Лебедев И.В. Техника и приборы СВЧ. Том 1 (1970) (1152176), страница 66
Текст из файла (страница 66)
В нижней ча<"ш миллиметрового диапазона, и особенно в субмпчлимс ~ровом диапазохк волн, большие перспективы имеет применение открытых диэлектрических волноводов, а также использование квазиоптических и оптических принципов построения высокочастотных трактов и измерительной аппаратуры. 420 Взаимное проникновение техники СВЧ и оптической техники особенно усилилось за последние годы в связи с созданием оптических квантовых генераторов и усилителей (лазеров). Можно, однако, проследить родствен- ность многих задач, решаемых в оптическом диапазоне и диапазоне СВЧ, даже на примерах «классических» оптических методов.
На рис. 12.4,а,о показано устройство «просветляющего» диэлектри- ческого покрытия и многослойного диэлектрического зеркала. По своим функциям и принципу действия они совершенно аналогичны (соответст- венно) согласующим четверть- волновым трансформаторам и дроссельным короткозамыкающим поршням с четверть4~4 волновыми скачками характе- 4Г~ 8~ ристического сопротивления (см. ~ 7.6, а и 8.2). Зеркала, состоящие из 15 — 30 и большего числа чередующихся /~7 ~ слоев (рис.
12.4, б), обеспечи- в =И вают чрезвычайно высокий коэффициент отражения а) 4~Д~ более 99,5% по мощности. Рабочая полоса частот таких зеркал может составлять около одной октавы. Простейшим аналогом наг. 7 правленного ответвителя может служить непоглощающая диэлектрическая пластина, 6 ~, 6 нормаль к которой образует 1-~ я~акала угол гр с падающим лучом ~Ру 0 ТЕМ волны типа ТЕМ (рис. 12.4, в).
Ю,гИ вв~~а~ Отношение проходящей и от- о~ г~ раженной мощностей Р2 и Рз к мощности падающей волны Р, является функцией угла гр. Рис. 12.4. К рассмотрению аналогии Величина гр, при которой ог- между оптическими УстРойствами и ражение проходит через ми- элементами техники СВЧ яиМУМ наэыВаЕтСя УГЛОМ а — четвертьволновая «просветляющая» плен ка на границе раздела воздух — стекло б Р, многослойное диэлектрическое интерферен Рз 1 ционное зеркало, в — полупрозрачное зеркало Р = Р = о рассматриваемое в качестве направленного ответвителя или 1 1 моста, г — трехзеркальный резонатор бегу устройство оказывается со- щей вол1п ~ в ерше нно аналогичным 3-децибельному СВЧ мосту. Возможно и другое применение лучерасщепляющейпластины, изображенной на рис, 12,4, в,— в качестве переменного аттенюатора.
Величина ослаблеР1 сия, т. е. отношение Р, может плавно регулироваться путем изменения 3-в и~нала Х-в зрнало угла ср. Особенныи интерес представляют оптические резонаторы типа интерферометра Фабри-Перо, образованные двумя диэлектрическими или металлическими зеркалами. Устройство таких резонаторов рассматривалось в " Угол Брюстера соответствует полному внутреннему преломлению, т.
е. отсутствию отражения от границы раздела двух диэлектриков при поляризации падающей волны в плоскости падения (вектор Е лежит в плоскости чертежа на рис. 12.4, в). ~ 10.7,б. На рис. 12.4, г изображен другой вариант открытого резонатора— трехзеркальный резонатор бегущей волны. Действие этого резонатора сходно с кольцевым резонатором, описанным в ~ 10.7,а. Степень связи треугольного резонатора с подводящими «линиями» (свободным пространством) определяется коэффициентами отражения и пропускания первого зеркала. Одним из перспективных направлений развития оптических и квази- оптических систем является создание невзаимных устройств, аналогичных вентилям и циркуляторам СВЧ диапазона.
Хотя эффект Фарадея был известен в оптике задолго до создания СВЧ устройств, примене- 1 2 3 ние его для указанных целей в оптическом диапазоне сейчас только начинается. Передающие линии, использующие квазиоптические принципы, могут иметь вид, показанный на рис. 12.5. Передача энергии в такой линии происходит в узком пучке на волне типа ТЕМ. Для устранения расширения пучка в линии на равных расстояниях расположены длинно- фокусные диэлектрические линзы, играющие роль преобразователей фазы (фазовых корректоров). Расстояние ~ между линзами в случае конфокальной системы равно удвоенному фокусному расстоянию каждой линзы. Если отношение радиуса линзы к рабочей длине волны достаточно велико (порядка 100), то потери в таких линиях могут не превышать 1 — 2 дб/км.
Рис. 12.5. Линзовый лучевой волно- вод 1 — наружная труба, 2 — линза, 8 — не прозрачный экран Проблема высокодобротных колебательных систем для нижней части сантиметрового диапазона волн, а также для миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов частично решается путем использования молекулярных резонансов. Так, например, аммиак ХНз имеет «инверсионный» спектр поглощения на волне длиной около 1,25 сл (частота 23870 ЛХг~).
