Мы привыкли ассоциировать своё время (больше конечно из-за недостатка иного опыта — да и действительно, кто его знает, как они там жили, предки? :-) ) со временем высоких достижений — одним из которых является высокоскоростная радиосвязь, например, стандартов wi-fi, 5g — нам по незнанию может показаться, что «вот, дескать, наука развилась как: до каких скоростей мы добрались!».
Однако, глядя на наш энтузиазм, думается, что наверняка, некоторые из продвинутых предков посмотрели бы на всё это с кривой ухмылкой — мол, «ну-ну, продолжайте в том же духе, и, может быть, доберётесь и до нашего уровня…» :-D
Скажем, как вам понравится тот факт, что уже в 1970-е годы любители могли с лёгкостью передавать высококачественный аудио или видео сигнал — на сотни километров, с помощью весьма простого устройства, на частотах в 10 ГГц?! :-)
Но, до начала рассказа, давайте совсем кратенько повторим некоторые факты, которые могут быть важны для нашего рассмотрения…
Например, некоторые наблюдательные люди, которые не сильно понимают в радиосигнале (больше из-за отсутствия необходимости до этого момента вникать), обращали, наверное, внимание, что, по какой-то «неведомой причине» современные каналы, позволяющие передавать большое количество информации отличаются высокой частотой — мегагерцы, гигагерцы?...
Если отбросить сложные рассуждения, то суть заключается в том, что чем выше частота — тем больше колебаний можно передать в единицу времени (что логично).
В чём физический смысл относительно большого количества колебаний, если иметь в виду, скажем, передачу цифрового сигнала? Наверное, вы уже догадались: просто-напросто, прочих равных, с помощью относительно высокой частоты колебаний можно передать в единицу времени относительно большое количество нулей и единиц!
Правда, у этого есть и своя цена: чем выше частота колебаний, тем короче длина волны и тем хуже сигнал огибает складки местности — то есть, относительно высокая частота требует, в идеале, прямой видимости…
В википедии есть очень интересная статья «Горизонт» — из которой мы можем узнать (там есть и формулы и уже рассчитанная таблица), что, с высоты человеческого роста, например, составляющего 1,73 м — дальность видимого горизонта будет составлять приблизительно 4,7 км (дальше начинается закругление поверхности) — и это, ещё не учитывая складки местности, то есть самый простой вариант, предполагающий, что Земля представляет собой идеальный шар — без гор, холмов, деревьев и т.д:
Из таблицы на картинке выше мы можем узнать, что дальность видимого горизонта существенно увеличивается, в зависимости от того, насколько поднимается точка зрения над поверхностью земли.
Таким образом, мы можем сделать вывод, что, в общем случае, для передачи высокочастотного сигнала на большое расстояние — нужно либо поднимать приёмники/передатчики на относительно большую высоту (или использовать другие ухищрения).
А теперь, перейдём несколько ближе к самой сути нашего вопроса… в 1963 году Джон Ганн, английский физик, проводя эксперименты с прикладыванием электрического потенциала к арсениду галлия (GaAs) и фосфиду индия (InP) обнаружил, что если на произвольно ориентированные кристаллы из этих веществ нанести электрические контакты, к которым подсоединить источник тока, то, при определённой пороговой величине напряжённости электрического поля (примерно 3 Кв для GaAs и примерно 6 Кв для InP)* — наблюдается самопроизвольно импульсное протекание электрического тока через эти кристаллы, где импульсы идут с большой частотой (лежащей в области СВЧ).
*Интересно то, что высокая напряженность электрического поля не подразумевает обязательного подведения, собственно, относительно высокого напряжения — высокая напряженность поля возникает из-за очень малого расстояния между контактами: скажем, известно, что в экспериментах Ганна, длина кристалла составляла всего 0,02…0,2 мм:
Таким образом, на практике, возможно использование низковольтных источников питания, например 5…12 В* для наблюдения подобного эффекта.
