Цепи, элементы и электронные приборы СВЧ

В диапазоне СВЧ пассивные цепи (не содержащиеисточников энергии) и входящие в них элементы представлены главным образом т. н. линиями передачи и ихотрезками в виде различных радиоволноводов (двухпроводных и коаксиальных — на метровых идециметровых волнах; коаксиальных, полых и полосковых — на сантиметровых волнах; полых,диэлектрических и квазиоптических — на миллиметровых и субмиллиметровых волнах), посредством которыхэлектромагнитная энергия направленно передаётся к приёмнику с целью последующего выделения в нёмсигналов полезной информации либо энергии СВЧ. Обычно линия имеет длину, соизмеримую с длиной волныили большую, чем она; время распространения волны в линии соизмеримо с периодом СВЧ колебаний илипревышает его.

Рисунок 3.3.1 – Схема СВЧ печи

В отличие от электрических цепей (применяемых частично на метровых, но чаще на болеедлинных волнах), в которых индуктивность сосредоточена в катушке, ёмкость — в конденсаторе, активноесопротивление — в резисторе и которые называются цепями с сосредоточенными постоянными, ёмкость,индуктивность и активное сопротивление в линии передачи можно представить распределёнными вдольвсего проводника; поэтому линии относят к т. н. цепям с распределёнными параметрами. Электрическиепроцессы, протекающие втакого 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, вдольлинии (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 ρ; входное сопротивление такой линии (на клеммах генератора) такжеравно сопротивлению нагрузки; при отсутствии потерь в линии действующие значения напряжения тока вдольнеё везде постоянны, и передаваемая энергия полностью поглощается нагрузочным сопротивлением. Вразомкнутой и короткозамкнутой линиях, наоборот, устанавливается режим стоячих волн, и вдоль линии чередуются узлы и пучности напряжения и тока. При любом ином значении ихарактере нагрузочного сопротивления нарушается условие согласования сопротивленийи в линии происходит более сложный процесс — устанавливается режим т. н. смешанных, иликомбинированных, волн (часть энергии падающей волны поглощается в активном сопротивлении нагрузки, аостальная энергия отражается от неё — образуются стоячие волны). Входное сопротивление такой линии илиеё отрезков может иметь периодический характер и величину, изменяющуюся в широких пределах взависимости от выбора длины рабочей волны, характера нагрузки и геометрической длины линии. Так,например, входное сопротивление линии без потерь, нагруженной на активное сопротивление R_н, принечётном числе четвертей волны, укладывающихся вдоль неё, равно ρ²/R_н, а при чётном — R_н. Дляхарактеристики режима линии и определения величины мощности, выделяемой в нагрузке, пользуютсякоэффициент бегущей волны, равным отношению минимальных и максимальных напряжений вдоль линии,или величиной, обратной ему и называемой коэффициентом стоячей волны.

Рисунок 3.3.2 –Схема СВЧ печи

На использовании свойств линий, их отрезков и полых металлических тел с определённымигеометрическими размерами и конфигурацией, обладающих различными входными сопротивлениями,основано конструирование разнообразных СВЧ элементов и узлов, таких как двухпроводные, коаксиальные иобъёмные резонаторы, трансформаторы полных сопротивлений, электрические фильтры, гибридные соединения, направленные ответвители, аттенюаторы, фазовращатели, шлейфы и др. Использование влиниях ферритов позволило создать СВЧ элементы и узлы, обладающие необратимыми (вентильными)свойствами, — такие, как изоляторы, направленные фазовращатели, циркуляторы и др.

Активные цепи содержат наряду с пассивными элементами источники СВЧ энергии. К последнимотносятся 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 полемэлектромагнитной волны взаимодействует поток электронов (ток). Их подразделяют на 2 группы: электронныелампы с электростатическим управлением (сеточным управлением) током, в которых увеличение энергии СВЧколебаний происходит в результате воздействия меняющегося потенциала управляющей сетки на объёмныйзаряд у катода (триоды, тетроды, пентоды), и электронные приборы с динамическим управлением током, вкоторых 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 иусилителях и т. д.) взаимодействия электронов с СВЧ полем. Для уменьшения вредного влияния инерцииэлектронов, междуэлектродных ёмкостей и индуктивностей выводов (ограничивающих максимальную частотуусиления и генерирования), а также для снижения диэлектрических потерь в материале баллона и цоколялампы в приборах 1-й группы (применяемых главным образом на метровых и дециметровых волнах)предусмотрен ряд конструктивно-технологических мер, таких, как уменьшение междуэлектродных расстоянийи поверхностей электродов (последние выполняются в виде дисков — для обеспечения удобногоподсоединения к ним объёмных резонаторов), использование специальной керамики с малыми потерями СВЧэнергии и др. К таким приборам относятся металлокерамические лампы, нувисторы, маячковые лампы, резнатроны и коакситроны. Приборы 2-й группы (применяемые главным образом надециметровых, сантиметровых и миллиметровых волнах) лишены многих недостатков приборов 1-й группы,но по принципу действия, конструктивному исполнению и настройке обычно сложнее их; ограничениемаксимальной частоты усиления и генерирования в них связано с резким уменьшением (при повышениирабочей частоты) размеров и допусков на изготовление отдельных СВЧ элементов, ростом потерь,уменьшением связи потока электронов с СВЧ полем и др. причинами. Полупроводниковые приборы всехосновных 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 внепрерывном режиме работы полезную мощность до нескольких десятков вт в метровом диапазоне и донескольких вт в сантиметровом.

