Сверхвысо'ких часто'т те'хника,техника СВЧ, область науки и техники, связанная с изучением и использованием свойств электромагнитных колебаний и волн в диапазоне частот от 300 Мгцдо 300 Ггц.Эти границы условны: в некоторых случаях нижней границей диапазона СВЧ считают 30 Мгц,а верхней - 3 Тгц.По типу решаемых задач и связанных с ними областям применения устройства и системы С. ч. т. (излучающие, передающие, приёмные, измерительные и др.) можно подразделить на информационные, относящиеся к радиосвязи, телевидению, радиолокации, радионавигации,радиоуправлению, технической диагностике, вычислительной технике и т. д., и энергетические, применяемые в промышленной технологии, бытовых приборах, в медицинском, биологическом и химическом оборудовании, при передаче энергии и т. д. Устройства и системы С. ч. т. используются как мощный инструмент во многих научных исследованиях, проводимых в радиоспектроскопии,физике твёрдого тела, ядерной физике, радиоастрономиии др. Весьма широкий диапазон СВЧ условно разбивают на отдельные участки, чаще всего определяемые длиной волны l, - участки метровых (l = 10-1 м) ,дециметровых (100-10 см) ,сантиметровых (10-1 см) ,миллиметровых (10-1 мм) и децимиллиметровых (или субмиллиметровых) (1-0,1 мм) волн. (Длина волны связана с частотой f соотношением l = clf,где с -скорость распространения электромагнитных волн в вакууме.)
Теория электромагнитного поля СВЧ основывается на общих законах электродинамики,в соответствии с которыми составляющие электромагнитного поля (векторы электрического и магнитного полей Еи н), зависящие от координат и времени, и характеристики источников, порождающих это поле (плотность заряда и плотность полного тока), связаны между собой системой Лоренца - Максвелла уравнений.Вводя понятие волнового сопротивления среды r = Е/Н,можно перейти к т. н. телеграфным уравнениям,которые устанавливают связь между напряжениями и токами в СВЧ устройствах (зависящими от координат и времени), с одной стороны, и электрическими параметрами устройств - с другой.
Общие свойства и особенности устройств С. ч. т.Устройствам С. ч. т. (особенно на длинах волн 30 см -3 мм.) присущи характерные свойства, которые отличают их от устройств, применяемых в других, примыкающих к ним участках электромагнитного спектра. К числу таких свойств относятся: соизмеримость (как правило) длины волны с линейными размерами устройств и их элементов, соизмеримость времени пролёта электронов в электронных приборах с периодом СВЧ колебаний, относительно слабое поглощение волн в ионосфере и сильное (на определённых частотах) поглощение их в приповерхностном слое Земли, высокий коэффициент отражения от металлических поверхностей, возможность концентрации СВЧ энергии в узком луче, способность энергетического взаимодействия с веществом (молекулами и атомами), большая информационная ёмкость диапазона СВЧ и т. д.
Цепи, элементы и электронные приборы С. ч. т.В диапазоне СВЧ пассивные цепи (не содержащие источников энергии) и входящие в них элементы представлены главным образом т. н. линиями передачи и их отрезками в виде различных радиоволноводов (двухпроводных и коаксиальных - на метровых и дециметровых волнах; коаксиальных, полых и полосковых - на сантиметровых волнах; полых, диэлектрических и квазиоптических - на миллиметровых и субмиллиметровых волнах), посредством которых электромагнитная энергия направленно передаётся к приёмнику с целью последующего выделения в нём сигналов полезной информации либо энергии СВЧ. Обычно линия имеет длину, соизмеримую с длиной волны или большую, чем она; время распространения волны в линии соизмеримо с периодом СВЧ колебаний или превышает его. В отличие от электрических цепей (применяемых частично на метровых, но чаще на более длинных волнах), в которых индуктивность сосредоточена в катушке, ёмкость - в конденсаторе, активное сопротивление - в резисторе и которые называются цепями с сосредоточенными постоянными, ёмкость, индуктивность и активное сопротивление в линии передачи можно представить распределёнными вдоль всего проводника; поэтому линии относят к т. н. цепям с распределёнными параметрами. Электрические процессы, протекающие в такого рода цепях, требуют изучения не только во времени, но и в пространстве.
