Н.Г. ВОРОБЬЕВ

Элементы теории

электромагнитного поля

Лекция 1

Предметом изучения данного курса является теория конструирования и расчета элементов и узлов радиоэлектронной аппаратуры СВЧ, а также вопросы их технологии и производства.

Определяя СВЧ диапазон, можно сказать, что он охватывает область частот от 30 МГц до 3000 МГц. Этот диапазон разбивается на поддиапазоны.

Диапазон волн	Частота	Длина волны
Метровый	30 – 300 МГц	10 – 1 м
Дециметровый	300 – 3000 МГц	10 – 1 дм
Сантиметровый	3 – 30 ГГц	10 – 1 см
Миллиметровый	30 – 300 ГГц	10 – 1 мм
Субмиллиметровый	300 – 3000 ГГц	1 – 0,1 мм

Характерным для этой области частот является то, что длина волны электромагнитного сигнала, как правило, соизмерима или во много раз меньше размеров изучаемого объекта. Это определяет принципиальные конструктивные отличия высокочастотных элементов радиоэлектронной аппаратуры и отличает физику их работы от аналогичных низкочастотных устройств. Так, в СВЧ диапазоне:

1. теряют физический смысл обычные элементы с сосредоточенными параметрами L, C, R, а все СВЧ устройства являются устройствами с распределенными параметрами;

1. конструкции линий передач строго определяются физическими процессами передачи СВЧ энергии и имеют свои особенности для каждого диапазона частот;

2. электрические токи протекают всегда в очень тонком наружном слое металлических проводников, измеряемом в долях микрон (эта особенность накладывает жесткие требования на чистоту обработки токонесущих поверхностей, на выбор защитных покрытий и т.д.)

3. из-за большой инерции электронов и большой длительности рекомбинации свободных носителей в СВЧ диапазоне неприменимы обычные электровакуумные полупроводниковые приборы.

Перед конструктором обычно ставится задача не только обеспечить требуемые характеристики устройств, но и обеспечить его работоспособность при воздействии внешних возмущающих факторов. При этом надо учесть, что многие СВЧ узлы, такие, как антенна и прилегающие к ней элементы, являются наружными устройствами, работающими обычно под влиянием сложного комплекса физических и химических воздействий.

Рассмотрим на примере бортовой аппаратуры летательного аппарата некоторые из этих факторов.

1. Аэродинамический или кинетический нагрев вызывает линейное изменение размеров устройства, что приводит к иска­жению его частотных характеристик. Устранить такое влияние температуры удается специальными конструктивными приемами и подбором соответствующих материалов. С нагревом возникает термическая ионизация среды, в результате сильно ухудшаются характеристики излучения антенн.

2. Сильные вибрации и ударные нагрузки накладывают тре­бования прочности, жесткой взаимной связи элементов конст­рукции.

3. Скоростной напор и современная аэродинамика аппара­тов требует применения невыступающих внешних устройств СВЧ.

4. В условиях разряженной атмосферы сильно снижается электрическая прочность устройств. Так, на высоте 30 км, где давление атмосферы составляет приблизительно 18 мм рт.ст., электрическая прочность узлов СВЧ падает в 10 раз.

5. На космических объектах серьезным фактором является эрозия поверхности металлов и диэлектриков.

Кроме того, всегда имеет место химическое воздействие влажности, пыли, что требует применения специальных защитных мер (выбор защитных покрытий, материалов герметизации и др.).

Таким образом, при конструировании СВЧ устройств прихо­дится считаться с весьма противоречивыми требованиями. Напри­мер, с одной стороны - минимальный вес, минимальные размеры, стабильность характеристик, высокий КПД, минимальная стои­мость, с другой стороны - механическая прочность, электриче­ская прочность, теплостойкость, устойчивость к химическим воздействиям.

Удовлетворить всем этим требованиям удается только в результате правильного выбора типа устройства, его конструк­ции, соответствующего подбора материалов и методов их обработки.

Принцип работы всех устройств СВЧ основан на взаимодей­ствии высокочастотного электромагнитного поля со средой и ее границами, образующими данное устройство. Физика этого взаи­модействия описывается законами электродинамики, в основе ко­торых лежит классическая или максвелловская теория электро­магнитного поля, учитывающая только микроскопические свойст­ва вещества и не затрагивающая процессы, происходящие на атомарном уровне.