Сверхвысоких частот диапазон: схемные компоненты – К статье СВЕРХВЫСОКИХ ЧАСТОТ ДИАПАЗОН
Коаксиальные кабели и волноводы. Для передачи электромагнитных волн СВЧ-диапазона не через эфир, а по металлическим проводникам нужны специальные методы и проводники особой формы. Обычные провода, по которым передается электричество, пригодные для передачи низкочастотных радиосигналов, неэффективны на сверхвысоких частотах.
Любой отрезок провода имеет емкость и индуктивность. Эти т.н. распределенные параметры приобретают очень важное значение в СВЧ-технике. Сочетание емкости проводника с его собственной индуктивностью на сверхвысоких частотах играет роль резонансного контура, почти полностью блокирующего передачу. Поскольку в проводных линиях передачи невозможно устранить влияние распределенных параметров, приходится обращаться к другим принципам передачи СВЧ-волн. Эти принципы воплощены в коаксиальных кабелях и волноводах.
Коаксиальный кабель состоит из внутреннего провода и охватывающего его цилиндрического наружного проводника. Промежуток между ними заполнен пластиковым диэлектриком, например тефлоном или полиэтиленом. С первого взгляда это может показаться похожим на пару обычных проводов, но на сверхвысоких частотах их функция иная. СВЧ-сигнал, введенный с одного конца кабеля, на самом деле распространяется не по металлу проводников, а по заполненному изолирующим материалом промежутку между ними.
Коаксиальные кабели хорошо передают СВЧ-сигналы частотой до нескольких миллиардов герц, но на более высоких частотах их эффективность снижается, и они непригодны для передачи больших мощностей.
Обычные каналы для передачи волн СВЧ-диапазона имеют форму волноводов. Волновод - это тщательно обработанная металлическая труба прямоугольного или кругового поперечного сечения, внутри которой распространяется СВЧ-сигнал. Упрощенно говоря, волновод направляет волну, заставляя ее то и дело отражаться от стенок. Но на самом деле распространение волны по волноводу есть распространение колебаний электрического и магнитного полей волны, как и в свободном пространстве. Такое распространение в волноводе возможно лишь при условии, что его размеры находятся в определенном соотношении с частотой передаваемого сигнала. Поэтому волновод точно рассчитывается, так же точно обрабатывается и предназначается только для узкого интервала частот. Другие частоты он передает плохо либо вообще не передает. Типичное распределение электрического и магнитного полей внутри волновода показано на рис. 3.
Чем выше частота волны, тем меньше размеры соответствующего ей прямоугольного волновода; в конце концов эти размеры оказываются столь малы, что чрезмерно усложняется его изготовление и снижается передаваемая им предельная мощность. Поэтому были начаты разработки круговых волноводов (кругового поперечного сечения), которые могут иметь достаточно большие размеры даже на высоких частотах СВЧ-диапазона. Применение кругового волновода сдерживается некоторыми трудностями. Например, такой волновод должен быть прямым, иначе его эффективность снижается. Прямоугольные же волноводы легко изгибать, им можно придавать нужную криволинейную форму, и это никак не сказывается на распространении сигнала. Радиолокационные и другие СВЧ-установки обычно выглядят как запутанные лабиринты из волноводных трактов, соединяющих разные компоненты и передающих сигнал от одного прибора другому в пределах системы.
Твердотельные компоненты. Твердотельные компоненты, например полупроводниковые и ферритовые, играют важную роль в СВЧ-технике. Так, для детектирования, переключения, выпрямления, частотного преобразования и усиления СВЧ-сигналов применяются германиевые и кремниевые диоды.
Для усиления применяются также специальные диоды - варикапы (с управляемой емкостью) - в схеме, называемой параметрическим усилителем. Широко распространенные усилители такого рода служат для усиления крайне малых сигналов, так как они почти не вносят собственные шумы и искажения.
