СВЧ: расшифровка выражения сверхвысокая частота, что значит микроволновой диапазон

[править] Примеры выделенных радиодиапазонов

НазваниеПолоса частотДлины волнЭнергия фотона, эВ, E = hν
Диапазон средних волн530—1610 кГц565,646—186,206 м2,19—6,658 нэВ
Диапазон коротких волн5,9—26,1 МГц50,81—11,486 м24,4—107,94 нэВ
Гражданский диапазон26,965—27,405 МГц11,1178—10,9393 м111,5—113,3 нэВ
Телевизионные каналы: с 1 по 548—100 МГц6,246—2,998 м198,512—413,5667 нэВ
Телевизионные каналы: с 6 по 12174—230 МГц1,7229—1,3034 м719,606—951,203 нэВ
Телевизионные каналы: с 21 по 39470—622 МГц6,3786—4,8198 дм1,9438—2,5724 мкэВ
Диапазон ультракоротких волн62—108 МГц (кроме 76—90 МГц в Японии)3,4—2,776 м (кроме 3,9446—3,331 м)363,9387—446,652 нэВ (кроме 314,31—372,21 нэВ)
ISM-диапазон
Диапазоны военных частот
Диапазоны частот гражданской авиации
Морские и речные диапазоны

В России для гражданской радиосвязи выделены три диапазона частот:

Особенности диапазона СВЧ. Деление СВЧ диапазона на поддиапазоны.

СВЧ подразделяется на:

ультравысокие частоты (УВЧ, UHF) 0,3..3 ГГц;

сверхвысокие частоты (СВЧ, SHF) 3..30 ГГц;

крайне высокие частоты (КВЧ, EHF) 30..300 ГГц;

гипервысокие частоты (ГВЧ, ННF) 300..3000 ГГц.

Граничным частотам приведенных диапазонов соответствуют определенные значения длин волн, которые можно определить по формуле λ = c/f = 30/f, (1.1)

где λ – длина волны, см; c – скорость распространения света; f – частота, ГГц.

Если определять диапазоны не частотами, а длинами волн, то диапазон УВЧ может быть назван дециметровым диапазоном (ДМВ) λ = 10..1 дм; СВЧ – сантиметровым (СМВ), λ = 10..1 см; КВЧ – миллиметровым (ММВ), λ = 10..1 мм, а ГВЧ – децимиллиметровым (ДМ), λ = 1..0,1 мм.

Ввиду большой общности свойств этих диапазонов, а также общности принципов построения приборов и устройств этих диапазонов, их принято считать единым диапазоном сверхвысоких частот (СВЧ).

В диапазоне СВЧ существует возможность создания узконаправленного излучения при сравнительно небольших геометрических размерах антенн. Это позволяет осуществлять направленную передачу сигналов, достоинством которой являются снижение взаимных помех, увеличение дальности действия радиосистем, скрытность передачи, высокая точность радиолокационного определения координат объектов и др.

Огромная ширина диапазона СВЧ позволяет разместить в нем большое число каналов связи, использовать широкополосные помехоустойчивые виды модуляции. Это дает возможность осуществлять высококачественную передачу телефонных и телевизионных сигналов, передавать с большой скоростью цифровую информацию компьютерных сетей.

В диапазоне СВЧ мал уровень промышленных и атмосферных помех, условия распространения радиоволн СВЧ диапазона не зависят от смены времени суток и сезонов года. В связи с этим минимальный уровень принимаемых сигналов в диапазоне СВЧ практически определяется собственными шумами приемных устройств.

Электромагнитные колебания части СВЧ диапазона проходят с малым затуханием сквозь толщу атмосферы Земли. Это позволяет использовать СВЧ диапазон для связи с космическими объектами, передачи информации через спутники связи, в радиоастрономии.

Увеличение частоты колебаний ведет к пропорциональному увеличению кванта энергии, и в диапазоне СВЧ квант энергии соизмерим с энергиями возбуждения и ионизации атомов и молекул различных веществ.

СВЧ колебания хорошо поглощаются многими диэлектрическими материалами, парами воды. На этом свойстве СВЧ энергии основаны СВЧ нагрев и сушка материалов, использование СВЧ энергии в пищевой промышленности, быту, с целью ускоренного приготовления пищи, пастеризации, стерилизации и обезвоживания пищевых продуктов.

Волны СВЧ диапазона применяются в медицине для прогрева тканей организма (диатермия), в фармакологической технологии. СВЧ колебания могут оказывать специфическое воздействие на процессы в живых клетках, что также используется в медицине и для биологических исследований.

В диапазоне СВЧ длина волны становится соизмеримой с размерами элементов цепей, что приводит к обычно не контролируемым излучениям элементов схем, создающих нежелательные связи между элементами и увеличивающих потери энергии за счет излучения. Увеличение частоты колебаний приводит к росту потерь в диэлектрических материалах, используемых в конструкции СВЧ устройств. Рост потерь в диапазоне СВЧ связан также с характером протекания токов по проводникам. Если на постоянном токе и на низких частотах плотность тока по поперечному сечению проводника постоянна, то при значительном увеличении частоты ток в основном будет протекать в тонком поверхностном слое проводника. Это явление называется скин-эффект. При этом плотность тока экспериментально

уменьшается от своего максимального значения на поверхности вглубь проводника. Толщину поверхности слоя (скин-слоя) полагают равной такой толщине, на которой плотность тока уменьшается в е раз.

