М. Т. Греховой и ее сотрудниками были созданы лампы с тормозящим полем с новыми контурами: во-первых, с внутренними контурами и, во-вторых, с колебательными контурами, в которые входили сетка и замкнутый отрезок лехеровой линии [3, с. 53]
Глубокие и полные исследования приборов с тормозящим полем были проведены В. И. Калининым в Саратовском государственном университете. В частности, в 1929 г. им были детально изучены так называемые «карликовые» волны, которые соответствовали различным значениям постоянной в соотношении Баркгаузена X-^UC = const. (X— генерируемая длина волны, Uc— напряжение на сетке) [8, с. 55, 56; И]. В 1933 г. Калинин предложил лампу, названную им апериодической, в которой сетка была выполнена в виде «беличьего колеса». В этих лампах была получена высокочастотная мощность до 0,2 Вт на длинах волн 55—57 см, причем был получен непрерывный спектр электронных колебаний в пределах одной области возбуждения генератора при одновременном изменении нескольких параметров режима лампы и изменении настройки колебательной системы. Особенность апериодической лампы состояла в том, что колебательная система, образованная анодом или сеткой, имела собственную частоту, сильно отличавшуюся от частоты электронов-осцилляторов.
К важным научным событиям того времени следует отнести и выход двух монографий Калинина [И, 12]. Книга 1935 г. была, по всей вероятности, одной из первых в мировой литературе по этому вопросу. Обе книги носили энциклопедический характер, поскольку содержали обзор работ по СВЧ электронике до 1938 г.
304


Магнетронные генераторы СВЧ колебаний
В 1921г. А. Хэлл опубликовал работу [13], в которой была показана возможность управления движением электронов между коаксиальными цилиндрами с помощью постоянного магнитного поля (регулируемого извне), перпендикулярного к постоянному электрическому полю между цилиндрами. С этой работой обычно связывают открытие магнетронного принципа колебаний. Главным в экспериментах Хэлла было открытие докритического, критического и закритического статических режимов в магнетроне (рис. 82). На рисунке над соответствующими точками кривой изображены траектории электронов для случая отсутствия магнитного поля (£ = 0), докритического (ВсВкр)у критического (ВфВкр) и закритического (В> Вкр) режимов работы магнетрона. Стало понятно, что и в двухэлектродной лампе можно управлять электронами, отклоняя их магнитным полем. До этого были известны лишь электростатические управляющее и отпирающее действия сетки в триоде. В работе [14] указывается, что Хэлл начал в 1916^ г. эксперименты по управлению электронами магнитным полем с целью создания лампы, которая могла бы конкурировать с аудионом Л. де Фореста. Но магнетрон Хэлла не нашел практического применения. Хэлл работал с магнетроном как с низкочастотной лампой. Он лишь упоминал в 1925 г. (позже А, Жаче- ка) о том, что в магнетроне могут возникать высокочастотные колебания типа колебаний Баркгаузена—Курца, но такую возможность не исследовал.
Первые СВЧ колебания в магнетроне с гладким анодом (как у Хэлла) были получены в 1924 г. А. Жачеком [15]. В магнетроне Жачека частота генерируемых колебаний была близка к циклотронной частоте вращения электронов сос= (е/т)В (е и т — заряд и масса покоя электрона, В — индукция магнитного поля), т. е. был создан электронный мазер со скрещенными полями на циклотронном резонансе. В основе работы магнетрона лежал механизм фазовой сортировки электронов — ускоренные высокочастотным полем электроны сразу оседали на катоде. Для удаления из пространства взаимодействия магнетрона электронов, которые в течение нескольких периодов высокочастотного поля тормозились и потеряли свою энергию вращательного движения, применялся наклон постоянного магнитного поля относительно оси прибора или введение дополнительных электродов на краях магнетрона (концевых дисков). В том же 1924 г. А. А. Слуцкиным и Д. С. Штейнбергом в Харьковском университете были начаты работы, которые также привели к открытию магнетронного способа создания СВЧ колебаний. Эти работы были развернуты по предложению и под руководством профессора Д. А. Рожанского [16, с. 72—76; 17; 18]. Были разработаны магнетроны с разрезным анодом, генерировавшие в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Сначала аноды были двухразрезные (двухсегментные), т. е. цилиндрический анод магнетрона делился на две части щелями, параллельными оси цилиндра.
Эти щели составляли емкость колебательного контура магнетрона, а. индуктивностью был металлический виток, присоединенный к половинкам анода. В дальнейшем появились и многосегментные конструкции,
305


Рис. 82. Зависимость тока /, проходящего через цилиндрический магнетрон в статическом режиме, от индукции магнитного поля при постоянном анодном напряжении
достоинством которых были низкие анодные напряжения и уменьшенные магнитные поля.
В двухсегментных магнетронах также наблюдались циклотронные колебания, когда собственная частота колебательного контура была близка к циклотронной частоте.
В 1923 г. был обнаружен и новый режим колебаний, при котором время пролета электронов от катода до анода мало по сравнению с периодом ВЧ колебаний, а сама лампа выступала в роли отрицательного сопротивления [19]. Это статическое сопротивление получалось из-за того, что при определенных условиях работы лампы траектории большего числа электронов оканчивались на сегменте с более низким потенциалом, независимо от того, к какому сегменту они направлялись после вылета с катода. Такие электроны, двигаясь против ВЧ составляющей поля, отдавали ей часть энергии, полученной от статического поля. В таких генераторах в те годы была получена мощность порядка 100 Вт при КПД до 25% на частотах 600—1000 МГц [20, с. 22].
В литературе описаны также малоизвестные страницы истории магнетрона, связанные с именами японских физиков X. Яги и К. Окабе, которые приступили к исследованиям в начале 1920 г. [14]. Интересно, что Яги узнал о магнетроне Хэлла от японского морского офицера, который вернулся из США. В 1927 г. Окабе сообщил о наблюдении магнетронных колебаний на волне около 20 см. В том же году он подал заявку на патент в Японии, а в 1928 г. — в США [14]. По-видимому, Окабе до 1928 г. не знал о работе Жачека.
Диодный СВЧ генератор. Статический способ
управления электронным потоком. Триоды СВЧ
Разумеется, что такая простая система, как диод, не могла не привлечь внимания исследователей с самого начала развития СВЧ электроники. Диод оказался прекрасной моделью для теоретических исследованйй особенностей взаимодействия электронов и электромагнит¬
306


ных полей на сверхвысоких частотах. Кроме того, теория диода явилась основой при расчете многих других СВЧ приборов.
В 1928 г. У. Бенхем [21] показал, что если электроды диода являются частью колебательного контура, то при определенных углах пролета электронов в контуре возможно поддерживать незатухающие колебания, независимо от того, будет ли ток катода достигать насыщения или он будет ограничен пространственным зарядом. Важную роль для дальнейшего понимания физики диода .сыграли работы И. Мюллера [22], а позднее Ф. Левеллина и Л. Питерсона [23]. Так называемые уравнения Левеллина—Питерсона связывали переменные составляющие — плотности конвекционного тока, плотности полного тока (конвекционного тока плюс тока смещения), скорости электронов и напряжения в диоде с плоскопараллельными катодом и анодом. Левел л ин предположил, что все переменные величины малы по сравнению с постоянными и периодически изменяются во времени.
Основным новым эффектом, который проявился в диоде на СВЧ, была инерция электронов2. На низких частотах электроны не проявляли своей инерционности, и можно было считать, что время их пролета от катода до анода равно нулю, или точнее со/Пр<С1, где со — круговая частота возбуждающего напряжения, а /пр — время пролета электронов через диод. Поскольку со = 2я/Г, где Т — период колебаний, то tnp<cT. На СВЧ tnр составляло значительную часть Г, поэтому электроны, влетевшие в диод в разные начальные моменты времени, имели в пространстве взаимодействия разные переменные скорости. Последнее приводило к сближению или удалению электронов в пространстве катод—анод и образованию электронных сгустков, наличие которых в данный момент времени определяло конвекционный ток. Сгустки — неоднородности плотности электронов — изменяли ток смещения, связанный с емкостью катод—анод. Это изменение приводило к тому, что лампа становилась более низкочастотной. Вскоре эти два эффекта, связанные с изменением скорости и плотности электронов в потоке, открыли заново, назвали скоростной модуляцией и фазовой фокусировкой (или группировкой) и положили в основу нового способа управления электронным потоком. А сейчас они только мешали!
В октябре 1935г. Г. А. Гринберг доложил в Ленинградском политехническом институте о более общих, чем уравнения Левеллина-Пи- терсона, соотношениях, описывавших процессы в диоде при больших амплитудах и углах пролета и при неограниченной эмиссии с катода [24, с. 114; 25]. Уравнения Левеллина—Питерсона были применены к лампам с большим числом электродов (наиболее полный анализ изложен в их поздней работе [26]). В частности, триод рассматривался как два последовательных диода: область катод—сетка—диод в режиме ограничения тока пространственным зарядом, область сетка—анод—диод в режиме насыщения тока (начальные скорости определялись характеристиками предыдущей области). Анализ электроники триода при
2 	Именно важность этого нового эффекта, по-видимому, заставила Левеллина дать своей книге название «Инерция электронов», несколько необычное для научной монографии того времени.
307


больших амплитудах и больших углах пролета провел в 1939 г. В. Е. Никольский [27].
В это же время было проведено много экспериментальных исследований, в которых пытались распространить применение обычных триодов на сверхвысокие частоты. Стремление это казалось естественным, поскольку способ управления электронным потоком по . плотности был весьма эффективен на низких частотах. При таком электростатическом управлении сетка лампы электростатически воздействовала на электронный поток, создаваемый катодом, изменяя в соответствии со своим потенциалом непосредственно плотность объемного заряда электронного облака (электронный ток мог меняться от нуля до тока насыщения). Подчеркнем еще раз, что управляющий элемент—сетка — действовала на плотность электронного потока и, если отрицательно заряженная сетка не перехватывала электроны, то управление потоком происходило с малыми потерями энергии.
В процессе исследований были выяснены и основные ограничения триодов по частоте — причины, мешавшие эффективному электростатическому управлению электронным потоком. К ним относились ограничения, связанные с инерцией электронов и со свойствами резонансных колебательных систем. Теоретический анализ показал, что конечное время пролета между электродами уменьшало крутизну лампы и увеличивало ее входную активную проводимость (активная проводимость определялась взаимодействием электронов с ВЧ полем; механизм ее возникновения хорошо описан в обзоре Варнеке [9, с. 22, 23] ). Если уменьшать время пролета за счет уменьшения межэлектродных расстояний, то увеличивались межэлектродные емкости, а это приводило к ограничению резонансной частоты колебательного контура. Можно было уменьшить эти емкости, уменьшая поверхность электродов, но тогда снижалась их теплорассеивающая способность. Кроме того, с ростом частоты возрастали омические потери, потери на излучение и потери в диэлектриках, использовавшихся для крепления элементов контуров или входивших в конструкцию лампы.
Ряд принципиальных конструктивных решений для триодов с отрицательным потенциалом сетки был предложен и реализован в СССР [24, с. 112—115]. Ю. А. Кацман и А. А. Шапошников создали конструкцию миниатюрных ламп, которая содержала принципы, приведшие впоследствии к созданию так называемых штабельных ламп [2.8]. Н. Д. Де- вятковым с сотрудниками в 1938—1939 гг. был сделан важный шаг по пути повышения КПД и увеличения выходной мощности ламп по сравнению с той, что давали лампы с тормозящим полем. Этой группой были разработаны новые триоды и триодные генераторы практически во всем диапазоне дециметровых волн (предельная длина волны 15—20 см). Основная особенность этих плоскопараллельных триодов состояла в том, что выводы от электродов были сделаны либо в виде дисков, либо в виде отрезков цилиндров с весьма малыми индуктивностями и сопротивлениями [29]. В качестве колебательных систем использовались коаксиальные линии, с которыми лампы конструктивно удобно сочленялись. В 1939—1940 гг. эти же авторы создали металлические триоды в дециметровом диапазоне длин волн [30], в которых сетка с помощью шайбы кре¬
308


пилась непосредственно на внутренней поверхности металлического баллона лампы (это улучшало условия охлаждения сетки и снижало ВЧ потери).
Описанные выше принципы конструирования триодов СВЧ послужили основой для создания множества типов триодов СВЧ не только в СССР, но также в Англии, США, Германии [3, с. 54].
Заметим, что быстрое развитие СВЧ электроники начиная с 30-х годов было связано с развитием радиолокации.
Модуляция электронов по скорости. Клистроны
В отличие от электростатического динамический способ управления электронным потоком состоял в следующем. Управляющий элемент воздействовал не на плотность, а на скорость электронов, периодически ускоряя или замедляя их в ВЧ электрическом поле. Такой процесс периодического изменения скорости электронов получил название модуляции электронного потока по скорости, или просто скоростной модуляции (velocity modulation).
Модуляция электронного потока по скорости из-за конечного времени пролета электронов в ВЧ поле или пространстве, свободном от внешних ВЧ полей, превращалась вследствие группирования электронов в модуляцию по плотности (в пучке возникает переменная составляющая тока).
Группирование, или фазовая фокусировка (специалисты по физике плазмы употребляют термин «бунчировка», от английского bunching — группирование) — это явление образования электронных уплотнений (групп). Она возникла благодаря тому, что электроны с большими скоростями догоняли электроны с меньшими скоростями, но вышедшие раньше. В потоке сгустки чередовались с разряжениями. Периодичность тех и других определялась частотой модулирующего напряжения в управляющем элементе.
Сгруппированный электронный поток попадал в выходной элемент, связанный с колебательным контуром, и возбуждал в последнем колебания, причем их амплитуда могла быть значительно выше, чем амплитуда внешнего управляющего воздействия (в дальнейшем мы рассмотрим детально процесс модуляции по скорости и группирование электронов применительно к конкретным устройствам). О существовании скоростной модуляции и процесса группирования, разумеется, знали исследователи диода и триода с положительной и отрицательной сеткой после того, как поняли роль инерции электронов на сверхвысоких частотах (выше мы писали об этом). Но только в 1932—1935 гг. эти знания оформились сначала в идею принципа действия ламп со скоростной модуляцией, а затем и в конструкцию прибора. В этот период было выполнено много работ, в которых пытались устранить вредное влияние инерции электронов, изменяя расположение элементов лампы. Интересно, что получавшаяся при этом геометрия легла в основу ламп с скоростной модуляцией [9, с. 32]. Р. Компфнер в своей книге отмечает [31, с. 3], что модуляция по скорости — отличный пример недостатка, который превратился в достоинство. У. Бенхэм, И. Мюллер, Ф. Левеллин и дру-
309


Рис. 83. Две схемы (аиб), предложенные Арсенье- вой-Хейль и Хейлем, и картина распределения потенциала вдоль пространства взаимодействия (в)
гие разработали прекрасные теории поведения обычных ламп, которые учитывали время пролета, влияние пространственного заряда и начального распределения по скоростям и которые безусловно содержали модуляцию по скорости, но неявно. Курьезно, но факт: все это было в уравнениях, но никто этого не замечал.
В отечественной литературе по истории науки открытие принципов скоростной модуляции группирования связано с именем Д. А. Рожанского. «Попытка использовать это явление для генерации микроволн, насколько мне известно, — пишет в своей статье В. Ф. Коваленко,— впервые была предпринята Рожанским (Ленинград, 1932 г.). Однако, лампу, построенную так, чтобы «быстрые электроны догоняли медленные», самовозбудить не удалось, и результаты этого неудачного эксперимента опубликованы не были» [32, с. 497]. На работу В. Ф. Коваленко ссылается и Р. Варнеке, указывая, что публикация Д. А. Рожанского ему не известна [9, с. 32] .
Известный советский ученый академик Ю. Б. Кобзарев вспоминает: «Д. А. Рожанский в 1932 г. первый обратил внимание на возможность фазовой фокусировки электронных пучков и применения ее в электроннолучевой трубке для генерации электромагнитных колебаний, указав новые пути генерации радиоволн в сантиметровом и миллиметровом диапазонах. С полным основанием можно сказать, что Д. А. Рожанский в 1932 г. открыл принцип действия клистрона» [33, с. 77].
Все, кто занимался историей изобретения клистрона (Коваленко, Варнеке, Компфнер), единодушно отмечали, что первые патенты [34, 35] (1934 г.) и первая публикация [36] (1935 г.) принадлежали супругам А. Н. Арсеньевой-Хейль и О. Хейлю (А. Н. Арсеньева работала в Ленинградском физико-техническом институте вместе с Оскаром Хейлем — немецким физиком). Схемы, предложенные ими, представлены на рис. 83. Электроны эмиттируемые катодом, в пространстве А—В (катод—первый электрод) приобретали большую постоянную скорость. Далее они проходили через отверстие в первом электроде В, через цилиндр S с двумя отверстиями и через отверстие во втором электроде D. Цилиндр вместе с электродами образовывал резонатор. При прохождении зазора между экраном В и средней стенкой цилиндра С скорость электронов уменьшалась или увеличивалась по сравнению с постоянной — в зависимости от фазы ВЧ напряжения в момент прохождения зазора (если ^пр через зазор мало по сравнению с периодом Т ВЧ колебаний). В цилиндре быстрые электроны догоняли медленные, вышедшие раньше, поэтому к зазору, образованному между задней схенкой цилиндра и вторым экраном, электроны приходили
310


группами (происходила модуляция по плотности). Если сгустки попадали во втором зазоре в тормозящую фазу ВЧ поля, то часть кинетической энергии электронов превращалась в ВЧ энергию. После прохождения второго электрода D электроны попадали на коллектор. Пожалуй, наиболее важный момент в работах Арсеньевой и Хейля состоял в том, что они предложили группировать электроны в пространстве, свободном от ВЧ полей,— в пространстве дрейфа (разумеется, помимо того они впервые изложили принцип создания переменной составляющей тока с помощью модуляции электронов по скорости). С технической точки зрения важным было и введение в конструкцию отдельного коллектора, что устраняло бомбардировку и нагрев частей колебательной системы. По теоретическим оценкам авторов, КПД лампы мог составить 35%. Этот прибор был прототипом современных систем, но еще долго его не могли сделать.
Фазовая фокусировка
Следующий важный шаг в понимании динамического способа управления электронным потоком сделали в 1938 г. Е. Брюхе и А. Рекнагель [37]. Они ввели новый термин «фазовая фокусировка» и Дали простой и наглядный анализ многих схем исходя из аналогии между поведением фокусируемого линзой пучка световых лучей и электронного потока, движущегося в пространстве дрейфа после прохождения ВЧ зазора. Предложенная ими графическая иллюстрация этой аналогии (пространственно-временная диаграмма движения электронов) вошла во все учебники по СВЧ электронике (рис. 84). Здесь по оси абсцисс отложена величина со/, где t — текущее время, со — круговая частота внешнего ВЧ поля. По оси ординат отложена величина х — положение электрона в пространстве дрейфа. Если предположить, что время пролета через модулятор мало по сравнению с периодом колебаний ВЧ напряжения, то можно считать скорость электронов меняющейся при прохождении через плоскость х=0 в соответствии с мгновенным значением напряжения. Таким образом получалось, что вдоль оси абсцисс отложена величина (o/i, где t\ — время прохождения электронами плоскости х = 0. До плоскости х = 0 электронный пучок однороден по плотности (пространственно-временные характеристики разделены одинаковыми временными интервалами), и все электроны имели одинаковые скорости (прямые ниже плоскости х = 0 имели одинаковый наклон). Точки пересечения прямых с осью сdt (или (ùti) определяли фазу электронов на входе в пространстве дрейфа. Модулирующее напряжение вызывало скоростную модуляцию, что на плоскости (х, co/i) выражалось в периодическом изменении наклона прямых.
Электроны 1, 3,5, 7,9 и 11 не изменяли своих скоростей, поскольку они пересекали плоскость х = 0, когда ВЧ напряжение равно нулю. Для них наклон прямых не изменялся. Электроны 4, 8, 12 попадали в тормозящий полупериод ВЧ поля, и их скорость скачком уменьшалась, что выражалось в уменьшении наклона прямых. Для ускоренных электронов 2, 6, 10 наклон прямых увеличивался. За период ВЧ поля пучок прямых сходился или расходился, что и иллюстрировало фазовую фоку-
311


Рис. 84. Пространственно-временная диаграмма движения промодулированного по скорости электронного потока в пространстве дрейфа, иллюстрирующая образование фазовых фокусов
сировку или расфокусировку. На языке электронной кинематики это соответствовало следующей картине. Двигаясь в пространстве дрейфа по инерции, «быстрые» электроны 2, 6, 10 постепенно догоняли электроны 1,5,9 и «медленные» электроны 4, 8, вышедшие из модулятора раньше. К тому же вышедшие раньше всех «медленные» электроны 4, 8, тормозясь, приближались к электронам 1,5,9. Образовывался сгусток электронов, или фазовый фокус. Плоскость F\ на рис. 84 соответствует фокусам первого порядка, плоскость F2 — фокусам второго порядка и т. д. [37].
Условно плотность пространственного заряда можно характеризовать в данной точке пространства и в данный момент времени плотностью пространственно-временных характеристик. Заметим, что во всех рассуждениях взаимодействие электронов между собой в потоке считалось пренебрежимо малым, а рис. 84 соответствует модуляции потока синусоидальным напряжением. Брюхе и Рекнагель показали также, что если использовать пилообразную форму модулирующего напряжения, то все электроны прибудут в определенную точку пространства дрейфа в одно и то же время.
В дальнейшем теория фазовой фокусировки получила широкое распространение, и ей занимались многие исследователи [8, с. 134—180]. В Советском Союзе эти исследования проводились, главным образом, в Саратовском государственном университете В. И. Калининым, П. В. Голубковым и их сотрудниками [38; 8, с. 134—180; 39].
В 1939 г. появилась статья У. Хана и Г. Меткалфа со знаменательным названием «Лампы со скоростной модуляцией» [40], в которой приводились конструкции и параметры работающих ламп: усилительных, смесительных и генераторных приборов с коаксиальными линиями в качестве колебательных систем (краткое описание различных ламп Хана и Меткалфа дано в книге В. И. Калинина [8, с. 76, 77]. Р. Комп- фнер пишет об этих исследованиях: «Уиннери, который, будучи еще весьма молодым, работал у Хана и поместил в этой статье несколько своих кривых, рассказывал мне, что схемы Хана не слишком отличались от разработанных позднее, по крайней мере, по своим электрическим харак¬
312


теристикам. Разумеется, Хан имел дело с резонаторами других типов, но если судить по потерям,— добротности и импедансы были те же самые. Доктор Уиннери считает, что два фактора помешали Хану оказать прямое влияние на последующее развитие исследований. Во-первых, он одновременно работал над столькими проблемами, что как-то затемняло значение действительно важных находок. У него были приборы, которые сегодня назвали бы отражательными клистронами, у него были пролетные клистроны с двумя и даже десятью резонаторами, он сделал на этих лампах суперрегенеративый приемник, пытался получить большие мощности (и получил в 1939 г. 100 Вт). Но была и вторая причина: он не спешил опубликовать результаты. Конечно, то, что он публиковал, было прекрасно разработано и много позже получило признание. В то время польза от его работ была ограниченной» [31, с. 5, 6]. Говоря о работах У. Хана, получивших позднее признание, Дж. Уиннери имел в виду его теоретические работы [41, 42], которые вместе с работами С. Рамо [43, 44] составили теорию Хана—Рамо волн пространственного заряда в электронных потоках. В этих работах ионно-скомпенсированный электронный поток рассматривался как среда, в которой распространялись электромагнитные волны. В математическом плане подход был сложным и, по-видимому, оттолкнул современников, «завороженных» простой кинематической (не учитывающей взаимодействия электронов между собой) теорией фазовой фокусировки.
В книге «Волны пространственного заряда и медленные электромагнитные волны» [45, с. 4—5] А. Бек подобно Дж. Уиннери размышлял над тем, почему работы У. Хана не оказывали сильного влияния на современников. Он пришел к выводу, что они были трудны для понимания из-за своей обобщенности и поэтому оказались непригодными для практических расчетов. К тому же, по мнению Бека, в работах Хана—Рамо не было потребности для понимания физических явлений в лампах, поскольку размеры составляли лишь часть длины волны пространственного заряда. Работы Хана и Рамо опередили свое время. Сейчас теория Хана—Рамо стала классической, без нее не обходится ни один серьезный лекционный курс, ни один учебник. Поистине «не было пророка в своем отечестве».
Идея лампы братьев Вариан.
Пролетные клистроны
Судя по воспоминаниям Э. Гинстона [46], прибор ставший прообразом современного клистрона (рис. 85) 3, был изобретен летом 1937 г., а соответствующая статья братьев Вариан появилась в 1939 г. [47].
Статья начиналась так: «Очень эффективные ВЧ резонаторы, описанные в этом журнале Хансеном, послужили основой для создания усилителей и генераторов нового типа, в которых время пролета электронов, обычно рассматриваемое как источник серьезцых трудностей на
3 	Рисунок взят из [46, с. 32].
313


istdgfwei») <р&£ц/?г1.
Рис. 85. Фрагмент страницы из лабораторной книги для записей от 22 июля 1937 г., на которой Рассел Вариан изобразил основную конструкцию клистрона
очень высоких частотах, обращено на пользу конструкции». Такое начало статьи звучало довольно скромно, но отражало главное, а именно применение в конструкции лампы объемного резонатора [48—50]. По поводу работы братьев Вариан удачно писал Р. Компфнер: «Можно немного сомневаться в том, что эта статья положила начало принципам модуляции по скорости, как считают многие. Но позвольте привести пример из ботаники: скажем, когда растет растение, появляется множество разных ветвей, но зачастую со временем остается лишь одна — одна живая ветвь, остальные умирают. По-моему, работа братьев Вариан и оказалась такой живой ветвью, из которой выросли остальные ветки. Действительное новшество было в том, что Варианы применили очень эффективный контур, так называемый «румбатрон» 4, который незадолго до этого предложил исследователь из той же компании — Хансен. Он придумал то, что могло бы стать резонатором с очень высокой добротностью,— резонатор в виде двух конических сегментов сферы, которые почти касаются друг друга (рис. 86) 5; это уже можно было рассчитать
4 От греческого слова pvpßot (ро-ипсилон-мю-бэта-альфа), означающего ритмические колебания.
5 Авторская подпись к этому рисунку [46, с. 190]: «Различные формы резонаторов для клистронов. Показано поперечное сечение, так как резонаторы аксиально симметричны. Пучок электронов пролетает параллельно оси симметрии. Тип (А) весьма удобен для практического использования, но труден для расчетов. Пунктиром показаны сфера и резонатор типа концентрической линии; (В) очень легко рассчитывается; (С)—труднее, но тоже возможно рассчитать. Для (В) показана приближенная картина линий электрического поля. Тип (Д), аналогичный (А), полезен практически, но не может быть рассчитан точно».
314


À
4
Рис. 86. Различные формы резонаторов для клистронов
аналитически. Румбатрон сыграл важную роль в схеме «клистрона», как его называли братья Вариан» [31, с. 6, 7].
Интересны обстоятельства изобретения румбатрона. У. Хансен занимался созданием рентгеновского излучателя и решил, что для ускорения электронов, используемых в излучателе, можно применить большие ВЧ напряжения, которые образуются в резонансной системе. По словам Хансена, он и Рассел Вариан много думали «над различными хитрыми способами, которые могли бы быть использованы для получения большой скорости электронов без большой суммы денег» [46, с. 33]. Эксперименты и теоретические расчеты Хансена вскоре показали, что резонатор, необходимый для рентгеновского излучателя, должен обладать очень малыми потерями. Это заставило его отказаться от резонаторов в виде отрезков коаксиальных линий и выбросить из конструкции внутренний проводник. Последнее и привело к созданию объемного резонатора (см. рис. 86).
Следует заметить, что Р. Вариан также принимал участие в работе по рентгеновскому излучению и был детально знаком с работой Хансена. В эти же годы (1933—1937 гг.) Сигурд Вариан был летчиком. Он заинтересовал Р. Вариана задачей обнаружения воздушной цели с земли в плохую погоду или ночью. Р. Вариан пришел к выводу, что решение этой задачи состоит «...в использовании радиоволн, и что точное определение направления с помощью оборудования, имеющего разумные размеры, потребует использования радиоволн сантиметрового диапазона. К середине 1936 г., по счастливой для Рассела случайности, новый резонатор Хансена — румбатрон — мог быть приспособлен для генерации этих волн» [46, с. 33—34].
Станфордский университет (физический факультет) предоставил братьям Вариан возможность работать над созданием генератора в своих лабораториях, но без заработной платы, выделив 100 долларов в год на все нужды (отсюда название статьи Э. Гинстона — «100-дол- ларовая идея»). При этом университет оговорил, что потенциальная прибыль должна быть впоследствии поровну разделена между им и
315


братьями (позднее в эту маленькую корпорацию вступил и Хансен). Руководство физического факультета не ошиблось, предоставив свое оборудование и лаборатории трем неизвестным в научном мире молодым людям: университет получил более 2,5 млн долларов прибыли. «Большая часть нынешней репутации Станфорда в электронике и физике может быть приписана совместным усилиям этих трех человек и студентов, которые работали с ними» [46, с. 34] — писал в 1975 г. Э. Гинстон, один из упомянутых студентов.
Как были сделаны решающие шаги на пути изобретения клистрона, лучше всего понять, обратившись к воспоминаниям Р. Вариана, которые при- Вариан Рассел водит Гинстон [46, с. 35—37] в раз-
(1889—1959) деле «Группировка — тринадцатая
идея»: «В один из дней, после того как мы продумали множество вариантов, я был занят разработкой классификации всех вариантов, которые мы проработали, чтобы мы могли систематически изучить их все и не обнаружить потом, что пропустили некоторые наиболее многообещающие. В процессе разработки этой классификации я неожиданно подумал о принципе скоростной группировки. С психологической точки зрения интересно, что эта попытка классификации привела к изобретению клистрона. Принцип скоростной группировки не соответствовал ни одной схеме в классификации, которую я придумал, и я думаю, что идея у меня появилась потому, что я бессознательно пытался проверить справедливость моей классификации. Поэтому я придумал исключение из классификации, которое в действительности оказалось основной концепцией клистрона».
Далее Р. Вариан поясняет термин «скоростная группировка» следующим образом: «Новый метод является вариантом сеточного управления, но ни один из электронов не избегает прохода через сетку. Они просто замедляются или ускоряются... При этих условиях электроны после прохождения через управляющие сетки будут иметь различные скорости в зависимости от фазы в колебательной системе, когда электроны проходили через нее. Если электроны движутся прямолинейно, то ускоренные будут догонять отставшие, и однородный поток электронов превращается в поток сгущений или волн электронов, имеющих ту же частоту, что и возбуждающая» [46, с. 36].
Интересно, что (по воспоминаниям Гинстона) прошло всего несколько дней от обсуждения описанной выше концепции до начала конструкторской работы над новым прибором. Важнейшую роль в столь быстром
316


Рис. 87. Схема клистрона-генератора братьев Вариан
1 — катод, 2 — ускоряющая сетка, 3 — фокусирующее кольцо, 4 — сетки, 5 — пространство группировки, 6 — элемент обратной связи, 7 — магнитное поле детектирующего устройства, 8 — флюоресцирующий экран
начале работы сыграло то, что объемный резонатор Хансена — главная часть будущего прибора — уже существовал. Емкостную часть резонатора составляли «крошечные шестиугольные сетки в виде сот» [46, с. 36], которые были выполнены С. Варианом вручную (рис. 87). Изобретателям клистрона пришлось преодолеть многочисленные трудности, пока не появилась первая лампа. Во всяком случае они потратили на создание первого макета ровно половину выделенных ассигнований — 50 долларов. «Как указывал позднее Рассел, это был, возможно, самый дешевый, проект из когда-либо выполненных в СВЧ электронике» [46, с. 37]. Кроме того, если следовать Гинстону, то братья Вариан и Хансен были первопроходцами во всем: и в идее, и в теоретическом обосновании, и в конструкции,^ экспериментальном воплощении прибора. «До тех пор, пока их работа «Высокочастотный генератор и усилитель» не была помещена в «Журнале прикладной физики» в 1939 г., они не знали, что скоростная модуляция открыта в 1933 г. А. Арсеньевой-Хейль и Оскаром Хейлем в Европе» [46, с. 37].
Когда первый клистрон был сделан, то возникла новая проблема: как узнать, генерирует ли он? Пришлось изобретать и способ детектирования колебаний. Р. Вариан предложил следующую схему. Часть электронного пучка проходила через отверстие во втором резонаторе и в области за ним отклонялась магнитным полем так, что луч попадал на ограниченную область флюоресцирующего экрана 8 (см. рис. 87). Так была создана достаточно чувствительная и оперативная детекторная система для обнаружения колебаний. «Это изобретение было, возможно, почти так же важно, как изобретение самого клистрона, потому что без него мы, по-видимому, никогда не смогли бы обнаружить колебания, хотя бы они и имели место»,— писал Р. Вариан [46, с. 37].
И вот, наконец, наступило 19 августа 1937 г., когда заработал первый прибор. С. Вариан впоследствии так писал об этом времени: «Мы наблюдали повторяющиеся вспышки на экране нашего детектора, но все выглядело очень нестабильно и весьма разочаровывающе. Примерно
317


