Воробьев Теория электромагн поля и СВЧ (Кривець)

231

Пусть в тройнике (рис. 4.33 а) к ответвлению 3 подводится СВЧ-энергия генератора. Тогда на ответвлениях 1 и 2 в поперечных сечениях, равноотстоящих от центра тройника, амплитуды напряжённости электрического поля будут одинаковы, а фазы - одинаковы для H -тройника (рис. 4.33 б) и имеют сдвиг на 180° для E -тройника (рис. 4.33 а). В этом случае СВЧ-энергия будет поделена поровну между двумя волноводами. Если же, наоборот, два потока СВЧ-энергии подводятся к ответвлениям 1 и 2, то в отрезках волновода 3 и 4 СВЧ-колебания будут складываться с учётом их фазы. В частности, равные по величине потоки энергии с одинаковыми фазами колебаний приведут к удвоению энергии колебаний в ответвлении 4 H -тройника и к отсутствию колебаний в ответвлении 3 E -тройника. Когда СВЧ-колебания в ответвлениях 1 и 2 будут противофазны, эффект прохождения СВЧ-энергии будет обратным - отсутствие колебаний в ответвлении 4 для H -тройника и удвоение энергии в ответвлении 3 для E -тройника.

Двойной тройник (СВЧ-мост, двойной T -мост) обладает особенностями одновременно E - и H -тройников и, кроме того, позволяет вести обработку сигналов в диапазоне СВЧ.

Согласованные нагрузки предназначены для подключения к СВЧ-тракту, чтобы поглотить падающую волну и устранить тем самым отражения СВЧ-колебаний. Они выполняются в виде замкнутого отрезка линии передачи, который имеет активное сопротивление, равное сопротивлению линии ( Zн = Zл ), что достигается

расположением в конце линии передачи поглощающего клина, согласованного с падающей волной.

Измерительные линии представляют собой отрезок волновода (см. рис. 4.11) с прорезью для введения зонда

232

детекторной резонаторной секции. В прорезь не возмущающего линию отрезка вводится зонд, который может быть перемещён вдоль оси z , что позволяет помещать его в место, где достигается необходимое соотношение между падающей и отражённой волнами и, соответственно, получаются определённые значения СВЧколебаний (максимальное, минимальное и среднее). Измерительная линия имеет точную градуировку и позволяет измерять многие величины, характеризующие СВЧ-колебания: коэффициент бегущей волны (КБВ), волновое сопротивление, амплитудное распределение полей вдоль движения волны.

Волномеры - устройства для определения частоты f

или длины волны Λ СВЧ-колебаний (в простейшем случае - это короткозамкнутая измерительная линия (резонатор) с калиброванными размерами элементов). Например, для часто используемого прямоугольного волновода при возбуждении в нём волны типа H10 длина волны равна

где λ - длина волны в вакууме; ε - относительная диэлектрическая проницаемость вещества, заполняющего волновод; a - размер широкой стенки волновода.

Определяя резонансные поглощения энергии волномером из основного тракта, путём их градуировки, можно измерять f и Λ.

Измерительные преобразователи (первичные измерительные преобразователи, датчики) выполняют преобразование компонентов СВЧ-излучений и полей в электрические сигналы, удобные для последующей обработки. В качестве первичных измерительных преобразователей применяют: полупроводниковые и

233

термоэлектрические приборы. Полупроводниковые приборы (СВЧ-диоды и транзисторы) построены на базе p- n-перехода и за счёт его нелинейных свойств дают возможность преобразовать СВЧ-колебания в сигналы постоянного тока, видеосигналы или сигналы более низкой частоты (преобразование частоты). При выпрямлении СВЧ-колебаний получают видеосигналы или сигналы низкой частоты (выделение огибающей СВЧ-колебаний) и постоянную составляющую выпрямленного тока, что используется для непосредственной индикации сигналов магнитоэлектрическими микроамперметрами. Когда полупроводниковые диоды используются в качестве смесителя для преобразования частоты, огибающая СВЧколебаний и их фаза переносятся на пониженную несущую (разностную) частоту, обработка сигнала на которой выполняется радиоэлектронной техникой, имеющей лучшие технические и метрологические показатели. Наибольшее применение в измерительной аппаратуре получили СВЧ-диоды. Термоэлектрические приборы (терморезисторы, термисторы и болометры) используют тепловое действие СВЧ-энергии, поэтому их изготавливают из материалов, хорошо преобразующих тепловые изменения в электрические сигналы.

Полупроводниковый СВЧ-диод - это точечный диод,

специально предназначенный для применения в СВЧдиапазоне. Его конструкция чаще всего выполняется в виде коаксиальных форм с толстыми и короткими элементами - выводами, удобными для монтажа и электрического соединения с канализирующими СВЧустройствами (волноводами, коаксиальными линиями). Учитывая, что СВЧ-диод и элементы секции (обычно параметры СВЧ-диодов задают вместе с волноводной секцией) имеют паразитные индуктивности и ёмкости, ограничивающие его возможности, для каждого диода

234

указывают рабочий диапазон длин волн и наибольшее значение коэффициента бегущей волны, получаемое при его использовании.

