Сантиметровом диапазоне

На биполярных транзисторах строят СВЧ-усили-тели мощности от сотен ватт в метровом диапазоне частот до единиц и долей ватта в, длинноволновой части сантиметрового диапазона, а также малошумящие СВЧ-усилители вплоть до сантиметрового диапазона, имеющие коэффициент усиления 20...30 дБ и шум-фактор 5...8 дБ.

Установки высокочастотного нагрева сантиметрового диапазона волн дают возможность осуществить плавку стекла, нагревание горной породы в шахте, облучение различных участков тела человека с целью биологического воздействия и т. п. На частотах от 2 до 200 Мгц высокочастотный нагрев происходит в электрическом поле конденсатора, между пластинами которого помещают нагреваемый материал. На сверхвысоких частотах нагрев можно производить либо путем помещения нагреваемого материала в объемный резонатор, либо путем облучения его энергией направленной электромагнитной волны.

50 Т' е н е р а т о р н ы е С В Ч - д и о д ы, используемые в генераторах сантиметрового диапазона, подразделяют на диоды Ганна и лавинно-

Для обеспечения приемлемых параметров МПЛ толщина проводящего слоя должна быть не менее четырех толщин скин-слоя. Ширина полосковых проводников w определяется из условия получения заданного волнового сопротивления Z при заданной толщине подложки и ее диэлектрической проницаемости. Для согласования с другими устройствами наибольшее распространение получили полосковые линии с Z=50 Ом для волн короче 15...20 см для дециметрового и сантиметрового диапазона и Z=75 Ом для метрового диапазона. Это объясняется тем, что потери при передаче энергии СВЧ по коаксиальному кабелю минимальны при волновом сопротивлении Z= 30...70 Ом. Хотя

На некоторых примерах рассмотрим влияние на конструкцию аппарата требований, предъявляемых к его электрическим параметрам. В приемнике, предназначенном для приема сигналов с частотой до сотен мегагерц, колебательный контур состоит из индуктивной катушки и конденсатора; в приемнике сантиметрового диапазона применяют контуры в виде объемных резонаторов. Хотя в обоих примерах контуры выполняют одни и те же функции, их конструкции оказываются принципиально различными.

Чувствительность приемника определяется уровнем тепловых шумов и существенно зависит от конструкции и технологии изготовления входных каскадов. В качестве входных каскадов в диапазоне СВЧ применяются кристаллические смесители, усилители на туннельных диодах, высокочастотных транзисторах и ЛБВ. В особо чувствительных приемниках сантиметрового диапазона применяются параметрические и молекулярные усилители, охлаждаемые жидким азотом или гелием. При этом существенно усложняется конструкция приемника, возрастают вес и габариты.

Командные, телеметрические, радиорелейные и космические линии выполняют многоканальными [6]. Они работают на волнах в диапазоне от 3 см до 3 м, причем наибольшее распространение получили системы сантиметрового диапазона.

В § 8.4 были рассмотрены микрополосковые линии СВЧ-ИМС. При использовании этих линий достигаемая степень миниатюризации составляет от единиц миллиметров до единиц сантиметров, что вполне достаточно для микросхем сантиметрового диапазона. Ширина полоски равна примерно 0,3—1,5 мм, а длина не превышает двух-трех длин волн в диэлектрике.

В качестве основных источников СВЧ-мощности в микросхемах дециметрового и сантиметрового диапазона СВЧ в настоящее время применяют полевые и биполярные транзисторы. Если биполярные транзисторы позволяют сейчас получать мощность более 10 Вт на частотах около 10 ГГц при к.п.д. 25—50%, то полевые транзисторы отдают мощность порядка единиц ватт на частотах свыше 20 ГГц и к тому же имеют более высокую температурную стабильность.

Разработаны и применяются также другие, в основном гибридные, СВЧ-ИМС различного назначения. Однако в последние годы стала развиваться технология аналоговых монолитных СВЧ-ИМС, базирующаяся на арсениде галлия. Данные схемы имеют меньшие массу и размер по сравнению с аналогичными гибридными СВЧ-ИМС и отличаются повышенной надежностью; исключены такие технологические операции, как приварка проволочных выводов и самих кристаллов. В дециметровом и значительной части сантиметрового диапазона волн преимущественное применение получат транзисторные СВЧ-ИМС на основе пла-нарной технологии. Это связано с большими успехами в разработке полевых транзисторов на основе эпитаксиального ар-сенида галлия. Уже сейчас созданы транзисторы с граничной частотой свыше 30 ГГц и усилением 9 дБ на частоте 12 ГГц и 6 дБ на частоте 18 ГГц с коэффициентом шума 3 дБ на частоте 10 ГГц. Такие полевые транзисторы имеют малые емкости затвора и низкое сопротивление истока, что достигается уменьшением длины затвора до 0,5 мкм и менее.

Весьма перспективны элементы на эффекте Ганна при разработке интегральных модулей маломощных" передатчиков и приемников. Дальнейшее развитие получат интегральные усилители с междолинным переносом электронов, способные в сочетании с маломощными полевыми транзисторами заменить лампы бегущей волны (ЛБВ) при уровнях выходной мощности в несколько ватт на частотах трехсантиметрового диапазона и выше.