21 августа я отсоединил лампу от насоса и заменил вольфрамовые проволочные сетки медными шестиугольными сетками и установил микрометрический винт для подстройки. Это была главная операция. Утром 30 августа 1937 г. я был готов начать опять. Я повернул выключатель, немного подстроил лампу, и появились колебания по всему флюоресцирующему экрану. Мы раскопали старый кристаллический детектор с кошачьими усами и гальванометр и начали измерять СВЧ энергию по всей комнате. Мы быстро определили частоту, двигая кристаллический детектор через стоячие волны в комнате. К нашему удовольствию мы вычислили,
Девятков Николай Дмитриевич чт0 длина волны была 6*5 см> и бы' (р. 1907) ли очень смущены, когда должны бы¬
ли признать, что мы измерили полуволны, т. е. правильная длина волны была 13 см» [46, с. 37].
Несколько позднее за новым прибором закрепилось название «клистрон». Оно происходило от греческого слова xA/uÇerv (каппа-ламбда- ипсилон-дзета-эпсилон-иота-ню — «клизо»), которое означало «прибой» (дословно «разбивание волн на пляже»).
Два последующих года работы над клистроном продолжались с целью использования его в доплеровском радиолокаторе и системе для посадки самолетов. К моменту публикации статьи братьев Вариан их группа многого добилась: она уже хорошо понимала все характеристики клистрона, имела в своем распоряжении клистроны-генераторы, клистроны-усилители с двумя и несколькими резонаторами, исследовала клистрон как компонент сложной СВЧ цепи. Так пишет Э. Гинстон [46, с. 38], который подключился к работе в 1939 г.: «Мы смогли продемонстрировать: почти все, что можно сделать с обычными радиолампами, могло быть сделано с помощью клистрона в СВЧ диапазоне». Интересно, что маленькая группа, реализовавшая «стодолларовую идею», превратилась впоследствии в мощную Ассоциацию Вариан (основана в 1948 г.) — фирму, хорошо известную в мире электроники.
Изобретение клистрона сыграло важную роль в дальнейшем развитии СВЧ электроники, особенно в превращений ее в самостоятельную область индустрии. До.того, как были выяснены уникальные возможности лампы с бегущей волной и генератора с обратной волной, именно клистрон использовался (а в ряде случаев используется и сейчас) в навигационных системах гражданской авиации, в системах спутников связи, в военной радиолокации и радиопротиводействии. Клистроны дали жизнь и многим ускорителям, используемым в медицине и ядерной физике, в том числе знаменитому Стэнфордскому ускорителю длиной в две мили.
318


История клистрона — это еще и история удивительно удачного объединения трех разных талантливых людей: физика и изобретателя Р. Вариа- на, летчика и физика-экспериментатора С. Вариана и физика (теоретика, экспериментатора и педагога) У. Хансена.
В Советском Союзе работы по созданию прямопролетных клистронов были начаты в 1939 г., и первые металлические усилительные клистроны на длины волн 13—16 и 25 см и мощностью 50 Вт были разработаны в 1940 г. Н. Д. Девятковым и его группой [16, с. 53; 51]. К этому же времени относятся и работы Ю. А. Кацмана в Ленинградском электротехническом институте имени В. И. Ульянова (Ленина) по развитию теории и разработке прямопролетных клистронов на длину волны 10 см [52].
Теория процесса группирования в клистроне, учитывающая влияние сил пространственного заряда в потоке электронов, была впервые построена Д. Вебстером [53, 54] и В. Я. Савельевым [55]. Из этой более простой, чем у У. Хана и С. Рамо, теории следовало, что пространственный заряд ограничивал процесс группирования: электроны могли приближаться друг к другу, образуя сгусток, но одновременно росли и силы расталкивания.
Кацман так оценивает теорию Савельева [56, с. 13]: «Метод Савельева имел серьезное значение для развития теории, учитывающей влияние собственных полей электронов. Это определилось возможностью рассмотреть в отличие от электронно-волновой теории Хана и Рамо явления в электронном потоке при значительно больших возмущениях и потому в известной мере отразить происходящие в нем нелинейные процессы». Кстати, в монографии Кацмана [56] дан подробный и полный теоретический обзор теории клистрона.
Отражательные клистроны
Отражательный клистрон был изобретен в 1940 г. Н. Д. Девятковым, Е. Н. Данильцевым и И. В. Пискуновым [57] и независимо от них (в несколько отличавшейся конструкции) — В. Ф. Коваленко [58; 24, с. 189, 190]. Н. Д. Девятков отмечает: «Конструктивно первый отражательный клистрон представлял собой резонатор тороидального типа в виде металлической колбы, в которую с одной стороны была введена катодная пушка, а с противоположой стороны — отражатель с выводом для подачи питающего напряжения. Вывод энергии осуществлялся металлической петлей. Клистрон способен был механически перестраивать частоту изменением сосредоточенной емкости контура или деформацией гибких стенок резонатора» [3, с. 56]. Схема отражательного клистрона приведена на рис. 88. Электроны, вылетевшие из катода 7, разгонялись статическим полем в области «катод 1 — резонатор 2» до скорости, определяемой потенциалом W Модуляция электронов по скорости и взаимодействие сгруппированного электронного потока с ВЧ электрическим полем в отражательном клистроне происходили в единственном резонаторе 2, а группирование потока — в тормозящем статическом поле между резонатором 2 и специальным электродом — отражателем 3,
319


2
Рис. 88. Схематическое изображение отражательного клистронного генератора и картина распределения статического потенциала вдоль длины прибора 1 — катод, 2 — объемный резонатор с петлей связи, 3 — отражатель
который обычно имел отрицательный потенцал (—Vr) относительно катода. Отражательный клистрон является автоколебательной системой, поэтому начальные колебания возникали из-за шумовых флюктуаций в электронном потоке. Следовательно, предгенерационный режим клистрона характеризовался бесконечно большим набором временных гармоник в сгруппированном токе. Таким же набором гармоник будет обладать и ток, наведенный во внешней цепи. Однако, поскольку резонатор представлял собой колебательную систему с высокой добротностью, он «выделял» из бесконечного набора шумовых гармоник тока ту, частота которой была близка к его собственной. Если в среднем за период все потери в резонаторе компенсировались энергией, поступавшей от сгруппированного электронного потока, то в клистроне устанавливался режим стационарных колебаний. Стационарные колебания возникали при определенном значении постоянной составляющего тока пучка, который назывался пусковым.
Процесс группирования электронов в однородном тормозящем поле отличался от процесса группирования в пространстве дрейфа лишь тем, что центром сгустка становились электроны, вылетевшие из модулятора с невозмущенной скоростью и возвращавшиеся в зазор в тот момент времени, когда фаза ВЧ поля менялась с ускоряющей на тормозящую. Это легко объяснить. Если считать, что тормозящий потенциал между второй сеткой резонатора и отражателем линейно зависел от расстояния, то, очевидно, что ускоренные в ВЧ зазоре электроны пролетали дальше в пространстве сетка—отражатель и для возвращения к зазору им потребовалось бы больше времени, чем электронам, скорость которых уменьшилась после прохождения модулятора.
В 1941 г. В. Ф. Коваленко предложил способ безынерционной перестройки частоты генерируемых отражательным клистроном колебаний [59], получивший впоследствии название «электронной настройки». Он был основан на изменении времени пролета в пространстве группирования за счет изменения напряжения на отражателе. В том же году
320


А. Б. Крайчиком была предложена конструкция клистронов с внешним резонатором [60; 24, с. 190].
«После опубликования в нашей печати этих основных принципов и конструкций,— отмечает В. Ф. Коваленко,— отражательный клистрон начал разрабатываться в Англии, США, Франции и Германии и во время войны почти полностью вытеснил остальные типы ламп со скоростной модуляцией» [24, с. 191]. Еще более бурно развитие отражательных клистронов шло после войны [3, с. 55—65], [10, с. 13, 14].
Основы теории отражательных клистронов были разработаны Я. П. Терлецким [61] и С. Д. Гвоздовером [62]. Зарубежные работы военного времени наиболее полно отражены в книгах [63, 64], которые содержали главы из [65] и некоторые статьи из периодической печати.
Взаимодействие электронов в скрещенных
электростатическом и магнитном полях.
Резонаторные магнетроны
Мь1 уже писали о создании разрезных магнетронов и первых результатах их исследования. К концу 30-х годов были созданы мощные многоразрезные магнетроны промышленного типа с мощностью в непрерывном режиме от нескольких десятков ватт до нескольких киловатт [10, с. 10]. В СССР работы проводились в основном в Ленинграде (Н. Д. Девятков и его группа) и в физико-техническом институте Академии наук Украинской ССР (А. А. Слуцкин, Е. А. Капилович, А. Я- Усиков, С. Я. Брауде, И. Д. Трутень). Этот период исследований хорошо отражен в книге [16, с. 52, 73—76].
В 1935 г. К. Постумус предложил так называемый магнетрон с бегущей волной (точнее это был новый режим работы магнетрона с разрезным анодом) [66]. В этом магнетроне угловая скорость одной из волн, на которые можно было разложить ВЧ поле в колебательной системе, равнялось средней скорости азимутального вращения электронного облака. До 1940 г. были сконструированы магнетронные генераторы этого типа, работающие на волнах до 75 см и длиннее с КЙД 50% и больше [20, с. 26]. Таким образом, в магнетроне с бегущей волной уже был в известной мере заложен принцип многорезонаторного магнетрона. Но в магнетроне не было еще многоконтурной колебательной системы, состоявшей из многих резонаторов, хотя идея такого контура уже существовала. Она впервые была предложена в 1929 г. М. А. Бонч-Бруевичем [67]. Приведем начало его патента: «В передатчиках большой мощности, в особенности для коротких волн, большие затруднения вызывает устройство колебательной цепи последнего каскада, а также применение для этого каскада большого количества ламп, включенных параллельно. Поэтому оказывается выгодным разбить колебательный контур на ряд отдельных контуров, соединенных между собою таким образом, чтобы это соединение обеспечило совместную правильную работу всех контуров, входящих в каскад. Для осуществления этой цепи в изображенном на чертеже ламповом генераторе с несколькими парами катодных ламп (рис. 89) колебательные контуры включены параллельно между собою таким образом, чтобы фазы в двух соседних
11 Зак. 1249
321


Рис. 89. Схема многоконтурного генератора, предложенного в патенте М. А. Бонч- Бруевича
Рис. 90. Часть многорезонаторного магнетрона (а) и эквивалентная схема с сосредоточенными постоянными (б) (соответствующие друг другу части прибора и схемы помещены на рисунке на одной вертикали)
Уэл и GK — электронная проводимость и проводимость контура (смысл остальных обозначений ясен из рисунка)
контурах были обратными»6. Впоследствии в 1935 г. М. А. Бонч-Бруевич, став руководителем магнетронного проекта, вернулся к этой идее на новом конструктивном уровне. Инженеры Н. Ф. Алексеев и Д. Е Маляров под его руководством создали такую конструкцию магнетрона, в которой анодный блок был выполнен из целого куска меди и содержал несколько (от четырех до восьми) полостей, игравших роль резонаторов (рис. 90). Первые приборы этого типа генерировали в непрерывном режиме мощность 10 Вт на длине волны 9 см.
Как происходили в магнетроне процессы образования сгустков и их энергообмена с ВЧ полем? Если предположить, что в отсутствие ВЧ полей электрон вылетал из катода с нулевой скоростью, то он двигался по циклоиде. Траекториями электронов были траектории точек, находившихся на окружности радиуса г = тЕо/(еВ2\ которая катилась по катоду. Частота вращения окружности, на которой находился электрон, совпадала с циклотронной частотой сùc = (e/m)B, а поступательная скорость центра окружности (скорость «ведущего центра») была равна vq — Eq/B (рис. 91). Если движение по окружности было быстрое — большие шс, то движение ведущего центра (дрейфовое движение)— медленное. Поэтому, если слежение за движением электрона производилось в течение промежутка времени At такого, что |о)с|А/>1, и если компоненты ВЧ электрического поля, скажем Ех и Еу (плоская двумерная модель пространства взаимодействия, см. рис. 91), медленно менялись в пространстве на расстояниях порядка г и во времени за время порядка
Цитируется по книге В. Ф. Коваленко [24, с. 334].
322


Р и с. 91. Циклоидальное движение электрона в статических скрещенных электрическом и магнитном полях
Рис. 92. К объяснению картины идеального механизма группировки «ведущих центров» и их энергообмена с ВЧ полем в плоской модели магнетрона (точный синхронизм электронов и волны)
1—5 — электроны, 6 — силовые линии ВЧ электрического поля, 7 — «спица», или «язычок»
1 /сос, то можно разложить движение электронов на медленное, которое описывалось дрейфовыми уравнениями (уравнениями ведущего центра)
dx/dt = E0/B + Ey/B, dy/dt=—Ex/B,
и быстрым вращением с частотой сос. Заметим, что дрейфовые уравнения7 получались из полных уравнений движения вычеркиванием «инерциальных» слагаемых d2x/dt2 и d2y/dt2. Предположим, что в анодном блоке магнетрона возбуждено колебание, при котором поля в соседних ячейках отличались по фазе на я. Будем считать, что только одна пространственная гармоника поля этого колебания имела фазовую скорость уф, в точности равную скорости vq. Тогда движение электронов в системе координат, двигавшейся со скоростью Уф = Уо, сводилось к дрейфу ведущих центров в соответствии с уравнениями dx/dt = Ey/B и dy/dt= —Ех/В и вращению электронов с частотой сос. Как видно из рис. 92 и уравнений для ведущих центров, электроны 1 и 3, находившиеся в тормозящей фазе поля, будут смещаться к электрону 3 под действием радиальной составляющей Еу электрического поля, т. е. будут группироваься там, где составляющая Ех достигла максимального
значения. Электроны же 4 и 5 «выталкивались» поперечной компонентой из ускоряющего поля. Под действием Ех и магнитного поля сгруппированные электроны 1—3 («правильнофазные») двигались к аноду (движение происходило по эквипотенциалям поля), образуя так называемые «спицы», или «язычки» 7. Электроны 4 и 5 либо оказывались в тормозящем поле и становились «правильнофазными», либо, будучи «неправильнофазными», быстро попадали на катод и не сильно влияли на результат взаимодействия. При своем движении от катода к аноду сгруппированные
7 Детальное изложение вопросов, связанных с современным пониманием работы магнетрона, можно найти в монографии П. Л. Капицы [68] и в книге [4, с. 51—97, 235—292].
И*
323


электроны отдали ВЧ полю свою потенциальную энергию. Магнитное поле не дало электронам превратить их потенциальную энергию в кинетическую и потерять ее при ударе об анод: электроны разгонялись полем Е0 только до сравнительно малой кинетической энергии 2егЕ0 [4, с. 69], а вся остальная часть потенциальной энергии превращалась в энергию ВЧ поля. Разумеется, описанная картина соответствовала идеальному механизму группирования и энергообмена при точном синхронизме электронов и волны. В общих чертах она была известна и в 30-е годы.
В 1940 г. Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров опубликовали статью [69], в которой описали многорезонаторный разборный магнетрон с четырьмя контурами и водяным охлаждением, который генерировал на волне 9 см колебания с мощностью до 300 Вт. Макет без водяного охлаждения при прочих равных условиях давал мощность 100 Вт. В четырехрезонаторном магнетроне были также получены колебания мощностью 2 Вт на длине волны 2,6 см. Статья Н. Ф. Алексеева и Д. Е. Малярова в 1944 г. была перепечатана в ведущем техническом журнале США «Proc. IRE» [69]. Приоритет советских авторов признается во всем мире и отмечается практически во всех исторических обзорах [9, с. 45] или книгах [20, с. 26] по магнетрону8. Война прервала исследования по магнетронам в СССР, и интенсивные работы продолжились лишь после окончания войды.
С началом войны центр исследований магнетрона переместился в Англию. Для борьбы с ночными бомбардировщиками необходимо было иметь самолетные радиолокационные станции большей мощности, чем позволяли применявшиеся тогда триоды. Ограничением на пути развития сантиметровой радиолокации было отсутствие подходящего генератора. Наибольшего успеха добились ученые Бирмингамского университета. Британское Адмиралтейство создало в университете секретную группу по исследованию ламп под руководством профессора М. Олифанта, чтобы практически создать сантиметровый локатор. Это было общее задание, и оно было разделено между различными подгруппами. Одни занимались детекторами, другие генераторами и усилителями и т. д. В одной из этих групп Г. Бут и Дж. Рэндол создали многорезонаторный магнетрон [31, с. 8, 9].
О создании магнетрона написали сами Бут и Рэндол [71], а также известный английский писатель Чарльз Сноу [72]. Но чувство справедливости покинуло Бута и Рэндола, и они не сослались на работу Н. Ф. Алексеева и Д. Е. Малярова. Приведем выдержку из написанного Сноу [72, с. 93—94] : «Англичанам действительно пришлось напрячь все силы ради того, чтобы выжить; неудивительно поэтому, что в большинстве вопросов, связанных с использованием науки в военных целях, они оказались более осведомленными. В первую очередь это касалось радаров. Хотя английские, американские и немецкие ученые начали заниматься радарами почти одновременно — что, кстати, дает
Интересно отметить, что известный советский изобретатель Г. И. Бабат применил многоконтурный блок для индукционного нагрева и использовал в нем связки в виде колец, подобные тем, что применяются в магнетроне [70].
324


нам повод еще раз задуматься о природе «секретных» открытий,— к 1940 г. англичане значительно опередили всех остальных.
Магнетрон, созданный Рэндолом и Бутом в лаборатории Олифанта в Бирмингеме, оказался быть может, самым полезным прибором в борьбе с Гитлером. Он произвел на американских ученых настолько сильное впечатление, что они немедленно взялись за дело и трудились все 16 месяцев, которые у них остались до вступления Соединенных Штатов в войну».
Приведем еще одно, более компетентное, мнение об английском магнетроне, принадлежащее президенту Института радиоинженеров США Ф. Левеллину, когда он вспомнил о 6 октября 1940 г.— дне демонстрации магнетрона [71, с. 726]. Этот день ему хорошо запомнился. Лампа давала выходную импульсную мощь около 10 кВт на частоте около 3000 МГц (мощностью почти в пять раз больше даваемой триодами на частоте в четыре раза выше). В лабораториях фирмы «Белл» была снята рентгенограмма с английского магнетрона, и уже в середине ноября 1940 г. американцы имели несколько работающих копий английской лампы.
Характерным для военного времени было участие в теоретических исследованиях по сверхвысокочастотной электронике, и в частности по магнетрону, таких крупных физиков-теоретиков, как Л. Бриллюэн во Франции [73], Д. Хартри, Э. Стонер и О. Банеман в Англии, Дж. Слэтер в США [74]. Работы, выполненные во время войны, оформлялись как секретные отчеты, выпускаемые Британским комитетом ламповых разработок (CVO Magnetic Reports), Лабораторией излучения при Мас- сачузетском институте технологии и при Колумбийском университете, а также некоторыми другими лабораториями [20, с. 7].
Наиболее полно работы военных лет за рубежом изложены в двухтомнике «Магнетроны сантиметрового диапазона» [75], вошедшем в знаменитую Массачузетскую серию книг по технике СВЧ и электронике.
Взаимодействие электронного потока
с замедленной бегущей электромагнитной волной.
Лампы с бегущей волной
Нет сомнения, что первый усилитель с бегущей волной разработал Р. Компфнер в 1942—1943 гг., также как нет сомнения и в том, что к моменту создания лампы он глубоко понимал особенности взаимодействия электронного потока с замедленной электромагнитной волной 9.
Компфнер — фигура необычная для СВЧ электроники. Он родился в 1909 г. в Вене и, проработав с дипломом инженера-архитектора с 1934 г. вплоть до 1941 г., продолжил учебу в области архитектуры в Англии. Однако он всегда стремился стать физиком. В начале войны он получил
9 	Заметим, что идея о взаимодействии электронов с бегущей электромагнитной волной, фазовая скорость которой близка к скорости электронов, упоминалась в ряде патентов и до Р. Компфнера. Варнеке и Генар изучали этот вопрос. Ранняя история, точнее предыстория ЛБВ, отражена в обзоре Р. Варнеке [9, с. 50].
325


возможность усовершенствовать свои знания в области физики и начал работать над сверхвысокочастотными лампами для Морского министерства [76, с. 165]. Основные работы по ЛБВ были выполнены им в Бир- мингамском университете и позднее в Кларендонской лаборатории в Оксфорде, где он получил ученую степень доктора физики. В 1951 г. в США в лабораториях фирмы «Белл» он продолжил работу над СВЧ лампами, а позднее занимался исследованиями в области квантовой электроники, космической связи с помощью спутников и оптической связи. С 1973 г. он преподавал на факультете прикладной физики Стэнфордского университета.
В 1941 г., когда Р. Компфнер работал в Бирмингамском университете (все в той же секретной группе М. Олифанта, где был создан многорезонаторный магнетрон), перед ним была поставлена задача разработать клистронный усилитель с коэффициентом шума значительно меньшим, чем у усилителей, использовавшихся тогда в супергетеродинных приемниках. Компфнер отмечает, что мысль об использовании бегущей волны, взаимодействующей с электронами, возникла у него, когда работа над клистроном зашла в тупик. Клистроны с хорошей связью между пучком и резонаторами имели значительный коэффициент усиления, но плохой коэффициент шума. Если же коэффициент шума был хорошим, то связь была слабой и усиление небольшим, так что от нескольких каскадов шум снова был большим. После двух лет работы над улучшением характеристик таких ламп стало ясно, что это неправильный путь [31, с. И, 12].
«Тем временем кристаллы стали лучше,— пишет Компфнер. Когда началась эта работа, коэффициент шума приемников был порядка 20 дБ, затем он упал до 12—13 дБ и угнаться за ним становилось все труднее. Как бы то ни было, в конце концов я подумал, раз время пролета через зазор представляет такую серьезную трудность и взаимодействие со стационарным полем получается таким слабым, то так и быть, пусть поле движется вместе с электронами,— мысль, в общем-то, достаточно очевидная» [31, с. 11, 12].
Компфнер сделал удивительный по смелости шаг: он отказался от резонансного контура, благодаря которому были достигнуты столь впечатляющие успехи, как например, создание клистронов.
Дж. Пирс считает, что Компфнеру посчастливилось избавиться от ограничения полосы частот в усилителях (что до него радиоспециалистам никак не удавалось) именно благодаря непредубежденности, свежести взгляда на вещи человека, до этого работавшего в другой области. Компфнер решил задачу просто, он построил эффективный усилитель без резонансного контура [76, с. 165]).
Следует, однако подчеркнуть — сам Компфнер не понял, что создал широкополосный усилитель: «Я не понял, что имею прибор с потенциальной шириной полосы в несколько октав. Пирс понял» [31, с. 29]. «Когда я в США начал работать с лампой бегущей волны,— пишет Пирс,— на меня большое впечатление произвела ее огромная широкопол осность» [76, с. 185]. И Пирс сразу поставил перед собой задачу создания широкополосной лампы с высоким устойчивым коэффициентом усиления. Но это было много позже, в 1944 г.
326


Пирс Джон (р. 1910) (слева) и Компфнер Рудольф (1909—1977)
Что же сделал Компфнер? На этот вопрос отвечает Пирс: «Компфнер, который изобрел в конце войны лампу бегущей волны, был исследователем в области малошумящих усилителей. Созданная им лампа была очень нестабильна. Он пользовался спиралью с малыми потерями, поэтому как только усиленная волна частично отражалась от выхода, она шла ко входу и возбуждала генерацию в лампе. Тем не менее он добился усиления, а его измерения шумов дали результаты, которые превосходили все то, что было достигнуто затем в течение нескольких лет» [76, с. 185].
Остановимся кратко на особенностях группирования электронов в бегущей волне и их взаимодействия с ней, что важно для понимания революционности идеи Компфнера. Привлечем для объяснения механическую модель, в которой электроны можно представить в виде шариков, а эффект действия поля заменить действием гравитационных сил некоторой поверхности, форма которой соответствует мгновенному распределению потенциала ВЧ поля вдоль длины пространства взаимодействия (рис. 93) 10. Предположим, что в волноведущей линии без пучка распространялась волна с фазовой скоростью уф, в точности равной невозмущенной скорости v0 электронов. На начальном участке пространства взаимодействия, когда энергообмен между электронами и волной невелик, что в механической модели будет соответствовать
10 	Заметим, что изложенная ниже физическая картина вполне адекватна ходу рассуждений Р. Компфнера, в особенности ето теоретическим построениям [77].
327


r\
Æ ядуале apeempaxcmâa âsaas/eâeücmâua
и*. — и*, _
Ф Фг
л
Рис. 93. Рисунок, поясняющий в рамках механической модели процессы группирования электронов в бегущей волне и взаимодействия с ней
одинаковой высоте вершин и глубине впадин (волна не меняла свою амплитуду), электроны-шарики скатывались под действием силы тяжести по «склонам» потенциальной поверхности и скапливались в ее «долинах». Таким образом, электроны группировались там, где поле волны было равно нулю. Это значит, что сгруппированный в поле волны постоянной амплитуды ток пучка опережал по фазе поле волны в отсутствие электронов («холодной» волны) на я/2, т. е. взаимодействие носило реактивный характер. В результате реактивного энергообмена фазовая скорость ^фГ волны в присутствии электронов («горячей» волны) становилась меньше скорости электронов. Поэтому сгусток электронов- шариков из «долины» перемещался на правый «тормозящий» склон потенциальной поверхности (этот склон соответствовал действию тормозящей фазы поля), где продольная составляющая поля волны была отлична от нуля. В результате энергообмена амплитуда волны росла с расстоянием — в гравитационной модели это означало, что при продвижении в положительном направлении оси х вершины поверхности становились выше, а впадины глубже.
Если сразу предположить, что Цф, а амплитуда волны росла с расстоянием, то объяснение механизма усиления волны становилось совсем простым.
В системе координат, связанной с волной, вершины и впадины потенциальной поверхности неподвижны относительно оси волноведущей линии. Электроны-шарики на своем пути встречали области подъема и спада потенциальной поверхности, поэтому они группировались на тормозящих (правых) склонах и разгруппировывались на ускоряющих (левых). Следовательно, сгустки электронов-шариков формировались на правых склонах, причем эффект торможения превосходил эффект ускорения, поскольку мы допустили существование волны с нарастающей амплитудой. Энергия взаимодействия будет наибольшей, когда электроны-шарики, за время пролета пройдут весь тормозящий склон. Таким образом, усиление волны происходило в результате непрерывного последовательного отбора от электронного потока незначительных порций энергии по всей длине пространства взаимодействия пучка с волной. Из аналогичных рассуждений понятно, что, если электронный поток
328


отставал от волны, то он будет забирать у нее энергию (электроны группировались на «ускоряющих» склонах). Это приводило к затуханию волны, а при определенных условиях — к полному подавлению входного сигнала.
Распространение волны со скоростью, близкой к скорости потока, обеспечивало возможность пребывания электронов в поле данной фазы в течение всего времени пролета пространства взаимодействия. Такое длительное взаимодействие обеспечивало эффективную модуляцию электронного потока по скорости, а увеличение длины пространства взаимодействия способствовало группированию электронов. Таким образом, длительное взаимодействие электронов и волны, в процессе которого электроны отдавали волне свою кинетическую энергию (взаимодействие типа О — от французского Tonde — волна), было значительно эффективнее, чем кратковременное взаимодействие электронного потока с полем в ВЧ зазоре резонатора. С позиций теории излучения описанное выше взаимодействие соответствовало индуцированному излучению Черенкова. Отдельная частица, двигаясь со скоростью и0, большей скорости света в среде (иф — скорость света в замедляющей среде), излучала по Черенкову, и индуцированность излучения определялась существованием механизма группирования электронов в волне.
Эволюцию размышлений Компфнера о приборе, в котором реализовывалось бы взаимодействие электронов с бегущей волной, иллюстрируют рисунки из его записной книжки (рис. 94) п. На рис. 94, б, в фигурирует спираль — один из важнейших элементов ЛБВ. К концу 1942 г. Компфнер уже имел некоторую информацию о свойствах спирали как замедляющей системы. «Я имел несколько бесед с коллегами о том, как можно уменьшить скорость, и в ходе обсуждений было высказано предложение использовать спираль... Я взял немного медной проволоки и стальной прут, зажал прут в токарный станок и намотал на него спираль. Витки касались друг друга, и я их немного раздвинул, чтобы не было короткого замыкания. Затем я взял коаксиальный проводник от детектора стоячей волны, вставил в него спираль, подал сигнал с длиной волны 10 см, и вдруг — о чудо! — я получил стоячую волну, конечно очень грубо, но когда я измерил расстояние между максимумами и взял среднее, то оказалось, что скорость уменьшилась в семь раз» [31, с. 13].
Впоследствии выяснилось, что спираль оказалась наилучшей замедляющей системой для широкополосных усилителей, поскольку она обладала слабой дисперсией — слабой зависимостью фазовой скорости от частоты со. Для прямых волн слабая дисперсия имела место, когда групповая и фазовая скорости волны близки. С увеличением групповой скорости vrp увеличивался поток мощности Р, проходивший через систему, что приводило к уменьшению сопротивления связи К= |Px|2/(2ßoP), где Ех — продольная составляющая электрического поля замедленной волны в области пучка; ро = а>/0ф; ифжи0. Поскольку P = vrpW, то для обеспечения в широкополосных замедляющих системах требуемого значения /(нужно по возможности уменьшить запасенную в них энергию W (например,  1111 	Рис. 94, а, б, в — соответственно рис. 9, И, 12 из [31].
329


Рис. 94. Странички из записной книжки Р. Компфнера
а — от 6 сентября 1942 г., со схемой отклоняющей системы ВЧ осциллографа из коаксиальной линии, скорость волны в котсрой близка к скорости электронов (не приводится оригинальный текст около рисунка); б — от 10 ноября 1942 г; в предлагаемом усилителе полый пучок движется между спиралью и внешним проводником к выходному резонатору, такому, как в клистроне; в — от 12 ноября 1942 г.; выходной резонатор заменен секцией со спиралью что приводит к неожиданному выводу: «Совершенно ненастроенный усилитель?»
Рис. 95. Экспериментальный макет, созданный Компфнером для демонстрации взаимодействия между бегущей волной и пучком
1 — электронная пушка, 2— фокусирующая катушка, 3 — согласующий румбатрон, 4 — спираль, 5 — внешний проводник, 6 — флюоресцирующий экран
уменьшая объем, занимаемый полем вне пучка). Спираль при распространении в ней прямой волны в полной мере удовлетворяла этому требованию.
Компфнер с трудом уходил от резонатора в конструкции лампы, даже поняв свойства спирали. Характерен в этом смысле его комментарий к рис. 94, в [31, с. 15] : «...я ...заменил румбатрон другой системой. Здесь в правой части тоже есть спираль, и выход сделан прямо от спирали. В записной книжке я пометил с недоумением: «Совершенно ненастроенный усилитель?» Это было невероятно — усилитель несомненно был ненастроенным». Несколько месяцев Компфнер потратил на резонансные усилите¬
330


