К 110-Й ГОДОВЩИНЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ РАДИО

Вклад отчественных ученых в развитие радиоэлектроники и создание современной теории связи

М. А. Быховский

А. С. Попов

Г. Маркони

В 1993 г. 28-я Генеральная конференция ЮНЕСКО приняла резолюцию «Празднование 100-летия радио», в которой было сказано: «…в 1995 г. исполняется 100 лет со дня создания практической системы передачи и приема сигналов с помощью электромагнитных волн… Это важное открытие в развитии радио благодаря усилиям ряда ученых и инженеров, которые заложили основу современной радиотехники и наиболее популярных средств массовой коммуникации, следует рассматривать как общее наследие человечества». Таким образом, 1895 г. считается началом наступления на нашей планете эры радио. Она связана с именами двух людей -нашего знаменитого соотечественника А. С. Попова и итальянского инженера, Нобелевского лауреата Г. Маркони.

Правительство СССР еще в 1945 г. приняло постановление, в соответствии с которым в знак признания выдающегося значения работ А. С. Попова, продемонстрировавшего 7 мая 1895 г. изобретенный им приемник радиосигналов и обнародовавшего свои результаты, этот день был объявлен в нашей стране ежегодным праздником — Днем радио. Возникшая в связи с этим изобретением радиотехника поначалу развивалась как средство беспроводной телеграфной связи, позже были созданы системы для передачи сигналов телефонии, возникло звуковое, а затем телевизионное вещание.

Изобретение радио оказало глубочайшее влияние на нашу цивилизацию. Все XX столетие шло формирование информационного общества. Создание его предвидел еще в начале 20-х годов прошлого века наш знаменитый соотечественник академик В. И. Вернадский, разработавший концепцию становления на Земле ноосферы — сферы разума. В этом обществе каждому человеку будет обеспечена возможность свободного доступа к всевозможным базам данных, содержащим информацию научного характера, произведения литературы, музыки, живописи, справочную информацию из разных сфер жизни, сведения политического характера, касающиеся мировой политики, управления государством, регионом, городом и т.п. В создании такого общества ключевую роль играет развитие радиотехники и электросвязи.

Следует отметить, что отечественные ученые и инженеры, начиная с пионерских работ А. С. Попова, выполнили ряд важнейших научных исследований и разработок. Полученные ими результаты внесли весомый вклад в развитие многих направлений радиотехники и электросвязи и были признаны во всем мире.

Упомянем некоторые из таких работ и отметим ряд выдающихся отечественных ученых и инженеров, работы которых заметно повлияли на развитие радиотехники и электроники не только в нашей стране, но и в мире.

На начальном этапе в разработку систем радиосвязи и создания радиопромышленности в нашей стране внесли большой вклад пионеры отечественной радиотехники: академики АН СССР М. В. Шулейкин, Л. И. Мандельштам, Н. Д. Папалекси, А. И. Берг, Ю. Б. Кобзарев, А. Л. Минц, члены-корреспонденты АН СССР М. А. Бонч-Бруевич, В. П. Вологдин и Д.А. Рожанский, профессор И. Г. Фрейман и ряд других ученых.

     

Слева направо: М. В. Шулейкин, Л. И. Мандельштам, А. И. Берг, А. Л. Минц

М.В. Шулейкин, А. Л. Минц, И. Г. Фрейман и его ученик А. И. Берг заложили современные основы расчета ламповых усилителей и генераторов. Первые учебники по радиотехнике в нашей стране, в которых на строгой научной основе излагался широкий круг вопросов, связанных с расчетами усилителей и генераторов высокочастотных колебаний, антенных устройств и потерь при распространении радиоволн, были созданы М. В. Шулейкиным и И.Г. Фрейманом.

Важный вклад в исследования физических основ распространения коротких волн в ионосфере внесли М. В. Шулейкин, М.А. Бонч-Бруевич и Д.А. Рожанский. М. В. Шулейкин, Л. И. Мандельштам и Н.Д. Папалекси разработаны основы теории распространения радиоволн вдоль земной поверхности. Эта теория была использована для создания методов проектирования линий связи. На основе машинных генераторов высокой частоты, сконструированных В. П. Вологдиным, был построен ряд мощных длинноволновых радиостанций. Позднее под его руководством работал специальный исследовательский институт, в котором такие генераторы использовались для закалки стали.

