echipamente ultra-înaltă frecvență
Tehnologia cu microunde, știință și tehnologie legate de studiul și utilizarea proprietăților undelor electromagnetice și vibrații în gama de frecvențe de la 300 MHz la 300 GHz. Aceste limite sunt relative: în unele cazuri, limita inferioară a cuptorului cu microunde cred că 30 MHz, în timp ce partea superioară - 3 THz. În funcție de tipul de sarcini și a zonelor asociate ale dispozitivului și a sistemului de aplicare C. h. T. (Emitting, transmitere, recepție, măsurare, etc.) pot fi împărțite în informații referitoare la radio (A se vedea. Radiocomunicatii), televizor (A se vedea. Televizor ), radar (A se vedea. radar), navigare (A se vedea. radio-navigație), de radio de control, diagnostica tehnică și de calcul r. d. și energia utilizată în tehnologii industriale, aparate de uz casnic, echipamente medicale, biologice și chimice în timpul transmiterii în consumul de energie și așa mai departe. e. dispozitivele și sistemele S. h. m. folosit ca un instrument puternic în multe studii științifice efectuate în spectroscopie de radio (A se vedea. Radiospectroscopy), fizica stării solide (a se vedea. Un solid), Fizică Nucleară (A se vedea. fizica nucleara ..), radioastronomia (vezi astronomie), etc o gamă foarte largă de microunde condiționat împărțit în zone separate, adesea determinate de lungime de undă X, - parcele metru (λ = 10-1 m), UHF (100-10 cm) centimetru ( 10-1 cm) milimetri (1,10 mm) și detsimillimetrovyh (sau sub-milimetri) (1-0.1 mm) valuri. (Lungimea de undă asociată cu frecvența f de relația X = CLF, unde c - viteza de propagare a undelor electromagnetice în vid).
Teoria câmpului electromagnetic de microunde pe baza legilor generale ale electrodinamicii (A se vedea. Electrodinamică), potrivit căreia componentele câmpului electromagnetic (vectorul câmpurilor electrice și magnetice E și H), în funcție de poziția și de timp, și caracteristicile surselor care generează câmp (densitatea de încărcare și densitatea de curent totală), sunt interconectate sistem Lorenz - ecuațiile lui Maxwell (Vezi Lorenz -. ecuațiile lui Maxwell). Introducerea conceptului de rezistență val (a se vedea. Impedanța caracteristică) a medie ρ = E / H, se poate trece la r. N. ecuații telegrafice (A se vedea ecuația Telegraph.), care să stabilească o conexiune între dispozitivele la microunde (în funcție de poziție și de timp) tensiuni și curenți pe de o parte, și parametrii dispozitivului electric - pe de altă parte.
Proprietățile generale și caracteristici ale dispozitivelor S. C. Dispozitive h t h t (în special, la lungimi de undă de 30 cm. - 3 mm) .... proprietăți caracteristice Inerente care le diferențiază de dispozitivele utilizate în cealaltă, porțiunile adiacente ale spectrului electromagnetic . Astfel de proprietăți includ: comensurabil (de obicei), lungimea de undă, cu dimensiunile liniare ale dispozitivelor și componentelor acestora, co-măsurarea timpului de zbor al electronilor în dispozitivele electronice, cu o perioadă de oscilații la microunde, relativ slab val de absorbție în absorbția ionosferă și puternică (la frecvențe specifice), în apropierea suprafeței strat pământ, un coeficient ridicat de reflexie de pe suprafețele metalice, posibilitatea de a concentra energia de microunde într-un fascicul îngust, capacitatea de interacțiune a energiei cu substanța (atomi și molecule), mari informații capacitatea de microunde și t. d.
Elemente de circuit și instrumente electronice C. h. T. la microunde circuite pasive (care nu conțin energie) și elementele constitutive ale acestora sunt, în principal r. N. linii de transmisie și segmente în diferite ghiduri de undă de radio s (două fire și coaxiale - la valuri metru și decimetrice, coaxiale, goale în interior și fâșii - valuri centimetru; gol, dielectric și kvaziopticheskih - la unde milimetrice si sub-milimetrice), prin care energia electromagnetică este transmisă directionally la receptor, în scopul de a sublinia și mai mult în ea semnale de informații utile sau de energie cu microunde. De obicei linia are o lungime corespunzătoare cu o lungime de undă sau mai mare decât una; timpul de propagare în linie este comparabil cu perioada de oscilație a cuptorului sau depășește ea. Spre deosebire de circuitele electrice (aplicate parțial pe metru, dar, de obicei, la lungimi de undă mai) în care inductanța este concentrată în bobina, capacitatea - în condensator, rezistența - în rezistor, și care se numește lanț catalogheaza constantă, capacitate, inductanță și rezistență linia de transmisie poate fi reprezentată prin distribuite de-a lungul conductorului; astfel încât linia menționată ca t. n. circuite cu parametri distribuiți. proceselor electrice care au loc în astfel de circuite trebuie să fie studiate, nu numai în timp, dar, de asemenea, în spațiu.