Твердотельным СВЧ-усилителем с низким уровнем шума является и рубиновый мазер. Такой мазер, действие которого основано на квантовомеханических принципах, усиливает СВЧ-сигнал за счет переходов между уровнями внутренней энергии атомов в кристалле рубина. Рубин (или другой подходящий материал мазера) погружается в жидкий гелий, так что усилитель работает при чрезвычайно низких температурах (лишь на несколько градусов превышающих температуру абсолютного нуля). Поэтому уровень тепловых шумов в схеме очень низок, благодаря чему мазер пригоден для радиоастрономических, сверхчувствительных радиолокационных и других измерений, в которых нужно обнаруживать и усиливать крайне слабые СВЧ-сигналы. См. также КВАНТОВЫЕ ГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ
.
Для изготовления СВЧ-переключателей, фильтров и циркуляторов широко применяются ферритовые материалы, такие, как оксид магния-железа и железо-иттриевый гранат. Ферритовые устройства управляются посредством магнитных полей, причем для управления потоком мощного СВЧ-сигнала достаточно слабого магнитного поля. Ферритовые переключатели имеют то преимущество перед механическими, что в них нет движущихся частей, подверженных износу, а переключение осуществляется весьма быстро. На рис. 4 представлено типичное ферритовое устройство - циркулятор. Действуя подобно кольцевой транспортной развязке, циркулятор обеспечивает следование сигнала только по определенным трактам, соединяющим различные компоненты. Циркуляторы и другие ферритовые переключающие устройства применяются при подключении нескольких компонентов СВЧ-системы к одной и той же антенне. На рис. 4 циркулятор не пропускает передаваемый сигнал на приемник, а принимаемый сигнал - на передатчик.
В СВЧ-технике находит применение и туннельный диод - сравнительно новый полупроводниковый прибор, работающий на частотах до 10 млрд. герц. Он используется в генераторах, усилителях, частотных преобразователях и переключателях. Его рабочие мощности невелики, но это первый полупроводниковый прибор, способный эффективно работать на столь высоких частотах. См. также ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ЭЛЕКТРОННЫЕ ПРИБОРЫ
.
Антенны. СВЧ-антенны отличаются большим разнообразием необычных форм. Размер антенны приблизительно пропорционален длине волны сигнала, а поэтому для СВЧ-диапазона вполне приемлемы конструкции, которые были бы слишком громоздки на более низких частотах.
В конструкциях многих антенн учитываются те свойства СВЧ-излучения, которые сближают его со светом. Типичными примерами могут служить рупорные антенны, параболические отражатели, металлические и диэлектрические линзы. Применяются также винтовые и спиральные антенны, часто изготавливаемые в виде печатных схем.
Группы щелевых волноводов можно расположить так, чтобы получилась нужная диаграмма направленности для излучаемой энергии. Часто применяются также диполи типа хорошо известных телевизионных антенн, устанавливаемых на крышах. В таких антеннах нередко имеются одинаковые элементы, расположенные с интервалами, равными длине волны, и повышающие направленность за счет интерференции.
СВЧ-антенны обычно проектируют так, чтобы они были предельно направленными, поскольку во многих СВЧ-системах очень важно, чтобы энергия передавалась и принималась в точно заданном направлении. Направленность антенны возрастает с увеличением ее диаметра. Но можно уменьшить антенну, сохранив ее направленность, если перейти на более высокие рабочие частоты.
Многие "зеркальные" антенны с параболическим или сферическим металлическим отражателем спроектированы специально для приема крайне слабых сигналов, приходящих, например, от межпланетных космических аппаратов или от далеких галактик. В Аресибо (Пуэрто-Рико) действует один из крупнейших радиотелескопов с металлическим отражателем в виде сферического сегмента, диаметр которого равен 300 м. Антенна имеет неподвижное ("меридианное") основание; ее приемный радиолуч перемещается по небосводу благодаря вращению Земли. Самая большая (76 м) полностью подвижная антенна расположена в Джодрелл-Бенке (Великобритания).
Новое в области антенн - антенна с электронным управлением направленностью; такую антенну не нужно механически поворачивать. Она состоит из многочисленных элементов - вибраторов, которые можно электронными средствами по-разному соединять между собой и тем самым обеспечивать чувствительность "антенной решетки" в любом нужном направлении. См. также АНТЕННЫ.
