СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА 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 нек-рых 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. ч.
т. (излучающие, передающие, приёмные, измерительные и др.) можно подразделить
на информационные, относящиеся к радиосвязи, телевидению, радиолокации,
радионавигации, радиоуправлению, технич. диагностике, вычислит. технике
и т. д., и энергетические, применяемые в пром. технологии, бытовых приборах,
в мед., биол. и хим. оборудовании, при передаче энергии и т. д. Устройства
и системы С. ч. т. используются как мощный инструмент во мн. научных исследованиях,
проводимых в радиоспектроскопии, физике твёрдого тела, ядерной
физике, радиоастрономии и др. Весьма широкий диапазон СВЧ условно разбивают
на отд. участки, чаще всего определяемые длиной волны л(ламбда),- участки
метровых (л = 10 - 1 м), дециметровых (100-10 см), сантиметровых
(10-1 см), миллиметровых (10-1 мм) и децимил-лиметровых (или
субмиллиметровых) (1-0,1 мм) волн. (Длина волны связана с частотой
f
соотношением
л
= с/f, где с - скорость
распространения электромагнитных
волн в вакууме.)

Теория электромагнитного
поля СВЧ основывается на общих законах электродинамики, в соответствии
с к-рыми составляющие электромагнитного поля (векторы электрич. и магнитного
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 р = Е/Н, можно перейти
к т. н. телеграфным уравнениям,
к-рые устанавливают связь между
напряжениями и токами в СВЧ устройствах (зависящими от координат и времени),
с одной стороны, и электрич. параметрами устройств - с другой.

Общие свойства и особенности
устройств С. ч. т. Устройствам С. ч. т. (особенно на длинах волн 30 см
- 3 мм) присущи характерные свойства, к-рые 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 пролёта
электронов в электронных приборах с периодом СВЧ колебаний, относительно
слабое поглощение волн в ионосфере и сильное (на определённых частотах)
поглощение их в приповерхностном слое Земли, высокий коэфф. отражения от
металлич. поверхностей, возможность концентрации СВЧ энергии в узком луче,
способность энергетического взаимодействия с веществом (молекулами и атомами),
большая информационная ёмкость диапазона СВЧ и т. д.

Цепи, элементы и электронные
приборы С. ч. т. В диапазоне СВЧ пассивные цепи (не содержащие источников
энергии) и входящие в них элементы представлены гл. обр. 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 к-рых электромагнитная
энергия направленно передаётся к приёмнику с целью последующего выделения
в нём 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 электрич. цепей (применяемых частично на метровых, но чаще на
более длинных волнах), в к-рых индуктивность сосредоточена в катушке, ёмкость
- в конденсаторе, активное сопротивление - в резисторе и к-рые наз. цепями
с сосредоточенным и постоянными, ёмкость, индуктивность и активное сопротивление
в линии передачи можно представить распределёнными вдоль всего проводника;
поэтому линии относят к т. н. цепям с распределёнными параметрами. Электрич.
процессы, протекающие в такого рода цепях, требуют изучения не только во
времени, но и в пространстве.

Когда к линии с одной стороны
подключён 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 её волновому сопротивлению
p;
входное сопротивление такой линии (на клеммах генератора) также равно сопротивлению
нагрузки; при отсутствии потерь в линии действующие значения напряжения
тока вдоль неё 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 неё
- образуются стоячие волны). Входное сопротивление такой линии или её отрезков
может иметь периодический характер и величину, изменяющуюся в широких пределах
в зависимости от выбора длины рабочей волны, характера нагрузки и геометрия,
длины линии. Так, напр., входное сопротивление линии без потерь, нагруженной
на активное сопротивление Rукладывающихся вдоль неё, равно р²/Кн, а при чётном - Rн. Для
характеристики режима линии и определения величины мощности, выделяемой
в нагрузке, пользуются коэфф. бегущей волны, равным отношению миним. и
макс, напряжений вдоль линии, или величиной, обратной ему и наз. коэфф.
стоячей волны. На использовании свойств линий, их отрезков и полых металлич.
тел с определёнными геометрич. размерами и конфигурацией, обладающих различными
входными сопротивлениями, основано конструирование разнообразных СВЧ элементов
и узлов, таких как двухпроводные, коаксиальные и объёмные 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.