Полупроводниковые СВЧ-диоды часто выпускают парами с возможно более близкими параметрами, что позволяет получить наилучшие метрологические характеристики при установке в балансные или мостовые цепи. Для повышения чувствительности аппаратуры и согласования измерительной цепи с СВЧ-трактом диоды обычно подключают к петле связи, установленной в подстраиваемом резисторе. Полупроводниковые диоды по сравнению с другими первичными измерительными преобразователями СВЧ-энергии отличает высокое быстродействие, большая чувствительность и простота использования. Их недостаток - невысокие метрологические характеристики и плохая перегрузочная способность.

Терморезистор - нелинейный полупроводниковый резистор, сопротивление которого сильно зависит от температуры. Терморезисторы выполняются из полупроводникового материала сложного состава. Для работы в СВЧ-диапазоне применяют измерительные терморезисторы (термисторы), позволяющие проводить измерения мощности от долей микроватта до нескольких милливатт. Свойства терморезистора описывают две

характеристики: температурная R (T ) и вольтамперная U (I ). Поскольку СВЧ-энергия в терморезисторе

преобразуется в тепловую, терморезистор характеризуют температурным коэффициентом и постоянной времени, которая по сравнению с диодами оказывается большей, что и ограничивает их области применения.

Болометры - специально выполненные резисторы из проводникового или полупроводникового материала, предназначенные для обнаружения и измерения

235

чрезвычайно малых потоков мощности. По сравнению с другими терморезисторами болометры отличает более высокая стабильность характеристик (металлические болометры), но вместе с тем - пониженные температурные коэффициенты. Их так же, как СВЧ-диоды, изготавливают парами, причём располагают рядом и один из них экранируют от излучения. Болометры часто применяют с охлаждением до низких температур с целью увеличения их чувствительности и снижения погрешности измерений.

Индикаторы СВЧ-излучения преобразуют распределение плотности СВЧ-энергии в видимое изображение. Индикация интенсивности СВЧ-излучения чаще всего основана на том, что вещество индикатора нагревается падающей на него СВЧ-энергией.

Более полную информацию по устройствам СВЧ можно получить из литературных источников [14, 18-21].

4.8 Особенности квазиоптических устройств миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн

Современное развитие физики, астрономии, биологии и химии привело к резкому увеличению исследований электромагнитных колебаний миллиметровых и субмиллиметровых (МСМ) волн. Стимулирование разработок в этих диапазонах диктуется также внутренней потребностью собственно радиофизики и электроники, особенно таких её разделов, как связь, локация, спектроскопия.

Достигнуть определённых результатов при освоении МСМ диапазонов стало возможно благодаря применению метода масштабного моделирования. Закономерности, характерные для сантиметрового диапазона волн, сохраняют свой физический смысл при линейном изменении (сокращении) геометрических размеров

236

электродинамических структур: закрытых резонаторов, волноводов, периодических систем.

Однако метод масштабного моделирования позволяет лишь частично решить задачу создания миллиметровой и, особенно, субмиллиметровой техники, поскольку при использовании данного метода технология изготовления волноводов, резонаторов, отдельных элементов и узлов превращается в прецизионную для указанных диапазонов длин волн. Вместе с этим при возрастании частоты увеличивается затухание волны, распространяющейся по волноводу, уменьшается максимальная мощность, которую можно передавать. При увеличении частоты объёмные резонаторы становятся всё более миниатюрными и их добротность уменьшается.

Переходя к более высоким частотам, казалось бы, можно применять колебания высших типов, оставляя размеры объёмного резонатора постоянными. Однако по мере повышения частоты количество собственных колебаний в единичной полосе частот увеличивается. Сгущение спектра препятствует применению высших типов колебаний. Если собственные частоты колебаний мало отличаются друг от друга, то резонансные кривые могут перекрываться даже при высокой добротности, и, следовательно, теряются частотно-избирательные свойства резонатора.

Аналогичные осложнения возникают и в случае передачи энергии по волноводу с помощью высших типов волн. При увеличении частоты количество волн, которые могут распространяться в волноводе, увеличивается. Значит, для волноводов, поперечные размеры которых существенно больше длины волны, передаваемая электромагнитная энергия будет распределена между многими волнами. Подобный многоволновой режим

237

работы в большинстве случаев недопустим, что отмечалось ранее.

При освоении столь коротких волн описанные выше явления приводят к необходимости использовать новые принципы, с помощью которых можно устранить недостатки, присущие методу масштабного моделирования.