М. А. Бонч-Бруевич

У истоков создания в нашей стране в 30-е годы XX в. радиолокационных систем стояли Ю. Б. Кобзарев, М. А. Бонч-Бруевич и Д.А. Рожанский.

В первой половине XX в. академик А. Л. Минц — ученик академика М. В. Шулейкина, создал самые мощные в мире вещательные радиостанции. По его проектам сверхмощные станции звукового вещания были построены в 30-е годы в США и Англии. Под руководством ученого после Великой Отечественной войны в СССР создавались самые мощные в мире ускорители заряженных частиц, а также супермощные радиолокационные системы, предназначенные для дальнего обнаружения баллистических ракет.

Значительный вклад внесли отечественные ученые в развитие радиоприемной техники. В 30-е годы прошлого столетия член-корреспондент АН СССР В. И. Сифоров выполнил исследования всех основных звеньев супергетеродинного приемника: усилителей высокой и промежуточной частоты, устройств автоматической регулировки усиления и частотной настройки приемников, детекторов и смесителей частоты. Он также разработал теорию стабилизации частоты генераторов. В конце 40-х годов XX в. В.И. Сифоров провел ряд актуальных исследований активных шумящих четырехполюсников, которые давали возможность при проектировании приемников СВЧ оптимизировать их шумовые параметры.

Академик А. Н. Щукин еще в 1923 г. предложил новый метод передачи информации в коротковолновых каналах с помощью многопозиционного кодирования, названный двухканальной частотной телеграфией. Соответствующая аппаратура, созданная в 1946 г. инженером И. Ф. Агаповым, многие годы применялась на отечественных линиях коротковолновой связи. Им же был предложен весьма эффективный метод подавления импульсных помех, существенно снижавших помехоустойчивость приема сигналов (метод «широкая полоса-ограничитель-узкая полоса»). Он позволял существенно повысить помехоустойчивость приема сигналов, ограничивая уровень импульсных помех в широкополосном тракте приема и осуществляя затем узкополосную фильтрацию полезного сигнала. А. Н. Щукин создал метод расчета коротковолновых линий связи, и, кроме того, он и независимо от него академик В. А. Котельников впервые исследовали замирания сигналов на KB линиях связи с использованием аппарата теории вероятностей.

Важные исследования искажений сигналов с частотной модуляцией при их прохождении через линейные тракты выполнил профессор СВ. Бородич. Результаты этих научных исследований широко применялись при проектировании многоканальных радиорелейных и спутниковых систем связи с частотным уплотнением и частотной модуляцией, созданных в нашей стране. Он принимал активное участие в стандартизации таких систем в исследовательских комиссиях Международного союза электросвязи (МСЭ).

Важнейшее значение для развития радиотехники, освоения новых диапазонов частот и создания методов расчета радиолиний имели исследования весьма сложных научных проблем распространения радиоволн. Отечественные ученые внесли в их решение весомый вклад.

Б.А. Введенский

Академик Б. А. Введенский, ученик академика М. В. Шулейки-на, является основоположником изучения вопросов распространения метровых и более коротких радиоволн. Он выполнил пионерские экспериментальные и теоретические исследования в этой области. В своих фундаментальных теоретических работах академик В. А. Фок предложил строгое решение задачи дифракции радиоволн вокруг земной поверхности с учетом их рефракции в атмосфере.

На основе этих теоретических результатов ученые НИИРадио профессор А. И. Калинин и доктор физико-математических наук В. Н. Троицкий создали широко применяющиеся сегодня инженерные методы проектирования радиорелейных линий связи как прямой видимости, так и использующих механизм рассеяния радиоволн в тропосфере.

Глубокие исследования проблем распространения радиоволн в ионосфере выполнил лауреат Нобелевской премии академик В. Л. Гинзбург. Академик  Е. Л. Фейнберг установил важные закономерности распространения радиоволн вдоль поверхности Земли на смешанных трассах, включающих сухопутные и водные участки.