Atunci când o linie este conectat pe de o parte generator de variabilă FEM, iar celălalt - sarcina de-a lungul liniei (de la generator la sarcină) se deplasează tn .. cursiva (A se vedea. valuri Călătoare), care transportă energie. Modul val pur călătoresc are loc în linie numai în cazul în care este încărcat pe rezistența egală cu impedanța caracteristică ρ sale; impedanța de intrare a unei astfel de linie (la bornele generatorului) este de asemenea egală cu impedanța de sarcină; în absența pierderilor în tensiune linie valori efective pretutindeni constante de-a lungul acestuia și energia transmisă este complet absorbită de rezistența de sarcină. În liniile deschise și scurtcircuitate (Fig. 1), dimpotrivă, undele staționare în modul stabilit (A se vedea. Valuri permanente) și de-a lungul liniilor de noduri alternative și ventrele de tensiune și curent. Pentru orice altă valoare a rezistenței de sarcină și natura condiției de potrivire este încălcat (. A se vedea, de armonizare) și rezistențe în linie este un proces mai complex - a seta modul de așa-numitul .. amestecate sau combinate, valuri (o parte din energia valurilor incidente este absorbit în rezistența de sarcină activă, în timp ce energia rămasă este reflectată de ea - valuri în picioare). Impedanța de intrare a acestor segmente de linie, sau poate avea o natură periodică și diferite dimensiuni într-o gamă largă în funcție de alegerea lungimii de undă de operare, natura sarcinii și lungimea liniei geometrice. De exemplu, fără pierderi linie de rezistență de intrare a fost încărcată pe rezistența Rj. pentru un număr impar de valuri trimestru care se potrivesc de-a lungul ei, nici nu ρ 2 / RL. și chiar - RH. Pentru a caracteriza linia de mod și determinarea cantității de energie alocată sarcinii, călătorind raportul utilizat undă egală cu raportul dintre stres minim și maxim de-a lungul unei linii sau reciproca el și numit raportul undei staționare.
Pe proprietățile liniilor segmentelor și corpurile metalice tubulare cu anumite dimensiuni geometrice și configurații cu impedanțe diferite de intrare, pe bază proiectarea diferitelor componente cu microunde și ansambluri, cum ar fi două fire și coaxial rezonator cavitatea s, impedanta transformatorului, filtre electrice (A se vedea . Electrofiltru) compuși hibrizi (vezi. compusul hibrid), cuploare direcționale (A se vedea. cuplorul direcțională), atenuatoare, defazoare (A se vedea. Fazovraschate l microunde) Flex s și mai mult. ., Etc. Utilizarea liniilor pentru a crea o ferita de microunde elemente permise și nodurile având (de suprimare a fasciculului) proprietăți ireversibile - cum ar fi de exemplu izolatoare, defazoare dirijate (vezi gyrator.), Circulator etc. s.
