Устройства генерирования и канализации субмиллиметровых волн

Устройства генерирования иканализации субмиллиметровых волн
 

 
СОДЕРЖАНИЕ
 
Введение
1.Ламповые и полупроводниковыегенераторные приборы субмиллиметрового диапазона
1.1Лампы обратной волны (ЛОВ)
1.2Плазменные приборы
1.3Полупроводниковые генераторы
2.Резонансные системы субмиллиметровогодиапазона
3. Канализация энергии всубмиллиметровом диапазоне
3.1 Металлические волноводы
3.1.1 Одноволновыеметаллические волноводы
3.1.2 Металлическиеволноводы увеличенных сечений
3.2 Диэлектрические волноводы
3.3 Квазиоптическая линия,образованная передающей и приемной апертурами
3.4 Линзовые и зеркальныелучевые волноводы
4. Элементы трактовсубмиллиметрового диапазона
4.1 Направленныеответвители
4.2 Аттенюаторы
4.3 Модуляторы
5. Элементы трактовсубмиллиметрового диапазона
5.1 Измерение частоты идлины волны
5.1.1 Волномеры с объемнымирезонаторами
5.1.2 Резонансные волномеры сплоскими оптическими зеркалами
5.1.3 Резонансные волномеры свыпуклыми зеркалами
5.1.4 Гетеродинныечастотомеры
5.1.5 Интерференционный методизмерения длины волны
5.1.6 Дифракционный методизмерения длины волны
5.2 Измерение мощности
5.2.1 Калориметрическиеизмерения
5.2.2 Тепловыеизмерители проходящей мощности
5.2.3 Пондеромоторныеизмерители мощности
5.2.4 Болометрическиеизмерители мощности
5.2.5 Пироэлектрическиеизмерители мощности
6. Распространение иприменение радиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметровогодиапазонов волн
6.1 Характеристикираспространения
6.2 Эффект поверхностирассеяния объектов
6.3 Военные и гражданскиеприменения
Заключение
Список использованных источников
 

Введение
Проблема генерированияколебаний в субмиллиметровом диапазоне радиоволн является одной из наиболеетрудных проблем современной радиотехники.
В последние годы успешноразрабатываются маломощные генераторы миллиметрового и субмиллиметровогодиапазонов. Но задача генерирования мощных высокостабильных колебаний вдиапазоне 300—3000 ГГц практически пока не решена. Большинство методовгенерирования колебаний большой мощности в указанном диапазоне исследовано лишьтеоретически, а их экспериментальная проверка проводилась на миллиметровыхволнах, что затрудняет в ряде случаев окончательную оценку их перспективности.
Следует особоподчеркнуть, что существующие генераторы субмиллиметровых волн, например ЛОВ,квантовые генераторы (лазеры) и другие, являются принципиально источникамимонохроматических колебаний.
Под воздействиемразличных факторов спектральная линия современных генераторов субмиллиметровых волнуширяется, однако ширина этой спектральной линии значительно уже, чем спектрнекогерентных источников. С помощью специальных мер ширина спектральной линиикогерентных источников может быть значительно сужена. В этом случае говорят остабилизации частоты когерентных генераторов. Таким образом, с проблемойгенерации тесно связана проблема стабилизации частоты. Очевидно, в первуюочередь представляют интерес исследования, направленные на повышениестабильности частоты существующих генераторов. Поэтому ниже рассматриваютсявопросы стабилизации частоты генераторов типа ламп обратной волны и лазеров.
В настоящей работе наоснове литературных источников дано общее представление о методике и способахпроникновения в область субмиллиметровых волн, кратко освещены направленияизысканий принципиально возможных способов генерирования субмиллиметровых волн.Теория рассматриваемых генераторов не приводится. Излагаются лишь основныепринципы работы, а так же рассмотрены наиболее перспективные области примененияи распространение радиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметровогодиапазонов волн.

1. Ламповые иполупроводниковые генераторные приборы субмиллиметрового диапазона
Задача созданиягенераторов субмиллиметровых волн решалась путем моделирования электровакуумныхприборов СВЧ диапазона. Успехи, достигнутые при моделировании СВЧ приборов, взначительной степени определялись улучшением технологии изготовленияэлектронных пушек и замедляющих структур (ЗС).
Естественно, по мереувеличения частоты возникают специфические трудности, ограничивающиегенерируемые мощности и типы моделируемых приборов. В настоящее время из широкораспространенных приборов СВЧ субмиллиметровые волны генерируют только лампыобратной волны типа О и клистроны.
Определенный интерес представляетвозможность вместо обычной замедляющей структуры использовать плазменныйволновод и на этой основе разработать плазменные усилители и генераторы.
1.1 Лампы обратнойволны (ЛОВ)
Разработка ЛОВ длясубмиллиметровых волн основывалась на методе масштабного копирования. Однакополное масштабное копирование невозможно, так как в субмиллиметровом диапазонеэтому препятствуют трудность создания чрезвычайно больших плотностей тока вэлектронном пучке, сложность изготовления замедляющих систем, обеспечивающихвысокие электрические характеристики и хороший отвод тепла.
С повышением частотынеобходимо увеличивать плотность мощности пучка, что связано как с возрастаниемомических потерь, так и с сокращением эффективно взаимодействующей сэлектромагнитным полем площади поперечного сечения пучка. При пропорциональноммоделировании, как известно, площадь поперечного сечения электронного пучкауменьшается пропорционально квадрату длины волны.
Большое сжатие пучкаобеспечивает его малый диаметр и большую плотность без перегрузки катода.
Однако для фокусировкисильно сжатого пучка требуется большая величина магнитного поля. Магнитное полевозрастает приблизительно пропорционально частоте. Весьма критичной становитсяточность центровки электродов и сопряжения пушки с ЗС. Угловая точность всубмиллиметровом диапазоне должна быть выше 1˚.
Задача созданияэлектронных пушек для ЛОВ субмиллиметрового диапазона является весьма сложной.В опытах с одной из пушек самый малый диаметр пучка составлял 0,06 мм при 85%-ной фокусировке. Плотность тока превышала 1000 А/см2 при напряженности магнитногополя 8000 э.
Параметры электронныхпушек в значительной мере определяют частотный предел ламп. По мере ихсовершенствования будут повышаться генерируемые частоты и энергетическиехарактеристики ламп.
Замедляющие системы,таким образом, должны иметь по возможности большие геометрические размерыпериодической структуры, обладать хорошим теплоотводом и быть простыми визготовлении, т. е. для рассматриваемого диапазона перспективными являютсязамедляющие системы простой формы с наибольшим шагом периодической структуры.Этим требованиям наилучшим образом удовлетворяют различные вариантыпериодической структуры типа гребенки. Основные достоинства таких замедляющих систем:простота изготовления, малые омические потери, так как пучок обычновзаимодействует с первой пространственной гармоникой. Сопротивление связи мало(порядка Ома). Благодаря тому, что основание такой системы массивное,допускаются большие мощности рассеивания.
В связи с большимирассеиваемыми мощностями в современных субмиллиметровых ЛОВ, как правило,применяют водяное охлаждение.
М.Б. Голант и А.А.Негиревнашли оптимальные формы теплорассеивающих поверхностей в субмиллиметровых ЛОВ,что позволило разрешить проблему теплоотвода при разработке отечественныхприборов.
Замедляющие структуры дляламп субмиллиметрового диапазона изготовляются методом фрезерования, штамповки,фототравления, фотоосаждения, резания ультразвуком и электронным лучом.Качество технологии в большой степени определяет параметры приборов.
Для нормальной работыприбора необходимо, чтобы период между двумя пролетами электронов был примернократен периоду генерируемых колебаний. Номера использующихся пространственныхгармоник здесь очень высоки. В таких приборах можно снизить пусковые токи посравнению с обычными ЛОВ, имеющими такую же длину замедляющей системы, и приэтом получить к. п. д. примерно такой же, как у обычных ЛОВ малой мощности смалыми потерями в замедляющей системе.
Таким образом, сочетаниерезонанса в замедляющей системе и резонанса электронного пучка можетспособствовать использованию ЛОВ на более коротких волнах субмиллиметровогодиапазона.
Приборы характеризуютсямногоэлектродной конструкцией, сравнительно высокими напряжениями питания ибольшими магнитными полями. До длин волн />= 0,6 мм используются фокусирующие системы с постоянными магнитами, а в более коротковолновых лампахприменены электромагниты. Отдельные экземпляры этих приборов на волнах 0,9 мм генерировали колебания мощностью около 100 мВт, а на волнах 0,9—0,6 мм – мощностью несколькодесятков милливатт. Разрабатываются ЛОВ для генерирования волн длиной до 0,345 мм.
/>
Рис. 1.1 Зависимостьвыходной мощности ЛОВ-1 и длины генерируемой волны от напряжения коллектора
Советскими учеными подруководством М. Б. Голанта разработаны генераторы типа ЛОВ, предназначенные дляработы на волнах вплоть до 0,296 мм.
/>
Рис. 1.2 Внешний видприборов ЛОВ-1 и ЛОВ-0,5
1 – фланец; 2 – штуцерводяного охлаждения; 3, 4 – выводы накала и катода; 5 – геттер.
На графике рис. 1.показана зависимость выходной мощности и длины генерируемой волны от напряженияна замедляющей системе для одного из экземпляров прибора ЛОВ-1.
Электровакуумные приборысубмиллиметровых волн требуют для своей работы сильных магнитных полей, поэтомуони выпускаются непакетированными. Для уменьшения потерь вывод энергииосуществляется через волновод с увеличенным сечением. Для генерированияколебаний в диапазоне 0,5 мм разработаны также резонансные ЛОВ, работающие вряде дискретных областей.
Крутизна перестройкирезонансных ЛОВ в 5 — 6 раз меньше, вследствие чего стабильность частотыподобных ЛОВ несколько выше; зоны плавной перестройки лежат в пределах сотенмегагерц.
Все существующие приборытребуют водяного охлаждения. Отечественные приборы обладают достаточно высокойнадежностью и удобны в эксплуатации.
По принципу действия кЛОВ близок предложенный Ф.С. Русиным и Г.Д. Богомоловым прибор типа О,названный ими оротроном, который, как показали исследования, может генерироватьсубмиллиметровые волны.
В оротроне эффективностьвзаимодействия электронов с СВЧ полем повышена благодаря использованиюрезонансной системы.
Под руководством А.Я.Усикова его сотрудниками М.Д. Трутнем и Т.Я. Левиным разработаны импульсныегенераторы и генераторы непрерывного действия типов О и М с повышенной среднеймощностью, работающие в милли- метровом и в значительной частисубмиллиметрового диапазона. Рост мощности достигнут вследствие значительногоувеличения объема области взаимодействий.
 
