Согласно рекомендациям Международного консультативного комитета по радио к диапазону сверхвысоких частот (СВЧ) относят сантиметровые волны - от 10 до 1 см (от 3 до 30 ГГц). Однако на практике принято распространять СВЧ диапазон на более широкий участок электромагнитного спектра, включающий метровые и миллиметровые волны.

Нижняя граница СВЧ определилась переходом к схемам на пассивных элементах с распределенными параметрами, возможностью передачи энергии с помощью полых труб (волноводов) и конструкциями активных устройств (усилителей, генераторов и др.) с непосредственным энергетическим обменом между электронным потоком и электромагнитным полем колебательной системы.

Верхняя граница СВЧ определилась близостью к тепловому излучению (длинными инфракрасными волнами), где требуются существенно .иные подходы к генерированию, усилению и передаче электромагнитной энергии.

Радиоволны СВЧ диапазона обладают рядом важных физических особенностей. Перечислим некоторые из них.

1. Квазиоптический характер распространения, т. е. распространение волн на расстояние прямой видимости с тем отличием от оптического диапазона, что, начиная с сантиметровых волн, за счет изменения диэлектрической проницаемости воздуха с высотой и связанной с этим рефракцией волн (искривление траектории) возможна передача электромагнитной энергии на расстояния, значительно превышающие прямую видимость.

2. Остронаправленное излучение при сравнительно небольших геометрических размерах антенн, позволяющее осуществить направленную передачу сигналов, достоинством которой являются снижение взаимных помех различных радиоустройств, увеличение дальности действия радиосистемы, скрытность передачи, высокая точность радиолокационного определения координат объектов й др.

3. Большая информационная емкость СВЧ диапазона, позволяющая осуществлять многоканальные телефонные и телеграфные связи и многоканальную передачу широкополосных телевизионных сигналов с одновременным повышением качества передачи за счет увеличения полосы частот передаваемых сигналов.

4 Малый уровень внешних активных помех, поскольку суммарное значение спектральной плотности мощности (мощности в полосе 1 Гц) всех видов этих помех, включая сигналы посторонних СВЧ генераторов, уменьшается с увеличением частоты. В связи с этим минимальный уровень принимаемых сигналов в диапазоне СВЧ практически определяется сравнительно небольшими помехами, возникающими внутри самих приемных устройств, т. е. тепловыми колебаниями во входных цепях и шумами усилительных каскадов приемников.

5. Проникновение волн части СВЧ диапазона (приблизительно 3 дм - 3 см) сквозь толщу атмосферы Земли. Это позволяет использовать СВЧ диапазон для передачи информации через спутники, в астрономии и космонавтике.

6. Затухание в атмосфере волн коротковолновой части СВЧ диапазона (короче 3 см) за счет поглощения водяными парами и кислородом, а также рассеяния взвешенными в атмосфере частицами, например каплями воды.

Затухание в парах или каплях воды возрастает по мере увеличения влажности либо размеров капель и их количества в единице объема. Затухание, обусловленное кислородом, изменяется почти пропорционально квадрату давления и, следовательно, быстро уменьшается с высотой.

Связанное с указанными причинами затухание заметно возрастает с увеличением частоты и становится особенно большим в области миллиметровых волн. Однако и в миллиметровом диапазоне имеются участки с относительно малым затуханием, так называемые окна прозрачности (например, вблизи 8 мм), что позволяет частично использовать и этот диапазон для работы в открытой атмосфере.

В субмиллиметровом диапазоне окна прозрачности в атмосфере практически отсутствуют. Это является одной из причин слабого освоения этого диапазона волн в радиотехнике.

1.2. ТЕХНИКА СВЧ И ЕЕ ПРИМЕНЕНИЕ

Техника СВЧ широко применяется в радиосвязи, радиовещании, телевидении, радиолокации, радиоуправлении, радионавигации, радиоастрономии, космонавтике и др.

Комплексы радиоаппаратуры, выполняющие полный цикл задач соответствующего применения, называются радиосистемами. Аппаратуру, образующую радиосистему, можно разделить на четыре части: устройства преобразования и отображения информации, приемник, передатчик и антенно-фидерное устройство. На-.значение й взаимодействие этой аппаратуры иллюстрируется на примерах функциональных схем радиосистемы передачи информа--Ции (рис. 1.1) и радиолокационной системы (рис. 1.2).