ли с поперечным полем (он по существу возвратился к варианту скоростной модуляции, думая создать бесшумный усилитель), пока не «... понял, что шум пучка все равно будет поступать в резонатор, даже если электроны и не ударяются об него...» В другом месте он писал: «Но в апреле 1943 г. я вернулся к тому, что теперь назвал бы «спирально-коаксиальным усилителем“» [31, с. 16].
Следует заметить, что предполагаемые конструкции усилителя и теоретические построения были своеобразными «домашними упражнениями» Компфнера. На работе он продолжал заниматься клистронным усилителем для доплеровского локатора. Прежде чем начать делать лампу, он по существу построил достаточно полную теорию усиления слабого сигнала при взаимодействии электронного потока с бегущей электромагнитной волной (она адекватна изложенной выше механической модели).
В частности, он научился рассчитывать импеданс спирали, сумел найти выражение для сгруппированного под действием поля волны в спирали тока пучка и показал, что ток пропорционален квадрату расстояния (по современной терминологии Компфнер показал, что при взаимодействии типа О имеет место квадратичное группирование электронов). Более того, Компфнер рассчитал и вторичное поле, наведенное в спирали сгруппированным в первичной волне током. После этого он вычертил фазовую диаграмму для первичного и вторичного полей и обнаружил, что результирующее поле всегда будет больше первичного, т. е. получился усилитель [31, с. 19].
В августе 1943 г. физическое отделение Бирмингамского университета распалось, поскольку большая часть сотрудников уехала в Лос-Аламос (США), чтобы принять участие в работе над атомной бомбой. Компфнер остался: ему разрешили официально заниматься усилителем с бегущей волной и, разумеется, он выбрал эту работу. Теперь он приступил к экспериментальному созданию лампы. Вот что представлял собой, по словам Компфнера, первый прибор (рис. 95) 12: «Использовался пучок, созданный пушкой катодно-лучевой трубки, проходящий через фокусирующую катушку и спираль и дающий пятно на флюоресцирующем экране, которое можно было видеть снаружи. Спираль замедляла волну примерно в 10 раз (при напряжении около 2500 В). С большим нетерпением я ждал, что получится при подаче сигнала что-то около 100 мВт. К своему величайшему удовольствию я заметил, как пятно растянулось и превратилось в линию. Наверное, это был один из самых волнующих моментов в моей жизни. До сих пор я все-таки не верил, что электроны можно на самом деле «одурачить». Все мои открытия до этого были на бумаге; чтобы удостовериться, нужен был эксперимент» [31, с. 20].
Многочисленные (в ряде случаев весьма изящные) эксперименты Компфнера шаг за шагом подтверждали его теорию [31, с. 22—24]. Эксперименты продолжались на различных вариантах ламп, число которых перевалило за первую десятку. Наконец, по воспоминаниям Компфнера, в марте 1944 г. он получил наилучшие характеристики лампы:
12 	Рис. 95 соответствует рис. 14 из [31].
331


40 из 50 мкА доходили до коллектора, имевшего потенциал 1800 В; усиление составляло около 10 дБ, а отношение сигнал/шум, когда лампа включалась в цепь, равнялось 4 дБ; коэффициент шума смесителя был равен 13 дБ, т. е. коэффициент шума должен был быть порядка 10 дБ [31, с. 26].
Дальнейшая работа Компфнера проходила в Оксфордском университете. Здесь, в частности, он закончил свою теорию, получив легко суммируемый бесконечный ряд для поля в спирали (ряд соответствовал суммированию первичных, вторичных, третичных и т. д. волн). Были получены точное и асимптотическое (для больших длин) выражения для возбужденного поля в спирали. В асимптотическом случае поле росло с расстоянием экспоненциально.
В то же время Компфнер открыл экспериментально и объяснил теоретически явление полного подавления сигнала в лампе с бегущей волной (ЛБВ) при определенных значениях тока и потенциала луча. Это явление носит название эффекта срыва Компфнера (Kompfner dip condition) и используется для измерения дисперсионных характеристик и сопротивления связи замедляющих систем.
Следующий важный шаг в развитии теории ЛБВ и осознании того, что это — широкополосный усилитель, принадлежал Дж. Пирсу. Вот как оценивает роль Пирса в то время Компфнер [31, с. 27, 28]: «В 1944 г. доктор Джон Р. Пирс из «Белл телефон лабораториз» посетил Оксфорд. Он прочитал некоторые наши секретные заметки об этой работе... И я помню, с какой живостью он проглотил все это, а потом уехал назад и развил теорию, которая дала все результаты строго, гораздо более изящно, чем сделал я суммированием членов, хотя следует напомнить, что он, так сказать, заранее знал ответ, в то время как мои первые теоретические шаги предвосхищали эксперименты... В сущности, его теория с самого начала правильно учитывала влияние потерь в спирали и рассин- хронизма между пучком и волной, его теория предсказывала удивительные, по крайней мере для меня, вещи! Тот факт, что в лампе с бегущей волной потери не только не вредны, но даже очень полезны, был для меня совершенно неожиданным... При первой возможности Пирс послал мне свою теорию еще задолго до того, как она была опубликована. Несомненно, это был еще один волнующий момент, когда я вдруг понял, что все оказывается просто и красиво».
Обстоятельства, связанные с войной, сложились так, что первые публикации Компфнера появились только в 1946 г. и позднее [78—82], т. е. практически одновременно с публикациями Пирса [83, 84], хотя приоритет Компфнера в создании ЛБВ очевиден из сказанного выше.
Пирсу принадлежит заслуга разработки достаточно полной теории ЛБВ в режиме слабых сигналов; он доказал, что ЛБВ может быть использована в качестве широкополосного усилителя 13. Результаты исследований Пирса нашли отражение в книгах «Лампа с бегущей волной» [85] и «Теория и расчет электронных пучков» [86], роль которых для дальнейшего развития не только ЛБВ, но и всей СВЧ электроники трудно переоце¬
13 	Собственные воспоминания Пирса о работе над созданием ЛБВ, а впоследствии и малошумящих усилителей, изложены в [76, с. 184].
332


нить. Любопытно, что в книге [85] уже присутствовала глава «Выходная мощность», где на основе оценок был сделан вывод о возможности получения в ЛБВ высоких КПД — от 30 до 70%. Более того, в этой же главе имелись указания на возможность увеличения КПД за счет уменьшения фазовой скорости к концу лампы (нужно поддержать условия синхронизма, так как электроны, отдавая кинетическую энергию, тормозились, и их средняя скорость уменьшалась) и подачи на коллектор напряжения меньшего, чем на спирали (впоследствии этот способ повышения технического КПД получил название рекуперации).
В СССР работы по изучению взаимодействия электронного потока с бегущей электромагнитной волной были начаты в 1947 г. двумя группами под руководством Л. Н. Лошакова и В. Т. Овчарова [10, с. 16].
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА 20—50-х ГОДОВ XX в.
Довоенный период
Рассматриваемый в книге тридцатилетний отрезок истории радиотехники с середины 20-х до середины 50-х годов XX в. составляет три заметных этапа: довоенный, военный и послевоенный. Они имеют ряд характерных отличительных особенностей (рис. 96).
Довоенный этап отличался быстрым развитием радиотехники и электроники во всех промышленно развитых странах на основе уже достигнутых ранее успехов. Это развитие не носило революционных черт, но отличалось высокими темпами, свойственными всем сравнительно молодым областям техники. В это время в радиотехнике осваивались короткие, а затем ультракороткие волны, проводились эксперименты на дециметровых волнах. Наращивались количественные значения параметров радиоустройств: увеличивалась излучаемая мощность передатчиков, улучшались чувствительность приемников и их избирательность, росли дальности связей.
Радиотехнические средства и методы сначала находили применение, кроме связи, в радиовещании, которое развивалось во всех странах как наиболее жизненное и массовое средство передачи информации. Радиовещание очень быстро встало по своему социальному значению в один ряд с печатью.
Первые годы после победы Октября... Радиовещание тогда многим представлялось всего лишь интересной технической новинкой, скорее забавной, чем жизненно важной, но В. И. Ленин, молодое Советское правительство понимали, что радиовещательные передачи из центра явились бы зародышем массовой радиогазеты, с помощью которой партия большевиков могла нести коммунистические идеи в сознание трудящихся и поддерживать оперативную связь с самыми отдаленными районами страны. Радиовещанию придавалось большое значение и как мощному средству передачи народу культурных ценностей, накопленных в истори-
333


1880 1890 1900 1910 1920 1930 1940 1950 1960 1970
Рис. 96. Периодизация развития радиотехники от зарождения до 50-х годов XX в.


ческом развитии общества. Поэтому в СССР в довоенный период предпринимались все меры по развитию радиовещательной базы, по организации радиотехнических исследовательских учреждений, по созданию радиопромышленности. В это время в Советском Союзе был построен ряд мощных радиовещательных станций.
Высокие темпы производства радиотехнических приборов как бытового (радиоприемники, звуковоспроизводящая аппаратура), так и специального (связь, радиотелеграф) назначения отличали зарубежное развитие радиотехники этого периода. Именно радиопромышленность, производство радиоприборов бытового назначения в какой-то мере позволило ряду капиталистических стран справиться с последствиями кризиса 30-х годов.
На довоенном этапе происходило быстрое развитие электронной техники. К концу 30-х годов электронная лампа заняла монопольное положение в радиотехнической аппаратуре. И если первые триоды Л. де Фореста имели коэффициент усиления по напряжению близким к единице, то после появления регенеративных приемников стало возможным усиливать сигнал в десятки тысяч раз. Развитие триодов, а затем и многоэлектродных ламп получило сильный стимул для прогресса. Расширились области применения электронных ламп. Из приемной техники они распространились в другие области радиотехники, на их основе в конце 30-х годов взяло начало телевидение, а затем возникла радиолокация.
Лампа проникла и в радиопередающую технику. Создание и производство специальных генераторных ламп складывалось в важное направление электронной техники. Появились конструкции все более мощных генераторных электронных приборов, и к началу войны их единичные мощности достигли сотен киловатт. Для генерирования и приема сигналов все более коротких волн применялись специальные лампы. В этот период было найдено несколько важных решений задачи построения мощных радиовещательных станций. Это прежде всего применение параллельно включенных генераторных и генераторно-модуляторных блоков мощностью около 100 кВт каждый (СССР, 1933 г.), из которых можно было строить радиовещательные станции в несколько сотен киловатт и даже свыше 1000 кВт. Реализовано предложение (СССР, 1938 г.) по созданию мощных коротковолновых передач путем сложения в месте приема мощностей нескольких однотипных радиостанций.
В довоенное время существенные сдвиги произошли в теоретической радиотехнике, были заложены основы расчета основных элементов радиотехнического тракта. Заметные успехи были достигнуты в науке о распространении радиоволн — изучены основные свойства ионосферы и ее роль в дальних связях. Произошло становление основ антенной техники длинных и средних волн.
30-е годы отличались интенсивным развитием техники радиоприема и расширением производства бытовых приемников. Наиболее существенным новшеством в этой технике были супергетеродины.
К этому времени относится .появление телевизионного вещания и связанной с ним техники. Опыты механического телевидения 30-х годов показали непригодность этих систем для массового применения, в особенности на длинных и средних волнах. Во многих странах начались
335


интенсивные работы по созданию электронных систем телевидения в диапазоне УКВ, наибольшие успехи имелись в США, СССР, Франции и Германии. Были разработаны трубки для преобразования светового сигнала в электрический (иконоскопы) и для получения электронного изображения в приемниках (кинескопы) как с электрическим, так и с электромагнитным отклонением луча. В середине 30-х годов начались регулярные телепередачи для массового применения.
В СССР первая система электронного телевидения с разложением 180 строк 25 кадров была разработана в 1935 г. А в 1938 г. были пущены в эксплуатацию УКВ телецентры в Москве и Ленинграде.
В телевизионной технике зародились новые типы приборов для управления слабыми сигналами при преобразовании света в электрический ток. В 30-х годах появились фоторезисторы, фотоэлектронные умножители. В этой области важную роль отвела история ученым Советского Союза, которые создали базу для применений фотоэффекта и развития новой техники (фотоисточники энергии, приборы автоматики). Это направление вскоре вышло за рамки телевидения и обрело самостоятельную роль во многих областях техники.
Конец 30-х годов связан с зарождением фототелеграфной техники, с совершенствованием буквопечатающей аппаратуры для радиосвязи, с автоматизацией телефонных систем внутри городов и с развитием радиотелефонных связей междугородного характера.
В конце 30-х годов стали весьма интенсивно исследоваться ультракороткие и дециметровые волны. Разрабатывались лампы и аппаратура для генерирования и приема сигналов УКВ и ДЦВ. Советскими инженерами в 1940—1941 гг. были разработаны удачные конструкции приемноусилительных и гетеродинных УКВ ламп типа ДЦ-21 и ДЦМ-1. Научно- технические решения, реализованные в этих конструкциях, нашли дальнейшее развитие во многих типах УКВ ламп. Важным этапом развития техники УКВ и СВЧ была реализация выдвинутой в середине 30-х годов в ряде стран идеи взаимодействия электронного потока с высокочастотным полем для генерирования и усиления электромагнитных колебаний. В результате появились новые электронные приборы — магнетронные генераторы и клистроны. Этим приборам суждено было сыграть очень большую роль в становлении и развитии техники сверхвысоких частот и сопутствующих ей других направлениях техники.
В 1940 г. Н. Ф. Алексеев и Д. Е. Маляров (СССР) построили и описали новый генераторный прибор — многокамерный магнетрон сантиметрового диапазона. В дальнейшем такие магнетроны получили широкое распространение во всем мире как генераторы колебаний сверхвысоких частот. Идея использования инерции электронов нашла воплощение в так называемых пролетных СВЧ лампах — клистронах (СССР, США, 1939 г.).
Успехи в развитии техники СВЧ создали базу для воплощения идеи обнаружения с помощью электромагнитных волн различных объектов и определения расстояний. В 1933—1934 гг. в Англии, СССР и США были проведены первые опыты в этом направлении, а в 1938 г. появились действующие радиолокаторы. Разрабатывались фазометрические способы определения расстояний. В радиолокационных станциях для определения
336


дальности использовалось как непрерывное, так и импульсное излучение. Основные принципы радиолокационных приборов были разработаны в предвоенные годы, но широкое развитие радиолокационной техники произошло во время Второй мировой войны. В предвоенные годы интенсивно применялось другое направление радиотехники — радионавигация, были созданы основные типы навигационных приборов.
Радиотехнические методы нашли применение и для решения ряда технологических проблем в производстве. Еще в середине 30-х годов проводились опыты по использованию высокочастотных токов для нагрева и поверхностной закалки деталей из стали. Большую роль в этой области сыграли работы, проведенные в СССР. В 1939 г. были разработаны генераторы большой мощности для технологических целей.
Использовались радиотехнические методы и в научных исследованиях, в том числе в ряде областей физики (например, радиоспектроскопии). В конце 30-х годов зародилась электронная микроскопия — применение управляемых электронных потоков для наблюдения микрообъектов. Она дала науке приборы с разрешающей способностью на несколько порядков больше, чем оптика.
Период Второй мировой войны
Следующий этап развития радиотехники относится ко Второй мировой войне. Его особенность в том, что развитие радиотехники почти во всех странах было подчинено военным и оборонным требованиям и целям. Радиотехнические приборы и методы сыграли очень заметную роль в войне. В военные применения радиотехники вкладывались огромные материальные средства, в этой области концентрировались большие научные силы. Радиотехника рассматривалась как один из важных видов вооружения.
Одним из крупных достижений техники, которое сильно повлияло на характер войны, была радиолокация. Она существенно изменила тактику ведения военных действий и повлияла на другие технические средства военного назначения. Радиолокация претерпела бурное развитие во время войны. Она и сопутствующие ей области — высокочастотная электроника, импульсная техника, техника СВЧ, антенная техника — и после войны не утратили своего значения, стали применяться в различных технических и социальных сферах мирного времени.
Системы противовоздушной обороны СССР и Англии с первых лет войны были существенно усилены и улучшены именно благодаря радиолокации. Вслед за станциями дальнего обнаружения появились радиолокаторы для ведения зенитного артиллерийского огня — станции орудийной наводки (СОН), определявшие текущие координаты воздушных целей: высоту полета, наклонную дальность, угол места и азимут. Они обеспечивали результативный зенитный огонь по невидимым воздушным целям, а это качественно изменяло характер и тактические свойства ПВО. С применением станций орудийной наводки союзнические армии и советские вооруженные силы получили средство, позволившее в большинстве случаев отказаться от традиционного способа — от ведения заградитель¬
337


ного артиллерийского огня — и применять прицельную стрельбу с высокой поражающей способностью, экономить боеприпасы.
В период войны специальные наземные радиолокаторы применялись и в морской практике для обнаружения кораблей и подводных лодок и точного определения их координат. К концу войны появились радиолокаторы иных назначений и, в частности, для слепого бомбометания (бомбовые прицелы), самолетные станции кругового обзора, морские радиолокаторы дальнего обнаружения. Большую роль в развитии авиации сыграли радиолокационные высотомеры, примененные на многих типах самолетов.
В военный период широкое применение получили и системы радионавигации дальнего действия «Джи-и», «Шоран», «Микро-эйч», «Лоран». Навигационное оборудование обеспечивало точность ориентирования до нескольких десятков метров на расстоянии в сотни километров.
К концу войны появились системы для слепой посадки самолетов, состоявшие из бортовой радионавигационной аппаратуры и специальных посадочных радиостанций. Эти приборы эффективно работали в таких условиях, в каких ранее посадка была совершенно невозможна. Слепая радиопосадка после войны начала широко применяться и для гражданских нужд.
Наряду с радиолокацией и радионавигацией во время войны получают развитие гидроакустические ультразвуковые системы для военно-морских целей. Они применялись для обнаружения надводных и подводных объектов и их ориентирования, а после войны гидролокаторы оказались весьма полезными в промысловом рыболовстве.
Развитие радиолокации и смежных областей требовало разработки и производства необходимых для этого приборов и материалов: прежде всего импульсных магнетронов, клистронов, высокочастотных ламп, специальных диэлектриков и др. Радиолокационная техника стимулировала развитие антенной техники. Появляются направленные антенны с быстрым качанием луча. Техника СВЧ вызвала к жизни новый тип фидерных устройств — волноводов. Стала развиваться и выделилась в отдельное направление импульсная техника. Появились специальные счетно-решающие приборы для обработки радиолокационных сигналов, для введения поправок на скорость объекта, ветра и выдачи координат цели для прицельного бомбометания. Первые такие приборы (1942—1943 гг.) были электромеханическими. К концу войны появились первые электронные устройства, прообразы зародившейся впоследствии электронной вычислительной техники.
Необходимость управления пространственным положением антенных систем радиолокаторов поставила техническую задачу создания специализированного синхронного скоростного электропривода. Были созданы системы следящего привода и элементы для него — сельсины, амплидин- ные мотор-генераторы и т. п. Весь комплекс этого привода нашел применение после войны в других областях техники и на транспорте.
Во время войны существенное изменение претерпела техника радиосвязи. Был создан целый ряд разнообразных КВ и УКВ военных связных радиостанций, как стационарных для связи в морских и армейских соединениях, так и подвижных для подразделений, которые вели непосредствен¬
338


ные боевые операции. Впервые нашли применение частотная модуляция, системы буквопечатающего типа с помехозащитой, фототрансмиттеры на дальних линиях связи, высокочастотная телефонная связь.
Требования военного времени к радиотехнике, потребность в приборах для использования в боях сильно отразились на развитии электронной техники. В ней появилось множество принципиально новых решений в области традиционных радиоламп. Были созданы и новые типы электронных приборов для дециметрового и сантиметрового диапазонов волн. Эти достижения электроники в свою очередь способствовали существенному прогрессу радиотехнических систем. Создание таких элементов существенно изменило габаритные размеры и массу радиоустройств, а главное — позволило строить приборы, качественно отличные от традиционных, например миниатюрные взрыватели. Появились малогабаритные переносные КВ и УКВ военные радиостанции, а самолетные приборы при их небольших размерах и массе стали более совершенны, надежны и обрели более широкие возможности.
Послевоенное десятилетие
Третий этап развития радиотехники рассмотренного в книге периода относится к послевоенному десятилетию. Достижения военной радиотехники, ее высокий научно-технический потенциал, начали применяться для мирных дел. Развернулось производство разнообразной радиоаппаратуры бытового назначения, прежде всего радиовещательных приемников, появились бытовые магнитофоны, открылся широкий путь развития и применения техники магнитной записи и воспроизведения звука.
Бурные темпы развития обрело телевидение. Во всем мире реконструировались старые телецентры и создавались новые, более совершенные. Резко возрос выпуск бытовых телевизоров. Применялось преимущественно черно-белое телевидение, хотя начались разработки и в области цветного.
За несколько предвоенных лет люди смогли убедиться во многих привлекательных сторонах телевидения, этого нового зрелищного средства. Однако широкое завоевание телевидением зрительской аудитории произошло именно в послевоенное десятилетие. И как в 30-е годы мир был наводнен радиоприемной вещательной аппаратурой, так в 50-е годы в большинстве стран происходило с телевизорами. Несмотря на довольно высокую стоимость телевизоров этот прогресс был весьма быстрым. Разнообразились системы телевизоров, выпускались аппараты со все более широким экраном, одновременно распространялись и малогабаритные переносные телеприемники. За короткое время телевидение приобрело очень большую популярность не только как зрелищное средство, но и как повседневная мощная информационная система. Скоро телевидение во многих отношениях перегнало радио, и стало средством весьма эффективного социального воздействия на общество, соперничая с кинематографом.
Еще интенсивнее продолжала развиваться электронная техника. Появилось много новых электронных приборов. В самостоятельное направле¬
339


ние выделилась техника ламп СВЧ и схемных элементов для этого диапазона.
В послевоенное десятилетие полупроводниковые приборы, использовавшиеся сперва как маломощные, но весьма экономичные и стабильные усилители, очень быстро достигли такого совершенства, что начали конкурировать с электронными лампами. Они становились все мощнее и высокочастотнее, и их стали использовать для генерирования электромагнитных колебаний.
Электроника первого послевоенного десятилетия получила настолько бурное развитие, что к середине 50-х годов появилось новое понятие «радиоэлектроника», обозначающее комплексную радиотехническую область науки и техники, назначение которой состояло в разработке методов и приборов для получения и применения радиоколебаний на волнах вплоть до миллиметровых с использованием электронных приборов и новых принципов радиотехники и электроники. Переплетение радиотехнического знания с электронной техникой становилось все теснее. Полупроводники еще более укрепили союз электроники с радиотехнической наукой, подвели под радиоэлектронику новую прочную техническую базу.
Полупроводниковые приборы в этот период стали основным средством для решения проблем миниатюризации и надежности радиоаппаратуры.
Вскоре после войны возникло новое направление в технике, основанное на достижениях радиоэлектроники и математической логики.— техническая кибернетика. Появились вычислительные машины, сначала на электронных лампах — довольно громоздкие, неэкономичные устройства с малой надежностью. Полупроводники и методы построения миниатюрной аппаратуры открыли в этом новом направлении почти необозримые горизонты. Электронные вычислительные машины новых поколений произвели подлинную революцию в технике.
Характерную черту радиоэлектроники послевоенного периода составили усилившиеся связи радиотехнических областей с производством и с наукой. С одной стороны, радиоэлектроника была почти единственной областью техники, способной создавать многие необходимые для производства приборы и аппараты. Здесь и контрольно-измерительная аппаратура и генераторы, предназначенные для технологических операций. С другой стороны, для прогресса радиоэлектроники требовался целый комплекс новых материалов, которые должна выпускать промышленность. Для решения проблемы миниатюризации необходимо было освоить специальные технологические и конструктивные приемы, такие как модульный монтаж, печатная технология. Необычайно расширились связи радиоэлектроники с фундаментальной наукой: в научных исследованиях внедрялись не только радиоприборы, но и методы — в частности, осцил- лографический, метод измерения очень малых промежутков времени и др.
Комплексный характер радиоэлектроники проявился и в том, что помимо слияния технических средств и методов электроники и радиотехники, начался интенсивный процесс выхода радиоэлектроники за пределы ее традиционных применений. На рис. 97 изображена структурно-историческая схема радиоэлектроники конца 50-х годов, и показаны важнейшие взаимосвязи в процессе ее формирования.
340


Рис. 97. Структурная схема радиоэлектроники и взаимодействия ее элементов


Радиоэлектроника как комплексная область возникла в процессе исторического взаимодействия радиотехники, техники связи и электроники. Радиотехника сыграла роль технической науки, питавшей радиоэлектронику инженерным знанием, методами расчета и конструирования традиционной радиоаппаратуры. Техника связи отдала радиоэлектронике сложившееся в ней фундаментальное знание, связанное с осмыслением процессов прохождения сигналов в каналах связи, расчетом пропускной способности каналов, отношения сигнал/шум, связанное с физической сущностью и теоретическим осмыслением случайных процессов. Электроника, в свою очередь, кроме арсенала усилительно-генераторных и переключающих приборов, непосредственно применяемых для практических нужд радиоэлектроники, создала свое специфическое научно-техническое знание об электронных процессах, обогатило всем этим радиоэлектронику.
В радиоэлектронике как комплексной научно-технической области имеется три группы направлений. Одна из них составляет как бы ее принципиальный и физический базис (например электродинамика, наука о распространении радиоволн, теория контуров и фильтров). Другая группа направлений является элементами внутреннего развития радиоэлектроники, ее внутренними движущими силами. И наконец, существует третья группа направлений, которая связана с внешними применениями радиоэлектроники и определяется ее взаимосвязями с другими областями науки, техники и производства (например, телевидение, радиолокация, радионавигация, радиоастрономия и др.).
Тенденции развития радиоэлектроники 20—50-х годов
В развитии радиотехники и электроники рассмотренного в книге периода 20—50-х годов прослеживается пять главенствующих тенденций.
Первая тенденция определяла энергетическую основу радиотехники. Она выражалась в совершенствовании техники получения все больших мощностей радиостанций и генераторов. Эта тенденция существовала постоянно — от зарождения радиосвязи до наших дней. Единичные мощности радиогенераторов и радиостанций неуклонно возрастали на всем протяжении истории радиотехники* В наши дни проблему мощности можно считать решенной для земных нужд человечества, по крайней мере в радиосвязи и радиовещании. Встала задача ее решения для космических применений. Начиная с 60-х годов проблема мощности радиогенераторов приобрела непредсказуемую сторону; общее количество радиостанций нашей планеты и их суммарная мощность настолько возросли, что это уже не безразлично для человеческого организма. Проблема получила экологическую окраску, перешла в социологическую область.
Вторая тенденция связана с освоением электромагнитного спектра, которое началось с длинноволнового участка и шло в сторону все более высоких частот. Если проследить за этим процессом в течение всей истории, то оказалось, что в среднем осваивался один порядок, т. е. декада частот за десятилетний интервал. За период до 50-х годов был освоен спектр частот, включая сантиметровые волны. Уже начались экспери¬
342


менты и в более коротковолновой части спектра, на повестке дня встали световые колебания, лазерные частоты. Освоение электромагнитного спектра продолжалось. На этом пути в развитии радиотехники был ряд узловых моментов, когда сложившееся традиционное знание и применявшаяся техника вступали в противоречие с новыми свойствами электромагнитных колебаний более высоких частот. Так например, при освоении коротких (декаметровых) волн стало известно их ионосферное распространение, и пришлось пересмотреть методы расчета напряженности электромагнитного поля. Аналогичная обстановка возникла на дециметровых и сантиметровых волнах: изменился характер колебательных систем, и от дискретных конденсаторов и катушек индуктивностей пришлось перейти к использованию металлических полых и закрытых колебательных систем с распределенными индуктивностями и емкостями. Понадобились новые подходы к рассмотрению явлений на этих частотах, выработка новых методов расчета радиоприборов. Эти изменения проявились и в социальном плане — вызвали необходимость переквалификации многих специалистов, перестройку учебного процесса подготовки инженерных кадров. При освоении сверхвысоких частот в радиотехнике проявилось диалектическое свойство мышления при решении кризисных ситуаций. Преодоление некоторых технических препятствий производилось не устранением этих препятствий, а их использованием, получением от них полезного эффекта, превращением их в полезные факторы. На СВЧ работа ламп ухудшалась вследствие мешающего действия индуктивностей и емкостей ламповых электродов и вводов и из-за инерции электронов. Эти факторы были неустранимы. Чем выше частота, тем они действовали сильнее, снижая усилительную способность ламп. Конструктивно их влияние можно было уменьшить лишь до определенного значения. Тем самым возникал частотный предел работы ламп. Разрешение противоречия было найдено в использовании ламповых емкостей и индуктивностей в качестве элементов встроенных колебательных контуров, в применении концентрических электродов для согласования ламп с коаксиальными линиями. Использование же явления инерции электронов вызвало к жизни новые лампы пролетного типа.
Третьей тенденцией развития радиоэлектроники было объединение отдельных элементов радиоустройств в системы. Объединялись пассивные и активные элементы: колебательные контуры вводились внутрь высокочастотных ламп с образованием единой системы. Таким образом возникали новые типы электронных приборов. Тенденция эта продолжается и по настоящее время, например в создании фазированных антенных решеток, где антенна содержит и излучающие поверхности и активные четырехполюсники.
Четвертая тенденция развития радиоэлектроники определялась улучшением показателей качества радиоприборов и систем и их функциональных возможностей. Это — увеличение чувствительности и избирательности приемников, коэффициента усиления, упрощение настройки приборов, улучшение стабильности частоты и устойчивости работы приборов. В русле этой тенденции возникли проблема борьбы с помехами и проблема уплотнения радиоканалов. Проблемы из узко радиотехнических выросли в общенаучные.
343


Наконец, следует отметить еще одну тенденцию. Это — расширение взаимосвязей радиоэлектроники с другими областями науки и техники, расширение сферы ее применений. Важной особенностью развития радиотехнической науки явилась ее постепенная теоретизация. Если на ранних стадиях основными приемами при создании радиоприборов были эмпирический подход, эксперимент, метод проб и ошибок, то в послевоенный период быстро возросла роль расчета, роль теории, шла обширная математизация области. Многие проблемы радиотехники решались сперва на теоретическом уровне, а затем воплощались в реальных приборах и технических системах.
Эти тенденции и особенности развития радиотехнических областей в период с середины 20-х до середины 50-х годов XX в. показали, что радиоэлектроника, сформировавшаяся в процессе взаимодействия радиотехники и электроники, вышла на ведущие рубежи науки и техники, стала важным звеном в научной, производственной и культурной сферах общества. Она обрела способность решать крупные научно-технические задачи, в том числе междисциплинарные. Тем самым радиоэлектроника превратилась в серьезный социальный фактор человечества.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Рассмотренный в книге период развития радиотехники с середины 20-х до середины 50-х годов XX в. весьма важным в радионауке и ее практических применениях. Он отличался как высокими темпами, так и большим количеством открытий и изобретений, составивших научно-технический фундамент этой науки. В это время свершалась все более выраженная дифференциация радиотехнического знания, происходило выделение автономных областей радиотехники. С другой стороны, не менее интенсивно проявлялся и процесс интеграции, составивший одну из существенных причин формирования комплексного направления — радиоэлектроники, ведущей научно-инженерной области современного мира, которая в своем развитии не знала упадков и застоев.
Комплексность, системность характера развития радиотехники и электроники обусловили проникновение радиоэлектроники во многие области человеческой деятельности — в науку, технику, производство, культуру. Эта прикладная сторона радиоэлектроники в сильной мере отличает характер развития радиотехнических областей в рассматриваемый период по сравнению с предшествующими этапами. Радиоэлектроника выходит на самые передовые рубежи научно-технического прогресса, становится важной чертой бытия человеческого общества. Историческому анализу радиоэлектроники на пути к современности будет посвящена следующая книга нашего труда.