На этой волне молекула аммиака ведет себя подобно резонатору с очень большой добротностью — порядка сотен тысяч и более в зависимости от давления. Атомы цезия и рубидия имеют СВЧ резонансы, лежащие соответственно в 3- и 4-сл диапазонах волн (резонансные частоты 9162 и 6834 Мг~), и т. д. Существенно, что частоты молекулярных и атомных резонансов очень слабо зависят от внешних воздействий. Это свойство используется для создания абсолютных эталонов частоты и для стабилизации частоты генераторов СВЧ. Другая возможность создания «необычных» колебательных систем для сверхвысоких частот заключается в использовании вибрационных свойств электронной плазмы. Давно известно, что плазма, имеющая концентрацию электронов Х, обладает собствено Г№2 ной круговой частотой колебаний, равной ао — — ~1 — .
Выражая концентрацию в единицах на кубический сантиметр, можно полуз чить собственную частоту плазмы в виде ~о — =9 10 у' Х. При обыч- но встречающихся в разрядах на постоянном токе концентрациях У порядка 10'о — 10'4сл 3 резонансные частоты плазмы простираются примерно от 109 до 10" гц, т. е. перекрывают сантиметровый и миллиметровый диапазоны волн.
Работы, ставящие целью техническое применение вибрационных свойств плазмы, до сих пор не вышли из стадии лабораторных исследований. Большие перспективы имеет развитие замедляющих систем. С одной стороны, можно ожидать дальнейшего усовершенствования и создания новых конструкций периодических систем, которые при наличии требуемых дисперсионных характеристик обладают высоким сопротивлением связи и способны рассеивать большую мощность. С другой стороны, могут получить более широкое развитие диэлектрические замедляющие системы. Здесь, как и в случае передающих линий СВЧ, решение проблемы в значительной мере упирается в создание новых типов диэлектриков.
Роль своеобразной замедляющей системы может играть твердое тело, по которому распространяется продольная акустическая волна СВЧ диапазона (гиперзвук) . Наконец, весьма продуктивным является рассмотрение электронных потоков и электронно- ионной плазмы как волноведущих систем с замедленными волнами пространственного заряда. Вопросы техники сверхвысоких частот тесно переплетаются с проблемами генерирования и усиления колебаний.
Появление новых направлений в технике СВЧ может в очень большом степени влиять на развитие всей современной сверхвысокочастотной электроники. Приложение 2 Таблица перехода от децибелов к отношениям напряжений и мощностей Отношение мощностей Отношение мощностей Отношение напряжений юшение ряжений дб Приложение 3 Свойства некоторых проводников, используемых в технике сверхвысоких частот Температурный ноаффициент линей- ного расширения, д Удельная прово- димость, ои .м , — 1 — 1 Температура плавления, град Ц Материал 19,7 10 17,0 10 Серебро чистое Медь отожженная Латунь Сц 90% Са 60% Алюминий 6,28 107 5,80 107 960,5 1083 18,5.1О 2,52 107 ~ 1,65 107 ~ 900 †9 23,8 10 14,2 10 8,84 10 22,0 10 4,3 10 13 10 14.10 — 6 1,5 1О (5,5 — 74,5) 10 Золото чистое Платина Олово Вольфрам Никель Нихром Инвар Графит 28 и. В.