Толщина скин-слоя определяется выражением: [мкм] (1.2)

где f – частота в МГц, Gм = 3,8×107 См/м – удельная проводимость меди, G – удельная проводимость рассматриваемого материала. Наличие скин-эффекта приводит к росту сопротивления проводников с увеличением частоты тока, протекающего через проводник.

Для уменьшения потерь энергии в диапазоне СВЧ используют специальные изоляционные материалы с малыми потерями, а также уменьшают активное сопротивление проводников с помощью увеличения их поверхности, улучшения чистоты обработки поверхности проводников, применения покрытий материалами с низкой удельной проводимостью (серебро, золото).

Особенностью диапазона СВЧ является характер передачи энергии электромагнитных колебаний. В диапазоне СВЧ используют линии передачи энергии, которые либо ограничивают пространство, где распространяется энергия (волноводы, коаксиальные линии, полосковые линии), либо задают направление распространения энергии (двухпроводные линии передачи).

Классификация СВЧ приборов

Приборы СВЧ предназначены для усиления, генерирования и преобразования частоты электромагнитных колебаний СВЧ диапазона. В зависимости от способа преобразования энергии различают электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. В электронных приборах СВЧ происходит преобразование электрической энергии источников постоянного или импульсного напряжения в энергию СВЧ колебаний при помощи потока свободных электронов, выполняющих роль посредника при передаче энергии, полученной от источника питания, электромагнитным колебаниям СВЧ. Передача энергии осуществляется в процессе движения электронов против сил торможения, создаваемых переменным электрическим СВЧ полем, связанным с колебательной системой.

В квантовых приборах в энергию электромагнитных колебаний СВЧ преобразуется внутренняя энергия атомов (ионов, молекул). Электроны, участвующие в процессе преобразования энергии, остаются связанными со своими атомами. Передача энергии от источника питания происходит в результате изменения квантовых состояний того или иного ансамбля частиц, входящих в состав вещества.

Все современные приборы СВЧ можно разделить на две большие группы по виду среды, в которой происходят процессы, приводящие к генерации и усилению СВЧ колебаний. К первой группе принадлежат приборы, внутри которых для нормальной работы необходим высокий вакуум. Приборы этой группы называются электровакуумными приборами СВЧ (ЭВП СВЧ). Ко второй группе отнесем приборы, в которых процессы происходят не в вакууме, а в веществе. Во вторую группу входят полупроводниковые приборы СВЧ, рабочей средой которых является объем легированного полупроводника, и квантовые приборы СВЧ, рабочим веществом в которых может быть диэлектрик или газ.

По характеру энергообмена ЭВП СВЧ могут быть разделены на приборы типов О и М.

Приборы СВЧ О-типа (от франц. L’onde – волна) – это приборы, в которых происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких приборах или не используется совсем, или применяется только для целей фокусировки электронного потока и не имеет принципиального значения для процесса преобразования энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний СВЧ. Характерной особенностью этих приборов является использование продольных статических электрических и магнитных полей. Движение электронов в таких приборах происходит по прямолинейным траекториям.

В приборах М-типа (магнетронного типа), которые еще также называются приборами со скрещенными полями, так как в таких приборах движение электронов происходит во взаимно перпендикулярных (скрещенных) статических электрическом и магнитном полях.

Траектории электронов в приборах М-типа имеют криволинейный вид. В процессе своего движения электроны, сохраняя кинетическую энергию, непрерывно смещаются в область с более высоким потенциалом, тем самым передавая часть своей потенциальной энергии СВЧ полю.

По длительности взаимодействия электронов с полем СВЧ ЭВП СВЧ подразделяются на приборы с кратковременным (прерывистым) взаимодействием и приборы с длительным (непрерывным) взаимодействием. Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно являются приборами О-типа. Приборы с длительным взаимодействием могут быть как типа О, так и М.

По виду управления электронным потоком ЭВП СВЧ подразделяются на приборы с электростатическим и динамическим управлением.

Квантовые приборы удобно разделить на две группы в соответствии с диапазоном рабочих частот. Квантовые приборы СВЧ диапазона называют “мазерами”. Квантовые приборы в оптическом диапазоне получили название оптических квантовых генераторов (ОКГ) или “лазеров

Дата добавления: 2015-02-10 ; просмотров: 175 ; Нарушение авторских прав

В диапазоне СВЧ длина волны становится соизмеримой с размерами элементов цепей, что приводит к обычно не контролируемым излучениям элементов схем, создающих нежелательные связи между элементами и увеличивающих потери энергии за счет излучения. Увеличение частоты колебаний приводит к росту потерь в диэлектрических материалах, используемых в конструкции СВЧ устройств. Рост потерь в диапазоне СВЧ связан также с характером протекания токов по проводникам. Если на постоянном токе и на низких частотах плотность тока по поперечному сечению проводника постоянна, то при значительном увеличении частоты ток в основном будет протекать в тонком поверхностном слое проводника. Это явление называется скин-эффект. При этом плотность тока экспериментально

Насколько сильно излучение мобильного телефона?

