Материал: Электромагнитные волны и колебания в устройствах СВЧ. Филатов И.А

Воронеж 2004

УДК 621.378.325

Филатов И.А. Электромагнитные волны и колебания в устройствах СВЧ: Учеб. пособие. - Воронеж: Воронеж. гос. техн.

ун-т, 2004. 110 с.

В настоящем учебном пособии изложены вопросы построения картин полей электромагнитных волн и колебаний в различных устройствах сверхвысоких частот: коаксиальных, двухпроводных и полосковых линиях, прямоугольных и круглых волноводах, призматических, цилиндрических и тороидальных объемных резонаторах.

Учебное пособие соответствует требованиям Государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлению 210200 «Проектирование и технология электронных средств» специальности 210201 «Проектирование и технология радиоэлектронных средств», дисциплине «Техническая электродинамика».

Учебное пособие подготовлено в электронном виде в текстовом редакторе Microsoft Word и содержится в файле.

Табл.1. Ил.37. Библиогр.: 6 назв.

Научный редактор д-р техн. наук, проф. Ю.Г. Пастернак Рецензенты: Воронежский научно-исследовательский

институт связи, канд. техн. наук, доц. Б.В. Матвеев

©Филатов И.А. ,2004

©Оформление.Воронежский государственный технический университет, 2004

4

ВВЕДЕНИЕ

Техника сверхвысоких частот (СВЧ) является важной составной частью радиоэлектроники и отличается специфическими методами расчета и конструирования. В соответствии с рекомендациями международного консультативного комитета по радио к диапазону СВЧ относят лишь сантиметровые волны. В то же время на практике частотный спектр СВЧ колебаний принято считать значительно более широким и включают в него также метровые, дециметровые, миллиметровые и субмиллиметровые волны. Значение длин волн и частот для всех указанных СВЧ диапазонов приведены в таблице В.1.

Таблица В.1 Значение длин волн и частот СВЧ колебаний.

Особенность волн СВЧ состоит в том, что они, как и свет, распространяются в основном по линии прямой видимости и очень плохо огибают встречающиеся на их пути препятствия, но зато хорошо отражаются от них, причем отражение тем лучше, чем меньше длина волны по сравнению с размерами препятствия. Следовательно, эти волны обладают слабо выраженными дифракционными свойствами. Кроме того, они слабо преломляются в ионосфере и, пройдя ее, не возвращаются назад.

СВЧ колебания при их практической реализации позволяют обеспечить широкую полосу пропускания частот, создать малогабаритные остронаправленные антенные системы, существенно повысить помехоустойчивость при

5

приеме сигналов. В подтверждение сказанного достаточно указать, что на сантиметровых волнах возможна одновременная передача сотен и тысяч телефонных разговоров или нескольких телевизионных программ, а остронаправленное излучение сигналов приводит к уменьшению взаимных помех различных радиоустройств, увеличению их дальности действия и повышению точности радиолокационного измерения координат объектов. К тому же на СВЧ, в отличие от более длинных волн, атмосферные заряды почти не влияют на качество приема информации.

СВЧ сигналы и устройства широко используются в таких областях современной радиотехники, как: радиолокация, телевидение, радиорелейная и многоканальная связь, радионавигация, радиометеорология, радиоастрономия, космическая радиоэлектроника и т. д.

В последние годы становится все больше и больше отраслей народного хозяйства, в которых находит применение СВЧ техника, позволяющая создавать неосуществимые ранее технологические процессы или коренным образом улучшить их. К ним относятся: создание сверхчистой плазмы с широким интервалом температур; полимеризация и упрочнение разнообразных изделий и материалов, например шин и лакокрасочных покрытий; стабилизация параметров полупроводников; СВЧ нагрев и сушка различных материалов, в частности приготовление и разогрев пищи, пастеризация молока и т.п.

СВЧ устройства применяют также для измерения и контроля параметров материальных сред, в ускорителях элементарных частиц, при бесконтактной передаче мощности и в медицине.

Отличительной особенностью большинства СВЧ устройств является то, что они характеризуются распределенными постоянными, так как у них каждая единица длины обладает некоторыми значениями емкости, индуктивности и активного сопротивления. Это в полной мере относится и к колебательным системам СВЧ, нашедшим весьма широкое

6

применение в передающей, приемной, измерительной и другой специальной аппаратуре сверхвысоких частот.

Колебательные цепи СВЧ, являясь одними из наиболее распространенных пассивных элементов трактов СВЧ, представляют собой, как правило, конструктивное сочетание проводников, диэлектриков и магнитодиэлектриков и относятся к классу линейных радиотехнических устройств, причем их размеры соизмеримы с длиной волн СВЧ колебаний.

В зависимости от диапазона рабочих частот и предъявляемых требований к добротности, резонансному (или входному) сопротивлению, стабильности, точности установки частоты, пределам настройки, электрической прочности, эксплуатационной надежности, удобству конструктивного выполнения и т.п. колебательные системы СВЧ наиболее часто изготавливают в виде коротких отрезков двухпроводных, коаксиальных и полосковых линий, а также в виде полых объемных резонаторов прямоугольной, цилиндрической и тороидальной формы. Возможны и другие типы колебательных систем, Методы расчета их параметров и характеристик разработаны на основе теории цепей и теории электромагнитного поля.

Отметим, что проектирование и инженерный расчет резонансных цепей СВЧ является достаточно сложной технической задачей.

7