ЛИТЕРАТУРА
К введению
1. Родионов В. М. О чертах истории техники как науки // Из истории энергетики, электроники и связи. М.: ИИЕиТ АН СССР. 1984. Вып. 14.
С. 	189—197.
2. Родионов В. М. О направлениях исследований по истории радиоэлектроники //Из истории энергетики, электроники и связи. М.: ИИЕиТ АН СССР, 1981. Вып. И. С. 58—77.
3. Лобанов М. М. Развитие советской радиолокационной техники. М.: Воениздат, 1982.
4. Шмаков П. В. Пути развития телевидения. М.: Связьиздат, 1949.
5. Нейман М. С. Из истории антенн. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1955.
6. Navy’s history of radar // Electronics. 1943. № 7. P. 23—31.
7. 50 лет радио / Под ред. А. Д.
Фортушенко. М.: Связьиздат, 1945.
8. 60 лет радио/Под ред. А. Д.
Фортушенко. М.: Связьиздат, 1955.
9. 70 лет радио / Под ред. А. Д.
Фортушенко. М.: Связьиздат, 1965.
10. 80 лет радио / Под ред. А. Д. Фортушенко. М.: Связь, 1975.
И. 90 лет радио / Под ред. А. Д. Фортушенко. М.: Радио и связь, 1985.
12. Очерки истории радиотехники / Под ред. Б. С. Сотина. М.: Изд-во АН СССР, 1960.
13. Техника в ее историческом развитии: От появления ручных орудий труда до становления техники машиннофабричного производства / Под ред. С. В. Шухардина и др. М.: Наука, 1979.
14. Техника в ее историческом развитии: 70-е годы XIX— начало XX в. Под ред. С. В. Шухардина и др. М.: Наука, 1982.
К главе 1
1. Kerr /. A new relation between electricity and light // Philos. Mag. 1875. Vol. 50. P. 337—348, 446—458.
2. Thomson J. J. On the electric and magnetic effects produced by the
346
motion of electrified bodies // Ibid. 1881. Vol. 11, N 229—249.
3. Fitzgerald G. Note on Mr. J. J. Thomson’s investigation of the electromagnetic action of a moving electrified sphere//Dublin Soc. Sei. Proc. 1883. Vol. 3. P. 250—254.
4. Heaviside О. Electromagnetic waves and the propagation of potential//Electrician. 1889. Vol. 22. P. 23—34.
5. Searle C. F. C. Problems in electric convection // Philos. Trans. Roy. Soc. London A. 1897. Vol. 187. P. 675—713.
6. Morton W. B. Notes on the electromagnetic theory of moving charges // Philos. Mag. 1896. Vol. 41. P. 488—494.
7. Heaviside O. Electromagnetic induction and its propagation //Electrician. 1885. Vol. 14. P. 178—180.
8. Fitzgerald G. F. On the possibility of originating wave distorbances in the a ether by means of electric forces // Dublin Soc. Sei. Trans. 1883. Vol. 1. P. 325—326.
9. Fitzgerald G. F. On the mechanical theory of Grookes’s force // Ibid. P. 57—67.
10. Poynting J. H. On the transfer of energy in the electromagnetic field // Philos. Trans. Roy. Soc. London A. 1885. Vol. 175. P. 343—361.
11. Heaviside O. Electrical papers.
L.; N. Y., 1892. Vol. 2. P. 468—579.
12. Григорян A. T., Вяльцев A. H. Генрих Герц, 1857—1894. M.: Наука, 1968.
13. Hertz Н. Die Kräfte elektrischer Schwingungen, behandelt nach der Max- well’schen Theorie//Ann. Phys, und Chem. 1889. Bd. 36, N 1. S. 1—22.
14. Whittaker E. A history of the theories of aether and electricity. L. etc.: Nelson, 1951.
15. Descartes R. Dioptrique — Me'- téores. Leyden, 1637.
16. Grimaldi F. M. Physico-Mathe- sis de Lumine, Coloribus, et iride. Bologna, 1665.
17. Hocke R. Micrographia of philo-


sophical description of minute bodies. L., 1665.
18. Euler L. Opuscula varii argumenti. В., 1746.
19. Ломоносов М. В. Слово о происхождении света, новую теорию о цветах представляющее//Избр. произведения. М.: Наука, 1986. T. 1. С. 242—259.
20. Römer О. Die Fortpflanzungsgeschwindigkeit des Lichts // J. Sav. 1676. S. 223.
21. Young Th. An account of some cases of the production of colours, not higher to describe // Philos. Trans. Roy. Soc. London A. 1802. Vol. 92, N 1/2. P. 387—397.
22. Foucault L. Méthode générale pour mesurer la vitessè de la lumière dans Pair, dans les millieux transparents // C. r. Acad. sei. 1850. T. 30. P. 551—560.
23. Попов A. С. Телеграфирование без проводов // Физико-математический ежегодник. 1900. Вып. 1. С. 101—121.
24. Kennelly А. Е. On the elevation of the electrically-conducting strata of the Earth’s atmosphere//Elect. World and Eng. 1902. Vol. 39. Маг. P. 473.
25. Heaviside O. Electromagnetic theory. L., 1951. Vol. 1—3.
26. Краснушкин П. E. Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних связей. М.: Изд-во МГУ, 1947.
27. Казанцев А. Н. Радиопрогнозы и их практическое применение для расчета рабочих частот // Изв. АН СССР. ОТН. 1946. № 9. С. 1305—1326.
28. Gans R. Fortpflanzung des Lichtes durch ein inhomogenes Medium // Ann. Phys. 1915. Bd. 47, N 14. S. 709—736.
29. Бреховских Л. M. Волны
в слоистых средах. М.: Изд-во
АН СССР, 1957 г.
30. Hartree D. R. The propagation of electromagnetic waves in a stratified medium // Proc. Cambridge Philos. Soc. 1929. Vol. 25, N 1. P. 97—112.
31. Haddenhorst H. G. Durchgang von elektromagnetischen Wellen durch inhomogene schichten // Ztschr. angew. Phys. 1955. Bd. 7, H. 10. S. 487— 496.
32. Rydbeck O. The propagation of electromagnetic waves in an ionized medium and calculation of the true heights of the ionized layers of atmosphere // Philos. Mag. and J. Sei. 1940. Vol. 30, N 201. P. 282—293.
33. Wallot J. Der senkrechte Durch¬
gang elektromagnetichen Wellen durch eine Schicht räumlich veränderlicher Dielektrizitäts Konstante//Ann. Phys. 1919. Bd. 60, N 24. p. 734—762.
34. Fosterling К. Ober die Ausbreitung des „Lichtes in inhomogenen Medien//Ann. Phys. F. 5. 1931. Bd. И.
S. 1—39.
35. Стрэтт Д. В. Теория звука. М.: Гостехтеориздат, 1955.
36. Рытое С. М., Юдкевич Ф. С. Об отражении электромагнитных волн от слоя с отрицательной диэлектрической постоянной // ЖЭТФ. 1940.
T. 10, № 8. С. 887—902.
37. Mullin С. /. Solution of the wave equation near an extremum of the potential//Phys. Rev. 1953. Vol. 92, N 5. P. 1323—1324.
38. Epstein P. Geometrical optics in absorbing media // Proc. Acad. Natur. Sci. 1930. Vol. 16. P. 37—45.
39. Heller G. S. Reflection of acoustic waves from an inhomogeneous fluid medium // J. Acoust. Soc. Amer. 1953. Vol. 25, N 5. P. 1104—1110.
40. Elias G. J. Das verhalten elektromagnetischer Wellen bei räumlich veränderlichen elektrischen Eigenschaften//Elek. Nachr. Techn. 1931. Bd. 8, № 1. S. 4—22.
41. Hamilton W. R. Mathematical papers. Cambridge: Univ. press. Pt 1.
193 lj Pt 2. 1940.
42. Sommerfeld A., Runge J. Anwendung der Vektorrechnung auf die Grundlagen der Geometrischen Optic // Ann. Phys. F. 4. 1911. Bd. 35, N 7. S. 277—298.
43. Соболев С. Л. Волновое уравнение в неоднородной среде // Тр. Сейсмол. Ин-та АН СССР. 1930. № 6. С. 1—57.
44. Рытое С. М. О переходе от волновой к геометрической оптике // Докл. АН СССР. 1938. Т. 18, № 2. С. 263—26Ь.
45. Lünenburg R. К. Màthematical theory of optics. Berkley: Univ. Cal. press, 1964.
46. Кравцов Ю. А., Орлов Ю. И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980.
47. Huygens С. Traite de la lumie're. Leiden, 1690.
48. Федоров H. H. Основы электродинамики. M.: Высш. шк., 1980.
49. Keller J. В. Diffraction by an aperture // J. Appl. Phys. 1957. Vol. 28, N 4. P. 426—444.
50. Уфимцев П. Я. Метод краевых
347


волн в физической теории дифракции.
M. 	: Сов. радио, 1962.
51. Орлов Ю. И., Федоров H. Н. Об искажениях радиоимпульсов в однородных диспергирующих средах // Тр. МЭИ. 1981. Вып. 536. С. 26—31.
52. Орлов Ю. ИФедоров H. Н. О компрессии ЛЧМ сигналов в диспергирующих средах. М., 1983. Деп. в ВИНИТИ, № 3747-83.
53. Jeffreys В. S. The asymptotic approximation method quantum theory.
N. Y.; L.: Bates, 1961. Vol. 1.
54. Вишик M. Люстерник Л. A. Асимптотическое поведение решений линейных дифференциальных уравнений с большими или быстро меняющимися коэффициентами и граничными условиями//УМН. 1960. Т. 15, № 4. С. 27—95.
55. Федоров H. Н. Падение плоских волн на границу раздела вакуум — неоднородная поглощающая среда // Изв. вузов. Радиофизика. 1964. Т. 7., № 1. С. 85—90.
56. Жекулин Л. А. Исследование распространения электромагнитам волны в негомогенной ионизированной среде // ЖЭТФ. 1934. Т. 4. С. 76—95.
57. Петрашень М. И. О полуклас- сических методах решения волнового уравнения // Учен. зап. ЛГУ. Сер. физ. наук. 1949. Вып. 7. С. 59—78.
58. Краснушкин П. Е. Метод нормальных волн, в применении к волноводам и их алгебраическим прообразам: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1945.
59. Федоров H. Н. Решение некоторых задач электродинамики в неоднородных средах: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1969.
60. Иванов В. И. Применение конформного отображения к простейшим задачам распространения волн в неоднородных средах // Журн. вычисл. математики и мат. физики. 1961. T. 1, № 2. С. 246—254.
61. Фок В. А. Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности // ЖЭТФ. 1945. Т. 9. С. 479—496.
62. Купрадзе В. Д. Граничные задачи теории колебаний и интегральные уравнения. М.: Гостехтеориздат, 1950.
63. Тихонов А. М. О решении некорректно поставленных задач и методе регуляризации//Докл. АН СССР. 1963. Т. 151, № 3. С. 501—504.
64. Васильев Е. Н., Малуш- ков Г. Д., Фалунин А. А. Интегральные уравнения первого рода в некоторых
задачах электродинамики // ЭТФ. 1967. Т. 37, № 3, С. 421—430.
65. Brown /. Artifical dielectrics having refractive index less then unity // Proc. IRE. 1953. Vol. 100, pt 4, N 1. P. 51—62.
66. 	' Trentini J. Gifter als Schalt —
elemente elektrischer Mellen im Raum // Ztschr. angew. Phys. 1953. № 6.
S. 	221—231.
67k Гершгорин С. А. О приближенном интегрировании уравнений Лапласа и Пуассона//Изв. Ленингр. политехи. ин-та. 1927. Т. 30. С. 75—95.
68. Adams W. С. On the forms of equipotential curves and surfaces and lines in electric force//Proc. Roy. Soc. London. A. 1875. Vol. 23. P. 280—284.
69. Герштейн Г. M. Моделирование статических полей методом наведенного тока // Докл 4-й Межвуз. конф. по применению физ. и мат. моделирования в различ. отраслях техники. М.: МЭИ, 1962. № 1. С. 213.
70. Федоров H. Н. Моделирование двумерных задач распространения и дифракции радиоволн в неоднородных
средах//Докл. 5-ой Межвуз. конф. по физ. и мат. моделированию. Секция: Моделирование при решении задач радиотехники и электроники. М.: МЭИ, 1968. С. 125—132.
71. Филатова Е. А. Моделирование одномерных и двумерных задач дифракции и распространение радиоволн, возбуждаемых бесконечной нитью электрического или магнитного тока в неоднородных средах//Там же. С. 148—155.
72. Fizeau H. L., Gounelle Е. Über die Ausbretungsgeschwindigkeit der elektrodynamischen Wirkungen // Pogg. Ann. 1850. Bd. 80. S. 158—169.
73. Mie G. Elektrische Wellen in Zwei parallelen Drähten//Ann. Phys. 1900. Bd. 2, N 6. S. 49—52.
74. Thomson J. /. Recent researches in electricity and magnetism. L., 1893.
75. Hondros D. Über elektromagnetische Drahtwellen // Ann. Phys. 1909. Bd. 30, N 5. S. 905—950.
76. Southworth G. C. Hyper-fre- quency wave guides: General considerations and experimental results // Bell. Syst. Techn. J. 1936. Vol. 15. P. 284— 309.
77. Barrow W. H. Transmission of electromagnetic waves in hollow tubes of metal // Proc. IRE. 1936. Vol. 24. P. 1298—1328.
78. Френкель Я. И. Электродинамика. М.: ОНТИ, 1935. T. 2.
348


79. Нейман М. С. Выпуклые эндовибраторы // ИЭСТ. 1939. № 9.
С. 1 — 11; № 10. С. 21—27; 1940. № 2. С. 37—38.
80. Пуанкаре А. Гипотеза квант: Новейшие теории в термодинамике. Пг.: Книгоизд-во «Физика», 1920.
К главе 2
1. Zenneck J. Ueber die Fortpflanzung ebener elektromagnetischer Wellen längs einer ebnen Leitfläche und ihre Beziehung zur drahtlosen Telegraphie // Ann. Phys. 1907. Bd. 23. S. 846—866.
2. Sommerfeld A. Ueber die Ausbreitung der Wellen in der drahtlosen Telegraphie // Ibid. 1909. Bd. 28. S. 665—736.
3. Austin L. W. Ober einige Versuche mit Radiotelegraphie auf grosse Entfernungen // Nat. Bur. Stand. Bull. 1911. 'Vol. 7. P. 315—362.
4. Weyl H. Ausbreitung elektromagnetischer Wellen über einem ebenen Leiter//An. Phys. 1919. Bd. 60.
S. 	481—500.
5. Шулейкин M. В. Курс радиотехники: Ч. 1. Распространение электромагнитной энергии. М., 1923.
6. Van der Pohl В. Über die Ausbreitung elektromagnetischer Wellen // Jb. drahtlos. Telegr. und Teleph. 1931. Bd. 37. S. 152—156.
7. Введенский Б. А., Астафьев А. В., Аренберг А. Г. О радиосвязи на ультракоротких волнах // Вопр. теорет. и эксперим. электротехники. 1928. № 12. С. 447—451.
8. Введенский Б. А., Аренберг А. Г. Вопросы распространения ультракоротких радиоволн. М.: Сов. радио, 1948. Ч. 1.
9. Введенский Б. А. Распространение ультракоротких радиоволн. М.: Наука, 1973.
10. Астафьев А. В., Аренберг А. Г. Опыт радиосвязи на ультракоротких волнах // Вопр. теорет. и эксперим. электротехники. 1928. «Nb 11. С. 419—421.
11. Введенский Б. А. Основы теории распространения радиоволн. М.; Л.: ОНТИ, 1934.
12. Франк Ф., Мизес Р. Дифференциальные и интегральные уравнения математической физики. М.; Л.: ОНТИ, 1937.
13. Кессених В. Н. Распространение радиоволн. М.: Гостехтеориздат, 1952.
14. Щукин А. Н. Распространение
радиоволн. М.: Связьиздат, 1940.
15. Леонтович М. А. О приближенных граничных условиях для электромагнитного поля на поверхности хорошо проводящих тел // Исследования по распространению радиоволн. М.: Изд-во АН СССР, 1948. С. 5—12.
16. Mie G. Beiträge zur Optick trüber Medien, speziell kolloidaler Me- tallosungen // Ann. Phys. 1908. Bd. 25, N 4. S. 377—445.
17. Watson G. N. The diffraction of electric wares by the earth // Proc. Roy. Soc. London A. 1919. Vol. 95. P. 83—89.
18. Watson G. N. The transmission of electric waves round the earth // Ibid. P. 546—563.
19. Долуханов M. П. Распространение радиоволн. M.: Связьиздат, 1951.
20. Kennely А. Е. On the elevation of the electrically-conduction strata of the Earth’s atmosphere // Elec. World. 1902. Vol. 39. P. 473.
21. Heaviside O. Telegraph theory//En cycl. Brit. 1902. Vol. 33.
p 213 218
22. Eccles W. H. On the diurnal variations of the electric waves occuring in nature, and on the propagation of electric waves round bend of the Earth //Proc. Roy. Soc. London A. 1912. Vol. 87. P. 79—99.
23. Diemenger W. 60 years of research on the propagation of radio waves in the ionosphere // Proc. of 60th anniversary collog. Inst. Union radio sei. Brussels, 1979: P. 19—29.
24. Larmor J. Why wireless electric rays can bend round the Earth // Philos. Mag. 1924. Vol. 48. P. 1025—1036.
25. Appleton E. V., Barnet M. A. On some direct evidence for downward atmospheric reflection of electric rays // Proc. Roy. Soc. London A. 1925. Vol. 109. P. 621—641.
26. Breit G., Tuve M. A. Note on a radio method of estimating the hight of the conducting layer//Terr. Mag. Atmos. Electr. 1925. Vol. 30, N 1. P. 15—16.
27. Gilliland T. R. Continuous measurement of the virtual heights of the ionosphere // Bur. Stand. J. Res. 1933. Vol. 11. P. 141 — 146.
28. Татаринов В. В. Испытание Нижегородской лабораторией связи с Ташкентом на коротких волнах // ТиТбП. 1926. № 4 (37). С. 271—281.
29. Казанцев А. Н., Лукин Д. С.
349


Исследование ионосферного распространения в СССР // РЭ. 1957. Т. 2, № 1. С. 1360—1374.
30. Бонч-Бруевич М. А. Измерения слоя Хевисайда в полярном районе // Науч.-техн. сб. ЛЭИС. 1934. Вып. 4/5. С. 3—14.
31. Булатов Я. Д. Метод непрерывного наблюдения за ионосферой // Тр. СФТИ. 1936. Т. 4, № 3. С. 79—82.
32. Лихачев А. И. Типы высотночастотных характеристик ионосферы при вертикальном падении // ЖТФ. 1940. Т. 10, № 17. С. 1434—1446.
33. Надененко С. И. Динамика развития и проблема роста радиосвязей // 50 лет радио. М.: Связьиздат, 1945. С. 57—67.
34. Appleton E. V. Geophysical influence of the transmission of wireless waves//Proc. Phys. Soc. 1925. Vol. 37. P. 16D—22D.
35. Lassen H. Die täglichen Schwankungen der Ionisations-Zustandes der Heaviside Schicht // Elek. Nachr. Techn. 1927. Bd. 4. S. 174—179.
36. Hartree D. R. The propagation of electromagnetic waves in a refracting medium in a magnetic field//Proc. Cambridge Philos. Soc. 1931. Vol. 27. P. 143—162.
37. Крючков С. И. Условия распространения коротких электромагнитных волн в земной атмосфере // Журн. прикл. физики. 1930. Т. 7. С. 61—80.
38. Chapman S. The absorbtion and dissotiative or ionizing effect of monochromatic radiation in an atmosphere on a rotating earth // Proc. Phys. Soc. 1931. Vol. 132. P. 353—374.
39. Жекулин Л. А. Распространение электромагнитных волн в ионизированной магнитоактивной среде // Вести, электротехники. 1930. № 2. С. 63—74.
40. Гинзбург В. Л. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.
41. Щукин А. Н. Наблюдения над замираниями сигналов коротковолновых станций//Вести, электротехники. 1930. № 5. С. 163—167.
42. Котельников В. А. Количественная оценка некоторых методов борьбы с замираниями//Науч.-техн. сб. ЛЭИС. 1936. Вып. 11. С. 15—26.
43. Казанцев А. Н. Теоретические расчеты поглощения радиоволн в ионосфере при различных законах изменения ионизации по высоте //Изв.
АН СССР. ОТН. 1946. № 9. С. 1261 — 1296.
44. Казанцев А. Н. Построение карт ионизации на 1931—1937 гг. и их применение для расчета коротковолновых линий связи//Изв. АН СССР. ОТН. 1938. № 7. С. 103—120.
45. Щукин А. Я. Метод расчета напряженности поля на коротких волнах для больших расстояний //ЖТФ.
1932. Т. 2. С. 550—569.
46. Краснушкин П. Е. Метод нормальных волн в применении к проблеме дальних радиосвязей. М.: Изд-во МГУ, 1947.
47. Бонч-Бруевич М. А. Поглощение электромагнитной энергии в ионизированном газе во время устанавливающегося режима//ЖТФ. 1932. Т. 2, № 5. С. 25—38.
48. Львович Р. В. Люксембург- Горьковский эффект // Радиотехника. 1937. № 2. С. 5—14.
49. Колосов М. А., Шабельников
А. 	В. Рефракция электромагнитных волн в атмосферах Земли, Венеры и Марса. М.: Сов. радио, 1976.
50. Shelling J. С., Burrows С. R., Ferrei Е. В. Ultrashort-wave propagation // Proc. IRE. 1933. Vol. 21. P. 427—433.
51. Введенский Б. А. О дифракционном распространении радиоволн // ЖТФ. 1935. Т. 6. С. 163—176.
52. Фок В. А., Бурсиан В. Р. Электромагнитное поле переменного тока в цепи с двумя заземлениями // ЖРФХО. 1926. Т. 58. С. 355—363.
53. Fock V. Zur Berechnung des elektromagnetischen Wechselstromfelds bei ebener Begrenzung // Ann. Phys.
1933. Bd. 17. S. 401—420.
54. Фок В. А. Дифракция радиоволн вокруг земной поверхности. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1946.
55. Фок В. А. Проблемы дифракции и распространения электромагнитных волн. М.: Сов. радио, 1970.
56. Мандельштам Л. И:, Папа- лекси Я. Д. Об одном методе измерения скорости распространения электромагнитных волн//ЖТФ. 1937. Т. 7. С. 559—578.
57. Фейнберг Е. Л. Распространение радиоволн вдоль реальной поверхности // Исследования по распространению радиоволн. М.: Изд-во АН СССР, 1948. С. 97—215.
58. Фок В. А. Теория распространения радиоволн в неоднородной атмо¬
350


сфере для приподнятого источника // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1950. Т. 14, № 1. С. 70—94.
59. Бреховских Л. М. Волны в слоистых средах. 2-е изд. М.: Изд-во АН СССР, 1973.
60. Booker H. G., Gordon W. E. A theory of radio scattering in the troposphere // Proc. Inst. Radio Eng. 1950. Vol. 38. P. 401—412.
61. Villars F., Weisskopf V. F. On the scattering of radio waves by turbulent fluctuations of the atmosphere // Ibid. 1955. Vol. 43. P. 1232—1239.
62. Carroll T. /., Ring R. M. Propagation of short radio waves in a normally stratified troposphere // Ibid. P. 1384—1390.
63. Дальнее тропосферное распространение ультракоротких волн / Под ред. Б. А. Введенского и др. М.: Сов. радио, 1965.
64. Филипп Н. Д. О характере флуктуаций радиосигнала на УКВ при распространении над неоднородной поверхностью// РЭ. 1961. Т. 6. С. 1432— 1437.
65. Басс Ф. Г., Брауде С. Я., Канер
Э. 	А., Мень А. В. Флуктуация электромагнитных волн в тропосфере при наличии поверхности раздела //УФН. 1961. Т. 73, № 1. С. 89—119.
66. Введенский Б. А., Колосов М. А. Распространение ультракоротких волн в тропосфере // Природа. 1965. № 12. С. 16—24.
67. Косиков К• М. Развитие знаний в области распространения и применения радиоволн // Очерки истории радиотехники. М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 301—387.
68. Введенский Б. А. Современное состояние вопроса о дифракционном распространении радиоволн вокруг земли // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1940. Т. 4. № 3. С. 415—432.
69. Аренберг А. Г. Работы советских ученых в области распространения ультракоротких радиоволн // Изв. АН СССР. ОТН. 1948. № 6. С. 835—854.
70. Щукин А. Н. Развитие и современное состояние учения о распространении радиоволн // Бюл. связи ВМФ. 1945. Ns 6. С. 112—131.
71. Долуханов М. П. Исследования распространения радиоволн вдоль поверхности земли в СССР//РЭ. 1957. Т. 2. Ия 11. С. 1344—1359.
72. Красильников В. А. О влиянии пульсации коэффициента преломления
в атмосфере на распространение ультракоротких волн // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз. 1949. Т. 13. С. 1—33.
73. Колмогоров А. Н. Рассеяние энергии при локально-изотропной турбулентности//Докл. АН СССР. 1941. Т. 32, Ns 1. С. 19—21.
74. Обухов А. М. Структура температурного поля в турбулентном потоке // Изв. АН СССР. Сер. геогр. и геофиз. 1949. Т. 13. С. 58—69.
75. Чернов Л. А. Распространение волн в среде со случайными неоднородностями. М.: Изд-во АН СССР, 1958.
76. Татарский В. И. Распространение волн в турбулентной атмосфере. М.: Наука, 1967.
77. Исимару А. Распространение и рассеяние волн в случайно-неоднородных средах. М.: Мир, 1981. Ч. 1, 2.
78. Рытое С. М. Дифракция света на ультразвуковых волнах // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1937. № 2. С. 223—259.
79. Прохоров А. М., Бункин Ф. В., Гочелашвили К. С., Шишов В. И. Распространение лазерного излучения в случайно-неоднородных средах// УФН. 1974. Т. 114, No 3. С. 393—414.
80. Семенов А. А., Арсеньян Т. И. Флюктуации электромагнитных волн на приземных трассах. М.: Наука, 1978.
81. Бин Б. Р., Даттон Е. Дж. Радиометеорология. Л.: Гидрометеоиздат, 1971.
82. Арманд Н. А., Башар иное А. Е., Бородин Л. Ф. и др. Радиофизические методы дистанционного излучения окружающей среды // Проблемы современной радиотехники и электроники. М.: Нйука, 1980. С. 95—138.
83. Яковлев О. И. Распространение радиоволн в солнечной системе. М.: Сов. радио, 1974.
К главе 3
1. Lodge О. Pat. 11575 /Gr. Brit.). Pubi. 1897.
2. Stone J. Рат. 4123 (Gr. Brit.). Pubi. 1907.
3. Franklin C. S. and Marcony’s wifeless telegraph Co. Pat. 12690 (Gr. Brit.). Publ. 1907.
4. Ши T. E. Четырехполюсники и
электрические фильтры. М.: Связь-
издат, 1934.
5. Акульшин П. К., Кощеев И. А.,
351


Кульбацкий К. Е. Теория связи по проводам. М.: Связьиздат, 1940.
6. Foster R. М. Reactance theorem // Bell Syst. Techn. J. 1924. Vol. 1, N 3. P. 259—267.
7. Cauer W. Die Verwirklichung von Wechselstromwiederständen vorgeschriebener Frequenzabhängigkeit // Arch. Elektrotechn. 1926. Bd. 17. S. 355—388.
8. Brune O. Synthesis of a finite two-terminal network whose driving- point impedance is a prescribed function of frequency//J. Math. Phys. 1931. Vol. 10, № 3. P. 195—326.
9. Bott R., Duffin R. J. Impedance synthesis without use of transformers //
J. 	Appl. Phys. 1949. Vol. 20, N 8. P. 816.
10. Cauer W. Ein Reaktanztheorem // S.-Ber. preuss. Akad. Wiss. Phys.-math. Kl. 1931. N 3Q. S..673—681.
11. Guillemin E. A. Synthesis of RC-networks//J. Math. Phys. 1949. N 28. P. 22—42.
12. Гиллемин Э. A. Синтез пассивных цепей. M.: Связь, 1970.
13. Балабанян Н. Синтез электрических цепей. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1961.
14. Cauer W. Theorie der linearen
Wechselstromschaltungen. B.: Akad-
Verl., 1954.
15. Scott H. H. A new type of selective circuits and some applications // Proc. IRE. 1938. Vol. 26, N 2. P. 226— 235.
16. Сифоров В. И. Анализ колебаний систем, содержащих R и С // ИЭСТ. 1940. № 10. С. 4—16.
17. Ризкин А. А. Исследование избирательных систем с обратной связью // Электросвязь. 1941. Т. 9, № 4. С. 33—42.
18. Гуткин .«/7. С. Анализ избирательных систем из R и С, предложенных Скоттом // ЖТФ. 1945. Т. 15, № 10. С. 732—749.
19. Linvill J. С. RC-active filters // Proc. IRE. 1954. Vol. 42, N 3. P. 555—564.
20. Janagisawa T. RC-active networks, using current invertion type negative impedance convertors // IRE Trans. 1957. Vol. CT-4. P. 140—144.
21. Schoeffler J. D. The synthesis of minimum sensitivity network theory // Techn. Rep. 1964. № 400—226. P. 32—41.
22. Зелях Э. В. Основы общей теории линейных электрических схем. М.: Изд-во АН СССР, 1951.
23. Ланнэ А. А. Оптимальный синтез линейных электрических цепей. М.: Связь, 1969.
24. Калниболотский Ю. М., Рысин
B. С. Проектирование электронных схем. Киев: Техника, 1976.
25. Коган С. С. Теория и расчет фильтров для установок дальней связи. М.: Связьиздат, 1950.
26. Белеикий А. Ф. Теоретические основы электропроводной связи. М.: Связьиздат, 1959. Ч. III.
27. Darlington S. Network synthesis using Tschebyscheff polinomial series // Bell. Syst. Techn. J. 1952. Vol. 31. N 4. P. 613—665.
28. Белецкий А. Ф. Синтез фильтров с линейными фазовыми характеристиками//Электросвязь. 1961. № 4.
C. 35—37.
29. Трифонов И. И. Синтез реак¬
тивных цепей с заданными фазовыми характеристиками. М.: Связь, 1969.
30. Басков Е. Н., Лебедев А. Т. Оптимизация характеристик электрических фильтров на элементах с потерями//Электросвязь. 1969. № 10. С. 67—75.
31. Калахан Д. А. Методы машинного расчета электронных схем. М.: Мир, 1970.
32. Linvill J. G. A new RC-filter- employing active elements // Proc. Nat. Electron. Conf. 1953. Vol. 9. P. 342—352.
33. Sallen R. P., Key F. L. A practical method of designing RC active filters // IRE Trans. 1955. Vol. CT-12, N 1. P. 74—85.
34. Schaumann R., Soderstrand M. A., Laker K. R. Modern active filter design. N. Y.: IEEE press, 1980.
35. Kinariwala В. K. Synthesis of active RC networks // Bell Syst. Techn. J. 1959. Vol. 38. P. 1269—1316.
36. Mitra S. H. Transfer-function synthesis using a single operational amplifier // Electron. Lett. 1967. Vol. 3, N 7. P. 333—334.
37. Foster E. J. Active low-pass filter design // IEEE Trans. 1965. Vol. AU-13. P. 104—111.
38. Rauch L. L., Howe С. E. Filters for telemetry // Nat. Telemetr. Conf. Rec. 1953. P. 159—176.
39. Никольс M. X., Раух Л. Л. Радиотелеметрия / Пер. с англ, под ред. А. Е. Башаринова. М.: Изд-во Иностр. лит., 1958.
40. Kerwin W. /., Huelsman L. P., Newcomb R. W. State variable synthesis for insensitive integrated circuit transfer
352


functions // IEEE J. Solid-State Circuits. 1967. Vol. SC-2(3). P. 87—92.
41. Rao K. /?., Srinivasan S. Low sensitivity active filters using the operational amplifier pole // IEEE Trans. Circuits and Syst. 1974. Vol. CAS-21. P. 260—262.
42. Боде Г. Теория цепей и проектирование усилителей с обратной связью. М.: Изд-во иностранной лит., 1948.
43. Холт А., Линггард Р. Многополюсный гиратор // ТИИЭР. 1968. Т. 56, № 8. С. 100—101.
44. Стыцько В. П., Абясов 3. А. Микроэлектронные гираторные фильтры низкочастотного диапазона // Микроэлектроника. 1973. Вып. 6. С. 242— 250.
45. Chausi М. S., Bello V. G. Active distributed RC-realization of low-pass magnitude specifications // IEEE Trans. Circuit Theory. 1969. Vol. CT-16. P. 346—358.
46. Lueder E. A decomposition of a transfer function minimizing sensitivity // Ibid. 1970. Vol. CT-17. P. 421—427.
47. Haflin S. An optimization method for cascaded filters//Bell Syst. Techn. J. 1970. Vol. 44, N 2. P. 185—190.
48. Orchard H. J. Inductor less filters // Electron. Lett. 1966. Vol. 2, N 6. P. 224—225.
49. Girling F. E. /., Good E. F. Active filters. Pt 13. The leapfrog or active ladder synthesis // Wireless World. 1970. Vol. 76. P. 341—345.
50. Laker K. R.y Chausi M. S. A low sensitivity multiloop feedback active RC filters//Proc. IEEE Intern, symp. on circuit theory. 1973. P. 126—128.
51. Szentirmai G. Synthesis of multiple-feedback active filters //Bell Syst. Techn. J. 1973. Vol. 52, N 4. P. 527—555.
52. Foster D. £., Seeley S. W. Automatic tuning: Simplified circuits and design practice//Proc. IRE. 1937. N 25. P. 289—313.
53. Брауде Г. В. О колебательных системах с безваттной связью: Обобщение принципа обратной связи // ЖТФ. 1931. № 1. С. 33—50.
54. Ризкин А. А. Исследование селективных RC-систем, содержащих реактивные лампы //Сб.тр. ЛЭИС. 1948. Вып. 3. С. 14—21.
55. Tellegen В. D. Н. The gyrator, a new electric network element//Philips Res. Rep. 1948. Vol. 3. P. 81—101.
56. Rao T. N., Newcomb R. W. Direct-coupled gyrator suitable for integ¬
rated circuits and time variation // Electron. Lett. 1966. Vol. 2. P. 250—252.
57. Antoniou A. Realization of gyra- tors using operational amplifiers // Ibid. 1968. Vol. 4. P. 591—592.
58. Gorski-Poppiel /. RC-active synthesis using positive immitance convertors // Ibid. 1967. Vol. 3. P. 381—382.
59. Bruton L. T. Network transfer functions using the concept of frequency- dependent negative resistance//IEEE Trans. Circuit Theory. 1969. Vol. CT-16. P. 406—408.
60. Martin K., Sedra A. S. Design of signal-flow graph (SFG) active filters // IEEE Trans. Circuits and Syst. 1978. Vol. CAS-25. P. 185—195.
61. Капустин В. И. Проектирование активных RC-фильтров высокого порядка. М.: Радио и связь, 1982.
62. Desoer С. А. Transmission through a linear network containing periodically operated switches//Wes- con Conv. Rec. 1958. Pt 2. P. 34—41.
63. Sun У., Frich /. /. Resistance multiplication in integrated circuit by means of switching//IEEE Trans. Circuit Theory. 1968. Vol. CT-15. P. 184—192.
64. Friend D. L. An a log-sampled data filters // IEEE J. Solid-State Circuits. 1972. Vol. SC-7. P. 302—304.
65. Hosticka B. /., Brodersen R. W.y Gray P. R. MOS sampled data recursive filters using state variable techniques//Proc. Intern, symp. circuits and syst. Phoenix, 1977. P. 525—529.
66. Юзвинский В. И. О некотором способе приема радиоволн с сохранением постоянства фазовых соотношений // ЖТФ. 1941. Т. 11, № 1/2. С. 61—68.
67. Barber N. F. Narrow band-pass filter using modulation //Wireless Eng. 1947. Vol. 24, N 5. P. 123—134.
68. Franks L. £., Sandberg /. W. An alternative approach to the realization of network transfer-functions: The N-path filter // Bell Syst. Techn. J. 1960. Vol. 39. P. 1321—1350.
69. Smith B. D. Analysis of commutated networks//IRE Trans. Aeronaut. Electron. 1953. Vol. AE-10, N 12. P. 21—26.
К главе 4
1. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1985.
2. Домбровский И. А. Эволюция антенных систем // Очерки истории радиотехники. М.: Изд-во АН СССР, 1960. С. 207—260.
12 Зак. 1249
353