Мощность же передатчика измеряется в ваттах (милливаттах), а на мобильном телефоне ее можно увидеть в одном из разделов «Настройки» — «Мощность сигнала». Правда, в телефоне эта мощность представлениа в виде уровня сигнала (к нему привязано количество «палочек» указывающее на качество сигнала). Уровень сигнала измеряется в dBm (децибеллах на милливатт). Для удобства данные актуальных на сегодня сетей сведены в общую таблицу (средняя мощность указана с учетом скважности, т.е. излучение идет в часть периода связи /передачи).

СтандартМаксимальная мощностьСредняя мощностьМаксимальный уровень сигналаSAR, диапазон
GSM-9002000 милливатт
(2 W)
200 милливатт
(0,2 W)
33 dBm0,35-1,56
GSM-18001000 милливатт
(1 W)
95 милливатт
(0,095 W)
30 dBm0,18-1,54
CDMA2000250 милливатт
(0,25 W)
25 милливатт
(0,025 W)
24 dBm0,28-1,54
UMTS, LTE250 милливатт
(0,25 W)
25 милливатт
(0,025 W)
24 dBm0,28-0,47
Bluetooth200 милливатт
(0,2 W)
2,5 милливатт
(0,0025 W)
20 dBm

Обычно максимальная мощность при использовании GSM мобильных телефонов достигается в течение первых нескольких секунд, затем она снижается в 5-10, в зависимости от качества связи. Чем хуже условия приема / передачи, слабее сигнал, тем мощнее излучение передатчика мобильного телефона в процессе разговора.

Мощность же передатчика измеряется в ваттах (милливаттах), а на мобильном телефоне ее можно увидеть в одном из разделов «Настройки» — «Мощность сигнала». Правда, в телефоне эта мощность представлениа в виде уровня сигнала (к нему привязано количество «палочек» указывающее на качество сигнала). Уровень сигнала измеряется в dBm (децибеллах на милливатт). Для удобства данные актуальных на сегодня сетей сведены в общую таблицу (средняя мощность указана с учетом скважности, т.е. излучение идет в часть периода связи /передачи).

Содержание

  • 1 Принцип работы
    • 1.1 Мощность печи
  • 2 Устройство
  • 3 Разновидности
  • 4 История
    • 4.1 Утверждение о советском приоритете
  • 5 Меры предосторожности при эксплуатации
  • 6 Вопросы безопасности
    • 6.1 Электромагнитная безопасность
    • 6.2 Федеральные санитарные правила, нормы и гигиенические нормативы
  • 7 Мифы о СВЧ-печах
  • 8 Примечания
  • 9 Ссылки

Распространенное мнение о том, что частота выбрана соответствующей резонансной частоте воды, не соответствует действительности — последняя составляет 22,24 ГГц [ источник не указан 955 дней ] в то время как большинство бытовых СВЧ-печей работают на частоте 2450 МГц, в США некоторые индустриальные модели — на частоте 915 МГц.

Предельно допустимые уровни плотности потока энергии в диапазоне частот 300 МГц – 300 ГГц в зависимости от продолжительности воздействия
Продолжительность воздействия Т, чППЭпду, мкВт/см 2
8,0 и более25
7,527
7,029
6,531
6,033
5,536
5,040
4,544
4,050
3,557
3,067
2,580
2,0100
1,5133
1,0200
0,5400
0,25800
0,20 и менее1000

Примечание: при продолжительности воздействия менее 0,2 часа дальнейшее повышение интенсивности воздействия не допускается.


Отсюда можно сделать вывод, что при работающей микроволновой печи, для обеспечения безопасности здоровья человека, необходимо находиться от нее на расстоянии более 1-1,5 метров.

Распространение волн диапазонов СВЧ и КВЧ

Эти волны занимают полосу частот от 3 до 300 ГГц. Тут могут одновременно работать большое количество радиоэлектронных средств различного назначения без взаимных помех. Именно в этом диапазоне волн появляется принципиальная возможность для работы устройств, имеющих широкие полосы рабочих частот. Повышение рабочей (несущей) частоты радиосигнала позволяет увеличить информационную емкость
С ∆ω (где ∆ω – полоса частот, занимаемая радиосигналом) канала связи, т.е. фактически скорость передачи (приема) информации. Это, в свою очередь, дает возможность применять комбинированные виды модуляции радиосигнала (амплитудно-фазовую, импульсно-кодовую и т.п.), что существенно увеличивает скрытность, помехозащищенность радиоканала.[3,4].

Другим обстоятельством, диктующим потребность резкого повышения рабочей частоты, например, радиолокатора, является необходимость увеличения его разрешающей способности как по дальности, за счёт применения сложных широкополосных зондирующих сигналов, так и по угловым координатам. Разрешающая способность по угловым координатам зависит от ширины диаграммы направленности радиотехнического средства, которая определяется размером антенны и законом амплитудно-фазового распределения поля в её раскрыве. Вот почему сейчас интенсивно осваивается как диапазон СВЧ, так и диапазон КВЧ.

