Микроволновое или, иначе, сверх высокочастотное (СВЧ) иалученив — это электромагнитные волны дпиной от одного миллиметра до одного метра. Сфера применения микроволновой техники в настоящее время достаточно широка и по мере развития науки и технологии все больше внедряется в нашу повседневную жизнь. Кроме рассматриваемых в этой статье микроволновых печей можно отметить такие области применения, как радиолокация, радионавигация, инфраструктуры спутникового телевидения, телефонная сотовая связь и многое другое. В последнее время идут интенсивные и небезуспешные исследования по использованию микроволн s медицине и биологии.

Физическая природа микроволнового излучения такая же. как у света или радиоволн. Отличие только в частоте, с той происходят электромагнитные колебания, или в длине волны, что — то же самое, поскольку последняя связана с частотой соотношением:

Частота, с той происходят колебания электромагнитного поля, в значительной степени влияет на его внешние свойства. Все знают о существовании радиоволн, инфракрасного или теплового и ультрафиолетового излучения, рентгеновских лучах и видимом свете. Но все ато разные проявления одного и того же явления — электромагнитных волн. Различие заключается только s одном — в частоте колебаний (рис. 1.1). И, тем не менее, свойства перечисленных явлений могут отличаться как день от ночи. Причина заключается е соизмеримости длины волны с различными физическими объектами. к примеру, свет или рентгеновское излучение легко проходят через кристалл, у того расстояние между атомами меньше длины волны и, наоборот, длинноволновое излучение не сможет проникнуть, допустим, е металлическую трубу даже очень большого диаметра. Поэтому, попав каким-нибудь загадочным образом в цельнометаллический тоннель с транзисторным приемником, не пытайтесь его трясти и бить о стену в надежде извлечь звуки, отличные от треска и шипения.

Рис. 1.1. Шкала олектрсмагнитных волн

Если в низкочастотной электронике принято оперировать понятиями токов и напряжений, то е микроволновом диапазоне в большинстве случаев используются величины, характеризующие электромагнитное поле. Главные из них — это напряженность электрического поля Е и напряженность магнитного поля И. Дпя наглядности электрические и магнитные поля принято изображать в виде силовых линий. Силовые линии не являются реально существующими физическими величинами, а лишь помогают графически отобразить то, что не имеет ни формы, ни цвета, ни запаха. Касательная к силовой линии указывает направление силы, действующей на электрический заряд или магнитный диполь, а плотность расположения силовых линий — на величину напряженности поля.

Рис. 1.2. Силовые линии электрического поля Е, образованные двумя разноименными точечными зарядами и магнитные силовые линии вокруг проводника с током Н

к примеру, на рис. 1.2 отображено магнитное поле вокруг проводника с током и электрическое поле, образованное двумя точечными зарядами.

Длина волны микроволнового поля — величина того же порядка, что и компоненты электрических схем, поэтому последние очень сильно влияют на его распределение. Если в СВЧ цепь включен резистор, то его ориентация в пространстве, размеры и длина выводов имеют такое же значение, как и номинал, а в некоторых случаях и более важное. Такие компоненты, как конденсаторы и индуктивности, вообще выполняются на СВЧ платах в виде утопщения или сужения токове-дущего проводника. В этом есть нето преимущество, поскольку многие пассивные элементы технологически можно выполнить очень легко и с минимальными затратами. к примеру, колебательная система магнетрона, используемого в микроволновых печах, представляет собой медную штампованную болванку со специальными отверстиями. Аналогичная конструкция на более низких частотах потребовала бы не одного десятка конденсаторов и индуктивностей. Но за все в жизни приходится платить. В данном случае некоторая простота в изготовлении с лихвой перекрывается сложностью на этапе расчета и конструирования. Это одна из причин, которые сдерживают широкое распространение микроволновой техники. Есть и другие, не менее важные.

Большую сложность представляет проведение измерений на сверхвысоких частотах. к примеру, волновое сопротивление, хотя оно и измеряется в омах, невозможно измерить омметром. Электрические параметры элементов микроволновой техники носят распределенный характер. Если в радиотехническом колебательном контуре электрическая энергия сосредоточена в конденсаторе, а магнитная в катушке индуктивности, то в СВЧ резонаторе, выполняющем ту же функцию, электрические и магнитные поля переплетены между собой и отделить емкость от индуктивности, за исключением отдельных специфических случаев, не представляется возможным. Пирожок, подогреваемый в микроволновой печи и, соответственно, являющийся нагрузкой СВЧ цепи, вносит в нее дополнительную емкость, а также индуктивность и сопротивление. Переместив пирожок внутри камеры, мы поменяем соотношение между этими параметрами, поэтому бессмысленно измерять пирожки в микрофарадах, даже если бы они хорошо подходили для использования в СВЧ цепях по другим причинам.

