ОСОБЕННОСТИ ДИАПАЗОНА СВЧ, ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА
Сергей БУДЯК R1CZ
СОСНОВЫЙ БОР
Специально для журнала РАДИОЛЮБИТЕЛЬ
Почему необходимо использовать микроволновую технику?
Непрерывное развитие средств телекоммуникаций, использующих для работы различные отрезки частотного пространства и доступность этих средств для рядового пользователя уже сейчас привели к ощутимому дефициту свободных частот, которые можно использовать для развертывания каких – либо новых систем связи. Это выражается в резком ужесточении норм электромагнитной совместимости (ЭМС), а также в громадной стоимости частотных каналов, выделяемых для работы радиоэлектронной аппаратуры РЭА (грубо говоря, при предоставлении для работы одного телевизионного канала полосы частот шириной 8 МГц считается, что один герц стоит один доллар; в итоге требуются миллионные суммы). Несмотря на это, спрос на использование частотного пространства неуклонно растет, и при любых, самых жестких ограничениях на работу и требованиях, предъявляемых к РЭА, неизбежно перенасыщение всех ныне используемых частотных диапазонов. Единственным выходом из подобного положения является освоение и использование новых частотных областей.
В настоящее время досконально освоены и практически полностью закреплены за определенными средствами связи частоты от единиц Гц (используются для связи подводных аппаратов – многокилометровые проволочные антенны, связь с помощью примитивного кодирования) до сотен МГц – единиц и десятков ГГц, на которых работают системы подвижной, космической, релейной связи, расположены телевизионные каналы. Интенсивно ведется разработка диапазонов порядка 300 МГц..300 ГГц (дециметровые, сантиметровые и миллиметровые волны). Диапазоны частот свыше 300 ГГц – оптический, инфракрасный, видимый свет и ультрафиолетовый (субмиллиметровые волны) – для радиосвязи глобального значения пока не имеют.
Таким образом, наибольший интерес сейчас представляет собой диапазон частот от 30 МГц (длина волны менее 1 м), который принято называть диапазоном СВЧ. Для любительской связи диапазон СВЧ доступен не так давно, однако в его освоении наблюдается определенный прогресс. Как и любой другой диапазон, он имеет свои особенности, связанные с получением колебаний СВЧ, их обработкой, распространением в пространстве и приемом.
Как используется микроволновый диапазон?
Сейчас радиолюбительские системы связи имеют максимально высокочастотные диапазоны, располагающиеся на миллиметровых волнах. Так, при рабочей частоте 47 ГГц длина волны равна всего 6 мм. Однако всю технику, работающую в диапазоне СВЧ, принято называть микроволновой (microwave). Это не значит, что системы работают с волнами менее 1 мм, или частотами выше 300 ГГц. Мы не будем рассматривать совсем уже высокочастотные области, а разберем наиболее доступные – единицы и десятки ГГц.
Тем, кто считает микроволновую технику некой специализированной, недоступной широкому кругу пользователей, можно возразить: диапазон СВЧ используется массой радиосредств, одни из которых достаточно доступны, другие же не совсем. К примеру, купить трансивер на 1.3 ГГц и начать работать не труднее, чем трансивер на 144 МГц, и ничего сложного в этом нет. Для более высоких частот выпускается не так много оборудования, но и там в принципе можно работать. К примеру, существует что – то вроде набора «Сделай сам», образующего из трансивера на 144 МГц путем добавления преобразователей (конвертеров), СВЧ усилителей и блоков ПЧ трансивер на 10 ГГц. Простейшие СВЧ генераторы на диодах Ганна позволяют создавать на 10 ГГц телевизионные каналы. Помимо этого, на диодах Ганна проектируют уникальные охранные сигнализации. Эти и многие другие примеры показывают, что микроволновый диапазон – отнюдь не закрытый ареал обитания спецслужб и секретных организаций.
Правила пользования микроволновым диапазоном носят скорее характер рекомендаций, нежели ограничений. К примеру, требуется лицензирование для работы в диапазоне 24, 47 ГГц и выше, а также на работу в системе ЕМЕ (Земля – Луна – Земля). Конечно, в сравнении с диапазонами КВ и УКВ, микроволновый диапазон значительно менее насыщен, но, вместе с тем, это открывает широкие возможности для разнообразных экспериментов.
В микроволновом диапазоне ведется как местная связь, при достаточно больших и надежно принимаемых сигналах, так и, если позволяют условия распространения (прохождения), дальняя связь (DX). При работе в условиях прямой видимости прохождение практически не влияет на качество связи. Работая с CW или SSB при мощности сигнала единицы Вт, можно организовывать каналы связи (пролеты) на расстоянии в 500, а то и 1000 км, в зависимости от рельефа местности и расположения антенн.