К особенностям диапазона СВЧ относятся[3,4]:

1. Широкополосность – наиболее ценное качество диапазона СВЧ. В трех диапазонах (N = 9. 11) с полосой Δƒ = 300 ГГц можно передать за одно и то же время
в 104 раза больше информации, чем в пяти других диапазонах (N=4. 8). Широкополосность позволяет применять помехоустойчивые частотную и фазовую модуляции, при которых уровень сигнала на выходе приемника в определенных пределах не зависит от уровня входного сигнала;

2. Хорошие условия для создания антенн, размеры которых на много превышают длину волны, в связи с чем данные антенны обладают остронаправленным излучением;

3. Беспрепятственное прохождение волн СВЧ через слои ионосферы, позволяющие осуществлять связь земных станций и с искусственными спутниками Земли (ИСЗ) и космическими аппаратами. При распространении волн СВЧ вблизи поверхности Земли их дифракция и рефракция малы;

4. Низкий уровень атмосферных и промышленных помех, отсутствие влияния на условия распространения волн времени суток и сезонов года

При работе радиосредств в сантиметровом, дециметровом и метровом диапазонах следует учитывать возможность рефракции радиоволн, поглощения и рассеяния их как ионосферой, так и тропосферой. Соответствующие формулы и графики были приведены ранее. Напомним, что явление сверхрефракции наблюдается чаще над морем, чем над сушей, в теплое время года. Кроме того, для радиосредств дециметрового и метрового диапазонов, работающих с линейно поляризованными сигналами на радиотрассах, проходящих через ионосферу, возможны поляризованные замирания сигналов, связанные с эффектом Фарадея, заключающимся в повороте плоскости поляризации радиоволн.

В последнее время все больший интерес проявляется к диапазону миллиметровых волн. Это обусловлено широкими возможностями применения этих волн в радиолокации, связи, радиометеорологии, радиоастрономии, при изучении природных ресурсов и т.д.

К особенностям миллиметровых радиоволн можно отнести следующее:

1. Возрастание с увеличением частоты волн их затухания из-за гидрометеоров и резонансного поглощения в газах тропосферы. Особенно этот эффект проявляется у миллиметровых волн (ММВ), интенсивно осваиваемых для целей связи. В диапазоне ММВ атмосфера имеет ряд окон прозрачности и пиков поглощения. Радиосвязь, как правило, осуществляется в окнах прозрачности.

Анализ кривых поглощения электромагнитных волн в тропосфере (см. рис. 6.10) показывает, что в миллиметровом диапазоне между частотами резонансного поглощения имеются участки спектра со сравнительно малыми коэффициентами поглощения. Эти участки принято называть «окнами прозрачности» тропосферы. Они расположены в окрестностях длин волн, указанных в табл.7.1

Таблица 7.1 «Окна прозрачности» тропосферы

λ, мм8,63,52,41,4
γ, дБ/км0,070,420,451,0

Радиосредства различного назначения, работающие в районе этих «окон прозрачности» длин волн, весьма эффективно решают поставленные задачи.

Большее поглощение миллиметровых волн по сравнению с сантиметровыми приводит к снижению дальности связи, что требует повышения энергетического потенциала радиолинии для компенсации затухания.

2. Диапазон ММВ не перегружен, работающие в нем средства связи имеют хорошую электромагнитную совместимость (ЭМС) со средствами связи других диапазонов. Указанное правило нарушается, когда речь идет о распространении продольных ЭМВ (ПЭМВ), существующих в различных средах (плазма, вода, почва и т.д.). Эта волны обладают уникальными свойствами, к сожалению, недостаточно изученными и по сей день, хотя ПЭМВ в плазме (волны X. Альфвена) были известны уже в 20-х гг. прошлого века; [3, 4].

3. Повышенное затухание в пиках поглощения, позволяющее передавать информацию на СВЧ при низком уровне взаимных помех от различных служб и организовывать скрытую связь на небольших расстояниях вдоль поверхности Земли. Кроме того, частоты, соответствующие пикам поглощения в атмосфере, могут использоваться на космических линиях связи большой протяженности. В этом случае атмосфера выполняет роль заграждающего фильтра по отношению к помехам Земли.

4. ММВ лучше проникают сквозь туман, дым, дождь, пыль, чем волны видимого и инфракрасного диапазонов. Они с небольшим затуханием проходят через плазму, поэтому применяются для связи с ракетами, преодолевающими ионизированную атмосферу. На непрозрачном участке частот радиоволны ММВ полностью поглощаются и связь невозможна, хотя она вполне осуществима на этих же частотах между двумя космическими радиотехническими аппаратами, только канал связи будет в данном случае экранирован от наблюдения с Земли [3, 4];

5. Колебания (флуктуации) на приземных линиях связи ММВ амплитуд, фаз, направлений прихода волн, вызываемые их рефракцией в атмосфере и ее неоднородностями, влиянием Земли, а также переотражением волн от поверхностей ИСЗ, самолетов и других объектов, на которых размещается аппаратура ММВ, проявление эффекта многолучевого распространения. На ММВ имеется заметный доплеровский сдвиг частоты.

Вплотную к этому диапазону примыкает инфракрасный диапазон электромагнитных волн, который также успешно используется для работы средств наведения, наблюдения и т.п. Отметим, что с переходом к оптическому диапазону волн коэффициент затухания уменьшается и атмосфера снова становится сравнительно
прозрачной.