Полученные отечественными учеными результаты широко применяются как при расчетах линий радиосвязи и вещания, так и при проектировании радиолокационных и радионавигационных систем.

Ведущие позиции в мире занимает отечественная школа антенной техники. Членом-корреспондентом АН СССР А. А. Писто-лькорсом, профессорами Г. З. Айзенбергом, И. Г. Кляцкиным, М. С. Нейманом, В. В. Татариновым и другими отечественными учеными были созданы методы расчета антенно-фидерных устройств, работающих в разных диапазонах частот. Выполнены оригинальные разработки эффективных антенн для радиосвязи и вещания, фазированных антенных решеток для радиолокационной техники, разработаны уникальные антенны для радиоастрономических наблюдений и т.д.

Совершенствование электронных приборов являлось ключевым моментом в развитии радиотехники. Первая революция в этой области совершилась в 1907 г., когда знаменитый американский инженер Ли де Форест изобрел триод — электронную лампу с тремя электродами, которая стала основным элементом усилителей сигналов и генераторов гармонических колебаний. Вторая революция произошла в 1947 г., когда трое американских ученых — сотрудников лаборатории Белла Ульям Шокли, Джон Бардин и Уолтер Браттейн создали полупроводниковый кристаллический усилитель — транзистор, устройство, эквивалентное электронной лампе, однако более надежное, потребляющее гораздо меньше энергии и имеющее существенно меньшие габариты. За изобретение полупроводникового триода они были удостоены Нобелевской премии.

С.А. Векшинский

Н.Д. Девятков

В.П. Шмаков

Н.Г. Басов

A.M. Прохоров

Отечественные ученые внесли значительный вклад в развитие как электронных ламп, так и полупроводниковых приборов. В 1919 г. М.А. Бонч-Бруевич впервые в мире создал мощный генераторный триод, в котором применен медный анод, охлаждаемый водой. В 1923 г. им же в Нижегородской радиолаборатории была создана генераторная лампа с внешним охлаждением водой и рекордной для тех лет мощностью — 25 кВт. Первые разборные генераторные лампы мощностью 250 кВт создавались А. Л. Минцем, Н. И. Огановым и А.А. Басалаевым в 1954 г., а в 1956 г. под руководством А. Л. Минца был сконструирован генераторный триод с непрерывной откачкой, имевший фантастическую мощность — 500 кВт.

Оригинальные конструкции электронных приборов для диапазонов метровых, дециметровых и сантиметровых волн, необходимых для создания систем телевизионного вещания, радиорелейных линий связи, радиолокации и др., были разработаны под руководством академика Н. Д. Девяткова коллективом отечественных ученых.

Наши ученые выполнили ряд работ, в результате которых были изобретены и усовершенствованы многие электронные приборы дециметрового и сантиметрового диапазонов: магнетрон, созданный Н. Ф. Алексеевым и Д.Е. Маляровым под руководством М. А. Бонч-Бруевича в 1937 г.; клистрон, теоретические и экспериментальные исследования которого были выполнены Н. Д. Девятковым и В.И. Калининым; ламп бегущей и обратной волны, фундаментальные теоретические исследования которых были выполнены членом-корреспондентом АН СССР Л. А. Вайнштейном.

Академик С. А. Векшинский, профессора Л. А. Кубецкой и П.В. Тимофеев создали новые конструкции и технологию производства важного класса электронных приборов — фотоумножителей.

Отечественные ученые и инженеры активно работали над созданием электронного телевидения, впервые предложенного в 1907 г. профессором петербургского Технологического института Б. Л. Розингом. В 1930 г. была создана электронная передающая трубка с мозаичным фотокатодом и переносом зарядов, причем независимо друг от друга тремя учеными: В. К. Зворыкиным (учеником Б. Л. Розинга, эмигрировавшим во время революции в США), А. П. Константиновым и СИ. Катаевым.

