Сверхвис про ких част д т і хніка, техніка НВЧ, область науки і техніки, пов'язана з вивченням і використанням властивостей електромагнітних коливань і хвиль в діапазоні частот від 300 МГц до 300 Ггц. Ці кордони умовні: в деяких випадках нижньою межею діапазону СВЧ вважають 30 Мгц, а верхній - 3 ТГц. За типом вирішуваних завдань і пов'язаних з ними областях застосування пристрою і системи С. ч. Т. (Випромінюючі, передавальні, приймальні, вимірювальні і ін.) Можна поділити на інформаційні, пов'язані з радіозв'язку , телебаченню , радіолокації , радіонавігації , Радіоуправління, технічної діагностики, обчислювальній техніці і т. Д., І енергетичні, застосовувані в промислової технології, побутових приладах, в медичному, біологічному та хімічному обладнанні, при передачі енергії і т. Д. Пристрої і системи С. ч. Т. використовуються як потужний інструмент у багатьох наукових дослідженнях, проведених в радиоспектроскопии , фізики твердого тіла , ядерної фізики , радіоастрономії та ін. Дуже широкий діапазон СВЧ умовно розбивають на окремі ділянки, найчастіше визначаються довжиною хвилі l, - ділянки метрових (l = 10-1 м), дециметрових (100-10 см), сантиметрових (10-1 см), міліметрових ( 10-1 мм) і Децімілліметровие (або субміліметрових) (1-0,1 мм) хвиль. (Довжина хвилі пов'язана з частотою f співвідношенням l = clf, де с - швидкість поширення електромагнітних хвиль у вакуумі.)

Теорія електромагнітного поля НВЧ грунтується на загальних законах електродинаміки , Відповідно до яких складові електромагнітного поля (вектори електричного і магнітного полів Е і н), що залежать від координат і часу, і характеристики джерел, що породжують це поле (щільність заряду і щільність повного струму), пов'язані між собою системою Лоренца - Максвелла рівнянь . вводячи поняття хвильового опору середовища r = Е / Н, можна перейти до т. зв. телеграфним рівнянням , Які встановлюють зв'язок між напругою і струмами в СВЧ пристроях (залежними від координат і часу), з одного боку, і електричними параметрами пристроїв - з іншого.

Загальні властивості і особливості пристроїв С. ч. Т. Пристроям С. ч. Т. (Особливо на довжинах хвиль 30 см - 3 мм.) Притаманні характерні властивості, які відрізняють їх від пристроїв, застосовуваних в інших, прилеглих до них ділянках електромагнітного спектра . До числа таких властивостей відносяться: соизмеримость (як правило) довжини хвилі з лінійними розмірами пристроїв і їх елементів, сумірність часу прольоту електронів в електронних приладах з періодом СВЧ коливань, щодо слабке поглинання хвиль в іоносфері і сильне (на певних частотах) поглинання їх в приповерхневому шарі Землі, високий коефіцієнт відбиття від металевих поверхонь, можливість концентрації СВЧ енергії в вузькому промені, здатність енергетичної взаємодії з речовиною (молекулами і атомами), велика інформаційна ємність діапазону СВЧ і т. д.

Ланцюги, елементи і електронні прилади С. ч. Т. У діапазоні СВЧ пасивні ланцюги (які не містять джерел енергії) і входять до них елементи представлені головним чином т. Н. лініями передачі і їх відрізками у вигляді різних радіохвилеводів (Двопровідних і коаксіальних - на метрових і дециметрових хвилях; коаксіальних, порожнистих і Полоскова - на сантиметрових хвилях; порожнистих, діелектричних і квазіоптичних - на міліметрових і субміліметрових хвилях), за допомогою яких електромагнітна енергія направлено передається до приймача з метою подальшого виділення в ньому сигналів корисної інформації або енергії СВЧ. Зазвичай лінія має довжину, порівнянну з довжиною хвилі або більшу, ніж вона; час поширення хвилі в лінії можна порівняти з періодом СВЧ коливань або перевищує його. На відміну від електричних ланцюгів (застосовуваних частково на метрових, але частіше на більш довгих хвилях), в яких індуктивність зосереджена в котушці, ємність - в конденсаторі, активний опір - в резисторі і які називаються ланцюгами із зосередженими постійними, ємність, індуктивність і активний опір в лінії передачі можна уявити розподіленими вздовж усього провідника; тому лінії відносять до т. зв. ланцюгах з розподіленими параметрами. Електричні процеси, що протікають в такого роду ланцюгах, вимагають вивчення не тільки в часі, але і в просторі.