Обобщёнными показателями работы электронных СВЧ приборов, предназначенных для передачи иполучения информации, являются их частотно-энергетической характеристики, отображающие зависимостьот частоты предельно достижимых уровней мощности при излучении и минимальных уровней шумовпри приёме. Эти характеристики, в частности, связаны с получением наибольшего энергетическогопотенциала — отношения выходной мощности передающего устройства к минимально допустимой (длянормальной работы) мощности шумов приёмного устройства; от его величины, в свою очередь, зависитдальность действия радиоэлектронных систем.

Устройства и системы  СВЧ

 Различные сочетания пассивных, а также активных и пассивных СВЧцепей используют для создания разнообразных устройств, таких, как антенно-фидерные, соединяющиеантенну посредством фидера со входной цепью радиоприёмника или выходной цепьюрадиопередатчика, генераторы и усилители, приёмники излучения, умножители частоты, измерительные приборы и т. д. Применение в СВЧ устройствах сверхпроводящих резонаторов,водородных и цезиевых генераторов позволило получать весьма малуюотносительную нестабильность частоты (10^-10—10^-13).

При построении радиоэлектронных систем с большим энергетическим потенциалом используютгенераторы на клистронах, магнетронах и др. приборах магнетронного типа либо (главным образом вантенных системах, представляющих собой фазированные антенные решётки с электронным управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительномаломощных (до нескольких десятков вт) электронных приборов, работающих параллельно; параллельноработающие мощные приборы СВЧ применяют в ускорительной технике. Задачаснижения шумов приёмных устройств наиболее эффективно решается при использовании параметрическихусилителей (преимущественно неохлаждаемых) и квантовых усилителей — мазеров (в которых активная среда охлаждается до температуры жидкого гелияили азота — 4 или 77 К). В технологических целях и для приготовления пищи используются СВЧ печи.

Рисунок 1 –Основные устройства СВЧ печи

Радикальное решение проблемы миниатюризации и надёжности аппаратуры в системах невысокогоэнергетического потенциала было найдено путём создания полностью полупроводниковых передающих иприёмных устройств, особенно в интегральном исполнении. Т. к. размеры основных элементов в гибридных и монолитных интегральных схемах. СВЧ составляют десятки и единицы мкм, такие устройства, применяемые главнымобразом на частотах от 1 до 15 Ггц, можно конструировать из элементов цепей с сосредоточеннымипараметрами и двухпроводных линий; при их разработке наибольшие трудности вызывают проблемы отводатепла и устранения паразитных связей. Эта область  СВЧ, а также техника миллиметрового исубмиллиметрового диапазонов находятся в стадии интенсивного освоения.

Безопасность работы с устройствами  СВЧ.Рост масштабов применения СВЧ устройств и особенноиспользование устройств большой мощности привело к заметному повышению уровня СВЧ энергии наземном шаре и к увеличению локальной интенсивности излучения СВЧ энергии передающими антеннами(особенно с острой диаграммой направленности). Кроме того, когда к антенне по фидеру подводитсязначительная СВЧ мощность, появляются высокие напряжения, опасные для здоровья и жизни находящихсяпоблизости людей. В связи с этим возник специальный раздел гигиены труда—радиогигиена, занимающаяся изучением биологического влияния радиоизлучений и разработкой мер попредотвращению вредного действия СВЧ энергии на человека и поражения его электрическим током СВЧ.Считаются безопасными для здоровья человека следующие предельно допустимые плотности потокамощности 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 спромышленными СВЧ устройствами разрешается только после выполнения необходимых мерпредосторожности в соответствии с правилами техники безопасности для такого рода устройств. Слабыедозы облучения волнами СВЧ диапазона применяются для электролечения (т. н.микроволновая терапия).

Перспективы  СВЧ

Перспективы развития СВЧ техники тесно связаны с развитием как традиционных, так и новых направленийэлектросвязи, радиолокации, электроэнергетики, промышленной технологии, с изучением взаимодействияэлектромагнитного поля с веществом, растениями и др. живыми организмами и т. д., с дальнейшимосвоением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн — прежде всего в радиотехнике, ядернойфизике, химии и медицине. Они также обусловливаются потребностью в увеличении энергетическогопотенциала и повышением требований к спектральным характеристикам излучающих СВЧустройств.