3. Брауде Б. В. Развитие техники антенн//Радиотехника. 1969. Т. 24. № 6. С. 1 — 11.
4. Пистолькорс А. А., Фельд #. Я. Основные этапы развития теории антенн и фидерных устройств в СССР // РЭ. 1957. Т. 2, № 11. С. 1390—1412.
5. Кляцкин И. Г. Эволюция ан¬
тенн//50 лет радио / Под ред. А. Д. Фортушенко. М.: Связьиздат, 1945.
С. 93—106.
6. Картер П. С., Бевередж X. X. История исследований в области антенн и распространения радиоволн за период до конца первой мировой войны: Антенны //ТИРИ. 1962. Т. 50, Ч. 1. С. 691— 694.
7. Hertz Н. Die Kräfte elektrischen Schwingungen behandelt nach der Maxwell’schen Theorie // Ann. Phys, und Chem. F. 3. 1889. Bd. 36, № 1. S. 1—22.
8. Бренев И. В. Изобретение радио А. С. Поповым. М.: Сов. радио, 1965.
9. Marconi’s wireless telegraph со. Pat. 193326 (Germany). Pubi. 1906.
10. Abraham M. Die elektrische Schwingungen um einen stabförmigen Leiter, behandelt nach der Max- well’schen Theorie // Ann. Phys. Ser. 3. 1898. Bd. 66, № 11. S. 435—474.
11. Шулейкин M. В. О радио¬
станциях: Расчет емкости радиосети // Вести. воен. радиотелеграфии и электротехники. 1917. T. 1, № 1.
С. 7—12; N 2. С. 67—73.
12. Grover F. W. Methods, formulas and tables for the calculations of antenna capacity // Sei. Pap. Bar. Stand. US. 1928. Vol. 22, N 568. P. 569—626.
13. Фельд Я• Я. О расчете статической емкости антенн//ЖТФ. 1943. Т. 13, № 11/12. С. 698—702.
14. Брауде Б. В., Александрова Е. Г. Вопросы проектирования и методы расчета параметров сверхдлинноволновых и длинноволновых антенн // Антенны. М.: Связь, 1966. Вып. 1. С. 4—21.
15. Конторович М. И. Применение метода усреднения полей к исследованию некоторых электрических систем: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. Л.; 1940.
16. Шулейкин М. В. Расчет действующей высоты радиосети и ее сопротивления//Радиотехника. 1921. Т. 14, № 2. С. 402—421.
17. Van der Pohl В. Über die Wellenlängen und Strahlung mit Kapazität und Selbstinduktion beschwerter Ante¬
nnen //Jb. drahtlos. Telegr. und Teleph. 1918. Bd. 14, N 2. S. 146—152; N 3 S. 217—238.
18. Ballantine S. On the radiation resistance of a simple vertical antenna at wavelength below the fundamental // Proc. IRE. 1924. Vol. 12, N 6. P. 823— 832.
19. True Я. Über die Erdströme in der Nahe einer Senderantenna fur drahtlosen Telegraphie // Jb. drahtlos. Telegr. und Teleph. 1911/1912. Bd. 5, N 2.
S. 125—176.
20. Bovier P. Antennes a prises de terre multiple // Radioelectrisité. 1922. Vol. 3, N 11. P. 456—466.
21. Meissner A. Über Mehrfach-Antennenanlagen//Telefunken Ztg. 1923. N 29. S. 3—12.
22. Минц A. Л., Модель 3. И., Конторович M. И., Персон С. В. Антенна 500-квт радиостанции//ТРиСТ. 1932.
T. 1, № 5/6. С. 303—319.
23. Минц А. Л., Модель 3. И., Персон С. В. Опыт односторонненаправленного вещания на длинных волнах //Электричество. 1946. T. 1, № 8. С. 43—45.
24. Лавров Г. А., Князев А. С. Приземные и подземные антенны. М.: Сов. радио, 1951.
25. Brown G. Я. The phase and magnitude of earth currents near radio transmitting antenna // Proc. IRE. 1935. Vol. 23, N 2. P. 168—182.
26. Ballantine S. On the optimum transmitting wavelength for a vertical antenna over perfect earth // Ibid. 1924. Vol. 12, N 6. P. 833—840.
27. Brown G. Я. A critical study of the characteristics of broadcast antennas as affected by antenna current distribution//Ibid. 1936. Vol. 24, N 1. P. 48—81.
28. Рамм Г. С. Об антифединговых антеннах // Науч.-техн. сб. ЛЭИС. 1937. Вып. № 3(19). С. 43—59.
29. Morrison J. F., Smith Р. Я. The shunt-excited antenna // Proc. IRE. 1973. Vol. 25, N 1. P. 673—696.
30. Chamberlain A. B., Lodge W. B. Roadcast antenna // Ibid. 1936. Vol. 24, N 1. P. 11—33.
31. Gothe A. Pat. 700681 (Germany). 1941.
32. Айзенберг Г. 3. Антенна-мачта с регулируемым распределением тока // Электросвязь. 1940. T. 1, № 9. С. 28— 39.
33. Айзенберг Г. 3. Антенна с расширенным диапазоном волн для СВ
354


и ДВ // Радиотехника. 1946. T. 1, № 11, С. 56—68.
34. Marconi G. The uniform shortwave aerial //Marconi Rev. 1930. N 16. P. 19—27.
35. Walsmley T. Beam arrays and transmission lines//J. IEE. 1938. Vol. 6, N 3. P. 531—561.
36. Никитин H. А. Нижегородская радиолаборатория имени В. И. Ленина. М.: Связьиздат, 1954.
37. Carter P. S., Hansell С. W., Lindenblad N. Е. Development of directive transmitting antennas by RCA communications // Proc. IRE. 1931. Vol. 19, № 10. P. 1773—1842.
38. Bruce £., Beck A., Lowry L. Horizontal rhombic antenna // Ibid. 1935. Vol. 23, N 1. P. 14—46.
39. Beverage H. H., Peterson H. O. Diversity receiving system for RCA communications // Ibid. 1931. Vol. 19, N 4. P. 531—561.
40. Кузнецов В. Д. Исследование антенн бегущей волны // Радиотехника. 1950. Т. 5, № 5. С. 3—16.
41. Минц А. ЛНейман М. С. Антенны для сверхмощного коротковолнового радиовещания//Там же. 1937. T. 1, № 1. С. 21—38.
42. Everitt W. L., Byrne I. F. Single wire transmission line for shortwave antennas // Ohio State Univ. Stud. Bull. Eng. Ser. 1930. N 51. P. 13—19.
43. Friis H. 7., Feldman С. B. A multiple unit steerable antenna for short-wave reception // Proc. IRE. 1937. Vol. 25, N 7. P. 841—917.
44. Рамлау П. H., Пистоль- корсА. А. Пат. № 17427 (СССР), 1929 // Вести, ком. по делам изобретений. 1930. № 9. С. 229.
45. Uda S. Wave reflector and wave director // Proc. IRE. 1927. Vol. 15, N 5. P. 377—385.
46. Lindenblad N. E. Television transmitting antenna for Empire State Building // RCA Rev. 1939. Vol. 3, N 4. P. 387—408.
47. Брауде Б. В. Новая широкополосная антенна для телевидения// Радиотехника. 1947. Т. 2. № 7. С. 8—
21.
48. Трусканов Д. М. Новая схема питания телевизионной антенны с многократной компенсацией//Там же. 1958. Т. 13, № 9. С. 70—77.
49. Трусканов Д. М. Развитие отечественной техники телевизионных передающих антенн//Антенны. М.: Связь, 1957. Вып. 2. С. 4^32.
50. Schelkunoff S. A. Theory of antennas of arbitrary size and shape // Proc. IRE. 1941. Vol. 29, N 9. P. 493— 521.
51. Carson J. R. Reciprocal theorems in radio communication // Ibid. 1929. Vol. 17, N 6. P. 925—956.
52. Свешникова M. П. Теорема взаимности в электродинамике и радиотелеграфии // ЖРФХО. Ч. физ. 1927. Т. 59, № 5/6. С. 453—464.
53. Фельд Я. Н. Теорема взаимности в электродинамике для неустано- вившихся процессов // Докл. АН СССР. 1943. Т. 41, № 7. С. 294—297.
54. Фельд Я* Н. Общая теорема взаимности в теории приемно-передающих антенн //Там же. 1945. Т. 49, № 7. С. 503—505.
55. Пистолькорс А. А. Коротковолновые приемные антенны. М.: Связь- техиздат, 1933.
56. Нейман М. С. Принцип взаимности в теории антенн//ИЭСТ. 1935. Т. 7, № 8. С. 1—11.
57. Вольперт А. Р. О фазовых соотношениях в теории приемных антенн и некоторых приложениях принципа взаимности // Радиотехника. 1955. Т. 10, № 11. С. 12—21.
58. Stevenson A. F. Relation between the transmitting and receiving properties of antenna // Quart. Appl. Math. 1948. Vol. 5, N 4. P. 369—384.
59. Бонч-Бруевич M. А. Короткие волны и направленные антенны // ТиТбП. 1925. Т. 6, No 29. С. 116—128.
60. Бонч-Бруевич М. А. Излучение сложных прямоугольных антенн с идентичными вибраторами //Там же. 1926. Т. 7, № 39. С. 175—199, 555—567.
61. Foster R. М. Directive diagrams of antenna arrays//Bell Syst. Techn. J. 1926. Vol. 3. P. 292 —307.
62. Southworth G. C. Certain factors affecting of the Gain of directive antennas//Proc. IRE. 1930. Vol. 18, N 9. P. 1502—1536.
63. Brown G. H. Directional antenna // Ibid. 1937. Vol. 25, N 1. P. 78— 145.
64. Brillouin L. Sur l’origin de la resistance de rayonment // Radioélectricité. 1922. Vol. 5, N 3. P. 147—152.
65. Рожанский Д. A. Об излучении антенн//ТиТбП. 1922. T. 5, № 14. С. 436—445.
66. Кляцкин И. Г. Излучение вертикального заземленного провода // Там же. 1927. № 40. С. 33—44.
67. Пистолькорс А. А. Расчет со¬
355
12*


противления излучения для направленных коротковолновых антенн // Там же. 1928. Т. 9, № 48. С. 333—347; № 50. С. 540—551.
68. Марков Г. Т. Приближенный расчет взаимного сопротивления антенн//Радиотехника. 1948. Т. 3, № 1. С. 36—39.
69. Carter P. S. Circuit relation in radiating system and application to antenna problem // Proc. IRE. 1932. Vol. 20, N 7. P. 1004—1041.
70. Фелъд Я- H. Многощелевые антенны //ЖТФ. 1948. Т. 18, № 10. С. 1265—1272.
71. Фельд Я. Н., Бененсон Л. С. Антенно-фидерные устройства. М.: ВВИА им. H. Е. Жуковского, 1959. Ч. 2.
72. Stratton /., Chu L. Steady state solution of electromagnetic field problem //J. Appl. Phys. 1941. Vol. 12, N 3. P. 230—248.
73. Hallen E. Theoretical investigations into the transmitting and receiving qualities of antennas // Nova Acta Uppsala. 1938. N 11. P. 1—44.
74. Леонтович M. А., Левин M. Л. К теории возбуждения колебаний в вибраторах антенн // ЖТФ. 1944. Т. 14. № 9. С. 481—506.
75. Говорун H. Н. Интегральное уравнение теории антенны // Докл. АН СССР. 1959. Т. 126, № 1. С. 49- 52.
76. Васильев Е. Н. Интегральные уравнения в задачах возбуждения тел вращения: Автореф. дис. ... д-ра техн. наук. М., 1966.
77. Вайнштейн Л. А., Капица П. Л., Фок В. А. Симметричные электрические колебания идеального проводящего цилиндра конечной длины // ЖТФ. 1959. Т. 29, № 10. С. 1188— 1205.
78. Вайнштейн Л. А. Волны тока в тонком проводнике // Там же. № 6. С. 673—694.
79. Татаринов В. В. Распространение и отражение колебаний в асимметричных фидерах без потерь//Изв. АН СССР. ОТН. 1939. Т. 3, № 3. С. 23— 50; № 10. С. 53—64.
80. Фельд Я■ Н. Однотактные и двухтактные волны вдоль двухпроводной линии // Науч.-техн. сб. ЛЭИС. 1937. № 18. С. 21—36.
81. Фельд Я. Н. Распространение электромагнитных волн в линиях с прямоугольными экранами//ЖТФ. 1939. Т. 9, № 7. С. 587—600.
82. Пистолькорс А. А. Теория несимметричной двухпроводной линии // Науч.-техн. сб. ЛЭИС. 1936. № 16. С. 6—24.
83. Пистолькорс А. А. Двухпроводные линии с распределенной связью //Там же. 1937. № 17. С. 3—12.
84. Пистолькорс А. А., Нейман М. С. Прибор для непосредственного измерения КБВ в фидерах // Электросвязь, 1941. Т. 2, № 4. С. 9—15.
85. Sommerfeld A. Ober die Fortpflanzung elektromagnetischer Wellen längs eines Drahtes // Ann. Phys, und Chem. 1899. Bd. 67, N 2. S. 233— 290.
86. Gaubou G. Surface waves and their application to transmission lines//J. Appl. Phys. 1950. Vol. 21, N 11. P. 1119—1125.
87. Кессених B. H. Волновое сопротивление однопроводной линии при возбуждении ее сосредоточенной ЭДС // Докл. АН СССР. 1940. Т. 27, № 6. С. 558—562.
88. Пистолькорс А. А. О стоячих волнах тока и потенциала//ТиТбП. 1927. Т. 8, No. 40. С. 61—70; № 41. С. 119—139.
89. Татаринов В. В. О питании бегущей волновой КВ антенн и об определении их сопротивления//Вести, электротехники. 1931. Т. 2, № 1. С. 6— И.
90. Вольперт А. Р. Номограмма для расчета длинных линий // Произв.- техн. бюл. НКЭП. 1940. №► 2. С. 15.
91. Нейман M. С. Неоднородные линии с распределенными постоянными // ИЭСТ. 1938. Т. 7, № 11. С. 14— 25.
92. Вольперт А. Р. Линии с неравномерно распределенными параметрами//Электросвязь. 1940. T. 1, № 2. С. 40—65.
93. Фельдштейн А. Л. Неоднородные линии//Радиотехника. 1951. Т. 6, № 5. С. 38—45.
94. Fano R. М. Theoretical limitations on the broadband matching of arbitrary impedances // J. Franklin Inst. 1950. Vol. 249. P. 57—83, 139—155.
К главе 5
1. Долу ханов М. П. Развитие учения о распространении радиоволн // 50 лет радио / Под ред. К. Д. Фор- тушенко. М.: Связьиздат, 1945. С. 68— 92.
2. Шорин А. Ф. Работа по радио
356


быстродействующим аппаратом // ТиТбП. 1922. № 13. С. 24—32.
3. Развитие связи в СССР/Под ред. Н. Д. Псурцева. М.: Связь, 1967.
4. Радиобюро и линии радиосвязи / Под ред. А. С. Николаенко и А. Н. Попова. М.: Связьиздат, 1940.
5. Остроумов Б. А. Бонч-Бруевич Михаил Александрович // Нижегородские пионеры советской радиотехники. М.; Л.: Наука, 1966.
6. Агапов И. Ф. Двухканальное частотное радиотелеграфирование (ДТЧ) //Радиотехника. 1954. Т. 9, № 3. с. 50—63.
7. Ягодин В. П. Техника буквопечатающей радиосвязи. М.: Воениздат, 1973.
8. Boers Y. The voice-frequency te- Legraph equipment STR-114 for the Argentine telecommunication project and adaptation of carrier equipment to this projects//Commun. News. 1955. Vol. 15, N 4. P. 122—132.
9. Boughwood J. E. Telegraph terminal AN / FGC-29 circuit design aspects //AIEE Trans. Commun, arid Electron. 1954. Vol. CE-73, N 11. P. 531—536.
10. Gusack F. H. Telegraph terminal AN/FGC-29 equipment features // West. Union Techn. Rev. 1955. Vol. 9, N 1. P. 7—18.
11. Mosier R. R., Clabauh R. G. «Kineplex» a bandwith-efficient binary transmission system//AIEE Trans. Commun, and Electron. 1958. Vol. CE-76, N 34. P. 723—727.
12. Voss H. #., Neumann H. J. Telegraphienbertragung in Kurzwellen- bereich//NTZ. 1959. Bd. 12, N7.
S. 	343—347.
13. Neumann H. /. Wech seistrom- telegraphiersistem für Kurzwellentelep- honieverbindungen FM-WTR-3/6// Ibid. 1958. N 10. S. 111—114.
14. Радиолинии ионосферного рассеяния метровых волн / Под ред. H. Н. Шумской. М.: Связь, 1973.
15. Forsyth P. A., Vogan E. L., Hansen D. R., Hines С. О. The principles of JANET — a meteor-burst communication system // Proc. IRE. 1957. Vol. 45, N 12. P. 1642—1659.
16. Рыжков M. M., Сейдер Э. C., Шафер В. В. Оконечная аппаратура радиотелефонного канала «Арка» // Электросвязь. 1974. № 9. С. 26—34.
17. Доррер И. А., Мельник С. О. Фототелеграфирование по коротковолновым радиоканалам. М.: Связьиздат, 1958.
К главе 6
1. Нейман М. С. Стабилизация частоты в радиотехнике. М.: Связьиздат, 1937.
2. Родионов В. М. История радиопередающих устройств. М.: Наука, 1969.
3. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. М.: Наука. 1985.
4. Пружанский M. М. А. с. 43933 (СССР). Опубл. в Б. И., 1935, № 8; А. с. 45638 (СССР), А. с. 45645 (СССР). Опубл. в Б. И., № 1936, № 1.
5. Зейтленок Г. А. А. с. 48588 (СССР). Опубл. в Б. И., 1936, № 8.
6. Войцехович Б. В., Беренев В. В. Проектирование задающих устройств плавного диапазона. Л.: Энергоиздат, 1947.
7. Берг А. И. Анализ работы лампового генератора с учетом сеточного тока // ИЭСТ. 1937. № 12. С. 6— 1Г.
8. Рамм Г. С. О влиянии частотных свойств нагрузки лампового генератора на модуляцию //Там же, 1936. № 8/9. С. 18—29.
9. Модель 3. И. Вопросы построения мощных радиостанций. М.; Л.: Гос- энергоиздат, 1947.
10. Buschbeck В. Der Telefunken gross Kurzwellensender //Telefunken Ztg. 1939. N 32. S. 12—20.
11. Бонч-Бруевич M. А. A. c. 23273 (СССР). Опубл. в Б. И., 1931, No 9.
12. Зейтленок Г. А. А. с. 55407 (СССР). Опубл. в Б. И., 1939, № 7.
13. Зейтленок Г. А. Теория сложных схем нейтрализации // ИЭСТ. 1938. No 7. С. 19—25.
14. Бонч-Бруевич М. А. Радиотелефонирование при помощи раздельного излучения несущей и боковых частот // Радиофронт. 1931. № 9/10. С. 608— 614.
15. Byrn /. F. Polyphase broadcasting // Elect. Eng. 1939. Vol. 58, № 7. P. 347—350.
16. Chireix H. High power outpha- sing modulation//Proc. IRE. 1935. Vol. 23, No 11. P. 1370—1392.
17. Харбих X., Пунгс JI., Герт Ф. Модуляция с изменяющимся значением тока несущей частоты//Современные способы повышения кпд радиовещательных передатчиков. М.: Связьиздат, 1940. С. 113—126.
18. Chambers А., Jones L. F. The 500 000 watt broadcast transmitter// Proc. IRE. 1934. Vol. 22, N 10. P. 1151 — 1180.
19. Dogherty W. H. A new high effi¬
357


ciency amplifier for modulated waves // Ibid. 1936. Vol. 24, N9. P. 1163— 1182.
20. Pen-Tung-Sah A. Quasi-transient in class В audio frequency amplifier//Ibid. N 11. P. 1522—1541.
21. Писаревский A. M. Исследование нелинейных искажений, обусловленных устанавливающимися процессами в мощных усилителях класса В// Радиотехника. 1947. № 2. С. 35—50.
22. Black H. S. Stabilized feed-back amplifiers//Elec. Eng. 1939. N 1. P. 12—24.
23. Nyquist H. Regeneration theory //Bell Syst. Techn. J. 1932. Vol. 11, N 1. P. 126—147.
24. Модель 3. И., Персон С. В.,
Лебедев-Карманов А. И., Писарев- ский А. М. Вопросы теории глубокой противосвязи//ИЭСТ. 1939. № 11.
С. 3—23.
25. Zenneck /., Rukop H. Lehrbuch der drahtlosen Telegraphie. Stuttgart, 1925.
26. Фомичев И. H. Новый метод
повышения кпд радиовещательных станций//Электросвязь. 1939. № 6.
С. 58—66.
27. Круглов Н. Г. Автоанод на я модуляция радиовещательных передатчиков // Радиотехника. 1949. № 2. С. 7— 24.
28. Фузик H. С. Модуляция дефазированием//Информ. бюл. Ленингр. политехи, ин-та. Радиофизика. 1959. № 5. С. 39—50.
29. Hansford R. V. Some notes on design details of a high power radio- telegraphic transmitter // J. IEE. 1927. Vol. 65, N 363. P. 297—316.
30. Модель 3. И. Прохождение боковых частот в системе контуров высокой частоты//ТРиСТ. 1932. № 5/6. С. 371—397.
31. Рамм Г. С. О прохождении частот через фидер //ИЭСТ. 1934. № 3. С. 10—24.
32. Щукин А. Н. Двухкратная радиотелеграфная передача без потери мощности //Техника связи. 1933. № 3. С. 18—23.
33. Гринберг Г. А. К теории прохождения нестационарных токов через термоионные приборы//ЖЭТФ. 1936. Т. 6, № 2. С. 126—138.
34. Девятков Н. Д., Даниль- цев Е. И., Хохлов В. К Трехэлектродные лампы для генерирования электромагнитных волн диапазона ДЦВ // ИЭСТ. 1940. № 2. С. 56—61.
35. Нейман М. С. Выпуклые эндовибраторы // Там же. 1939. № 9. С. 1 — 11; № 10. С. 21—27; № 11. С. 29—31; 1940. № 2. С. 37—38.
36. Зейтленок Г. А., Каменский Е. И. Новый метод фазовой модуляции КВ передатчиков//ТРиСТ. 1932. № 5/6. С. 409—416.
37. Foster D. £., Seely S. W. Automatic frequency control in the super- geterodine receiver//Proc. IRE. 1937. Vol. 25, N 3. P. 289—313.
38. Нейман M. С. Триодные и тет- роидные генераторы СВЧ. М.: Связь- издат, 1950.
39. Рамм Г. С. Трйодные генераторы колебаний СВЧ. М.: Воениздат, 1955.
40. Зейтленок Г. А. Теория и расчет режима СВЧ усилителя на триоде и тетроде. Л.: ЛЭИС, 1967.
41. Глазман Э. С. А. с. 97329 (СССР). Опубл. 12.03.1954.
42. Salisbury W. W. The resnatron/ Electronics. 1946. N 2. P. 12—34.
43. Минц А. Л. 500-киловаттная радиостанция им. Коминтерна. М.: Связьиздат, 1935.
44. Semm A. Ober Parallelschaltung von Röhrensendern // Jb. drahtlos. Telegr. und Teleph. 1923. Bd. 22, N 3, S. 117.
45. Модель 3. И. Работа ламповых генераторов на общую нагрузку // ТРиСТ. 1932. № 5/6. С. 319—335.
46. Невяжский И. X. Опыт совместной работы генераторов на коротких волнах//ИЭСТ. 1939. № 3. С. 13—21.
47. Brown G. Я., Morrison W. L. Method of multiple operation of transmitter tubes particularly adapted for television transmission in ultra-high-frequency band // RCA Rev. 1949. Vol. 10, N 2. P. 161—172.
48. Терентьев Б. П. A. c. 96181 (СССР). Опубл. в Б. И., 1954, JMb 5.
К главе 7
1. Родионов В. М. Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1985.
2. Torikata W. The Teishinsho system // Electrician. 1910. Vol. 65, N 10. P. 940-944.
3. Лосев О. В. Кристадин. Н.-Новгород: HP Л, 1924.
4. Эсаки Л. Новое явление в тонких германиевых р-п переходах //Туннельные диоды / Под ред. В. И. Фис- тули. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. С. 15—19.
5. Bottom V. Е. Invention of solid
358


state amplifier // Phys. Today. 1964. Vol. 17, N 2. P. 129—132.
6. Ballantine S., Snow H. Reduction of distortion and cross-talk in radio receiver by means of variable-Mu tetrodes//Proc. IRE. 1930. Vol. 18, N 2. P. 2102—2127.
7. Beatty R. T. The stability of the tuned-grid, tuned-plate HF-amplifier // Wireless World. 1928. Vol. 5. P. 3.
8. Nelson J. R. Circuit analysis applied to the screen-grid tube // Proc. IRE 1929. Vol. 17, N 3. P. 320—338.
9. Сифоров В. И. О генерации многокаскадных резонансных усилителей // Вести, электротехники. 1930. № 9/10. С. 310—315.
10. Beatty R. Т. Two-element bandpass filters // Wireless Eng. 1932. Vol. 9, N 108. P. 546—557.
11. Sowerby A. L. Ganging tuning controls of superheterodyne receiver // Ibid. № 101. P. 70—75.
12. White E. L. The screen-grid valve as frequency-changer in the superheterodyne//Ibid. N 110. P. 618—621.
13. Сифоров В. И. О выборе наивыгоднейшего режима в пентагриде // ИЭСТ. 1934. № 1. С. 25—31.
14. Strutt М. J. On conversion detectors // Proc. IRE. 1934. Vol. 22, P. 981—992.
15. Wheeler H. A. Automatic volume control for radio receiving sets // Ibid. 1928. Vol. 16, N 1. P. 30—34.
16. Сифоров В. И. О нестационарных явлениях в приемниках с автоматической регулировкой силы // ИЭСТ. № 7. С. 27—35.
17. Тартаковский Г. П. Динамика систем автоматической регулировки усиления. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1957.
18. Папалекси Н. Д. Радиопомехи и борьба с ними. М.: Гостехтеориздат, 1942.
19. Щукин А. Н. Об одном методе борьбы с импульсными помехами // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1946. Т. 10, № 1. С. 49—56.
20. Чистяков Н. И. Радиоприемные устройства. М.: Сов. радио, 1978.
21. G root H. de. On the nature and elemination of strays // Proc. IRE. 1917. N 4. P. 27—34.
22. Клязник В. А. Подавление им¬
пульсных помех компенсационным методом//Электросвязь, 1956. № 8.
С. 25—35.
23. Duncan R. /., Drew Ch. E. Radio telegraphy and telephony. N. Y.: Wilëy, 1929.
24. Beatty R. T. The apparent demodulation of weak station by a strong one // Wireless Eng. 1928. N 6. P. 412—420.
25. Aiken С. B. Theory of the detection of two modulation waves by a linear rectifier // Proc. IRE. 1933. Vol. 21, N 4. P. 601—629.
26. Coleb rook F. M. Theoretical and experimental investigation of high selectivity tone-corrected receiving circuits.
L.: H. Stationary Office, 1932.
27. Bellescize H. de. La réception synchrone // Onde elec. 1932. Vol. И, N 125. P. 209—224; N 126. P. 225— 240; N 127. P. 241—246; N 128. P. 257—272.
28. Терентьев Б. П. A. c. 62595 (СССР) Опубл. в Б. И. 1943, № 2—3.
29. Шахгйльдян В. В., Ляхов- кин А. А. Системы фазовой автоподстройки частоты. 2-е изд., доп. М.: Связь, 1972.
30. Момот Е. Г. Проблемы и техника синхронного радиоприема. М.; Л.: Госэнергоиздат, 1941.
31. Armstrong Е. Н. A method of reducing disturbances in radio signalling by a system of frequency modulation // Proc. IRE. 1936. Vol. 24, N 5. P. 689— 740.
32. Crosby M. G. Frequency modulation noise characteristic//Ibid. 1937. Vol. 25, N 4. P. 472—514.
33. Cnaffee J. G. The application of negative feedback to frequency modulation systems // Ibid. 1939. Vol. 27, N 5. P. 317—331.
34. Travis Ch. Automatic frequency control//Ibid. 1935. Vol. 23, N10. P. 1125—1141.
35. Foster D. £., Seeley S. W. Automatic tuning//Ibid. 1937. Vol. 25, N 3. P. 289—313.
36. Виниикйй A. C. A. c. 63529 (СССР). Опубл. в Б. И., 1944, № 4—5.
37. Ьрауде Г. В. О колебательных системах с безваттной связью: (Обобщение принципа обратной связи) // ЖТФ. 1931. T. 1, № 1. С. 33—50.
38. Tellegen В. D. The gyrator, a new electric network element//Philips Res. Rep. 1948. Vol. 3, N 6. P 81—101.
39. Чистяков H. И. Декадные синтезаторы частот. M.: Связь, 1969.
40. Юзвинский В. И. О некотором способе приема радиоволн с сохранением постоянства фазовых соотношений //ЖТФ. 1941. Т. 11, № 1/2. С. 61—68.
359