Контрольные вопросы

1. Пояснить зависимость плотности свободных электронов от высоты Ни времени суток.

2. Роль слоя F2 имеющего наибольшую электронную концентрацию?

3. От чего зависит преломление радиоволн в ионосфере?

4. Объяснить траектории радиолучей в ионосфере для различных длин волн.

5. Как выбирать рабочую частоту радиоэлектронного средства?

6. Каковы особенности распространения сверхдлинных и длинных волн?

7. Каковы особенности распространения декаметровых (коротких) волн?

8. Поясните образование зоны молчания.

9. Зачем составляют так называемое волновое расписание?

10. Каковы особенности распространениядиапазона СВЧ?

11. Каковы особенности распространениядиапазона КВЧ?

Литература

1. Бычков А. А. «Электромагнитные волны. Волноводы и объемные резонаторы», Лекции, ВМФ, 1987 г. – 72 с.

2. Бычков А. А. «Особенности распространения радиоволн различных диапазонов. Антенные устройства.» Лекции, часть 2, ВМФ, 1989 г. – 74 с.

3. Теория электромагнитного поля и техника сверхвысоких частот: учебник для ввузов/ Под редакцией Б.И. Штительмана. – Харьков, изд-во академии, 1974. – 494 с.

4. Нефедов Е. И. Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений.–М.: Академия,2009.–377 с.

5. Нефедов Е. И. Техническая электродинамика: учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений.– М.: Академия, 2009.–410 с.

6. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн / Ф.Б. Черный – М.: Сов. радио, 1972. – 464 с.

7. Бычков А.А. Особенности структуры электромагнитного поля и параметров волнового процесса в морском тропосферном волноводе / И.Л. Афонин, А.А. Бычков // Изв. высш. учеб. заведений. Радиоэлектроника. – 2004. – Т. 47. – № 2. – С. 58–65.

8. Леонидов В.И. Некоторые особенности формирования волноводных структур над морской поверхностью / В.И. Леонидов, Ф.В. Кивва., В.И. Алёхин // Научное приборостроение в миллиметровых и субмиллиметровых диапазонах радиоволн: Сб. научн. тр. – Харьков: Ин-т радиофизики и электроники АН Украины. – 1992. – С.73 – 80.

9. Саламатин В. В. Основы геометрической электродинамики волноводов прямоугольного сечения/ В. В. Саламатин, И. Л. Афонин, С. Н. Бердышев // учебное пособие для студ. высш. учебн. заведений. – Севастополь, изд. СевНТУ, 2008. – 218 с.

Оглавление

Условные обозначения. 3

ЧАСТЬ 1. КРАТКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ ТЕОРИИ
ЭЛЕКТРОМАГНИТНОГО ПОЛЯ
. 4

Глава 1. Основные законы электромагнитного поля. 4

1.1. Физические величины, применяемые для описания электромагнитных явлений. Параметры и классификация сред. 6

1.2. Уравнения Максвелла в интегральной форме. 11

1.3. Уравнения Максвелла в дифференциальной форме

(уравнения электродинамики) 13

1.4. Граничные условия для векторов электромагнитного поля. 19

1.5. Энергетические соотношения в электромагнитном поле. 23

Контрольные вопросы.. 25

Глава 2. Излучение электромагнитных волн
Поле элементарного электрического вибратора…………………26

2.1. Элементарные злучатели……………………………………. 26

2.2. Электромагнитное поле излучения электрического. 28

2.3. Анализ поля элементарного электрического вибратора. 33

2.3.1. Ближняя (реактивная) зона. 34

2.3.2. Дальняя (волновая) зона или зона Фраунгофера. 36

2.4. Диаграмма направленности элементарного электрического вибратора. 40

Контрольные вопросы.. 44

Глава 3. Плоские электромагнитные волныв однородных
и неоднородных средах
. 45

3.1. Распространение электромагнитных волн в идеальном

3.2. Параметры волнового процесса. 50

3.3. Распространение электромагнитных волнв среде с потерями. 51

3.3.1. Классификация сред по величине проводимости. 52

3.3.2. Электромагнитные волны в среде с потерями. 53

3.4. Поляризация плоских волн. 55

3.4.1. Линейная поляризация. 56

3.4.2. Круговая поляризация. 58

3.4.3. Эллиптическая поляризация. 60

3.5. Плоские электромагнитные волны в неоднородных средах. 61

3.5.1. Законы отражения и преломления (законы Снеллиуса) 61

3.5.2. Коэффициенты отражения и преломления (коэффициенты Френеля) 63

3.5.3. Наклонное падение ЭМВ на поверхностьидеального проводника 65

3.5.4. Глубина проникновения электромагнитного поля
в проводящую среду. 66

3.5.5. Логарифмические единицы ослабления . 67

Контрольные вопросы.. 68

Глава 4. Электромагнитные волны в волноводах. 69

4.1. Краткие сведения о направляющих системах СВЧ-энергии. 69

4.2. Классификация направляемых волн. 71

4.3. Прямоугольный волновод. 73

4.4. Диаграмма типов волн в прямоугольном волноводе. Выбор поперечных размеров 76

