Большая советская энциклопедия

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 300Мгцдо 300Ггц.Эти границы условны: в нек-рых 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 крадиосвязи, 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 врадиоспектроскопии,физикетвёрдого тела, ядерной физике, радиоастрономиии др. Весьма широкий диапазон СВЧ условно разбивают на отд. участки, чаще всего определяемые длиной волныл(ламбда),-участки метровых (л= 10 - 1м),дециметровых (100-10см),сантиметровых (10-1см),миллиметровых (10-1мм)и децимил-лиметровых (или субмиллиметровых) (1-0,1мм)волн. (Длина волны связана с частотойfсоотношениемл=с/f,гдес - скоростьраспространения электромагнитных волн в вакууме.)

Теория электромагнитного поля СВЧ основывается на общих законахэлектродинамики,в соответствии с к-рыми составляющие электромагнитного поля (векторы электрич. и магнитного полейЕиН),зависящие от координат и времени, и характеристики источников, порождающих это поле (плотность заряда и плотность полного тока), связаны между собой системойЛоренца - Максвелла уравнений.Вводя понятиеволнового сопротивлениясреды 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 30см -3мм)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 различныхрадиоволноводов(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 сопротивлениюp; 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 режимстоячих волн,и вдоль линии чередуются узлы и пучности напряжения и тока. При любом ином значении и характере нагрузочного сопротивления нарушается условиесогласованиясопротивлений 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 RH, при нечётном числе четвертей волны, укладывающихся 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 объёмныерезонаторы, трансформаторы,полных сопротивлений,электрические фильтры, гибридные соединения, направленные ответвители,аттенюаторы,фазовращатели, шлейфыи мн. др. Использование в линиях ферритов позволило создать СВЧ элементы и узлы, обладающие необратимыми (вентильными) свойствами, -такие, как изоляторы, направленные фазовращатели (см.Гиратор), циркуляторыи др.

Рис. 1. Распределение амплитуд напряженияUи токаIв 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 (вклистронах)или непрерывного (влампах 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 относятсяметаллокерамические лампы, нувисторы, маячковые лампы, резнатроныи 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 СВЧполупроводниковые диоды,СВЧтранзисторы,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. десятковвт вметровом диапазоне и до неск.втв 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, соединяющиеантеннупосредствомфидерасо входной цепьюрадиоприёмникаили выходной цепьюрадиопередатчика,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 собойфазированные антенные решётки сэлектронным управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительно маломощных (до неск. 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 использованиипараметрических усилителей(преим. неохлаждаемых) иквантовых 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 монолитныхинтегральных схемахСВЧ составляют десятки и единицымкм,такие устройства, применяемые гл. обр. на частотах от 1 до15 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;R1, R2, R3-резисторы; C1, С2, Сз, С4- конденсаторы; L1, L2, L3- 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 разделгигиены 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: 10мвт/см2в течение 7-8ч,100мвт/см2втечение2 ч, 1 вт/см2в течение 15-20мин(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 дляэлектролечения(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.




  1. сверхвысоких частот техника—техника СВЧ область науки и техники связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от Мгцem до Ггц.em Эти границы у...Большая Советская энциклопедия II
  2. сверхвысоких частот техника—техника СВЧ область науки и техникисвязанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебанийи волн в диапазоне СВЧ. Теория электромагнитного поля СВЧ осн...Большой энциклопедический словарь II
  3. сверхвысоких частот техника—СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ техника техника СВЧ область науки и техники связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне СВЧ. Теория ...Большой Энциклопедический словарь V
  4. сверхвысоких частот техника—техника СВЧ область науки и техники связанная с изучением и использованием эл.магн. колебаний и волн в диапазоне СВЧ. Теория эл.магн. поля СВЧ основана на общих законах э...Естествознание. Энциклопедический словарь
  5. сверхвысоких частот техника—СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА техника СВЧ область науки и техники связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне СВЧ. Теория э...Современный энциклопедический словарь