Особенности диапазона сверхвысоких частот

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

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

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

2. В отличие от более длинных радиоволн и инфракрасных излу­чений, волны СВЧ диапазона, особенно на участке между 100 МГц и 10 ГГц, почти беспрепятственно проникают сквозь ионосферу, а так­же сквозь атмосферу. Существование широкого окна прозрачности в диапазоне СВЧ дает возможность, с одной стороны, исследовать ми­ровое пространство радиоастрономическими методами, используя СВЧ излучение Солнца, звезд и других космических тел. С другой стороны, это свойство, в сочетании с острой направленностью излу­чения, делает диапазон СВЧ незаменимым для развития космических исследований, в том числе для обмена информацией между Землей и космическими устройствами.

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

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

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

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

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