НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ ДІАПАЗОН

1. ЗАСТОСУВАННЯ СВЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ
2. Зв'язок.
3. Супутники зв'язку.
4. Термообробка харчових продуктів.
5. Наукові дослідження.
6. ДЖЕРЕЛА СВЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ
7. Магнетрон.
8. Клістрон.
9. Лампа біжучої хвилі (ЛБХ).
10. Плоскі вакуумні тріоди.
11. Генератор на діод Ганна.
12. СХЕМНІ КОМПОНЕНТИ
13. Твердотільні компоненти.
14. Антени.

Наши партнеры ArtmMisto

НАДВИСОКИХ ЧАСТОТ ДІАПАЗОН, частотний діапазон електромагнітного випромінювання (100ё300 000 млн. Герц), розташований в спектрі між ультрависокими телевізійними частотами і частотами далекої інфрачервоної області. Цей частотний діапазон відповідає довжинах хвиль від 30 см до 1 мм; тому його називають також діапазоном дециметрових і сантиметрових хвиль. В англомовних країнах він називається мікрохвильовим діапазоном; мається на увазі, що довжини хвиль дуже малі в порівнянні з довжинами хвиль звичайного радіомовлення, мають порядок декількох сотень метрів.

Так як по довжині хвилі випромінювання СВЧ-діапазону є проміжним між світловим випромінюванням і звичайними радіохвилями, воно має деякі властивості і світла, і радіохвиль. Наприклад, воно, як і світло, поширюється по прямій і перекривається майже всіма твердими об'єктами. Багато в чому аналогічно світлі воно фокусується, поширюється у вигляді променя і відбивається. Багато радіолокаційні антени і інші СВЧ-пристрої являють собою як би збільшені варіанти оптичних елементів типу дзеркал і лінз.

У той же час СВЧ-випромінювання подібно з радіовипромінюванням мовних діапазонів в тому відношенні, що воно генерується аналогічними методами. До СВЧ-випромінювання може бути застосована класична теорія радіохвиль, і його можна використовувати як засіб зв'язку, грунтуючись на тих же принципах. Але завдяки більш високим частотам воно дає більш широкі можливості передачі інформації, що дозволяє підвищити ефективність зв'язку. Наприклад, один СВЧ-промінь може нести одночасно кілька сотень телефонних розмов. Подібність СВЧ-випромінювання зі світлом і підвищена щільність яку переносять їм інформації виявилися дуже корисні для радіолокаційної та інших областей техніки.

ЗАСТОСУВАННЯ СВЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ

Радіолокація.

Хвилі дециметрового-сантиметрового діапазону залишалися предметом чисто наукової цікавості до початку Другої світової війни, коли виникла нагальна потреба в новому і ефективному електронному засобі раннього виявлення. Тільки тоді почалися інтенсивні дослідження НВЧ-радіолокації, хоча принципова її можливість була продемонстрована ще в 1923 в Науково-дослідної лабораторії ВМС США. Суть радіолокації в тому, що в простір випускаються короткі, інтенсивні імпульси НВЧ-випромінювання, а потім реєструється частина цього випромінювання, яка повернулася від шуканого віддаленого об'єкта - морського судна або літака. Див. Також РАДІОЛОКАЦІЯ.

Зв'язок.

Радіохвилі НВЧ-діапазону широко застосовуються в техніці зв'язку. Крім різних радіосистем військового призначення, у всіх країнах світу є численні комерційні лінії СВЧ-зв'язку. Оскільки такі радіохвилі не йдуть за кривизною земної поверхні, а поширюються по прямій, ці лінії зв'язку, як правило, складаються з ретрансляційних станцій, встановлених на вершинах пагорбів або на радиобашни з інтервалами ок. 50 км. Параболічні або рупорні антени, змонтовані на вежах, приймають і передають далі СВЧ-сигнали. На кожній станції перед ретрансляцією сигнал посилюється електронним підсилювачем. Оскільки СВЧ-випромінювання допускає вузькоспрямовані прийом і передачу, для передачі не потрібно великих витрат електроенергії.

