Сверхвысокие частоты

Самый интересный диапазон в радиофизике - это диапазон сверхвысоких частот (СВЧ). Он интересен и необычными методами генерации и передачи волн, и своими разнообразными применениями в науке и технике.

Бурное развитие техники и приборов СВЧ было вызвано прежде всего потребностями радиолокации. А сейчас эти приборы широко применяются во многих областях науки и техники. В научно-исследовательских институтах, ведущих исследования по физике твердого тела и полупроводников, по квантовой электронике, акустике, физике плазмы, астрономии, химии, биологии и многим другим научным проблемам, можно увидеть скромный прибор, по виду и размерам напоминающий обычную радиолампу, только не в стеклянном, а в металлокерами-ческом баллоне. Это генератор колебаний СВЧ -клистрон.

К СВЧ относятся волны с частотами выше 300 МГц. Их подразделяют на дециметровые (от 300 до 3000 МГц), сантиметровые (от 3000 до 30000 МГц) и миллиметровые (от 30000 до 300 000 МГц) волны. В диапазоне СВЧ мы имеем дело уже не с напряжениями и токами в проводниках, а с электромагнитными полями. Именно здесь начинают по-настоящему "работать" уравнения Максвелла. Без них не обойтись.

А что стало в диапазоне СВЧ с колебательным контуром?

Применять контур в его обычном виде здесь нельзя по той же причине, по которой нельзя передавать колебания СВЧ по проводам - размеры контура становятся соизмеримы с длиной волны, поэтому растут и потери на излучение, а значит, ухудшается форма резонансной кривой контура, снижается его добротность.

Кроме того, для коротких волн, например для лямбда = 1 см (/ = 30 ГГц), изготовить обычные емкости и индуктивности просто невозможно. Ведь они должны здесь быть очень маленькими: L около 0,001 мкГ и С около 0,03 пФ. А индуктивность катушки, состоящей всего из одного витка, составляет около 1 мкГ, т. е. в 1000 раз больше. Да и емкость 0,03 пФ сделать невозможно - одна лишь паразитная емкость соединительных проводников составляет обычно не меньше 2-3 пФ.

Значит, нужно отказаться от соединительных проводников и включить несколько витков параллельно друг другу - индуктивность п параллельных витков в п раз меньше, чем индуктивность одного витка (рис. 9, а). Если продолжать увеличивать п для уменьшения резонансной частоты контура, отдельные витки в конце концов сольются друг с другом и образуют сплошную стенку. Получится замкнутая полость, полый резонатор.

Рис. 9. Полые резонаторы: а — переход от колебательного контура, состоящего из конденсатора и катушки индуктивностей, к полому резонатору на сверхвысоких частотах. Такой резонатор называется тороидальным. На рисунке он показан в разрезе; б — переход от L — С-контура к цилиндрическому полому резонатору.

А можно сделать по-другому. Индуктивность прямого проводника меньше, чем у витка, а у нескольких параллельных проводников индуктивность еще меньше. В конце концов и в этом случае получится полый резонатор (рис. 9, б). Существует много различных форм и конструкций полых резонаторов. Они заменили на СВЧ обычный колебательный контур.

Внутри резонатора происходят колебания электромагнитного поля, а потерь энергии на излучение нет, так как поле не может проникнуть наружу сквозь металлические стенки. Правда, есть другие потери. Колебания электромагнитного поля наводят индукционные высокочастотные токи в стенках резонатора, и, если стенки недостаточно гладкие, они оказывают этим токам большое сопротивление. Энергия колебаний теряется на разогрев стенок.

Поэтому внутренние стенки резонаторов тщательно обрабатывают, а в самых лучших резонаторах полируют до зеркального блеска и покрывают тонкой пленкой золота или серебра. Как обычная низкочастотная радиотехника не может обойтись без колебательного контура, так и техника СВЧ невозможна без полых резонаторов.

Неожиданное применение полого резонатора предложил академик П. Л. Капица. Если заполнить резонатор дейтерием под давлением в несколько десятых мегапаскаля (несколько атмосфер) и возбудить в нем мощные СВЧ колебания, то электромагнитное поле ионизует атомы дейтерия и превратит газ в плазму. Под действием СВЧ колебаний по плазме потекут переменные сверхвысокочастотные токи, которые разогреют плазму, зажгут в ней высокочастотный разряд. Возможно, что, комбинируя СВЧ нагрев с воздействием на плазму постоянных и переменных магнитных полей, удастся разогреть ее до термоядерных температур и осуществить таким путем управляемый термоядерный синтез. В статье "Плазма и термоядерный синтез" рассказывается о других путях решения проблемы управляемого синтеза, но и эти пути предполагают использование СВЧ энергии в качестве дополнительного источника для разогрева плазмы.

Собственную частоту колебаний полого резонатора (обычно он имеет не одну, а много собственных частот, но одна из них является основной) можно перестраивать, меняя размеры резонатора, например сделав одну из стенок подвижной или вдвигая и выдвигая из резонатора металлический стержень.

А как же вывести колебания из полого резонатора? Вот здесь мы и познакомимся со способом передачи СВЧ энергии. Линия передачи на СВЧ больше похожа на... водопровод, чем на электрическую линию. Электромагнитные волны передаются по трубам! Если сделать в стенке резонатора щель и припаять к резонатору в этом месте металлическую трубу, часть заключенной в резонаторе энергии электромагнитного поля выйдет через щель, и по трубе побежит электромагнитная волна.

Возможность такой передачи рассматривал еще Рэлей в конце XIX в. А теперь эти трубы - волноводы - можно встретить повсюду, как и уже упоминавшийся генератор СВЧ - клистрон. Правда, волноводы чаще применяются не круглые, а прямоугольного сечения.

Чем меньше длина волны, тем меньше и размеры площади сечения волновода. Волны длиной 10 см передают по волноводам сечением 72 X 34 мм, трехсантиметровые - по волноводам 23 X 10 мм, а четырехмиллиметровые - по волноводам 3 X 1,6 мм. С уменьшением рабочей длины волны уменьшаются и размеры резонаторов.

Внутренние поверхности волноводов, как и внутренние поверхности резонаторов, требуют тщательной обработки. Посмотреть сквозь такой волновод на просвет очень интересно - стенки его блестят как зеркала, видимые сквозь волновод предметы многократно отражаются в этих зеркалах и образуют причудливые сочетания, как в калейдоскопе (рис. 10).

Если охладить стенки волновода так, чтобы они стали сверхпроводящими (см. ст. "На подступах к абсолютному нулю"), то потери энергии от высокочастотных токов в стенках исчезнут и по волноводу можно будет передавать СВЧ энергию на большие расстояния без потерь. Возможно, что в будущем волноводные линии передачи придут на смену высоковольтным воздушным линиям.

Попробуем теперь вывести СВЧ волну из волновода. Длина волны в волноводе соизмерима с размерами его поперечного сечения, поэтому часть энергии волны излучается просто из открытого конца волновода. Но это невыгодно, так как часть энергии отражается от конца и уходит по волноводу обратно. Чтобы энергия не отражалась, конец волновода делают расширяющимся, в виде рупора (рис. 11).

Рис. 11. Излучение СВЧ волны из волновода с помощью рупора.

Если к рупору, излучающему мощный СВЧ сигнал, поднести неоновую лампочку, она загорится: СВЧ волна возбуждает молекулы газа и он начинает светиться. Человеку нельзя находиться перед таким рупором - мощное СВЧ излучение вредно действует на организм.

перейти к началу страницы