лебедев 0,2 0,4 0,6 0,8 1,0 2,0 3,0 4,0 5,0 1,000 1,028 1,047 1,072 1,096 1,122 1,259 1,413 1,585 1,778 1,000 1,047 1,096 1,148 1,202 1,259 1,585 1,995 2,512 3,162 3,72 107 4,10 107 9,97 106 6,54 106 1,81 10' 1,28 107 9,99 10' 121 106 1,25 10' 6,0 7,0 8,0 9,0 10,0 12,0 14,0 16,0 18,0 20,0 1,995 2,239 2,512 2,818 3,162 3 981 5,012 6,310 7,943 10 3,981 5,012 6,310 7 913 10,000 15,85 25,12 39,81 63,10 100 657 1063,5 1773 232 3370 1455 1380 — 1390 1460 3572 Ф Ф Ф М о Ф~~ Ф Ф ыинвх -Ахве вниьипэя ывнчссвмиачвк ,.ыинвх -яхве вниьинаа ывяээьихэс1оах и о $4 ~2, С~ Д ж Р сб и ВС о Ф о Щ о Й Ф 31 И 'НОнаха вепйпГО,1, о~ юФ Щ Ф Ф о Щ О ! оо сб ~ ьС жИ~ ОЩО~ т~~~ 3 с„~~ ~оФ ~-~ б< Е~ 6~ о ~ о ~ч йЯ о Ф Ф Ф Щ о о Ф к о м Ц оч 'Ф ьФ 1-С Ф о Щ ФФ о а 3 Ж ФС Щ 4.Р "Ц 4 со а~ М Б д Иг у 'вхохавь (Т)ц'1~ счс1 -экевс1 вн чашо~ (+)д'и ~чс1 -аыевс1 вн чаАНОЙ винвх -АЗВЕ ВНИЬИВЭЕ ввнч3гви3иэявк СР СР С) СО С) С'3 СО С~ СО С> СЭ ~Ю СР С) С'3 С3 ~Л СЭ С> с~ СТ~ СР С) ~~винвх — мве вниьипэн ввнэаьихадоах 00 СО С> (5~ С) СР СУ~ СО С~ С~ л3 С:> СР ~1Ъ СР С'3 СО Ф Ж о ОО С) (--) 8 'к 3ЧдаЫ -евй вн ЯЭ ЫО'33 ~Г3 СР СР ОО СР С> С'3 СР СР С'3 СР С~ ОО С0 СО С'3 73 С> СР С0 ОО С'3 С> С'3 СЫ СЫ (Ъ СО 'с 1 Щ С'3 СЫ С) С'3 С'3 СР С3 Ь С0 С) С'3 С~ СР С'3 С С~Э С~ С3 'яэнэл э вни~пРО~ ОО С) ОО С) ОО ("Р С3 С~ С~ С:Р СО С) СО С'3 С> С'3 СЫ СР СЫ ~Ч С> С'3 СО ОО С) оъ С'3 СО3 СЪ С) С'3 С> СО ОО Я С'3 1Г3 С: С'3 СЫ СО ОО СР С"3 С'3 Е ОО СО С'3 С) С'3 ОО м С'3 а Г4 Ф о~ Ф С л о Г4 С) С) Ы 428 М о о ьФ о Ф о ж о Ф о о я Ц М Ф Ф о ж О ! оо (б Г ~С Р'ФФ ж Б "С Ото~ со~~ сб Ф И Ф3 О ~ юг у 'в3.о3,эвь ~:)суй Зчй -акевс1 вн яэ1ной сР сГ~ СР СР °,~с С> СР С) С> со сЛ СР С:> оъ СО с ) СР 1 ~Л С) 0О СР со со С> сс0 С) 0О С'О С~ СР СР С) оъ с'о С» сГ~ со °, « С» С"О о~ С0 со «о нинвх -яхве вниьикае нвнчпвииэявк „ыинвх -яхве вниьииаа нвяэаьихаЫоах йг у 'вхохэвь Я ф»~ о Д со о, Сб Е" ~И о н ф Ю о м с~ о о Ж о о сс д ж Ф Ю о 0О С0 0О С"> СО С) 0О С:> 00 С) (+) 8 '~ тчЫаы -евЫ вн яэХной С~ С> СР сю С:> со (У~ С:> С~ Е сс0 С) с:Р 0О С:> С) с'4 С> С3 о ж о 0О С'4 СО СЭ »н 0О С) 00 С:> Й о ж С) СО С> СЧ С) СГ~ С) СЧ се с'1 сО °, » 0О С) 00 СР Е» ~Ъ Е» о Е» Р~ Е« о о о Ф о н 2 ж Е» ж ~4 с.о 00 С) С:) 0О с:) С:) СЗ С) СР 00 С0 С0 0О С4 С> С) сс0 с'О С) СР со Я С0 С:> С) С) со" С) С) со СО С:> С> С0 «"Р С) 1~;) С) со 0О СЛ С4 С'4 С'4 оъ С) оъ С) к~Ч 3 оо ~н омоГ м Фм~ ,„Е» й Е« С) ссЗ С'Д С) со 4 0О сб ~т ° о ~ Р Ю й~ Е о ~ Р, о О $ о с:) сч СО м д а~Ы о нс ~ сз и~ о н -430 ЖЖ 'яонахэ вин~про~, Я)цо ~чЫ -аыевЫ вн яэлноМ Ф о ф~ Ж ~» Ф Ж со Я, Ос~ ~о оо Ю Ф Й ж~ Й н М ~с Юй оЕ о, с« Е.
ьФ мо~ ,~ о ~~ ой ~Ф~, с~я е о сСм о м Сб Е« жом Сб Ф ~сам ~о~' ойй ИоСС о а> сф с«с0 а5 Е., =с сб й Е» Ю д О ~~'» ~м йс н м Р~ ф н сс Ф о Приложение 6. Матрицы рассеяния некоторых многополюсников, используемых в технике СВЧ * 1. Полностью симметричный ($20-градусный) последовательный тройник: 1 2 2 181 = 1 2 1 — 2 3 2 — 2 1 2. Последовательный тройник, согласованный со стороны плеча 8: 1 1 $/2 1 1 — ~~2 У2 — К 2 О 3.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