Хоча система веж, антен, приймачів і передавачів може здатися досить дорогим, в кінцевому рахунку все це з лишком окупається завдяки великої інформаційної ємності СВЧ-каналів зв'язку. Міста Сполучених Штатів з'єднані між собою складною мережею більш ніж з 4000 ретрансляційних СВЧ-ланок, що утворюють систему зв'язку, яка простягається від одного океанського узбережжя до іншого. Канали цієї мережі здатні пропускати тисячі телефонних розмов і численні телевізійні програми одночасно.

Супутники зв'язку.

Система ретрансляційних радіобашен, необхідна для передачі СВЧ-випромінювання на великі відстані, може бути побудована, звичайно, тільки на суші. Для міжконтинентальної же зв'язку потрібно інший спосіб ретрансляції. Тут на допомогу приходять зв'язкові штучні супутники Землі; виведені на геостаціонарну орбіту, вони можуть виконувати функції ретрансляційних станцій СВЧ-зв'язку.

Електронний пристрій, зване активно-ретрансляційним ШСЗ, приймає, підсилює і ретранслює СВЧ-сигнали, що передаються наземними станціями. Перші експериментальні ШСЗ такого типу ( «Телстар», «Релей» і «Сінком») успішно здійснювали вже на початку 1960-х років ретрансляцію телевізійного мовлення з одного континенту на інший. На основі цього досвіду були розроблені комерційні супутники міжконтинентальної і внутрішнього зв'язку. Супутники останньої міжконтинентальної серії «Інтелсат» були виведені в різні точки геостаціонарної орбіти таким чином, що зони їх охоплення, перекриваючи, забезпечують обслуговування абонентів у всьому світі. Кожен супутник серії «Інтелсат» останніх модифікацій надає клієнтам тисячі каналів високочастотного зв'язку для одночасної передачі телефонних, телевізійних, факсимільних сигналів і цифрових даних.

Термообробка харчових продуктів.

СВЧ-випромінювання застосовується для термообробки харчових продуктів в домашніх умовах і в харчовій промисловості. Енергія, що генерується потужними електронними лампами, може бути сконцентрована в малому обсязі для високоефективної теплової обробки продуктів в т.зв. мікрохвильових або СВЧ-печах, що відрізняються чистотою, безшумністю і компактністю. Такі пристрої застосовуються на літакових бортових кухнях, в залізничних вагонах-ресторанах і торгових автоматах, де потрібні швидкі підготовка продуктів і приготування страв. Промисловість випускає також СВЧ-печі побутового призначення.

Наукові дослідження.

СВЧ-випромінювання зіграло важливу роль в дослідженнях електронних властивостей твердих тіл. Коли таке тіло виявляється в магнітному полі, вільні електрони в ньому починають обертатися навколо магнітних силових ліній в площині, перпендикулярній напряму магнітного поля. Частота обертання, звана циклотронної, прямо пропорційна напруженості магнітного поля і обернено пропорційна ефективної масі електрона. (Ефективна маса визначає прискорення електрона під впливом будь-якої сили в кристалі. Вона відрізняється від маси вільного електрона, якої визначається прискорення електрона під дією будь-якої сили в вакуумі. Різниця обумовлено наявністю сил тяжіння і відштовхування, з якими діють на електрон в кристалі навколишні атоми і інші електрони.) Якщо на тверде тіло, що знаходиться в магнітному полі, падає випромінювання СВЧ-діапазону, то це випромінювання сильно поглинається, коли його частота дорівнює циклотронної частоті електро на. Дане явище називається циклотронним резонансом; воно дозволяє виміряти ефективну масу електрона. Такі вимірювання дали багато цінної інформації про електронні властивості напівпровідників, металів і металлоидов.

Випромінювання СВЧ-діапазону грає важливу роль також в дослідженнях космічного простору. Астрономи багато дізналися про нашій Галактиці, досліджуючи випромінювання з довжиною хвилі 21 см, що випускається газоподібним воднем в міжзоряному просторі. Тепер можна вимірювати швидкість і визначати напрямок руху рукавів Галактики, а також розташування і щільність областей газоподібного водню в космосі.