41. Шапиро Д. И., Пайн А. А. Основы теории синтеза частот. М.: Радио и связь, 1981.
42. Wadley F. L. Variable-frequency crystal controlled receiver and generators//Trans. IEEE. 1954. N 2. P. 17—21.
43. Colas M. Le stabilidyne //Ond elec. 1956. N 347. P. 83—93.
44. Baur К. Pat. 2828329 (BDR). Publ. 10.01.1980.
45. Franks L. £., Sandberg /. W. An alternative approach to the realization of network transfer functions: The N-path filter //Bell Syst. Techn. J. 1960. Vol. 39, N 5. P. 1321—1350.
46. Гусятинский И. А., Марголин Ю. Я. А. с. 168333 (СССР). 1969 // Опубл. в Б. И., 1969, №ч 10.
47. Baghdady Е. /. Pat. 3911366 (US). Pubi. 07.10.1975.
48. Пецулев С. К-, Сифоров В. И. Радиоприемные устройства. София: Техника, 1979.
49. Квантовые усилители СВЧ: (Мазеры) / Под ред. В. Б. Шнейншлей- гера. М.: Сов. радио, 1971.
50. Green Я. The infradyne // Radio News. 1926. Vol. 8, N 4. P. 97— 103.
51. Бородич С. В. Искажения и помехи в многоканальных системах с частотной модуляцией. М.: Связь, 1976.
52. Котельников ö. А. Теория потенциальной помехоустойчивости. М.: Госэнергоиздат, 1958.
К главе 8
1. Schroter F. Handbuch der Bildtelegraphie und Fernsehens. B., 1923.
2. Bruch W. Die Fernsehen — Story. Stuttgart, 1969.
3. Родионов В. M. Зарождение радиотехники. М.: Наука, 1985.
4. Бахметьев П. И. Новый телефотограф //Электричество. 1885. № 6. С. 2—7.
5. Михали Д. Видение на расстоянии: Электрическое дальновидение и телегор. М.; Л.: Книга, 1925.
6. К 100-летию изобретения диска Нипкова//Техника кино и телевидения. 1984. № 6. С. 76.
7. Бахметьев Я. Я. Телектроскоп Яна Щепаника//Электричество. 1898. № 19. С. 257—260.
8. Рохлин А. Вундеркинд из Ченстохова // Радио. 1985. № 8. С. 56—57.
9. Герц Г. Об одном действии ультрафиолетового света на разряд элек¬
тричества: (Сообщение от 9 июня
1887 г.) //Электрические колебания и волны, СПб., 1910. Вып. 6. С. 8—32.
10.Hallwachs W. Ueber den Einfluss des Lichtes auf elektrooptisch geladene Körper//Ann. Phys. 1888. Bd. 33.
S. 301—312.
И. Столетов А. Г. Актино-электрические исследования//ЖРФХО. 1889.
T. 21, вып. 7/8. С. 159—206.
12. Орлова А. Полумордвинов и его
«Телефот» // Радио. 1984. № 12.
С. 19—21.
13. Акопян А. С. Ованес Абгаро- вич Адамян. Ереван: Изд-во Ереван, ун-та, 1981.
14. Горохов Я. К. Б. Л. Розинг — основоположник электронного телевидения. М.: Наука, 1964.
15. Катаев С. И. Вклад советских ученых в развитие телевидения//Радио. 1948. № 5. С. 14—17.
16. Розинг Б. Л. Об электрической телескопии и об одном возможном способе ее выполнения // Электричество. 1910. № 20. С. 535—544.
17. Розинг Б. Л. О дальнейшем развитии электрического телескопа, работающего при помощи катодных лучей, и о новом фотоэлектрическом реле // Там же. 1916. № 15/16. С. 245—249; No 17/18. С. 260—272.
18. Розинг х>. Л. Видение на расстоянии: Ближайшие задачи и достижения электрической телескопии. Пг., 1923.
19. Розинг Б. Л. Участие русских ученых в развитии идей электрической телескопии // Электричество. 1930. Юбил. номер. С. 47—57.
20. Катаев С. И. Электронное телевидение // Техника связи 1932. №11.
С. 29—35.
21. Таранцов А. В. Заслуги русских ученых в создании и развитии телевидения // Радио. 1952. № 5. С. 45—49.
22. Горохов Л. К. Зарождение электронного телевидения // Техника кино и телевидения. 1957. № 12. С. 1—5.
23. Катаев С. И. Электрическая телескопия: К 50-летию со дня изобретения Б. Л. Розингом первого электронного телевизора // Радиотехника. 1957. Т. 12, № 7. С. 3—8.
24. Горохов П. К. Предыстория современного телевидения //Там же. 1961. Т. 16, № 6. С. 70—79. •
25. Новаковский С. В. Развитие телевидения //50 лет радио / Под ред.
А. 	Д. Фортушенко. М.: Связьиздат, 1945. С. 281—305.
360


26. Шмаков П. В. О начальном периоде телевизионного вещания: К 40- летию TB-вещания в СССР // Техника кино и телевидения. 1971. № 11. С. 93.
27. Механическое телевидение / Под. ред. П. В. Шмакова М.; Л.: Гос- техтеориздат, 1933.
28. Шмаков П. В. Советское телевидение: От механической развертки к многоракурсным системам // Электросвязь. 1977. № 11. С. 7—16.
29. Шмаков П. В. Уроки истории телевидения //Техника кино и телевидения. 1982. № 3. С. 43—48.
30. Тер мен Л. С. Из истории телевидения // Из истории энергетики, электроники и связи. М.: ИИЕиТ АН СССР, 1966. Вып. 1. С. 38—44.
31. Баранцев А. И., У реалов В. А. У истоков телевидения. М.: Знание, 1982. (Радиоэлектроника и связь, Ns 3).
32. Катаев С. И. Электронно-лучевые телевизионные трубки. М.: Связь- техиздат, 1936.
33. Брауде Г. В. К 25-летию электронного телевизионного вещания в Советском Союзе //Техника кино и телевидения. 1963. № 9. С. 63—68.
34. Архангельский В. И. Телевидение. М.: Связьтехиздат, 1936.
35. Новаковский С. В., Шмаков Я. В. Современное телевидение // 60 лет радио / Под ред. А. Д. Форту- шенко. М.: Связьиздат, 1955. С. 236— 266.
36. Джигит И. С. История развития и достижения советского телевидения // Радиотехника. 1947. Т. 2, № 8. С. 39—43.
37. Campbell-Swinton А. A. Letter to the editor: Distant electric vision // Nature. 1980. Vol. 78. P. 106.
38. Zworykin V. K-, Morton G. A. Television: The electronics of image transmission in color and monochrome. 2nd ed. N. Y.; L., 1954.
39. Памяти Зворыкина // Радиотехника. 1984. No 8. С. 96.
40. Abramson A. Pioneers of television: Vladimir Kosma Zworykin // SMPTE J. 1981. Vol. 90, N 7. P. 579— 590.
41. Основы телевидения / Под ред. С. И. Катаева. М.: Связьиздат, 1940.
42. Таранцов А. В. Из истории телевидения // Воен. связист. 1953. № 10. С. 7—14.
43. Таранцов А. В. А. П. Константинов и изобретение передающей телевизионной трубки // Радиотехника. 1971. No 5. С. 102—103.
44. Гуров В. А. Основы дальновидения. М.: Радиоиздат, 1936.
45. Катаев С. И. Иконоскоп Зворыкина//Радиофронт. 1933. № 12.
С. 20—30.
46. Zworykin V. К. The iconoscope — a modern version of the electric eye // Proc. IRE. 1934. Vol. 22, N 1. P. 16—32.
47. Zworykin V. K.y Morton G. A., Flory L. E. The theory and performance of the iconoscope // Ibid. 1937. Vol. 25,
N 8. P. 1071—1092.
48. Зворыкин В. К. Телевидение при помощи катодных трубок. М.: Гос- энергоиздат, 1933.
49. Катаев С. И. Возможность передачи телевизионной картины с помощью узкой полосы частот // Радиотехника. 1937. No 2. С. 71—80.
50. Романова H. М., Круссер Б. В. Катодная передающая трубка //ИЭСТ. 1936. № И. С. 56—68.
51. Рогинский В. Ю., Романова- Дубинина H. М. К истории первых установок электронного телевидения в СССР // Радиотехника. 1967. Т. 22, № 8. С. 108—109.
52. Брауде Г. В. Новая система телевидения // ЖТФ. 1937. Т. 70, № 15. С. 1510—1540.
53. Брауде Г. В. Новый тип мозаики для телевизионных передающих трубок//Там же. 1945. Т. 15, № 8. С. 583—584.
54. Rose A., Weimer Р., Law Н. The image orthicon — a sensitive television pickup tube //Proc. IRE. 1946. Vol. 34. P. 424—432.
55. Арденне M. Электронно-лучевая трубка и ее применение в технике слабых токов. М.: Радиоиздат, 1936.
56. Рыфтин Я. А. О четкости и качестве изображений в телевидении // ЖТФ. 1933. Т. 3, No 2/3. С. 343—364.
57. Брауде Г. В. О возможностях устранения шумов в ламповых усилителях//ИЭСТ. 1936. No И. С. 19—34.
58. Новаковский С. В. Методы передачи и приема постоянной составляющей//Там же. 1949. № 6. С. 26—
41.
59. Лурье О. Б. Передача низких частот методом постоянной составляющей//Там же. 1940. № 3. С. 3—40.
60. Брауде Г. В. Способ сложной противошумовой коррекции//Там же. 1941. № 6. С. 1—16.
61. Джигит И. С. Современные американские и западноевропейские телевизионные передатчики //Техника сов-
361


ременного телевидения. М.: Радио-
издат, 1938. С. 19—54.
62. Дозоров Н. И., Свистов Н. /(. Современные телевизионные приемники США и Западной Европы//Техника современного телевидения. М.: Радио- издат, 1938. С. 55—99.
63. Новаковский С. В. Новый телевизионный стандарт // Радиофронт.
1940. 	№ 7/8. С. 39—42.
64. Джигит И. С. О стандартизации телевизионных параметров // ИЭСТ. 1940. № 3. С. 2—14.
65. Крейцер В. Л. Опытный Ленинградский телевизионный центр//Там же. 1939. № 12. С. 41—51.
66. Захаров И. П. 25 лет советского
телевизионного вещания//Вопр. радиотехники. Сер. 9. 1963. Вып. 4.
С. 3—14.
67. Бингли Ф. Полвека телевизионного приема // ТИРИ. 1962. Т. 60. № 5. С. 815—822.
К главе 9
1. 	Изобретение радио: А. С. Попов: Документы и материалы/Под ред. А. И. Берга. М.: Наука, 1966.
2 Bellini Е., Tosi A. Pat. 21299 (Gr. Brit.). Pubi. 1907.
3. Scheller O. Pat. 201496 (Gr. Brit). Pubi. 1907.
4. Бренев И. В. Начало радиотехники в России. М.: Сов. радио, 1970.
5. Родионов В. М. Зарождейие радиотехники. М.: Наука, 1985.
6. Баженов В. И., Мясоедов Н. А. Радиомаяки. М.: Связьиздат, 1935.
7. Dellinger /. Я. Application of radio in air navigation //Eng. and Eng. 1926. Vol. 43, N 11. P. 301—310.
8. Koor T. The bling landing in fog //J. Roy. Aeronaut. Soc. 1926. Vol.
30. 	P. 19—21.
9. Adcock F. Pat. 130490 (Gr. Brit.) Publ. 1919.
10. Ширков В. В. Основные соотно¬
шения для некоторых типов коротковолновых пеленгаторов. М.: ОНТИ,
1935.
И. Пестряков В. Б. Радиокомпасы.
М.: Воениздат, 1951.
12. Старик М. Е., Кукес И. С. Радиопеленгаторы. М.: Воениздат, 1941.
13. Муралевич В. С. Современные устройства радиосвязи. М.: Транспечать, 1925.
14. Берг А. И. Девиация судового радиопеленгатора // Мор. сб. 1927. № 8—9. С. 178—206.
15. Баженов В. И. Направляемый радиоприем//Радиотехника. 1919. № 8. С. 283—302; Кя 9. С. 343—357; 1920. № 12. С. 122—144; Ия 13. С. 234— 236; № 14. С. 375—401; 1921. № 15. С. 519—561.
16. Щекин В. П. Вращающийся маяк для Арктики // Вод. трансп. 1934. № 8. С. 29—31.
17. Kramar Е. Present state in the art of blind landing of airplanes using ultra-schort waves in Europe // Proc. IRE. 1935. Vol. 23, N 10. P. 1171—1182.
18. Корбанский H. А., Лапигин H. В Самолетные радиопеленгаторы и их применение. М.: Воениздат, 1941.
19. Кербер Л. Л., Кербер Б. Л. Самолетные радионавигационные станции и их эксплуатация //Техн. заметки ЦАГИ. 1936. № 97. С. 1 — 114.
20. 	Долуханов М. П. Радиополукомпас с модуляционным устройством // Изв. электропром-сти слабого тока.
1938. 	№ 5. С. 5—24.
21. Пестряков В. Б. Радионавигационные угломерные системы. М.: Гос- энергоиздат, 1955.
22. Пестряков В. Б. Рамочные антенны с сердечником из магнитодиэ- лектрика // Вести, электропром-сти. 1945. № 3. С. 15—17.
23. Пестряков В. Б. Комплексное применение полупроводников в радиоаппаратуре // Электросвязь. 1956. № 9. С. 3—12.
24. Мандельштам Л. И., Папа- лекси Н. Д. Новейшие исследования распространения радиоволн вдоль земной поверхности. М.: Гостехтеориздат, 1945.
25. Мандельштам Л. И.} Папалек- си Н. Д. А. с. 27639 (СССР). Опубл. в Б. И., 1932, № 8—9.
26. Щеголев Г. Я. Интерференционные радиодальномеры и некоторые результаты их испытаний в условиях действительной работы // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1938. №4. С. 551—572.
27. Powell С. The Decca navigator system for aircraft use//Proc. IEE. 1958. Vol. 105, pt B, N 9. P. 225—234.
28. У эй В. Пятьдесят лет аэронавигационной электроники //ТИРИ. 1962. Т. 50. С. 666—671.
29. Сандретто П. Оборудование системы управления воздушным движением: Настоящее и будущее // Там же. Т. 50,' № 5. С. 671—684.
30. Пестряков В. Б. Фазовые радиотехнические системы. М.: Сов. радио, 1968.
362


31. Быков В. И.} Никитенко Ю. И. Фазовая радионавигационная система «Декка интегратор». М.: Транспорт, 1969.
32. Кинкулькин И. Е., Рубцов В. Д., Фабрик М. А. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. радио, 1979.
33. Pierce /. A. OMEGA //IEEE Trans. Aerospace and Electron. Syst. 1965. Vol. AES-1, N 3. P. 206—215.
34. Pierce J. A., McKenzie A., Woodward R. H. Loran — long navigation.
N. 	Y.: Mass. Inst, of Technol., 1948. (Radiat. Lab. Ser.; Vol. 4).
35. Сосновский А. А., Хаймо- вич И. А. Радиотехнические средства ближней навигации и посадки летательных аппаратов. М.: Машиностроение, 1975.
36. Reilly R. A. Microminiature „LORAN C“ receiver-indicator // IEEE Trans. Aerospace and Electron. Syst. 1966. Vol. AES-2, N 1. P. 74—88.
37. Пестряков В. Б., Кузенков В. Д. Радиотехнические системы. М.: Сов. радио, 1984.
38. Радиотехнические средства кораблевождения / Пер. с англ. Под ред.
В. 	В. Алексеева. М.: Сов. радио, 1948.
39. Американские и английские радионавигационные системы / Пер. с англ. Под ред. А. А. Танкова. М.: Воен- издат, 1948.
40. Alexander В., Kenick Р. Background and principles of TACAN data link // Elec. Commun. 1957. Vol. 34, N 11. P. 171—174.
41. Радионавигационная система ближнего действия TACAN / Под ред. Н. И. Андреева, Г. А. Пахолкова. М.: Изд-во иностр. лит., 1958.
42. Пахолков Г. А. и др. Угломерные радиотехнические системы посадки. М.: Транспорт, 1982.
43. Пахолков Г. А. и др. Радиотехнические системы обеспечения посадки самолетов. Иваново: Энергет. ин-т, 1975.
44. Труды конференции по воздушной радионавигации/Под ред. А И. Берга. М.: Сов. радио, 1948.
45. Hampshire R. A., Thompson В. V. ILS-2 instrument landing equipment // Elec. Commun. 1950. Vol. 27, N 6. P. 112—122.
46. Импульсные радионавигационные устройства/Пер. с англ. Под ред. Д. Д. Дьякова. М.: Воениздат, 1955.
47. Ширков В. В. Радио в авиации //50 лет радио/Под ред. А. Д. Фор- тушенко. М: Связь из дат, 1945. С. 327— 359.
48. Бренев И. В., Щеголев Е. Я. Радионавигация и радиолокация // 60 лет радио/Под ред. А. Д. Форту- шенко. М.: Связьиздат, 1965, С. 212— 236.
49. Бренев И. В. Радиолокация и радионавигация //70 лет радио/Под ред. А. Д. Фортушенко. М.: Связь, 1965.
С. 	124—140.
50. Ржевкин В. А. Автономная навигация по картам местности//Зару - беж. радиоэлектрон. 1981. № 1. С. 5— 21.
51. Tull W. Doppler navigation // Aeronaut. Eng. Rev. 1957. N 5. P. 58—61.
52. Гуткин Л. С., Пестряков В. Б Типугин В. Н. Радиоуправление. М.: Сов. радио, 1970.
К главе 10
1. Hulsmeyer С. Pat. 165546 (Germany). Pubi. 21.11.1905.
2. Hillsmeyer C. Pat. 169154 (Germany.) Publ. 2.04.1906.
3. Lovy П., Leimbach G. Pat. 246836 (Germany). Publ. 11.05.1912.
4. Page R. M. The origin of radar. N. Y.: Anchor, 1962.
5. Водопьянов Ф. H. Радиолокация. M.: Госпланиздат, 1946.
6. Guerlac H. The radio background of radar//J. Franklin Inst. 1950. Vol. 250, N 4. P. 285—308.
7. Tuska C. D. Historical notes on the determination of distance by timed radio waves//Ibid. 1944. Vol. 237, N 1. P. 1—20; N 2. P. 83—102.
8. Fink D. G. Radar engineering. N. Y.; L.: MacGraw-Hill, 1947.
9. Appleton E. V., Barnet M. A. On some direct evidence for downward atmospheric reflection of electric rays // Proc. Phys. Soc. 1925. Vol. 37. P. 621 — 638.
10. Breit G., Tuve M. A test of the existence of the conducting layer // Phys. Rev. 1926. Vol. 28, N 9. P. 554— 557
11. Lövy H. Pat. 1585591 (US). Publ. 18.05.1926.
12. Bentley J. O. Pat. 2011392 (US). Publ. 13.08.1935.
13. Espencshied L. Pat. 2045071 (US). Publ. 23.06.1936.
14. Введенский Б. А. Основы теории распространения радиоволн. М.; Л.: Гостехтеориздат, 1934.
15. Введенский Б. А., Аренберг А. Т. Распространение УКВ. М.: Связьтех- издат, 1938. Ч. 1.
363


16. Englund C. R., Crawford A. В., Mumford W. W. Some results of a study of ultra-short wave transmission phenomena//Proc. IRE. 1933. Vol. 21, N 3. p. 464—493.
17. Trevor В., Carter P. S. Notes on propagation of waves below ten meters in length // Ibid. P. 387—426.
18. Лобанов M. M. Из прошлого радиолокации. M.: Воениздат, 1969.
19. Горохов В. Г. Методологичес¬
кий анализ развития научно-технических дисциплин: (На примере теоретической радиолокации) // Ежегодник: Системные исследования: Методол.
пробл. М.: Радио и связь, 1983. С. 307— 330.
20. Лобанов M. М. Начало советской радиолокации. М. Сов. радио, 1975.
21. Лобанов M. М. Развитие советской радиолокационной техники. М.: Воениздат, 1982.
22. Радар в США: Официальная история/Пер. с англ, под ред.
B. И. Шамшура. М.: Сов. радио, 1946.
23. Шембель Б. К. У истоков радиолокации в СССР. М.: Сов. радио, 1977.
24. Скольник М. И. 50 лет радиолокации//ТИИЭР. 1985. Т. 73. № 2.
C. 7—27.
25. Кобзарев Ю. Б. Первые советские импульсные радиолокаторы //Радиотехника. 1974. Т. 29. № 5. С. 2—6.
26. Хорошилов П. Е. Это начиналось так... М.: Воениздат, 1970.
27. Ощепков П. К. Жизнь и мечта. М.: Моек, рабочий, 1965.
28. Taylor А. N., Young L. С., Hyland L. A. Pat. 1981884 (US). Pubi. 27.11.1934.
29. Appleton E. The thirty-sixth Kelvin lecture: The scientific principles of radiolocation // J. Inst Electron. Eng. 1945. Vol. 92, N 57, pt 1. P. 340—353.
30. Наземные американские и английские радиолокационные станции. М.: Воениздат, 1974.
31. Colton R. В. Radar in the United States Army//Proc. IRE. 1945. Vol. 33, N 11. P. 740—753.
32. Parkinson D. H. Some thoughts on trends in British defence R and D // Radio and Electron. Eng. 1984. Vol. 54, N 10. P. 388—389.
33. Taylor Z)., Westeott С. H. Principles of radar. Cambridge: Univ. press, 1948.
34. Watson-Watt R. The evolution of radiolocation // Engineer. 1946.
364
Vol. 181, N 4708. P. 319—321; N 4709. P. 330—331.
35. Wilkins A. F. The story of radar//Research. 1953. Vol. 6, N 11. P. 434—440.
36. Prowe A. P. On story of radar. Cambridge: Univ. press, 1948.
37. Германская радиолокационная техника на суше: Обзор трофейной техники. М.: Воениздат, 1947. Вып. 13.
38. Немецкая радиолокационная техника: Обзор трофейной техники. М.; Воениздат, 1946. Вып. 1.
39. Bekker С. Radar-Duell im Dunkel. Hamburg, 1958.
40. Брандт Л. Развитие радиолокации в Германии: Пер. с нем.// Вопросы радиолокационной техники. М.: Изд- во иностр. лит., 1951. Вып. 1. С. 117— 122.
41. Wilkinson R. /. Short survey of Japanese radar. Pt. 1,2//Elec. Eng. 1946. Vol. 65, N 7. P. 370—377; N 10. P. 455—463.
42. Берг А. И. Радиолокация // Радио. 1946. № 1. С. 26—29.
43. Радар: Официальная история/ Пер. с англ, под ред. В. И. Шамшура. М.: Сов. радио, 1946.
44. Борьба с вражеской радиоло- кацией/Пер. с англ, под ред. В. И. Шамшура. М.: Сов. радио, 1946.
45. Леонов А. И., Фомичев К И. Моноимпульсная радиолокация. М.: Радио и связь, 1984.
46. Палий А. И. Радиоэлектронная борьба. М.: Воениздат, 1981.
47. Штюбер /С- Применение искусственных отражающих объектов в радиолокации: Пер. с нем.// Вопросы радиолокационной техники. М.: Изд-во иностр. лит., 1951. Вып. 1. С. 130—136.
48. Леонов А. И. Радиолокация в противоракетной обороне. М.: Воениздат, 1967.
49. Carpentier M. N. Le radar: Hier, adjourd’hui, demain //Navigation. 1979. Vol. 27, N 106. P. 160—170.
50. Родс Д. P. Введение в моно- импульсную радиолокацию/Пер. с англ, под ред. Л. Д. Бахраха. М.: Сов. радио, 1960.
К главе 11
1. Faraday M. Experimental researches in electricity. L.: Quaritch, 1839. Vol. 1.
2. Becquerel A. E. Mémoire sur les effets électriques produits sous l’influen¬


ces rayons solaires//C. r. Acad. sei. 1839. T. 9. P. 711—714.
3. Smith W. The action of light on selenium // J. Soc. Telegr. Eng. 1873. Vol. 2, N 1. P. 31—33.
4. Braun F. Über die Stromleitung durch Schwefelmetalle//Ann. Phys, und Chem. 1874. Bd. 229 (153), N 4.
S. 	556—563.
5. Schuster A. On milateral conductivity//Philos. Mag. 1874. Vol. 48. P. 251—257.
6. Adams W., Day R. The action of light on selenium//Proc. Roy. Soc. London A. 1876. Vol. 25. P. 113—117.
7. Fritts C. A new form of selenium cell//Amer. J. Sei. 1883. Vol. 26. P. 465—472,
8. Родионов В. М. Возникновение
радиосвязи // Из истории энергетики, электроники и связи. М.: ИИЕиТ
АН СССР, 1984. С. 3—23. Вып. 14.
9. Лебедев М. Е. Развитие полупроводниковых точечно-контактных детекторов на основе естественных материалов //Там же. С. 110—119*
10. Pierce G. Crystal rectifiers for electric currents and electrical oscillators // Phys. Rev. 1907. Vol. 25. P. 31— 60; 1909. Vol. 28. P. 153—187; Vol. 29. P. 478—484.
И. Лосев О. В. Детектор-генератор, детектор-усилитель // ТиТбП. 1922. № 14. С. 374—377.
12. Лосев О. В. Получение коротких волн от генерирующего контактного детектора//Там же. 1923. № 21. С. 349—352.
13. Лосев О. В. Дальнейшее исследование процессов в генерирующем кристалле // Там же. 1924. № 26. С. 403—410.
14. Лосев О. В. Светящийся карборундовый детектор и детектирование с кристаллами///Там же. 1927. Ns 5. С. 485—494.
15. Grondahl L., Geiger Р. A new electronic rectifier //Trans. AEEE. 1927. Vol. 46. P. 357—366.
16. Иоффе А. Ф. Полупроводники в современной физике и технике // Электричество. 1939. № 6. С. 54—56.
17. Wilson A. The theory of electronic semiconductors//Proc. Roy. Soc. London A. 1931. Vol. 133. P.,458—491; Vol. 134. P. 277—287.
18. Wagner C., Schottky W. Theorie der Geordneten Misch phases // Ztschr. Phys, und Chem. 1930. Bd. 11. S. 163— 210; 1933. Bd. 22. S. 181—194.
19. Жузе В. П., Курчатов Б. B.
К вопросу об электропроводности закиси меди // ЖЭТФ. 1932. Т. 2, Ns 5/6. С. 309—318.
20. Арсеньева А. Н., Курчатов Б. В. К электропроводности полупроводников //Там же. 1933. Т. 3, № 2. С. 149— 152.
21. Гохберг Б. М., Соминский М. С. Термоэлектрические свойства сернистого таллия / /Там же. 1937. Т. 7, Ns 9/10. С. 1099—1104.
22. Dember Н. Über eine photo- elektromotorische Kraft in Kuperoxydul- Kristallen //Phys. Ztschr. 1931. Bd. 32.
S. 554—556, 856—858.
23. Френкель А. И. Теория некоторых фотоэлектрических и фотомагнето- электрических явлений в полупроводниках // ЖЭТФ. 1935. Т. 8, Ns 2. С. 185— 203.
24. Кикоин И. К, Носков М. М. О новом фотоэлектрическом эффекте в закиси меди //Там же. 1934. Т. 4, Ns 2. С. 123—129.
25. Давыдов Б. И. О выпрямлении тока на границе между двумя полупроводниками//Докл. АН СССР. 1938.
T. 20, Ns 4. С. 279—282.
26. Mott N. The theory of crystal rectifiers // Proc. Roy. Soc. London A.
1939. 	Vol. 171. P. 27—38.
27. Schottky W. Zur Halbleitertheorie der Sperrschichtrichter und Spitzengleichrichter//Phys. Ztschr. 1939. Bd. 113. S. 367—414.
28. Лашкарев В. E. Исследование запорного слоя методом термозонда // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1941. Т. 5, Ns 4/5. С. 442—446.
29. Иоффе А. Ф. Полупроводники — новый материал электротехники // Соц. реконструкция и наука. 1931. Вып. 2/3. С. 108—112.
30. Коломиец Б. Т. Серно-таллие- вые фотоэлементы с положительным фотоэффектом запорного слоя // Изв. АН СССР. Сер. физ. 1938. Вып. 5/6. С. 695—704.
31. OhlR. Pat. 2402662 (US). Pubi.
1941.
32. Электроника: Прошлое, настоящее, будущее / Под ред. В. И. Сифоро- ва. М.: Мир, 1980.
33. Кристаллические выпрямители и усилители / Под ред. С. Г.. Калашникова. М.: Сов. радио, 1954.
34. Иоффе А. Ф. Электронные проводники тока // Юбилейный сборник, посвященный 30-летию Великой Октябрьской социалистической революции. М.; Л.: Изд-во АН СССР, 1947.
365


35. Иоффе А. Ф. Термоэлектричество в полупроводниках//ЖЭТФ. 1953. Т. 23. № 8. С. 452—454.
36. Развитие физики в СССР / Под ред. Л. А. Арцимовича. М.: Наука, 1967. Кн. 1.
37. К истории возникновения и развития транзисторной электроники в США: Пер. с англ. Мир, 1968.
38. Bardeen J. Surface states and rectification at a metal to semiconductor contact // Phys. Rev. 1947. Vol. 71, N 10. P. 717—726.
39. Тамм И. E. О возможной конфигурации электронов на поверхности кристалла//ЖЭТФ. 1932. T. 1, № 6. С. 733—746.
40. Shockley W. On the surface states associated with a periodic potential // Phys. Rev. 1939. Vol. 56, N 4. P. 317— 323.
41. Brattain W., Shockley W. Density of surface states on silicon deduced from contact potential measurements // Ibid. 1947. Vol. 72, N 4. P. 345.
42. Brattain W. Evidence for surface states from change in contact potential on illumination // Ibid. 1947. Vol. 72, N 4. P. 345.
43. Bardeen /., Brattain W. The transistor as semiconductor triode // Ibid. 1948. Vol. 74, N 2. P. 230—231.
44. Bardeen /., Brattain W. Physical principles involved in transistor action // Ibid. 1949. Vol. 75, N 8. P. 1208— 1225.
45. Красилов А. В., Каменецкий Ю. А., Петров Л. A., Спиро H. H. Основные характеристики отечественных кристаллических триодов // Полупроводниковые приборы и их применение / Под ред. Я. А. Федотова. М.: Сов. радио, 1956. Вып. 7. С. 56—75.
46. Вул Б. М. Физика полупроводников // Октябрь и научный прогресс. М.: Изд-во Агентства печати «Новости», 1967. Кн. 1. С. 471—508.
47. Pfann W. Principles of zone refining //Trans. Amer. Inst. Mining and Met. Eng. 1952. Vol. 194. P. 747—753.
48. Pearson G. L., Brattain W. H. History of semiconductor research // Proc. IRE. 1955. Vol. 43. P. 1794—1806.
49. Эрли Дж. Полупроводниковые приборы//ТИРИ. 1962. Т. 50, № 5. С. 1041—1047.
50. Гросс Е. Ф., Захаргеня Б. П. Экситоны в кристалле закиси меди// Докл. АН СССР. 1953. Т. 90, № 5 С. 745—748.
51. Френкель Я. И. Собрание избранных трудов. М.; Л.: Изд-во АН СССР,
1958. Т. 2.
52. Калашников С. Г. Кинетика электронных процессов в примесных полупроводниках // Исследования в области радиотехники и электроники. М.: ИРЭ АН СССР, 1974. С. 219—280.
53. Вавилов В. С. Действие излучений на полупроводники. М.: Физмат- гиз, 1963.
54. Эсаки Л. Новые явления в тонких германиевых р-п переходах // Туннельные диоды / Под ред. В. И. Фисту- ли. М.: Изд-во иностр. лит., 1961. С. 15—19.
55. Данилин В. Н., Филатов А. Л., Чернявский А. А. Исследование механизма спада усиления транзистора при увеличении тока эмиттера // Полупроводниковые приборы и их применение. М.: Сов. радио, 1969. С. 77—80.
56. Kirk С. A theory of transistor cut-off frequency (ft) fall off at high current densities//Trans. IRE. 1962. Vol. ED-9. P. 164—167.
57. Moll I. L., Tanenbaum M., Gol- dey J. M., Holonyak N. P-n-p-n-transistor switches //Proc. IRE. 1956. Vol. 44, N 9. P. 1174—1182.
58. Ганн Дж. Эффект Ганна // УФН. 1966. Т. 89, № 1. С. 147—160.
59. Басов Н. Г., Вул Б. М., Попов Ю. М. Квантовомеханические полупроводниковые генераторы и усилители электромагнитных колебаний // ЖЭТФ.
1959. Т. 37, № 2. С. 587—588.
60. Chapin Z)., Filler С., Pearson G. A new silicon p-n junction photocell for converting solar radiation into electrical power // J. Appl. Phys. 1954. N 5. P. 676—677.
61. Вавилов В. С., Маловеирая В. М., Галкин Г. Н., Ландеман А. Кремниевые солнечные батареи как источник электрического питания искусственных спутников Земли //УФН. 1957. Т. 63, № 1. С. 123—129.
62. Гуляев Ю. В. Акустоэлектрон- ные свойства для системы связи и обработки информации // Проблемы современной радиотехники и электроники / Под ред. В. А. Котельникова. М.: Наука, 1980. С. 297—319.
63. Носов Ю. Р. Оптоэлектроника. М.: Сов. радио, 1977.
64. Петриц Р. Значение технологии материалов в развитии полупроводниковых приборов // ТИРИ. 1962. Т. 50, № 5. С. 1062—1076.
366