circuite active cuprind elemente pasive, împreună cu surse de energie de microunde. Acestea din urmă includ în principal dispozitive electronice - altele electronice, semiconductori, cuantice etc. Principalele tipuri de dispozitive electronice utilizate la frecvențe de microunde pentru generarea, amplificare, transformare și detecție -. Sunt dispozitive în care fluctuațiile electrice sau câmpului undei electromagnetice interacționează fluxul de electroni ( curent). Acestea sunt împărțite în două grupe: tuburi de electroni cu un control electrostatic curent (grid controlat), în care o creștere a energiei de microunde oscilație este un rezultat al impactului modificării potențialului rețelei de control pentru sarcină spațială la catod (triodă s, tetroda s, pentodă s), și instrumente electronice control dinamic actual în care o creștere a energiei câmpului de microunde se datorează discrete (în clistron) sau continuu (în deplasare tuburi de undă (a se vedea. lumina cu undă), lămpi înapoi val (a se vedea. lampă valuri înapoi s), magnetron ah, în dispozitive bazate pe maser rezonanță ciclotronică, - oscilatoare ICR și amplificatoare, etc.) ale electronilor care interacționează cu câmpul de microunde ... Pentru a reduce efectul nociv al electronilor de inerție interelectrodic capacitances și inductanțe ale cablurilor (limitând amplificarea maximă frecvență și generarea), precum și pentru a reduce pierderile dielectrice în containerul pentru material și capacul lămpii în dispozitivele din grupul 1 (se aplică în principal la valuri metru și decimetrice) furnizate o serie de măsuri structurale și tehnologice, cum ar fi reducerea suprafețelor de distanță interelectrodic și electrod (acestea din urmă sunt realizate sub formă de discuri - pentru a asigura conectarea convenabil la aceasta cavitate rezonatoare), utilizarea unor produse ceramice speciale, energie de microunde pierderi mici și altele. Astfel de dispozitive includ lampa sinterizat. Nuvistor s, lumini intermitente (A se vedea. Lumini intermitente), și koaksitrony Reznatron s. Aparate de al 2-lea grup (utilizate în principal în valuri decimetrice, centimetri și milimetri) sunt lipsiți de multe dintre dezavantajele dispozitivelor din grupa 1, dar principiul de funcționare, tipul și configurația este de obicei mai dificil de acestea; limitând frecvența maximă câștig și generează în aceasta din cauza o scădere bruscă (prin creșterea frecvenței de funcționare) dimensiunile și toleranțele de fabricație ale elementelor individuale ale cuptorului, creșterea pierderilor, scăderea fluxului de comunicare a electronilor cu câmpul de microunde și altele. motive. Semiconductori toate tipurile principale - detector și amestecare de diode semiconductoare cu microunde (A se vedea diode semiconductor.) Cu microunde Transistor s, Varactors (varicap s), diode semiconductoare de tranzit avalanșă (A se vedea avalanșă diode semiconductor de tranzit.), Gunn dioda s, dioda Schottky (A se vedea. diode de tunel) (diode. A se vedea parametric semiconductor) s, diode tunel, diode semiconductoare parametrice - sunt utilizate în banda de microunde; generatoare și amplificarea dispozitive de a dezvolta în funcțiune putere utilă continuă la câteva zeci de wați în intervalul metru și până la câteva wați în centimetru.
performanță cu microunde Generalizat de dispozitive electronice pentru transmiterea și primirea informațiilor, acestea sunt caracteristici de frecvență a energiei, care arată dependența de frecvență a puterii maxime realizabile la radiație (Fig. 2) și un nivel minim atunci când primește zgomot (Fig. 3). Aceste caracteristici, în special asociate cu obținerea cel mai mare potențial energetic - relația de ieșire a dispozitivului de transmisie la minim admisibilă (pentru funcționarea normală a) puterea de zgomot dispozitivul de recepție; din valoarea sa, la rândul său, depinde de gama de sisteme radioelectronice.
Dispozitive și sisteme pp h. T. Diferite combinații de circuite cu microunde pasive și active și pasive utilizate pentru o varietate de dispozitive, cum ar fi secțiuni de antenă de conectare a antenei (vezi. O antenă) prin intermediul unui alimentator de la circuitul de intrare sau o ieșire radio și circuitul emițător radio și generatoarele și amplificatoare, receptoare de radiații. multiplicatori de frecvență (A se vedea. multiplicatorul de frecvență), dispozitive de măsurare, etc. d. Folosirea rezonatoare dispozitive cu microunde supraconductoare și generator de hidrogen cesiu (vezi. Standarde de frecvență Quantum) a permis să se obțină o instabilitate foarte joasă frecvență relativă (10 -10 -10 -13) .
În construcția sistemelor electronice cu potențial de utilizare a energiei mari generatoare clistroane, magnetroane, și altele. Tipul de instrumente magnetron sau (în principal în sistemele de antenă, care sunt eliminate treptat în sistemele de antenă (a se vedea. Phased antena matrice) cu model de radiații controlat electronic) Un număr mare (până la 10 mii) relativ subțire (până la câteva zeci de wați) de dispozitive electronice care funcționează în paralel .; funcționare dispozitive paralele cu microunde de mare putere utilizate în tehnologia de accelerare (vezi. Inginerie Nucleară). Obiectivul reducerii dispozitivelor de recepție a zgomotului cel mai eficient realizată folosind amplificatoare parametrice (principal nerăcit) și amplificatoare cuantice (vezi amplificator cuantic.) (Vezi amplificator parametric.) - masers (în care mediul activ este răcit la o temperatură de heliu lichid sau azot - 4 sau 77 K ). Pentru a prelucra și microunde cuptor folosit pentru gătit (fig. 4, 5).
