Генрих Кардашев - Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником

• Название: Радиоэлектроника-с компьютером и паяльником
• Автор: Генрих Кардашев
• Издательство: «Горячая линия-Телеком»
• Жанр: Радиотехника
• Год: 2007
• ISBN: 5-93517-327-1

Книга является практическим введением в изучение начал радиоэлектроники с помощью компьютера и самостоятельного технического творчества. В популярной форме рассказывается о радиоэлектронике, поясняется смысл используемых понятий и явлений, приводятся занимательные эпизоды из истории изобретений и открытий. Основу практической части составляют описания простейших и в тоже время интересных и полезных самоделок из электронных наборов Мастер КИТ. Даются подробные советы по их сборке, наладке и применению в быту. Параллельно принципы действия рассматриваемых устройств раскрываются путем моделирования их схем на компьютере в простой программе игрового типа — Electronics Workbench.

Для широкого круга читателей, которые хотели бы подружиться с радиоэлектроникой, сев за компьютер и взяв в руки паяльник.

---

Такое устройство называют в СВЧ-технике четвертьволновым дросселем, возможно, по аналогии с дроссельной заслонкой в автомобиле, а не дроссельной катушкой, хотя, если перейти от распределенных систем к цепям с сосредоточенными параметрами, то это типичный фильтр-пробка, настроенный на рабочую частоту печи. Внутренняя поверхность дверцы закрывается пластмассовой накладкой, так что о наличии дросселя можно судить лишь по толщине кромки дверцы. Поскольку рабочая частота составляет 2,45 ГГц, то, разделив на нее скорость света в воздухе, получим длину волны λ = 12,2 см и (λ/4) ~= 3 см. Со стороны печи металлическая поверхность изолируется слоем эмали.

Таким образом, зазор в дросселе составляет примерно 0,1 мм и так как он теоретически находится в минимуме электромагнитных колебаний, то не должен излучать энергию во внешнее пространство. Надо лишь аккуратно обращаться с дверцей, следить за плотностью ее закрытия по всему периметру, чистотой, отсутствием царапин и сколов краски.

Теория теорией, а практика — практикой. Доверяй ей (теории), но всегда проверяй ее (практикой). «Береженого, Бог бережет», поэтому надо все же контролировать уровень возможных утечек электромагнитного поля.

Рупором в небо

Для начала борьбы с воображаемым противником надо дать оценки его характера и способностей. То, что мы живем и существуем благодаря электромагнитным полям и их взаимодействиям с живой и не живой природой, давно стало аксиомой мироздания. Поэтому остановимся лишь на некоторых моментах, оттеняющих рассматриваемую проблему.

Начнем издалека. В 1964 году американские астрофизики А. Пензиас и Р. Вильсон, проводя работы по исследованию внеземных радиоисточников, направили рупорную антенну на объект, с относительно сильным (по радиоастрономическим меркам) радиоизлучением, называемый «Кассиопея А». Поскольку радиоастрономические сигналы в принципе очень малы, то исследователи работали на максимально возможном уровне их усиления, при этом, как всегда, основной проблемой явилась борьба с разного рода шумами, на фоне которых надо было выделить полезный сигнал. В тот раз ученые предприняли все мыслимые попытки избавиться от сильного фона, сопровождавшего сигнал: закрыли все клепаные соединения и даже тщательно очистили антенну (пардон!) от птичьего помета… Какой-то посторонний фон оставался сильным. Тогда ученые стали исследовать именно это фоновое излучение. Оказалось, что оно соответствует температуре 3 К, т. е. чуть-чуть превышающей абсолютный нуль. Это подтверждало гипотезу, выдвинутую еще в 1948 году американским ученым-физиком русского происхождения Г. Гамовым, о том, что Вселенная после «Большого Взрыва» расширяется, охлаждаясь уже 18 млрд. лет.

Космический фон в виде радиоизлучения, соответствующий температуре 3 К, лежит в коротковолновой области СВЧ-диапазона: это миллиметровые волны или КВЧ (Крайне Высокие Частоты). Возможно, что Жизнь на Земле зародилась не только благодаря видимой (оптической) части электромагнитного спектра — свету Солнца, но и этому естественному фону, названному «реликтовым излучением».

По иронии судьбы, в 1978 году, А. Пензиас и Р. Вильсон разделили половину Нобелевской премии по физике «за открытие космического микроволнового фонового излучения». Однако, они разделили ее не между собой, а с П. Л. Капицей, которого наградили за его ранние «фундаментальные изобретения и открытия в области низких температур», а отнюдь не в области электроники СВЧ, которой он занимался в последние десятилетия, предшествовавшие вручению премии.

Космическое радиоизлучение, принимаемое на поверхности Земли, вообще говоря, заполняет весь диапазон радиоволн от 1 мм (в горах до 0,5 мм) до десятков метров.