В 1933 г. В.П. Шмаков и П.В. Тимофеев изобрели трубку с переносом изображения, а в 1938 г. Г.В. Брауде предложил передающую телевизионную трубку с двухсторонней мишенью. В. П. Шмаков и В.И. Архангельский организовали в мае 1931 г. в Москве первые передачи телевидения с механической разверткой. Профессор  В. П. Шмаков был всемирно известным ученым в области ТВ. Под его руководством в 1949 г. была начата разработка объемного телевидения, а в следующем году создана двухканальная стереоскопическая телевизионная установка. Такие системы нашли применение в медицине, для стыковки космических кораблей и др.

Пионерскую роль в развитии полупроводниковых приборов сыграли работы О. В. Лосева, выполненные в 20-е годы XX в. в Нижегородской лаборатории и получившие всемирное признание. Большое значение для развития техники полупроводниковых приборов имели теоретические и экспериментальные работы академиков А. Ф. Иоффе, Я. И. Френкеля и других отечественных ученых.

В начале 50-х годов прошлого века академики Н. Г. Басов и A.M. Прохоров разработали основные принципы усиления и генерации электромагнитного излучения квантовыми системами. В результате были созданы принципиально новые малошумящие квантовые усилители и генераторы радиодиапазона — мазеры. За эти работы им и американскому ученому Ч. Таунсу была присуждена в 1964 г. Нобелевская премия по физике. В 1963 г. под руководством Н. Г. Басова были выполнены работы, приведшие к созданию первых полупроводниковых генераторов оптического диапазона с оптическим возбуждением — лазеров. На основе лазеров с электронным возбуждением в Физическом институте АН СССР в 1964 г. была создана установка проекционного телевидения и адресный коммутатор.

Академик Ю. В. Гуляев создал новые научные направления в области радиоэлектроники: акустоэлектроника, акустооптика, спин-волновая электроника. Он впервые в мире предсказал так называемый радиоэлектрический эффект — возникновение постоянной ЭДС в полупроводниках при прохождении электромагнитной волны, что позволило создать сверхчувствительные приемники инфракрасного и миллиметрового излучения. Он же предложил «акустоинжекционный транзистор» — первый из серии новых полупроводниковых приборов с акустическим переносом заряда, изучены вопросы СВЧ модуляции лазеров в высокоскоростных волоконно-оптических линиях связи (ВОЛС), рассмотрены общие принципы построения различных ВОЛС и их элементов, создано новое направление в физике и технике твердого тела -спин-волновая электроника и разработаны уникальные высокодобротные фильтры для СВЧ-генераторов с плавной перестройкой частоты. Им же был предложен ряд микроэлектронных вакуумных СВЧ-приборов с распределенным взаимодействием на основе матриц полевых эмиттеров. Академиками  Ж. И. Алферовым, Г. Г. Девятых, В. А. Котельниковым, A. M. Прохоровым и Ю.В. Гуляевым, а также рядом ученых и инженеров были выполнены исследования и организованы работы по внедрению волоконно-оптической связи в нашей стране.

Научные заслуги Ю. В. Гуляева отмечены присуждением ему в 1979 г. международной Хьюлетт-Паккардовской премии Европей-ского физического общества, премии им. Б. П. Константинова РАН и Государственных премий СССР и РФ. За вклад в развитие радиотехники, электроники и связи он был награжден Золотой медалью им. А. С. Попова.

Академик Ж. И. Алферов выполнил пионерские исследования в области физики и техники полупроводников, которые легли в основу создания первых отечественных транзисторов, фотодиодов, мощных германиевых выпрямителей, лазеров на основе двойных гетероструктур и другой электронной техники. За эти работы в 2000 г. ему была присуждена Нобелевская премия. Научные заслуги Ж. И. Алферова отмечены многими международными и отечественными наградами: премией Балантайна института Франклина; Хьюллет-Паккардовской премией Европейского физического общества; медалью X. Велькера; премией РАН им. А.Ф. Иоффе и им. А. П. Карпинского; (1996); общенациональной неправительственной Демидовской премией; Ленинской и Государственной премиями.

