Особенности диапазона сверхвысоких частот

Электромагнитные колебания диапазона СВЧ обладают рядом важ­ных физических особенностей и свойств, отличающими их от смежных участков спектра.

1. На сверхвысоких частотах геометрические размеры аппаратуры, в том числе и антенн, соизмеримы с длиной волны и могут значительно превышать ее. Поэтому волны диапазона СВЧ обладают квазиоптическими свойствами, т.е. по характеру распростра­нения приближаются к световым волнам. Наряду с этим принципы работы СВЧ устройств в значительной мере определяются явлениями дифракции и не могут непосредственно использовать законы геометрической оптики, а также законы обычных электрических цепей.

Квазиоптические свойства используются для направленной передачи сигналов, а также для определения координат объектов. Именно это обстоятельство дало первый толчок к широкому применению СВЧ в радиолокационной технике.

2. 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 ионосферу, а также сквозь атмосферу. Существование широкого окна прозрачности в диапазоне СВЧ дает возможность, с одной стороны, исследовать мировое пространство радиоастрономическими методами, используя СВЧ излучение Солнца, звезд и других космических тел. С другой стороны, это свойство, в сочетании с острой направленностью излучения, делает диапазон СВЧ незаменимым для развития космических исследований, в том числе для обмена информацией между Землей и космическими устройствами.

3. Величина кванта энергии, соответствующая диапазону СВЧ, соизмерима с разностью энергий близко расположенных энергетических уровней атомов и молекул. Поэтому СВЧ колебания, в особенности лежащие и см, мм и субмиллиметровом диапазонах, обладают способностью резонансного энергетического взаимодействия с веществом. Это обстоятельство широко используется при анализе строения вещества методами СВЧ радиоспектроскопии. Использование резонансного взаи­модействия СВЧ колебаний с атомами и молекулами привело к разработке принципиально новых устройств - квантовых молекулярных генераторов и усилителей и к развитию квантовой электроники.

4. Период СВЧ колебаний соизмерим с временем пролета электронов в междуэлектродном пространстве электровакуумных приборов, который составляет 10^-8 - 10^-9 сек, и часто оказывается значительно меньше времени пролета. Связанные с этим пролетные явления делают, как правило, невозможной работу "обычных" электровакуумных приборов на СВЧ. Вместо "классических" электронных ламп в диапазоне СВЧ разработаны и непрерывно совершенствуются специальные типы при­боров, основанные на полезном использовании инерции электронов, - клистроны, магнетроны, ЛБВ, ЛОВ, платинотроны и др.

5. В диапазоне СВЧ можно разместить значительно больше число каналов связи, чем на более низких частотах. Например, нетрудно видеть, что даже узкая полоса частот в 1% при средней частоте 10 ГГц () позволяет в принципе разместить столько же независимых каналов, сколько их имеется во всем диапазоне сверхдлинных до ультракоротких волн длиною 3 м. Большая информационная емкость СВЧ диапазона позволяет осуществить многоканальную телефонную связь в особенности на сантиметровых, миллиметровых и, возможно на субмиллиметровых волнах.

Роль диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием разнообразных областей науки и техники - радиолокация, радиоуправление, связи, телевидение, промышленной электроники. СВЧ приборы широко используются в ракетной и атомной технике и во многих областях физических исследований в медицине. Освоение космического пространства, нарастающее использование электроники СВЧ в ряде об­ластей народного хозяйства и медицине потребует в будущем еще более широкого применения техники и приборов СВЧ.

Изучение и освоение диапазона СВЧ требует решения многих про­блем, качественно отличных от задач, встречающихся на более низких частотах. Значительный вклад в развитие и применение диапазона СВЧ внесли советские ученые, разработавшие принципиально новые методы генерирования усиления и канализации колебаний СВЧ. Широко известны труды Б.А. Введенского, А.Г. Аренберга, М.С. Неймана, Г.В. Кисунько, посвященные распространению радиоволн, передающим линиям и колебательным системам СВЧ, и работы Н.Д.. Девяткова, В.Ч. Калинина, М.Т. Греховой, Й.С. Неймана, С.Д. Гвоздовера, А.М. Прохорова, Н.Г. Басова и др. в области генерирования и усиления СВЧ колебаний.