книги / СВЧ-энергетика. Применение энергии сверхвысоких частот в медицине, науке и технике

8.Р е п п о с к В. Е ., ТЬе Меазигетеп! о! 1Ье Сошр1ех 01е1ес1пс Сопз!ап1 о! Рго1ет 5о1и1юпз а! 1Л1га Ж§Ь Ргециешпез: 01е1ес1пс РгорегИе5 о! Нетов1оЫп Воипс1 \Уа1ег, РЫ1аЛе1рЫа, 11шу. о! Реппзу1уаша, 1967 (РЬ. Б. ТЬез15, Е1ес1гоше(Иса1

681 (1925).

12.Н а ^ б * 5 О. Н. е! а1., ЕзИтаПоп о! рго1ет ЬуЛгаИоп Ьу Л1е-

29.К а и 2 т а п п \У., фиагйит Скегшз1гу, №\у Уогк, Асайегшс

Ргезз. 1957, р. 616.

5.2.4. ВЫВОДЫ

Шв а н

Многое стало теперь известно о механизме взаимодейст­ вия СВЧ с тканями и всем организмом человека. Из при­ веденных выше данных с уверенностью можно‘констати­ ровать, что частоты, меньшие 3000 Мгц, глубоко прони­ кают в тело, тогда как более высокие частоты в основном поглощаются кожей. Полное количество поглощенной энергии и распределение источников тепла, возникающих при СВЧ-облучении, легко рассчитать на частотах ниже 300 и выше 3000 Мгц. В промежуточном (дециметровом) диапазоне частот условия более сложны. Многочисленные исследования характеристик рассеяния электромагнит­ ных волн телом человека показали, что тело человека поглощает от 50 до 150% падающей мощности.

Сверхвысокие частоты могут играть полезную роль, однако они же могут быть опасны. Применение СВЧ в те­ рапии может уменьшить боль и улучшить состояние боль­ ного. Тем не менее оптимальный режим работы (облучение на частоте 900 Мгц) пока еще не был реализован.

Установлено, что случайное облучение сильным источ­ ником может оказать вредное воздействие на организм. Чрезмерное выделение тепла способно вызвать жар и повреждение тканей. Существует опасность возникнове­ ния катаракты и повреждения семенных протоков, при­ чем оба этих нарушения могут быть необратимыми. Уело-

зумные предельно допустимые нормы облучения как при кратковременном, так и при длительном воздействии.

Но предстоит еще выполнить очень много работ, что­ бы полностью реализовать потенциальные возможности СВЧ-терапии и до конца оценить и определить опасность СВЧ-облучения. Не выяснен также вопрос, можно ли воспользоваться аномальным поглощением в больных тканях в целях диагностики.

К числу применений СВЧ-методов в научных иссле­ дованиях относятся возможность определения особен­ ностей структуры и состава биологических систем по их СВЧ-свойствам и возможность определения некоторых характеристик воды, связанной с поверхностью макро­ молекул. Отмечены также другие возможные и перспектив­ ные применения СВЧ-методов. Во многих случаях СВЧметоды биофизических исследований обладают значитель­ ными потенциальными возможностями, однако в ряде случаев работа по выявлению этих возможностей еще только начинается. Нет сомнений, что будет сделано еще немало предложений по поводу применения СВЧ-техники при исследовании макромолекул.

5.3.ПРИМЕНЕНИЕ СВЧ-ЭНЕРГИИ

ВАВИАКОСМИЧЕСКОЙ И ВОЕННОЙ

ТЕХНИКЕ

5.3.1. ВВЕДЕНИЕ Б э р д ж е с с

Бурное развитие СВЧ-техники началось во время второй мировой войны, и доказательством этому служит вышедшая в тот период 28-томная серия книг Лаборато­ рии излучений, изданная Массачузетским технологиче­ ским институтом. Эта серия в основном была посвящена радиолокационной технике. Такое быстрое развитие спе­ цифической области могло произойти лишь в условиях военного времени. Книги массачузетской серии не поте­ ряли своей ценности и сейчас для тех, кто начинает зани­ маться СВЧ-техникой. Однако вся предлагаемая инфор­ мация была связана преимущественно с единственным применением — с радиолокаторами кругового обзора, ра­ ботавшими по наземным целям. Это в первую очередь относится к освоению коротковолновой части сантимет­ рового диапазона (10 Ггц).

За два десятилетия, прошедших после окончания второй мировой войны, прогресс в рассматриваемой об­ ласти техники был весьма значительным, хотя на период 1945— 1950 гг. приходится очень малый объем работ. Постепенно становилось все более очевидным, что радиоло­ кация и СВЧ-техника в целом могут найти широкое при­ менение в научных исследованиях и для ряда «граждан­ ских» отраслей. Одновременно началась концентрация уси­ лий в области фундаментальных исследований, направ­ ленных на повышение общего уровня СВЧ-техники. Сравнительно недавно СВЧ-энергетику признали как направление, которое может быть конкурентоспособным по отношению к другим видам энергетики. В некоторых применениях передача энергии или мощности из одного места в другое по проводам вызывает очень большие трудности и практически почти нереальна. Следователь­ но, передача энергии посредством сфокусированного луча позволяет в таких случаях обойтись без проводных или

иных линий передачи и реализовать такие применения, которые ранее были невозможны.