Теория нелинейных колебаний является важным инструментом исследования разных радиофизических проблем. Выдающаяся роль отечественных ученых в ее развитии общепризнанна. Как самостоятельная научная дисциплина она была сформирована в конце 20-х годов XX в. академиками Л. И. Мандельштамом и Н.Д. Папалекси. Вклад в эту теорию внесли академики А. А. Андронов и Н.Н. Боголюбов, а также профессора С. Э. Хайкин, А. А. Витт, Н. М. Крылов, которые существенно развили предложенный знаменитым голландским ученым Б. ван дер Полем метод медленно меняющихся амплитуд и применили его для решения актуальных радиофизических задач, связанных с проблемами синхронизации, параметрических колебаний и многих других.

Отечественные ученые заложили основы теории связи, которая в значительной степени определила бурное развитие в XX в. цифровых систем телекоммуникаций и обработки данных и тот поразительный общий прогресс в развитии электросвязи, который мы наблюдаем сегодня. Фундаментальные идеи данной теории, выдвинутые крупнейшими учеными прошлого века академиком В. А. Котельниковым и Клодом Шенноном, в значительной степени определили этот прогресс. Установленные ими законы передачи, приема и обработки информации по своему значению находятся в одном ряду с важнейшими законами физики, открытыми Ньютоном и Эйнштейном.

Академиком В. А. Котельниковым в 1933 г. была доказана знаменитая теорема отсчетов, а в 1947 г. создана теория потенциальной помехоустойчивости. Они являются базовыми положениями современной теории связи. В. А. Котельников был также руководителем работ по созданию в ИРЭ планетарного радиолокатора, на котором получены фундаментальные, имеющие мировое значение научные результаты в области радиоастрономии.

Теория потенциальной помехоустойчивости давала возможность синтеза оптимальных устройств для обработки любых сигналов в присутствии помех. Она имела два раздела — теория приема дискретных и аналоговых сигналов.

Первый раздел получил значительное развитие в работах многих крупных отечественных ученых, в том числе профессоров Л. М. Финка, B. C. Мельникова, Д. Д. Кловского, Н. Т. Хворостенко. Теория оптимального приема аналоговых сигналов была развита в работах профессоров И. Г. Большакова, В. Г. Репина, Р. Л. Страто-новича, В. И. Тихонова и их учеников. Эти работы получили признание за рубежом.

За выдающиеся достижения в области радиофизики, радиотехники, электроники и радиолокационной астрономии В. А. Котельников был удостоен многих научных наград. Институт инженеров по электротехнике и электронике (IEEE) наградил его в 1973 г. медалью им. Хернанда и Созенеса Бен. Президиум АН СССР в 1974 г. присудил В. А. Котельникову Золотую медаль им. А. С. Попова, в 1981 г. — Золотую медаль им. М.В. Ломоносова, а в 1987 г. — Золотую медаль им. М.В. Келдыша. В 1999 г. ему присуждается престижная международная награда фонда Эдуарда Рейна (Германия), а в 2000 г. он был удостоен Золотой медали им. Александра Грэхема Белла, а также почетной награды IEEE -медали 2000-летия.

Основоположником теории информации является знаменитый американский ученый Клод Шеннон. Созданная им теория информации дает ключ к решению двух основных проблем теории связи: кодирования источников информации (устранение избыточности источника сообщений) и кодирования каналов связи (кодирование сообщений, передаваемых по каналу связи с шумами с целью повышения помехоустойчивости их приема).

Решение первой проблемы позволяет устранить избыточность из сообщения, подлежащего передаче, и достичь высокой эффективности использования канала связи. Решение второй проблемы позволяет при заданном отношении сигнал/шум в месте приема, определяющем пропускную способность канала связи, передать по нему сообщения со сколь угодно высокой достоверностью. Для этого нужно использовать помехоустойчивые коды и передавать информацию по каналу связи со скоростью меньшей, чем его пропускная способность. В оригинальных работах К. Шеннона была доказана принципиальная возможность решения указанных проблем. Развитию теории информации посвящены работы очень многих крупных ученых как в нашей стране, так и за рубежом.

Начало отечественным исследованиям в этой области было положено академиком А. Н. Колмогоровым и членом-корреспондентом АН СССР А. И. Хинчиным, которые выполнили важнейшие работы по строгому математическому обоснованию данной теории.