Еще одно препятствие на пути микроволновой техники лежит в плоскости теории. В классической электротехнике существует ряд фундаментальных законов, таких, как закон Ома, законы Кирхгофа и др., с помощью которых можно рассчитать электрическую цепь. Иногда это просто, иногда очень просто, а иногда сверхсложно, но тем не менее можно. Однако в СВЧ диапазоне применение этих законов в чистом виде, как правило, невозможно. Как, к примеру, использовать закон Ома, устанавливающий соотношение между током и напряжением, если отсутствует само понятие напряжения? Все законы классической электротехники имеют ограниченный характер. Это вовсе не означает, что они неверны, но они справедливы только там, где отсутствует излучение. Ранее отмечалось, что радиоволны и видимый свет имеют одну и ту же физическую природу. Но ведь никому не придет в голову измерять яркость солнечного света в вольтах или амперах. В свою очередь законы оптики тяжело использовать при конструировании электрического чайника. В ограниченном применении физических законов нет ничего необычного. В природе подобные явления встречаются на каждом шагу. К примеру, в механике в свое время было обнаружено, что при скоростях, близких к скорости света, не выполняются законы Ньютона, длительное время считавшиеся незыблемыми. И только после появления теории относительности Эйнштейна, дополнившей механику Ньютона, все стало на свои места. Оказалось, что существует более общий закон природы, включающий в себя закон Ньютона как составную часть. Подобная же ситуация сложилась в

электродинамике. Существуют уравнения Максвелла, более полно описывающие процессы, связанные с электромагнитным попем во всем спектре электромагнитных колебаний. Законы классической электротехники, как и законы оптики, можно считать частными случаями уравнений Максвелла. В свою очередь, и уравнения Максвелла не являются универсальными. При электромагнитных взаимодействиях элементарных частиц вступают в силу законы квантовой механики, дополняющие уравнения Максвелла. Вполне возможно, что через нето время и законы квантовой механики также придется рассматривать как частный случай более общей теории. Уже давно ученые пытаются вывести единую теорию поля, объединяющую все известные виды взаимодействий: гравитационное (описывающее силы притяжения), электромагнитное, сильное и слабое (последние проявляются на уровне атомного ядра). Может возникнуть резонный вопрос: зачем вообще использовать большое количество частных законов, не проще ли пользоваться одним универсальным?

Но проблема в том, что чем более общий характер носит тот или иной закон природы, тем сложнее его практическое использование. К примеру, самый отпетый троечник, имея под рукой нужные формулы, без труда вычислит мощность, теряемую в резисторе при прохождении электрического тока. Но попробуйте решить ту же задачу с помощью уравнений Максвелла. Без всяких натяжек это предмет для докторской диссертации. Исключительно для иллюстрации ниже приведена система указанных уравнений для изотропной и однородной среды:

Что будет в случае анизотропной и неоднородной среды, посетитель может домыслить сам.

Если бы электротехникам, в своей работе, приходилось пользоваться исключительно данными уравнениями, мы, скорее всего, до сих пор читали бы при свечах. К счастью, природа распорядилась иначе. Так в низкочастотной электронике, используются намного более простые физические законы, которые можно теоретически вывести из уравнений Максвелла, хотя ради справедливости рекомендуется отметить, что большинство из них были экспериментально открыты до того, как Максвелл создал свои уравнения. Такое упрощение возможно, когда размеры электронных компонентов намного меньше длины волны. В этом случае излучение радиоволн практически отсутствует и, поэтому, можно считать, что вся энергия передается вдоль проводников, в виде электрического тока1. В качестве примера, представим, что на пути проводника с током имеется резистор. Если излучение отсутствует, теряемую в нем мощность можно легко вычислить по простой формуле:

Но, если этот же резистор поставить на пути распространения электромагнитной волны, то результат будет не столь очевиден.

