Радиоэлектроника и сфера ее применения. Конспект занятия и презентация на тему "введение в образовательную программу "радиоэлектроника""

В настоящее время трудно представить область науки и техники, где не использовались бы достижения радиотехники. Уже прочно вошло в быт не только звуковое и телевизионное вещание, но и сотовая телефония, космическая телефония, персональные средства связи, пейджинговая связь, компьютерная радиоэлектроника, управление бытовыми приборами, управление наземными, морскими, воздушными транспортными средствами и др. Идет бурное развитие телеметрических систем, радиолокационных систем наземного, воздушного и космического базирования и систем связи с освоением новых радиочастотных диапазонов. Интенсивно ведутся работы по созданию техники связи в микроволновом диапазоне частот.

С развитием цифровой техники актуальность использования радиотехнических и радиоэлектронных устройств и систем не только не уменьшается, а увеличивается. К таким системам можно отнести системы цифрового звукового и телевизионного вещания. Уже сейчас решаются вопросы по массовому внедрению цифрового телевизионного вещания. Развитие высоких технологий привело к возникновению микро- и наноэлектронной базы.

Достаточно отметить, что современное воздушное судно имеет на своем борту более сотни различных радиоэлектронных средств навигации, локации, сопровождения и обеспечения связи на протяжении всего времени полета. Существующие спутниковые системы обеспечивают навигацию и сопровождение не только межконтинентальных лайнеров, но даже индивидуальных транспортных средств, личных автомобилей и самолетов. Возможность использования последних достижений радиотехники стало доступно и рядовым индивидуальным потребителям.

Особую роль в развитии радиотехники и радиоэлектроники в настоящее время играет технология и изготовление узлов и деталей. Современные беспроводные системы связи представлены широким ассортиментом поставляемых на рынок изделий. С ростом сложности радиоэлектронных систем возрастает и потребность в их обслуживании, управлении, не ухудшая их технических характеристик. С этой задачей может справиться только автоматизированная система управления и контроля, разработанная на базе микроконтроллеров и микропроцессоров. Для обеспечения гибкости проектирования и изготовления современные системы проектирования используют приемы программной схемотехники, т.е. на уровне отладки программного продукта. С изменением требований технических характеристик и сервиса обслуживания достаточно лишь ввести или «прошить» новую программу работы контроллера радиоэлектронной системы.

В настоящее время идет бурное развитие новых информационных технологий передачи данных, так называемая беспроводная технология bluetooth. Данная технология позволяет создать локальную компьютерную сеть в радиусе 20…100 метров, обеспечивающая работу целого комплекса устройств: компьютер, мобильный телефон, принтер, различную бытовую технику т.д. Используемый диапазон рабочих частот в настоящее время определен 2,4-2,4835 ГГц. Такая технология беспроводной связи позволяет управлять различными устройствами, как на основе компьютера, так и без его использования. Практически все устройства уже обладают определенными узлами обработки, преобразования и передачи информации.

Рис. 1.38 Области применения беспроводной технологии передачи данных bluetooth

Основным элементом, обеспечивающим беспроводную связь, являются адаптеры Bluetooth, подключаемые к USB-порту компьютера.

Рис. 1.39 Адаптер Bluetooth

Рис. 1.40 Способы подключения оборудования по технологии Bluetooth

Рис. 1.41 Гарнитура, обеспечивающая работу устройств по технологии Bluetooth

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

Рис. 1.42 Изображение поверхности планеты Венера, переданное с посадочного модуля советской межпланетной станции Венера-13 (1 марта 1982 год)

Рис. 1.43 Изображение поверхности планеты Марс, переданное с американского марсохода Opportunity (2004 год)

С усложнением электромагнитной обстановки возникают задачи разработки способов и средств обеспечения защиты радиотехнических систем от случайных и искусственных помех.
Наряду с этим одновременно разрабатываются также методы и техника создания помех радиолокационным станциям, системам сопровождения и наведения и различного рода радиовзрывателей, а также системы перехвата несанкционированных источников радиоизлучения.