1.2 Плазменные приборы
Ряд исследователейвысказывал предположение, что для генерирования и усиления субмиллиметровыхволн вместо обычной замедляющей системы ЛОВ может быть применен плазменныйволновод.
В изучение приборов,использующих электронно-ионную плазму, большой вклад внесли советские ученыеВ.Л. Гинзбург, Л.Д. Ландау, Г.А. Бернашевский, З.С. Чернов и др.
Расчеты показывают, чтомощность колебаний плазменных субмиллиметровых генераторов и усилителей можетдостигать десятков ватт. В электроннолучевом плазменном приборе в отличие отЛОВ высокочастотное поле не ослабевает по мере приближения к центру пучка.Участие всего пучка в процессе взаимодействия с полем плазменных колебанийобеспечивает более высокий к. п. д. и позволяет повысить выходную мощность засчет увеличения диаметра пучка. Однако при реализации таких устройстввстречается ряд весьма серьезных затруднений, Из-за столкновения электронногопучка с ионами и нейтральными атомами энергия пучка рассеивается в плазме,появляются шумы. Этот эффект ограничивает рабочую частоту и требует увеличениястепени ионизации плазмы.
Для увеличения рабочейчастоты необходимо преодолеть две серьезные трудности:
1) получить плазмучрезвычайно высокой плотности (1014 — 1016 ион/см3) при ионизации больше 50%;чем плотнее плазма, тем выше должен быть процент ионизации;
2) найти эффективныйспособ ввода и вывода энергии.
Возможно, последнюютрудность удастся преодолеть путем использования таких явлений, какраспространение поверхностных волн вдоль плазменного столба и волн в плазме,помещенной в магнитное поле.
1.3 Полупроводниковыегенераторы
Трудности, возникающиепри разработке полупроводниковых СВЧ генераторов и электровакуумных, одни и теже: мелкоструктурность элементов, сложность отвода тепла. Созданиеполупроводниковых приборов осложняется еще худшей теплопроводностью и меньшейдопустимой рабочей температурой полупроводниковых материалов.
Несмотря на это,разработаны приборы на туннельных и лавинно-пролетных диодах, которыегенерируют колебания небольшой мощности в миллиметровом диапазоне длин волн.Указанные ограничения делают невозможной работу классических полупроводниковыхгенераторов в субмиллиметровом диапазоне. В этом диапазоне могут использоватьсяумножители на полупроводниковых диодах и, очевидно, импульсные генераторы налавинно-пролетных диодах (ЛПД). Были получены колебания на частоте /> = 340 ГГц спомощью генератора на ЛПД, работающего в импульсном режиме при большихимпульсных токах. Можно предположить, что для работы в субмиллиметровом диапазонемогут быть созданы генераторы на туннельно-пролетных диодах.
Исследования последнихлет указывают на большую перспективность использования объемных эффектов длягенерации СВЧ колебаний. Первым таким эффектом, позволившим создать генераторыблизкого к миллиметровому диапазона, явился эффект Ганна.
Применение такназываемого режима ограничения накопления пространственного заряда (ОНПЗ) вдиодах из арсенида галлия, предложенного Дж. Коуплендом, позволяет надеяться насоздание высокоэффективных генераторов субмиллиметрового диапазона мощностью внесколько ватт.
Природа возникновенияотрицательного дифференциального сопротивления в диоде из арсенида галлия,работающего в режиме ОНПЗ, та же, что и для режима, открытого Ганном.
В диоде Ганнаотрицательная проводимость существует только в узкой области (домене) арсенидагаллия с повышенной напряженностью поля, который дрейфует от отрицательного кположительному электроду. Область сильного поля разрушает большую частьотрицательной проводимости, и энергию в нагрузку отдает только часть электроновобъема полупроводника. Частота в генераторе Ганна определяется длиной образца.
Режим ОНПЗ не связан сэффектом времени пролета, и частота генератора зависит в первую очередь отчастоты настройки внешнего резонатора. Имеется возможность увеличить размерыприбора. При этом почти весь объем материала диода будет обладать отрицательнойпроводимостью. Вследствие этого мощность генераторов на диодах в режиме ОНПЗувеличится на 4 — 6 порядков. Способ ограничения накопления пространственногозаряда (режим ОНПЗ) основан на следующих явлениях.
Нарастание и спад(рассасывание) пространственного заряда происходят за конечное время, котороеобратно пропорционально степени легирования материала полупроводника иликонцентрации носителей. Время нарастания пространственного заряда при величинеполя, превышающей критический уровень возникновения отрицательной проводимости3000 В/см, значительно больше, чем время спада (рассасывания), котороепроисходит, когда напряженность поля становится ниже критической. Такимобразом, изменяя напряженность поля в диоде до уровня ниже критического навремя, составляющее малую часть периода колебаний, можно осуществитьрассасывание пространственного заряда, накопленного во время работы принапряженности, обеспечивающей появление отрицательного сопротивления.
Арсенидогаллиевый диодработает в режиме ОНПЗ, если выполняется условие
2*1014/>2*1015 шс/см3 (1.1)
Следовательно, необходимообеспечить весьма узкий интервал допустимых уровней концентрации примесей вматериале диода.
Вторым условиемустановления режима ОНПЗ является высокий импеданс внешних по отношению к диодурезонансных цепей, обеспечивающих получение больших амплитуд колебаний надиоде. При этом необходимо, чтобы напряженность поля, приложенного к диоду, в 3- 4 раза превышала значение напряженности поля, которому соответствует эффектГанна. Достаточно высокие значения добротности могут быть полученыустановлением слабой связи резонатора с нагрузкой в момент возникновенияколебаний; после этого нагрузку резонатора, выходную мощность и к. п. д. можнозаметно увеличить. Отрезок линии передачи между резонатором и нагрузкой можетобеспечить задержку момента нагружения резонатора.
Поскольку рабочая частотагенератора в режиме ОНПЗ не зависит от толщины образца, можно увеличить длину иобъем образца в несколько раз. При этом возрастает и приложенное напряжение.Так как мощность пропорциональна квадрату приложенного напряжения, топоявляется возможность значительного повышения выходной мощности. Диод,работающий в режиме ОНПЗ, может быть сконструирован для работы при любомнапряжении от 25 до 500 В.
Увеличению выходноймощности диодов с ОНПЗ препятствуют в основном трудности обеспечения хорошеготеплоотвода и поддержания постоянной напряженности электрического поля по всейдлине диода.
Кроме задач, связанных сразработкой самих диодов, стоят также задачи создания специальных конструкцийгенераторов, в особенности для субмиллиметровых волн, где найдут применениеоткрытые резонаторы.
Примером тому можетпослужить генератор субмиллиметрового диапазона, в котором используютсяобъемные эффекты в арсениде галлия. Основой генератора служит пластина арсенидагаллия длиной 3 мм, шириной 1 мм и толщиной 0,5 мм с концентрацией носителей 1,2*1016 см-3. На концах пластины создаются оловянные омическиеконтакты. На одной стороне пластины в середине ее вырезана канавка шириной 1 мм и глубиной 0,15 мм. На дне канавки нанесена пленка титаната бария, на которую напылен слойпроводника. С другой стороны пластины нанесены пленки из титаната бария, накоторых напылен слой проводящего материала. Емкостный электрод в канавкесоединен с одним из омических контактов.
К крайним выходнымэлектродам на другой стороне пластины подсоединен отрезок замкнутого накороткокоаксиального кабеля. При подаче на контакты импульсов длительностью 60 нсек самплитудой 80—100 В возникали колебания, частота которых зависела от длиныотрезка кабеля и изменялась в больших пределах. В частности, наблюдалиськолебания с частотой 380 Ггц. По мнению разработчиков, этот эффект не связан срежимом ОНПЗ. Предполагается, что колебания вызывает слой нейтрализуемогообъемного заряда. В момент приложения напряжения к омическим контактам начинаетобразовываться и распространяться объемный заряд. Однако развитию этогопроцесса препятствует сильное поле, создаваемое управляющим электродом, чтообеспечивает отрицательное сопротивление всего объема материала.

2. Резонансные системы субмиллиметрового диапазона
Резонаторы являютсяважнейшими элементами целого ряда генераторных и измерительных устройствмиллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. В длинноволновой частимиллиметрового диапазона в качестве резонансных систем еще используются обычныеобъемные резонаторы. Однако по мере укорочения рабочей длины волны размерыобъемных резонаторов, в которых может существовать один вид колебаний,существенно уменьшаются. Это вызывает снижение добротности вследствиевозрастания отношения площади поверхности стенок резонатора к его объему. Крометого, малые линейные размеры налагают очень жесткие требования на точностьизготовления резонатора, которая практически не может быть достигнута.
Особенности резонансныхсистем субмиллиметрового диапазона
Повышение добротности резонаторапутем увеличения объема приводит к сгущению спектра резонансных частот,резонансные кривые отдельных видов колебаний перекрываются и резонатор теряетселективные свойства.
В устройствахмиллиметрового и субмиллиметрового диапазонов и в оптических квантовыхгенераторах (ОКГ) был применен оптический резонатор, являющийся аналогомизвестного в оптике интерферометра Фабри-Перо (ИФП). Это наряду с дальнейшимразвитием теории таких резонаторов позволило преодолеть затруднения, возникшиепри разработке приборов субмиллиметрового диапазона.
Первоначально вмиллиметровом диапазоне был создан открытый резонатор с плоскимиполупрозрачными зеркалами для работы с отраженным сигналом, несколько позднееКолшоу разработал открытый резонатор проходного типа, обладающий значительнолучшими характеристиками. Последний прибор представлял собой систему из двухмногослойных зеркал, расположенных параллельно друг другу, расстояние междукоторыми изменялось в широких пределах. Было показано, что с помощью подобногоустройства можно определять малые потери в диэлектриках и производить точныеизмерения длины волны. Добротность оптического резонатора превышала 50 000, чтоблизко к значению добротности лучших образцов объемных резонаторов. Улучшениекачества зеркал позволило применить проходной оптический резонатор для такихточных измерений, как, например, измерение скорости распространенияэлектромагнитных волн в вакууме.
Успешное использованиеА.М. Прохоровым, А. Шавловым и Ч. Таунсом открытых резонаторов для удлинениявремени взаимодействия электромагнитной волны с рабочим веществом в квантовомгенераторе заинтересовала многих исследователей, которые занялись разработкойтеории ИФП с учетом явлений дифракции, существенно влияющей на работу приборадаже в оптической области спектра. В начале 60-х годов появились работы Фокса иЛи, в которых задача определения распределения полей, спектра резонансныхчастот и радиационных потерь, обусловливающих совместно с джоулевыми потеряминенагруженную добротность резонатора, сводилась к решению однородногоинтегрального уравнения Фредгольма второго рода. Резонаторы типа ИФП сталиназывать открытыми вследствие того, что поверхность их зеркал значительноменьше поверхности, ограничивающей резонансный объем между зеркалами. Благодарясильной связи большинства собственных видов колебаний с открытым пространствомпроисходит разрежение спектра резонансных частот. Резкую границу междуоптическим резонатором и открытым резонатором провести невозможно. Системуназывают открытым резонатором, если при ее возбуждении элементарным диполем илималым отверстием в центре одного из зеркал наблюдаются резонансы. Если жерезонансы наблюдаются только при возбуждении плоской волной и резонансныекривые отдельных видов колебаний перекрываются, то система работает какинтерферометр.
В простейшем случаеоткрытый резонатор состоит из двух плоских бесконечно тонких дисков,расположенных параллельно друг к другу так, что их оси симметрии совпадают.
Экспериментальноустановлено, что такие резонаторы имеют дискретный спектр резонансных частот исоответствующие им собственные колебания с малыми потерями на излучение всвободное пространство.
Следовательно, еслизадать начальное распределение поля на одном из зеркал и представить его в видесуммы собственных колебаний такой системы, и считать, что эти колебания имеютразличную связь со свободным пространством, то через некоторый промежутоквремени, затухая по экспоненциальному закону, колебания будут иметь тем меньшуюамплитуду, чем больше аргумент экспоненциальной функции. В конце концов врезонаторе будет существовать с заметной амплитудой только один вид колебаний сраспределением поля, которое обеспечивает минимальные радиационные потери. Этов некотором приближении соответствует задаче Коши, но в данном случае различнаясвязь со свободным пространством полей различных видов колебаний даетвозможность найти характеристики нормального вида колебания, при котором потериминимальны. Очевидно, эту задачу разрешить тем легче, чем ближе исходноераспределение поля к искомому.
Если отвлечься от явленийдифракции на ребрах зеркал, что справедливо для резонаторов с размерами зеркал,значительно превышающими длину волны, то можно смоделировать описанный вышепроцесс фильтрации, заменив отражения волны от зеркал последовательным прохождениемее сквозь абсолютно черные диафрагмы с апертурой отверстия, равной апертурезеркала. Процесс распространения волны от диафрагмы к диафрагме можно описать спомощью линейного интегрального оператора, который позволяет найти поле в любойточке по заданному распределению на какой-либо поверхности. Очевидно, что еслив такой системе останется волна, которая соответствует одному из собственныхвидов колебаний открытого резонатора, то при последовательном прохождениидиафрагм нормированное поперечное распределение поля не будет изменяться. Связьс открытым пространством вызовет лишь уменьшение общей энергии, переносимойволной. Эти соображения позволяют свести задачу о нахождении собственных видовколебаний открытого резонатора к однородному интегральному уравнению Фредгольмавторого рода типа
/>, (2.1)
где v — поперечноераспределение скалярного поля вблизи зеркала;
/> - константа, определяющаярезонансные частоты и потери резонатора; интегрирование проводится поповерхности одного из зеркал.
В квазиоптическомприближении, когда
/> (2.2)
ядро интегральногоуравнения упрощается, становится симметричным, но не эрмитовым:
/> (2.3)
где
/> (2.4)
d — максимальноерасстояние между зеркалами;
R — расстояние междуточкой (х1 у1, z1) на одном из зеркал и точкой (х2, у2,z2) на другом.
Уравнения с такими ядрамив настоящее время детально не исследованы, хотя работы в этом направленииведутся. Следует отметить, что это интегральное уравнение можно вывести болеестрогим путем, исходя из уравнений Максвелла.

3. Канализация энергиив субмиллиметровом диапазоне
 
3.1 Металлическиеволноводы
 
3.1.1 Одноволновыеметаллические волноводы
Металлическиеодноволновые волноводы являются наиболее распространенными в сантиметровомдиапазоне и длинноволновом участке миллиметрового диапазона.
При переходе в коротковолновуючасть диапазона субмиллиметровых волн свойства одноволновых волноводовзначительно ухудшаются. В первую очередь следует отметить быстрое увеличениепогонных потерь по мере укорочения длины волны.
Стенки реальныхволноводов имеют неровности, соизмеримые с глубиной проникновения токавследствие поверхностного эффекта и часто превышающие ее. Это приводит кудлинению пути тока и, следовательно, к дополнительному увеличению затухания поотношению к расчетному. Поэтому уже на волне 2 мм результаты экспериментов почти в полтора раза превосходят расчетные данные.
При использованииодноволновых металлических волноводов неизбежными являются потери в местахсочленения секций линии передачи.
Таким образом, большиепотери и чрезвычайно жесткие требования на изготовление и сочленения делаютодноволновые волноводы непригодными для передачи энергии в субмиллиметровомдиапазоне даже на малые расстояния. Однако в длинноволновом участке диапазона (/>= 1 — 0,5 мм) часто используют короткие, длиной от нескольких миллиметров до сантиметра, отрезки такихволноводов в детекторах, смесителях, возбудителях и других устройствах,моделирующих соответствующие устройства техники сантиметровых волн.
Одноволновые волноводычаще всего изготовляют методами гальванопластики. Для этого предварительно изнержавеющей стали изготовляют оправку с размерами, равными размерам будущеговолновода. Оправку полируют, обезжиривают и помещают в гальваническую ванну,где на ней наращивают слой меди требуемой толщины. Процесс изготовленияволновода заканчивается извлечением оправки.
Для устранения потерь всочленениях зачастую делают сложные составные оправки. Таким способом могутбыть изготовлены скрещенные волноводы для смесителей, переходы от одноволновыхволноводов к волноводам увеличенных сечений и т. п.
3.1.2 Металлическиеволноводы увеличенных сечений
Увеличение внутреннихразмеров волновода позволяет уменьшить затухание и повысить допустимуюмощность. Так, одноволновый волновод на волну />= 0,2 мм имеет затухание 120 Дб/м и допустимую мощность всего 0,02 кВт. На этой же волне волновод ссечением 10x23 мм характеризуется затуханием 0,8 Дб/м и допустимой мощностью275 кВт. Однако, несмотря на малое затухание, использование таких волноводовограничивается тем, что в них может существовать большое число колебаний высшихвидов.
Если поперечное сечениеволновода значительно больше />2, то число возможных волн вволноводе n можно приближенно найти по формуле:
/>. (3.1)
Из этого соотношенияследует, что число волн в волноводе пропорционально площади сечения волновода иобратно пропорционально квадрату длины волны. Так, на волне 0,2 мм в волноводе сечением 10*23 мм может существовать свыше 30000 типов волн.

