техника СВЧ, область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 300Мгцдо 300Ггц.Эти границы условны: в некоторых случаях нижней границей диапазона СВЧ считают 30Мгц,а верхней — 3Тгц.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 (См. Радиосвязь), телевидению (См. Телевидение), радиолокации (См. Радиолокация), радионавигации (См. Радионавигация),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 (См. Радиоспектроскопия),физике твёрдого тела (См. Твёрдое тело), ядерной физике (См. Ядерная физика), радиоастрономии (См. Радиоастрономия) и др. Весьма широкий диапазон СВЧ условно разбивают на отдельные участки, чаще всего определяемые длиной волны λ, — участки метровых (λ = 10—1м),дециметровых (100—10см),сантиметровых (10—1см), миллиметровых (10—1мм) и децимиллиметровых (или субмиллиметровых) (1—0,1мм) волн. (Длина волны связана с частотой f соотношением λ =clf,гдес —скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.)
Теория электромагнитного поля СВЧ основывается на общих законах электродинамики (См. Электродинамика),в соответствии с которыми составляющие электромагнитного поля (векторы электрического и магнитного полейЕин), зависящие от координат и времени, и характеристики источников, порождающих это поле (плотность заряда и плотность полного тока), связаны между собой системой Лоренца — Максвелла уравнений (См. Лоренца - Максвелла уравнения). Вводя понятие волнового сопротивления (См. Волновое сопротивление) среды ρ= Е/Н,можно перейти к т. н. телеграфным уравнениям (См. Телеграфное уравнение), 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 30см —3мм.)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 (См. Бегущие волны),переносящая энергию. Режим чисто бегущих волн наблюдается в линии только в том случае, если она нагружена на сопротивление, равное её волновому сопротивлению ρ; 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 (См. Стоячие волны),и вдоль линии чередуются узлы и пучности напряжения и тока. При любом ином значении и характере нагрузочного сопротивления нарушается условие согласования (См. Согласование) 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 Rн, при нечётном числе четвертей волны, укладывающихся вдоль неё, равно ρ2/Rн, а при чётном — 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 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 (См. Электрический фильтр), гибридные соединения (См. Гибридное соединение), направленные ответвители (См. Направленный ответвитель),аттенюаторы, фазовращатели (См. Фазовращатель СВЧ), 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 (См. Лампа бегущей волны), лампах обратной волны (См. Лампа 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 (См. Маячковая лампа), 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 (См. Полупроводниковый диод),СВЧ Транзисторы,варакторы (Варикапы), лавинно-пролётные полупроводниковые диоды (См. Лавинно-пролётный полупроводниковый диод), Ганна диоды, Шотки диоды, туннельные диоды (См. Туннельный диод), параметрические полупроводниковые диоды (См. Параметрический полупроводниковый диод)—находят применение во всём диапазоне СВЧ; генераторные и усилительные приборы развивают в непрерывном режиме работы полезную мощность до нескольких десятковвтв метровом диапазоне и до несколькихвтв 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 (См. Антенна) посредством Фидера со входной цепью Радиоприёмника или выходной цепью Радиопередатчика,генераторы и усилители, Приёмники излучения, умножители частоты (См. Умножитель 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 (См. Фазированная антенная решётка) с электронным управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительно маломощных (до нескольких десятковвт) 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 (См. Параметрический усилитель) (преимущественно неохлаждаемых) и квантовых усилителей (См. Квантовый усилитель)—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 (См. Интегральная схема). СВЧ составляют десятки и единицымкм,такие устройства, применяемые главным образом на частотах от 1 до 15Ггц,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 (См. Гигиена 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: 10мвт/см2в течение 7—8ч,100мвт/см2в течение 2ч, 1 вт/см2в течение 15—20мин(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 (См. Электролечение) (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 <
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; λ — 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—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; λ — длина волны; Т — шумовая температура.
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.
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.