К главе 12
1. Кудрявцев П. С. Курс истории физики. М.: Просвещение, 1974.
2. Храмов Ю. А. Физики: Биографический справ. Киев: Наук, думка, 1977.
3. Девятков Н. Д., Бродулен- ко И. И., Алексеенко А. М. Основные направления и история развития генераторных приборов СВЧ малой мощности // Электронная техника. М.: ЦНИИТЭИН, 1967. С. 52—73.
4. Вайнштейн Л. А., Солнцев В. А. Лекции по сверхвысокочастотной электронике. М.: Сов. радио, 1973.
5. Гапонов А. В., Петелин М. И., Юлпатов В. К. Индуцированное излучение возбужденных классических осцилляторов и его использование в высокочастотной электронике//Изв. вузов. Радиофизика. 1967. Т. 10, № 9/10. С. 1414—1453.
6. Barkhausen Н.у Kurz К. Die kürzesten mit Vakuumröhren herstellbaren Wellen//Phys. Ztschr. 1920. N 1. S. 1—6.
7. Зилитинкевич С. И. Колебательный электронный режим внутри триода//ТиТбП. 1923. № 18. С. 2—22.
8. Калинин В. И. Генерирование дециметровых и сантиметровых волн. М.: Связьиздат, 1948.
9. Варнеке Р. Эволюция принципов действия современных электровакуумных приборов для СВЧ / / Миллиметровые и субмиллиметровые волны. М.: Изд-во иностр. лит., 1959. С. 11—78.
10. Девятков Н. Д. Развитие советской электровакуумной СВЧ-элекрони- ки // Электрон, техника: Электроника СВЧ. Сер. 1. 1977. № И. С. 3—20.
И. Калинин В. И. Дециметровые волны. М.: Связьиздат, 1935.
12. Калинин В. И. Дециметровые и сантиметровые волны. М: Связьиздат, 1959.
13. Hull A. W. The effect of a uniform magnetic field on the motion electrons between coaxial cylinders // Phys. Rev. 1921. Vol. 18. P. 31—57.
14. James E. B. The magnetron and beginnings of the microwave age// Phys. Today. 1985. Vol. 33, N 7. P. 60— 67.
15: Zacek A. Nova metoda k vytvo- reni netlumenych oscylaci // Cas. pestov. mat. a fys. V Praze. 1924. Roc. 53. S. 378.
16. Лобанов M. M. Из прошлого радиолокации. M.: Воениздат, 1969.
17. СлуцкинА. А., Штейнберг Д. С.
Получение колебаний в катодных лампах при помощи магнитного поля // ЖРФХО. Сер. физ. 1926. Т. 58. Вып. 2. С. 395—407.
18. СлуцкинА. А., Штейнберг Д. С. Электронные колебания в диодах // Укр. физ. зап. 1927. T. 1. С. 22—27.
19. Haban Е. Eine neue Generatorröhre // Jb. drahtlos. Telegr. und Te- leph. 1924. Bd. 24. S. 115—120.
20. Фиск Д., Хагструм ГГат- ман П. Магнетрон. М.: Сов. радио, 1948.
21. Benham W. Е. Theory of the internal action of thermionic systems at moderately high frequencies//Philos. Mag. 1928. Vol. 5. P. 641—662; 1931. Vol. 11. P. 457—517.
22. Muller J. Elektronenschwingungen in Hochvakuum//Hochfrequenz- techn und Elektroakust. 1Q33 Bd 41
S. 156—167.
23. Левеллин Ф. Б. Инерция электронов. M.: Гостехтеориздат, 1946.
24. Коваленко В. Ф. Введение в электронику сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1955.
25. Гринберг Г. А. К теории прохождения нестационарных токов через термоионные приборы // ЖЭТФ. 1936.
T. 6, № 2. С. 126—138.
26. Llewellin F. В., Peterson L. С. Vacuum tube networks//Proc. IRE. 1944. Vol. 32. P. 144—166.
27. Никольский В. E. Влияние времени пробега электронов на работу лампы при ультракоротких волнах // Электросвязь. 1939. № 5. С. 35—43.
28. Кацман Ю. А., Шапошников А. А. А. с. 39876 (СССР). Опубл. в Б. И., 1934, № 10—11.
29. Девятков Н. Д., Данильцев E. Н., Хохлов В. К• Трехэлектродные лампы для генерирования электромагнитных волн дециметрового диапазона // Изв. электропром-сти слабого тока. 1940. № 2. С. 56—61.
30. Девятков Н. Д., Гуревич М. Д., Хохлов В. К. Металлический триод для УВЧ // ЖТФ. 1941. T. 11, № 8. С. 761 — 765.
31. Kompfner R. The invention of the travelling-wave tube. N. Y.; San Francisco, 1964.
32. Коваленко В. Ф. История развития электронно-лучевых ламп для микроволн // Изв. АН СССР. Сер. физ.
1940. 	Т. 4. № 3. С. 489—505.
33. Кобзарев Ю. Б., Полякова Н. Л. Рожанский и становление радиофизики//Природа. 1983. № 3. С. 72—79.
367


34. Arsenjewa-Heil A., Heil 0. Pat. 668800 (Germany). Publ. 1934.
35. Arsenjewa-Heil A., Heil 0. Pat. 687590 (Germany). Publ. 1934.
36. Arsenjewa-Heil A., Heil О. Eine neue Methode zur Erzeugung kurzer ungedämpfer elektromagnetischer Wellen grosser Intensität // Phys. Ztschr. 1935. Bd. 95, N 11/12. S. 752—762.
37. Brüche E., Recknagel A. Über die «Phasenfokussierung» bei der Elektronenbewegung in schnellveranderli- chen elektrischen Teldern // Phys. Ztschr.
1938. Bd. 108, N 7/8. S. 459—482.
38. Калинин В. И. К теории электронно-лучевого генератора с фазовой фокусировкой//Изв. АН СССР. 1940. Т. 4, № 3. С. 532—544.
39. Голубков П. В. Электронно-оптическая теория сверхвысокочастотных генераторов//ЖЭТФ. 1944. Т. 7, № 7/8. С. 289—299.
40. Hahn W. С., Metcalf G. F. Velocity modulated tubes // Proc. IRE.
1939. Vol. 27. P. 106—116.
41. Hahn W. C. Small signal theory of velocity-modulated electron beams // Gen. Elec. Rev. 1939. Vol. 42, N 6. P. 258—270.
42. Hahn W. C. Wave energy and transconductance of velocity-modulated electron beams // Ibid. P. 497—502.
43. Ramo S. The electronic wave theory of velocity-modulation tubes // Proc. IRE. 1939. Vol. 27, N 12. P. 757— 763.
44. Ramo S. Space-charge and field waves in a electron beam // Phys. Rev. 1939. Vol. 56, N 8. P. 276—283.
45. Beck A. H. W. Space-charge waves and slow electromagnetic waves. L. etc.: Pergamon press, 1958
46. Ginston E. The 100 $ idea // IEEE Spectrum. 1975. Vol. 12, N 2. P. 30—39.
47. Varian R., Varian S. High frequency oscillator and amplifier // J. Appl. Phys. 1939. Vol. 10, N 3. P. 321—327.
48. Hansen W. W., Richtmayer R. D. On the resonator suitable for klystron oscillator // Ibid. P. 189—199.
49. Hansen W. W. A type of electrical resonator // Ibid. 1938. Vol. 9, N 10. P. 654—663.
50. Hansen W. W. On the resonant frequency of closed concentric lines // Ibid. 1939. Vol. 10, N 1. P. 38—45.
51. Девятое H. Д., Даниль- цев E. H., Пискунов И. В. О колебательных режимах клистрона //ЖТФ. 1941. Т. И, № 15/16. С. 1348—1351.
52. Кацман Ю. А. Расчет физических процессов в электронно-лучевых лампах и результаты их экспериментального обследования // Изв АН СССР. Сер. физ. 1940. Т. 4., №> 3. С. 506—523.
53. Webster D. L. Cathode-ray bunching//J. Appi. Phys. 1939. Vol. 10, N 7. P. 501—508.
54. Webster D. L. The theory of klystron Oszillation // Ibid. N 12. P. 864—872.
55. Савельев В. Я. К теории клай- строна //ЖТФ. 1940. Т. 10, № 16. С. 1365—1371.
56. Кацман Ю. А. Вопросы теории многорезонаторных клистронов. М.: Связьиздат, 1958.
57. Девятов Н. Д., Данильцев Е. Н., Пискунов И. В. А. с. 60980 (СССР). Опубл. в Б. И., 1942, № 3.
58. Коваленко В. Ф. А. с. 59268 (СССР). Опубл. в Б. И., 1941, № 2.
59. Коваленко В. Ф. А. с. 61694 (СССР). Опубл. в Б. И., 1942, № 7—8.
60. Крайчик А. Б. А. с. 61798 (СССР). Опубл. в Б. И., 1942, № 9—10.
61. Терлецкий Я. П. Вычисление стационарной амплитуды для простейшего электронно-лучевого генератора с тормозящим полем//Учен. зап. СГУ. Сер. физ. 1945. Вып. 77, кн. 3. С. 152— 158.
62. Гвоздовер С. Д. Теория отражательного клистрона // ЖЭТФ. 1945. Т. 15, № 9. С. 521—531.
63. Клистроны / Пер. с англ, под ред. Е. Д. Науменко. М.: Сов. радио, 1952.
64. Отражательные клистроны / Под ред. Е. Д. Науменко. М.: Сов. радио, 1954.
65. Hamilton D. R., Knipp J. К-,
Kuper J. B. H. Klystrons and microwave triodes. N. Y.: McGraw-Hill,
1948. (Radiat. Lab. Ser.; Vol. 7).
66. Posthumous К. Oscillations in a split-anode magnetron//Wireless Eng. 1935. Vol. 12. P. 126—132.
67. Бонч-Бруевич M. A. A. c. 16269 (СССР). Опубл. в Б. И., 1930, Nb 8.
68. Капица П. Л. Электроника
больших мощностей. М.: Изд-во
АН СССР, 1962.
69. Алексеев Н. Ф., Маляров Д. Е.
Получение мощных колебаний магнетронов в сантиметровом диапазоне волн//ЖТФ. 1940. Т. 10, № 15.
С. 1297—1300. То же//Proc. IRE. 1944. Vol. 32. P. 136—139.
70. Бабат Г. И. Безэлектродные
368


разряды и некоторые связанные с ними вопросы // Вести, электропром-сти.
1942. 	№ 3. С. 1—14.
71. Boot Н. А. Я., Randall J. Т. Historical notes on the cavity magnetron // IEEE 1 rans. Electron Devices. 1976. Vol. ED-23, N 7. P. 724—729.
72. Сноу Ч. П. Две культуры. M.: Прогресс, 1973.
73. Теория магнетрона (по Брил- люену): Сб. пер. / Под ред. В. С. Лукошкова. М.: Сов. радио, 1946.
74. Слэтер Дж. Электроника сверхвысоких частот. М.: Сов. радио, 1948.
75. Магнетроны сантиметрового диапазона / Пер. с англ, под ред. С. А. Зусмановского. М.: Сов. радио.
Ч. 	I. 1950; Ч. II. 1951.
76. Пирс Дж. Электроны, волны и сообщения. М.: Физматгиз, 1961.
77. Шевчик В. Н., Трубецков Д. И. Аналитические методы расчета в электронике СВЧ. М.: Сов. радио, 1970.
78. Kompfner R. The travelling-wave valve: New amplifier for
centimetric wavelengths // Wireless World. 1946. Vol. 52, N 11. P. 369—372.
79. Kompfner R. The travelling- wave tube // Wireless Eng. 1947. P. 255—261.
80. Kompfner R. Ine travelling-wave tube as amplifier at microwaves // Proc. IRE. 1947. Vol. 35, N 2. P. 124— 128.
81. Kompfner R. On the operation of the travelling-wave tube at low level //J. Brit. IRE. 1950. Vol. 10, N 8/9. P. 283—289.
82. Kompfner R. Travelling-wave
tubes//Rep. Phys. Soc. 1952. Vol. 15. p 275 327
83. Pierce J. R. Theory of the beam- type travel ling-wave tube //Pros. IRE. 1947. Vol. 35, N 2. P. Ill —123.
84. Pierce L R. Effect of passive modes in travelling-wave tubes // Ibid. 1948. Vol. 36, N 8. P. 993—997.
85. Пирс Дж. Лампа с бегущей волной. М.: Сов. радио, 1952.
86. Пирс Дж. Теория и расчет электронных пучков. М.: Сов. радио. 1956.


ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ
Абрагам М. (Abraham М.) 32, 81, 107 Агапов И. Ф. 121
Адамс У. (Adams W.) 24, 186, 279 Адамян О. И. 190, 191, 195 Айвс Г. (Ives Н.) 198 Айзенберг Г. 3 . 88, 91, 94, 95, 111, 118 Айртон В. (Ayrton W. Е.) 187 Акульшин П. К. 63 Алдер Л. С. (Alder L. S.) 259 Александерсон Э. (Alexanderson Е.) 86, 87, 88, 199
Алексеев Н. Ф. 322, 324, 336 Алферов Ж. И. 298 Анрото Ч. 194 Антонио (Antoniou А.) 72 Араго Д. (Arago D.) 14 Арденне М. фон (Ardenne М. von) 193, 211, 212 Аренберг А. Г. 57 Ар ко Г. (Arko G.) 81 Арманд Н. А. 57
Армстронг Э. (Armstrong Е.) 150, 169 Арнольд Д. (Arnold D.) 115 Арсеньева-Хейль A. H. (Ar^enjewa- Heil А.) 310, 311, 317 Архангельский В. И. 196
Бабат Г. И. 324
Багдади Э. (Baghdady Е.) 172, 173 Баженов В. И. 86, 222 Балабанян H. (Balabanian N.) 65 Баллантайн С. (Ballantine St.) 85, 89, 164
Баллард Р. (Ballard R. С.) 213 Банеман H. (Buneman О.) 325 Барбер Н. (Barber N. F.) 77 Бардин Д. (Bardeen J.) 288, 289, 290 Баркгаузен Г. (Barkhausen Н.) 136, 302, 303, 305
Барнетт М. (Barnett М. А.) 245 Бартелеми P. (Barthélémi R.) 194, 198 Басов Н. Г. 297
Батмент У. (Batment W. А.) 259 Бахметьев П. И. 187, 188 Бевередж Г. (Beverage H. Н.) 79, 88, 95, 96, 111, 119
Бек A. (Beck А. Н.) 96, 313 Беккерель Э. (Becquerel А.-Е.) 279 Белен Э. (Belin Е.) 185, 193 Белецкий А. Ф. 66
Белл A. (Bell А.) 280 Беллини Э. (Bellini Е.) 81, 219 Бельсиз А., де (Bellescize H., de) 168 Бем О. (Böhm О.) 246 Бентли Ю. (Bently J. О.) 246 Бенхем У. (Benham W. Е.) 307, 309 Берг А. И. 131, 132, 221 Беренев В. В. 129 Бесчастнов H. С. 88, 111 Бехман P. (Bechmann R. Е.) 104 Бидуэлл Ш. (Bidwell S.) 186 Бирн Дж. (Byrne J. F.) 96, 112, 138 Битти Р. (Beatty R. Т.) 165, 168 Благовещенский Г. В. 195 Блек Г. (Black H. S.) 141 Блондель A. (Blondel А.) 81 Блондо Р. (Blondlot R.) 189 Блэйк Дж. (Blake J.) 201 Блюстейн Д. (Bleustein G. L.) 229 Богатырев E. А. 61 Боде Г. (Bode H. W.) 66, 71 Бодо Ж. (Baudot J.) 120, 121, 146 Бойл Д. (Boil D.) 14 Бонч-Бруевич М. А. 17, 44, 93, 99, 102, 135, 138, 195, 247, 321, 322 Бонштедт Б. Э. 111 Бор Н. (Bohr N.) 282 Бородич С. В. 121 Ботт А. (Bott А.) 64 Брандт Дж. (Brandt J. R.) 65 Браттейн У. (Brattain W.) 289, 290 Брауде Б. В. 79, 84, 87, 88, 90, 98, 99 Брауде Г. В. 71, 170, 209, 210, 211, 214, 216
Брауде С. Я. 321 Браун Г. (Brown G. H.) 90, 156 Браун Дж. (Brown J.) 24, 89, 90, 99, 102, 105, 108
Браун К. (Braun К. F.) 81, 191, 192, 193, 198, 204, 279, 287
Брейт Дж. (Breit G.) 42, 88, 245, 246 Брейтбарт А. Я. 196 Бреховских Л. М. 17, 55 Бриллюэн Л. (Brillouin L.) 19, 103, 104г 108, 324 Бруне О. (Brune О.) 64 Брунс Г. (Bruns H. Е.) 18 Брутон Л. (Bruton L. Т.) 72 Брэдли Дж. (Bradly J.) 27 Брюс Е. (Bruce Е.) 94, 96
370


Брюстер Д. (Brewster D.) 15 Брюхе Е. (Brüche E.) 311, 312 Бувье П. (Bovier P.) 86 Букер X. (Buker H. G.) 56 Булатов H. Д. 43, 44 Бунзен P. (Bunsen R.) 15 Бунимович В. И. 27 Бут Г. (Boot H.) 324, 325,
Бушбек В. (Buschbeck W.) 114, 134, 135 Бьеркнес В. (Bjerknes V.) 81 Бэкуэлл Ф. (Васкеwell F.) 185 Бэн A. (Bain А.) 185 Бэрд Дж. (Baird J. L.) 192. 196, 197, 198, 212
Бэрроуз'Ч. (Burrows Ch.) 116 Вавилов В. С. 291
Вагнер К. (Wagner К.) 62, 63, 282, 283 Вадли Ф. (Wadley F.) 171 Вайнштейн Л. А. 108 Вайскопф В. (Weisskopf V.) 56 Валанси Ж. (Valensi G.) 193 Валло И. (Wallot J.) 17 Ван-дер-Поль Б. (Van der Pol В.) 16, 35, 53, 85, 88, 92
Вариан P. (Varian R.) 313, 314, 315, 316, 317, 318, 319
Вариан С. (Varian S.) 313, 314, 315, 317 318 319
Варнеке Р. (Warnecke R. R.) 308, 310, 325
Ватсон Дж. (Watson G. N.) 16, 39, 53 Введенский Б. А. 16, 35, 36, 37, 52, 53, 57, 104, 247, 250 Вебер В. (Weber W.) 15, 26 Вебстер Д. (Webster D. L.) 319 Вейлер Л. (Weiller L.) 194, 198 Вейль Г. (Weyl Н.) 35, 53 Векслин И. М. 224, 239 Вендик О. Н. 104 Венельт А. (Wehnelt А.) 191 Вентцель В. (Wentzel W.) 19 Вердан Ч. (Verden Ch.) 120 Вессель В. (Wessel W.) 105 Вилларс Ф. (Villars F.) 56 Виницкий А. С. 170, 172 Вишик М. И. 19 Владимирский В. В. 112 Войцехович Б. В. 129 Волков Ю. С. 203 Волынкин В. И. 195 Вольман И. И. 116
Вольперт А. Р. 102, 104, 111, 113, 114, 115, 116
Вольфке М. (Wolfke М.) 189 Вудворд О. (Woodward О. М.) 108 Вудьярд Дж. (Woodjard J. R.) 103 Вул Б. М. 291
Галеркин Б. Г. 106
Гальвакс В. (Hallwachs W.) 189, 190 Гамильтон У. (Hamilton W. R.) 17, 18 Гамов Г. А. 296
Ганин А. Ф. 121 Ганн Дж. (Gun J. В.) 297 Ганс Р. (Gans R.) 17 Гаррисон Дж. (Harrison J.) 107 Гвоздовер С. Д. 304, 321 Гезехус Н. А. 186 Гейгер П. (Geiger Р.) 281 Гейслер Г. (Geissler Н.) 189, 191 Гельмгольц Г. (Helmholtz Н.) 10, 12, 18, 19, 21
Генар П. (Guenard Р.) 325 Геништа Е. Н. 227 Герни Дж. (Hoerni J. А.) 292 Герст И. (Gerst I.) 67 Герт Ф. (Gert F.) 139 Герц Г. (Hertz Н.) 11, 12, 13, 14, 26, 28, 32, 33, 34, 35, 38, 53, 62, 79, 80, 83, 189, 190, 243, 280, 301 Гершгорин С. А. 24 Гершель У. (Hersehe 1 W. E.) 248 Гершельман Г. (Hörschelmann H.) 81 Гиллемин E. (Guillemin E. A.) 65, 67 Гинстон Э. (Ginston E.) 313, 315, 316, 317 318
Гиринг X. (Gihring H. E.) 90
Гирлинг Ф. (Girling F. E.) 74
Гитторф И. (Hittorf J.) 191
Глаголева-Аркадьева А. А. 301
Глазман Э. С. 100
Глущенко М. Н. 104
Голубков П. В. 312
Гольвек Ф. (Holweek F.) 193
Гоноровский И. С. 87
Гордон У. (Gordon W. Е.) 56
Готе A. (Gothe А.) 91
Грабовский Б. П. 202
Грехова М. Т. 304
Гримальди Ф. (Grimaldi F. М.) 14
Грин Дж. (Grin J.) 19, 21
Гринберг Г. А. 111, 148, 307
Гровер Ф. (Grover F. W.) 84
Грондаль Л. (Grondahl L.) 281
Грот, де (Groot, de) 167
Губо Г. (Goubau G.) 112
Гуд Е. (Good E. F.) 74
Гук P. (Hooke R.) 14
Гуляев Ю. В. 299
Гунелль E. (Gounelle Е.) 26
Гурин Л. П. 121
Гуров В. А. 84, 195, 196, 208, 212 Гусятинский И. А. 172 Гуткин Л. С. 65, 67 Гюйгенс R. (Huygens С.) 14, 18
Давид П. (David Р.) 264 Давыдов Б. И. 284, 285, 297 Даммер Д. (Dummer J.) 300 Данилевский А. И. 35 Данильцев Е. Н. 319 Дарлингтон С. (Darlington S.) 64, 65 66
Даффин P. (Daffin R. J.) 64 Дашер Б. (Dasher В. J.) 65
371


Дебай П. (Debay P.) 17, 26, 52 Девятков Н. Д. 149, 308, 318, 319, 321 Дезоер К. (Desoer С. А.) 75 Дей P. (Dey R.) 279 Декарт P. (Descartes R.) 14 Деллинджер Дж. (Dellinger J.) 50 Дембер X. (Dember Н.) 283 Дженкинс Ч. (Jenkins Ch. F.) 202, 203, 204, 207
Джеффрис Б. (Jeffreys В. S.) 19 Дикман М. (Dieckmann М.) 193, 198, 201, 205
Дирак П. (Dirac Р.) 30 Довийе А. (DauviHier А.) 193 Догерти В. (Dogherty W. Н.) 139,
140, 143, 145 Домбровский И. А. 79 Доплер К- (Doppler Ch.) 15, 28, 30 Доу Дж. (Dow J.) 128 Дроздов Н. И. 212 Друде П. (Drude Р.) 26, 81 Дулицкий В. С. 130, 171 Дюамель Ж. (Duhamel G.) 77
Евклид 14 Евтянов С. И. 132 Емелин Б. Ф. 65 Емпедокл 14
Жачек A. (Zacek А.) 305, 306 Жекулин Л. А. 19, 47 Жузе В. П. 283
Зворыкин В. К. (Zworykin V. К.) 193, 200, 201, 204, 206, 207, 209, 211 Зеебек Т. (Seebeck T. J.) 278 ' Зейтленок Г. А. 129, 135, 136, 145, 150, 151
Зелях Э. В. 65
Земм A. (Semm А.) 154
Зигель Е. (Siegel E.) J06
Зилитинкевич С. И. 87, 136, 302
Зильберштейн Л. (Sielberstein L.) 26
Золотарев Е. П. 66
Зоммерфельд A. (Sommerfeld А.) 16,30, 32, 33, 35, 36, 37, 38, 52, 101, 112
Иванов В. И. 21 Игнатьев А. Д. 121
Икклз У. (Eccles W. Н.) 40, 41, 89, 92 Иоффе А. Ф. 282, 283, 285, 286, 287, 288, 297
Йокояма E. (Yokoyama Е.) 162
Казанцев А. Н. 17, 48, 49 Казелли Дж. (Caselli G.) 185 Какурин С. Н. 195 Калашников С. Г. 291, 295 Калинин А. И. 57
Калинин В. И. 304, 312 Калниболотский Ю. М. 65 Каменский Е. И. 150 Капйлович Е. А. 321 Капица П. Л. 323 Капцов Н. А. 304 Карлини Ф. (Carliîii F.) 19 Каролус A. (Karolus А.) 192, 198 Карсон Дж. (Carson J. R.) 61, 101, 102, 115, 147
Картер П. (Carter P. S.) 79, 93, 94, 99, 103, 104, 255
Катаев С. И. 205, 206, 207, 208, 209, 212
Кауэр В. (Cauer W.) 63, 64, 65, 66 Кацман Ю. А. 308, 31:9 Квинке Г. (Quinke G.) 26 Келлер Дж. (Keller J. В.) 19 Кэмпбелл-Свинтон A. (Campbell-Swin- ton А.) 193, 199, 200, 207 Кенигсон В. К. 216
Кеннели A. (Kennelly А.) 16, 40, 41, 62, 63, 89, 245 Керби В. И. 120
Керр Дж. (Kerr J.) 10, 194, 195, 196, 198, 199
Кессених В. Н. 43, 44, 112 Ки Е. (Key E. L.) 67 Кибитц Ф. (Kiebitz F.) 81, 88 Кикоин И. К. 283, 284 Килби Дж. (Kilby J. S.) 300 Кинг Д. (King D. D.) 108 Кинг Л. (King L.W.) 105 Кинг Р. (King R.) 107, 108 Кинкулькиц И. Е. 233 Кирк К. (Kirk С.) 296 Кирхгоф Г. (Kirchhoff G.) 15, 18, 19, 25, 6.1
Китамура М. (Kitamura М.) 162 Клязник В. А. 167
Кляцкин И. Г. 79, 84, 85, 86, 87, 104, 131, 133
Князев А. С. 88 Кобзарев Ю. Б. 127, 252, 310 Коваленко В. Ф. 310, 319, 320, 321, 322
Коган С. С. 63, 66
Коделли A. (Codelli A., von) 201
Козлов Л. П. 121
Кола М. (Colas М.) 171, 173
Колмогоров А. Н. 58
Коломиец Б. Т. 285.
Колосов М. А. 57 Кольрауш Ф. (Kohlrausch F.) 15 Компфнер P. (Kompfner R.) 309, 310, 312, 314, 325, 326, 327, 329, 330, 331 332
Конторович М. И. 84, 85, 87, 88, 111 Копытин Е. А. 87 Корн A. (Korn А.) 186
372


Коровин Ю. К. 250
Котельников В. А. 48, 121, 183
Коши О. (Cauchi А.) 20
Кощеев И. А. 63
Коэн Л. (Cohen L) 84
Кравцов Ю. А. 18
Крайчик А. Б. 321
Крамере X. A. (Kramers Н. А.) 19
Красилов А. В. 290
Красильников В. А. 57, 58
Краснушкин П. Е. 16, 20, 54
Крейцер В. Л. 214
Крид Ф. (Creed F.) 120
Кристиансон В. (Christianson W. N.)
94
Кронегер В. (Kronjager W.) 88 Кросби М. (Crosby М.) 169 Кросслей A. (Crossley А.) 128 Круглов Н. Г. 142, 143 Крукс У. (Crookes W.) 191, 199 Круссер Б. В. 208 Крючков С. И. 46 Кубецкий Л. А. 196, 209 Кугушев А. М. 149 Кузнецов В. Д. 95 Кукес И. С. 221 Купрадзе В. Д. 21
Курц К. (Kurz К.) 136, 302, 303, 305
Курчатов Б. В. 283
Курчатов И. В. 297
Кушнир Ю. М. 298
Кэмпбелл Д. (Campbell D.) 62, 63
Кэри Ж. (Carey G.) 186
Кэррол Т. (Carrel Т.) 56
Лабус И. (Labus J. L) 105, 106 Лавров Г. А. 88, 111 Ланг В. (Lang V., von) 26 Ландау Л. Д. 295, 298 Ланнэ А. А. 65 Лаплас П. (Laplace Р.) 24, 61 Лармор Дж. (Larmor J.) 26, 41 Лашкарев В. Е. 285, 298 Лбов Ф. А. 51 Лебедев П. Н. 301 Леблан М. (Leblanc М.) 187 Левеллин Ф. (Llewellyn F. В.) 307, 309, 325
Левин М. Л. 107 Ледер Е. (Lueder Е.) 70 Лежандр A. (Legendre А.) 53 Леймбах Г. (Leimbach G.) 244 Лейте Дж. (Leithe J. С.) 90 Ленард Ф. (Lenard F.) 190, 191 Ленин В. И. 333 Леонтович М. А. 19, 38, 107 Лехер Э. (Lecher Е.) 26, 110 Лёви X. (Lovy Н.) 244, 246 Лилиенфельд Ю. (Lilienfield J.) 162, 175, 288
Линвилл Дж. (Linvill J. G.) 65, 73 Линденблад Н. (Lindenblad N. Е.) 94,
98, 99, 118
Листов В. Н. 63 Лиувиль Ж. (Liouville G.) 19 Лихачев А. И. 44 Лобанов М. М. 250 Лодж О. (Lodge О.) 62 Лодж У. (Lodge W. В.) 91 Ломоносов М. В. 14, 190 Лоренц К. (Lorenz К.) 15, 23, 29, 30, 48, 101
Лосев О. В. 162, 163, 281
Лошаков Л. Н. 333
Лурье О. Б. 214
Лэнгмюр И. (Langmuir I.) 211
Люненбург Р. К. (Lunenburg R. К.) 18
Люстерник Л. А. 19
Магазаник А. А. 121 Мадоян С. Г. 291 Майкельсон A. (Michelson А.) 29 Маклорен К. (Maclaurin С.) 214 Максвелл Дж. (Maxwell J.) 10, И, 12, 13, 14, 15, 28, 29, 30, 31, 61, 81, 111, 243 301
Маляров Д. Е. 322, 324, 336 Мандельштам Л. И. 54, 166, 231, 232, 233, 246
Марголин Ю. Н. 172 Марков Г. Т. 91, 104 Маркони Г. (Marconi G.) 16, 62, 80, 82, 83, 85, 89, 92, 244, 245 Марх Г. (March G.) 39 Маскар Э. (Mascart Е.) 189 Мастерс P. (Masters R. W.) 98, 99 Махтс Л. (Machts L.) 244 Мейснер A. (Meissner А.) 86 Мельников В. С. 121 Мени P. (Mesny R.) 92 Меткалф Г. (Metcalf G. F.) 312 Мехау Э. (Mechau E.) 194, 198 Ми Г. (Mie G.) 26, 38, ПО Мигулин В. В. 57 Минковский Г. (Minkowski Н.) 30 Минц А. Л. 84, 87, 94, 100, 131, 137, 153, 154, 155
Михали Д. (Michaly D., von) 188, 198 Михельсон Г. Я. 94, 115 Мията Ф. 64
Модель 3. И. 87, 90, 91, 155 Момот Е. Г. 169 Морган М. (Morgan М. G.) 88 Морзе С. (Morse S. F.) 146, 223 Морли Э. (Morley E. W.) 29 Моррисон Дж. (Morrison J. F.) 90 Мортон У. (Morton W. В.) 11 Мотт Н. (Mott N.) 284 Муллен К. (Mullin С. J.) 17 Мэй К. (May Ch.) 186 Мюллер И. (Muller J.) 307, 309
Надененко С. И. 87, 88, 91, 94, 95, 97, 100, 115
Найквист X. (Nyquist Н.) 141
373