Когда к линии с одной стороны подключен генератор переменной эдс, а с другой - нагрузка, вдоль линии (от генератора к нагрузке) движется т. н. бегущая волна,переносящая энергию. Режим чисто бегущих волн наблюдается в линии только в том случае, если она нагружена на сопротивление, равное её волновому сопротивлению r; входное сопротивление такой линии (на клеммах генератора) также равно сопротивлению нагрузки; при отсутствии потерь в линии действующие значения напряжения тока вдоль неё везде постоянны, и передаваемая энергия полностью поглощается нагрузочным сопротивлением. В разомкнутой и короткозамкнутой линиях ( рис. 1 ), наоборот, устанавливается режим стоячих волн,и вдоль линии чередуются узлы и пучности напряжения и тока. При любом ином значении и характере нагрузочного сопротивления нарушается условие согласования сопротивлений и в линии происходит более сложный процесс - устанавливается режим т. н. смешанных, или комбинированных, волн (часть энергии падающей волны поглощается в активном сопротивлении нагрузки, а остальная энергия отражается от неё - образуются стоячие волны). Входное сопротивление такой линии или её отрезков может иметь периодический характер и величину, изменяющуюся в широких пределах в зависимости от выбора длины рабочей волны, характера нагрузки и геометрической длины линии. Так, например, входное сопротивление линии без потерь, нагруженной на активное сопротивление R н, при нечётном числе четвертей волны, укладывающихся вдоль неё, равно r 2/R н, а при чётном - R н. Для характеристики режима линии и определения величины мощности, выделяемой в нагрузке, пользуются коэффициент бегущей волны, равным отношению минимальных и максимальных напряжений вдоль линии, или величиной, обратной ему и называемой коэффициентом стоячей волны.
На использовании свойств линий, их отрезков и полых металлических тел с определёнными геометрическими размерами и конфигурацией, обладающих различными входными сопротивлениями, основано конструирование разнообразных СВЧ элементов и узлов, таких как двухпроводные, коаксиальные и объёмные резонаторы, трансформаторыполных сопротивлений, электрические фильтры, гибридные соединения, направленные ответвители,аттенюаторы, фазовращатели, шлейфыи мн. др. Использование в линиях ферритов позволило создать СВЧ элементы и узлы, обладающие необратимыми (вентильными) свойствами, - такие, как изоляторы, направленные фазовращатели (см. Гиратор ) , циркуляторыи др.
Активные цепи содержат наряду с пассивными элементами источники СВЧ энергии. К последним относятся главным образом электронные приборы - электровакуумные, полупроводниковые, квантовые и др. Основные виды электровакуумных приборов, применяемых на СВЧ для генерирования, усиления, преобразования и детектирования, - это приборы, в которых с электрическими колебаниями или полем электромагнитной волны взаимодействует поток электронов (ток). Их подразделяют на 2 группы: электронные лампы с электростатическим управлением (сеточным управлением) током, в которых увеличение энергии СВЧ колебаний происходит в результате воздействия меняющегося потенциала управляющей сетки на объёмный заряд у катода ( триоды, тетроды, пентоды) ,и электронные приборы с динамическим управлением током, в которых увеличение энергии СВЧ поля происходит вследствие дискретного (в клистронах ) или непрерывного (в лампах бегущей волны, лампах обратной волны, магнетронах,в приборах, основанных на мазерно-циклотронном резонансе, - МЦР генераторах и усилителях и т. д.) взаимодействия электронов с СВЧ полем. Для уменьшения вредного влияния инерции электронов, междуэлектродных ёмкостей и индуктивностей выводов (ограничивающих максимальную частоту усиления и генерирования), а также для снижения диэлектрических потерь в материале баллона и цоколя лампы в приборах 1-й группы (применяемых главным образом на метровых и дециметровых волнах) предусмотрен ряд конструктивно-технологических мер, таких, как уменьшение междуэлектродных расстояний и поверхностей электродов (последние выполняются в виде дисков - для обеспечения удобного подсоединения к ним объёмных резонаторов), использование специальной керамики с малыми потерями СВЧ энергии и др. К таким приборам относятся металлокерамические лампы, нувисторы, маячковые лампы, резнатроныи коакситроны. Приборы 2-й группы (применяемые главным образом на дециметровых, сантиметровых и миллиметровых волнах) лишены многих недостатков приборов 1-й группы, но по принципу действия, конструктивному исполнению и настройке обычно сложнее их; ограничение максимальной частоты усиления и генерирования в них связано с резким уменьшением (при повышении рабочей частоты) размеров и допусков на изготовление отдельных СВЧ элементов, ростом потерь, уменьшением связи потока электронов с СВЧ полем и др. причинами. Полупроводниковые приборы всех основных типов - детекторные и смесительные СВЧ полупроводниковые диоды,СВЧ транзисторы,варакторы ( варикапы ) , лавинно-пролётные полупроводниковые диоды, Ганна диоды, Шотки диоды, туннельные диоды, параметрические полупроводниковые диоды-находят применение во всём диапазоне СВЧ; генераторные и усилительные приборы развивают в непрерывном режиме работы полезную мощность до нескольких десятков втв метровом диапазоне и до нескольких втв сантиметровом.