Подача ТВ программ от телецентров к ТРП и ТР по радиоканалам осуществляется с помощью радиорелейных (РРЛ) и спутниковых (СЛС) линий связи. РРЛ представляет собой цепочку приемопередающих станций (промежуточных (ПРС), узловых (УРС) и оконечных (ОРС)), удаленных друг от друга на расстояние радиовидимости (40—70 км), работающих в сантиметровом диапазоне волн (обычно на частотах 4, 6, 8 и 11 ГГц) и использующих остронаправленные антенны, размещенные на высоких опорах (60—120 м). Станции осуществляют последовательную многократную ретрансляцию (прием, преобразование, усиление и переизлучение) сигнала от одной станции к другой. Преобразование частоты необходимо ДЛЯ устранения паразитных связей между входом приемника и выходом передатчика (между приемной и передающей антеннами), поэтому пере-

телей — каждый модуль (сторона «квадрата»), расположенный на обратной стороне панели, находится около своего излучателя с обратной стороны панели ( 7.41,6). Высокочастотные соединения блоков основания между собой, с блоками на панели и последних с излучателями осуществляются с помощью коаксиальных кабелей и разъемных ВЧ-соединителей. Для уменьшения массы в основании и панели выполнены отверстия, не снижающие прочности всего устройства. В сантиметровом диапазоне расстояние между излучателями уменьшается, что может привести к необходимости выполнения приемопередающих модулей для нескольких излучателей в едином блоке.

Радиолинии второго типа ( 3.2, б) отличаются тем, что сообщения из пункта передачи А попадают на конечный пункт В посредством активной ретрансляции, т. е. приема и передачи радиосигналов промежуточными станциями А\, Дг и т. д. Принимаемый сигнал в пункте ретрансляции усиливается и излучается, как правило, на другой частоте в направлении следующей станции. Линии второго типа применяются в радиорелейной связи. При работе в сантиметровом диапазоне волн промежуточные станции располагают в пределах прямой видимости на расстоянии 50-^-60 км. При использовании для приема и передачи сигналов разных частот осуществляется одновременная передача информации как из пункта А в пункт В, так и в обратном направлении.

В качестве усилителей мощности в радиопередатчиках на частотах до 4000 МГц применяются электронные лампы специальной конструкции. В сантиметровом диапазоне для этой цели служат клистроны и лампы бегущей волны (ЛБВ). Нестабильность частоты передатчика вызывает необходимость расширения полосы пропускания приемника, что уменьшает дальность действия системы. Для стабилизации частоты применяют кварцевые генераторы, имеющие относительную стабильность 10~5-МО~6. При термостатировании стабильность частоты такого генератора возрастает до 10~7—10~9. При этом увеличиваются масса, габариты и энергопотребление задающего каскада передатчика.

В радиолиниях применяют ненаправленные и направленные антенны. В качестве ненаправленных антенн с фиксированным усилением используют полуволновые вибраторы, штыревые, всенаправленные и другие антенны. В качестве направленных антенн с фиксированной площадью в сантиметровом диапазоне применяют зеркальные, линзовые и рупорные антенны. Для таких антенн коэффициент усиления G определяется выражением

Передатчик Пер состоит из генератора СВЧ-энергии и модулятора. В качестве генераторов в сантиметровом диапазоне применяются магнетроны и клистроны. За время излучения импульса длительностью ти генератор расходует чрезвычайно большую энергию. Для упрощения конструкции источников питания в модуляторе производится накопление энергии, которая расходуется для возбуждения передатчика при излучении. В качестве накопителей применяются конденсаторы и искусственные линии.

чей. Излучаемые непрерывные колебания (обычно в сантиметровом диапазоне) имеют ' частоту f,,-* Вследствие движения самолета частота принимаемых колебаний /„ получает допплеровское смещение Рл, которое зависит

но низкие диэлектрические потери, большую стабильность электрических параметров в диапазоне температур, а также невысокую стоимость. Для обеспечения хорошего согласования и малых диэлектрических потерь рекомендуется применять хорошо шлифующиеся подложки из сапфира. Подложки из титаната магния, имеющего высокую диэлектрическую проницаемость в сантиметровом диапазоне, целесообразно использовать, когда особенно важна стабильность диэлектрической проницаемости.

В низкочастотных микросхемах применяют дискретные миниатюрные конденсаторы и катушки индуктивности. Пленочные реактивные элементы с емкостями менее 100 пФ и индуктивностями менее 1 мкГн используют в аналоговых высокочастотных микросхемах. В сантиметровом диапазоне СВЧ требуются элементы малых размеров (много меньше длины волны), которые следует воспроизводить с высокой точностью. Для этого необходима тонкопленочная технология. Она также обеспечивает меньшее сопротивление проводящих слоев по сравнению с толстопленочной технологией (см. § 6.4) и более высокую добротность элементов. В этом диапазоне используют и тонкопленочные пассивные элементы на основе микрополосковых линий передачи с распределенными емкостью и индуктивностью. Размеры элементов порядка длины волны, поэтому их плотность относительно низкая.

Полуизолирующая подложка из арсенида галлия обеспечивает малые потери и паразитные емкости элементов. На ней можно формировать МПЛ, являющиеся основой пассивных элементов с распределенными параметрами сантиметрового диапазона. Помимо них широко применяют и тонкопленочные LC-элементы с сосредоточенными параметрами. В этом случае размеры кристалла малы по сравнению с длиной волны (в деци- и сантиметровом диапазоне), схемотехника упрощается по сравнению с СВ Ч-устройствами на дискретных элементах и близка к схемотехнике низкочастотных устройств. Меньшие на порядок размеры, более высокая надежность и низкая стоимость являются важными преимуществами полупроводниковых микросхем по сравнению с гибридными.

На 32-18 показана структурная схема влагомера, работающего в сантиметровом диапазоне волн [Л. 353]. Исследуемый материал 1 помещен между излучающим волноводом 2, возбуждаемым генератором 3, и приемным волноводом 4. Указатель У/с через детектор 5 подсоединен к приемному волноводу. Проведенные М. А. Берлинером [Л. 41 ] исследования подобного влагомера с