Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (СВ)"

Сверхвысоких частот техника

Сверхвысо'ких часто'т те'хника, 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. ч. т. (излучающие, передающие, приёмные, 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 химическом оборудовании, при передаче энергии и т. д. Устройства и системы С. ч. т. используются как мощный инструмент во многих научных исследованиях, проводимых в радиоспектроскопии, физике твёрдого 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 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 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. ч. т. Устройствам С. ч. т. (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 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 коэффициент отражения от металлических 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 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 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 электрических цепей (применяемых частично на метровых, но чаще на более длинных волнах), в которых индуктивность сосредоточена в катушке, ёмкость – в конденсаторе, активное сопротивление – в резисторе и которые называются цепями с сосредоточенными 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. 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 её волновому сопротивлению r; 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 геометрической длины линии. Так, например, входное сопротивление линии без потерь, нагруженной на активное сопротивление R_н, при нечётном числе четвертей волны, укладывающихся вдоль неё, равно r²/R_н, а при чётном – R_н. 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 определёнными геометрическими 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.

  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 объёмный 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 ёмкостей 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 объёмных 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 – детекторные и смесительные СВЧ полупроводниковые диоды, СВЧ транзисторы, варакторы (варикапы), лавинно-пролётные полупроводниковые диоды, Ганна диоды, Шотки диоды, туннельные диоды, параметрические полупроводниковые диоды — находят применение во всём 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.

Обобщёнными 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 приёме (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 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, измерительные приборы и т. д. Применение в СВЧ устройствах сверхпроводящих резонаторов, водородных и цезиевых 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 решётки 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 приёмных устройств наиболее эффективно решается при использовании параметрических усилителей (преимущественно неохлаждаемых) и квантовых усилителей — мазеров (в которых активная среда охлаждается до температуры жидкого гелия или азота – 4 или 77 К). В технологических целях и для приготовления пищи используются СВЧ печи (рис. 4, 5).

  Радикальное решение проблемы миниатюризации и надёжности аппаратуры в системах невысокого энергетического потенциала было найдено путём создания полностью полупроводниковых передающих и приёмных 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. ч. т., а также техника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов находятся в стадии интенсивного освоения.

  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 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. ч. т. 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; 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; 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. Серёгин, В. Н. Сретенский.

Рис. 1. Распределение амплитуд напряжения U и тока I в идеальных (без потерь энергии) разомкнутых (внизу) и короткозамкнутых (вверху) СВЧ линиях передачи различной длины I: а – при l < ; б – I = ; в –  < I < ; г – I = ;  – длина волны; Г – генератор СВЧ колебаний. Рядом с эпюрами показаны эквивалентные схемы линий, отражающие характер их входных сопротивлений: L – индуктивность, С – ёмкость.

Рис. 3. Минимальные уровни шумов СВЧ электронных приборов и устройств и уровни шумов внешней среды (по данным на 1973—1974): 1 – триоды; 2 – полупроводниковые диоды (смесительные); 3 – лампы бегущей волны; 4 – параметрические усилители; 5 – мазеры; 6 – шупы полюса Галактики; 7 – шумы атмосферы Земли; f – частота;  – длина волны; Т – шумовая температура.

Рис. 6. Принципиальная схема (а) и схемно-конструктивное 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; T – транзистор; R₁, R₂, R₃, – резисторы; C₁, C₂, C₃, C₄ – конденсаторы; L₁, L₂, L₃ – катушки индуктивноcти.

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;  – длина волны; Р – мощность. Сплошные линии соответствуют непрерывному режиму работы, пунктирные – импульсному.

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 – съемное 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.

Рис. 5. СВЧ печь для приготовления пищи: 1 – стеклянная пластина, на которую кладется 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.