4.5. Структура поля основной волны Н10 78

4.6. Структура поверхностных токов в прямоугольном волноводе, излучающие и неизлучающие щели 81

4.7. Отражательная трактовка распространения волн в волноводе. Фазовая и групповая скорости в волноводе 83

Контрольные вопросы.. 85

ЧАСТЬ 2. РАСПРОСТРАНЕНИЕ РАДИОВОЛН.. 86

Глава 5. Общие вопросы распространениярадиоволн. 86

5.1. Классификация радиоволн по диапазонам и способу
распространения. 87

5.2. Влияние подстилающей поверхности на распространение радиоволн. 95

5.2.1. Влияние электрических параметров подстилающей поверхности на распространение радиоволн 95

5.2.2. Влияние рельефа и формы подстилающей поверхности

на распространение радиоволн. 97

Контрольные вопросы.. 104

Глава 6. Влияние тропосферы на распространение
радиоволн
. 105

6.1. Влияние тропосферы на распространение радиоволн. 105

6.1.1. Рефракция радиоволн в тропосфере. 106

6.1.2. Морские тропосферные волноводы.. 112

6.1.3. Рассеяние радиоволн в тропосфере (эффект дальнего тропосферного рассеяния) 118

6.1.4. Поглощение радиоволн в тропосфере.

Рассеяние радиоволн гидрометеорами. 118

Контрольные вопросы.. 121

Глава 7. Влияние ионосферы на распространение радиоволн. Особенности распространения радиоволн различных
диапазонов
. 122

7.1. Влияние ионосферы на распространение радиоволн. 122

7.2. Особенности распространения радиоволн различных диапазонов. 128

7.2.1. Распространение сверхдлинных, длинных и средних
волн. 128

7.2.2. Распространение декаметровых (коротких) волн. 131

7.2.3. Распространение волн диапазонов СВЧ и КВЧ.. 136

7. Каковы особенности распространения декаметровых (коротких) волн?

Влияние СВЧ излучения на биологические объекты

У многих людей в нашей стране термин «излучение» вызывает подсознательный страх и непреодолимое желание держаться подальше от всего, что с этим связано. Возможно, это «синдром Чернобыля». Свою лепту в это вносит и сходство слов «радио» и «радиоактивность», хотя слово «радиоактивность» имеет своим корнем «радий» — химический элемент, в котором впервые было обнаружено явление радиоактивности. Поэтому имеет смысл «отделить зерна от плевел» и разобраться, как в действительности микроволновое излучение влияет на биологические объекты и какую опасность оно может представлять для человека.

Как мы уже знаем, микроволны — это вид электромагнитной энергии, занимающий по шкале частот положение между радиоволнами и инфракрасным излучением, и поэтому ему присущи некоторые свойства своих соседей. Ни тепло, ни радиоволны не наносят ущерба нашему здоровью, следовательно, нет особых причин ожидать этого и от микроволнового излучения.

Рассматривая шкалу электромагнитных частот, можно выделить две принципиально различные формы излучения на разных ее концах. Излучение волн с частотой больше, чем у видимого света называется ионизирующим, а если частота излучения меньше, чем частота видимого света, то такое излучение является неионизирующим.

Для того, чтобы понять разницу между этими двумя видами излучения, необходимо разобраться во взаимодействии электромагнитных волн с веществом.

Все в природе состоит из атомов, мельчайших неделимых частичек вещества. «Атом» в переводе с греческого означает «неделимый». Если взять любой однородный предмет, к примеру железный трамвайный рельс, и последовательно распиливать его на все более мелкие кусочки, то в конце концов мы получим такой маленький кусочек, который является мельчайшим носителем вещества.

Атом можно продолжать делить и дальше, на электроны, протоны и другие элементарные частицы, но тогда это уже будет не железо. Электрон железа ничем не отличается от электрона кислорода и поэтому не несет в себе никаких свойств вещества. Сочетания атомов различных элементов могут образовывать молекулы — мельчайшие частички веществ более сложной структуры. В этом случае разрушение вещества может наступить еще раньше, на этапе деления молекул на атомы.

Обратим внимание, что всякое деление вещества требует затрат определенной энергии. Так же, как при отрезании от рельса небольшого кусочка железа необходимы физические усилия, отделение электрона от атома тоже требует приложения энергии извне. Отличие заключается в том, что если рельс можно пилить долго и с перекурами, то отделение электрона от атома требует однократного действия. Нельзя это сделать в два этапа, как нельзя перепрыгнуть через пропасть, используя тройной прыжок.

Подобно веществу электромагнитное поле также состоит из элементарных волновых пакетов— квантов. Не может существовать поле с энергией меньше, чем энергия кванта. Однако кванты волн разных частот могут очень сильно отличаться друг от друга, поскольку энергия кванта пропорциональна частоте излучения. Например, увеличив частоту в десять раз, мы во столько же раз увеличиваем энергию квантов электромагнитного поля.

Сущность ионизирующего излучения заключается в том, что энергия кванта оказывается достаточной для того, чтобы оторвать электрон от атома. Необходимая для ионизации энергия для разных веществ разная. Поэтому и энергия квантов, а соответственно, и частота излучения при ионизации различных веществ требуется разная. Некоторые вещества способны ионизироваться уже при инфракрасном излучении и видимом свете. Этот эффект используется в различных фотоэлементах, фототранзисторах и т.д. Ионизация биологической ткани может происходить при частотах, примерно в десять раз превышающих частоту видимого света. Примером такого излучения может служить рентгеновское, представляющее опасность для человека.

