Основные свойства свч – диапазона.
Под сверхвысокими частотами принято понимать участок электромагнитного спектра, с частотами колебаний, лежащими приблизительно между 30 МГц и 3000 ГГц, или с длинами волн соответственно между 10 м и 0,1 мм. Таким образом, диапазон СВЧ расположен между областью обычных радиоволн и участком инфракрасных и световых излучений.
В 1975 году международный консультативный комитет по радио рекомендовал следующую систему разделения и наименования полос в спектре электромагнитных колебаний, применяемых для радиосвязи, радиовещания и телевидения.
Согласно этим рекомендациям диапазоны сверхвысоких частот имеют следующие названия и частотные границы:
- очень высокие частоты, 30….300 МГц (10м…. 1 м) – метровые волны;
- ультравысокие частоты, 300….3000 МГц (1м …10 см) – дециметровые волны;
- сверхвысокие частоты, 3….30 ГГц (10см….1см) – сантиметровый диапазон;
- крайне высокие частоты, 30 …300 ГГц (1см ….1мм) – миллиметровый диапазон;
- гипервысокие частоты, 300…3000 ГГц (1мм ….0,1мм) – субмиллиметровый диапазон.
Таким образом, к сверхвысоким частотам относятся пять диапазонов. Именно к этим диапазонам применяется термин сверхвысоких частот (СВЧ).
Роль диапазонов СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых разнообразных областей науки и техники. Это связано с тем, что электромагнитные колебания диапазонов СВЧ – обладают рядом важных физических особенностей и свойств, отличающими их от других смежных участков спектра. Какие это особенности:
- на сверхвысоких частотах длина волны становится соизмерима с линейными размерами физических тел. Поэтому волны СВЧ диапазона обладают квазиоптическими свойствами, то есть по характеру распространения приближаются к световым волнам. Эти свойства особенно ценны для определения направленности передачи сигналов, а так же для определения координат объектов. Именно это обстоятельство привело к широкому применению сверхвысоких частот в радиолокационной технике. Пример, если имеется радиолокационная станция и посылает СВЧ – сигнал в направлении летящего объекта, то сигнал отражается от объекта и приходит опять на радиолокационную станцию, где он обрабатывается и выдаются координаты объекта;
- в отличие от более длинных радиоволн и инфракрасных излучений, волны СВЧ – диапазона, особенно на участке между 100 МГц и 10 ГГц, почти беспрепятственно проникают сквозь ионизированные слои, окружающие Землю и через атмосферу.
Существование такого “окна прозрачности” в диапазоне СВЧ позволяет:
а) исследовать мировое пространство радиоастрономическими методами (используя СВЧ – излучения Солнца и других космических тел);
б) это свойство в сочетании с острой направленностью излучения позволяет проводить обмен информацией между Землей и космическими устройствами;
СВЧ – колебания в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазоне частот обладают способностью резонансного энергетического взаимодействия с веществом. Использование резонансного взаимодействия с атомами и молекулами привело к развитию новых устройств – квантовых молекулярных усилителей и генераторов и к развитию квантовой электроники.
- период сверхвысоких
колебаний соизмерим с временем пролета
электронов в междуэлектродном пространстве
электровакуумных приборов, которые
имеют порядок -
сек.
Именно это явление используется в
специальных типах приборов (полезное
использование инерции электронов):
клистроны, магнетроны, лампы бегущей и
обратной волны и другие. Иными словами,
энергия от движущихся электронов
забирается полем сверхвысоких частот.
При этом механизм отбора энергии может
быть самый разнообразный и вследствие
чего и большой спектр самих названий
сверхвысокочастотных приборов;
- в диапазоне СВЧ можно разместить значительно большее число каналов связи по сравнению с более низкими частотами. Например, узкая полоска частот 1% при средней частоте 10 ГГц позволяет разместить столько же независимых каналов, сколько их имеется во всем диапазоне от сверхдлинных до ультракоротких длин волн длиною 3 м.
Большая информационная емкость СВЧ – диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и телевизионную связь. Так, сотовые телефоны работают на частотах в диапазоне 915 МГц.
- одной из особенностей СВЧ – диапазона является характер протекания быстропеременных токов по проводникам. Если на постоянном токе и на низких частотах плотность тока по поперечному сечению проводника практически постоянна, то при увеличении частоты на несколько порядков, по сравнению с частотой переменного тока в электросети, ток в основном будет протекать в тонком поверхностном слое проводника. Толщину поверхностного слоя часто называют “скин - слоем”. Поэтому энергию электромагнитного поля можно передавать по металлическим трубам, которые еще называют волноведущими системами или просто волноводами. Чем выше частота, тем меньше “скин-слой”. С целью уменьшения омических потерь в волноводах, их изнутри покрывают серебром, медью и другими материалами с хорошей электропроводимостью.
- характер передачи энергии электромагнитного поля. Энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот распространяется вне проводников, которые либо ограничивают пространство, где распространяется энергия (волноводы, коаксиальные линии, замедляющие системы) и задают направление распространения энергии, либо локализуют ее в замкнутом объеме (резонаторы). Пример – бытовая СВЧ – печь.
- энергия электромагнитного поля сверхвысоких частот проникает внутрь неметаллических (диэлектрических) материалов и затем внутри материала затухает (спадает) по экспоненциальному закону:
,
где - постоянная затухания энергии электромагнитного поля в материале;
х – направление распространения энергии;
- падающая мощность
на поверхность материала;
- мощность, вошедшая
в материал (часть мощности отразилась
от поверхности материала).
Если величина постоянной затухания материала очень маленькая, то энергия электромагнитного поля в материале практически не затухает и такие материалы получили название – радиопрозрачные материалы (фторопласт, полиэтилен, полипропилен и многие другие).
Если есть потери энергии, то в объеме диэлектрических материалов выделяется тепло, то есть происходит эффективный, объемный нагрев материалов (окружающее пространство – воздух не нагревается) и именно это свойство используется широко в различных технологических процессах во многих отраслях промышленности, сельского хозяйства и медицины. Во многом это обстоятельство связано с тем, что вода на сверхвысоких частотах ведет себя как диэлектрик с высокими потерями.
При этом свойства таковы, что чем выше частота электромагнитного поля, тем больше выделяется тепла. С другой стороны, чем выше частота электромагнитного поля, тем быстрее поле затухает в материале (поле в материал проникает на меньшую глубину).
- Экспериментальным путем установлено, что сверхвысокочастотное поле сильно воздействует на различные микроорганизмы, микробы, бактерии (микроорганизмы погибают). Данное свойство в настоящее время не нашло теоретического объяснения. На этом эффекте основаны такие процессы, как дезинфекция, стерилизация и пастерилизация различных продуктов, сред и материалов. Пример. Если одинаковое число бактерий поместить в раствор и поднимать по определенному закону температуру конвективным путем и с использованием сверхвысокочастотного поля, то количество бактерий при СВЧ – методе нагрева на порядок останется меньше, чем при конвективном. При этом соблюдаются одинаковые условия: темп нагрева и температура нагрева.