Передающие устройства СВЧ

Скачать DjVu (3,48 МБ)

Описание

В книге изложены принципы работы, основы теории, методы расчета и конструирования передающих устройств СВЧ, даны основы теории, методы расчета, параметры и характеристики резонансных и замедляющих систем, рассмотрены особеиносги работы, расчет и конструирование каскадов передатчиков на генераторных приборах различного типа; приведены методы расчета импульсных модуляторов, ферритовых развязывающих приборов, сумматоров Описаны системы теплоотвода и магнигиые системы

ПРЕДИСЛОВИЕ

Несмотря на широкое практическое использование передающих устройств сверхвысоких частот (К сверхвысоким частотам (СВЧ) относим электромагнитные колебания с частотами от ~ 30 МГц до ~ 300 ГГц (длины волн соответственно от нескольких метров до долей миллиметра)), учебных пособий, достаточно полно отражающих как многолетнюю практику, так и современные достижения в этой области, мало.

Данная книга отличается от изданных ранее тем, что в ней методически обобщается известный на сегодняшний день материал о передающих устройствах СВЧ с позиций инженерной практики.

Передающие устройства (передатчики) СВЧ имеют ярко выраженную специфику и в принципах работы приборов, входящих в их состав, и в методах проектирования элементов, узлов и всего передатчика в целом. В конструктивном отношении передатчики СВЧ также существенно отличаются от передатчиков других диапазонов: активные приборы и колебательные системы генераторов СВЧ очень тесно сопрягаются друг с другом или представляют собой единое целое. Поэтому в технике передающих устройств передатчики СВЧ составляют самостоятельную область.

Настоящее пособие написано на основе лекций, читаемых авторами в МВТУ им. Н. Э. Баумана начиная с 1969 г.

При изложении материала авторы полагали, что читатель знаком с курсами «Основы радиоэлектроники» и «Аитенно-фидерные устройства», а также с курсом «Радиопередающие устройства».

Предисловие, введение, гл. 1, 2, 7 написаны д-ром техн. наук, проф. М. В. Вамберским, гл. 3, 4, 6, 8 — канд. техн. наук, доц. В. И. Казанцевым, гл. 5, 10, 11, 12 — канд. техн. наук, доц. С. А. Шел\хиным, гл. 9 — М. В. Вамберским и В. И. Казанцевым, гл. 13 — М. В Вамберским, С. А. Шелухиным, В. И. Казанцевым, гл. 14 — М. В. Вамберским совместно с капд. техн. наук, доц. В. П. Абрамовым и В. И. Казанцевым.

Авторы выражают глубокую благодарность рецензентам — зав. кафедрой «Радиопередающие и антенно-фидерные устройства» МАИ Д-ру техн. наук, проф. Д. И. Воскресенскому и коллективу кафедры «Радиопередающие устройства» ЛЭТИ, возглавляемому д-ром техн. наук, проф. О. В. Алексеевым, за ряд важных замечаний и предложений, способствовавших улучшению содержания пособия, а также сотрудникам МВТУ им. Н. Э. Баумана Б. П. Лаврову, И. И. Лебедюку и В. И. Осипенко, предоставившим ряд материалов, использованных при написании книги.

ВВЕДЕНИЕ

В документах XXVI съезда КПСС говорится о необходимости ускорения научно-технического прогресса. Техника СВЧ должна сыграть в решении этой задачи важную роль.

§ В.1. КРАТКИЙ ИСТОРИЧЕСКИЙ ОБЗОР РАЗВИТИЯ ТЕХНИКИ СВЧ

Техника СВЧ зародилась в 30-е годы нашего столетия. Использование электромагнитных колебаний не только для связи, но и для радиолокации, радионавигации, телевидения, радиоуправления требовало освоения все более высоких частот, на которых генераторные приборы того времени (электронные лампы) уже не могли работать удовлетворительно. Начались поиски как в направлении совершенствования электронных ламп, так и в направлении создания принципиально новых генераторных приборов.