Обобщёнными показателями работы электронных СВЧ приборов, предназначенных для передачи и получения информации, являются их частотно-энергетической характеристики, отображающие зависимость от частоты предельно достижимых уровней мощности при излучении ( рис. 2 ) и минимальных уровней шумов при приёме ( рис. 3 ). Эти характеристики, в частности, связаны с получением наибольшего энергетического потенциала - отношения выходной мощности передающего устройства к минимально допустимой (для нормальной работы) мощности шумов приёмного устройства; от его величины, в свою очередь, зависит дальность действия радиоэлектронных систем.
Устройства и системы С. ч. т.Различные сочетания пассивных, а также активных и пассивных СВЧ цепей используют для создания разнообразных устройств, таких, как антенно-фидерные, соединяющие антенну посредством фидера со входной цепью радиоприёмника или выходной цепью радиопередатчика,генераторы и усилители, приёмники излучения, умножители частоты,измерительные приборы и т. д. Применение в СВЧ устройствах сверхпроводящих резонаторов, водородных и цезиевых генераторов (см. Квантовые стандарты частоты ) позволило получать весьма малую относительную нестабильность частоты (10 -10-10 -13).
При построении радиоэлектронных систем с большим энергетическим потенциалом используют генераторы на клистронах, магнетронах и др. приборах магнетронного типа либо (главным образом в антенных системах, представляющих собой фазированные антенные решётки с электронным управлением диаграммой направленности) большое число (до 10 тыс.) сравнительно маломощных (до нескольких десятков вт) электронных приборов, работающих параллельно; параллельно работающие мощные приборы СВЧ применяют в ускорительной технике (см. Ядерная техника ) .Задача снижения шумов приёмных устройств наиболее эффективно решается при использовании параметрических усилителей (преимущественно неохлаждаемых) и квантовых усилителей-мазеров (в которых активная среда охлаждается до температуры жидкого гелия или азота - 4 или 77 К). В технологических целях и для приготовления пищи используются СВЧ печи ( рис. 4, 5 ).
Радикальное решение проблемы миниатюризации и надёжности аппаратуры в системах невысокого энергетического потенциала было найдено путём создания полностью полупроводниковых передающих и приёмных устройств ( рис. 6 ), особенно в интегральном исполнении (см. Микроэлектроника, Планарная технология) .Т. к. размеры основных элементов в гибридных и монолитных интегральных схемах.СВЧ составляют десятки и единицы мкм,такие устройства, применяемые главным образом на частотах от 1 до 15 Ггц,можно конструировать из элементов цепей с сосредоточенными параметрами и двухпроводных линий; при их разработке наибольшие трудности вызывают проблемы отвода тепла и устранения паразитных связей. Эта область С. ч. т., а также техника миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов находятся в стадии интенсивного освоения.