Именно высококвалифицированный специалист в области радиотехники, радиоэлектроники и высоких информационных технологий передачи, приема и обработки информации определяет уровень развития общества в целом. Как распорядиться всеми достижениями разума и каково последствие научно-технического прогресса зависит только от тебя - радиоинженера будущего.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

Государственное образовательное учреждение

Высшего профессионального образования

«Пензенский государственный университет»

________________________________________________________________

П. Г. Андреев, И. Ю. Наумова

Основы проектирования электронных средств

Учебное пособие

Издательство

Пензенского государственного

университета

УДК 621.396.6.001.2

Р е ц е н з е н т ы:

кафедра «Информационные технологии и системы»

ГОУВПО «Пензенская государственная технологическая академия»

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

В. Г. Недорезов

А65 Андреев, П. Г.

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

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

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

УДК 621.396.6.001.2

© Андреев П. Г., Наумова И. Ю., 2009

© Издательство Пензенского

государственного университета, 2009

Введение

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

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

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

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

Изложенное можно представить рисунком 1.

Рисунок 1 – Предмет, задачи и цель изучения дисциплины

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

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

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

Раздел 1 Общие вопросы проектирования ЭС

Глава 1 Основные понятия и определения

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

Определение ЭС

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 2 – Кибернетическая модель ЭС «черный ящик»

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

, (1.1)

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

Процесс проектирования

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

Что такое проектирование? Это:

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

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

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

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

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

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

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

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

Рисунок 3 – Цель проектирования

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

Рисунок 4 – Подходы к проектированию

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

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

Основные направления исторического развития ЭС

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

Проектирование РЭС началось одновременно с развитием радиотехники .

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

Рисунок 5 – Приемник А. С. Попова:

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

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

Рисунок 6 – Первые электронные лампы с сеткой Ли де Фореста

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

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

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

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

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

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

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

Опыт конструирования основывался на традициях телеграфной и электротехнической аппаратуры.

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

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

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

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

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

Рисунок 7 – РЭА в полевых условиях

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

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

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

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

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

Рисунок 8 – Печатная плата со сборками из микромодулей этажерочного типа

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

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

Рисунок 9 – Печатная плата с микросхемами

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

Рисунок 10 – Функциональный узел

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

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

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

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

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

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

Области применения радиоэлектроники

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

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

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

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

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

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

Аппаратура требует высокой точности.

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

Аппаратура должна обеспечивать точность и достоверность работы в условиях помех.

Радиоуправление – управление с помощью радиосигналов различными объектами и процессами.

Аппаратура должна обеспечить простоту, точность и скрытность управления.

Радиолокация и радиоуправление могут быть частными случаями радионавигации.

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

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

Радиоастрономия – получение информации о космических объектах.

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

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

Аппаратура должна обеспечивать точность и своевременность получения метеоданных.

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

Геологоразведка – разведка с помощью радиосредств месторождений полезных ископаемых.

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Похожая информация.

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

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

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

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

Основные этапы развития радиоэлектроники

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

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

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

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

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

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

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

Значение радиоэлектроники в жизни современного человека

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

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

Лекции 2_Основы электроники

Электроника

Электроника - это отрасль науки и техники, связанная с исследованиями, разработкой, изготовлением и применением электронных, ионных и полупроводниковых устройств.

Электронные устройства – устройства, принцип действия которых основан на движении электронов как носителей электрического заряда. К ним относятся электронные лампы, электронно-лучевые трубки; кинескопы, дисплеи и др.

Ионные устройства – устройства, принцип действия которых основан на взаимодействии электронов с ионизированным газом. К ним относятся тиратроны, игнитроны, ионные разрядники, газоразрядные стабилитроны.

Полупроводниковые устройства – устройства, принцип действия которых основан на движении электрических зарядов в твёрдом теле полупроводников.Основными классами полупроводниковых устройств являются диоды, транзисторы, тиристоры, интегральные микросхемы, фотоэлектронные и оптоэлектронные приборы.

Области применения электроники

1. Электросеть.

2. Радиоэлектронная аппаратура.

3. Вычислительная техника.

4. Промышленная электроника.

Электросеть охватывает следующие направления техники: радиосвязь, радиовещание, телевидение, звуковое вещание, автоматическую электросвязь, многоканальную электросвязь, радиорелейную, космическую, волоконно-оптическую и сотовую связи.