По сравнению с другими, менее высокочастотными диапазонами, в микроволновом допускается создание каналов со значительной шириной спектра (фактически – десятки и сотни МГц). Это дает возможность создания на СВЧ каналов телевидения высокой четкости, а также цифровых каналов пакетной связи. При этом скорость обмена может составлять около 10 Мбит/с.
Работу в микроволновом диапазоне ведут теми же видами модуляции, что и в других. На частотах до 10 ГГц ведется связь CW и SSB, более широкополосная ЧМ все еще употребляется на частотах до 24 ГГц, хотя и тут отмечается некая тенденция к вытеснению ее более узкополосными видами модуляции. Что касается телевидения, то фактически все ТВ каналы используют ЧМ. В системах цифровой пакетной связи, как правило, работает частотный телеграф (FSK) и система Spread Spectrum («расширенный спектр»).
Какие существуют особенности микроволнового диапазона?
Техника, разрабатываемая для работы в том или ином частотном диапазоне, должна учитывать связанные с этими частотами особенности, а также поведение элементов аппаратуры на данных частотах. Поэтому надо определиться, что же происходит в любой схеме при переходе в диапазон СВЧ.
Чтобы перевести схему генератора или усилителя в область СВЧ, надо прежде всего получить колебательную систему (контур) с очень высокой резонансной частотой. Как известно, резонансная частота обратно пропорциональна значениям индуктивности и емкости контура, поэтому увеличить ее можно, сильно уменьшив емкость, индуктивность, или и то и другое сразу. Это сравнительно несложно проделать на невысоких частотах (до 30 МГц), но чем выше частота, тем, соответственно, меньше значения реактивностей контура. В идеальной системе, в принципе, можно достичь любой резонансной частоты, однако для реальной схемы всегда существует некий порог, дальше которого существование управляемой, устойчивой колебательной системы невозможно. Это связано с тем, что между электродами электронного прибора (транзистора, лампы и пр.) всегда существуют паразитные емкости и индуктивности. Паразитными параметрами пренебрегают, пока они составляют незначительную часть контурных параметров (так делают на ДВ), однако при работе с СВЧ их необходимо учитывать. Уменьшение междуэлектродных паразитных емкостей и индуктивностей – одна из основных задач при проектировании специализированных приборов СВЧ.
Не стоит, конечно, думать, что, тем или иным способом максимально уменьшив паразитные завязки, можно решить все проблемы СВЧ техники. Как и в любых колебательных системах, на СВЧ имеют место потери, только их природа достаточно своеобразна. Например, общеизвестен эффект, заключающийся в вытеснении тока высокой частоты на поверхность проводника. Это скин–эффект. Естественно, если ток будет протекать только по незначительной части проводника и не будет существовать во всем остальном его объеме, то его удельное сопротивление значительно увеличится, а следовательно, возрастут и потери энергии, затраченной на теплообразование. Потери, возникающие из – за изменения свойств проводника с СВЧ током, в частности из – за скин–эффекта, называют омическими потерями.
Омические потери учитывают свойства проводников, однако любой электронный прибор представляет собой комбинацию проводников и диэлектриков. Диэлектрики служат для разделения электродов прибора, изоляции, используются для создания контурных емкостей. Протекание токов через диэлектрики (токов смещения) создает диэлектрические потери. Любой диэлектрик характеризуется так называемым тангенсом угла диэлектрических потерь tg?, который является показателем качества диэлектрика. С ростом частоты tg? увеличивается, что обуславливает увеличение уровня потерь. Также вклад в потери вносят индуктивные и емкостные составляющие токов, проходящих через диэлектрик. Их уровень, само собой, тоже растет с увеличением частоты.
Особенностью диапазона СВЧ является то, что физические размеры элементов (резонаторов и линий передач, выводов транзисторов, диодов и ламп) совместимы с рабочей длиной волны. Нетрудно догадаться, что в этом случае любой элемент СВЧ тракта представляет собой некое подобие антенны, которая обязательно что – то излучает в окружающее пространство. Эта излученная энергия не несет никакой полезной нагрузки, а значит, является потерянной. Мало того, неконтролируемое излучение СВЧ трактов крайне неблагоприятно сказывается на работе рядом расположенных устройств (например, используя некачественную аппаратуру, элементарно лишить соседей возможности приема ТВ), а также, если излучается мощный сигнал – то и на здоровье окружающих. Борьба с потерями на излучение заключается в экранировке СВЧ блоков и использовании экранированных линий передач (коаксиалов, волноводов и пр.)