O soluție radicală la problema miniaturizare și fiabilitatea echipamentelor în sistem redus de construcție a energiei a fost găsit prin crearea unui transmițător complet semiconductor și primirea dispozitivelor (Fig. 6), în special sub formă integrată (vezi. Microelectronica. Tehnologia planară). Elemente de bază. Deoarece dimensiunea în hibrid și circuite integrate monolitice (a se vedea. Un circuit integrat). Unități cu microunde și zeci de microni, astfel de dispozitive sunt utilizate în principal pentru frecvențe de la 1 la 15 GHz, pot fi construite din elemente ale unui circuit de catalogheaza și linii cu două fire; atunci când în curs de dezvoltare cele mai mari dificultăți cauzează probleme de disipare a căldurii și a elimina cuplajul parazitare. Această regiune C. h. M. și aparate milimetrică și gama submillimeter sunt în curs de dezvoltare intensivă.
Dispozitive de siguranță cu C. h. M. utilizarea înălțime scară de dispozitive cu microunde și, în special, utilizarea de dispozitive de mare putere a condus la o creștere semnificativă a nivelului de putere de microunde de pe glob și pentru a crește intensitatea locală a radiației cu microunde antenele de transmisie a energiei (in special cu diagrama directivitate ascuțite). În plus, atunci când antena este alimentat de o putere de microunde alimentator de mare, există de înaltă tensiune, periculoase pentru sănătatea și viața oamenilor din apropiere. În acest sens, a existat o secțiune specială a sănătății la locul de muncă (a se vedea Sanatate Ocupationala.) - radiogigiena care studiază efectele biologice ale emisiilor radio și dezvoltarea unor măsuri de prevenire a efectelor nocive ale energiei RF asupra oamenilor și înfrângerea lui microunde electrocutarea. Sunt considerate sigure pentru sănătatea umană următorul câmp maxim densitatea fluxului de putere maximă admisibilă la microunde: 10 mW / cm2 timp de 7-8 ore, 100 mW / cm2, timp de 2 ore, 1 W / cm2 timp de 15-20 de minute (cu necesarul ochelari de protecție). Toleranța de personal pentru a lucra cu dispozitivele industriale cu microunde sunt permise numai după măsurile de precauție necesare, în conformitate cu reglementările de siguranță pentru astfel de dispozitive. Undele slabe UHF dozelor de iradiere utilizate pentru electroterapie (A se vedea. electroterapie) (m. N. terapie cu microunde).
Perspective C. h. T. sunt strâns legate de dezvoltarea ambelor direcții noi și tradiționale de telecomunicații, radar, energie electrica, tehnologie industrială, studiul interacțiunii câmpurilor electromagnetice cu substanța, și alte plante. Organisme vii, și așa mai departe. G. Odată cu dezvoltarea în continuare a milimetrică și valuri submillimeter - în special în domeniul electronicii, fizică nucleară, chimie și medicină. De asemenea, ele condiționate de necesitatea de a crește capacitatea de energie (a se vedea. Fig. 2. 3) și a cerințelor crescute la caracteristicile spectrale ale cuptorului cu microunde dispozitive radiante.
Lit: Kapitsa PL High-Power Electronics, M. 1962;. Sretenskiy V. N. Bazele utilizării dispozitivelor electronice la frecvențe de microunde, M. 1963; Harvey A. F. frecvențe tehnica ultrahigh culoar. din limba engleză. t 1-2, M. 1965 .; valuri submillimeter Tehnica, ed. RA Valitova, M. 1969 Tehnologia Lebedev IV și dispozitive cu microunde, 2nd ed. t 1-2, M. 1970-1972 .; Cuptor cu microunde - energie, trans. din limba engleză. t 1-3, M. 1971 .; receptoare radio, ed. N. V. Bobrova, M. 1971 Rudenko VM Halyapin D. B. Magnushevskiy V. R. circuite de intrare cu zgomot redus de receptoare cu microunde, M. 1971 Katsman Yu A. dispozitive la frecvențe de microunde, M. 1973. Minin B. A. microunde și securitatea umană, M. 1974; Aplicarea cu microunde în industrie, știință și medicină, în primul rând. din limba engleză. "Proceedings Inginerie Electrică și Electronică a Institutului", 1974, Vol. 62, № 1 (Special Issue).
B. A. Serogin, V. N. Sretensky.
Fig. 1. Distribuția tensiunii amplitudinilor U și curentul I în idealul (nici o pierdere de energie) a deschis (jos) și pantaloni scurți (de sus) a liniilor de transmisie cu microunde de diferite lungimi I: și - l
Marii Enciclopedii Sovietice. - M. sovietic Enciclopedia. 1969-1978.