Как уже отмечалось, микроволновый диапазон — это та часть электромагнитного спектра, где классическая электротехника уже не работает, а относительно простые законы оптики еще не работают. Поэтому при решении электродинамических проблем в указанном диапазоне приходится либо изощряться, приспосабливая законы оптики и классической электротехники к СВЧ, либо пытаться решать уравнения Максвелла, что в некоторых случаях приносит свои плоды. Смысл этих уравнений состоит в следующем:

Первое уравнение говорит нам о том, что источником магнитного поля могут служить либо протекающий ток, либо меняющееся во времени электрическое поле. В некотором смысле это

сходные вещи, поскольку электрический ток представляет собой движение электрических зарядов, а каждый движущийся заряд меняет окружающее электрическое поле и тем самым создает вокруг себя магнитное поле. Это объясняет существование магнитного поля вокруг проводников на постоянном токе. Оно создано совокупностью всех движущихся по проводнику зарядов.

Из второго уравнения рекомендуется, что меняющееся во времени магнитное поле порождает замкнутое электрическое поле. Остановимся на этом следствии более подробно.

В низкочастотной электронике принято считать, что источником электрического поля служат электрические заряды. В этом случае силовые линии поля исходят с поверхности заряда или сходятся на нем. Система уравнений Максвелла это не отвергает, указанное свойство отражено в третьем уравнении, однако помимо этого может существовать такая конфигурация электрического поля, когда его силовые линии замкнуты сами на себя, аналогично магнитным силовым линиям. Подобное поле может существовать только в динамике, и чем быстрее происходит изменение магнитного поля, тем благоприятнее условия для возникновения электрического. Именно поэтому на низких частотах полевые эффекты практически не проявляются и ими можно пренебречь. Наличие кольцевого электрического поля создает возможность для возникновения и распространения радиоволн. Поясню это на следующем примере: допустим, у нас имеется проводник, по которому протекает высокочастотный ток. Вокруг этого проводника, следовательно, будет существовать быстро изменяющееся магнитное поле. Это, в свою очередь, приведет к возникновению кольцевого электрического поля, меняющегося с той же частотой. Последнее породит магнитное поле, и так до бесконечности. Исходный проводник с током, являющийся антенной, только инициирует процесс, а дальше все происходит само собой. Энергия электрического поля переходит в магнитную энергию, и наоборот. Причем весь этот процесс не стоит на месте, а распространяется с максимально допустимой скоростью — 300 000 км/сек.

И, наконец, последнее уравнение Максвелла указывает на отсутствие в природе одиночных магнитных зарядов. Последнее обстоятельство вносит некоторую асимметрию в систему уравнений. Действительно, если в электростатике имеются положительные и отрицательные заряды, способные существовать независимо друг от друга, то магнитные полюса неразделимы, как сиамские близнецы. На какие бы мелкие части мы ни дробили постоянный магнит, мы никогда не получим отдельно S или N полюс. Подобная асимметрия, как бы демонстрирующая приоритет одного поля над другим, смущала многих физиков с момента появления рассматриваемых уравнений. Попытки обнаружить отдельный магнитный полюс никогда не прекращались и предпринимаются до сих пор. И не только из праздного научного любопытства. Если бы удалось на практике разделить магнитные полюса, это совершило бы такую революцию в технике, масштабы той трудно даже представить.

Заканчивая с разбором уравнений Максвелла, совершим небольшой экскурс в историю. В середине прошлого века, когда были получены эти уравнения, о существовании электромагнитных волн еще никто не подозревал. Эти уравнения как бы обобщали и сводили воедино все, что было известно физикам того времени об электричестве и магнетизме. Лишь в результате анализа полученных уравнений Максвелл пришел к выводу о наличии в природе электромагнитных волн и о скорости их распространения, в точности совпадающей с известной к тому времени скоростью света. На основании этого была высказана гипотеза об электромагнитной природе видимого света, подтвержденная дальнейшими исследованиями.

Примерно такая же ситуация возникла при открытии Менделеевым его Периодической таблицы, предсказавшей существование в природе многих химических элементов, до той поры неизвестных науке. Уместно в этой связи привести слова немецкого физика Генриха Герца, посвященные теории Максвелла: Нельзя изучать эту удивительную теорию, не испытывая по временам такого чувства, будто математические формулы живут собственной жизнью, обладают собственным разумом, — кажется, что эти формулы умнее нас, умнее даже самого создательа, как будто они дают нам больше, чем в свое время было в них заложено. И действительно, мог ли предположить Максвелл, какой переворот в жизни людей совершит практическая реализация изобретений, в основе которых лежат четыре его уравнения.