*Несмотря на довольно упорные поиски, найти сколь-нибудь обобщённую информацию, относительно диапазона питающих напряжений, в которых наблюдается данный эффект мне найти не удалось, поэтому, здесь привёл диапазон напряжений, который наблюдал в целом ряде конкретных устройств, увиденных в сети; так что, в теоретических целях, вопрос выяснения порогов диапазона остаётся открытым…
Кроме того, было выявлено, что период волны равен времени пролёта электронов через кристалл от катода к аноду, а в самом кристалле наблюдается интересный эффект, названный «область сильного электрического поля» (см. 7 стр книги: Левинштейн М.Е, Пожела Ю.К., Шур М.С — «Эффект Ганна») которая возникнув у катода — начинает дрейфовать в сторону анода, со скоростью примерно 107 см/с и исчезает у анода, после чего, через определённый промежуток времени процесс повторяется. Длина области составляет приблизительно 1/10…1/30 от длины кристалла.
При этом, также было обнаружено, что, когда эта область сформирована и начинает дрейф — ток падает, а после исчезновения этой области у анода и начале формирования новой области — ток снова возрастает до максимума.
На основе открытого эффекта было создано полупроводниковое устройство, получившее название «диод Ганна» (я сам так думаю, что больше из-за исторической инертности — т.е. его так назвали по инерции, из-за наличия легированной области и двух контактов) — однако, такое название не должно вводить в заблуждение: диод Ганна не подразумевает выпрямление электрического тока, и, в отличие от классических диодов, может проводить ток в обоих направлениях, а его основным назначением является генерация колебаний.
Несмотря на отсутствие возможности выпрямлять ток, его несомненная ценность, однако, лежит в совершенно иной плоскости — он является, пожалуй, самым простым в истории твердотельным генератором высокочастотных колебаний — от гигагерц до терагерц!
Причём, заметьте, что даже без каких-либо сложных электронных схем: просто такова его физическая природа!
Понятно, что такое значительное изобретение никак не могло пройти мимо производителей и, затем, энтузиастов — с некоторым лагом по времени (вероятно, объясняющимся продолжающимися исследованиями и созданием конкретных устройств), и уже в 1970-х годах начался выпуск готовых устройств, включающих в себя, как приёмо/передающую антенну, так и необходимую электронику, где само устройство получалось доступным даже для самостоятельного повторения и мир захлестнула волна статей в различных именитых изданиях, описывающих в деталях, что это за новое устройство и как работает — одну из таких статей можно найти вот здесь, где описывается конструкция для осуществления связи на частоте в 10 ГГц.
Как можно видеть в статье по ссылке, система обеспечивала полнодуплексную связь (т.е. можно было слушать и говорить одновременно) — это было реализовано через передачу на немного разных частотах — скажем, одна клиентская «станция» работала на частоте 10350 МГц, а другая — на 10380 МГц.
Частоту можно было в некоторых пределах менять, используя конденсатор переменной ёмкости — варикап (который, в частности, мы рассматривали вот тут).
Но, самое интересное, на мой взгляд, было не в этом — а в аппаратной части и как была реализована одновременная передача сигнала и его приём: ведь получается, что рядом расположен чувствительный приёмник и тут же мощный передатчик, причём, работают они через одну и ту же приёмо/передающую антенну! Притом, одновременно, не выключаясь, полнодуплексно, в одно и то же время!
Как сделать так, чтобы принять слабый сигнал абонента издалека и не заглушить его, при этом, в тоже самое время, через ту же самую антенну — передавая мощный сигнал ему же?!
Это не цифровой сигнал, с попеременным переключением на высокой частоте в режим приёма или передачи, а полноценная одновременная работа через одну антенну! ;-)
Скажу, что для меня это была довольно удивительная вещь, когда я узнал о ней впервые — вряд ли она будет таковой же и для профессиональных радиоинженеров, но, тем не менее, остальным, думаю, будет интересно: ключевым во всей этой истории был «циркулятор» (не уверен, что совсем правильно назвал) — то есть «закручиватель» электромагнитных волновых колебаний: на картинке ниже можно видеть схему типового устройства антенны gunnplexer-а, на которой можно наблюдать такую неприметную вещь как ферритовый стержень, вставленный в волновод (т.е. прямоугольный участок трубы):
Смысл этого устройства заключался в том, что оно изменяло* фазу электромагнитных колебаний таким образом, чтобы на приёмник, подключенный к смесительному диоду Шоттки поступал только слабый сигнал, пришедший от клиента, в то время как мощный сигнал, от расположенного рядом передатчика на базе диода Ганна — почти полностью блокировался.