 
3.2 Диэлектрическиеволноводы
Для передачи энергии вмиллиметровом диапазоне радиоволн было предложено много разновидностей линийповерхностной волны.
Самым общим свойствомлиний поверхностной волны является то, что фазовая скорость волны в такихлиниях меньше скорости света. Отсюда другое их название — линии замедленнойволны. Именно замедлением фазовой скорости объясняется другое свойство линийповерхностной волны: электромагнитное поле «прижато» к некоторым направляющимструктурам, хотя ничто не ограничивает его со стороны внешнего пространства.Поэтому линии поверхностной волны могут быть отнесены к открытым линиям.
Между замедлением фазовойскорости и протяженностью поля в поперечном направлении существует обратнаязависимость — с уменьшением замедления концентрация энергии вблизи направляющейструктуры ослабевает, а занятое электромагнитным полем пространство (впоперечном направлении) увеличивается. При этом напряженность поля уповерхности направляющей структуры понижается, что приводит к уменьшениютепловых потерь в конструктивных элементах линии. Снижение напряженности поляпозволяет также передать по линии большие мощности без опасности электрическогоили теплового пробоя.
С другой стороны, есливолна очень слабо замедлена и занимает большое сечение, то она оказываетсяслабо связанной с направляющей структурой. Распространение такой волны будетсопровождаться даже на слегка искривленных участках линии сильным излучением.Кроме того, слабо замедленные волны с трудом возбуждаются, т. е. при ихвозбуждении в линии значительная часть энергии источника может бесполезноизлучаться.
С укорочением длины волныприменение таких линий ограничивается как возрастанием погонного затухания, таки технологическими трудностями.
Для работы в диапазонесубмиллиметровых волн наиболее подходящим является, пожалуй, обычныйдиэлектрический волновод, представляющий собой стержень круглого или овальногосечения, выполненный из высококачественного диэлектрика. Для передачи энергиицелесообразно использовать основную, так называемую дипольную волну, которая вволноводе круглого сечения обозначается как НЕ11. Диаметр стержня выбираетсятак, чтобы получить требуемую степень концентрации энергии вблизи стержня. Приуменьшении степени концентрации энергии структура поля дипольной волныстановится близкой к структуре поля плоской поперечной волны ТЕМ.
Затухание вдиэлектрическом волноводе при постоянной фазовой скорости растетпропорционально частоте, тогда как в стандартных металлических волноводахзатухание пропорционально частоте в степени три вторых. Отсюда следует, что сукорочением длины волны относительные преимущества диэлектрического волноводавозрастают.
Потери в направляющемстержне в сильной степени зависят от замедления фазовой скорости. Это понятно,так как в слабо замедляющем волноводе основная доля энергии переносится внестержня, а в сильно замедляющем — внутри его.
Факт уменьшения потерьпри уменьшении диаметра ряд авторов рассматривает как потенциальную возможностьполучения очень малых затуханий. Однако при этом не следует забывать, чтодиэлектрический волновод является открытой линией передачи, в которой любаянеоднородность вызывает появление волн излучения. Волны излучения уносятэнергию, которая является энергией потерь и увеличивает затухание в волноводе.Этот фактор все усиливается по мере уменьшения замедления фазовой скорости иставит предел получению очень малых линейных затуханий.
При работе всубмиллиметровом диапазоне всегда следует считаться с потерями в среде,окружающей волновод. При весьма малых замедлениях эти потери будут близки кпотерям волны, распространяющейся в свободном пространстве. Если потери в средезначительны, то могут оказаться более выгодными волноводы с сильнозамедленнойволной в высококачественном диэлектрике.
Потери в местахразмещения опор диэлектрического волновода могут быть существенными прииспользовании слабозамедленных волн. В качестве опор могут служить пластиныпенополистирола или весьма тонкие диэлектрические нити. Диэлектрические нитиболее предпочтительны для линий с слабозамедленной волной.
Потери на опорахпроисходят из-за отражения, излучения и поглощения. Расчет потерь на опорахзатруднителен, однако ясно, что потери будут снижаться по мере уменьшениятангенса угла потерь и диэлектрической проницаемости материала опоры и еетолщины. Согласно экспериментальным данным потери на одну опору, представляющуюсобой пенополистироловую пластинку, составляют 0,05 Дб.
Потери на возбуждениевозникают в месте стыковки двух различных волноводных систем (например,диэлектрического волновода с металлическим волноводом генератора). Ввозбуждающих устройствах часть энергии теряется (отражается, излучается, уходитс нежелательными типами волн), и только определенная доля энергиираспространяется в виде рабочей волны.
Общий принцип построениявысокоэффективных возбудителей заключается в следующем: нужно плавно изменятьформу и размеры первичного волновода с тем, чтобы в некотором сечении иметьамплитудное и фазовое распределение компонентов поля, близкое к распределениюполя поверхностной волны. Если в этом сечении первичный волновод оборвать ипродолжить дальше волновод диэлектрический, то потери на возбуждение будутминимальными.
Хорошие показатели могутбыть достигнуты при возбуждении дипольной волны в круглом диэлектрическомволноводе колебаниями вида Н11 круглого металлического волновода, плавнопереходящего в круглый рупор. Схематически разновидности рупорных возбудителейпоказаны на рис. 3.1. Рупор с линзой, корректирующей фазу, радиус раскрывакоторого выбирается из соотношения может обеспечить возбуждение линии спотерями, не превышающими 30%.
/>
Рис. 3.1 Различные видыэффективных возбудителей диэлектрического волновода.
/> (3.2)
Некоторым недостаткомдиэлектрического волновода круглого сечения является неустойчивость поляризацииволны.
Для устраненияполяризационной неустойчивости могут быть использованы волноводы эллиптическогоили овального сечения. Овальный волновод получают прокаткой круглого волновода.Экспериментально установлено, что оптимальным является такое сечение волновода,когда b/a = 2. Под Ь и а понимают максимальный и минимальный размеры сечения.При таких соотношениях достигается максимальный разнос фазовых скоростей волн(и соответственно затухания) с поляризацией вдоль большего и меньшего размерасечения волновода.
Диэлектрические волноводыочень удобны для работы в коротковолновом участке миллиметрового диапазона.
В субмиллиметровомдиапазоне волн применение диэлектрических волноводов ограничивается рядомпричин, среди которых в первую очередь следует назвать отсутствие диэлектриковс малыми потерями. Серьезные затруднения возникают при использовании волноводовсо слабозамедленной волной из-за весьма малых поперечных размеровдиэлектрического стержня, недостаточной его прочности и т. п.
3.3 Квазиоптическаялиния, образованная передающей и приемной апертурами
Идеальной была бы системаканализации, формирующая электромагнитное поле в нерасходящийся волновой пучок,который распространяется в свободном пространстве. К сожалению, идееформирования нерасходящихся волновых пучков противоречит волновая природаэлектромагнитного поля. Тем не менее системы с раскрывами излучающегоотверстия, значитачьно большими длины волны, позволяют формировать пучки свесьма малой расходимостью. Наглядным примером может служить излучениеквантового генератора, само по себе остронаправленное. Если такой генераторпоместить в фокус телескопа, то необходимость в дополнительной линии передачивообще отпадает при передаче энергии на сотни километров, поскольку всяизлучаемая энергия может быть перехвачена приемным устройством с апертуройприемлемых размеров. В диапазоне субмиллиметровых волн отношение допустимыхразмеров апертур к длине волны заметно уменьшается, тем не менее в ряде случаевподобные квазиоптические линии передачи могут оказаться наиболее простыми.
3.4 Линзовые изеркальные лучевые волноводы
Описанные выше линии передачине обладают свойствами самофильтрации и имеют ограничения по длине,определяемые величиной зоны Френеля. Действительно, в ближней и френелевскойзонах излучаемое поле имеет вид лучевой трубки, диаметр которой увеличивается сростом расстояния. Быстрое увеличение расходимости пучка начинается в концезоны Френеля. Если же на некотором расстоянии от излучающего раскрыва, гдефронт волны становится уже заметно выпуклым (расходящийся пучок), установитьдлиннофокусную линзу, преобразующую выпуклый волновой фронт в вогнутый, тополучим сходящийся волновой пучок. Вследствие эффектов фокусировки идифракционного расширения сечение пучка после линзы сначала несколькоуменьшается, а затем вновь увеличивается. На следующую такую линзу падаетрасходящийся пучок; эта линза вновь фокусирует его, направляет к очереднойлинзе и т. д.
В результате получаемустройство, в котором осуществляется направленное распространение пучковэлектромагнитных волн. Такие канализирующие системы получили название лучевыхволноводов. Линзовый лучевой волновод впервые был предложен Губо.
Назначение линз в линииГубо — периодически исправлять, корректировать распределение фазы по сечениюпучка без заметного изменения его амплитудного распределения. Поэтому линзу втакой линии рассматривают как фазовый корректор. Линза из диэлектрика неявляется единственно возможным видом фазового корректора. Были предложенылучевые волноводы, где роль фазовых корректоров выполняют металлическиефокусирующие зеркала. Такие линии передачи получили название зеркальных лучевыхволноводов или зеркальных линий.
Пучок в лучевом волноводепредставляет собой распространяющуюся электромагнитную волну, занимающую впространстве область примерно цилиндрической формы, которую можноохарактеризовать некоторым эффективным радиусом. На расстояниях от центрапучка, превышающих этот радиус, поле экспоненциально убывает. Поперечноесечение фазовых корректоров выбирают так, чтобы «перехватить» возможно большуючасть распространяющейся энергии, однако часть вышедшей из каждой предыдущейлинзы энергии все же не достигает последующей, поэтому в лучевом волноводевсегда имеют место дифракционные потери.
Доказано, что пучок волн,направляемый лучевым волноводом, может быть разложен на элементарные пучки свполне определенным устойчивым распределением полей в поперечном сечении. Этиэлементарные пучки являются собственными волнами лучевого волновода. Как и уобычных волноводов, собственные волны лучевого волновода удовлетворяютсоотношениям ортогональности. Вследствие того, что дифракционные потери растутс увеличением номера волны, энергия, переносимая высшими типами волн, быстропадает и по волноводу в конечном счете распространяется волна низшего типа,обычно называемая основной. Таким образом, заметное отличие дифракционныхпотерь различных типов волн и обусловливает свойства самофильтрации лучевоговолновода.
Существует глубокаяфизическая аналогия между линиями из фазовых корректоров и соответствующимиоткрытыми резонаторами. Оказывается, процесс распространения электромагнитныхпучков в лучевых волноводах и колебания в соответствующих резонаторах близкинастолько, что собственные колебания резонаторов и собственные волны лучевыхволноводов описываются тождественным образом, дифракционные потери врезонаторах и волноводах одинаковы и т. п.
Оба вида устройствописываются одними и теми же однородными интегральными уравнениями Фредгольмавторого рода. Аналогия между линиями и резонаторами широко использовалась уже впервых исследованиях квазиоптических систем. В частности, при расчете типовколебаний в открытых резонаторах Фокс и Ли применили эквивалентнуюматематическую модель лучевых волноводов, а с другой стороны, Губо использовалэквивалентный открытый резонатор для экспериментального исследованиядифракционных потерь и изучения установления стационарного процесса в линзовойлинии.
При резонансе наопределенном виде колебаний в резонаторе поле состоит из двух встречных волнэквивалентной линии. Поэтому все формулы и графики, полученные для собственныхфункций и собственных значений для открытых резонаторов, полностью переносятсяна эквивалентные регулярные открытые линии.
Как в лучевых волноводах,так и в резонаторах поле формируется в виде длинных пучков. Обычно ширина пучказначительно меньше его длины и много больше длины волны. В таких системахбольшими числами являются следующие отношения:
/> и /> (3.3)
где а — радиус раскрыва иd — расстояние между корректорами. Одной из основных характеристик системыявляется дифракционный параметр
/>. (3.4)
Практически всетеоретические результаты для линий и резонаторов получены для условий, когдасоотношения хорошо выполняются (резонаторы и линии для квантовых генераторов).
Потери в лучевыхволноводах:
1. Дифракционные потериявляются характерной особенностью лучевых волноводов. Благодаря этому видупотеоь лучевые волноводы обладают хорошо выраженными свойствами самофильтрации.Дифракционные потери регулярного конфокального лучевого волновода определяютсятолько величиной параметра С. Соответствующим выбором значения С дифракционныепотери могут быть сведены к сколь угодно малым значениям. Следует оговорить,что вопрос о допустимом уровне дифракционных потерь при расчете линии передачидолжен быть решен с учетом всех остальных видов потерь, так как при очень малыхдифракционных потерях (по отношению к остальным) свойства лучевого волноводаухудшаются — теряются селективные свойства и неоправданно возрастают габариты.
2. Потери на отражениедля одной линзы линзового лучевого волновода равны
/>Дб, (3.5)
где Г — коэффициентотражения по мощности.
3. Тепловые потери влинзе определяются в первую очередь величиной тангенса угла потерь tg/>исходногодиэлектрика и его толщиной. Поскольку линза неравномерна по толщине, топоглощение в ней зависит еще и от распределения поля.
Величина тепловых потерьна одиночной линзе для волн ТЕМmn определяется следующим выражением:
/>Дб, (3.6)
где D0—максимальнаятолщина линзы.
4. Потери в среде всегдадолжны учитываться при построении субмиллиметровых линий передачи. Средой, вкоторой происходит распространение радиоволн при использовании квазиоптическихметодов, является, как правило, атмосферный воздух. Известно, что для волн счастотой ниже 1 Ггц атмосфера является практически прозрачной. Ослаблениеэнергии весьма мало даже при большой протяженности линии передачи. На болеевысоких частотах сказываются два фактора:
— поглощение ирассеивание радиоволн на сосредоточенных объектах, присутствующих в воздухе;
— резонансное поглощениев атмосферных газах и парах воды.
5. Потери на возбуждениевозникают в том случае, когда амплитудное и фазовое распределение волны,поступающей на вход лучевого волновода, отличается от распределения рабочейволны (первой собственной волны). Действительно, возбуждающее поле может бытьразложено в ряд по собственным волнам регулярного лучевого волновода.Коэффициенты разложения будут представлять собой амплитуды возбуждаемых волн.Поскольку волны высших порядков при распространении в линии быстро затухают,энергия, затраченная на их возбуждение, теряется впустую.