Безопасность работы с устройствами С. ч. т. Рост масштабов применения СВЧ устройств и особенно использование устройств большой мощности привело к заметному повышению уровня СВЧ энергии на земном шаре и к увеличению локальной интенсивности излучения СВЧ энергии передающими антеннами (особенно с острой диаграммой направленности). Кроме того, когда к антенне по фидеру подводится значительная СВЧ мощность, появляются высокие напряжения, опасные для здоровья и жизни находящихся поблизости людей. В связи с этим возник специальный раздел гигиены труда-радиогигиена, занимающаяся изучением биологического влияния радиоизлучений и разработкой мер по предотвращению вредного действия СВЧ энергии на человека и поражения его электрическим током СВЧ. Считаются безопасными для здоровья человека следующие предельно допустимые плотности потока мощности поля СВЧ: 10 мвт/см 2в течение 7-8 ч,100 мвт/см 2в течение 2 ч, 1 вт/см 2в течение 15-20 мин(при обязательном пользовании защитными очками). Допуск обслуживающего персонала к работе с промышленными СВЧ устройствами разрешается только после выполнения необходимых мер предосторожности в соответствии с правилами техники безопасности для такого рода устройств. Слабые дозы облучения волнами СВЧ диапазона применяются для электролечения (т. н. микроволновая терапия).
Перспективы С. ч. т.тесно связаны с развитием как традиционных, так и новых направлений электросвязи, радиолокации, электроэнергетики, промышленной технологии, с изучением взаимодействия электромагнитного поля с веществом, растениями и др. живыми организмами и т. д., с дальнейшим освоением миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов волн - прежде всего в радиотехнике, ядерной физике, химии и медицине. Они также обусловливаются потребностью в увеличении энергетического потенциала (см. рис. 2 , 3 ) и повышением требований к спектральным характеристикам излучающих СВЧ устройств.
Лит.:Капица П. Л., Электроника больших мощностей, М., 1962; Сретенский В. Н., Основы применения электронных приборов сверхвысоких частот, М., 1963; Харвей А. Ф., Техника сверхвысоких частот, пер. с англ., т. 1-2, М., 1965; Техника субмиллиметровых волн, под ред. Р. А. Валитова, М., 1969; Лебедев И. В., Техника и приборы СВЧ, 2 изд., т. 1-2, М., 1970-72; СВЧ - энергетика, пер. с англ., т. 1-3, М., 1971; Радиоприёмные устройства, под ред. Н. В. Боброва, М., 1971; Руденко В. М., Халяпин Д. Б., Магнушевский В. Р., Малошумящие входные цепи СВЧ приёмных устройств, М., 1971; Кацман Ю. А,, Приборы сверхвысоких частот, М., 1973; Минин Б. А., СВЧ и безопасность человека, М., 1974; Применение СВЧ в промышленности, науке и медицине, пер. с англ., «Труды Института инженеров по электротехнике и радиоэлектронике», 1974, т. 62, № 1 (тематический выпуск).
Б. А. Серёгин, В. Н. Сретенский.
Рис. 1. Распределение амплитуд напряжения U и тока I в идеальных (без потерь энергии) разомкнутых (внизу) и короткозамкнутых (вверху) СВЧ линиях передачи различной длины I: а - при l <
; б - I =
; в -
< I <
; г - I =
;
- длина волны; Г - генератор СВЧ колебаний. Рядом с эпюрами показаны эквивалентные схемы линий, отражающие характер их входных сопротивлений: L - индуктивность, С - ёмкость.
Рис. 3. Минимальные уровни шумов СВЧ электронных приборов и устройств и уровни шумов внешней среды (по данным на 1973-1974): 1 - триоды; 2 - полупроводниковые диоды (смесительные); 3 - лампы бегущей волны; 4 - параметрические усилители; 5 - мазеры; 6 - шупы полюса Галактики; 7 - шумы атмосферы Земли; f - частота;
- длина волны; Т - шумовая температура.
Рис. 6. Принципиальная схема (а) и схемно-конструктивное решение (б) транзисторного усилителя СВЧ: 1 - вход; 2 - входная компенсирующая цепь, расширяющая рабочий диапазон частот; 3 - выходная компенсирующая цепь;4 - выход; 5, 6 - вывод заземления; 7 - вывод к источнику питания U; Др - СВЧ дроссель; T - транзистор; R 1, R 2, R 3, - резисторы; C 1, C 2, C 3, C 4- конденсаторы; L 1, L 2, L 3- катушки индуктивноcти.