Первое направление привело к созданию триодов и тетродов СВЧ, работающих в метровом, дециметровом и даже сантиметровом диапазонах длин волн. Первые триоды СВЧ (маячковые лампы) были разработаны в СССР в 1940 г. под руководством Н. Д. Девяткова. Впоследствии появились металлокерамические триоды, а также тетроды СВЧ, которые широко используют и в настоящее время.

В конце 40-х годов были созданы первые полупроводниковые триоды—транзисторы. Однако СВЧ полупроводниковые приборы появились примерно через десять лет. Здссь так же, как и при создании электронных ламп, пришлось преодолевать трудности, связанные с генерированием СВЧ-колебаний. В результате в конце 50-х годов были разработаны первые транзисторы СВЧ (биполярные, полевые) и генераторные диоды: туннельные (1957), лавинно-пролетные (ЛПД) (1959) и диоды Ганна (1964).

В 1932 г. Д. А. Рожанским и А Н. Арсеньевой был изобретен пролетный клистрон — генераторный прибор, принципиально отличающийся от электронной лампы. В 1936— 1937 гг. Н. Ф. Алексеевым и Д. Е. Маляровым был создан многорезонаторный магнетрон — простой, экономичный и мощный прибор, который явился важной вехой в развитии техники СВЧ. Именно на магнетронах создавались первые радиолокационные станции, и именно они в настоящее время являются наиболее массовыми генераторными приборами СВЧ. В конце 40-х годов появились лампы бегущей (прямой) волны (ЛБВ), которые позволили осуществить широкополосное усиление СВЧ-колебаний малой и большой мощности. В начале 50-х годов разрабатыварот лампы обратной волны (ЛОВ) — перспективные для техники СВЧ генераторные приборы, которые позволяют получать большие мощности при коэффициенте полезного действия 50—90 %, осуществлять усиление широкополосных сигналов или быструю электронную перестройку частоты.

На сегодняшний день разработано большое количество электронных электровакуумных и полупроводниковых приборов СВЧ, которые дают возможность генерировать электромагнитные колебания практически во всем диапазоне СВЧ, Совершенствование этих приборов во многом определяет перспективы развития генераторной техники СВЧ на ближайшее будущее.

В 50-е годы появились невзаимные и быстроуправляемые элементы фидерного тракта и антенн на основе ферритов, которые позволили значительно улучшить параметры существующих передатчиков и открыли возможности практической реализации их принципиально новых схем.

Следует заметить, что диапазор! частот практического использования электромагнитных колебаний все время расширяется. Техническое осуществление находят новые принципы генерирования. В настоящее время с помощью лазеров осваивается световой диапазон, и уже стоит вопрос об освоении электромагнитных колебаний инфракрасных и гипервысоких частот, граничащих с гамма-излучением.

§ В.2. ЗНАЧЕНИЕ ТЕХНИКИ СВЧ ДЛЯ НАРОДНОГО ХОЗЯЙСТВА И ОБЛАСТИ ЕЕ ПРИМЕНЕНИЯ

Техника СВЧ с каждым годом находит все большее применение в различных областях народного хозяйства. Ее широко используют в системах связи, радиовещания и телевидения, радиолокации и радионавигации, телеметрии и радиоуправления, радиоастрономии.

Наша страна и другие страны мира покрыты густой сетью СВЧ радиорелейных линий, по которым осуществляются телефонные разговоры и телевизионные передачи. Развивается связь через спутники, связь за счет тропосферного и ионосферного рассеяния.

Сейчас каждый аэро- и морской порт имеют в своем арсенале радиолокаторы и радиомаяки. Радиолокаторы установлены на борту крупных самолетов и кораблей. Их используют в метеорологии для обнаружения зон сильной облачности, а также для картографирования местности.

Важную роль передающие устройства СВЧ играют в развитии космической техники. С помощью телеметрических систем со спутников и космических кораблей передают на Землю информацию об интересующих параметрах, телевизионные сигналы и т. д.

В военном деле средствами передающей техники СВЧ создаются искусственные помехи против средств связи и радиолокации противника.