А.Н. Колмогоров выдвинул ряд новых подходов к решению проблем теории информации. Для их разработки по инициативе академика А. А. Харкевича в 1961 г. был создан Институт проблем передачи информации. В нем отечественными учеными профессорами Р. Л. Добрушиным, М. С. Пинскером, Б. С. Цыбаковым, Э. Л. Блохом, В. В. Зябловым и другими были получены основополагающие результаты, касающиеся как кодирования каналов связи, так и источников информации. Отечественная школа теории информации имеет мировое признание.

Важнейшим разделом теории связи является теория линейной фильтрации. Первую основополагающую работу, заложившую основы этой теории, опубликовал в 1939 г. академик А. Н. Колмогоров. Во время Второй мировой войны подобная же теория независимо от А.Н. Колмогорова была разработана крупным американским математиком Н. Винером. В основу теории Винера-Колмогорова легла спектральная теория случайных процессов, развитая членом-корреспондентом АН СССР А. Я. Хинчиным, установившего, что корреляционная функция случайного процесса и его энергетический спектр мощности связаны преобразованием Фурье.

В годы Второй мировой войны в связи с бурными темпами развития радиолокационной техники, широко применявшейся в военных операциях, началось становление еще одного раздела теории связи-статистической радиотехники. Одной из важнейших в те годы являлась проблема максимального увеличения чувствительности локационных приемников, работающих в условиях действия случайных шумов. В нашей стране серьезные результаты в этой области были получены профессорами В. И. Бунимо-вичем, Р. Л. Стратоновичем, В. И. Тихоновым, Б. Р. Левиным, академиком B. C. Пугачевым и членом-корреспондентом АН СССР СМ. Рытовым. Это направление независимо развивалось и в США, где над ним интенсивно работали такие выдающиеся ученые, как Н. Винер, Дж.Г. Ван Флек, Д. Миддлтон, С. О. Райс.

Следует отметить, что в последние десятилетия XX в. мир вступил в новую фазу развития техники радиосвязи и вещания. Все большую роль стала играть международная кооперация в создании разного рода радиотехнических систем. Стандарты на такие системы разрабатываются в МСЭ, Европейском институте стандартизации и ряде других международных организаций. Выпущенное по этим стандартам оборудование получает широкое распространение во многих странах мира, за счет этого снижается его цена, и современные услуги связи становятся доступными значительной части живущих на Земле людей. Одним из ярких примеров этого может служить сотовая связь, услугами которой сегодня пользуются 1,5 млрд. людей. Только в нашей стране всего за 10 лет развития сотовой связи число абонентов возросло на 80 млн. чел.

Отечественные специалисты активно участвуют в международной стандартизации оборудования электросвязи и играют в этих работах важную роль. Признанием ее является, в частности, то, что председателями и вице-председателями многих исследовательских комиссий МСЭ избраны отечественные специалисты. Профессор  М. И. Кривошеев, возглавлявший много лет одну из исследовательских комиссий МСЭ, является признанным основоположником международной стандартизации современных цифровых систем телевидения. В настоящее время на высоком выборном посту директора сектора радиосвязи МСЭ работает бывший заместитель министра связи РФ В. В. Тимофеев.

Артур Кларк, утверждавший, что любая, достаточно далеко ушедшая технология неотличима от чуда, был абсолютно прав. Системы радиосвязи и вещания, радиолокации и навигации, многие другие применения радиотехнологий в различных сферах человеческой деятельности прочно вошли в быт и коренным образом изменили жизнь людей. Изобретение радио принесло человечеству удивительно щедрые плоды, а имена А. С. Попова и Г. Маркони по праву заняли почетное место в книге его славы.

   

Слева направо: Ю. В. Гуляев, Ж. И. Алферов, В. А. Котельников

Ближайшее будущее сулит дальнейшее бурное развитие радиоэлектроники и электросвязи. Эти области техники играют ключевую роль в создании на Земле информационного общества — общества, которое должно обеспечить всем людям на Земле счастье и процветание.

Статья опубликована в журнале «Электросвязь»
Перепечатывается с разрешения редакции.
Статья помещена в музей 27.12.2006