ДЖЕРЕЛА СВЧ-ВИПРОМІНЮВАННЯ

Швидкий прогрес в області СВЧ-техніки в значній мірі пов'язаний з винаходом спеціальних електровакуумних приладів - магнетрона і клистрона, здатних генерувати велику кількість СВЧ-енергії. Генератор на звичайному вакуумному тріоді, який використовується на низьких частотах, в СВЧ-діапазоні виявляється вельми неефективним.

Двома головними недоліками тріода як СВЧ-генератора є кінцеве час прольоту електрона і міжелектродному ємність. Перший пов'язаний з тим, що електрону потрібен якийсь (хоча і мале) час, щоб пролетіти між електродами вакуумної лампи. За цей час СВЧ-поле встигає змінити свій напрямок на протилежне, так що і електрон змушений повернути назад, не долетівши до іншого електрода. В результаті електрони без будь-якої користі коливаються всередині лампи, не віддаючи свою енергію в коливальний контур зовнішньої ланцюга.

Магнетрон.

У магнетроні, винайденому в Великобританії перед Другою світовою війною, ці недоліки відсутні, оскільки за основу взято зовсім інший підхід до генерації НВЧ-випромінювання - принцип об'ємного резонатора. Подібно до того як у органної труби даного розміру є власні акустичні резонансні частоти, так і у об'ємного резонатора є власні електромагнітні резонанси. Стінки резонатора діють як індуктивність, а простір між ними - як ємність якоїсь резонансної ланцюга. Таким чином, об'ємний резонатор подібний паралельного резонансного контуру низькочастотного генератора з окремими конденсатором і котушкою індуктивності. Розміри об'ємного резонатора вибираються, звичайно, так, щоб цього поєднанню ємності і індуктивності відповідала потрібна резонансна надвисока частота.

У магнетроні (рис. 1) передбачено кілька об'ємних резонаторів, симетрично розташованих навколо катода, що знаходиться в центрі. Прилад поміщають між полюсами сильного магніту. При цьому електрони, що випускаються катодом, під дією магнітного поля змушені рухатися по кругових траєкторіях. Їх швидкість така, що вони в строго певний час перетинають на периферії відкриті пази резонаторів. При цьому вони віддають свою кінетичну енергію, збуджуючи коливання в резонаторах. Потім електрони повертаються на катод, і процес повторюється. Завдяки такому пристрою час прольоту і міжелектродні ємності не заважають генерації НВЧ-енергії.

Магнетрони можуть бути зроблені великого розміру, і тоді вони дають потужні імпульси НВЧ-енергії. Але у магнетрона є свої недоліки. Наприклад, резонатори для дуже високих частот стають настільки малими, що їх важко виготовляти, а сам такий магнетрон через своїх малих розмірів не може бути достатньо потужним. Крім того, для магнетрона потрібен важкий магніт, причому необхідна маса магніту зростає зі збільшенням потужності приладу. Тому для літакових бортових установок потужні магнетрони не підходять.

Клістрон.

Для цього електровакуумного приладу, заснованого на дещо іншому принципі, не потрібно зовнішнє магнітне поле. У клистроне (рис. 2) електрони рухаються по прямій від катода до відбивної пластини, а потім назад. При цьому вони перетинають відкритий зазор об'ємного резонатора в формі бублика. Керуюча сітка і сітки резонатора групують електрони в окремі «згустки», так що електрони перетинають зазор резонатора тільки в певні моменти часу. Проміжки між згустками узгоджені з резонансною частотою резонатора таким чином, що кінетична енергія електронів передається резонатору, внаслідок чого в ньому встановлюються потужні електромагнітні коливання. Цей процес можна порівняти з ритмічним розгойдуванням спочатку нерухомих гойдалок.

Перші клістрони були досить малопотужними приладами, але пізніше вони побили всі рекорди магнетронів як СВЧ-генераторів великої потужності. Були створені клістрони, що видавали до 10 млн. Ват потужності в імпульсі і до 100 тис. Ват в безперервному режимі. Система клистронов дослідного лінійного прискорювача частинок видає 50 млн. Ват СВЧ-потужності в імпульсі.