Соизмеримость геометрических размеров конструкций элементов и узлов радиоаппаратуры с длинами волн СВЧ диапазона приводит к существенным изменениям в происходящих физических явлениях и к значительным количественным и качественным изменениям электрических свойств используемых радиоматериалов.

Это обусловливает ряд особенностей конструкций СВЧ устройств, среди которых:

1) размеры конструкций СВЧ устройств определяются с учетом полураспределенных и распределенных параметров;

2) параметры элементов и узлов определяются структурой электромагнитного поля, что требует от конструкций выполнения условий, обеспечивающих стабильное возбуждение нужной структуры поля;

3) основные характеристики находятся в прямой зависимости от геометрических размеров конструкций, что часто вызывает необходимость применения жестких допусков при изготовлении;

4) ряд важных характеристик улучшается при высоком качестве обработки и соответствующем покрытии поверхностей, соприкасающихся с электромагнитным полем, что требует проведения сложных и дорогостоящих операций полирования, серебрения, покрытия специальными лаками и другой обработки труднодоступных внутренних поверхностей;

5) способность к интенсивному излучению, вредное биологическое влияние вызывают необходимость предъявления особо жестких требований к электрогерметичности;

6) протекание токов по тонкому слою металлической поверхности позволяет изготавливать СВЧ устройства из дешевых неметаллических материалов с последующей металлизацией поверхностей, соприкасающихся с электромагнитным полем;

7) в конструкциях приемников усиление и обработка сигналов выполняются, в основном, на промежуточных и низких частотах, поэтому СВЧ узлы входят лишь во входную часть приемника до преобразования или детектирования первоначального сигнала;

8) в передатчике почти все основные функции выполняются СВЧ устройствами и весь основной тракт передатчика состоит преимущественно из СВЧ узлов;

9) антенно-фидерные устройства полностью комплектуются из узлов, представляющих собой конструкции, характерные для СВЧ диапазона.

1.4. ЭЛЕКТРОМАГНИТНАЯ СОВМЕСТИМОСТЬ КОНСТРУКЦИЙ И ЭКРАНЫ

Практически любая РЭА находится в поле действия нежелательных источников электромагнитных помех и сама излучает помехи на расположенное рядом электронное оборудование. Обеспечение совместной нормальной работы электронной аппаратуры и электронных средств без потери нформации и ухудшения их функциональных электрических характеристик является основной проблемой электромагнитной совместимости. Одним из основных конструктивных средств обеспечения электромагнитной совместимости является экранирование, предназначенное для значительного уменьшения нежелательной электромагнитной энергии, как излучаемой РЭА, так и проникающей в аппаратуру. Оптимальное решение многих*задач экранирования ведется на базе общей с техникой СВЧ теории электродинамики, что послужило причиной для объединения вопросов конструирования экранов и СВЧ устройств в одном курсе.

1.5. МЕТОДЫ ОПИСАНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ЯВЛЕНИЙ И РАСЧЕТА СВЧ КОНСТРУКЦИЙ

В диапазоне низких частот физические явления описываются с помощью понятий тока и напряжения. Понятия электромагнитного поля при этом носят вспомогательный характер.

В диапазоне СВЧ строгое описание физических явлений достигается с помощью теории электромагнитного поля. Наглядным примером этого может служить волноводная линия передачи, имеющая вид металлической трубы, внутри которой распространяется электромагнитная волна. Здесь обычное представление электрической цепи с несущими энергию прямым й обратным токами в проводниках оказывается неприменимым. В этом случае более правильно считать, что энергия передается электромагнитным полем, находящимся между проводниками, а не током, текущим по самим проводникам. Роль проводников при этом сводится к роли устройств, направляющих электромагнитную энергию.

Теоретическое определение электромагнитных полей в - линии передачи сводится к решению уравнений Максвелла (или следующих из них волновых уравнений) при заданных координатах, параметрах границ рассматриваемой области и параметрах заполняю-щей область среды. Это вынуждает прибегать к трудоемкому математическому аппарату теории поля и ведет к повышенной сложности описания явлений на СВЧ. Подобный подход к явлениям на СВЧ оказывается необходимым не только при рассмотрении полых волноводов, но многих других видов линий передач и радиотехнических устройств, таких как различные колебательные системы, антенны .и др.

. Вместе с тем., в ряде случаев существует возможность упростить инженерные расчеты СВЧ устройств. Она основана на ана-