Когда рассматривают процессы, происходящие в том или ином приборе, и углубляются до анализа поведения простейших носителей (электронов, например), то представляют электрон как физический объект, имеющий массу электрона и движущийся со скоростью, которая зависит от напряженности электрического поля, действующего на электрон. Как и любому физическому телу с конечной массой и скоростью, электрону для преодоления какого – то расстояния требуется время. Время, которое затрачивает электрон на преодоление расстояния от одного электрода до другого, называют временем пролета электрона. Время пролета определяется напряженностью поля и не зависит от частоты. Так можно было рассуждать, рассматривая достаточно невысокие частоты.
Если напряжение, действующее на электрон во время пролета, достаточно низкочастотное, то оно не успевает существенно поменяться, пока электрон достигает второго электрода. Таким образом, на НЧ его можно считать постоянным. Когда же частота колебаний повышается (СВЧ), то за время пролета знак поля может поменяться на противоположный, то есть поле из, скажем, разгоняющего превратится в тормозящее. При этом некоторое число электронов не сможет завершить пролет и возвратится на эмиттирующий электрод. Доля таких электронов растет в повышением частоты, а, значит, уменьшается число электронов, дошедших до другого электрода. Получается, что, во-первых, энергия вернувшихся электронов будет разогревать эмиттирующий электрод, а во-вторых, выходной ток прибора, а с ним и мощность будут с ростом частоты неуклонно снижаться, вплоть до полного исчезновения. Этого рода потери названы потерями за счет инерции электронов. Помимо потерь, также искажаются импульсы выходного тока, а также, в силу влияния инерции, возникают и фазовые искажения.
Итак, основными особенностями СВЧ являются сильное влияние паразитных реактивностей, омические (скин-эффект) и диэлектрические потери, потери на излучение, а также влияние инерции электронов.
Краткая классификация приборов СВЧ
Приборы СВЧ делятся на электровакуумные (ЭВП СВЧ), полупроводниковые (ППП) и квантовые. Как можно видеть, это разделение производится исходя из рабочего вещества, свойства которого тем или иным образом используются. Как ни странно, но в век развития полупроводниковой и квантовой (лазерной) электроники электровакуумные приборы достаточно успешно конкурируют с транзисторами, диодами Ганна и ЛПД. Это связано, в основном, с возможностью получения достаточно больших мощностей с помощью ЭВП СВЧ, а также с ограничением частотных свойств транзисторов. Если изобразить графически возможности создания СВЧ систем, учитывая рабочую частоту и мощность, то получится, что наиболее высокочастотные и мощные устройства строятся именно на ЭВП.
ЭВП СВЧ разделяют на два класса: со статическим взаимодействием и с динамическим взаимодействием электронов и СВЧ поля. В динамических системах скорость электронов специальным образом изменяется (модулируется), в результате чего они отдают свою энергию выходным цепям. К ЭВП СВЧ с динамическим взаимодействием относят несколько видов клистронов (усилители и маломощные генераторы), лампы бегущей и лампы обратной волны (мощные усилители). Клистроны, ЛБВ и ЛОВ – это приборы т.н. типа “О”, что означает использование электрического поля. Помимо приборов типа О, существуют приборы магнитного поля (типа М). Примером прибора типа М может служить магнетрон.
В полупроводниковой схемотехнике СВЧ выделены классы диодов и транзисторов СВЧ. Диоды СВЧ – это туннельные диоды, диоды Ганна и лавинно – пролетные диоды. Использование, соответственно, туннельного эффекта( преодоление электроном потенциального барьера без потери энергии), эффекта Ганна (наличие генерации в собственном полупроводнике) и лавинного пробоя используется в них для создания генераторов и усилителей СВЧ.
СВЧ транзисторы, как правило, отличаются по конструкции и технологии изготовления. Коэффициент передачи ? резко падает с увеличением частоты (если схема с ОЭ, то ? падает при частоте больше 1 ГГц), помимо этого на устойчивость усилителя и управляемость генератора сильно влияют проходные емкости. Во избежание этого часто применяют более устойчивую схему с ОБ. Для повышения рабочей частоты транзистора надо добиться как можно меньшего значения времени пролета носителей (см. выше). Для этого делают очень узкой базу транзистора. Ток эмиттера вследствие скин–эффекта оттесняется на поверхность, поэтому эмиттер стараются полностью охватить областями базы и коллектора, чтобы избежать дополнительных потерь. Примерно тех же требований придерживаются при изготовлении полевых транзисторов.
Достаточно недавно разработан новый класс транзисторов, т.н. гетеропереходные транзисторы. Вместо стандартных p-n переходов (гомопереходов) в них применяются p-i-n переходы (гетеропереходы), значительно лучше и быстрее работающие в СВЧ.
Продолжение в следующем номере.
© РАДИОЛЮБИТЕЛЬ