| 8406202 9216 1210 912 1доль линии чередуются узлы и пучности напряжения и тока. При любом ином значении и характере нагрузочного сопротивления нарушается условие согласования сопротивлений и в линии происходит более сложный процесс -устанавливается режим т. н. смешанных, или комбинированных, волн (часть энергии падающей волны поглощается в активном сопротивлении нагрузки, а остальная энергия отражается от неё - образуются стоячие волны). Входное сопротивление такой линии или её отрезков может иметь периодический характер и величину, изменяющуюся в широких пределах в зависимости от выбора длины рабочей волны, характера нагрузки и геометрия, длины линии. Так, напр., входное сопротивление линии без потерь, нагруженной на активное сопротивление RH, при нечётном числе четвертей волны, укладывающихся вдоль неё, равно р2/Кн, а при чётном - Rн. Для характеристики режима линии и определения величины мощности, выделяемой в нагрузке, пользуются коэфф. бегущей волны, равным отношению миним. и макс, напряжений вдоль линии, или величиной, обратной ему и наз. коэфф. стоячей волны. На использовании свойств линий, их отрезков и полых металлич. тел с определёнными геометрич. размерами и конфигурацией, обладающих различными входными сопротивлениями, основано конструирование разнообразных СВЧ элементов и узлов, таких как двухпроводные, коаксиальные и объёмные резонаторы, трансформаторы, полных сопротивлений, электрические фильтры, гибридные соединения, направленные ответвители, аттенюаторы, фазовращатели, шлейфы и мн. др. Использование в линиях ферритов позволило создать СВЧ элементы и узлы, обладающие необратимыми (вентильными) свойствами, -такие, как изоляторы, направленные фазовращатели (см. Гиратор), циркуляторы и др.
Рис. 1. Распределение амплитуд напряжения U и тока I в идеальных (без потерь энергии) разомкнутых (внизу) и коротко-замкнутых (вверху) СВЧ линиях передачи
[2303-4.jpg]
лебаний. Рядом с эпюрами показаны эквивалентные схемы линий, отражающие характер их входных сопротивлений: L - индуктивность, С - ёмкость.
Активные цепи содержат наряду с пассивными элементами источники СВЧ энергии. К последним относятся гл. обр. электронные приборы -электровакуумные, полупроводниковые, квантовые и др. Осн. виды электровакуумных приборов, применяемых на СВЧ для генерирования, усиления, преобразования и детектирования,- это приборы, в к-рых с электрич. колебаниями или полем электромагнитной волны взаимодействует поток электронов (ток). Их подразделяют на 2 группы: электронные лампы с электростатическим управлением (сеточным управлением) током, в к-рых увеличение энергии СВЧ колебаний происходит в результате воздействия меняющегося потенциала управляющей сетки на объёмный заряд у катода (триоды, тетроды, пентоды), и электронные приборы с динамическим управлением током, в к-рых 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 и усилителях и т. д.) взаимодействия электронов с СВЧ полем. Для уменьшения вредного влияния инерции электронов, междуэлектродных ёмкостей и индуктивностей выводов (ограничивающих макс, частоту усиления и генерирования), а также для снижения диэлектрич. потерь в материале баллона и цоколя лампы в приборах 1-й группы (применяемых гл. обр. на метровых и дециметровых волнах) предусмотрен ряд конструктивно-технологич. мер, таких, как уменьшение междуэлектродных расстояний и поверхностей электродов (последние выполняются в виде дисков -для обеспечения удобного подсоединения к ним объёмных резонаторов), использование спец. керамики с малыми потерями СВЧ энергии и др. К таким приборам относятся металлокерамические лампы, нувисторы, маячковые лампы, резнатроны и коакситроны. Приборы 2-й группы (применяемые гл. обр. на дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волнах) лишены Ян. недостатков приборов 1-й группы, но по принципу действия, конструктивному исполнению и настройке обычно сложнее их; ограничение макс, частоты усиления и генерирования в них связано с резким уменьшением (при повышении рабочей частоты) размеров и допусков на изготовление отд. СВЧ элементов, ростом потерь, уменьшением связи потока электронов с СВЧ полем и др. причинами. Полупроводниковые приборы всех осн. типов - детекторные и смесительные СВЧ полупроводниковые диоды, СВЧ транзисторы, варакторы (варикапы), лавинно-пролётные полупроводниковые диоды, Ганна диоды, Шотки диоды, туннельные диоды, параметрические полупроводниновые диоды - находят применение во всём диапазоне СВЧ; генераторные и усилительные приборы развивают в непрерывном режиме работы полезную мощность до неск. десятков вт в метровом диапазоне и до неск. вт в сантиметровом.
