Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Книга может быть полезна также для молодых инженеров и работников промышленности, изучающих эту отрасль техники. Следует отметить, что нри самостоятельном изучении этого курса совершенно необходимо параллельное использование текущей журнальной литературы. Только при этом условии может быть обеспечено ознакомление с новинками, непрерывно появляющимися во всех отраслях радиоэлектроники сверхвысоких частот. .0.
Д. ДЕВЯТКОВ Июнь 1960 г. ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ Во второе издание книги внесены изменения, учитывающие новые направления развития электроники сверхвысоких частот. Больше внимания уделено замедляющим системам и некоторым вопросам квазиоптических устройств. Дано понятие о применении матриц рассеяния для анализа и синтеза устройств СВЧ, о многоволновых волноводах, о шумах в волноводных линиях и др. Наряду с этим сокращены математические выкладки, связанные, в частности, с рассмотрением однородных волноводов, и произведен ряд сокращений в той мере, в какой они не нарушают ясности изложения. Опыт использования первого издания книги и положительные отзывы о ней как педагогов высших учебных заведений, так и специалистов, работающих в области электроники СВЧ, позволяют рекомендовать второе издание в качестве учебника для студентов специальности «Электронные приборы».
Книга может быть использована также студентами смежных специальностей и молодыми специалистами. Вслед за этим изданием будет издан 2-й том книги «Техника и приборы сверхвысоких частот», посвященный электровакуумным приборам СВЧ. .0'. Д. ЦЕВЯТКОВ Декабрь 1966 г.
Глава первая ВВЕДЕНИЕ ф И. ОСОБЕННОСТИ ДИАПАЗОНА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ Под сверхвысокими частотами (СВЧ) принято понимать участок электромагнитного спектра с частотами колебаний, лежащими б изительно между 30 Мгц и 3000 Ггц, и с длинами волн соответственно между 10 м и 0,1 лл. Таким образом, диапазон СВ Ч р асположен между областью «обычных» радиоволн и участком инфракрасных и световых излучений. Этот диапазон частот, ширина которого в 105 раз превышает сумму всех диапазонов, используемых «обычной» радиотехникой и электротехникой, принято условно делить на несколько более узких диапазонов.
Метровыми волнами называют волны длиной от 10 до 1 м (частоты от 30 до 300 Мгц). Дециметровым волнам соответствуют длины волн от 1 и до 10 см или частоты от 300 до 3000 Мгц. Сантиметровый диапазон занимает участок длин волн от 10 до 1 см, что соответствует частотам от 3000 до 30000 Мгц (или, иначе говоря, от 3 до 30 Ггц). Миллиметровый диапазон характеризуется длинами волн между 1 см и 1 лл или частотами от 30 до 300 Ггц. Сублиллилетровый диапазон волн занимает весь остальной участок спектра между миллиметровыми и длинными инфракрасными волнами. Роль диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых разнообразных областей науки и техники — радиолокации, радиоуправления, связи, телевидения, промышленной электроники. Сверхвысокочастотные приборы широко используются в ракетной и атомной технике и во многих областях физических исследований.
Освоение космического пространства, нарастающее использование электроники СВЧ в ряде областей народного хозяйства и медицине потребуют в будущем еще более широкого применения техники и приборов сверхвысоких частот. Электромагнитные колебания диапазона СВЧ обладают рядом важных Физических особенностей и свойств, отличающими их от смежных участков спектра. 1. На сверхвысоких частотах длина волны соизмерима с линейными размерами физических тел. Геометрические размеры аппаратуры, в том числе и антенн, также оказываются соизмеримыми с длиной волны и могут значительно превышать ее.
Поэтому волны диапазона СВЧ обладают квазиоптическими свойствади, т. е. по характеру распространения приближаются к светоьым волнам. Наряду с этим принципы работы СВЧ устройств в значительной мере определяются явлениями дифракции и не могут непосредственно использовать законы геометрической оптики, а также законы обычных электрических цепей.
Квазиоптические свойства особенно ценны для направленной передачи сигналов, а также для определения координат объектов. Именно это обстоятельство дало первый толчок к широкому применению сверхвысоких частот в радиолокационной технике. 2. В отличие от более длинных радиоволн и инфракрасных излучений, волны СВЧ, особенно на участке между 100 ЛХг~ и 10 Гг~, почти беспрепятственно проникают сквозь ионизированные слои, окружающие Землю, а также сквозь атмосферу. Существование шпрокого окна прозрачности в диапазоне сверхвысоких частот дает возможность, с одной стороны, исследовать мировое пространство радиоастрономическими методами, используя СВЧ излучение Солнца, звезд и других космических тел.
