|
|
Большая Советская Энциклопедия (цитаты)
|
|
|
|
|
Сверхвысоких частот техника | Сверхвысоких частот техника (далее С) техника СВЧ, область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 300 Мгц до 300 Ггц. Эти границы условны: в некоторых случаях нижней границей диапазона СВЧ считают 30 Мгц, а верхней — 3 Тгц. По типу решаемых задач и связанных с ними областям применения устройства и системы С (излучающие, передающие, приемные, измерительные и др.) можно подразделить на информационные, относящиеся к радиосвязи, телевидению, радиолокации, радионавигации, радиоуправлению, технической диагностике, вычислительной технике и т. д., и энергетические, применяемые в промышленной технологии, бытовых приборах, в медицинском, биологическом и оборудовании, при передаче энергии и т. д. Устройства и системы С используются как мощный инструмент во многих научных исследованиях, проводимых в радиоспектроскопии, физике твердого тела, ядерной физике, радиоастрономии и др. Весьма широкий диапазон СВЧ условно разбивают на отдельные участки, чаще всего определяемые длиной волны l, — участки метровых (l = 10—1 м), дециметровых (100—10 см), сантиметровых (10—1 см), миллиметровых (10—1 мм) и децимиллиметровых (или субмиллиметровых) (1—0,1 мм) волн. (Длина волны связана с частотой f соотношением l = clf, где с — скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.)
Теория электромагнитного поля СВЧ основывается на общих законах электродинамики, в соответствии с которыми составляющие электромагнитного поля (векторы электрического и полей Е и н), зависящие от координат и времени, и характеристики источников, порождающих это поле (плотность заряда и плотность полного тока), связаны между собой системой Лоренца — Максвелла уравнений. Вводя понятие волнового сопротивления среды r = Е/Н, можно перейти к т. н. телеграфным уравнениям, которые устанавливают связь между напряжениями и токами в СВЧ устройствах (зависящими от координат и времени), с одной стороны, и электрическими параметрами устройств — с другой.
Общие свойства и особенности устройств С Устройствам С (особенно на длинах волн 30 см — 3 мм.) присущи характерные свойства, которые отличают их от устройств, применяемых в других, примыкающих к ним участках электромагнитного спектра. К числу таких свойств относятся: соизмеримость (как правило) длины волны с линейными размерами устройств и их элементов, соизмеримость времени пролета электронов в электронных приборах с периодом СВЧ колебаний, относительно слабое поглощение волн в ионосфере и сильное (на определенных частотах) поглощение их в приповерхностном слое Земли, высокий коэффициент отражения от металлических поверхностей, возможность концентрации СВЧ энергии в узком луче, способность энергетического взаимодействия с веществом (молекулами и большая информационная емкость диапазона СВЧ и т. д.
Цепи, элементы и электронные приборы С В диапазоне СВЧ пассивные цепи (не содержащие источников энергии) и входящие в них элементы представлены главным образом т. н. линиями передачи и их отрезками в виде различных радиоволноводов (двухпроводных и коаксиальных — на метровых и дециметровых волнах; коаксиальных, полых и полосковых — на сантиметровых волнах; полых, диэлектрических и квазиоптических — на миллиметровых и субмиллиметровых волнах), посредством которых электромагнитная энергия направленно передается к приемнику с целью последующего выделения в нем сигналов полезной информации либо энергии СВЧ. Обычно линия имеет длину, соизмеримую с длиной волны или большую, чем она; время распространения волны в линии соизмеримо с периодом СВЧ колебаний или превышает его. В отличие от электрических цепей (применяемых частично на метровых, но чаще на более длинных волнах), в которых индуктивность сосредоточена в катушке, емкость — в конденсаторе, активное сопротивление — в резисторе и которые называются цепями с сосредоточенными постоянными, емкость, индуктивность и активное сопротивление в линии передачи можно представить распределенными вдоль всего проводника; поэтому линии относят к т. н. цепям с распределенными параметрами. Электрические процессы, протекающие в такого рода цепях, требуют изучения не только во времени, но и в пространстве.