Крадиоэлектронной аппаратуре относят: радиоприемники, телевизоры, магнитофоны, радиолы, магнитолы, музыкальные центры, устройства бытовой автоматики, электронные часы, электронные игрушки и др.

Вычислительная техника связана с разработкой и применением электронно-вычислительных машин, на основе которых создаются автоматизированные системы управления, системы автоматизированного проектирования, автоматизированные систем научных исследований, информационные, обучающие и др.

Промышленная электроника включает электротехническое и энергетическое оборудование, устройства электропитания, станки с числовым программным управлением, аппаратуру автоматики, телеуправления, телеметрии, радиолокации и радионавигации, измерительную аппаратуру, лазерную технику, ядерную электронику, медицинскую аппаратуру, биологическую электронику и др.

Использование электронных приборов в обработке сигналов

В зависимости отфизической природы сигналов на входах и выходах электронных устройств различают четыре вида приборов-преобразователей сигналов:

электропреобразовательные (электрический – электрический);

электросветовые (электрический - световой);

фотоэлектрические (световой – электрический);

термоэлектрические (тепловой – электрический).

В зависимости отформы сигналов, которые обрабатываются в устройствах, различают аналоговые, импульсные, цифровые устройства и их комбинации.

Сигнал (в теории информации и связи) - материальный носитель информации, используемый для передачи сообщений в системе связи.

Аналоговый сигнал - сигнал изменяющийся непрерывно во времени и принимающий любые значения на некотором интервале.

Цифровой сигнал – сигнал в виде последовательности нулей и единиц (т.е. в двоичной системе счисления).

Импульс - сигнал в виде кратковременный всплеска определённом, конечном временном промежутке. Различают видеоимпульсы - единичные колебания какой-либо формы и радиоимпульсы - всплески высокочастотных колебаний. Видеоимпульсы бывают однополярные (отклонение только в одну сторону от нулевого потенциала) и двухполярные.

Основными типами аналоговых устройств являются: автогенераторы гармонических колебаний и релаксационные генераторы, микрофоны, умножители (делители) и преобразователи частоты, модуляторы, демодуляторы (модемы), детекторы, усилители.

К импульсным устройствам относят функциональные узлы, предназначенные для формирования импульсных сигналов, изменения их параметров и выполнения над сигналами таких операций преобразования, как интегрирование, дифференцирование, задержки по времени, изменение формы, длительности и др.

Функциональные узлы, предназначенные для выполнения различных операций над объектами информации в виде цифровых сигналов, относят к цифровым устройствам.

Электроника базируется в основном на использовании полупроводниковых приборов: диодов, транзисторов, и интегральных микросхем (ИМС).

Основным понятием электроники является понятие электрон .

Электро́н (от др.-греч. ἤλεκτρον - янтарь) - стабильная элементарная частица, одна из основных структурных единиц вещества. Из электронов состоят электронные оболочки атомов.

Число и положение атомов определяют все химические свойства веществ.

Движение свободных электронов обусловливает такие явления, как электрический ток в проводниках и вакууме.

Заряд электрона составляет 1.60217646 × 10-19 Кулона

Масса электрона равна 9,11∙10-31 кг

Размер электрона до сих поp не поддается измеpению. Известно лишь, что pадиус электpона заведомо меньше 10 –16 см. Размер ядра намного больше, порядка 10 –4 ÷ 10 –5 Å = 10 –12 ÷ 10 –13 см .

Длина свободного пробега электрона - д ля обычных молекулярных газов в нормальных условиях (при атмосферном давлении и 20°С) ~ 10 -5 см

А́нгстрем (Å) (в русском языке произносится а́нгстрэм , по-шведски о́нгстрём ) - единица измерения длины, равная 10 −10 м (1Å = 0,1 нм = 100 пм; 10000Å = 1 мкм). Популярна в оптике, схемотехнике, атомной физике и астрономии. Названа в честь шведского физика и астронома Андерса Йонаса Ангстрема, который ввёл её в 1868 году. Ангстрем прижился в языке физиков, так как 10 −10 м - это приблизительный размер атома водорода. Примерно таким же является шаг атомной решётки. В результате вместо множества нулей можно оперировать обычными дробями. Диаметр атома водорода уже не 0,000000000158 м, а просто 8/5 Å.