Коли до лінії з одного боку підключений генератор змінної ЕРС, а з іншого - навантаження, уздовж лінії (від генератора до навантаження) рухається т. Н. біжучий хвиля , Що переносить енергію. Режим чисто біжучих хвиль спостерігається в лінії тільки в тому випадку, якщо вона навантажена на опір, рівний її хвильовому опору r; вхідний опір такій лінії (на клемах генератора) також дорівнює опору навантаження; при відсутності втрат в лінії діючі значення напруги струму уздовж неї всюди постійні, і передана енергія повністю поглинається опором навантаження. У розімкнутої і короткозамкненою лініях (рис. 1), навпаки, встановлюється режим стоячих хвиль , І вздовж лінії чергуються вузли і пучности напруги і струму. При будь-якому іншому значенні і характер навантажувального опору порушується умова узгодження опорів і в лінії відбувається більш складний процес - встановлюється режим т. н. змішаних, або комбінованих, хвиль (частина енергії падаючої хвилі поглинається в активному опорі навантаження, а інша енергія відбивається від неї - утворюються стоячі хвилі). Вхідний опір такої лінії або її відрізків може мати періодичний характер і величину, що змінюється в широких межах в залежності від вибору довжини робочої хвилі, характеру навантаження і геометричної довжини лінії. Так, наприклад, вхідний опір лінії без втрат, навантаженої на активний опір Rн, при непарному числі чвертей хвилі, що укладаються уздовж неї, так само r 2 / R н, а при парному - Rн. Для характеристики режиму лінії і визначення величини потужності, що виділяється в навантаженні, користуються коефіцієнт біжучої хвилі, рівним відношенню мінімальних і максимальних напружень уздовж лінії, або величиною, зворотної йому і званої коефіцієнтом стоячої хвилі.

На використанні властивостей ліній, їх відрізків і порожнистих металевих тіл з певними геометричними розмірами і конфігурацією, що володіють різними вхідними опорами, засновано конструювання різноманітних СВЧ елементів і вузлів, таких як двопровідні, коаксіальні і об'ємні резонатори , трансформатори повних опорів, електричні фільтри , гібридні з'єднання , спрямовані відгалужувачі , Атенюатори, фазовращатели , шлейфи і мн. ін. Використання в лініях феритів дозволило створити СВЧ елементи і вузли, що володіють необоротними (вентильними) властивостями, - такі, як ізолятори, спрямовані фазовращатели (див. гираторов ), циркулятори та ін.

Активні ланцюги містять поряд з пасивними елементами джерела СВЧ енергії. До останніх відносяться головним чином електронні прилади - електровакуумні, напівпровідникові, квантові і ін. Основні види електровакуумних приладів, застосовуваних на СВЧ для генерування, посилення, перетворення і детектування, - це прилади, в яких з електричними коливаннями або полем електромагнітної хвилі взаємодіє потік електронів ( струм). Їх поділяють на 2 групи: електронні лампи з електростатичним керуванням (сітковим керуванням) струмом, в яких збільшення енергії СВЧ коливань відбувається в результаті впливу мінливого потенціалу керуючої сітки на об'ємний заряд у катода ( тріоди , тетроди , пентоди ), І електронні прилади з динамічним управлінням струмом, в яких збільшення енергії СВЧ поля відбувається внаслідок дискретного (в клістронах ) Або безперервного (в лампах хвилі, що біжить , лампах зворотної хвилі , магнетронах , В приладах, заснованих на мазерного-циклотронному резонансі, - МЦР генераторах і підсилювачах і т. Д.) Взаємодії електронів з НВЧ полем. Для зменшення шкідливого впливу інерції електронів, междуелектродних ємностей і індуктивностей висновків (обмежують максимальну частоту посилення і генерування), а також для зниження діелектричних втрат в матеріалі балона і цоколя лампи в приладах 1-ї групи (вживаних головним чином на метрових і дециметрових хвилях) передбачений ряд конструктивно-технологічних заходів, таких, як зменшення междуелектродних відстаней і поверхонь електродів (останні виконуються у вигляді дисків - для забезпечення зручного під'єднання до них об'ємних резонаторів), використання спеціальної кераміки з малими втратами СВЧ енергії та ін. До таких приладів відносяться металокерамічні лампи , нувістори , маячкові лампи , резнатрони і коаксітрони. Прилади 2-ї групи (що застосовуються головним чином на дециметрових, сантиметрових і міліметрових хвилях) позбавлені багатьох недоліків приладів 1-ї групи, але за принципом дії, конструктивним виконанням та налаштування зазвичай складніше їх; обмеження максимальної частоти посилення і генерування в них пов'язано з різким зменшенням (при підвищенні робочої частоти) розмірів і допусків на виготовлення окремих СВЧ елементів, зростанням втрат, зменшенням зв'язку потоку електронів з НВЧ полем і ін. причинами. Напівпровідникові прилади всіх основних типів - детекторні і змішувачі СВЧ напівпровідникові діоди , СВЧ транзистори , Варактори ( варикапи ), лавинно-пролітні напівпровідникові діоди , Ганна діоди , Шотки діоди , тунельні діоди , параметричні напівпровідникові діоди - знаходять застосування у всьому діапазоні СВЧ; генераторні і підсилювальні прилади розвивають в безперервному режимі роботи корисну потужність до декількох десятків Вт в метровому діапазоні і до декількох Вт в сантиметровому.