С другой стороны, это свойство, в сочетании с острой направленностью излучения, делает диапазон СВЧ незаменимым для развития космических исследований, в том числе для обмена информацией между Землей и космическими устройствами. 3. Величина кванта энергии, соответствующая диапазону СВЧ, соизмерима с разностью энергий близко расположенных энергетических уровней атомов и молекул.
Поэтому сверхвысокочастотные электромагнитные колебания, в особенности колебания, лежащие в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, обладают способностью резонансного знергвтического взаимодействия с веществом. Это оостоятельство широко используется при анализе строения вещества методами СВЧ радиоспекчроскопии. Помимо решения специфических научных проблем, это направление, в свою очередь, оказывает сильное влияние на развитие техники СВЧ. Использование резонансного взаимодействия СВЧ колебаний с атомами и молекулами привело к разработке принципиально новых устройств — квантовых молекулярных усилителей и генераторов и к развитию квантовой электроники. 4. Период сверхвысокочастотных колебаний соизмерим с временем пролета электронов в междуэлектродном пространстве электровакуумных приборов, имеющим порядок 10 '-:-10 9 сек, и часто оказывается значительно меньше времени пролета.
Связанные с этим пролетные явления делают, как правило, невозможной работу «обычных» электровакуумных прпборои на СВЧ. Вместо «классических» электронных ламп в диапазоне сверхвысоких частот разработаны и непрерывно совершенствуются специальные типы приборов, основанные на полезном использовании инерции электронов,— клистроны, магнетроны, лампы бе~ ущей и обратной волны, платинотроны и др. Стремительное развитие электроники СВЧ лежит в основе успехов, достигнутых во всех отраслях техники сверхвысоких частот.
5. В диапазоне СВЧ можно разместить значительно большее число каналов связи, чем на более низких частотах. Например, нетрудно видеть, что даже узкая полоса частот в 1% при средней частоте 10 Гщ (длина волны 3 сл) позволяет в принципе разместпть столько же независимых каналов, сколько их имеется во всем диапазоне от сверхдлинных до ультракоротких волн длиною 3 м.
Большая информационная емкость СВЧ диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и телевизионную связь, в особенности на сантиметровых, миллиметровых и, возможн ~,, на субмиллиметровых волнах. Создание квантовых генераторов и усилителей оптического диапазона (лазеров) дает возможность еще более повысить информационную емкость каналов связи с непосредственным использованием методов и аппаратуры СВЧ диапазона. Специфические свойства диапазона СВЧ особенно сильно проявляются на волнах короче 1 л.
Поэтому к диапазону СВЧ часто относят лишь дециметровые, сантиметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны. Дальнейшее изложение материала будет относиться главным образом именно к этим участкам электромагнитного спектра. Тем не менее, многие методы техники СВЧ распространены сейчас на значительно более высокие частоты, включая оптический диапазон. Это обстоят ельство еще раз подчеркивает особую роль техники и приборов СВЧ.
Изучение и освоение диапазона СВЧ требует решения многпх проблем, качественно отличных от задач, встречающихся на более низких частотах. Значительный вклад в развитие и применение диапазона СВЧ внесли советские ученые, разработавшие принципиально новые методы генерирования, усиления и канализации колебаний СВЧ. Широко известны труды Б. А.
Введенского, Л. Г. Аренберга, М. С Неймана, Г. В. Кисунько, посвященные Распространению радиоволн, передающим линиям и колебательй ым системам СВЧ, и работы Н. Д. Девяткова, В. И. Калинина, М. Т. Греховой, М. С. Неймана, С. Д. Гвоздовера, А. М. Прохорова, Н Г. Басова и др.
в области генерирования и усиления СВЧ колебаний. Эти и многие другие работы советских и зарубежных 1'ченых лежат в основе современных направлений техники и приборов сверхвысоких частот. 5 1.2. ПРИМЕНЕНИЕ ПЕРЕДАЮЩИХ ЛИНИЙ И КОЛЕБАТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ НА СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТАХ Передающие линии (фидеры) и колебательные цепи играют существенную роль во всех отраслях электротехники и радиотехники. Однако при переходе к сверхвысоким частотам передающие линии приобретают особо важное, принципиальное значение.
Существенным обстоятельством, влияющим на поведение и свойства передающих линий СВЧ, является то, что их протяженность соизмерима с длиной волны и, как правило, превышает ее. Поперечные размеры линии также оказываются соизмеримыми с длиной волны. Последнее приводит к ряду интересных явлений, выходящих далеко за рамки классической теории длинных линий. Методы канализации сверхвысокочастотной энергии претерпевают глубокие изменения. Наиболее характерной передающей линией диапазона СВЧ является волновод — металлическая труба, по внутренней полости которой осуществляется передача энергии. Линейные размеры колебательных цепей при сверхвысоких частотах также оказываются сравнимыми с длиной волны.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