На следов Д. Н. 291 Натадзе Л. Ш. 84 Чевяжский И. X. 135, 154 Нейман М. С. 27, 79, 87, 88, 94, 97, 102, 113, 115, 116, 127, 149, 151 Нельсон Дж. (Nelson J.) 165 Николь У. (Nicol W.) 196 Никольс М. (Nichols М.) 68 Никольский В. Е. 308 Никольсон A. (Nicolson А.) 193 Нипков П. (Nipkow P. G.) 187, 188, 189, 190, 191, 193, 194, 195, 196, 197, 198, 199, 215
Новаковский С. В. 214 Новиков В. В. 120 Нойс Р. (Noyce R.) 300 Носков М. М. 283, 284 Нотте дж В. (Not tage W. H.) 112 Ньюкомб P. (Newcomb R. W.) 72 Ньютон И. (Newton I.) 14, 29, 30 Нэтер Ф. (Noether F.) 112
Обухов А. М. 58
Овчаров В. Т. 333
Оганов Н. И. 137
Окабе К. (Okabe К ) 269, 306
ОколиксаниФ. (Okolicsânyi F.) 194, 198
Олифант М. (Oliphant М.) 324, 325, 326
Ом Г. (Ohm G. S) 61, 104, 279
Орлов С. А. 196, 212, 216
Орлов С. И. 116
Орлов Ю. И. 18
Орчард X. (Orchard H. J.) 70
Остин Л. (Austin L. W.) 16, 33, 85
Ощепков П. К. 250, 251
Пайва А., де (Paiva A., de) 186, 187, 188 Папалекси Н. Д. 54, 166, 219, 231, 232, 233
Папас Ч. (Papas С. Н.) 108
Пахолков Г. А. 217, 237
Пельтье Ж. (Peltier J.) 288
Пенин Н. А. 291
Перри Дж. (Perry J.) 187
Перский К. Д. 190
Персон С. В. 87, 90, 91, 134
Пестряков В. Б. 227, 229, 233
Петерсон Г. (Peterson Н.) 95, 96, 119
Петровский А. А. 85
Пикар Ж. (Pickard G. W.) 162
Пилотти 66
Пирс Г. (Pierce G.) 128, 279 Пирс Дж. (Pierce J.) 289, 326, 327, 332 Пискунов Н. Г. 202, 319 Пистолькорс А. А. 79, 84, 90, 96, 97, 98, 102, 103, 104, 105, 111, 113 Питерсон Л. (Peterson L. С.) 307 Планк М. (Planck М.) 30, 81, 190, 282 Плюккер Ю. (Plücker J.) 191 Пойнтинг Дж. (Poynting J. Н.) 12, 84, 85, 101, 102, 104
Поллард П. (Pollard G.) 259 Полумордвинов А. А. 190 Поль Р. (Pohl R.) 175, 288 Попов А. С. 14, 16, 31, 62, 80, 82, 218, 243
Попов В. И. 202
Постумус К. (Posthumous К.) 321
Пружанский М. М. 129
Пуанкаре A. (Poincare Н.) 29, 30, 39
Пунгс Л. (Pungs L.) 139
Пфанн У. (Pfann W. G.) 292
Райх М. (Reich М.) 85
Рамлау П. Н. 97
Рамм Г. С. 89, 90, 133, 145, 151
Рамо С. (Ramo S.) 313, 319
Pao T. (Rao T. N.) 72
Расплетин А. А. 196, 212, 216
Раух Л. (Rauch L. L.) 68
Резерфорд Э. (Rutherford Е.) 282
Рекнагель А. (Recknagel А.) 311, 312
Ремер О. (Römer О.) 14
Ренгартен И. И. 219
Ржанов А. В. 291
Риги A. (Righi А.) 189
Ридбек О. (Rydbeck О.) 17
Ризкин А. А. 65, 71
Риман К. (Riemann К.) 20
Ринг Р. (Ring R.) 56
Робинсон Е. (Robinson Е.) 168, 221
Родионов В. М. 5
Рожанский Д. А. 46, 85, 103, 104, 305, 310
Розенштейн X. (Roosenstein Н. О.) ИЗ
Розинг Б. Л. 185, 192, 193, 199, 200, 212, 246
Роуленд Г. (Rowland Н. А.) 10
Рукоп Г. (Rukop Н.) 141
Румкорф Г. (Ruhmkorff Н.) 189
Рущук И. М. 94
Рчеулов Б. А. 195, 201
Рытов С. М. 17, 18, 57
Рыфтин Я. А. 195, 208
Релей Дж. (Rayleigh J.) [Стретт Дж.
(Strutt J.)] 17, 26, 31, 35, 39 Рэндол Дж. (Randall J.) 324, 325 Рюденберг Р. (Rudenberg R.) 81, 82, 84, 85, 115
Сабба К. (Sabbah С.) 193, 201 Савельев В. Я. 319 Савицкий Г. А. 92 Саллен П. (Sailen P. R.) 67 Сан И. (Sun Y.) 75 Санабрия A. (Sanabria А.) 194 Сандберг Й. (Sundberg L W.) 77 Сарджент 179
Саусворт Дж. (Southworth G. С.) 27. 102
374


Свешникова М. П. 102 Сегин М. (Séguin М.) 201 Сенлек К- (Senlecq С.) 186, 187, 188 Серл Дж. (Searle G. F.) 11 Сили С. (Seeley S. W.) 150, 170 Сименс B. (Siemens W.) 26, 120 Сифоров В. И. 5, 65, 67, 121, 165, 166 Скотт X. (Scott H. Н.) 65, 67 Слаби A. (Slaby А.) 81 Слуцкин А. А. 253, 305, 321 Слэтер Д. К. (Slater J.) 325 Смирнов В. А. 121
Смит П. (Smith P. Н) 90, 114, 115 Смит У. (Smith W.) 186, 279 Снеллиус В. (Snellius W., Snell W.) 14, 52
Сноу Ч. (Snow Ch. P.) 164, 324
Соболев С. Л. 18
Соверби P. (Sowerby R. Т.) 166
Соколов А. В. 57
Спунер Г. (Spooner G.) 201
Средний И. Е. 116
Старик М. Е. 221
Стивенсон A. (Stevenson A. F.) 102
Стильбанс Л. С. 288
Стогов Д. С. 251
Стокс Дж. (Stockes G.) 28
Столетов А. Г. 189, 190
Стонер Э. (Stoner Е.) 325
Стоун Дж. (Stoun J.) 62
Стретт Дж. (Strutt J. (см. Рэлей Дж.)
Стретт М. (Strutt М.) 166
Стерба Э. (Sterba Е.) 93
Сузант А. Е. 87, 96, 115
Тагер П. Г. 215 Тамм И. Е. 289
Татаринов В. В. 85, 93, 95, 99, 104, 105, 106, 110, 111, 112, 113, 115, 135 Тейлор P. (Taylor R.) 115 Тейлор Э. (Taylor А. Н.) 244, 245, 255 Теллеген Б. (Tellegen В. D.) 71 Терентьев Б. П. 86, 157, 169 Терлецкий Я. П. 321 Термен Л. С. 195 Тешнер С. (Tesner St.) 293 Тизард Г. (Tizard G.) 259 Тимофеев П. В. 208, 209 Тиханьи К- (Tihanyi С.) 201, 202, 203, 204, 207
Тихонов А. М. 21 Товбин М. Н. 216 Този A. (Tosi А.) 81, 219 Томсон Дж. Дж. (Thomson J. J.) 10, 11, 26, 81, 110, 190, 191, 280 Ториката У. (Torikata W.) 162 Тревис Ч. (Travis Ch.) 170 Тревор Б. (Trevor В.) 255 Тремль Л. И. 120 Трентини Ж. (Trentini J.) 24 Трифонов И. И. 61, 66 Троицкий В. Н. 57
Тру сканов Д. М. 99, 100
Трутень И. Д. 321
Труэ Г. (True Н.) 85
Тун Р. (Thun R.) 193, 212
Турлыгин С. Я. 102
Тучкевич В. М. 291, 298
Тьюв М. (Tuve М. А.) 42, 245, 246
Уайт Э. (White Е.) 166 Уда С. (Uda S.) 97, 98, 269 Уилер X. (Wheeler Н. А.) 116, 166 Уилсон A. (Wilson А.) 282 Уиннери Дж. (Whinnery J.) 313 Уитстон Ч. (Wheatstone Ch.) 120 Уолмарк Дж. (Wallmark J. Т.) 293 Уотсон-Уатт P. (Watson-Watt R.) 259, 260, 277
Реагин И. Ф. 189 Усиков А. Я. 321 Уфимцев П. Я. 19
Фано Р. (Fano R. М.) 117 Фарадей М. (Faraday М.) 10, 13, 203, 278
Фарансворт П. (Farnsworth P. Т.) 201, 205
Федоров H. Н. 20, 25
Федотов Я. А. 296
Фейнберг Е. Л. 57
Фельд Я. Н. 79, 84, 102, 106, 111
Фельдштейн А. Л. 116, 117
Ферма П. (Fermat Р.) 14, 19
Фиалков A. (Fialkow А.) 67
Физо A. (Fizeau А.) 14, 26, 28
Филатова Е. А. 20, 25
Фитцджеральд Г. (Fitzgerald G.) 10, И
Флеминг Дж. (Fleming J. А.) 280
Фогт X. (Vogt Н.) 88
Фок В. А. 16, 19, 21, 37, 52, 53, 54
Фомичев И. Н. 141
Форест Л., де (Forest L., de) 40, 81, 280, 301, 305, 335
Форстерлинг К. (Förzterling К.) 17
Фостер Д. (Forster D. Е.) 150, 170 Фостер Р. (Foster R. М.) 63, 64, 102, 117 Фрадин А. 3. 104
Франклин К. (Franklin С.) 62, 89, 92 Франкс Л. (Franks L. Е.) 77 Франс А., де (France H., de) 198 Фраунгофер Й. (Fraunhofer J.) 15 Фрейман И. Г. 84, 85, 87 Френель О. (Fresnel А.) 14, 15, 18, 28, 30, 35, 40
Френкель Я. И. 27, 282, 283, 295 Фриис X. (Friis H. Т.) 96 Фритте Ц. (Fritts С.) 279 Фриш И. (Frich I. I.) 75 Фузик H. С. 143 Фуко Л. (Foucault L.) 14 Фурье Ж. (Fourier J. 56, 77, 90, 116, 131
375


Хадденхорст X. (Haddenhorst H. G.) 17 Хазелтайн Л. (Hazeltine L. A.) 134 Хайкин 3. M. 94 Халлен E. (Hallen E.) 107, 108 Хан У. (Hahn W. C.) 312, 313, 319 Хансен У. (Hansen W.) 103, 313, 314, 315, 316, 317, 319.
Хансфорд P. (Hansford R. V.) 144 Харбих X. (Harbich H.) 139 Харкевич A. A. 121
Хартри Д. (Hartrie D. R.) 17, 48, 325 Хафлин C. (Haflin S.) 70 Хевисайд О. (Heaviside O.) 11, 12, 16, 40, 41, 61, 62, 89, 110, 245 Хейль О. (Heil O.) 288, 310, 311, 317 Хелл P. (Hell R.) 201, 205 Хеллер Дж. (Heller G. S.) 17 Хиленд Л. (Hyland L. A.) 225 Хильш P. (Hilsch R.) 288 Хобарт K. (Hobart С. D.) 88 Хоган Дж. (Hogan J. L.) 81 Холл Э. (Hall E. G.) 280, 281, 282, 284 Холопов В. Д. 24 Хондрос Д. (Hondros D.) 26 Хоу Г. (Howe G. W.) 84 &удек Э. (Hudec E.) 212 Хьюлсман Л. (Hewlsman L.) 67 Хэлл A. (Hull A. W.) 305 Хюльсмейер X. (Hülsmeyer Ch.) 243, 244
Ценней И. (Zennek J.) 31, 32, 81, 82, 141, 191
Цобель И. (Zobel J. О.) 63 Цыдыпов Ч. Ц. 57
Чебышев П. Л. 66, 116 Чемберлен A. (Chamberlain А.) 91 Чепмен С. (Chapman S.) 46 Черенков А. В. 121 Черенков П. А. 329 Чернышев А. А. 195, 200, 201, 202 Чеффи Дж. (Chaffee J.) 169
Шабельников А. В. 57 Шапошников А. А. 308 Шарыгин Г. С. 57 Шеллер о. (Scheller О.) 219 Шембель Б. К. 127, 128, 250, 251
Шеффер В. (Schaffer W.) 137 Ширекс Г. (Chireix Н.) 92, 93, 138 Широков В. В. 220 Школьников В. С. 94 Шманов П. В. 195, 208, 209 Шокли У. (Shockley W.) 288, 289, 296 Шорин А. Ф. 120, 195 Шоттки В. (Schottki W.) 282, 283, 284, 287, 289, 294
Шоффлер Дж. (Schoeffler J. D.) 65 Шредингер Э. (Schrödinger Е.) 19,
281
Шретер Ф. (Schroter F.) 198 Штейнберг Д. С. 61, 305 Шулейкин М. В. 17, 35, 42, 43, 45, 47, 49, 84, 85, 86, 105, 131 Шульц Э. (Schoultz E. G.) 201 Шухов В. Г. 86, 215
Щеголев Г. Я. 231 Щекин В. П. 222
Щелкунов С. (Schelkunoff S. А.) 100, 108, 109
Щепаник Я. (Sczepanik J.) 188 Щукин А. Н. 38, 48, 49, 50, 121, 146
Эверитт В. (Everitt W. L.) 96, 112 Эдисон Т. (Edison Th. А.) 279 Эдкок Ф. (Adcock F.) 100, 220 Эйлер Л. (Euler L.) 14, 61 Эйнштейн A. (Einstein А.) 29, 30, 282 Эккерслей T. (Eckersley Т.) 36, 85, 123 Элиас Г. (Elias G. J.) 17 Эпплтон Э. (Appleton E.) 17, 41, 43, 44, 45, 48, 245
Эпштейн Дж. (Epstein J.) 99, 199 Эпштейн П. (Epstein P.) 17, 46 Эсаки Л. (Esaki L.) 162, 296 Эспеншид Л. (Espenschied L.) 246 Эссиг С. 206
Юдкевич Ф. С. 17
Юзвинский В. И. 77, 171, 172, 173
Юнг Л. (Young L.) 14, 28, 244, 245, 255
Яги X. (Jagi Н.) 97, 98, 269, 306 Яковлев О. И. 57
Янагисава Т„ (Yanagisawa Т.) 65, 73


ОСНОВНЫЕ
НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 1920—1950-х ГОДОВ
1922 г.— Обнаружение способности кристалла цинкита генерировать колебания высокой частоты* создание «кристадина» (О. Лосев, СССР)
1924 	г.— Первые исследования процессов в магнетронном генераторе (А. Жзчек, Чехословакия)
1924 г.— Разработана антенная система Ширекс—Мэни
1925 г.— Наблюдение высокочастотных колебаний в магнетронном генераторе (А. Хелл, США)
1925 г.— Разработана коротковолновая антенна В. Татаринова
1926—1927 гг.— Появление твердого (купроксного) выпрямителя
1928 г.— Предложен принцип емкостного накопления заряда в телевизионной передающей трубке (Ч. Дженкинс, США)
1929 г.— Разработана приемная телевизионная трубка «кинескоп» (В. Зворыкин, США)
Середина 1920-х гг.— Применение механических систем малострочного телевидения
Середина 1920-х гг.— Применение радиопеленгаторов с антенной типа «Эдкок»
Середина 1920-х гг.— Обнаружение дальнего распространения коротких радиоволн
1920-е гг.— Применение длинноволновых антенн типа Александерсона
1920—30-е гг.— Изучение основных свойств ионосферы
1930 г.— Предложена система мощных ступеней радиовещательных передатчиков в форме генераторных блоков (А. Минц, СССР)
1931 г.— Разработана передающая телевизионная электронная трубка «иконоскоп» (В. Зворыкин, США)
1932 г.— Показана возможность фазовой фокусировки электронных потоков для генерирования СВЧ (Д. Рожанский, СССР)
1933 г.— Обнаружение нелинейного воздействия радиоизлучения на среду распространения радиоволн
1933—1934 гг.— Начало работ по радиолокации в СССР, США, Англии
1934 г.— Предложена идея клистрона (А. Арсеньева, О. Хейль, СССР)
1934 г.— Разработана радиолокационная станция дальнего обнаружения с непрерывным излучением «Рапид» (СССР)
1934. г.— Предложена конструкция миниатюрных (штабельных) ламп СВЧ (Ю. Кацман, А. Шапошников, СССР)
1934 г.— Предложена система мощных ступеней радиовещательных передатчиков в форме модулятор но-генераторных блоков (А. Минц, СССР)
1935 г.— Создание первого многоконтурного магнетронного генератора сантиметровых волн (Н. Алексеев, Д. Маляров, СССР)
1935 г.— Разработка импульсной радиоаппаратуры обнаружения самолетов на метровых волнах (Р. Уотсон-Уатт, Великобритания)
1936 г.— Начало работ по радиолокации в Японии (К. Окабе)
1937 г.— Изобретение прямопролетного усилительного клистрона СВЧ (Р. Ва- риан, С. Вариан, США)
377


1937 	г.— Создание импульсной радиолокационной системы дальнего обнаружения самолетов на метровых волнах «СН» (Великобритания)
1937 г.— Создание первой управляемой приемной антенной решетки «MUSA»
1938 г.— Разработан высокочастотный триод ДЦ-21 с плоскими электродами (Н. Девятков и др., СССР)
1938 	г.— Разработана первая советская импульсная радиолокационная станция (Ю. Кобзарев и др., СССР)
1938 	г.— Начало работ по импульсной радиолокации в США
1938 	г.— Разработана петлевая коротковолновая антенна. Франклина
1938 г.— Разработана система сложения мощности радиопередающих станций в месте приема (И. Невяжский, СССР)
1939 г.— Предложен шлейф-вибратор (А. Пистолькорс, СССР)
1939 	г.— Создание первых советских зенитных радиолокаторов с непрерывным излучением на метровых волнах
1939 	г.— Создание радиолокатора дальнего обнаружения на метровых волнах «Фрейя» (Германия)
1939 г.— Разработана станция орудийной наводки на метровых волнах «Вюрцбург» (Германия)
Начало 1930-х гг — Появление первых передающих телевизионных электронных трубок с двусторонней мишенью (США, СССР)
Начало 1930-х гг.— Применение в радиоприемниках системы автоматической регулировки усиления (АРУ)
Начало 1930-х гг.— Обнаружение «волноводного» распространения радиоволн (А. Щукин, СССР)
Середина 1930-х гг.— Широкое применение супергетеродинного метода радиоприема
Середина 1930-х гг.— Применение первых электронных умножителей (Л. Кубец- кий, СССР)
Середина 1930-х гг.— Появление бортовых радиопеленгаторов, курсовых радиомаяков, радиополукомпасов
Конец 1930-х гг.— Начало исследований передачи с одной боковой полосой частот (ОБП)
Конец 1930-х гг.— Появление фазовых методов радионавигации
1930-е гг.— Предложен метод расчета, усилителя мощности в перенапряженном режиме (А. Берг, СССР)
1930-е гг.— Появление электронных систем телевидения
1930-е гг.— Начало исследований по частотной (4M) и фазовой (ФМ) модуляции
1930—1940-е гг.— Применение усиления модулированных колебаний в радиовещательных передатчиках
1940 г.— Создание импульсных мощных многоконтурных магнетронов сантиметрового диапазона для радиолокации (Д. Рэндол, Г. Бут, Великобритания)
1940 	г.— Разработан отражательный клистрон (Н. Девятков и др., В. Коваленко, СССР)
1940 	г.— Разработана лампа плоскопараллельной конструкции для СВЧ (Н. Девятков и др.. СССР)
1940 г.— Разработана радиолокационная станция дальнего обнаружения на метровых волнах РУ С-2 (СССР)
1941 г.— Предложен способ электронной частотной настройки отражательного клистрона (В Коваленко, СССР)
1941 г.— Предложен основной способ активной фильтрации (В. Юзвинский, СССР)
1942 г.— Первые применения шумовых радиолокационных помех (Великобритания)
1943 г.— Первые применения дипольных радиолокационных помех (Великобритания)
1943 г.— Создана ЛБВ — лампа с бегущей волной (Д. Компфнер, США)
1943 г.— Разработаны триоды СВЧ «маячкового» типа (Германия)
1947 г.— Открытие транзисторного эффекта (Д. Бардин, У. Браттейн, США)


1948 г.— Первая демонстрация работы точечного транзистора (США)
1948 г.— Разработана теория р — я-перехода (У. Шокли, США)
Конец 1940-х гг.— Исследование широкополосных вибраторных антенн 1940-е гг.— Применение технологии печатного монтажа в радиоэлектронной аппаратуре
1940-е гг.— Сложение мощности высокочастотных колебаний посредством мостовых электрических схем
1940-е гг.— Применение автоматических радиокомпасов 1940-е гг.— Применение радионавигационной системы «Декка»
1940-е гг.— Начало исследований радиоволн миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов
1950 г.— Получение монокристаллического германия с р — /г-переходом
1951 г.— Создание плоскостных я — р — я-транзисторов
1952 г.— Разработка теории униполярного полевого транзистора (У. Шокли, США)
1952 г.— Возникновение идеи полупроводниковой интегральной схемы
1952 г.— Предложена очистка полупроводников зонной плавкой (В. Пфанн, США)
1953 г.— Создание первого униполярного (полевого) транзистора
1954 г.— Разработана теория дрейфового транзистора (Г. Кремер)
1954 г.— Создание первой солнечной батареи методом диффузии кремния (К. Фуллер, Д. Пирсон, США).
1955 г.— Создание диффузионного транзистора 1955—1956 гг.— Создание «меза»-транзистора
1957—1958 гг.— Создание первой монолитной интегральной схемы 1955 г.— Разработана планарная технология (Д. Герни, США)
Начало 1950-х гг.— Появление моноимпульсной радиолокационной пеленгации Середина 1950-х гг.— Применение фазоимпульсных радионавигационных систем Конец 1950-х гг.— Широкое применение активных фильтров 1950-е гг.— Массовое применение транзисторной техники в радиоэлектронной аппаратуре
1950-е гг.— Появление фазированных антенных решеток (ФАР)


ОГЛАВЛЕНИЕ
ОТ РЕДКОЛЛЕГИИ 5
ВВЕДЕНИЕ 6
ГЛАВА ПЕРВАЯ
РАЗВИТИЕ ТЕОРИИ ПОЛЯ Ю
Фундаментальные исследования и открытия 10
Специализация в электродинамике 15
Электродинамика сверхвысоких частот 26
Электродинамика движущихся тел 27
ГЛАВА ВТОРАЯ
ЭВОЛЮЦИЯ ЗНАНИЙ В ОБЛАСТИ РАСПРОСТРАНЕНИЯ РАДИОВОЛН 30
Распространение радиоволн в свободном пространстве, над плоской
и сферической Землей 30
Распространение коротких радиоволн в ионосфере 40
Рефракпионно-дифракционные проблемы распространения радиоволн
в земной атмосфере 51
Распространение радиоволн над неоднородной поверхностью, в атмосферных волноводах и в атмосфере со случайными неоднородностями . 53
ГЛАВА ТРЕТЬЯ
РАЗВИТИЕ ИДЕЙ В ОБЛАСТИ ТЕОРИИ ЦЕПЕЙ И ФИЛЬТРОВ ... 61
Предыстория 61
Классический синтез цепей * 63
Активные RC-фильтры 66
Активные фильтры высокого порядка 70
Многоканальные коммутируемые фильтры 77
ГЛАВА ЧЕТВЕРТАЯ
РАЗВИТИЕ АНТЕННО-ФИДЕРНЫХ УСТРОЙСТВ 79
Начало антенной техники 79
Длинноволновые антенны 82
Анти федингов ые антенны и антенны СВ диапазона 89
Антенны КВ диапазона 92
Вибраторные УКВ антенны 97
Развитие теории вибраторных антенн 101
Развитие длинных линий и согласующих устройств 109
ГЛАВА ПЯТАЯ
НЕКОТОРЫЕ ПРОБЛЕМЫ ДАЛЬНЕЙ РАДИОСВЯЗИ И ИХ РЕШЕНИЯ. 118
Период от середины 20-х до середины 30-х годов 119
Период от середины 30-х до середины 40-х годов 120
Период от середины 40-х до середины 50-х годов 122
380


ГЛАВА ШЕСТАЯ
ИСТОРИЯ ЛАМПОВЫХ РАДИОПЕРЕДАТЧИКОВ 125
Задачи радиопередающей техники довоенного периода 125
Стабилизация частоты автогенераторов 127
Инженерный расчет лампового генератора 131
Вопросы устойчивости ВЧ каскадов 134
Развитие амплитудной модуляции в радиовещательных передатчиках 137
Построение колебательных систем оконечных каскадов 143
Передатчики профессиональной радиосвязи 146
Радиопередающие устройства УКВ диапазона 148
Методы построения мощных передатчиков 153
Мостовой метод суммирования мощности ВЧ генераторов 156
ГЛАВА СЕДЬМАЯ
РАЗВИТИЕ МЕТОДОВ РАДИОПРИЕМА 158
Общая характеристика периода 158
Конец 20-х годов 159
30-е годы 164
Стабилизация частоты 170
Микроволновые приемники 174
Переход к транзисторам 175
60-е годы 178
ГЛАВА ВОСЬМАЯ
СТАНОВЛЕНИЕ ТЕЛЕВИДЕНИЯ 185
Ранние проекты фототелеграфов. Физические предпосылки телевидения 185
Формирование основ устройства приемной электронно-лучевой трубки 191
Малострочное механическое телевидение 193
Развитие передающих электронно-лучевых трубок 199
Развитие приемных электронно-лучевых трубок 211
Формирование систем электронного телевидения 212
ГЛАВА ДЕВЯТАЯ
ИСТОРИЯ РАДИОНАВИГАЦИИ 217
Периоды развития радионавигации 217
Становление радионавигации 218
Угловые системы со слуховой индукацией 220
Угловые системы с визуальной индикацией и автоматические радиокомпасы 225
Появление фазовых методов определения координат 230
Импульсные разностно-дальномерные системы 234
Азимутально-дальномерные системы ближней радионавигации . . . 236
Радиотехнические системы посадки самолетов 238
Международные аспекты радионавигации и ее развитие после 1965 г.. . 241
ГЛАВА ДЕСЯТАЯ
ИСТОРИЯ РАДИОЛОКАЦИИ 243
Формирование физических основ радиолокации 243
Техника радиолокации 248
Борьба с радиолокационными средствами во время войны 270
Развитие радиолокации в послевоенное десятилетие 275
381


ГЛАВА ОДИННАДЦАТАЯ
СТАНОВЛЕНИЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВОЙ ЭЛЕКТРОНИКИ .... 278
Ранние исследования полупроводников 278
Полупроводники в устройствах связи 280
Становление теории полупроводников 282
Применение полупроводников в радиоэлектронике 285
Эпоха транзисторизации 288
Вслед за транзистором 295
ГЛАВА ДВЕНАДЦАТАЯ
ИСТОРИЯ ЭЛЕКТРОННЫХ ЛАМП СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ .... 300
Начало исследований по СВЧ 300
Первые открытия. Диоды СВЧ . 302
Магнетронные генераторы СВЧ колебаний 305
Диодный СВЧ генератор. Статический способ управления электронным потоком. Триоды СВЧ 306
Модуляция электронов по скорости. Клистроны 309
Фазовая фокусировка 311
Идея лампы братьев Вариан. Пролетные клистроны 313
Отражательные клистроны 319
Взаимодействие электронов в скрещенных электростатическом и магнитном полях. Резонаторные магнетроны 321
Взаимодействие электронного потока с замедленной бегущей электромагнитной волной. Лампы с бегущей волной 325
ГЛАВА ТРИНАДЦАТАЯ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКА 20—50-х ГОДОВ XX в 333
Довоенный период 333
Период Второй мировой войны 337
Послевоенное десятилетие 339
Тенденции развития радиоэлектроники 20—50-х годов 342
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 345
ЛИТЕРАТУРА 346
ИМЕННОЙ УКАЗАТЕЛЬ 370
ОСНОВНЫЕ НАУЧНО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ДОСТИЖЕНИЯ РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ 1920—1950-х ГОДОВ 377


Научное издание
ФОРМИРОВАНИЕ
РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ
Утверждено к печати Институтом исюрии естествознания и техники АН СССР
Редактор Л.Д. Марков Художник Л.А. Григорян Художественный редактор ММ. Храмцов Технические редакторы Г.П. Каренина, О.В, Аредова Корректор Г.И Длугач
ИБ № 35 372
Подписано к печати 09.06.88. Т — 00154 Формат 60*90 1/16.
Бумага книжно-журнальная, импортная
Гарнитура Литературная (фотонабор) . Печать офсетная Усл.печл. 24,0. Усл.кр.-отт. 24,0. Уч.-изд.л. 30,1 Тираж 3850 экз. Тип. зак. 1249 Цена Зр.ЗОк.
Ордена Трудового Красного Знамени издательство ’’Наука”
117864 ГСП-7, Москва В-485
Профсоюзная ул., д. 90
2-я типография издательства ’’Наука”
121099, Москва, Г-99, Шубинский пер., 6


В ИЗДАТЕЛЬСТВЕ ’НАУКА” ВЫШЛИ ИЗ ПЕЧАТИ:
Симоненко О.Д. Электротехническая наука в первой половине XX века. 12 л. 1 р. 20 к.
В монографии рассмотрена история становления и развития электротехники как технической науки. Прослежен процесс образования комплекса электротехнических дисциплин. Проанализировано пять основных направлений развития исследований в области электротехники — передача энергии на большие расстояния, переходные процессы в электрических системах, электрические машины и трансформаторы, высоковольтное аппаратостроение, электротехнические и электроизоляционные материалы.
Издание рассчитано на научных работников, занимающихся вопросами истории и методологии науки и техники, преподавателей .технических вузов, специалистов в области электротехники.
Эйнштейновский сборник. 1984—1985,20 л. 2 р. 50 к.
Очередной выпуск сборника посвящен истории теории относительности. Большой интерес представляет раздел, связанный с историей восприятия и развития теории относительности в России и в СССР. В этот раздел включено введение из книги А.А. Фридмана и В.К. Фредерикса ’’Основы теории относительности” (1924 г.) , являющейся библиографической редкостью. Впервые на русском языке опубликована основополагающая статья П. Дирака 1928 г. о квантовой теории поля.
Издание рассчитано на физиков и широкий круг читателей, интересующихся историей науки.
Заказы просим направлять по одному из перечисленных адресов магазинов ’’Книга—почтой”;
252030 Киев, ул. Пирогова, 4 197345 Ленинград, Петрозаводская, 7 117192 Москва, Мичуринский пр-т, 12