*Честно скажу, что теория, на мой взгляд, довольно сложна и, это то, как понял я сам. Если кто-то захочет углубиться в принцип действия этого устройства, может поизучать источники глубже, например вот тут или тут.
В целом, на мой взгляд, довольно интересное устройство, можно даже для себя подумать, где подобные системы можно применять ещё, взяв такое решение на вооружение… ;-)
Получается, как бы своеобразный автоматический переключатель непрерывного действия…
Ну и, как видим, на самом диоде Ганна и на конденсаторе переменной ёмкости стоит по дросселю, которые блокируют выход этих высокочастотных колебаний наружу, через сети питания (насколько я понимаю, в бытовых микроволновках для приготовления пищи это устроено точно так же или очень похоже).
Также, из интересного, взглянув на статью выше, ссылку на которую я приводил, мы можем узнать, что существовала проблема уплывания частоты диода Ганна в зависимости от температуры — например, в рассмотренном в той статье устройстве величина уплывания составляла 350 кГц на 1°C — с этой проблемой справлялись таким образом, что клиентское оборудование постоянно следило за частотой и при её изменении (т.е. от передающей станции начинаем получать всё более меняющуюся частоту) — схемы приёмного устройства изменяют напряжение на конденсаторе переменной ёмкости (варикапе), соответственно, наш диод Ганна начинает генерировать немного другую частоту, малая часть которой просачивается до смесительного диода Шоттки, который смешивает нашу частоту и принимаемую частоту, а на выходе которого происходит урезание частоты с гигагерц до мегагерц.
Ещё из интересного, что мы там же можем узнать — как осуществлялась связь на такие большие расстояния (в той статье — сотни километров): похоже, что использовался подъём антенны на большие высоты (что то вроде холмов), хотя это в явном виде и не говорится, но по всей логике получается так, потому что по-другому похоже что и никак :-) — по крайней мере, там же отмечается, что осуществление связи на большие расстояния является также довольно большим вызовом, для чего приходится использовать компас и карту — чтобы проложить для микроволнового луча путь, минуя явные преграды…
Любопытно, что такая, на первый взгляд, старая технология, и в наши дни (условно) используется вполне себе по назначению — для передачи информации! Только теперь уже, не для сугубо голосовой или видео — а интернета, и кое-кто, даже выкладывает подробные мануалы, как и что он делал и что получилось — по ссылке есть подробное описание о построении такой системы, правда уже 2004 года, но, всё равно «несколько более новое», чем системы 1970-х годов…:-)
Желающие ещё больше узнать на эту тему, могут посмотреть вот здесь историю развития этих устройств, со схемотехникой на каждом шаге; также в сети есть подробнейшая книга-мануал по работе с gunnplexer-ами, с которой можно ознакомиться (вся инфа в одном месте так сказать, рекомендую): «The Gunnplexer Cookbook» — By Bob Richardson W4UCH.
В наши дни аналогичную конструкцию излучателя имеет полицейский радар для измерения скорости машин, и ниже можно видеть видео с объяснением принципа его действия (ролики ниже удобно смотреть в известном браузере, с синхронным голосовым переводом):
И даже в ниши дни кое кто увлекается подобным, в частности, передачей любительского видеосигнала:
Многие отмечают, что даже такой передатчик может быть опасен для зрения, т.к. используются микроволны и поэтому, смотреть в раструб категорически нельзя. Я так понимаю, это потому, что хрусталик глаза не имеет кровеносных сосудов, поэтому плохо охлаждается и быстро перегревается (если не ошибаюсь, такое читал когда то)!
Размещайте облачную инфраструктуру и масштабируйте сервисы с надежным облачным провайдером Beget.
Эксклюзивно для читателей Хабра мы даем бонус 10% при первом пополнении.