Клістрони можуть працювати на частотах до 120 млрд. Герц; однак при цьому їх вихідна потужність, як правило, не перевищує одного вата. Розробляються варіанти конструкції клистрона, розрахованого на великі вихідні потужності в міліметровому діапазоні.

Клістрони можуть також служити підсилювачами СВЧ-сигналів. Для цього потрібно вхідний сигнал подавати на сітки об'ємного резонатора, і тоді щільність електронних згустків буде змінюватися відповідно до цього сигналом.

Лампа біжучої хвилі (ЛБХ).

Ще один електровакуумний прилад для генерації і посилення електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону - лампа біжучої хвилі. Вона являє собою тонку відкачану трубку, що вставляється в фокусуючу магнітну котушку. Всередині трубки є замедляющая дротова спіраль. Уздовж осі спіралі проходить електронний промінь, а по самій спіралі біжить хвиля підсилюється сигналу. Діаметр, довжина і крок спіралі, а також швидкість електронів підібрані таким чином, що електрони віддають частину своєї кінетичної енергії, що біжить хвилі.

Радіохвилі поширюються зі швидкістю світла, тоді як швидкість електронів в промені значно менше. Однак, оскільки СВЧ-сигнал змушений йти по спіралі, швидкість його просування вздовж осі трубки близька до швидкості електронного променя. Тому що біжить хвиля досить довго взаємодіє з електронами і посилюється, поглинаючи їх енергію.

Якщо на лампу не подається зовнішній сигнал, то посилюється випадковий електричний шум на деякій резонансної частоті і ЛБХ біжучої хвилі працює як СВЧ-генератор, а не підсилювач.

Вихідна потужність ЛБХ значно менше, ніж у магнетронів і клистронов на тій же частоті. Однак ЛБХ допускають настройку в надзвичайно широкому частотному діапазоні і можуть служити дуже чутливими малошумящими підсилювачами. Таке поєднання властивостей робить ЛБХ дуже цінним приладом СВЧ-техніки.

Плоскі вакуумні тріоди.

Хоча клістрони і магнетрони більш кращі як СВЧ-генератори, завдяки вдосконаленням в якійсь мірі відновлена ​​важлива роль вакуумних тріодів, особливо в якості підсилювачів на частотах до 3 млрд. Герц.

Труднощі, пов'язані з часом прольоту, усунуті завдяки дуже малим відстаням між електродами. Небажані міжелектродні ємності зведені до мінімуму, оскільки електроди зроблені сітчастими, а всі зовнішні з'єднання виконуються на великих кільцях, що знаходяться поза лампи. Як і прийнято в СВЧ-техніці, застосований об'ємний резонатор. Резонатор щільно охоплює лампу, і кільцеві з'єднувачі забезпечують контакт по всьому колу резонатора.

Генератор на діод Ганна.

Такий напівпровідниковий НВЧ-генератор був запропонований в 1963 Дж.Ганном, співробітником Уотсоновского науково-дослідного центру корпорації ІВМ. В даний час подібні прилади дають потужності лише близько милливатт на частотах не більше 24 млрд. Герц. Але в цих межах він має безсумнівні переваги перед малопотужними Клістрони.

Оскільки діод Ганна являє собою монокристал арсеніду галію, він в принципі більш стабільний і довговічний, ніж клістрон, в якому повинен бути нагрівається катод для створення потоку електронів і необхідний високий вакуум. Крім того, діод Ганна працює при порівняно низькій напрузі харчування, тоді як для харчування клистрона потрібні громіздкі і дорогі джерела живлення з напругою від 1000 до 5000 В.

СХЕМНІ КОМПОНЕНТИ

Коаксіальні кабелі і хвилеводи.

Для передачі електромагнітних хвиль НВЧ-діапазону НЕ через ефір, а по металевих провідниках потрібні спеціальні методи і провідники особливої ​​форми. Звичайні дроти, по яких передається електрику, придатні для передачі низькочастотних радіосигналів, неефективні на надвисоких частотах.