4. Элементы трактовсубмиллиметрового диапазона
В связи с изобретением ишироким применением на практике лучевых волноводов возникла необходимость вразработке вспомогательных устройств, позволяющих управлять канализируемойэнергией электромагнитных волн. В СВЧ диапазоне используются различныеволноводные элементы: тройники, двойные тройники, направленные ответвители,аттенюаторы, делители мощности, согласованные поглощающие нагрузки, различноговида согласующие устройства и т. д.
Как и в обычныхметаллических волноводных линиях, связь генератора или передающейквазиоптической линии с измерительными приборами различного назначенияосуществляется с помощью направленного ответвителя. Основное назначение этогоустройства — ответвить некоторую часть энергии электромагнитных колебаний,проходящей по линии передачи в прямом или обратном направлении. Кроме этого онможет использоваться как постоянный или переменный аттенюатор при измерениибольших уровней энергии, в измерителях проходящей мощности, измерителяхкоэффициента стоячей волны, для связи индикаторов или спектральных приборов,контролирующих работу линии при настройке, и т. д.
4.1 Направленныеответвители
Рассмотрим различныеварианты построения направленных ответвителей.
Если электромагнитнаяволна падает под углом 45° на проволочную решетку или диэлектрическую пластину,то ее энергия делится на две части: одна часть проходит прямо, а другаяотражается под прямым углом к направлению пришедшей волны. Величина ответвленнойэнергии зависит от коэффициентов пропускания и отражения полупрозрачнойпластины. В случае применения проволочной решетки коэффициент отражения зависитот густоты расположения проволок, точнее от отношения шага к длине волныоблучающего сигнала. По мере укорочения длины волны или при увеличениишагарешетки коэффициент отражения уменьшается.
Заметим, что коэффициентотражения делителя с решеткой зависит от поляризации волны. Благодаря этомуимеется возможность изменять величину отражения. Если угол между направлениемвектора Е и проволочками равен />, то коэффициент отражения
г' = г sin/>. (4.1)
Коэффициент отражениятонкой диэлектрической пластинки, как известно, определяется величинойдиэлектрической проницаемости /> материала. Для пластины,расположенной под углом 45° к направлению распространения электромагнитнойволны, он может быть найден из соотношения:
/>. (4.2)
Если один диэлектрикрасположен вблизи другого, как, например, в случае двух призм, то, как былозамечено Бозе, происходит переход энергии из одной призмы в другую. Изменяярасстояние между призмами, можно получить отношение переданной и отраженнойэнергии электромагнитной волны от нуля до очень большой величины.
Квазиоптическийпризменный направленный ответвитель характеризуется теми же параметрами, что иволноводный: переходным затуханием, направленностью и диапазоном рабочихчастот.
Направленностьответвителя характеризует отношение мощностей электромагнитных волн,распространяющихся в побочном плече в противоположных направлениях при бегущейволне в основной линии. Эта величина выражается в децибелах и может бытьнайдена как:
/>. (4.3)
Направленностьквазиоптического ответвителя зависит от толщины воздушного зазора междупризмами и рабочей частоты. Она может изменяться в широких пределах.
Рабочий диапазонпризменного устройства весьма широк. С увеличением частоты он ограничиваетсядопусками на обработку поверхности призм и требованиями к механизмуперемещения. Ограничение со стороны длинных волн обычно обусловленоконструктивными элементами. Действительно, при увеличении длины волны сигнала,с одной стороны, оказывается необходимым увеличить размеры призм из-зарасширения волнового пучка, с другой стороны, для достижения тех жехарактеристик потребуется увеличить воздушный зазор между призмами, а механизмперемещения имеет ограниченные возможности.
4.2 Аттенюаторы
Зависимость ответвляемоймощности от величины воздушного зазора призменного направленного ответвителяможет быть также использована при конструировании аттенюаторов дляквазиоптических линий передачи. Как известно, аттенюаторы используются дляуменьшения мощности, поступающей от источника колебаний к нагрузке или развязкисверхвысокочастотных цепей между собой для уменьшения их взаимного влияния.Степень уменьшения мощности или затухание аттенюаторов выражается в децибелах:

/>, (4.4)
т. е. определяетсяотношением мощности колебаний на выходе устройства (P1/) к мощности приходящегосигнала (P1).
Если аттенюаториспользуется совместно с измерителем малой мощности, то поступающая к немумощность связана с измеренной следующим образом:
Р1=Р1/*100,1В
В субмиллиметровыхквазиоптических линиях передачи наибольшее распространение нашли призменные,поляризационные и поглощающие аттенюаторы. Причем призменные устройства визвестной степени являются аналогами предельных аттенюаторов сантиметровогодиапазона радиоволн.
Для ослабления сигнала вквазиоптической линии передачи может быть использован поляризационныйаттенюатор. В основу конструкции устройства положена зависимость уровнясигнала, прошедшего через проволочную или ленточную решетку, от угла,образованного направлением вектора электрического поля Е и лентами илипроволоками.
/>
Рис. 4.1. Схемарешетчатого аттенюатора
Из теории дифракционныхрешеток известно, что если плоская электромагнитная волна падает на решеткунормально к ее поверхности, то происходит искажение конфигурации поля,характеризующееся отраженной волной (коэффициент отражения а0) и прошедшейволной (коэффициент прохождения Ь0).
Для поляризационногоквазиоптического аттенюатора обычно используются густые проволочные илиленточные решетки, у которых период связан с длиной волны облучающего полянеравенством
L
/>
Рис. 4.2 Схемаполяризационного аттенюатора с двумя дифракционными решетками
Существенным недостаткомполяризационного аттенюатора на одной решетке является то, что он сам изменяетполяризацию сигнала. Это во многих случаях практики недопустимо. Поэтому былапредложена система из двух решеток, свободная от указанного недостатка.
На рис. 4.2 показановзаимное расположение двух решеток. Причем одна из них может быть повернута напроизвольный угол qотносительно другой. Неподвижная (внешняя по отношению к падающей волне)решетка предназначена для восстановления первоначальной поляризации сигнала, т.е. для того, чтобы исключить влияние решетчатого аттенюатора на вид поляризацииэлектромагнитной волны, распространяющейся по тракту.
Обычно для решетокаттенюатора выполняется условие l. Для случая взаимногорасположения решеток, показанного на рис. 4.2, составляющая падающего поля Ехполностью пройдет через неподвижную решетку, а составляющая Еу, возникающаяпосле прохождения через подвижную решетку, отразится и не пройдет дальшенеподвижной решетки.
Затухание двухрешетчатогоаттенюатора подсчитывает-ся по формуле:
/>Дб. (4.5)
4.3 Модуляторы
Используемые в диапазонесубмиллиметровых волн генераторные лампы не дают возможности осуществлятьамплитудную модуляцию сигнала без сколько-нибудь заметных смещений частоты.Здесь практически приемлемой становится лишь амплитудная модуляция в линиипередачи, основанная на активном поглощении части энергии без заметногоотражения в источник излучения, так как последнее также может привести кнеустойчивости частоты генератора.
Полупроводники,проводимость которых может электрическим путем меняться во много раз, позволяютсоздать активные модуляторы для линий передачи всех диапазонов длин волнначиная от метровых и кончая коротковолновым участком инфракрасного спектра.Основные конструктивные особенности модуляторов в соответствующем диапазонечастот в значительной степени определяются механизмом взаимодействияэлектромагнитных волн с полупроводниковым материалом и способом канализацииэнергии.
Поскольку с укорочениемдлины волны начинают сказываться явления, которые не проявлялись заметно наболее низких частотах (дисперсия показателя преломления и показателя поглощенияряда веществ, увеличение потерь и др.), то в субмиллиметровом диапазоне длярешения необходимых практических задач требуются совершенно новые методы итехнические приемы. В частности, имеется тенденция решать практические иисследовательские задачи в субмиллиметровом диапазоне методами, принятыми в оптике.Управление энергией в этом диапазоне также целесообразно осуществлять,используя некоторые оптические свойства полупроводников, связанные споглощением фотонов малой энергии.
Практически это можноосуществить, располагая на пути пучка электромагнитной энергии некоторый объемполупроводника, оптическая плотность которого может меняться вследствиеизменения концентрации или подвижности свободных носителей тока. При этомиспользуются процессы, совершающиеся в объеме тел, а не в очень малых посравнению с длиной волны областях (как, например, в точечном диоде).
Наиболее простой методизменения концентрации свободных носителей тока — это инжекция неосновныхносителей с помощью р-п перехода. В этом случае модулятор представляет собойполупроводниковую пластинку, на одном конце которой имеется р -п переход, а надругом — неинжектирующий эксклюзионный п-п+ или р-р+ переход («омическийконтакт»). Пластинка располагается поперек сфокусированного пучка энергии влучевом волноводе, заполняя все его сечение, причем контакты находятся запределами электромагнитного поля. При пропускании тока через такой диодизменяются концентрация носителей тока в объеме вследствие инжекции неосновныхносителей тока из р-п перехода при этом изменяется' и прозрачность слоя поотношению к электромагнитной энергии. Так может быть осуществлена модуляцияэнергии в лучевом волноводе.
Плоский слой вещества суправляемой концентрацией носителей тока обладает свойствами, интересными сточки зрения применения их для управления электромагнитным излучением.Отраженная от слоя и прошедшая сквозь слой энергия, а также коэффициентмодуляции прошедшей энергии являются осциллирующими функциями относительнойтолщины слоя
/>
(d—толщина слоя, /> - длина волныэлектромагнитного излучения, /> - диэлектрическая проницаемостьполупроводника). При этом возможен ряд вариантов.
Когда толщина слоя кратнаполовине длины волны в нем, коэффициент отражения, начальные потери и скачокфазы отраженной волны минимальны и слабо растут с увеличением проводимостислоя; коэффициент модуляции прошедшей волны максимален (т = 80 — 90%).
Если толщина слояполупроводника кратна четверти длины волны в нем, то коэффициент отражения иначальные потери максимальны, скачок фазы отраженной волны мал (несколькоградусов), коэффициент модуляции минимален.
Широкополосностьмодуляторов можно увеличить применением, например, антиотражающих покрытий илитакой ориентировкой образца, при которой коэффициент отражениявертикально-поляризованной волны минимален. В качестве согласующих материаловиспользуются кварц, полиэтилен, слюда.
 

