|
Короткие волны могут концентрироваться с помощью направленных антенн и излучаться в предварительно заданном направлении. Постоянно растущие потребности в международной радиосвязи принуждали к освоению диапазонов все более высоких частот, в которых могли бы быть размещены необходимые каналы связи. В то же время для целого ряда применений возникла необходимость в концентрированных, возможно более узких пучках излучаемых радиоволн. Это привело к исследованиям и освоению УКВ-диапазона, т. с. области длин волн от 10 м до 1 м. Развитие техники УКВ началось еще в середине тридцатых годов, но пришло к завершению лишь позднее, когда стали широко использоваться УКВ-радиовещание и телевидение.
После 1945 г. стали приобретать вес большее и большее значение еще более короткие волны − дециметровые, сантиметровые и миллиметровые (диапазон сверхвысоких частот − СВЧ). Хотя уже три десятилетия тому назад была, правда ограниченная, возможность получения сверхвысоких частот и в то время начиналось применение их для различных целей, лишь вторая мировая война обусловила быстрое развитие техники СВЧ, равно как позднее космические исследования привели к ее широкому использованию. Техника СВЧ существенно отличается от техники радиовещательного и УКВ-диапазонов, причем не только со стороны аппаратуры, но и с точки зрения характерных для этого частотного диапазона специфических физических процессов. Для специалистов, которые до этого имели дело только с задачами радиотехники, техника СВЧ предлагает совершенно новые понятия и явления.
Правда, существует ряд книг по технике сверхвысоких частот, однако они рассчитаны на специалистов я этой области и для читателей без серьезного математического образования часто оказываются трудными. В противоположность этому, настоящая книга способствует введению в физику и технику СВЧ па основе наглядных представлений. В ней обсуждаются и основные положения техники сверхвысоких частот, и ее очень широко распространившиеся применения в промышленности и исследованиях. До сих пор, насколько я знаю, в немецкой литературе отсутствуют издания, предпринятые с такой целью. С этой книгой я обращаюсь к студентам, физикам и радиотехникам, а также ко всем тем, кто хотя и знаком с основами радиотехники и электроники, однако пока не смог приобрести знаний и навыков в этой специальной области − в области сверхвысоких частот.
Г. Клингер
ВВЕДЕНИЕ
По существующим нормам, к технике сверхвысоких частот относится область частот выше 300 Мгц или диапазон ноли с длиной от 1 м до 1 мм (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны). Со стороны коротких волн к диапазону сверхвысоких частот (СВЧ) примыкает область субмиллиметровых волн (л = 1 мм + 0.1 мм). Субмиллиметровые волны часто считаются входящими в диапазон СВЧ.
В электромагнитном спектре диапазон сверхвысоких частот перебрасывает мост между областью собственно радиоволн и оптической областью спектра когерентных световых волн. Этому граничному положению соответствует то, что физика сверхвысоких частот частично основывается на закономерностях электротехники (максвелловская электродинамика), а в остальном − неоднократно прибегает к типичным волновым или квантовооптическим представлениям. С уменьшением длины волны, или соответственно с увеличением частоты, оптические свойства сверхвысокочастотных полей приобретают все большее значение. Это проявляется не только в особенностях распространения волн, но также и в процессах излучения или поглощения сверхвысоких частот материей, при которых определяющую роль играют квантовые эффекты.
Техника сверхвысоких частот отличается от обычной радиотехники (радиовещательный диапазон, короткие и ультракороткие волны) целым рядом характерных моментов. В то время как в радиотехнике объемные размеры таких высокочастотных элементов, как катушки индуктивности, конденсаторы и сопротивления, всегда малы по сравнению с длиной волны, на сверхвысоких частотах приходится иметь дело с такими длинами волн, которые оказываются одного порядка и меньше, чем протяженность элементов схем и приборов. В математических уравнениях, описывающих электромагнитное состояние таких систем, выступают частные производные по времени, а их решение − и здесь проявляется физическая сущность − приводит к волновым уравнениям. Физически это значит, что электромагнитное поле в таких системах не может уже считаться квазистационарным, как это имеет место на низких частотах, а, напротив, проявляется в форме волн. Примером этому могут служить колебания и волны в объемных резонаторах и волноводах.
Другой особенностью сверхвысоких частот являются эффекты, связанные с временами пролета в электронных потоках. Если на более низких частотах время пролета электронов в генераторных и усилительных лампах всегда меньше периода колебаний высокочастотных полей, то на сверхвысоких частотах они оказываются величинами одного порядка. Отсюда следует, что обычные для техники высоких частот генераторные и усилительные лампы на сверхвысоких частотах могут найти лишь ограниченное применение. Вместо них выступают лампы, использующие пролетные эффекты, такие как клистроны, магнетроны и лампы бегущей волны. Наконец, на субмиллиметровых волнах приходится применять генераторные лампы, которые основаны на использовании собственного электромагнитного излучения ускоренных электронов, движущихся в электрических и магнитных полях.