Будь відрізок проводу має ємність і індуктивність. Ці т.зв. розподілені параметри набувають дуже важливе значення в СВЧ-техніці. Поєднання ємності провідника з його власної индуктивностью на надвисоких частотах грає роль резонансного контура, майже повністю блокує передачу. Оскільки в дротяних лініях передачі неможливо усунути вплив розподілених параметрів, доводиться звертатися до інших принципам передачі СВЧ-хвиль. Ці принципи втілені в коаксіальних кабелях і волноводах.

Коаксіальний кабель складається з внутрішнього проводу і охоплює його циліндричного зовнішнього провідника. Проміжок між ними заповнений пластиковим діелектриком, наприклад тефлоном або поліетиленом. З першого погляду це може здатися схожим на пару звичайних проводів, але на надвисоких частотах їх функція інша. СВЧ-сигнал, введений з одного кінця кабелю, насправді поширюється не по металу провідників, а по заповненому ізолюючим матеріалом проміжку між ними.

Коаксіальні кабелі добре передають СВЧ-сигнали частотою до декількох мільярдів герц, але на більш високих частотах їх ефективність знижується, і вони непридатні для передачі великих потужностей.

Звічайні канали для передачі Хвиля НВЧ-діапазону ма ють форму волноводов. Хвілевід - це ретельно оброблена металева труба прямокутна або кругового поперечного перерізу, Всередині якої пошірюється СВЧ-сигнал. Спрощено кажучи, хвилевід направляє хвилю, змушуючи її раз у раз відбиватися від стінок. Але насправді поширення хвилі по хвилеводу є поширення коливань електричного і магнітного полів хвилі, як і у вільному просторі. Таке поширення в волноводе можливо лише за умови, що його розміри перебувають у певному співвідношенні з частотою сигналу, що передається. Тому хвилевід точно розраховується, так само точно обробляється і призначається тільки для вузького інтервалу частот. Інші частоти він передає погано або взагалі не передає. Типовий розподіл електричного і магнітного полів всередині хвилеводу показано на рис. 3.

Чим вище частота хвилі, тим менше розміри відповідного їй прямокутного хвилеводу; в кінці кінців ці розміри виявляються настільки малі, що надмірно ускладнюється його виготовлення і знижується передана їм гранична потужність. Тому були розпочаті розробки кругових хвилеводів (кругового поперечного перерізу), які можуть мати досить великі розміри навіть на високих частотах СВЧ-діапазону. Застосування кругового хвилеводу стримується деякими труднощами. Наприклад, такий хвилевід повинен бути прямим, інакше його ефективність знижується. Прямокутні ж хвилеводи легко згинати, їм можна надавати потрібну криволінійну форму, і це ніяк не позначається на поширенні сигналу. Радіолокаційні та інші СВЧ-установки зазвичай виглядають як заплутані лабіринти з хвилеводних трактів, що з'єднують різні компоненти і передають сигнал від одного приладу іншому в межах системи.

Твердотільні компоненти.

Твердотільні компоненти, наприклад напівпровідникові громадських закладів, грають важливу роль в СВЧ-техніці. Так, для детектування, перемикання, випрямлення, частотного перетворення і посилення СВЧ-сигналів застосовуються германієві і кремнієві діоди.

Для посилення застосовуються також спеціальні діоди - варикапи (з керованою ємністю) - в схемі, яку називають параметричним підсилювачем. Широко поширені підсилювачі такого роду служать для посилення вкрай малих сигналів, так як вони майже не вносять власні шуми і спотворення.

Твердотілим СВЧ-підсилювачем з низьким рівнем шуму є і рубіновий мазер. Такий мазер, вражаючі дії яких засновані на квантовомеханических принципах, підсилює СВЧ-сигнал за рахунок переходів між рівнями внутрішньої енергії атомів в кристалі рубіна. Рубін (або інший відповідний матеріал мазера) занурюється в рідкий гелій, так що підсилювач працює при надзвичайно низьких температурах (лише на кілька градусів перевищують температуру абсолютного нуля). Тому рівень теплових шумів в схемі дуже низький, завдяки чому мазер придатний для радіоастрономічних, надчутливих радіолокаційних та інших вимірів, в яких потрібно виявляти і підсилювати вкрай слабкі НВЧ-сигнали. Див. Також КВАНТОВІ ГЕНЕРАТОРИ І ПІДСИЛЮВАЧІ.