СВЧ-колебания применяют и в технологических целях. Их используют, например, для нагревания материалов, что обеспечивает высокую скорость нагрева и малую инерционность при управлении процессами. При этом можно осуществлять процесс локально, как по площади (за счет фокусировки луча), так и по глубине (за счет выбора генерируемой частоты). СВЧ-нагрев применяют для сварки пластмасс: пленок, листового материала, блоков, гранул, стержней и т. д. СВЧ-колебания ускоряют затвердевание бетона, их используют для разрушения твердых материалов (причем можно осуществлять раскалывание в нужном направлении) и горных пород. СВЧ-нагрев сокращает время сушки и выдержки лесоматериалов (древесины, шпона, бумаги и фанеры), а также повышает их качество — материал высыхает без растрескивания. Следует заметить, что обработка древесины СВЧ-облучением позволяет уничтожать древесного точильщика. С помощью СВЧ сушат лакокрасочные, пластиковые покрытия и пропитанные материалы

В последнее время СВЧ-облучение начинают использовать в сельском хозяйстве для стерилизации почвы.

Широкое применение СВЧ-нагрев находит в пищевой промышленности. Большой интерес представляет его применение для приготовления пищи. Этот быстрый по времени приготовления способ находит применение в буфетах и кухнях, работающих на подвижных объектах (самолетах, кораблях, поездах, космических объектах), а также в походных и домашних кухнях. Сублимационная сушка продуктов, осуществляемая с помощью СВЧ-нагрева, позволяет сохранять не только их аромат, но и белки в большей степени, чем при других методах. СВЧ-нагрев можно эффективно применять для размораживания продуктов, дезинфекции муки, уничтожения плесени в хлебопродуктах, стерилизации консервов, молока, фруктов и т. д.

Технику СВЧ широко используют в медицине. Во-первых, это СВЧ-диатермия — один из способов физиотерапии, широко применяемый в настоящее время для лечения тканей глубинным прогревом. Во-вторых, это метод диагностики (исследование свойств тканей, крови). В-третьих, это средство для создания с помощью электронных ускорителей излучений для лечения злокачественных опухолей, стерилизации медицинского инструмента и материалов.

Использование СВЧ электромагнитных колебаний в ускорителях, применяемых помимо медицины в физике твердого тела, ядерной физике, химии, — самостоятельное направление в технике СВЧ, начавшее свое развитие в 50-е годы.

В последние годы передающие устройства СВЧ стали использовать для получения ионизированных газов и плазмы, что представляет большой интерес с точки зрения управления ядерными реакциями (нагрев и удержание плазмы), а также для получения и ускорения химических реакций, происходящих в высокотемпературной плазме. В связи с этим появилось новое направление — плазменная химия.

Передающие устройства СВЧ используют в интроскопии для исследования структуры различных объемных тел.

В настоящее время перед энергетиками стоит важная проблема: обеспечение человечества необходимым количеством энергии. Эта проблема возникла в связи с тем, что запасы ископаемых видов топлива на Земле ограничены, а их потребление возрастает. Одним из перспективных путей решения проблемы является превращение на космических объектах солнечной энергии в энергию СВЧ электромагнитных колебаний и передача ее узким лучом на Землю или на другой космический объект.

Интересным направлением использования энергии СВЧ является создание маломощных реактивных плазменных Двигателей. Работа этих двигателей основана на воздействии мощных электромагнитных СВЧ-колебаний на высокотонизированную плазму. Инжектируемое в двигателе топливо ионизируется и ускоряется СВЧ-полем, что создает необходимую реактивную тягу. В таких двигателях нет движущихся частей, они имеют простую конфигурацию и отличаются долговечностью. Уже сегодня их можно применять для ориентации космических объектов, особенно там, где на борту имеются источники энергии СВЧ, используемые для связи, радиолокации и т. д.

Перечисленные области практического использования передающих устройств СВЧ — свидетельство их большого значения для народного хозяйства как в настоящем, так и в будущем. Однако использование передающих устройств СВЧ пока в ряде случаев ограничено их высокой стоимостью, небольшим сроком службы генераторных приборов (несколько тысяч часов) и невысоким коэффициентом полезного действия.