Рис. 1. Распределение амплитуд
напряжения U и тока I в идеальных (без потерь энергии) разомкнутых
(внизу) и коротко-замкнутых (вверху) СВЧ линиях передачи

лебаний. Рядом с эпюрами
показаны эквивалентные схемы линий, отражающие характер их входных сопротивлений:
L - индуктивность, С - ёмкость.

Активные цепи содержат наряду
с пассивными элементами источники СВЧ энергии. К последним относятся гл.
обр. электронные приборы -электровакуумные, полупроводниковые, квантовые
и др. Осн. виды электровакуумных приборов, применяемых на СВЧ для генерирования,
усиления, преобразования и детектирования,- это приборы, в к-рых с электрич.
колебаниями или полем электромагнитной волны взаимодействует поток электронов
(ток). Их подразделяют на 2 группы: электронные лампы с электростатическим
управлением (сеточным управлением) током, в к-рых увеличение энергии СВЧ
колебаний происходит в результате воздействия меняющегося потенциала управляющей
сетки на объёмный заряд у катода (триоды, тетроды, пентоды), и электронные
приборы с динамическим управлением током, в к-рых 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 ёмкостей и индуктивностей
выводов (ограничивающих макс, частоту усиления и генерирования), а также
для снижения диэлектрич. потерь в материале баллона и цоколя лампы в приборах
1-й группы (применяемых гл. обр. на метровых и дециметровых волнах) предусмотрен
ряд конструктивно-технологич. мер, таких, как уменьшение междуэлектродных
расстояний и поверхностей электродов (последние выполняются в виде дисков
-для обеспечения удобного подсоединения к ним объёмных резонаторов), использование
спец. 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 гл. обр. на дециметровых, сантиметровых и миллиметровых
волнах) лишены Ян. недостатков приборов 1-й группы, но по принципу действия,
конструктивному исполнению и настройке обычно сложнее их; ограничение макс,
частоты усиления и генерирования в них связано с резким уменьшением (при
повышении рабочей частоты) размеров и допусков на изготовление отд. СВЧ
элементов, ростом потерь, уменьшением связи потока электронов с СВЧ полем
и др. причинами. Полупроводниковые приборы всех осн. типов - детекторные
и смесительные СВЧ полупроводниковые диоды, СВЧ транзисторы,
варакторы
(варикапы),
лавинно-пролётные полупроводниковые диоды, Ганна диоды, Шотки диоды, туннельные
диоды, параметрические полупроводниновые диоды - находят применение
во всём диапазоне СВЧ; генераторные и усилительные приборы развивают в
непрерывном режиме работы полезную мощность до неск. десятков вт в
метровом
диапазоне и до неск. вт в сантиметровом.

Рис. 2. Максимальные уровни
мощности СВЧ электровакуумных и полупроводниковых приборов (по состоянию
на 1973 -1974): 1 - электровакуумные приборы с сеточным управлением;
2
- электровакуумные приборы с динамическим управлением; 3 -
полупроводниковые
приборы; f - частота; К - длина волны;
Р - мощность.
Сплошные линии соответствуют непрерывному режиму работы, пунктирные - импульсному.

Рис. 3. Минимальные уровни
шумов СВЧ электронных приборов и устройств и уровни шумов внешней среды
(по данным на 1973 - 74): / - триоды; 2 - полупроводниковые диоды
(смесительные); 3 - лампы бегущей волны; 4 - параметрические
усилители; 5 - мазеры; 6 -шумы полюса Галактики; 7 - шумы атмосферы
Земли; f - частота; К - длина волны; Т - шумовая температура.

Обобщёнными показателями
работы электронных СВЧ приборов, предназначенных для передачи и получения
информации, являются их частотно-энергетич. характеристики, отображающие
зависимость от частоты предельно достижимых уровней мощности при излучении
(рис. 2) и миним. уровней шумов при приёме (рис. 3). Эти характеристики,
в частности, связаны с получением наибольшего энергетич. потенциала - отношения
выходной мощности передающего устройства к минимально допустимой (для нормальной
работы) мощности шумов приёмного устройства; от его величины, в свою очередь,
зависит дальность действия радиоэлектронных систем.