Биологическая ткань состоит из довольно сложных молекул, каждая из которых может содержать тысячи атомов. Тем не менее каждая ионизированная молекула является дефектной, поскольку ее свойства могут заметно отличаться от свойств обычной молекулы. При длительном воздействии ионизирующего излучения количество таких молекул накапливается, что может привести к необратимым результатам. Из-за способности к накапливанию дефектных молекул даже очень слабое ионизирующее излучение может представлять серьезную опасность.

Квант энергии неионизирующего излучения не способен оторвать электрон от атома и поэтому не представляет угрозы для биологической ткани. Особо подчеркнем, что мощность излучения в этом случае не имеет значения, так как если для ионизации молекулы нужна определенная энергия, то этого не смогут сделать и миллион квантов с вдвое меньшей энергией.

Микроволновое излучение по шкале частот расположено ниже инфракрасного, поэтому никакого ионизирующего воздействия на вещество не оказывает. Однако это вовсе не означает, что оно вообще не представляет опасности. Любой вид энергии несет в себе определенную угрозу, и риск тем больше, чем выше уровень энергии и время ее воздействия. Например, электрическая батарейка и пиния высоковольтной передачи заключают в себе один и тот же вид энергии, но степень риска при работе с ними изменяется от пренебрежимо малой до смертельно опасной. Можно получать удовольствие, принимая солнечные ванны, но, если переусердствовать, это может закончиться ожогом или солнечным ударом. Микроволновое излучение здесь не исключение.

Работая с СВЧ оборудованием мощностью 100 Вт, у которого сломаны все защиты и блокировки, самое худшее, что может случиться, эквивалентно нагреву тканей тела нагревателем такой же мощности. Это может быть неприятно, но не смертельно. Аналогичная ситуация с оборудованием мощностью 100 кВт, превратит субъекта, оказавшегося в неподходящее время в неподходящем месте, в пепел в течение нескольких минут. Единственным утешением для скорбящих родственников будет экономия на крематории.

Как правило, не бывает четкой границы между опасным и безопасным уровнем мощности. Считающееся вполне безопасным напряжение 36 В, при определенных условиях может вызвать поражение электрическим током. Поэтому в качестве стандарта безопасного излучения принимается такое, которое ни при каких условиях не может нанести вреда.

Влияние СВЧ полей на биологические объекты до конца еще не изучены. Имеются сведения о положительном воздействии микроволн на семена сельскохозяйственных культур. Существуют медицинские аппараты, использующие микроволновую энергию для лечения различных заболеваний.

В печати были сообщения о том, что так называемое биополе есть не что иное, как микроволновое излучение с длиной волны около 8 мм, (впрочем за достоверность этого автор поручиться не может). Основным биологическим воздействием микроволнового излучения в настоящее время считается повышение температуры тела за счет поляризационных эффектов. Для количественной оценки уровня излучения используется параметр «плотность мощности » , измеряемый в ваттах на квадратный сантиметр. Чувствительность человеческого тела к микроволновому излучению зависит от его частоты. Излучение миллиметрового диапазона и более высокочастотное почти полностью поглощается кожным покровом и может ощущаться при плотности мощности в несколько милливатт на квадратный сантиметр.

На частоте работы микроволновой печи (2450 МГц) проникновение излучения внутрь тела составляет несколько сантиметров и производимый им нагрев чувствуется при плотности мощности 20 — 50 мВт/см 2 в течение нескольких секунд.

Опасность такого излучения заключена в возможности получения внутренних ожогов, которые могут быть гораздо более опасны, чем обычные ожоги, поскольку организм к ним менее приспособлен. Особенно чувствительны к таким ожогам глаза и яичники, поскольку низкий поток крови в этих частях тела практически не рассеивает тепло. Заметим, что необратимые изменения в организме могут наступать при достижении внутренними тканями тела температуры выше 43°С. Минимальная плотность излучения, при которой это может
произойти, составляет 20 мВт/см 2 . Например, плотность излучения 100 мВт/см 2 в течение продолжительного времени может служить причиной глазной катаракты и временного бесплодия.

При плотностях мощности, в десять и более раз меньшими, излучение считается полностью безопасным. Например, плотность излучения от телевизионной вышки, фактически производящей такое же воздействие на организм человека, как СВЧ, в некоторых местах составляет единицы милливатт на квадратный сантиметр, однако мы его никак не ощущаем.

В настоящее время в мире существуют два основных стандарта на уровень безопасного излучения. Один из них разработан Американским Национальным Институтом Стандартов (ANSI) и предлагает считать безопасным излучение с плотностью мощности в 10 мВт/см 2 . Для микроволновых печей стандартом является плотность мощности в 1 мВт/см 2 на расстоянии 5 см от печи.

Европейский стандарт (в том числе и российский) предполагает, что уровень плотности излучения не должен превышать 10 мкВт (0.01 мВт) на квадратный сантиметр на расстоянии 50 см. от источника излучения (рис. 1).

