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.
|