Ангстрем часто называют внесистемной единицей. Тем не менее, она определяется через единицы системы СИ.

Длина свободного пробега (точнее - средняя длина свободного пробега, `l ), средняя длина пути, проходимого частицей между двумя последовательными соударениями с др. частицами. Понятием Длина свободного пробега широко пользуются при расчетах различных процессов переноса, например вязкости, теплопроводности, диффузии, электропроводности и др.

Согласно кинетической теории газов, молекулы от столкновения до столкновения движутся равномерно и прямолинейно. Если за 1 сек молекула проходит в среднем путь v , испытывая при этом n упругих соударений с такими же молекулами, то

где n - число молекул в единице объема (плотность газа), s - эффективное поперечное сечение молекулы. С повышением плотности газа (его давления) Длина свободного пробега уменьшается, т.к. растет число столкновений n в 1 сек . Повышение температуры (интенсивности движения молекул) приводит к некоторому уменьшению s и, следовательно, к росту `l . Для обычных молекулярных газов в нормальных условиях (при атмосферном давлении и 20°С) `l ~ 10 -5 см , что примерно в 100 раз больше среднего расстояния между молекулами.
К частицам, движение и взаимодействие которых подчиняется законам квантовой механики , понятие Длина свободного пробега в ряде случаев также применимо (например, электроны проводимости в твердом теле, нейтроны в слабо поглощающих средах, фотоны в звездах), но расчет Длина свободного пробега для таких частиц более сложен.

Электрон и атом

А́том (др.-греч. ἄτομος - неделимый ) - наименьшая неделимая часть химического элемента, являющаяся носителем его свойств. . Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и незаряженных нейтронов, а окружающее его облако состоит из отрицательно заряженных электронов. Если число протонов в ядре совпадает с числом электронов, то атом в целом оказывается электрически нейтральным. В противном случае он обладает некоторым положительным или отрицательным зарядом и называется ионом. Атомы классифицируются по количеству протонов и нейтронов в ядре: количество протонов определяет принадлежность атома некоторому химическому элементу, а число нейтронов - изотопу этого элемента.

Атомы различного вида в разных количествах, связанные межатомными связями, образуют молекулы.

Современная модель атома исходит из того, что ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов и окружено отрицательно заряженными электронами.

Представления квантовой механики позволяют считать, что электроны движутся вокруг ядра по неопределённым траекториям (неопределённость координаты электрона в атоме может быть сравнима с размерами самого атома).

Электронам, как и другим частицам, свойственен корпускулярно-волновой дуализм. Электронное облако изолированного атома не изменяет своей формы с течением времени относительно ядра. Говорят, что электрон движется по орбитали. На самом же деле это состояние описывают волновой функцией, модуль квадрата которой характеризует плотность вероятности нахождения частицы в данной точке пространства в данный момент времени. Существует дискретный набор таких орбиталей , и электроны могут находиться длительное время только в этих состояниях.

ОРБИТАЛИ - атомные и молекулярные волновые функции электрона, который находится в поле одного или нескольких атомных ядер, а также усредненном поле всех остальных электронов этого атома.

Представления об орбиталях лежат в основе важнейшего метода квантово-химического расчета свойств атомов и молекул.

Каждой орбитали соответствует свой уровень энергии. Электрон может перейти на уровень с большей энергией, поглотив фотон. При этом он окажется в новом квантовом состоянии с большей энергией. Аналогично, он может перейти на уровень с меньшей энергией, излучив фотон. Энергия фотона при этом будет равна разности энергий электрона на этих уровнях (см.: постулаты Бора).

Электроны в атоме притягиваются к ядру, между электронами также действует кулоновское взаимодействие. Эти же силы удерживают электроны внутри потенциального барьера, окружающего ядро. Поэтому электрон обладает потенциальной энергией, которая обратно пропорциональна его расстоянию от ядра.

Для того, чтобы электрон смог преодолеть притяжение ядра, ему необходимо получить энергию от внешнего источника. Чем ближе электрон находится к ядру, тем больше энергии для этого необходимо.

Эта энергия обычно измеряется в электронвольтах (эВ) и равна энергии, которую надо передать электрону, чтобы сделать его свободным (оторвать от атома).