Более длинноволновая часть его отражается от ионосферы. Напротив, более коротковолновая часть поглощается в атмосфере, за исключением оптического окна, как бы специально предназначенного природой для реакций фотосинтеза, происходящих в клетках растений: максимум излучения Солнца приходится именно на длину волны 0,5 мкм (зеленый цвет), соответствующую максимуму в спектре поглощения молекулами хлорофилла.

Здесь уместно отметить, что все остальные жизненные процессы сопровождаются расходованием химической энергии и ее рассеянием в виде тепла. Жизнь на Земле остановилась бы, если бы прекратился фотосинтез. Другая особенность фотосинтеза — это образование кислорода, а его роль в нашей жизни вряд ли кто оспорит. Вот так природа согласовала излучение и прием электромагнитных волн, а человек этому еще только начал учиться.

Максимальная интенсивность солнечного излучения, падающего отвесно на 1 м2 земной поверхности, на широте экватора в полдень составляет примерно 1 кВт. О том, что приносит нам Вселенная в радиодиапазоне, можно судить по используемым в радиоастрономии единицам измерений. Принятой здесь единицей является «1 Янский», равный 10-26 Вт/(м Гц), и чтобы собрать излучение такого уровня, строят антенны площадью в тысячи квадратных метров и применяют весьма специфические методы обработки радиосигналов. Правда, бывают и исключения.

Собственно, вообще наличие радиошумов внеземного происхождения было обнаружено еще в 1931 г. инженером американской компании Белл-телефон Карлом Янским (Karl Jansky) при изучении помех дальней радиосвязи. В 1932 году, так же, как позже по всему миру повторяли радиосигналы первого искусственного спутника, запущенного в СССР, открытые К. Янским «звуки Галактики» транслировались по всем Соединенным Штатам. Так было ознаменовано зарождение радиоастрономии. В честь К. Янского, впервые принявшего космическое радиоизлучение, и была названа единица его уровня. В отечественной научно-технической литературе встречается также фонетическое написание его фамилии: Джанский.

Иногда радиоизлучение Солнца бывает столь мощным, что вызывает сильные магнитные бури, приводящие, в том числе, и к сбоям работы радиосистем, что и послужило причиной их случайного открытия. С 1941 г. в Великобритании уже действовала сеть радиолокационных станций (система ПВО, основанная на отечественных радиолокационных станциях РУС-2, защищала с начала войны Москву). Фашистская авиация регулярно делала налеты на Лондон, и раннее обнаружение самолетов было для англичан вопросом жизни и смерти. Система ПВО работала исправно, но в феврале 1942 г. ряд радиолокаторов был буквально «ослеплен» мощными сигналами неведомой радиостанции, и Лондон подвергся жестокой бомбардировке. Разразился скандал, и стали искать эту вражескую станцию, но ни в Германии, ни в других странах Европы ее не обнаружили: этой таинственной станцией оказалось Солнце…

Греет, но не светит

В отличие от радиоастрономии наш источник расположен не в необъятных просторах Вселенной, а непосредственно под боком, и его загадки на кухонном уровне нам хорошо известны, но хотелось бы избежать неприятных сюрпризов.

С позиций современной науки искусственно созданное электромагнитное поле относится к «энергетическому неаккумулирующемуся антропогенному загрязнению» окружающей среды. Человек «наизобретал» таких «загрязнителей» очень много и уже, буквально, жить без них не может, как растения без света. Однако «все хорошо в меру», много «грязи» допускать нельзя: чистая, и даже очень жизнеутверждающая в морально-психологическом отношении, музыкальная симфония, воспринятая высокоорганизованным существом в ближнем поле передающей радиоантенны отнюдь не как звуки рояля, увы, по своим физиологическим последствиям может оказаться и роковой…

Не переходя к дискуссии по поводу возможных специфических (не тепловых) действий ЭМП, особенно актуализированной населением в последние годы в связи с «революцией мобильников» (кстати, работающих в СВЧ-диапазоне), пойдем по формальному пути.

Сейчас существуют, по крайней мере, два стандарта на безопасный санитарно-гигиенический (или экологический) уровень плотности излучения ЭМП. Американский стандарт ANSI предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см2, а применительно к микроволновым печам 1 мВт/см2 на расстоянии 5 см от печи. Европейский же (в том числе и российский) стандарт регламентирует уровень в 10 мкВт/см2 = 0,01 мВт/см2, но на расстоянии 0,5 м от источника излучения. Однако если предположить, что уровень излучения в воздухе убывает по закону обратных квадратов, то эти стандарты близки друг к другу.

В практике ремонта СВЧ-печей для этих целей рекомендованы специальные измерители плотности потока электромагнитной энергии ПЭ-9Р или ПЗ-9Г, а при их отсутствии следующее нехитрое устройство, грубая модель которого показана на рис. 137.

Рис. 137. Модель детектора «утечек» из СВЧ-печи в EWB