В задачу данной книги не входит' обсуждение разви­ тия радиолокации или даже изложение ее основных прин­ ципов, поскольку читатель без труда найдет освещение этих вопросов в других работах. Основной упор в этом разделе будет поэтому сделан на новые и расширяющиеся области применения сверхвысоких частот в энергетиче­ ских целях.

Как уже отмечалось ранее, спрос на бытовое и про­ мышленное СВЧ-оборудование расширяется. Многие ра­ боты, выполняемые по государственным заказам, находят себе дополнительные применения, непредусмотренные этими заказами. Фактически все применения СВЧ-техни- ки, разрабатываемой по государственным заказам, удоб­ но разделить на две категории: для военных целей и для гражданских. Но даже при таком делении встречаются трудности, так как имеется много общего между различ­ ными военными и невоенными космическими примене­ ниями, между промышленными и коммерческими (быто­ выми) применениями, а также различными научными при­ менениями сверхвысоких частот. Во всяком случае на долю военных применений в настоящее время приходится, вероятно, 50—60% всего объема выпуска СВЧ-техники. Но рынок коммерческого и промышленного СВЧ-обору- дования быстро растет, и вполне возможно, что он удвоит­ ся или утроится в ближайшее десятилетие.

Трудности, с которыми приходится сталкиваться при классификации различных применений, легко проиллю­ стрировать на примере использования СВЧ для связи. В средствах связи нуждаются все — военные и граждан­ ские государственные организации и промышленные объединения. Поэтому существует большой интерес к применениям СВЧ-техники для связи по радиорелейным линиям, за счет тропосферного или ионосферного рассея­ ния и в последнее время для связи через спутники. Одной из форм связи является также телеметрия, которая слу­ жит для передачи данных со спутников на Землю. Пере­ даваемые по каналам телеметрии данные относятся к ис­ следованиям всех типов, в том числе к контролю частоты пульса, частоты дыхания и других параметров. По тем

же каналам передаются фото- и ИК-изображения и т. п. Распространение цифровых вычислительных машин при­ вело к значительному фактическому расширению воз­ можностей применения СВЧ, поскольку по существу лю­ бые данные можно дискретизировать и затем передавать на СВЧ-несущей в пункты, где есть доступ к входным и выходным цепям ЭВМ.

Радиолокацию можно определить как метод, согласно которому излучается импульс СВЧ-энергии и по его от­ ражениям извлекается информация о цели. Радиолокацион­ ные установки в равной степени применимы для решения многих военных задач и могут работать на земле, на борту самолета или спутника, осуществлять поиск и наблюде­ ние на больших расстояниях, обнаруживать на близких расстояниях людей и минометные позиции, оказывать помощь в работе морских систем обнаружения самолетов и кораблей. Но, кроме этого, радиолокация нашла при­ менение во многих невоенных областях государственного значения, например в системах управления воздушным движением. Фактически вся система управления поле­ тами в целом и каждым самолетом в отдельности в значи­ тельной степени зависит от работы таких СВЧ-устройств, как радиолокаторы и радиомаяки, и от СВЧ-систем связи. Еще одним важным применением является радиометео­ рология. Это применение имеет и военное значение в тех случаях, когда необходимо знать погодные условия больших районов. Радиолокаторы устанавливают на са­ молеты, чтобы обеспечить летчиков информацией о зонах плохой погоды ипозволить им избежать захода в такие зоны. Прогнозирование погоды также в значительной степени зависит от данных, получаемых с метеорологических ра­ диолокаторов. Метеорологические данные и в этом случае удобно с помощью СВЧ-линии связи передавать на цен­ тральный пункт, где они будут вводиться в ЭЦВМ для составления своевременного прогноза. Радиолокация ока­ залась также очень полезной при решении задач управле­ ния движением не только в воздухе, но также на воде и на суше. На кораблях радиолокацию используют в целях навигации, сохранения строя кораблей и вождения судов в тумане и других неблагоприятных погодных условиях. Радиолокацию применяют на железных дорогах и авто­

страдах. Ее используют для картографирования мест­ ности; радиолокатор бокового обзора позволяет полу­ чать почти такое же разрешение, как и фотографирование.

Еще одним потенциальным военным применением яв­ ляется защита при помощи СВЧ некоторых небольших объектов, таких, как воздушная база или самолет. Вокруг такого объекта создается СВЧ-ограждение против нару­ шителей. Возможным коммерческим применением этой идеи является обнаружение грабителей магазинов или других нарушителей порядка.

Самой крупной невоенной областью применения СВЧтехники в государственном секторе, по-видимому, яв­ ляется космическая программа. Уже выполнено множе­ ство работ по использованию самой коротковолновой части СВЧ-диапазона для управления системами спутни­ ковой связи, для телеметрии и для защиты спутников от других космических объектов.