Когда к линии с одной стороны подключен генератор переменной эдс, а с другой — нагрузка, вдоль линии (от генератора к нагрузке) движется т. н. бегущая волна, переносящая энергию. Режим чисто бегущих волн наблюдается в линии только в том случае, если она нагружена на сопротивление, равное ее волновому сопротивлению r; входное сопротивление такой линии (на клеммах генератора) также равно сопротивлению нагрузки; при отсутствии потерь в линии действующие значения напряжения тока вдоль нее везде постоянны, и передаваемая энергия полностью поглощается нагрузочным сопротивлением. В разомкнутой и короткозамкнутой линиях (рис. 1), наоборот, устанавливается режим стоячих волн, и вдоль линии чередуются узлы и пучности напряжения и тока. При любом ином значении и характере нагрузочного сопротивления нарушается условие согласования сопротивлений и в линии происходит более сложный процесс — устанавливается режим т. н. смешанных, или комбинированных, волн (часть энергии падающей волны поглощается в активном сопротивлении нагрузки, а остальная энергия отражается от нее — образуются стоячие волны). Входное сопротивление такой линии или ее отрезков может иметь периодический характер и величину, изменяющуюся в широких пределах в зависимости от выбора длины рабочей волны, характера нагрузки и геометрической длины линии. Так, например, входное сопротивление линии без потерь, нагруженной на активное сопротивление Rн, при нечетном числе четвертей волны, укладывающихся вдоль нее, равно r2/Rн, а при четном — Rн. Для характеристики режима линии и определения величины мощности, выделяемой в нагрузке, пользуются коэффициент бегущей волны, равным отношению минимальных и максимальных напряжений вдоль линии, или величиной, обратной ему и называемой коэффициентом стоячей волны.
На использовании свойств линий, их отрезков и полых металлических тел с определенными геометрическими размерами и конфигурацией, обладающих различными входными сопротивлениями, основано конструирование разнообразных СВЧ элементов и узлов, таких как двухпроводные, коаксиальные и объемные резонаторы, трансформаторы полных сопротивлений, электрические фильтры, гибридные соединения, направленные ответвители, аттенюаторы, фазовращатели, шлейфы и мн. др. Использование в линиях ферритов позволило создать СВЧ элементы и узлы, обладающие необратимыми (вентильными) свойствами, — такие, как изоляторы, направленные фазовращатели (см. Гиратор), циркуляторы и др.
Активные цепи содержат наряду с пассивными элементами источники СВЧ энергии. К последним относятся главным образом электронные приборы — электровакуумные, полупроводниковые, квантовые и др. Основные виды электровакуумных приборов, применяемых на СВЧ для генерирования, усиления, преобразования и детектирования, — это приборы, в которых с электрическими колебаниями или полем электромагнитной волны взаимодействует поток электронов (ток). Их подразделяют на 2 группы: электронные лампы с электростатическим управлением (сеточным управлением) током, в которых увеличение энергии СВЧ колебаний происходит в результате воздействия меняющегося потенциала управляющей сетки на объемный заряд у катода (триоды, тетроды, пентоды), и электронные приборы с динамическим управлением током, в которых увеличение энергии СВЧ поля происходит вследствие дискретного (в клистронах) или непрерывного (в лампах бегущей волны, лампах обратной волны, магнетронах, в приборах, основанных на мазерно-циклотронном резонансе, — МЦР генераторах и усилителях и т. д.) взаимодействия электронов с СВЧ полем. Для уменьшения вредного влияния инерции электронов, междуэлектродных емкостей и индуктивностей выводов (ограничивающих максимальную частоту усиления и генерирования), а также для снижения диэлектрических потерь в материале баллона и цоколя лампы в приборах 1-й группы (применяемых главным образом на метровых и дециметровых волнах) предусмотрен ряд конструктивно-технологических мер, таких, как уменьшение междуэлектродных расстояний и поверхностей электродов (последние выполняются в виде дисков — для обеспечения удобного подсоединения к ним объемных резонаторов), использование специальной керамики с малыми потерями СВЧ энергии и др. К таким приборам относятся металлокерамические лампы, нувисторы, маячковые лампы, резнатроны и коакситроны. Приборы 2-й группы (применяемые главным образом на дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волнах) лишены многих недостатков приборов 1-й группы, но по принципу действия, конструктивному исполнению и настройке обычно сложнее их; ограничение максимальной частоты усиления и генерирования в них связано с резким уменьшением (при повышении рабочей частоты) размеров и допусков на изготовление отдельных СВЧ элементов, ростом потерь, уменьшением связи потока электронов с СВЧ полем и др. причинами. Полупроводниковые приборы всех основных типов — и смесительные СВЧ полупроводниковые диоды, СВЧ транзисторы, варакторы (варикапы), лавинно-пролетные полупроводниковые диоды, Ганна диоды, Шотки диоды, туннельные диоды, параметрические полупроводниковые диоды — находят применение во всем диапазоне СВЧ; генераторные и усилительные приборы развивают в непрерывном режиме работы полезную мощность до нескольких десятков вт в метровом диапазоне и до нескольких вт в сантиметровом.
Обобщенными показателями работы электронных СВЧ приборов, предназначенных для передачи и получения информации, являются их частотно-энергетической характеристики, отображающие зависимость от частоты предельно достижимых уровней мощности при излучении (рис. 2) и минимальных уровней шумов при приеме (рис. 3). Эти характеристики, в частности, связаны с получением наибольшего энергетического потенциала — отношения выходной мощности передающего устройства к минимально допустимой (для нормальной работы) мощности шумов приемного устройства; от его величины, в свою очередь, зависит дальность действия радиоэлектронных систем.