Рис. 2. Максимальные уровни мощности СВЧ электровакуумных и полупроводниковых приборов (по состоянию на 1973 -1974): 1 - электровакуумные приборы с сеточным управлением; 2 - электровакуумные приборы с динамическим управлением; 3 - полупроводниковые приборы; f - частота; К - длина волны; Р - мощность. Сплошные линии соответствуют непрерывному режиму работы, пунктирные - импульсному.
Рис. 3. Минимальные уровни шумов СВЧ электронных приборов и устройств и уровни шумов внешней среды (по данным на 1973 - 74): / - триоды; 2 - полупроводниковые диоды (смесительные); 3 - лампы бегущей волны; 4 - параметрические усилители; 5 - мазеры; 6 -шумы полюса Галактики; 7 - шумы атмосферы Земли; f - частота; К - длина волны; Т - шумовая температура.
Обобщёнными показателями работы электронных СВЧ приборов, предназначенных для передачи и получения информации, являются их частотно-энергетич. характеристики, отображающие зависимость от частоты предельно достижимых уровней мощности при излучении (рис. 2) и миним. уровней шумов при приёме (рис. 3). Эти характеристики, в частности, связаны с получением наибольшего энергетич. потенциала - отношения выходной мощности передающего устройства к минимально допустимой (для нормальной работы) мощности шумов приёмного устройства; от его величины, в свою очередь, зависит дальность действия радиоэлектронных систем.
Устройства и системы С. ч. т. Различные сочетания пассивных, а также активных и пассивных СВЧ цепей используют для создания разнообразных устройств, таких, как антенно-фидерные, соединяющие антенну посредством фидера со входной цепью радиоприёмника или выходной цепью радиопередатчика, генераторы и усилители, приёмники излучения, умножители частоты, измерит. приборы и т. д. Применение в СВЧ устройствах сверхпроводящих резонаторов, водородных и цезиевых генераторов (см. Квантовые стандарты частоты) позволило получать весьма малую относит. нестабильность частоты (10-10-10-13).
При построении радиоэлектронных систем с большим энергетич. потенциалом используют генераторы на клистронах, магнетронах и др. приборах магнетрон-ного типа либо (гл. обр. в антенных системах, представляющих собой фазированные антенные решётки с электронным управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительно маломощных (до неск. десятков вт) электронных приборов, работающих параллельно; параллельно работающие мощные приборы СВЧ применяют в ускорительной технике (см. Ядерная техника). Задача снижения шумов приёмных устройств наиболее эффективно решается при использовании параметрических усилителей (преим. неохлаждаемых) и квантовых усилителей - мазеров (в к-рых активная среда охлаждается до темп-ры жидкого гелия или азота -4 или 77 К). В технологич. целях и для приготовления пищи используются СВЧ печи (рис. 4, 5).
Радикальное решение проблемы миниатюризации и надёжности аппаратуры в системах невысокого энергетич. потенциала было найдено путём создания полностью полупроводниковых передающих и приёмных устройств (рис. 6), особенно в интегральном исполнении (см. Микроэлектроника, Планарная технология). Т. к. размеры осн. элементов в гибридных и монолитных интегральных схемах СВЧ составляют десятки и единицы мкм, такие устройства, применяемые гл. обр. на частотах от 1 до 15 Ггц, можно конструировать из элементов цепей с сосредоточенными параметрами и двухпроводных линий; при их разработке наибольшие трудности вызывают проблемы отвода тепла и устранения паразитных связей.
Рис. 4. Схема рабочей камеры СВЧ печи для сушки керамической шихты: 1 -неподвижный колпак; 2 - волновод; 3 -открытый резервуар, наполненный водной керамической суспензией; 4 - пазы, наполненные водой с целью защиты от СВЧ излучения; 5 - съёмное дно; 6 - электромеханический привод; 7 - трубка, по которой стекает вода из-под колпака при конденсации испарившейся влаги; 8 - бачок, в котором расположено устройство, отключающее СВЧ генератор после окончания сушки шихты.
Эта область С. ч. т., а также техника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов находятся в стадии интенсивного освоения.
Рис. 5. СВЧ печь для приготовления пищи: 1 - стеклянная пластина, на которую кладётся пища; 2 - вентилятор, лопасти которого, вращаясь, отражают электромагнитные волны СВЧ по всем направлениям с целью прогрева пищи со всех сторон; 3 - волновод; 4 - магнетрон; 5 -и |