5. Измерение частоты имощности в субмиллиметровом диапазоне
 
5.1 Измерение частотыи длины волны
 
Частота или длина волныколебаний субмиллиметрового диапазона является одной из основных характеристик,подлежащих определению при аттестации генераторов и приемников, диагностикеплазмы и изучении свойств различных веществ как твердых, так и газообразных.Особенно важно знать точное значение частоты или длины волны колебаний приспектроскопических исследованиях.
Развитие радиотехникимиллиметрового диапазона радиоволн, освоение нового, более коротковолновогосубмиллиметрового диапазона потребовало разработки специальных приборов дляизмерений частоты и длины волны. Принципиально возможны два пути решения этойзадачи: использование хорошо известных радиотехнических методов частотныхизмерений и не менее хорошо разработанных оптических методов измерений длиныволны с помощью различных оптических резонаторов (интерферометров) идифрактометров. Кроме этого, возможны гибридные системы, использующие какрадиотехнические, так и оптические методы измерений.
В свободном пространствескорость движения волны v равна скорости света с. При распространении радиоволнв различных средах и линиях передачи их фазовая скорость отличается от скоростисвета. Фазовая скорость, или фазовая длина волны в волноводах, зависит от ихформы и геометрических размеров. Итак, при постоянной частоте колебаний f ихфазовая скорость и длина волны не являются постоянными величинами прираспространении в различных средах и линиях передачи. В то же время частотаколебаний не зависит от условий распространения электромагнитной энергии иявляется постоянным параметром, характеризующим электромагнитное колебание.
В практике измерений наСВЧ удобно пользоваться термином «длина волны», так как геометрические размерыколебательных систем соизмеримы с длиной волны. Благодаря этому имеетсявозможность во многих случаях свести измерение длины волны колебаний кизмерению линейных или угловых перемещений рабочих элементов. Для более точныхизмерений используется метод сравнения частот эталонов того или иного типа илиих гармоник с частотой неизвестного колебания.
Рассмотрим теперьконкретные примеры построения волномеров и частотомеров субмиллиметровогодиапазона радиоволн.
5.1.1 Волномеры собъемными резонаторами
В сантиметровом имиллиметровом диапазонах радиоволн, особенно в длинноволновом его участке,широкое распространение получили волномеры, использующие резонансные явления вотрезках коаксиальной линии или в круглых и прямоугольных волноводах.
Для иллюстрации на рис.5.1 приведены их упрощенные схемы. С помощью подвижного поршня 2 изменяетсядлина камеры l, т. е. ее резонансный объем. Связь с линией передачиосуществляется через отверстия связи 3. Момент резонанса фиксируется попоказаниям индикаторного прибора (микроамперметра), включенного в цепидетектора. В зависимости от схемы включения волномера микроамперметр в моментрезонанса покажет либо минимум тока (рис. 5.1, а и в), либо максимум (рис. 5.1,б). В этом случае длина резонатора будет кратна целому числу полуволн, т. е.
/> (5.1)
где /> — длина волны вволноводе; п — целое положительное число.
Продолжая движение поршняв сторону укорочения или удлинения линии, добиваются повторных резонансов.Разность отсчетов положения поршня между двумя соседними резонансами равнаполовине длины волны в волноводе.
/>
Рис. 5.1 Объемныерезонаторы: круглого сечения (а); прямоугольного сечения (б); коаксиальный (в);1 — резонансный объем; 2 — подвижный поршень; 3 – элемент связи
Точность волномеров можетбыть повышена, если отсчет длины волны осуществляется не по двум соседнимрезонансам, а через несколько полуволн. Обычно погрешность измерений лежит впределах 0,5 — 0,1 %.
Погрешность волномеров восновном определяется технологическими допусками на изготовление камерырезонатора, температурной зависимостью размеров камеры, ошибками при настройкев резонанс, а также погрешностью отсчетной и микрометрической систем.
5.1.2 Резонансныеволномеры с плоскими оптическими зеркалами
При конструированииволномеров на базе открытого резонатора с плоскими зеркалами любого видаприходится выбирать его размеры исходя из необходимой разрешающей способностипо частоте, связанной в свою очередь с заданной точностью измерений приминимальном числе ложных резонансов. Обычно разрешающаяся способность по частотеминимум в 2 — 3 раза выше абсолютного значения ошибки измерения частотыколебаний.
Элементами связи вволномерах с открытыми резонаторами могут быть открытый конец волновода, щельна конце или в стенке волновода, круглое отверстие и т. д. В большинствеволномеров применяют круглые зеркала, а элемент связи располагают в центре.Чистота обработки поверхности зеркал не ниже 10—12 класса. Обычно зеркалаизготовляют из латуни, а на рабочую поверхность после окончательной полировкинаносят слой серебра или золота путем вакуумного распыления. В этом случае нетребуется дополнительная полировка. После гальванического покрытия рабочуюповерхность приходится вновь полировать, что весьма нежелательно. В составволномера входит юстировочное устройство, позволяющее установить параллельностьзеркал с ошибкой не более нескольких угловых секунд. При их перекосе нанесколько угловых минут добротность резонатора ухудшается в десятки раз.
В субмиллиметровомдиапазоне особое внимание приходится уделять повышению плавности перемещениязеркал и точности отсчета линейных перемещений. Допустимая ошибка не должнапревышать для волномеров средней точности в зависимости от рабочего участка 1 — 5 мкм. Благодаря этому плавность хода существенно увеличилась, а плотностьнастройки уменьшилась. Погрешность измерений таким волномером ±0,3% иопределяется в основном погрешностью механизма перемещения зеркала. Добротностьрезонатора достигает 30 000.
Чтобы резко уменьшитьпотери на излучение и сократить число возможных видов колебаний, в резонаторвводят круглый диэлектрический волновод с малыми потерями. Диаметр еговыбирается таким, чтобы основная доля энергии распространялась над поверхностьюдиэлектрического стержня, что соответствует слабозамедленной волне.
5.1.3 Резонансныеволномеры с выпуклыми зеркалами
На рис. 5.2 изображенытри наиболее распространенные в измерительной технике схемы открытыхрезонаторов со сферическим профилем зеркал. Проходная и реактивная схемырезонаторов (рис. 5.2, а, б) различаются только способом вывода энергии изрезонатора. В первом случае при наступлении резонанса сигнал на выходедостигает максимальной величины, во втором — при резонансе регистрируетсярезкое уменьшение коэффициента отражения от элемента связи в раскрыве активногозеркала.
Вследствие фокусирующегодействия зеркал резонансная длина волны колебаний между зеркалами отличается отдлины волны колебаний в свободном пространстве l. Волномеры, в которых использованы открытыерезонаторы со сферическими зеркалами, показывают завышенное значение длиныволны. В рабочем интервале перемещений зеркал оно не превышает 10-3 и дляволномеров средней точности, имеющих суммарную погрешность (2- 5) • 10-3, можетне учитываться, так как ошибка имеет систематический характер. Однако ее всегдаможно исключить
/> />/>
Рис. 5.2 Схемы открытыхрезонаторов со сферическими зеркалами:
а — проходная схема сдвумя сферическими зеркалами; б — «реактивная» схема с двумя сферическимизеркалами; в —«реактивная» схема с плоским и сферическим зеркалами.
Существуют конструкцииволномеров средней точности с двумя или одним сферическим зеркалом, которыеблагодаря наличию встроенного проходного детектора удобно использовать дляанализа частотных характеристик генераторов в диапазоне длин волн от 2,5 до 0,4 мм.
Исследования показали,что наиболее удобным элементарным возбудителем для резонаторов со сферическимизеркалами является щелевой возбудитель, образованный плавным сужениемволновода, рассчитанного на волну Н01, в щель по широкой стенке.
Особое внимание приконструировании волномеров субмиллиметрового диапазона уделяется выборуразмеров резонатора и элементов связи, при которых резонатор имеет максимальнуюдобротность и приемлемый коэффициент передачи для основного вида колебаний поотношению к колебаниям нежелательных видов.
5.1.4 Гетеродинныечастотомеры
Точное измерение частотыв коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диапазоне связаносо значительными техническими трудностями. В настоящем параграфе основноевнимание уделено рассмотрению отдельных элементов гетеродинных частотомеров,предназначенных для работы в указанных диапазонах, которые разработаны накафедре радиоизмерений Харьковского Государственного университета. Пока онимогут использоваться главным образом в лабораторных условиях. Измерение частотыосновано на сравнении измеряемой частоты с частотой одной из гармоникперестраиваемого калибруемого генератора, которые регистрируютсяосциллографическим индикатором. Другие способы индикации, например, по нулевымбиениям, на миллиметровых и субмиллиметровых волнах применить весьма трудно. Вто же время осциллографический метод индикации приводит к противоречивымтребованиям в отношении полосы обзора, точности измерения частоты ичувствительности прибора.
Чувствительностьчастотомера определяется минимальной величиной мощности на входе прибора, прикоторой обеспечивается измерение частоты с определенной погрешностью в любойточке диапазона. Чувствительность гетеродинных частотомеров миллиметрового и субмиллиметровогодиапазонов сильно зависит от частоты измеряемого сигнала (т. е. отиспользуемого номера гармоники плавного гетеродина) и может колебаться от долейдо десятков микроватт. Под рабочим диапазоном частотомера понимается интервалчастот, перекрываемый прибором ступенями или плавно, в пределах которогообеспечивается необходимая точность замеров, а полоса обзора — специфическийпараметр, присущий лишь измерителям с панорамным индикатором. Полоса обзоразависит от масштаба частотной развертки и полностью им определяется. Она равнаполосе одновременно просматриваемых частот, в пределах которой ведетсяизмерение.
В состав гетеродинныхчастотомеров входят следующие основные элементы (рис. 5.3): блок формированиякалибрационных меток 10 и 1 Ггц, гетеродин высокочастотного тракта с выноснойсмесительной головкой, двухканальное приемно-усилительное устройство,осциллографический индикатор, источник питания.
/>
Рис. 5.3. Блок-схемагетеродинного частотомера:
1 — выносной смесительсигнального канала; 2 — гетеродин двухканальное приемное устройство; 4 — смеситель калибрационного канала; 5 — кварцевый калибратор; 5 — видеоусилитель;7 — осциллографический индикатор; 8 — генератор развертки; 9 — генераторпилообразного напряжения модуляции гетеродина; 10 — блок формирования подвижнойсетки калибрационных частот.
5.1.5Интерференционный метод измерения длины волны
Ранее уже было отмечено,что применению металлических волноводов в диапазоне субмиллиметровых волнпрепятствуют сложность их изготовления из-за малых размеров и чрезмерно большиепогонные затухания. Это обусловило развитие теории и практики лучевыхквазиоптических волноводов различного типа. Одновременно изменились конструкцииоптических резонаторов (интерферометров) и дифрактометров, которые применялисьв оптическом и миллиметровом диапазонах для быстрого изменения длины волнысигналов.
При повышении частотысигналов, генерируемых радиотехническими методами, их свойства все болееприближаются к свойствам излучений оптического диапазона. Поэтому вполнеестествен возникший вновь интерес к оптическим методам измерений в диапазонесубмиллиметровых волн. Одним из них является интерференционный метод, сущностькоторого заключается в следующем. При сложении двух колебаний
Asin(wt — bx)
и Asin(wt — bx +bx0)
одинаковых по амплитуде ичастоте, результирующие колебание
2Asin(wt — bx +bx0)cos(bx0/2)
будет иметь амплитуду2Acos(bx0/2).
Максимум амплитуды этогорезультирующего сигнала имеет место всякий раз, когда аргумент
bx0/2=kp,
а минимум амплитудыотмечается при
bx0/2=(2k + 1)*p/2.
Здесь k — целоепроизвольное число, включая нуль. Иными словами, колебания к приемнику приходятпо двум путям разной длины. Для максимума сигнала разность хода волнопределяется из соотношения x0=kl, а при минимуме из x0=(2k + 1)*l/2.
Таким образом, дляполучения двух соседних максимумов или минимумов необходимо изменить разностьхода двух волн на одну длину волны. Если в миллиметровом диапазонеинтерферирующие лучи можно пропустить внутри металлического волновода, то всубмиллиметровом диапазоне интерферометры, или оптические резонаторы, работаютв квазиоптических волноводных линиях передачи и практически повторяютклассические устройства оптического диапазона.
5.1.6 Дифракционныйметод измерения длины волны
Рассматривая оптическиеметоды измерения длины волны в диапазоне субмиллиметровых волн, следуетостановиться на использовании здесь явления дифракции на различных телах.
В оптическом диапазонедифракционные спектрометры широко применяются при построении различныхспектральных приборов, измеряющих как длину волны сигнала, так и распределениеэнергии по различным составляющим. В силу того, что свойства излучениясубмиллиметрового диапазона близки к свойствам световых колебаний, естественнобыло применить уже известные принципы и схемные решения для измерений длиныволн. Оказалось возможным создать дифракционные решетки, имеющие разрешающуюспособность, близкую к разрешающей способности интерферометров Фабри-Перо.
Рассмотрим основныедифракционные волномеры, описания которых появились в литературе в различноевремя.

/>
Рис. 5.4 Блок-схемадифрактометра с поворотной проволочной или ленточной решеткой:
1 — лучевой волновод; 2 — дифракционная решетка; 3 — фокусирующая линза; 4 — гидеодетектор; 5 — видеоусилитель с индикатором; 5 — механизм отсчета углового положения решетки иприемника; 7 — индикаторный прибор.
На рис. 5.4 изображенаблок-схема прибора с проволочной или ленточной дифракционной решеткой.Исследуемый сигнал с помощью квазиоптической линии передачи 1 подводится кповерхности дифракционной решетки 2, расположенной по отношению к оси волновогопучка под произвольным известным углом 8. После прохождения через решеткусигнал оказывается разложенным на несколько составляющих, соответствующихдифракционным спектрам различного порядка. Поворачивая вокруг оси решеткиприемное устройство 3, определяются углы, под которыми имеют место дифракционныемаксимумы. Для четкой индикации принятый сигнал усиливается и индицируется либострелочным прибором, либо самописцем. В последнем случае поворот приемногоустройства вокруг решетки и запись на ленте должны быть жестко синхронизированымежду собой. Направления прихода энергии к решетке и приема дифрагированногополя связаны между собой следующим соотношением:
/> (5.2)