Узагальненими показниками роботи електронних СВЧ приладів, призначених для передачі і отримання інформації, є їх частотно-енергетичної характеристики, що відображають залежність від частоти гранично досяжних рівнів потужності при випромінюванні (рис. 2) і мінімальних рівнів шумів при прийомі (рис. 3). Ці характеристики, зокрема, пов'язані з отриманням найбільшого енергетичного потенціалу - відносини вихідної потужності передавального пристрою до мінімально допустимої (для нормальної роботи) потужності шумів приймального пристрою; від його величини, в свою чергу, залежить дальність дії радіоелектронних систем.

Пристрої і системи С. ч. Т. Різні поєднання пасивних, а також активних і пасивних СВЧ ланцюгів використовують для створення різноманітних пристроїв, таких, як антенно-фідерні, що з'єднують антену за допомогою фідера з вхідною ланцюгом радіоприймача або вихідний ланцюгом радіопередавача , Генератори та підсилювачі, приймачі випромінювання , умножители частоти , Вимірювальні прилади і т. Д. Застосування в СВЧ пристроях надпровідних резонаторів, водневих і цезієвих генераторів (див. Квантові стандарти частоти ) Дозволило отримувати дуже малу відносну нестабільність частоти (10-10-10-13).

При побудові радіоелектронних систем з великим енергетичним потенціалом використовують генератори на клістронах, магнетронах і ін. Приладах магнетронного типу або (головним чином в антенних системах, що представляють собою фазовані антенні решітки з електронним управлінням діаграмою спрямованості) велике число (до 10 тис.) порівняно малопотужних (до декількох десятків Вт) електронних приладів, що працюють паралельно; паралельно працюють потужні прилади НВЧ застосовують в прискорювальної техніки (див. ядерна техніка ). Завдання зниження шумів приймальних пристроїв найбільш ефективно вирішується при використанні параметричних підсилювачів (Переважно неохолоджуваних) та квантових підсилювачів - мазерів (в яких активне середовище охолоджується до температури рідкого гелію або азоту - 4 або 77 К). У технологічних цілях і для приготування їжі використовуються СВЧ печі (рис. 4, 5).

Радикальне вирішення проблеми мініатюризації і надійності апаратури в системах невисокого енергетичного потенціалу було знайдено шляхом створення повністю напівпровідникових передавальних і приймальних пристроїв (рис. 6), особливо в інтегральному виконанні (див. мікроелектроніка , Планарная технологія ). Т. к. Розміри основних елементів в гібридних і монолітних інтегральних схемах . СВЧ складають десятки і одиниці мкм, такі пристрої, які застосовуються головним чином на частотах від 1 до 15 Ггц, можна конструювати з елементів кіл із зосередженими параметрами і двопровідних ліній; при їх розробці найбільші труднощі викликають проблеми відводу тепла і усунення паразитних зв'язків. Ця область С. ч. Т., А також техніка міліметрового і субміліметрового діапазонів знаходяться в стадії інтенсивного освоєння.

Безпека роботи з пристроями С. ч. Т. Зростання масштабів застосування НВЧ пристроїв і особливо використання пристроїв великої потужності привело до помітного підвищення рівня СВЧ енергії на земній кулі і до збільшення локальної інтенсивності випромінювання СВЧ енергії передавальними антенами (особливо з гострою діаграмою спрямованості). Крім того, коли до антени з фідера підводиться значна СВЧ потужність, з'являються високі напруги, небезпечні для здоров'я і життя знаходяться поблизу людей. У зв'язку з цим виник спеціальний розділ гігієни праці - радіогігіена, що займається вивченням біологічного впливу радіовипромінювань і розробкою заходів щодо запобігання шкідливого впливу НВЧ енергії на людину і поразки його електричним струмом СВЧ. Вважаються безпечними для здоров'я людини такі гранично допустимі щільності потоку потужності поля СВЧ: 10 мвт / см2 протягом 7-8 ч, 100 мвт / см2 протягом 2 ч, 1 Вт / см2 протягом 15-20 хв (при обов'язковому користуванні захисними окулярами ). Допуск обслуговуючого персоналу до роботи з промисловими СВЧ пристроями дозволяється тільки після виконання необхідних запобіжних заходів відповідно до правил техніки безпеки для такого роду пристроїв. Слабкі дози опромінення хвилями СВЧ діапазону застосовуються для електролікування (Т. Зв. Мікрохвильова терапія).

