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 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 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; 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 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.




Смотреть больше слов в «Большой советской энциклопедии»

СВЕРХГАЛАКТИКА →← СВЕРХВЫСОКИЙ ВАКУУМ

Смотреть что такое СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА в других словарях:

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА

        техника СВЧ, область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 30... смотреть

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 электромагнитного поля СВЧ основана на общих законах электродинамики. Средства техники сверхвысоких частот подразделяются на активные (содержащие источники СВЧ энергии), к которым относятся электровакуумные (напр., триоды, клистроны), полупроводниковые (напр., транзисторы, туннельные диоды), квантовые (мазеры) устройства, и пассивные (объемные резонаторы, электрические фильтры, направленные ответвители, шлейфы и т. д.). Технику сверхвысоких частот используют в радиосвязи, телевидении, радиолокации, ядерной энергетике, биологии, медицине и др.<br><br><br>... смотреть

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 электромагнитного поля СВЧ основана на общих законах электродинамики. Средства техники сверхвысоких частот подразделяются на активные (содержащие источники СВЧ энергии), к которым относятся электровакуумные (напр., триоды, клистроны), полупроводниковые (напр., транзисторы, туннельные диоды), квантовые (мазеры) устройства, и пассивные (объемные резонаторы, электрические фильтры, направленные ответвители, шлейфы и т. д.). Технику сверхвысоких частот используют в радиосвязи, телевидении, радиолокации, ядерной энергетике, биологии, медицине и др.<br>... смотреть

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА

- (техника СВЧ) - область науки и техники,связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебанийи волн в диапазоне СВЧ. Теория электромагнитного поля СВЧ основана наобщих законах электродинамики. Средства техники сверхвысоких частотподразделяются на активные (содержащие источники СВЧ энергии), к которымотносятся электровакуумные (напр., триоды, клистроны), полупроводниковые(напр., транзисторы, туннельные диоды), квантовые (мазеры) устройства, ипассивные (объемные резонаторы, электрические фильтры, направленныеответвители, шлейфы и т. д.). Технику сверхвысоких частот используют врадиосвязи, телевидении, радиолокации, ядерной энергетике, биологии,медицине и др.... смотреть

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 ос... смотреть

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА (ТЕХНИКА СВЧ)

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА (техника СВЧ), область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне СВЧ. Теория электромагнитного поля СВЧ основана на общих законах электродинамики. Средства техники сверхвысоких частот подразделяются на активные (содержащие источники СВЧ энергии), к которым относятся электровакуумные (напр., триоды, клистроны), полупроводниковые (напр., транзисторы, туннельные диоды), квантовые (мазеры) устройства, и пассивные (объемные резонаторы, электрические фильтры, направленные ответвители, шлейфы и т. д.). Технику сверхвысоких частот используют в радиосвязи, телевидении, радиолокации, ядерной энергетике, биологии, медицине и др.... смотреть

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА (ТЕХНИКА СВЧ)

СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ТЕХНИКА (техника СВЧ) , область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне СВЧ. Теория электромагнитного поля СВЧ основана на общих законах электродинамики. Средства техники сверхвысоких частот подразделяются на активные (содержащие источники СВЧ энергии), к которым относятся электровакуумные (напр., триоды, клистроны), полупроводниковые (напр., транзисторы, туннельные диоды), квантовые (мазеры) устройства, и пассивные (объемные резонаторы, электрические фильтры, направленные ответвители, шлейфы и т. д.). Технику сверхвысоких частот используют в радиосвязи, телевидении, радиолокации, ядерной энергетике, биологии, медицине и др.... смотреть

T: 252