Рис. 2. Максимальные уровни мощности СВЧ электровакуумных и полупроводниковых приборов (по состоянию на 1973-1974): 1 - электровакуумные приборы с сеточным управлением; 2 - электровакуумные приборы с динамическим управлением; 3 - полупроводниковые приборы; f - частота;
- длина волны; Р - мощность. Сплошные линии соответствуют непрерывному режиму работы, пунктирные - импульсному.
Рис. 4. Схема рабочей камеры СВЧ печи для сушки керамической шихты: 1 - неподвижный колпак; 2 - волновод; 3 - открытый резервуар, наполненный водной керамической суспензией; 4 - пазы, наполненные водой с целью защиты от СВЧ излучения; 5 - съемное дно; 6 - электромеханический привод; 7 - трубка, по которой стекает вода из-под колпака при конденсации испарившейся влаги; 8 - бачок, в котором расположено устройство, отключающее СВЧ генератор после окончания сушки шихты.
Рис. 5. СВЧ печь для приготовления пищи: 1 - стеклянная пластина, на которую кладется пища; 2 - вентилятор, лопасти которого, вращаясь, отражают электромагнитные волны СВЧ по всем направлениям с целью прогрева пищи со всех сторон; 3 - волновод; 4 - магнетрон; 5 - индикаторы, по которым производится отсчёт времени приготовления пищи.
Сверхгалактика
Сверхгала'ктика,сверхсистема галактик, гигантская совокупность галактик,обнаруживается по наблюдаемому явлению концентрации ярких галактик у большого круга небесной сферы, пересекающего галактический экватор почти под прямым углом. Около этого круга, в полосе толщиной в 12°, составляющей только 10% поверхности неба, заключено приблизительно 2/ 3всех галактик ярче 12-й звёздной величины.По мере перехода к более слабым галактикам их концентрация у круга ослабевает: далёкие галактики к С. не принадлежат. Диаметр С. оценивается в 20-30 Мпс,что значительно больше диаметра обычных скоплений галактик. Число галактик в С. составляет много тысяч. От обычных скоплений галактик С. отличается также сильной сплюснутостью формы. Плоскость, проходящую через круг концентрации, можно считать плоскостью симметрии сверхсистемы. Концентрацию к этой плоскости обнаруживают не только оптически наблюдаемые галактики, но и радиогалактики.Приблизительно в центральной области С. расположено скопление галактик созвездия Девы. Наша Галактика вместе с Местной группой галактик также, по-видимому, входит в состав С., но расположена на её периферии. Вопрос о том, является ли С. устойчивым или временным образованием, пока (1976) не решен.
Лит.:Агекян Т. А., Звёзды, галактики, метагалактика, М., 1966.
Т. А. Агекян.
Сверхгиганты
Сверхгига'нтыв астрономии, массивные звёзды самой высокой светимости, абсолютная звёздная величина некоторых из них достигает -7 и -8. Среди С. встречаются звёзды, относящиеся к различным спектральным классам. Диаметры холодных (красных) С. ( Бетельгейзе,красный компонент VV Цефея) превосходят солнечный в сотни и тысячи раз, горячие ( Ригель ) -в двадцать - тридцать раз. Общая доля С. среди звёзд мала; они встречаются в звёздных ассоциациях и молодых рассеянных скоплениях, часто являются компонентами двойных систем. У многих С. наблюдаются истечение вещества с поверхности и др. признаки неустойчивости. Всё это делает их особенно интересными объектами для разработки теории звёздной эволюции.
Сверхглубокое бурение
Сверхглубо'кое буре'ние,бурение скважин на глубины 6000 ми более в целях изучения земной коры и верхней мантии, а также для выявления залежей полезных ископаемых. Термин «С. б.» появился в литературе в 50-х гг. 20 в.; до начала 60-х гг. употреблялся для обозначения процесса бурения скважин глубиной не менее 4500 м.В 70-х гг. С. б. ведётся в соответствии с международным «Геодинамическим проектом», предусматривающим получение прямых данных о вещественном составе, физических свойствах нижних слоев литосферы, а также выяснение их строения, происхождения и развития. С. б. позволяет определять возраст геохимических и геофизических характеристик слагающих литосферу горных пород, изучать газовые и жидкие эманации, имеющие глубинное происхождение, а также устанавливать геологическую природу физических полей, границ и слоев, температурного режима недр и их теплового излучения.