Перспективи С. ч. Т. Тісно пов'язані з розвитком як традиційних, так і нових напрямків електрозв'язку, радіолокації, електроенергетики, промислової технології, з вивченням взаємодії електромагнітного поля з речовиною, рослинами та ін. Живими організмами і т. Д., З подальшим освоєнням міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль - перш за все в радіотехніці, ядерній фізиці, хімії та медицині. Вони також обумовлюються потребою в збільшенні енергетичного потенціалу (див. Рис. 2, 3) і підвищенням вимог до спектральних характеристик випромінюючих СВЧ пристроїв.

Літ .: Капіца П. Л., Електроніка великих потужностей, М., 1962; Стрітенський В. Н., Основи застосування електронних приладів надвисоких частот, М., 1963; Харвей А. Ф., Техніка надвисоких частот, пров. з англ., т. 1-2, М., 1965; Техніка субміліметрових хвиль, під ред. Р. А. Валітова, М., 1969; Лебедєв І. В., Техніка і прилади НВЧ, 2 вид., Т. 1-2, М., 1970-72; СВЧ - енергетика, пров. з англ., т. 1-3, М., 1971; Радіоприймальні пристрої, під ред. Н. В. Боброва, М., 1971; Руденко В. М., Халяпін Д. Б., Магнушевський В. Р., Малошумні вхідні кола СВЧ приймальних пристроїв, М., 1971; Кацман Ю. А ,, Прилади надвисоких частот, М., 1973; Мінін Б. А., СВЧ і безпеку людини, М., 1974; Застосування НВЧ в промисловості, науці та медицині, пров. з англ., «Праці Інституту інженерів з електротехніки та електроніки», 1974, т. 62, № 1 (тематичний випуск).

Б. А. Серьогін, В. Н. Стрітенський.

Мал. 1. Розподіл амплітуд напруги U і струму I в ідеальних (без втрат енергії) розімкнених (внизу) і короткозамкнених (вгорі) СВЧ лініях передачі різної довжини I: а - при l < ; б - I = ; в - <I < ; г - I = ; - довжина хвилі; Г - генератор СВЧ коливань. Поруч з епюрами показані еквівалентні схеми ліній, що відображають характер їх вхідних опорів: L - індуктивність, С - ємність.

Мал. 3. Мінімальні рівні шумів СВЧ електронних приладів і пристроїв і рівні шумів зовнішнього середовища (за даними на 1973-1974): 1 - тріоди; 2 - напівпровідникові діоди (змішувальні); 3 - лампи біжучої хвилі; 4 - параметричні підсилювачі; 5 - мазери; 6 - шупи полюса Галактики; 7 - шуми атмосфери Землі; f - частота; - довжина хвилі; Т - шумова температура.

Мал. 6. Принципова схема (а) і схемно-конструктивне рішення (б) транзисторного підсилювача СВЧ: 1 - вхід; 2 - вхідна компенсуючий ланцюг, що розширює робочий діапазон частот; 3 - вихідна компенсуючий ланцюг; 4 - вихід; 5, 6 - висновок заземлення; 7 - висновок до джерела живлення U; Др - СВЧ дросель; T - транзистор; R1, R2, R3, - резистори; C1, C2, C3, C4 - конденсатори; L1, L2, L3 - котушки індуктівноcті.

Мал. 2. Максимальні рівні потужності СВЧ електровакуумних і напівпровідникових приладів (за станом на 1973-1974): 1 - електровакуумні прилади з сітковим керуванням; 2 - електровакуумні прилади з динамічним управлінням; 3 - напівпровідникові прилади; f - частота; - довжина хвилі; Р - потужність. Суцільні лінії відповідають безперервному режиму роботи, пунктирні - імпульсного.

Мал. 4. Схема РОБОЧОЇ камери СВЧ печі для сушки керамічної шихти: 1 - нерухомости ковпак; 2 - хвілевід; 3 - Відкритий резервуар, Наповнення водної керамічної суспензією; 4 - Пазі, наповнені водою з метою захисту від СВЧ випромінювання; 5 - Знімне дно; 6 - електромеханічний привід; 7 - трубка, по якій стікає вода з-під ковпака при конденсації вологи, що випарувалася; 8 - бачок, в якому розташований пристрій, що відключає СВЧ генератор після закінчення сушки шихти.

Мал. 5. СВЧ піч для приготування їжі: 1 - скляна пластина, на яку кладеться їжа; 2 - вентилятор, лопаті якого, обертаючись, відображають електромагнітні хвилі НВЧ в усіх напрямках з метою прогріву їжі з усіх боків; 3 - хвилевід; 4 - магнетрон; 5 - індикатори, за якими проводиться відлік часу приготування їжі.