где р — период решетки; qi — угол между направлением паденияизлучения на решетку и нормалью к ее плоскости; q — угол между нормалью к поверхности решетки инаправлением приема; п — номер порядка дифракционного спектра.
На рис. 5.5 приведенаблок-схема дифрактометра с отражающей ступенчатой дифракционной решеткой.Обозначения на схеме аналогичны рис. 5.4 При произвольном положении отражающейрешетки по отношению к падающему излучению находят положение дифракционногомаксимума n-го порядка и по формуле находят длину волны сигнала.
Интенсивность отраженногосигнала в n-й максимум сильно зависит от наклона ступенек, т. е. электрическойглубины канавок и угла наблюдения при постоянном отношении периода решеток кдлине волны.
/>
Рис. 5.5 Блок-схемадифрактометра с отражающей поворотной решеткой (обозначения те же, что и нарис. 5.4).
Схему дифрактометра спроизвольным падением сигнала на решетку можно несколько изменить, использовавдля измерения длины волны явление, заключающееся в том, что при поворотерешетки дифракционный максимум приближается к поверхности решетки и, наконец,превращается в неизлучающую поверхностную волну. Момент этого перехода фиксируетсядостаточно четко для любых решеток. На рис. 5.6 изображена блок-схемаизмерительной установки, использующей этот принцип. При измерении длины волныприемное устройство регистрирует момент возникновения интенсивной поверхностнойволны, соответствующей определенному углу падения облучающего сигнала ноотношению к нормали. Расчетная формула упрощается и имеет вид
/> (5.3)
Благодаря тому, чтоугловые интервалы могут отсчитываться с высокой точностью, погрешностьизмерений длины волны с помощью поворотных дифрактометров может быть доведена всубмиллиметровом диапазоне до величины ±10-4. Общим недостатком рассмотренныхдифрактометров является низкая разрешающая способность по частоте, которая ктому же зависит от угла поворота решетки.
/>
Рис. 5.6 Блок-схемадифрактометра с поворотной решеткой, использующего режим скольжения дифрагированногополя вдоль решетки.
1 — лучевой волновод; 2 — решетка; 3 — приемное устройство; 4 — видеодетектор; 5 — индикатор; 6 — механизм отсчета углового положения.
Значительно более высокойразрешающей способностью обладает дифрактометр с отражающей ступенчатойрешеткой, работающей при нормальном падении волны по отношению к одной изграней канавки.
5.2 Измерение мощности
В отличие от измерителеймощности сантиметрового и длинноволновой части миллиметрового диапазонов, кприборам, измеряющим мощность в субмиллиметровом диапазоне, предъявляется рядспецифических требований. Основное требование — независимость показанийизмерителей от распределения всей мощности по многим видам колебаний вволноводах повышенного сечения или квазиоптических линиях. Для поглощениямощности чаще следует применять нагрузки конусообразной формы, распространенныев приборах оптического диапазона.
В субмиллиметровомдиапазоне длин волн приходится измерять в основном малые уровни мощности, чтообусловливает довольно высокие требования к чувствительности приборов, котораядолжна составлять единицы микроватт.
Источники колебанийсубмиллиметрового диапазона являются широкополосными. Следовательно, измерителимощности должны работать во всей требуемой полосе частот.
По принципу действияизмерители мощности могут быть поглощающего типа, когда вся высокочастотнаямощность рассеивается на приемном элементе измерителя, и проходящего типа,когда почти вся СВЧ энергия проходит в нагрузку, а незначительная ее частьиспользуется для измерений. Применяя калиброванные ответвители, можно с помощьюприборов поглощающего типа измерять проходящую мощность.
По уровням измеряемойвысокочастотной мощности приборы делятся на измерители малых уровней — от сотенмилливатт и менее, средних уровней — от сотен милливатт до десятков ватт ибольших уровней — от десятков ватт и выше.
В техникесубмиллиметровых волн измерители мощности могут предназначаться для измерениймощности непрерывных колебаний, средней мощности амплитудно-модулированных иимпульсно-модулированных колебаний и мощности в импульсе. При работе сгенераторами импульсно-модулированных колебаний необходимо, чтобы приемныеэлементы измерителей мощности выдерживали большие значения пиковой мощности, т.е. имели высокую электрическую прочность.
Мощность в импульсеобычно определяется по среднему значению импульсно-модулированной мощности,параметрам импульса и частоте их повторения.
Измерение мощностиколебаний субмиллиметрового диапазона может быть произведено приборами,основанными на тепловом и пондеромоторном действиях высокочастотной энергии. Впервом из этих способов измерения используется закон сохранения СВЧ энергии припревращении ее в тепловую, которая измеряется калориметрическими методами, вовтором — механическое давление энергии электромагнитной волны на вещества,находящиеся на пути ее распространения.
Использовать эффектХолла, излучение черного тела, фотометрический и другие методы всубмиллиметровом диапазоне затруднительно из-за малых поперечных размеровустройств или особенностей излучения.
Большое затухание СВЧэнергии в волноводах основного сечения и малые поперечные размеры волноводов, атакже то, что эти размеры необходимо выдерживать с высокой точностью, делаютпрактически невозможным использование в измерителях мощности термисторов инитяных болометров, которые так широко распространены в более длинноволновыхдиапазонах.
Далее кратко рассмотримосновные измерители мощности, применяемые на практике.
5.2.1Калориметрические измерения
Небольшие размерыволноводных элементов субмиллиметровых волн позволяют создать калориметрическиеизмерители мощности с высокой чувствительностью и небольшим временем измерения.Такие измерители позволяют измерять малые уровни мощности — от единиц микроваттдо сотен милливатт — и часто являются легкими компактными приборами, простыми инадежными в работе.
Широкое распространениеполучили калориметры переменной температуры, балансные, постоянной температурыи проточные.
В волноводныхкалориметрах следует вводить поправку на высокочастотные потери мощности встенках подводящего волновода. Следует также учитывать шероховатостьповерхности волновода, которая увеличивает затухание, т. е. отношениедействительного периметра волновода к его номинальному значению.
В зависимости от способовполучения волноводов коэффициент шероховатости может изменяться в пределах от1,05 до 1,25. Одноволновые металлические волноводы ввиду значительногоувеличения затухания практически применяются только на волнах не короче 1,5 мм. В более коротковолновой части используются металлические волноводы повышенного сечения, вкоторых может распространяться большое число видов колебаний. Затуханиеволноводов повышенного сечения значительно меньше, но оно может изменяться взависимости от состава распространяющихся видов колебаний.
Калориметры переменнойтемпературы и термобалансные калориметры
В калориметрах переменнойтемпературы СВЧ мощность поглощается в нагрузке и повышение температурынагрузки регистрируется одним из известных способов. В качестве поглощающейнагрузки могут быть использованы твердые диэлектрики с большими потерями илиметаллические пленки с большим сопротивлением. Для измерения повышениятемпературы могут быть использованы металлические и полупроводниковыетермопары, термобатареи, термисторы, термометры сопротивления и другиеустройства. Калибровка таких измерителей может производиться абсолютным методомпо известным тепловым постоянным прибора, с помощью эталонного ваттметра илиметодом замещения мощностью постоянного или низкочастотного тока.
Калориметры постояннойтемпературы
Широкое распространениеполучили изотермические калориметры, в которых поглощающая нагрузка во времяизмерений не изменяет своей температуры. В одном случае это достигается тем,что тепловая мощность отбирается от нагрузки холодным спаем термоэлементавследствие эффекта Пельтье. В другом случае нагрузку окружают смесьюопределенных веществ, находящихся в твердой и жидкой фазах, и при отборетепловой мощности используется фазовый переход из твердой фазы в жидкую. В качестверабочего вещества чаще всего выбирают воду и используют фазовый переходлед-вода. Кроме воды можно использовать дифенилметан, уксусную кислоту,нафталин, фенол, дифениловый эфир и другие вещества.
Основным преимуществомизотермических калориметров является почти полное отсутствие перепадатемпературы между калориметрическим телом и окружающей оболочкой и,следовательно, минимальная погрешность неэквивалентности тепловых потерь.
Проточные калориметры
Поглощающая нагрузкатакого калориметра представляет собой специальной формы трубку из диэлектрика смалыми потерями в рабочем диапазоне длин волн, по которой с постоянным расходомтечет вода. Температура водяного потока на входе нагрузки с высокой степеньюточности поддерживается равной температуре волновода, в который вмонтировананагрузка.
Контролируемаятермочувствительным элементом разность температур между входным и выходнымпотоками воды прямо пропорциональна рассеиваемой тепловой мощности и обратнопропорциональна расходу воды. Следовательно, измеряемая мощность может бытьопределена по формуле:
P = vcDT,
где DT — разность температур, °С;
Р — рассеиваемая вводяном потоке мощность, Вт;
с — удельная теплоемкостьводы, дж*град/г;
v — расход воды, г/сек.
5.2.2 Тепловыеизмерители проходящей мощности
В коротковолновой частимиллиметрового и в длинноволновой части субмиллиметрового диапазонов, где ещеиспользуются прямоугольные волноводы, в которых распространяются колебанияосновного вида, с успехом могут быть применены тепловые измерители проходящеймощности с поглощающей стенкой.
Однако ввиду малыхзначений затуханий и довольно больших размеров волноводов чувствительность ихнизкая.
/>
Рис. 5.7 Волноводнаясекция измерителя проходящей мощности
Для очень коротких длинволн увеличивающееся затухание и малые размеры волноводов позволяют создатьдовольно чувствительные и широкополосные измерители проходящей мощности.
Основным элементом такихизмерителей является тонкостенный участок волновода из металла с большимудельным сопротивлением (рис. 5.7), расположенным между толстостеннымиучастками волноводов, концы которых имеют фланцы. Такая измерительная секциявключается в волноводный тракт. Стенки волновода должны иметь толщину,превышающую в 3—5 раз глубину проникновения тока вследствие поверхностногоэффекта на самой длинной волне, пропускаемой по волноводу, чтобы полностьюотсутствовало излучение через сам волновод. Длина тонкостенного участкаволновода должна составлять несколько длин волн для уменьшения погрешностипоказаний, обусловленной фазой коэффициента отражения нагрузки.
При прохождении поволноводу электромагнитной энергии часть мощности поглощается тонкостеннымучастком. Температура тонкостенного волновода при этом повышается. Повышениетемпературы прямо пропорционально поглощенной и проходящей мощностям и можетбыть зарегистрировано при помощи термопар или по изменению сопротивлениятонкостенного волновода постоянному току (волноводный болометр). Во второмслучае материал тонкостенного участка должен обладать большим температурнымкоэффициентом сопротивления. Оба эти способа позволяют осуществить абсолютнуюкалибровку измерителей по мощности постоянного тока и экспериментальноопределенному коэффициенту затухания.
Рассматриваемая системапрактически не вносит изменений в волноводный тракт и не снижает уровнямощности, пропускаемого волноводом данного сечения. Полоса пропускания прибораопределяется полосой волновода.
Распределение температурыпо периметру тонкостенного волновода при рассеянии в нем высокочастотноймощности и мощности постоянного тока можно получить после решения уравнениятеплопроводности. Постановка такой задачи вызывается тем, что при пропусканиипостоянного тока мощность его распределяется равномерно по толщине, а СВЧмощность выделяется в тонком поверхностном слое внутри волновода. Вследствиеэтого можно ожидать и неравномерности распределения температуры.
5.2.3 Пондеромоторныеизмерители мощности
За последние годы всантиметровом диапазоне разработаны пондеромоторные измерители мощности,использующие механическое давление электромагнитных волн на отражающиеповерхности. Экспериментально наличие светового давления впервые было доказанозамечательными опытами П. Н. Лебедева. И только спустя много лет этот эффектбыл использован для измерения мощности сверхвысоких частот. В последнее времяпондеромоторные измерители находят широкое применение для измерения импульснойэнергии и непрерывной мощности оптических квантовых генераторов.
В субмиллиметровомдиапазоне может быть использовано явление давления электромагнитных волн наотражающую поверхность в свободном пространстве или подвижное зеркало открытогорезонатора. Пондеромоторный измеритель мощности с подвижным зеркалом состоит издвух скрепленных подвижных дисков, подвешенных симметрично на вертикальнорастянутой проволоке, волноводного входа, оканчивающегося дисковым зеркалом сотверстием связи, и двух пластин, расположенных вблизи подвижных дисков. Одиниз подвижных дисков и зеркало на конце волновода образуют открытый резонатор.Неподвижные пластины совместно с подвижными дисками образуют два конденсатора,один из которых используется для индикации отклонения подвижного зеркала поизменению емкости, а другой — для калибровки.
Сила давления,действующая на подвижное зеркало открытого резонатора при расстоянии междузеркалами, равном половине длины волны, будет
/>, (5.3)
где Р0 — измеряемаявысокочастотная мощность; с — скорость света;
Q — нагруженнаядобротность резонатора; F0 — сила, действующая на отражающий элемент всвободном пространстве.
Сила давления волнсместит подвижное дисковое зеркало на малую величину, при которой условиярезонанса не нарушаются, и вызовет изменение емкости между неподвижнойпластинкой и подвижным диском. В индикаторном контуре возбуждены колебания счастотой, несколько отличной от резонансной. Изменение емкости, входящей вконтур, приводит к расстройке контура, которая регистрируется по изменениюпадения напряжения на нем.
В миллиметровом диапазонес таким устройством призора получили максимальную погрешность измеренийпримерно ±25%. В коротковолновой части миллиметрового диапазона, гдеволноводные устройства позволяют измерять согласование резонатора содноволновым волноводом я нагруженную добротность открытого резонатора,максимальная погрешность увеличиваться не будет.
5.2.4 Болометрическиеизмерители мощности
В субмиллиметровомдиапазоне длин волн использовать бусинковые термисторы и нитяные болометры дляабсолютных измерений мощности практически невозможно ввиду технологическихсложностей изготовления, трудностей согласования с линией передачи иопределения коэффициента полезного действия головок.
Широко распространенные втехнике сантиметровых волн пленочные металлические болометры могут бытьиспользованы в многоволновых волноводах только в случаях, когда они перекрываютвсе поперечное сечение волновода. Измерение высокочастотной мощности пленочнымиболометрами основано па изменении их сопротивления при нагреве, независимо отспособа нагрева. Следовательно, материал пленки должен обладать значительнымтемпературным коэффициентом сопротивления, хорошими антикоррозийными свойствамии сохранять свои характеристики в течение продолжительного времени. Чаще всегодля этих целей используют золото, платину, палладий и никель, наносимые натонкую слюдяную подложку вакуумным распылением.
Возможность использованияметода замещения при абсолютных измерениях мощности металлическими болометрамитребует выполнения следующих условий:
1) толщина пленки должнабыть значительно меньше глубины скинслоя в интересующем диапазоне длин волн;
2) сопротивлениеболометра должно быть пропорционально его абсолютной температуре;
3) повышение температурыв любой точке вдоль болометра должно быть пропорционально мощности,рассеиваемой в этой точке.
При выполнении этихусловий общее изменение сопротивления болометра будет пропорциональнорассеянной мощности.
Впервые металлопленочныйболометр, закрывающий все поперечное сечение волновода, был применен дляизмерения мощности многих видов колебаний в 10 см диапазоне длин волн. Поперечная пленка поглощала только часть проходящей мощности многих видовколебаний, остальная часть поступала в нагрузку. В другом варианте дляизмерения мощности колебаний сантиметрового диапазона была использованаразмещенная поперек волновода проволочная решетка, изготовленная из стеклянныхнитей с нанесенным проводящим поглощающим слоем или волластоновских нитей.Расстояние между проволоками выбиралось меньше четверти самой короткой длиныволны, распространяющейся по волноводу. Снаружи проволочки соединялисьпараллельно и включались в болометрический мост.
Измерение мощности многихвидов колебаний в субмиллиметровом диапазоне с помощью проволочных решеток,установленных в волноводе, затруднительно из-за малого периода решетки инеобходимости иметь две решетки, чтобы болометр реагировал на перпендикулярнуюи параллельную поляризации электромагнитного поля. Наиболее удобными являютсяпленочные металлические болометры, расположенные для лучшего согласования подуглом к оси волновода (рис. 5.8).
/>
Рис. 5.8 Пленочныйболометр в многоволновом волноводе.