Устройства и системы С Различные сочетания пассивных, а также активных и пассивных СВЧ цепей используют для создания разнообразных устройств, таких, как антенно-фидерные, соединяющие антенну посредством фидера со входной цепью радиоприемника или выходной цепью радиопередатчика, генераторы и усилители, приемники излучения, умножители частоты, измерительные приборы и т. д. Применение в СВЧ устройствах сверхпроводящих резонаторов, и генераторов (см. Квантовые стандарты частоты) позволило получать весьма малую относительную нестабильность частоты (10-10—10-13).
При построении радиоэлектронных систем с большим энергетическим потенциалом используют генераторы на клистронах, магнетронах и др. приборах магнетронного типа либо (главным образом в антенных системах, представляющих собой фазированные антенные решетки с электронным управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительно маломощных (до нескольких десятков вт) электронных приборов, работающих параллельно; параллельно работающие мощные приборы СВЧ применяют в ускорительной технике (см. Ядерная техника). Задача снижения шумов приемных устройств наиболее эффективно решается при использовании параметрических усилителей (преимущественно неохлаждаемых) и квантовых усилителей — мазеров (в которых активная среда охлаждается до температуры жидкого или — 4 или 77 К). В технологических целях и для приготовления пищи используются СВЧ печи (рис. 4, 5).
Радикальное решение проблемы миниатюризации и надежности аппаратуры в системах невысокого энергетического потенциала было найдено путем создания полностью полупроводниковых передающих и приемных устройств (рис. 6), особенно в интегральном исполнении (см. Микроэлектроника, Планарная технология). Т. к. размеры основных элементов в гибридных и монолитных интегральных схемах. СВЧ составляют десятки и единицы мкм, такие устройства, применяемые главным образом на частотах от 1 до 15 Ггц, можно конструировать из элементов цепей с сосредоточенными параметрами и двухпроводных линий; при их разработке наибольшие трудности вызывают проблемы отвода тепла и устранения паразитных связей. Эта область С, а также техника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов находятся в стадии интенсивного освоения.
Безопасность работы с устройствами С Рост масштабов применения СВЧ устройств и особенно использование устройств большой мощности привело к заметному повышению уровня СВЧ энергии на земном шаре и к увеличению локальной интенсивности излучения СВЧ энергии передающими антеннами (особенно с острой диаграммой направленности). Кроме того, когда к антенне по фидеру подводится значительная СВЧ мощность, появляются высокие напряжения, опасные для здоровья и жизни находящихся поблизости людей. В связи с этим возник специальный раздел гигиены труда — радиогигиена, занимающаяся изучением биологического влияния радиоизлучений и разработкой мер по предотвращению вредного действия СВЧ энергии на человека и поражения его электрическим током СВЧ. Считаются безопасными для здоровья человека следующие предельно допустимые плотности потока мощности поля СВЧ: 10 мвт/см2 в течение 7—8 ч, 100 мвт/см2 в течение 2 ч, 1 вт/см2 в течение 15—20 мин (при обязательном пользовании защитными очками). Допуск обслуживающего персонала к работе с промышленными СВЧ устройствами разрешается только после выполнения необходимых мер предосторожности в соответствии с правилами техники безопасности для такого рода устройств. Слабые дозы облучения волнами СВЧ диапазона применяются для электролечения (т. н. микроволновая терапия).
Перспективы С тесно связаны с развитием как традиционных, так и новых направлений электросвязи, радиолокации, электроэнергетики, промышленной технологии, с изучением взаимодействия электромагнитного поля с веществом, растениями и др. живыми организмами и т. д., с дальнейшим освоением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн — прежде всего в радиотехнике, ядерной физике, химии и медицине. Они также обусловливаются потребностью в увеличении энергетического потенциала (см. рис. 2, 3) и повышением требований к спектральным характеристикам излучающих СВЧ устройств.
Лит.: Капица П. Л., Электроника больших мощностей, М., 1962; Сретенский В. Н., Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот, М., 1963; Харвей А. Ф., Техника сверхвысоких частот, пер. с англ., т. 1—2, М., 1965; Техника субмиллиметровых волн, под ред. Р. А. Валитова, М., 1969; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1—2, М., 1970—72; СВЧ — энергетика, пер. с англ., т. 1—3, М., 1971; Радиоприемные устройства, под ред. Н. В. Боброва, М., 1971; Руденко В. М., Халяпин Д. Б., Магнушевский В. Р., Малошумящие входные цепи СВЧ приемных устройств, М., 1971; Кацман Ю. А,, Приборы сверхвысоких частот, М., 1973; Минин Б. А., СВЧ и безопасность человека, М., 1974; Применение СВЧ в промышленности, науке и медицине, пер. с англ., "Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике", 1974, т. 62, № 1 (тематический выпуск).
Б. А. Серегин, В. Н. Сретенский.
|
Для поиска, наберите искомое слово (или его часть) в поле поиска
|
|
 |
 |
 |
|
|
|
Новости 22.12.2024 20:17:12
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