Электро́нво́льт (сокращённо эВ или eV ) - внесистемная единица энергии, используемая в атомной и ядерной физике. Один электронвольт равен энергии, которая необходима для переноса электрона в электростатическом поле между точками с разницей потенциалов в 1 В. Так как работа при переносе заряда q равна qU (где U - разность потенциалов), а заряд электрона составляет −1,602 176 487(40)×10 −19 Кл, то

1 эВ = 1,602 176 487(40)×10 −19 Дж = 1,602 176 487(40)×10 −12 эрг .

Согласно квантовомеханической модели атома связанный электрон может занимать только дискретный набор разрешённых энергетических уровней - состояний с определённой энергией. Наинизшее из разрешённых энергетических состояний называется основным , а все остальные - возбуждёнными.

Для перехода электрона с одного энергетического уровня на другой нужно передать ему или отнять у него энергию. Это происходит путём соответственно поглощения или испускания фотона, причём энергия этого фотона равна абсолютной величине разности энергий начального и конечного уровней электрона.

Уровень Ферми

Энергия Ферми E F - максимальное значение энергии, которое может иметь электрон при температуре абсолютного нуля.

Абсолю́тный нуль температу́ры - это минимальный предел температуры, которую может иметь физическое тело. Абсолютный ноль служит началом отсчёта абсолютной температурной шкалы, например, шкалы Кельвина. В 1954 X-я Генеральная конференция по мерам и весам установила термодинамическую температурную шкалу с одной реперной точкой - тройной точкой воды, температура которой принята 273,16 К (точно), что соответствует 0,01 °С, так что по шкале Цельсия абсолютному нулю соответствует температура −273,15 C .

В рамках применимости термодинамики абсолютный ноль на практике недостижим. Его существование и положение на температурной шкале следует из экстраполяции наблюдаемых физических явлений, при этом такая экстраполяция показывает, что при абсолютном нуле энергия теплового движения молекул и атомов вещества должна быть равна нулю, то есть хаотическое движение частиц прекращается, и они образуют упорядоченную структуру, занимая чёткое положение в узлах кристаллической решётки (жидкий гелий составляет исключение). Однако, с точки зрения квантовой физики при абсолютном нуле температуры существуют нулевые колебания, которые обусловлены квантовыми свойствами частиц и физического вакуума, их окружающего .

Уровень Ферми - некоторый условный уровень, соответствующий энергии Ферми системы электронов твердого тела.

Все энергетические состояния электрона, находящиеся ниже уровня Ферми заняты, а выше - свободны.

Физический смысл уровня Ферми: вероятность попадания частицы на уровень Ферми составляет 0,5 при любых температурах.

Например, для Ag он составляет 5,5 эВ,

Положение уровня Ферми является одной из основных характеристик состояния электронов (электронного газа) в твердом теле.

Электронный газ - теоретическая модель, описывающая поведение электронов проводимости (свободных) в электронных проводниках. В модели электронного газа пренебрегают кулоновским взаимодействием между электронами.

Для электронного газа в металлах при Т = 0 величина энергии Ферми однозначно определяется концентрацией электронов в единице объема.

Зонная теория твёрдого тела - квантовомеханическая теория движения электронов в твёрдом теле.

В соответствии с квантовой механикой свободные электроны могут иметь любую энергию - их энергетический спектр непрерывен. Электроны, принадлежащие изолированным атомам, имеют определённые дискретные значения энергии . В твёрдом теле энергетический спектр электронов состоит из отдельных разрешённых энергетических зон , разделённых зонами запрещённых энергий.

Энергия электрона в отдельный атоме

Согласно постулатам Бора в изолированном атоме энергия электрона может принимать строго дискретные значения (также говорят, что электрон находится на одной из орбиталей).

Энергия электрона в молекуле

В случае нескольких атомов , объединенных химической связью (например, в молекуле), электронные орбитали расщепляются в количестве, пропорциональном количеству атомов, образуя так называемые молекулярные орбитали.

Энергия электрона в некотором объеме вещества (кристалле)

При дальнейшем увеличении системы до макроскопического кристалла (количество атомов более 10 20), количество орбиталей становится очень велико, а разница энергий электронов, находящихся на соседних орбиталях, соответственно очень маленькой, энергетические уровни расщепляются до двух практически непрерывных дискретных наборов - энергетических зон.