Устройства и системы С. ч.
т. 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 радиоприёмника
или
выходной цепью радиопередатчика, генераторы и усилители,
приёмники
излучения, умножители частоты, измерит. приборы и т. д. Применение
в СВЧ устройствах сверхпроводящих резонаторов, водородных и цезиевых генераторов
(см. Квантовые стандарты частоты) позволило получать весьма малую
относит. нестабильность частоты (10^-10-10^-13).

При построении радиоэлектронных
систем с большим энергетич. потенциалом используют генераторы на клистронах,
магнетронах и др. приборах магнетрон-ного типа либо (гл. обр. в антенных
системах, представляющих собой фазированные антенные решётки с электронным
управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительно
маломощных (до неск. десятков вт) электронных приборов, работающих
параллельно; параллельно работающие мощные приборы СВЧ применяют в ускорительной
технике (см. Ядерная техника). Задача снижения шумов приёмных устройств
наиболее эффективно решается при использовании параметрических усилителей
(преим.
неохлаждаемых) и квантовых усилителей - мазеров (в к-рых активная
среда охлаждается до темп-ры жидкого гелия или азота -4 или 77 К). В технологич.
целях и для приготовления пищи используются СВЧ печи (рис. 4, 5).

Радикальное решение проблемы
миниатюризации и надёжности аппаратуры в системах невысокого энергетич.
потенциала было найдено путём создания полностью полупроводниковых передающих
и приёмных устройств (рис. 6), особенно в интегральном исполнении (см.
Микроэлектроника,
Планарная технология). Т. к. размеры осн. элементов в гибридных и монолитных
интегральных
схемах СВЧ составляют десятки и единицы мкм, такие устройства,
применяемые гл. обр. 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.

Рис. 4. Схема рабочей камеры
СВЧ печи для сушки керамической шихты: 1 -неподвижный колпак; 2
-
волновод; 3 -открытый резервуар, наполненный водной керамической
суспензией; 4 - пазы, наполненные водой с целью защиты от СВЧ излучения;
5 - съёмное дно; 6 - электромеханический привод; 7 - трубка, по
которой стекает вода из-под колпака при конденсации испарившейся влаги;
8
- бачок, в котором расположено устройство, отключающее СВЧ генератор
после окончания сушки шихты.

Эта область С. ч. т., а также
техника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов находятся в стадии
интенсивного освоения.

Рис. 5. СВЧ печь для
приготовления пищи: 1 - стеклянная пластина, на которую кладётся
пища; 2 - вентилятор, лопасти которого, вращаясь, отражают электромагнитные
волны СВЧ по всем направлениям с целью прогрева пищи со всех сторон; 3
- волновод; 4 - магнетрон; 5 -индикаторы, по которым производится
отсчёт времени приготовления пищи.

Рис. 6. Принципиальная схема
(а) и схемно-кон-структивное решение (б) транзисторного усилителя СВЧ:
1
- вход; 2 - входная компенсирующая цепь, расширяющая рабочий диапазон
частот; 3 -выходная компенсирующая цепь; 4 - выход; 5, 6
-

вывод заземления; 7 - вывод
к источнику питания U; Др - СВЧ дроссель; Т - транзистор; RRрезисторы; CСз, С- катушки индуктивности.

Безопасность работы с устройствами
С. ч. т. 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 биологич. влияния радиоизлучений и разработкой мер
по предотвращению вредного действия СВЧ энергии на человека и поражения
его электрическим

током СВЧ. Считаются безопасными
для здоровья человека след. 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 пром. 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. ч. т. тесно
связаны с развитием как традиционных, так и новых направлений электросвязи,
радиолокации, электроэнергетики, пром. 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 энергетич. 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; X а р в е й 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; Радиоприёмные устройства, под ред. Н. В. Боброва, М., 1971;
Руденко В. М., Халяпин Д. Б., Магнушевский В. Р., Малошумящие входные цепи
СВЧ приёмных устройств, М., 1971; К а ц м а н 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). В. A. Серёгин, В. Н. Сретенский.