Если толщина пленкинебольшая и пленка поглощает определенную незначительную часть падающеймощности, то болометр может служить измерителем проходящей мощности. Еслисопротивление болометра имеет величину, близкую к волновому сопротивлениюволновода, то вся падающая мощность будет поглощаться пленкой и устройствобудетизмерять полную мощность.
Для лучшего согласованияза пленкой можно разместить короткозамыкающую заглушку, тогда прошедшаямощность отразится от нее и снова попадет на пленку. Устройство скороткозамыкающей заглушкой дает более равномерное распределение поглощенноймощности по поверхности пленки.
Исследованиеметаллопленочного болометра, установленного в волноводном сечении 1,8x3,6 мм2 ирасположенного под углом к широкой стенке, показало, что коэффициент отраженияпо мощности в диапазоне длин волн от 5 до 0,5 мм не превышает 4%.
5.2.5Пироэлектрические измерители мощности
Пироэлектрический эффектнаходит широкое применение при создании приемников теплового излучения и длярегистрации малых и средних перепадов температуры. Пироэлектрический эффектзаключается в возникновении электрических зарядов на поверхностикристаллических диэлектриков при их нагревании или охлаждении. Интенсивностьвозникновения электрических зарядов зависит от скорости изменения температуры.
Появление зарядов наповерхности пироэлектрика связано с изменением существующей внутри негосамопроизвольной поляризации при нагревании кристалла. Самопроизвольная илиспонтанная поляризация в пироэлектрических кристаллах является результатомналичия в кристаллах доменов, у которых дипольные моменты без внешнегоэлектрического поля ориентируются примерно в одном направлении. В обычныхусловиях на поверхности кристалла не наблюдается поляризационных зарядов, таккак они компенсируются свободными зарядами, оседающими на поверхностькристалла, и электрическое поле внутри образца равно нулю. При быстромизменении температуры кристалла DT его спонтанная поляризация изменится на величину DП и на поверхности появится заряд s = рDП, где р — пироэлектрическая постоянная. Еслитемпература кристалла изменяется в другую сторону, то меняется и полярностьэлектрических зарядов. Нагрев кристалла связан с изменением его геометрическихразмеров и появлением пьезоэлектрических зарядов, которые суммируются спироэлектрическими. Пироэлектрические кристаллы входят в класссегнетоэлектриков. Пироэлектрическим эффектом обладают кристаллы сегнетовойсоли, турмалина, дигидрофосфата калия, триглицинсульфата, титаната бария,керамики титаната бария, титанат цирконат свинца и другие.
Чувствительностьразработанных широкополосных тепловых индикаторов электромагнитного излучения,использующих пироэлектрический эффект, довольно высокая — такая же, как улучших образцов болометров, работающих при комнатной температуре, иоптико-акустических приемников, но последние имеют значительно меньшуюпостоянную времени.
Пироэлектрическиеиндикаторы после небольшой доработки можно использовать для измеренияабсолютных значений малых уровней потоков электромагнитного излучения. Основнымэлементом измерителя является пироэлектрический кристалл. Падающее излучениеэлектромагнитных волн поглощается верхним слоем и через тонкую слоистуюструктуру нагревает кристалл.
Нагрев кристалла приводитк изменению спонтанной поляризации, которое вызывает появление электрическогозаряда на обкладках конденсатора, образованного серебряными покрытиями. Если накристалл будет падать поток излучения, модулированный прямоугольными импульсамисо скважностью 1, то на обкладках конденсаторов появится переменное напряжение,амплитуда которого прямо пропорциональна поглощаемой мощности. Аналогичныйсигнал можно получить рассеиванием мощности калибрацион-ного тока вподогревателе.
Если теперь в промежуткивремени, когда на кристалл не подается электромагнитное излучение, черезпленочный подогреватель пропускать постоянный ток, то на обкладках конденсаторапоявится сигнал, прямо пропорциональный разности поглощаемой электромагнитноймощности и мощности постоянного тока. При увеличении мощности постоянного токапироэлектрический сигнал будет уменьшаться и станет равным нулю при равенствемощностей. При дальнейшем увеличении мощности постоянного тока амплитудапироэлектрического сигнала станет увеличиваться со сдвигом фазы на 180°. Такимобразом, при равенстве поглощенной пиковой мощности и пиковой мощностикалибрационного тока не будет происходить изменения температуры кристалла ипироэлектрический сигнал будет равным нулю. Нулевой сигнал компенсации можноиспользовать для определения значения поглощаемой электромагнитной мощности.
Такой метод определениявеличины измеряемой мощности исключает ошибки, обусловленные нелинейностьюхарактеристик кристалла, изменениями окружающей температуры, нестабильностьюкоэффициента усиления усилителя и различием времени открытого и закрытогосостояний механического модулятора. Эксперименты показали, что такое устройствоможет работать с частотой модуляции до 20 Гц.
Основными источникамиполной погрешности пироэлектрических измерителей мощности являются ошибкиопределения мощности постоянного тока, степени поглощения покрытия во всеминтересующем диапазоне длин волн, ошибки компенсации нулевого сигнала исистематическая погрешность, обусловленная неэквивалентностью действия накристалл высокочастотной мощности и мощности постоянного тока.