С помощью С. б. оцениваются перспективы нефтегазоносности глубоких осадочных бассейнов, ведутся поиски, разведка и последующая эксплуатация залежей нефти и газа. Предполагается использовать С. б. для изучения строения очагов землетрясений.
К 1974 в мире пройдено свыше 400 сверхглубоких скважин, в том числе: на суше - № 1 Берта-Роджерс, 9583 м;Бейден-Юнит, 9160 м(обе - штат Оклахома, США); № 1 - Шевченково, 7024 м(Западная Украина, СССР); Аралсорская, 6806 м(Прикаспийская низменность, СССР). Проектируются скважины С. б. на суше глубиной до 15 000 м(например, на Балтийском щите, на территории СССР) и в океане (при глубине водной толщи несколько км) -проект «Мохол» (США).
С. б. осуществляется роторным способом (за рубежом), турбинным или сочетанием этих способов (СССР). Основные трудности обусловлены главным образом высокими значениями температур и давлений на больших глубинах, повышенной массой бурильных и обсадных труб в скважине. Процесс С. б. совершенствуется за счёт использования термостойких породоразрушающих инструментов и промывочных агентов, управления давлениями в скважине, повышения прочности и надёжности бурильных труб и др. См. также Бурение, Опорное бурение, Параметрическое бурение.
Ю. Г. Апанович, А. В. Орлов.
Сверхдальнее распространение звука
Сверхда'льнее распростране'ние зву'ка,распространение звуковых колебаний в морях и океанах на большие расстояния (порядка тысяч км) ,обусловленное наличием т. н. подводного звукового канала. С. р. з. было независимо открыто и исследовано американскими учёными (М. Ивингоми Д. Вроцелем, 1944) и советскими учёными (Л. М. Бреховских, Л. Д. Розенбергом, Б. И. Карповым и Н. И. Сигачёвым, 1946; Государственная премия СССР, 1951). См. Гидроакустика.
Сверхдлинные волны
Сверхдли'нные во'лны(мириаметровые), радиоволны,с длиной волны l > 10 км(частота < 30 кгц) .Для С. в. l сравнима с расстоянием от поверхности Земли до ионосферы,поэтому они могут распространяться по сферическому волноводу Земля - ионосфера на очень большие расстояния с незначительным ослаблением ( атмосферный волновод ) .С. в. используются в наземных навигационных системах. При определённых условиях С. в. могут просачиваться через ионосферу вдоль силовых линий магнитного поля Земли и возвращаться в магнитосопряжённую точку на другом полушарии (см. Атмосферики ) .С. в. распространяются в земной коре и водах морей и океанов, так как коэффициент поглощения в проводящих средах уменьшается с уменьшением частоты. В связи с этим С. в. используются в системах подземной радиосвязи и подводной радиосвязи (см. Распространение радиоволн ) .
Сверхдоминирование
Сверхдомини'рование,сверхдоминантность (генетическая), лучшая приспособленность и более высокая селективная ценность (отборное преимущество) гетерозигот от моногибридного скрещивания (например, Аа) по сравнению с обоими типами гомозигот (АА и аа) (см. также Доминантность, Рецессивность) .С. можно определить также как гетерозис,возникающий при моногибридном скрещивании. Наиболее известный пример С. - взаимоотношения между нормальным (S) и мутантным (s) аллелями гена, контролирующего структуру гемоглобина у человека. Люди, гомозиготные по мутантной аллели (ss), страдают тяжёлым заболеванием крови - серповидноклеточной анемией,от которого они гибнут обычно в детском возрасте (эритроциты больного имеют серповидную форму и содержат гемоглобин, структура которого незначительно изменена в результате мутации). Однако в тропической Африке и других районах, где распространена малярия, в популяциях человека постоянно присутствуют все три генотипа - SS, Ss и ss (20-40% населения гетерозиготы - Ss). Оказалось, что сохранение в популяциях человека летальной (смертельной) аллели (s) обусловлено тем, что гетерозиготы (Ss) более устойчивы к малярии, чем гомозиготы по нормальному гену (SS), и, следовательно, обладают отборным преимуществом. Примеры С. многочисленны как в животном, так и в растительном мире. С. - один из факторов, способствующих поддержанию сбалансированного