Для виготовлення СВЧ-перемикачів, фільтрів і циркуляторов широко застосовуються ферритові матеріали, такі, як оксид магнію-заліза і залізо-ітрієві гранат. Феритові пристрої управляються за допомогою магнітних полів, причому для управління потоком потужного НВЧ-сигналу досить слабкого магнітного поля. Феритові перемикачі мають ту перевагу перед механічними, що в них немає рухомих частин, схильних до зносу, а перемикання здійснюється досить швидко. На рис. 4 представлено типове ферритовое пристрій - циркулятор. Діючи подібно кільцевої транспортної розв'язки, циркулятор забезпечує проходження сигналу тільки за певними трактах, що з'єднує різні компоненти. Циркулятори і інші ферритові перемикаючі пристрої застосовуються при підключенні декількох компонентів СВЧ-системи до однієї і тієї ж антени. На рис. 4 циркулятор не пропускає сигнал, що передається на приймач, а сигнал, що приймається - на передавач.

У СВЧ-техніці знаходить застосування і тунельний діод - порівняно новий напівпровідниковий прилад, що працює на частотах до 10 млрд. Герц. Він використовується в генераторах, підсилювачах, частотних перетворювачів і перемикачах. Його робочі потужності невеликі, але це перший напівпровідниковий прилад, здатний ефективно працювати на таких високих частотах. Див. Також Напівпровідникові ЕЛЕКТРОННІ ПРИЛАДИ.

Антени.

СВЧ-антени відрізняються великою різноманітністю незвичайних форм. Розмір антени приблизно пропорційний довжині хвилі сигналу, а тому для СВЧ-діапазону цілком прийнятні конструкції, які були б занадто громіздкі на більш низьких частотах.

У конструкціях багатьох антен враховуються ті властивості СВЧ-випромінювання, які зближують його зі світлом. Типовими прикладами можуть служити рупорні антени, параболічні відбивачі, металеві та діелектричні лінзи. Застосовуються також гвинтові і спіральні антени, часто виготовляються в вигляді друкованих схем.

Групи щілинних хвилеводів можна розташувати так, щоб вийшла потрібна діаграма спрямованості для випромінюваної енергії. Часто застосовуються також диполі типу добре відомих телевізійних антен, що встановлюються на дахах. У таких антенах нерідко є однакові елементи, розташовані з інтервалами, рівними довжині хвилі, і що б спрямованість за рахунок інтерференції.

СВЧ-антени зазвичай проектують так, щоб вони були гранично спрямованими, оскільки в багатьох СВЧ-системах дуже важливо, щоб енергія передавалася і приймалася в точно заданому напрямку. Спрямованість антени зростає зі збільшенням її діаметру. Але можна зменшити антену, зберігши її спрямованість, якщо перейти на більш високі робочі частоти.

Багато «дзеркальні» антени з параболічним або сферичним металевим відбивачем спроектовані спеціально для прийому вкрай слабких сигналів, що приходять, наприклад, від міжпланетних космічних апаратів або від далеких галактик. В Аресібо (Пуерто-Ріко) діє один з найбільших радіотелескопів з металевим відбивачем у вигляді сферичного сегмента, діаметр якого дорівнює 300 м. Антена має нерухоме ( «меридіанний») підстава; її прийомний радиолуч переміщається по небосхилу завдяки обертанню Землі. Найбільша (76 м) повністю рухома антена розташована в Джодрелл-Бенці (Великобританія).

Нове в області антен - антена з електронним керуванням спрямованістю; таку антену не потрібно механічно повертати. Вона складається з численних елементів - вібраторів, які можна електронними засобами по-різному з'єднувати між собою і тим самим забезпечувати чутливість «антеною решітки» в будь-якому потрібному напрямку. Див. Також АНТЕНИ.