В МСМ диапазонах волн в качестве эффективных электродинамических структур для решения проблем канализации, генерирования и усиления предложены так называемые открытые системы: открытые резонаторы и волноводы [28].

Миллиметровые и субмиллиметровые волны по некоторым свойствам подобны когерентным оптическим волнам, для которых успешно применяют открытые резонаторы и открытые волноводы. Однако имеются и существенные отличия, что требует как соответствующих теоретических методов исследования, так и новых подходов к экспериментальному изучению физических явлений и построению радиосистем. В этом направлении успешно применяются квазиоптические методы формирования полей. Термином «квазиоптика» объединяют круг вопросов, относящихся к таким устройствам для формирования электромагнитных полей, в которых используются методы геометрической оптики (фокусировка, преломление в призмах и линзах), но вместе с тем значительную роль играют и явления дифракции.

Отметим, что квазиоптические методы решения граничных задач электродинамики можно разделить на две группы: асимптотические методы исследования точных решений и эвристические методы, основанные на сочетании различных физических идей. К эвристическим методам относятся лучевые и волновые. Лучевым называют метод геометрической оптики и такие его

238

уточнения, как геометрическая теория дифракции, распространяющая геометрические методы на задачи дифракции, и комплексная геометрическая оптика. Волновые методы включают в себя метод физической оптики и уточняющие его методы, такие как метод краевых волн.

Основные принципы формирования полей в квазиоптических системах. Поле в квазиоптических системах представляет собой длинный узкий пучок, называемый параксиальным волновым пучком, во многом аналогичный плоской волне (см. п.3.2). Иногда подобный пучок можно приближённо рассматривать как луч, поведение которого описывается законами геометрической оптики. Вообще говоря, под параксиальным волновым пучком обычно понимают пучок лучей, распространяющихся вдоль оси системы и образующих очень малые углы с осью и нормалями к отражающим и преломляющим поверхностям. Для таких пучков выполняются соотношения

Поведение реальных волновых пучков отличается от поведения лучей. Причины отличия заключены в явлении дифракции, определяемом, согласно Зоммерфельду, как «любое отклонение световых лучей от прямой линии, которое нельзя объяснить отражением или преломлением».

С помощью методов теории дифракции [28] изучаются волновые процессы в тех случаях, когда на пути распространения волн имеются препятствия: неоднородность среды (линзы), экраны или отверстия в непрозрачных или полупрозрачных экранах.

Рассматриваемые ниже квазиоптические системы - это

открытые резонаторы (ОР) и открытые волноводы

(ОВ), наличие электромагнитного поля в которых может

239

сопровождаться излучением в окружающее пространство. В таких резонаторах и волноводах наблюдается значительное радиационное (обусловленное излучением) затухание большинства колебаний и волн, что приводит к разрежению спектра собственных частот по сравнению с закрытыми системами.

Колебания или волны с малыми радиационными потерями в открытых системах могут быть реализованы за счёт использования определённых физических эффектов.

В открытых резонаторах (рис. 4.33 а) и волноводах с плоскими зеркалами (см. рис. 4.33 б) воздействие каждого зеркала на структуру волны заключается в том, что часть электромагнитного поля, не попадающая на зеркало, излучается. Аналогичное (так называемое фокусирующее) влияние краёв системы характерно для волновода, образованного диафрагмами в поглощающих экранах (см. рис. 4.33 в) и для других структур.

Рисунок 4.33 – Квазиоптические системы, образованные структурами плоской геометрии:

а– ОР; б – ОВ; диафрагмированный ОВ

Вряде систем наблюдается образование поверхностей, называемых каустическими, которых касаются все лучи и за которые они не выходят. Это явление имеет место в открытых резонаторах и волноводах со сферическими

240

зеркалами (рис. 4.34 а, б), в линзовых волноводах (см. рис. 4.34 в) и других аналогичных системах.

Рисунок 4.34 – Квазиоптические системы, образованные структурами с квадратичной коррекцией:

а, б – ОР и ОВ со сферическими зеркалами; в – линзовый волновод

Реализация колебаний и волн с малым затуханием возможна также и за счёт отражения на границе раздела двух сред, когда оптически более плотная среда окружена менее плотной. Примером являются волоконные световоды (см. п.4.4).

Описанным явлениям присуща селективность: края зеркал и диафрагм удерживают поле лишь определённой структуры и частоты, каустические поверхности также образуются лишь при определённых условиях и, наконец, сильное отражение от границы раздела диэлектрика возможно при определённых частотах и углах падения. Это и приводит к существенному разрежению спектра.

Особенности канализации волн МСМ диапазонов рассмотрим на примере линии, состоящей из ряда расположенных на общей оси диэлектрических линз (рис. 4.35). Каждая линза в системе фокусирует падающий на неё пучок электромагнитных волн и направляет его к следующей линзе. При прохождении расстояния между