Для антенн на сверхвысоких частотах основой является также другая физическая точка зрения, чем на более длинных волнах. Размеры СВЧ-антенн, как правило, существенно больше длины волны, так что в этом частотном диапазоне при расчетах необходимо применять приближения, основанные на оптических закономерностях. Именно поэтому с помощью СВЧ-антенн удается получать концентрированные, остронаправленные пучки излучения: это достигается тем лучше, чем больше отношение размеров антенны к длине волны. Возможность обеспечения высокой концентрации СВЧ-излучения является решающей для таких применений, как направленная радиосвязь и радиолокационная техника. Вторым фактором, существенным с точки зрения технического значения диапазона СВЧ, является то чрезвычайно высокое значение несущих частот, что обеспечивает соответствующую информационную емкость радиопередач. Однако сверхвысокие частоты играют выдающуюся роль не только в технике беспроволочной связи, но и в научных исследованиях. Так, например, их применение в физике позволяет исследовать строение материи. Это − область задач СВЧ-спектроскопии. В астрономии и астрофизике изучают СВЧ-излучение удаленных планет, Млечного Пути и дискретных космических источников.
В биологии и биофизике исследование поглощения сверхвысоких частот биологическими объектами дает возможность понять молекулярное строение биологических сред. В медицине нагрев биологических тел сверхвысокочастотными полями используется в лечебных целях. Наконец, сверхвысокие, частоты применяются для диагностики плазмы, а также для ускорения электронов и протонов до релятивистских скоростей с целью бомбардировки атомных ядер и изучения ядерных реакций. Кроме того, в пауке и технике нее время возникают и другие, новые применения сверхвысоких частот. При изучении физики сверхвысокие частоты могут также сыграть свою роль, позволяя проводить перед большой аудиторией эффективные демонстрации явлений преломления, дифракции, интерференции и поляризации, что показывает к тому же одинаковую природу электрических и световых волн.
Содержание
Предисловие
Введение
I. Резонаторы
1. Квазистационарный LС контур
2, Полый контур
3. Объемные резонаторы
4. Резонатор Фабри − Перо
II. Передающие линии
1. Коаксиальные линии
2. Волноводы
3. Лучевые волноводы
4. Замедляющие линии
III. Усилители а генераторы
1. Лампы, основанные на управлении плотностью тока (триады)
2. Электронно-лучевые лампы с управлением скоростями электронов
3. Лампы бегущей волны
4. Лампы обратной волны
5. Лампы со скрещенными нолями
6. Генераторы с релятивистскими электронами
7. Генераторы гармоник
8. Параметрический усилитель
9. Молекулярный усилитель
10. Лазер
IV Антенны
1. Основные понятия и определения
2. Параболические антенны
3. Линзовые антенны
4. Спиральные антенны
5. Рупорные антенны
6. Щелевые антенны
7. Диэлектрические антенны (стержневые излучатели)
V. Радиосвязь на сверхвысоких частотах
1. Распространение СВЧ-радиоволн
2. Шумы
3. Радиорелейные линии
4. Космическая радиосвязь
5. Межпланетная радиосвязь
6. Радиопередача по полым волноводам
VI. Радиолокации
1, Принципы радиолокации
2, Импульсная радиолокация
3, Радиолокационные станции непрерывного действия
4. Формула радиолокации
5. Корреляционный метод
6. Радиолокационный ответчик
VII. Радиоастрономия
1. Радиотелескопы
2. Радиоизлучение Солнца
3. Космические радиоволны
VIII. Радиоспектроскопия
1. Радиоспектроскопы
2. Спектры вращения
3. Инверсионные спектры
4. Расщепление спектральных линий
5. Ширина липни
6. Химические применения
IX. Парамагнитный резонанс
1. Сущность парамагнитного резонанса
2. Экспериментальные методы
3. Спектр парамагнитного резонанса
X. Аномальная дисперсия и поглощение в жидкостях
1. Релаксационные явления а диэлектриках
2. Релаксация и форма молекулы
3. Релаксация и структура молекулы
4. Релаксация и структура жидкости
XI. Диагностика плазмы
XII. Применение сверхвысоких частот в промышленности, медицине и биологии
1. Применение в промышленности
2. СВЧ-терапия
XIII. Методы измерений в технике сверхвысоких частот
1. Кристаллические детекторы
2. Измерение мощности
3. Измерение импеданса
4. Измерение затухания
5. Измерение длины полны и частоты
6. Измерение дифракции
7. Измерение дисперсии и поглощения
Литература
|