6. Распространение и применениерадиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн
В последние двадцать летвыполнялись фундаментальные научно-исследовательские работы по изысканиюаффективных средств генерации и приема в диапазоне радиоволн от 1 см до 0.1 мм.
Первая приемопередающаяаппаратура для генерации ММ излучения на волне 6 мм была создана в России еще П.Н. Лебедевым в 1894 г. Позднее (в 1922 г.) А.А. Глаголевой-Аркадьевой была осуществлена генерация излучения в диапазоне 0,082...50 ммна основе применения оригинального массового излучателя. Первые теоретические иэкспериментальные исследования распространения этих волн в атмосфере былипроведены Ван Флеком, В. Вейсскоп-фом, Т. Роджерсом, А.Г. Аренбергом, Б.А. Введенским,М.А. Колосовым и др.
В течение долгих лет приосвоении спектра ММ радиоволн в мире существовало недоверие к созданию новыхперспективных радиотехнических систем для различных применений. Основнойпричиной подобного критического отношения к новому диапазону радиоволн былоотсутствие каких-либо данных по их распространению в атмосфере. Наряду сработами по генерации, усилению СВЧ-колебаний этих волн большие усилияисследователями были предприняты по изучению основных характеристикраспространения ММ и субмиллиметровых волн в атмосфере. В результате рядатеоретических и экспериментальных исследований было установлено, что в отличиеот дециметровых и сантиметровых волн ММ и более короткие волны обладаютчастотно-селективным молекулярным поглощением, испытывают значительноеослабление в различных гидрометеорах, вследствие чет их дальностьраспространения оказывается существенно меньше общепринятой в диапазоне УКВ.Оказалось, что ММ-волны обладают лучшей помехоустойчивостью, крайне высокимразрешением по углу места, азимуту, дальности и скорости; они могут такжеобеспечивать высокую скрытность передачи при малых габаритах приемо-передающейрадиоаппаратуры и антенн.
Ныне в значительной мерезавершается процесс фундаментальных исследований основных характеристик этихновых диапазонов волн. Итогом многих исследований и конструкторских разработокявилось завершение поисков новых принципов генерации, усиления и преобразованияСВЧ-колебаний таких волн, создание и освоение в промышленном исполнениимногочисленных элементов и узлов новых приемо-передающих радиотехническихкомплексов. Все это вместе взятое и положило начало массовому использованиюсвойств ММ и более коротких радиоволн в реальных действующих радиотехническихсистемах, что открывает человечеству огромный диапазон частот длямногочисленных применений.
6.1 Характеристикираспространения
В миллиметровом исубмиллиметровом диапазонах существует значительное число линий поглощенияпаров воды, примесных газов и линий кислорода, обладающих постояннымиэлектрическими или магнитными моментами, способными взаимодействовать сэлектромагнитным излучением. В настоящее время закономерности поглощения изученытеоретически и экспериментально достаточно хорошо на малых расстояниях, однакомодели, лежащие в основе ряда теоретических исследований Ван Флска, Т. Роджерса,В. Вейсскопфа, С.А. Жевакина, А.П. Наумова, Дж. Вастина и ряда других, не былиадекватными процессам резонансного поглощения, вследствие чего теоретическиевеличины поглощения оказались в 1,5-2 раза по децибелам меньшеэкспериментальных значений, наблюдавшихся в основном в окнах прозрачностиспектра поглощения паров воды. Процесс развития и совершенствования теорииквантово-механического поглощения еще далек от своего завершения.
Оказалось, что расчетыкоэффициента поглощения паров воды и кислорода путем суммирования спектральныхлиний с контурами типа линий Ван Флека, Вейсскопфа, Лорентца, Гросса и другихавторов обладают ограниченной областью применимости. В случае кислорода неудастся описать эффект нереэонансного поглощения в кислороде, а формальноевведение в формулы поглощения дополнительного члена для нерезонансной его частине имеет физическою обоснования в рамках модели упругих соударений. Более того,теория Ван Флека—Вейсскопфа приводит к результатам, противоречащимэкспериментам в области наиболее высоких частот, где коэффициент поглощения нестремится к нулю и расходится с экспериментом при больших давлениях.
Это послужило основаниемС.В. Титову и Ю.В. Калмыкову предложить и исследовать ансамбльневзаимодействующих полярных молекул кислорода в рамках модели j-диффузии,обобщенной на квантовый случай. В этой модели учитывается инерционность молекул,механизм интерференции линий и когерентность времени их соударений. На основетакой модели и существенно более простою математического аппарата по сравнениюс ударными теориями перекрывающихся линий удалось рассчитать поглощение идисперсию показателя преломления в парах воды и в кислороде, где интерференциялиний существенна даже при атмосферном давлении. Установлено, что модельдиффузии хорошо описывает поглощение в кислороде, нерезонансное поглощение вшироких интервалах изменения давлений и эффект смещения максимума поглощения вдиапазон более низких частот с ростом давления, а также частотную зависимостьпоглощения в парах воды.
Из-за трудностей точногорасчета поглощения широкое распространение в научно-технической литературеполучили полуэмпирическис методы определения ослабления в парах воды и вкислороде, предложенные впервые А.Ю. Зражевским и позднее Г. Либе и хорошосогласующиеся с экспериментом. Согласно результатам работ величины поглощения впарах воды и в кислороде могут быть представлены в виде аналитическихсоотношений:
w
w
где и коэффициентыпоглощения в парах воды и в кислороде, [дБ/км] соответственно;
w — частота излучения,[ГГц]; р — влажность воздуха
при температуре воздуха20°С [г/м3].
Заметим, что вэкспериментальных исследованиях молекулярного поглощения вплоть до последнеевремени отсутствовала статистика различных уровней этого поглощения. Накоплениеэтой статистики представляет собой весьма трудоемкую задачу из-за крайнесильной изменчивости значений влажности и ее зависимости от климатическихусловий.
В настоящее времяудельное ослабление в дождях теоретически изучено достаточно полно путемстрогого решения задачи о дифракции электромагнитной волны на водяной сфере вслучае ансамбля частиц с заданным распределением их по размерам.
При расчетах ослабления вансамбле капель дождя для реальных значений комплексного показателя преломленияводы, заимствованных из результатов экспериментов, факторы эффективностиослабления, рассеяния и поглощения могут быть представлены в виде бесконечныхрядов, число членов которых должно иметь порядок X.
Ослабление в сухом снегене поддается строгой теоретической оценке; однако известно, что оно примерновдвое меньше, чем в дождях с интенсивностью менее 5 мм/ч. В мокром снеге ослаблениеоказывается в 2-3 раза больше, чем в дожде той же интенсивности, причем оно неподдается достаточно падежной теоретической оценке. Расчет ослабления в туманахи облаках проводится в приближении однократного рассеяния для различных функцийраспределения капель по размерам, при этом выполненные расчеты ослабления былипроверены на экспериментах в камерах искусственных туманов.
Так как ослабление в этихслучаях зависит от частоты и температуры окружающей среды, то для Оперативныхоценок ослабления в мелкокапельных гидрометеорах рекомендуется пользоватьсяприближенной формулой:
где ослабление [дБ/км]; w- частота излучения; T — абсолютная температура [К]; q – водность тумана илиоблака [г/м3 ].
Заметим, что существующиеметоды оценки основных компонентов ослабления в атмосфере являются лишь первымприближением к действительности, поскольку атмосфера является постоянноменяющейся средой, и распространение ММ-радио-волн происходит, вообще говоря, внеоднородной атмосфере, поскольку ее параметры изменяются вдоль траекториираспространения с высотой над земной поверхностью и во времени. Таким образом,в настоящее время возможно определение средних удельных значений ослабления,зависящих от различных параметров атмосферы, а также вероятности появления этихзначений.
Дальность обнаруженияобъектов в реальной атмосфере.
Используя уравнениерадиолокации в поглощающей среде, можно оценить дальность действия РЛС в дождес учетом молекулярного поглощения
П = П0 — 2q — 2L — 2l/ — 2Sэ + s
где потенциал
П0 = Рпер/Рпр.пер;
q — отношение сигнал шум;
l — относительная длинаволны к 1 мм;
L — потери в трактах;
Sэ — относительнаяэффективная площадь антенны к 1 м;
s — эффективнаяповерхность рассеяния (ЭПР) объекта к 1 м2.
Эффективные коэффициентыотражения и рассеяния радиоволн земной поверхности
Для успешногофункционирования радиолокационных средств ММ диапазона необходимы данные ореальных эффективных коэффициентах отражения этих волн объектами иподстилающими поверхностями. В случае достаточно гладких по Рэлею (зеркальных)диэлектрических или металлических поверхностей нетрудно воспользоватьсяформулами Френеля и рассчитать зависимости модуля и фазы отраженных волн пригоризонтальной и вертикальной поляризациях излучения как на дециметровых, так ина сантиметровых волнах. Однако в случаях неровной и шероховатой поверхностирасчет эффективных коэффициентов отражения (рассеяния) сопряжен с немалымиматематическими трудностями. По современным представлениям рассеивающиенеровности могут быть разделены на три категории. Согласно критерию Рэлся дляэтих поверхностей существует три метода описания эффекта рассеяния радиоволн.Это метод возмущений, для которого характерны относительно небольшие неровностиповерхности по сравнению с длиной волны, когда параметр p=2kssinq, где k=2л/l,l — лина волны, s — днеквадратическос отклонение высоты неровности, q — уголместа антенны. Метод касательной плоскости, когда р»1 имеют место крупныеразмеры неровностей, причем задача об отражении решается в приближениигеометрической оптики с использованием статистики точек зеркального отраженияна случайно-шероховатой поверхности. В случае комбинации крупных и мелкихнеровностей, когда р=1 можно пользоваться двухмасштабной моделью отражения. Воснове этой модели лежит предположение о том, что реальная поверхность являетсясуперпозицией сглаженной поверхности и малых нормальных ее возмущений. Влияниекрупных неровностей оценивается нулевым приближением метода касательнойплоскости, влияние же мелких — первым приближением метода возмущений.Предполагается также, что оба типа неровностей статистически независимы, арассеянные поля при этом некогерентны.
Ввиду особых трудностейисследования моделей шероховатых поверхностей в короткой части диапазонаММ-радиоволн можно ограничиться изложением результатов многолетнихэкспериментов приема рассеянных сигналов как от объектов наблюдения, так и отреальных подстилающих поверхностей. Такие данные к настоящему времени появилисьв литературе и были получены рядом НИИ (НИРФИ, ИПФ АН, ИРЭ РАН и ИРЭ АНУ).
Экспериментальныезависимости удельных ЭПР земной поверхности, покрытой травой, от угла места идлины полны излучения для случая ВП возрастают на ММ-волнах на 6… 15 дБ взависимости от угла с укорочением длины волны ЭПР.
Вероятность того, чтозначение ЭПP равно или меньше заданного, существенно зависит от высотынеровностей земной поверхности. Характер изменчивости удельной ЭПР различныхвидов земной поверхности может быть аппроксимирован формулой:
s0=-20 + 10lg q/25 – 15lgl
В настоящее время наММ-волнах изучено воздействие ветра на ЭПР покровов с растительностью, а такжеполучены данные о зависимости удельной ЭПР от времени суток и сезона.
6.2 Эффективныеповерхности рассеяния объектов
Практический интереспредставляют результаты измерений в короткой части ММ диапазона радиоволннеподвижных и находящихся в движении объектов. В качестве исследуемых объектовиспользовались бронетанковая, автотракторная техника и автомашины.
Анализ результатовизмерений с использованием РЛС ММ диапазона для ряда длин волн позволяетсделать следующие заключения.
Для подвижных объектов,использующих гусеничную или колесную технику, ЭПР на длинах волн
В короткой части ММ-волнпо сравнению с длиной волн 3 см и 8 мм появляется превосходная возможностьобнаружения неподвижных объектов с работающим двигателем. Оценкаработоспособности системы селекции движущихся целей с помощью РЛС на волнах 3 мм, 8 мм и 3 см показывает, что в первом случае амплитудные пульсации сигнала от объекта почти на30 дБ больше, чем на волне 3 см. Для обнаружения объектов на остановке сработающим двигателем и для сопровождения медленно двигающихся объектов соскоростью 5 км/ч и менее необходимо применение когерентной обработки сигналов,что требует кратковременной стабильности генератора передатчика не хуже 10-9.
Возможность обнаружениянеподвижных объектов на коротких ММ-волнах зависит, как это и следовалоожидать, только от разрешающей способности РЛС, удельных ЭПР объектов и фонов.Теоретические исследования радиолокационных контрастов проводились для объектатипа танка, для чего определялась величина контраста излучения К по отношению:где s0 и sЗП — ЭПР объекта и земной поверхности соответственно [м]; j — ширинадиаграммы направленности антенны РЛС [град]; tи — длительность импульсапередатчика РЛС [мкс]; D0 — дальность от РЛС до объекта.
Радиоконтраст существеннозависит от фона окружающей местности. Таким образом, при обнаружениинеподвижных объектов на фоне подстилающей поверхности РЛС в коротковолновойчасти ММ диапазона волн могут иметь преимущество по сравнению с РЛС насантиметровых волнах.
Результаты экспериментовпоказали, что на коротких ММ-волнах точность пеленгации объектов и определениякоординат увеличивается примерно в 1,5 раза. Оценка ошибок измерений пеленгапозволила установить, что на трассе длиной 10 км составляющая из-за колебаний углов прихода не превышает 0,1 делений угломера (Д.у.), из замноголучевого распространения над поверхностью раздела — не более 1 д.у., из-занеровностей поверхности объекта типа танка — не более 0,3 Д.у., из-зааддитивных помех — не более 1 д.у. (одно деление угломера равно 3,6 угловыхминуты) ,
Результаты экспериментовпо пеленгации объекта типа танка на коротких ММ-волнах и на волне 3 см показывают, что на дальностях 500...3000 м вероятность пеленгации на ММ — волнах в 1,5...1,8раза больше, чем на волне 3 см.
Таким образом,приведенные выше результаты теоретических и экспериментальных исследованийпоказывают перспективность применения короткой части ММ диапазона волн длясоздания базовых средств обнаружения наземных объектов, разведки и высокоточнойаппаратуры наведения летательных аппаратов. Яркостные температуры фонов иобъектов. Впервые интерес к собственному излучению земных покровов возник еще вначале 70-х годах, когда была практически доказана возможность дистанционногоизмерения температуры земной поверхности как с борта летательных аппаратов, таки с ИСЗ сначала в ИК, а затем и в радиодиапазоне волн.
Последующие исследованияосновных характеристик различных покровов и атмосферы на сантиметровых иММ-волнах проводились в СССР, США и ряде европейских стран, результатом которыхявилось развитие практических применений по наблюдению в глобальном масшабе заЗемлей как за планетой (наблюдение облачности, морских волнений, слежение засостоянием посевов, картирование сельскохозяйственных угодий, поиск полезныхископаемых и др.). Параллельно с этим происходило развитие и создание пассивныхрадиолокационных устройств (ПРЛУ), в которых для индикации объектов илиместности используются только характеристики собственного изучения.
Параллельно с ПРЛУ шлоразвитие систем радиовидения, использующих мощность радиолокационных передатчикови высокую чувствительность радиометров.
6.3 Военные игражданские применения
Анализ опубликованныхматериалов по созданию образцов радиоэлектронной техники (ГЛТ) в ММ диапазоневолн в армиях ряда стран, а также для различных народно-хозяйственныхприменений (навигация, связь, медицина, экология атмосферы, дистанционноезондирование и др.) показывает, что, начиная с 50 х годов, за рубежом и вРоссии интенсивно проводятся такие работы. В первую очередь создавалисьактивные и пассивные радиолокационные системы обнаружения и автоматическогораспознавания наземных и воздушных объектов, головок самонаведения управляемогооружия, а также систем контроля сельскохозяйственных угодий, картографированиеземных покровов, аппаратуры связи и передачи информации и др.
Указанные информационныематериалы позволяют заключить, что основные направления разработки зарубежнойтехники военного назначения по классификации и параметрам совпадают сразработками аналогичной техники в нашей стране.
Известно, что основной проблемой,не решенной до сих пор в радиолокации, остается проблема эффективногораспознавания обнаруживаемых объектов. Доказано также, что радиолокационныесистемы в коротковолновой части ММ диапазона при решении подобных задач имеютряд преимуществ по сравнению с РЛС сантиметрового и дециметрового диапазонов,однако эта проблема еще далека от своего решения.
Основными направлениямиразработок РЛС для распознавания объектов в коротковолновой части ММ диапазонав настоящее время как у нас, так и за рубежом являются
1. Изыскание новыхпринципов создания систем радиовидения. Ожидается, что такая аппарату ра сдиаметром параболической антенны 1 м, мощностью передатчика 1 Вт ичувствительностью приемника 10-20 Вт/Гц в дождях и туманах может обеспечиватьполучение изображений с разрешением 0,5 м на дальностях 1 ...2 км.
2. Изучение предельногосверхразрешения по дальности методом перестройки несущей частоты передатчика.
3. Развитиемиогочастотиых и многопозиционных методов радиолокационного обнаружения, позволяющих получить информацию о форме объекта, его размерах, особенно, вслучаях, когда длина волны соизмерима с размерами элементов объекта.
4. Совершенствованиенелинейных методов обнаружения объектов.
5. Изучение различий вспектрах флуктуации амплитуд, фаз и поляризационных характеристик отраженногосигнала объектов.
1. Системы морской иречной навигации
Известно, чтомаксимальное число аварий судов морского и речною флота происходит в прибрежныхзонах различных государств на подходе к портовым сооружениям.
Перед навигационными РЛСи радиометрическими комплексами ставятся следующие задачи:
— проводка судов приподходе к портам, проходе проливоп при отсутствии видимости;
— определение координатцелей, идентификации морских объектов, а также контроль характеристик ихдвижения;
— проводка ледоколов исудов через северный морской путь по данным собственного теплового излученияледовых покровов.
Для повышениябезопасности плавания судов намечается применение РЛС на волнах 8 мм и 3,3 мм, хотя на малых расстояниях при навигации судов в портах применение диапазона ММ-волнможет быть расширено за счет использования волн 1,64, 2,5 и 5 мм. Теоретические оценки дальности действия активных радиолокационных систем для случая однороднойатмосферы следующие: расчеты проводились для РЛС с параболической антеннойдиаметром 40 см и объекта с ЭПР, равной 5 м2. В числителе указаны дальности действия РЛС в случае чистой атмосферы, в знаменателе – дальности.
2. Микросотовые ипикосотовые линии связи в городах.
В настоящее время в связис бурным развитием УКВ связи с подвижными и стационарными объектами для городовпредложены так называемые микросотовые линии связи, представляющие собойцепочку ретрансляторов вдоль магистральных улиц, антенные системы которыхприподняты на высоту 5..10 м, и обладают в отличии от сотовых систем слабойнаправленностью. Кроме того, рассматриваются возможности применения ММ-волн напикосотовых линиях связи внутри производственных помещений. Протяженность такихлиний составляет 0,4...1 и 0,1...0,4 км соответственно; распространениесигналов происходит исключительно в пределах прямой видимости в атмосфере иливнутри производственных зданий.
Предложено использоватьдиапазон максимума поглощения на 5 мм, что позволяет резко увеличить полосучастот и обеспечить многократную ретрансляцию сигналов и подавление взаимныхпомех. Теоретические оценки показывают, что для типичных параметров аппаратурынеблагоприятные метеорологические условия могут уменьшать протяженностьоткрытых трасс до 1...2 км по сравнению с условиями в чистой атмосфере. В качестверабочей длины волны может быть также рекомендована полна 1,64 мм.
Переход к ММ-волнампозволяет увеличить полосу передаваемой информации примерно на порядок иуменьшить интенсивность облучения обслуживающего персонала.
3. Измерительные системы
В России и за рубежомсистематически измеряется собственное тепловое излучение тропосферы,стратосферы и мезосферы. Эти измерения ведутся на линиях поглощения паров водыи кислорода с искусственных спутников Земли, летательных аппаратов, наземныхустановок и радиотелескопов. Основные направления этих работ — определениеконцентрации водяного пара, полной его массы, водозапаса облаков в атмосфере, атакже восстановление профилей температуры, плотности воздуха, влажности,давления н стратосфере и тропосфере.
В США и России на волне2,11мм вблизи теллурической линии озона проводится наблюдение в Антарктике иполярных районах, а также в ряде широт Мирового Оксана. Эти измерения позволилиопределить вариации интегрального содержания озона в слое 20...50 км над земнойповерхностью. В России накоплен статистический материал о вертикальномослаблении в дождях на волнах 8 и 3,3 мм, на волне 3 мм изучается прозрачность атмосферы на различных широтах.
4. Применение в медицинеи биологии
Последние двадцать летуспешно развивались фундаментальные исследования воздействия ММ излучениянизкой (нетепловой) интенсивности на биологические объекты, включая животных ичеловека, Эти работы, выполнявшиеся в России под руковод ством Н.Д. Девяткова,показали, что потоки непрерывного излучения с плотностью до 10… 15 мВт/см неоказывают вредного влияния на здоровье человека и биологические объекты.Установлено, что ММ излучение низкой интенсивности оказывает лечебноевоздействие на живые организмы при различных видах заболеваний.
В результате клиническихиспытаний была установлена эффективность воздействия ММ излучения малоймощности на человека. В последние годы в ИРЭ РАН было обнаружено новое явление- конвективная неустойчивость жидкостей при поглощении ММ излучения.
Результатом многолетнихсовместных трудов Н.Д.Девяткова, М.Б.Голанта, О.В.Уецкого явилась разработкаметодов и аппаратуры для клинического лечения различных заболеваний человека(язва желудка, травмы опорно-двигательного аппарата, сердечно-сосудистыезаболевания, онкология и др.) Эти методы успешно применяются в ряде клиникМосквы.
Основными направленияминаучно-исследовательских работ на ближайшие голы являются: исследования влиянияатмосферы на точность определения координат различных объектов; изучениеэффектов распространения в коротковолновой части ММ диапазона на относительнодлинных неоднородных трассах; теоретические и экспериментальные исследованияпроблемы распознавания объектов на основе применения когерентных РЛС; изучениеполяризационных матриц объектов примени тельно к задаче распознавания образовобъекта; разработка пассивно-активных радиолокационных систем для обнаружениязамаскированных и укрытых объектов; создание систем связи и радиолокационныхсистем на линиях поглощения паров воды и кислорода для обеспечения высокойскрытности и помехозащищенности средств; создание высокоточных радиолокационныхсистем наблюдения в космосе; разработка навигационных речных и морскихрадиолокационных систем навигации; разработка пикосотовых и микросотовых системсвязи с подвижными и неподвижными объектами в городских условиях.
Нет сомнения в том, что вбудущем ММ-волны будут находить все более широкое применение в различныхобластях народного хозяйства и в армии.

Заключение
 
В данной работе поимеющимся литературным данным мы описали устройства для генерирования иканализации волн субмиллиметрового диапазона, в том числе используемыерезонансные системы, элементы трактов передачи. Рассмотрели методы и аппаратурудля измерения частоты и мощности, а так же распространение и применениерадиотехнических систем миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волнразличных областях народного хозяйства и в армии.
Указанные примененияММ-волн в радиотехнических системах и научных исследованиях далеко неисчерпывает проблему применения этих диапазонов волн. В настоящее время онинаходят свое применение также в радиоастрономии, дефектоскопии, исследованияхполупроводниковых материалов, метеорологии, а также в ряде отраслейпромышленности и сельского хозяйства.

Список использованныхисточников
1. Р.А. Валитов, С.Ф. Дюбко, В.В.Камышан, В.М. Кузьмичев, Б.И. Макаренко, А.В. Соколов, В.П. Шейко «Техникасубмиллиметровых волн» Под редакцией профессора Р.А. Валитова М. «Сов. Радио»1869г., 480 с.
2. Выстров Р.П., Соколов A.B.«Применение миллиметровых и субмиллиметровых волн», Тр.IV Всес.Школы пораспространению ММ и СБММ волн в атмосфере. 3-10 сект. 1991 г. — Нопгород: АН СССР, 1991, с.229-235.
3. Введенский Б.А., Колосов М.А.,Соколов А.В. «Радиотехника и электроника», 1967, т. 12, №11, с. 187
4. Тейлор Р. «Измерение обратныхотражений от Земли и СМИ и ММВ» 1966г, 380 с.
5. Басе Ф.Г, Фукс И.М. Рассеяние волнна статистически неровной поверхности / Басе Ф.Г, Фукс И.М., М.: Паука, 1972.
6. Аренберг А.Г. Распространениедециметровых и сантиметровых радиоволн / Аренберг А.Г. — М., 1957.