Почти во всех этих применениях основная задача со­ стоит в том, чтобы передать с помощью пучка СВЧ-энер- гии информацию с одного места в другое без каких-либо передающих линий. В некоторых случаях основная задача состоит не в передаче информации, а в передаче энергии между заданными точками.

Различные способы выпрямления были рассмотрены в первом томе. Под выпрямлением здесь понимается метод, который позволяет преобразовать СВЧ-энергию, пере­ даваемую из одной точки пространства в другую, к виду, пригодному для питания электрооборудования обычного типа.

Вероятно, одним из наиболее важных достижений последнего времени является создание фазированных ан­ тенных решеток, которые существенно расширили воз­ можности построения систем передачи энергии или мощ­ ности. Если рассматривать упрощенно, то фазированная антенная решетка представляет собой большое число от­ дельных излучающих элементов, причем для возбужде­ ния каждого элемента достаточно сравнительно небольшой мощности. При этом диаграммы направленности каждого элемента рассчитаны так, что энергия, получаемая каж­ дым элементом, суммируется в пространстве и образует предельно плотный пучок. Этот пучок можно сфокусиро­

вать в некоторой точке. Возможность индивидуального управления каждым элементом решетки обусловливает чрезвычайно высокую ее гибкость и позволяет осущест­ вить электронное управление пучком и фокальной точкой; очень просто также можно изменять размеры самого пучка и даже число пучков. Таким образом, фазированные ан­ тенные решетки представляют собой одну из ключевых разработок, от которых зависит конкурентоспособность применения СВЧ-энергетики в определенных условиях.

В этом разделе будут рассмотрены некоторые методы, использованные при разработке фазированных антенных решеток. Дальнейшее совершенствование этих методов позволит повысить гибкость и экономичность таких ре­ шеток при применении их в энергетических СВЧ-ус- тановках. Учитывая значение фазированных антенных решеток для будущего СВЧ-энергетики, в данном разде­ ле будут обсуждаться различные аспекты теории и тех­ ники таких решеток, типы применяемых элементов и способы подведения энергии к каждому элементу. Что касается последнего вопроса, то мощность можно пода­ вать на каждый элемент от отдельного генератора либо объединить элементы в группы и использовать для их возбуждения генераторы большей мощности. Затем по­ следует краткий обзор сведений, имеющихся по вопросу о фокусировке энергии, излучаемой СВЧ-антенной. Бу­ дут описаны специальные применения, в которых боль­ шое значение имеет «лучевая» передача энергии с Земли на аэрокосмические объекты или с одного космического объекта на другой. Раздел завершается обсуждением во­ проса о создании искусственных шумовых помех.

5 .3.2. МОЩНЫЕ ЭЛЕКТРОВАКУУМНЫ Е ПРИБОРЫ

ДЛ Я ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫ Х РЕШ ЕТОК

Ха л л

I. Введение

Отличительной особенностью радиолокатора с фази­ рованной решеткой является наличие антенны, состоящей из большого числа отдельных излучателей. Излучатели

расположены соответствующим образом в пространстве

ивозбуждаются когерентно, чтобы получилась нужная диаграмма направленности. Требуемое распределение фаз

иамплитуд поля достигается главным образом электри­ ческими средствами в отличие от механических решений, используемых в зеркальных или линзовых антеннах [1, 2]. Применение классической теории решеток к расчету современных РЛС, имеющих высокую скорость обработки данных и высокую разрешающую способность, стало возможным в значительной степени благодаря быстро­ действию и точности новой вычислительной техники. Среди реальных преимуществ фазированных антенных решеток можно отметить безынерционное (за время, из­ меряемое наносекундами) сканирование во всем рабочем телесном угле, наличие нескольких лучей, электронную стабилизацию платформы, легкость получения требуе­ мого спада на краях апертуры и низкий уровень обрат­ ного рассеяния энергии («переливания» за края апертуры).

Фазированная решетка не обязательно должна иметь точечный облучатель, какой требуется для линзовых или зеркальных антенн. Благодаря этому конструктор полу­ чает ценную возможность разделить выходную часть ра­ диолокационного передатчика на несколько параллель­ ных выходных модулей, каждый из которых создает не­ которую долю всей требуемой мощности. Каждый модуль может содержать управляемый источник входного СВЧсигнала, временную задержку или фазовращатель и уси­ литель мощности. Модули могут быть рассчитаны для работы с одним или с группой элементов антенны. В по­ следнем случае выходная мощность модуля делится между несколькими излучающими элементами группы и подается на них с нужным фазовым сдвигом, который вводится уже на высоком уровне мощности. Блок-схемы антенных ре­ шеток для обоих типов возбуждения приведены на фиг. 1 разд. 5.3.3.

Многоэлементная структура фазированной антенной решетки создает большие возможности для новых при­ менений мощных электровакуумных приборов СВЧ. Ис­ пользование большого числа идентичных блоков, содер­ жащих мощные лампы и связанные с ними компоненты, может быть выгодным, если такие блоки надежны, де­