Наивысшая из разрешённых энергетических зон, в которой при температуре 0 К все энергетические состояния заняты электронами, называется валентной, следующая за ней - зоной проводимости.

Промежуточное положение между валентной зоной и зоной проводимости занимает запрещенная зона .

В различных веществах, а также в различных формах одного и того же вещества, энергетические зоны располагаются по-разному. По взаимному расположению этих зон вещества делят на три большие группы:

· проводники - зона проводимости и валентная зона перекрываются, образуя одну зону, называемую зоной проводимости, таким образом, электрон может свободно перемещаться между ними, получив любую допустимо малую энергию. Таким образом, при приложении к твердому телу разности потенциалов, электроны смогут свободно двигаться из точки с меньшим потенциалом в точку с большим , образуя электрический ток. К проводникам относят все металлы.

· диэлектрики - зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет более 3.5 эВ. Таким образом, для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется значительная энергия, поэтому диэлектрики ток практически не проводят.

· полупроводники - зоны не перекрываются и расстояние между ними составляет менее 3.5 эВ. Для того, чтобы перевести электрон из валентной зоны в зону проводимости требуется энергия меньшая, чем для диэлектрика, поэтому чистые (собственные, нелегированные) полупроводники слабо пропускают ток.

В полупроводниках при очень низких температурах уровень Ферми лежит посередине между зоной проводимости и валентной зоны.

(Для донорных полупроводников - полупроводников n -типа проводимости - уровень Ферми лежит посередине между дном зоны проводимости и донорным уровнем). С повышением температуры вероятность заполнения донорных состояний уменьшается, и уровень Ферми перемещается вниз. При высоких температурах полупроводник по свойствам близок к собственному, и уровень Ферми устремляется к середине запрещенной зоны. Аналогичные закономерности проявляются и полупроводниках р -типа проводимости.

Зонная теория является основой современной теории твёрдых тел. Она позволила понять природу и объяснить важнейшие свойства металлов, полупроводников и диэлектриков. Величина запрещённой зоны между зонами валентности и проводимости является ключевой величиной в зонной теории, она определяет оптические и электрические свойства материала.

Поскольку одним из основных механизмов передачи электрону энергии является тепловой, то проводимость полупроводников очень сильно зависит от температуры. Также, проводимость можно увеличить, создав разрешенный энергетический уровень в запрещенной зоне, путем легирования. Таким образом создаются все полупроводниковые приборы: солнечные элементы (преобразователи света в электричество), диоды, транзисторы, твердотельные лазеры и другие.

Лекция №1

1.Введение. Предмет и основные понятия радиоэлектроники.

2.Основные принципы передачи и приема информации.

Введение. Предмет и основные понятия радиоэлектроники.

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

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

К числу радиотехнических систем относятся:

Системы звукового и телевизионного радиовещания;

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

Системы подвижной радиосвязи с помощью наземных средств - сотовая,

профессиональная (транкинговая), пейджинговая и беспроводная связь;

Системы связи с воздушными, подвижными наземными объектами,

морскими надводными и подводными судами и другие виды радиосвязи;

Системы радиоуправления, биотелеметрии и радиотелеметрического

контроля разнообразных объектов;

Радиотехнические системы комплексов радиолокационной, противовоздушной и противоракетной обороны;

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

Мультимедийные и прочие системы.

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

радиотехника, медицинская радиотехника и пр.

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

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

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

электрически соединенных элементов.

Основные принципы передачи и приема информации.

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

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

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

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

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

б) размещения большого количества станций в эфире.

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

Р ис. Временные диаграммы к процессу амплитудной модуляции:

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

Для несущей зависимость напряжения от времени определяется выражением

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

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

связаны между собой соотношением

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

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

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

Рис. Упрощенная структурная схема канала аналоговой системы радиосвязи

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

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

Упрощенная структурная схема радиоканала цифровой системы связи

Рис. Траектории распространения волн при разных углах падения

Рис. Скачковое метровые электромагнитные колебания, распространение волн пространственными лучами

Рис. Распространение метровых волн