Рис.1. Уровень безопасной плотности излучения от микроволновой печи

Причиной такого расхождения стандартов послужили исследования, выполненные в Советском Союзе в 80-х годах, по нетепловому воздействию микроволн на живые организмы, в особенности на нервную систему. Зарегистрированы повышенная утомляемость и бессонница у людей, обслуживающих высокочастотное оборудование радио- и телевизионных станций. Нетепловое влияние наблюдалось также на энцефалограммах кроликов.

Причины нетеплового воздействия на биологические объекты до конца не изучены; предполагается, что при этом происходят изменения в свойствах макромолекул и нервных мембран. Однако сразу оговоримся: при том уровне излучения, который допустим принятым стандартом т.е. более чем в тысячу раз меньшим безопасного уровня с точки зрения теплового воздействия), влияние нетепловых эффектов не обнаружено. Попутно заметим, что плотность излучения от сотового телефона, примерно на порядок превышает излучение от микроволновой печи.

Все выпускаемые печи удовлетворяют требованиям безопасности, а хорошие микроволновые печи имеют уровень излучения в десятки раз ниже допустимого. Однако некоторые микроволновые печи со временем могут превысить допустимые нормы плотности излучения, но к роковым последствиям, тем не менее, это не приводит (если только это не дыры в корпусе или дверце).

До сих пор мы рассматривали только негативное влияние микроволнового излучения на биологические объекты. Это может создать у читателя однобокое представление о предмете. Попробуем выровнять чашу весов, отметив некоторые преимущества приготовления пищи в микроволновой печи.

Поскольку микроволновое излучение обеспечивает очень быстрое приготовление пищи и нагрев ее происходит изнутри, уменьшается разрушение содержащихся в продуктах витаминов. В таблице 1 приведены примеры степени сохранения полезных витаминов и сравнение с другими способами приготовления пищи.

Работая с СВЧ оборудованием мощностью 100 Вт, у которого сломаны все защиты и блокировки, самое худшее, что может случиться, эквивалентно нагреву тканей тела нагревателем такой же мощности. Это может быть неприятно, но не смертельно. Аналогичная ситуация с оборудованием мощностью 100 кВт, превратит субъекта, оказавшегося в неподходящее время в неподходящем месте, в пепел в течение нескольких минут. Единственным утешением для скорбящих родственников будет экономия на крематории.

48.Особенности диапазона свч. Деление свч диапазона на поддиапазоны.

СВЧ подразделяется на:

ультравысокие частоты (УВЧ, UHF) 0,3..3 ГГц;

сверхвысокие частоты (СВЧ, SHF) 3..30 ГГц;

крайне высокие частоты (КВЧ, EHF) 30..300 ГГц;

гипервысокие частоты (ГВЧ, ННF) 300..3000 ГГц.

Граничным частотам приведенных диапазонов соответствуют определенные значения длин волн, которые можно определить по формуле λ = c/f = 30/f, (1.1)

где λ – длина волны, см; c – скорость распространения света; f – частота, ГГц.

Если определять диапазоны не частотами, а длинами волн, то диапазон УВЧ может быть назван дециметровым диапазоном (ДМВ) λ = 10..1 дм; СВЧ – сантиметровым (СМВ), λ = 10..1 см; КВЧ – миллиметровым (ММВ), λ = 10..1 мм, а ГВЧ – децимиллиметровым (ДМ), λ = 1..0,1 мм.

Ввиду большой общности свойств этих диапазонов, а также общности принципов построения приборов и устройств этих диапазонов, их принято считать единым диапазоном сверхвысоких частот (СВЧ).

В диапазоне СВЧ существует возможность создания узконаправленного излучения при сравнительно небольших геометрических размерах антенн. Это позволяет осуществлять направленную передачу сигналов, достоинством которой являются снижение взаимных помех, увеличение дальности действия радиосистем, скрытность передачи, высокая точность радиолокационного определения координат объектов и др.

Огромная ширина диапазона СВЧ позволяет разместить в нем большое число каналов связи, использовать широкополосные помехоустойчивые виды модуляции. Это дает возможность осуществлять высококачественную передачу телефонных и телевизионных сигналов, передавать с большой скоростью цифровую информацию компьютерных сетей.

В диапазоне СВЧ мал уровень промышленных и атмосферных помех, условия распространения радиоволн СВЧ диапазона не зависят от смены времени суток и сезонов года. В связи с этим минимальный уровень принимаемых сигналов в диапазоне СВЧ практически определяется собственными шумами приемных устройств.

Электромагнитные колебания части СВЧ диапазона проходят с малым затуханием сквозь толщу атмосферы Земли. Это позволяет использовать СВЧ диапазон для связи с космическими объектами, передачи информации через спутники связи, в радиоастрономии.

Увеличение частоты колебаний ведет к пропорциональному увеличению кванта энергии, и в диапазоне СВЧ квант энергии соизмерим с энергиями возбуждения и ионизации атомов и молекул различных веществ.

СВЧ колебания хорошо поглощаются многими диэлектрическими материалами, парами воды. На этом свойстве СВЧ энергии основаны СВЧ нагрев и сушка материалов, использование СВЧ энергии в пищевой промышленности, быту, с целью ускоренного приготовления пищи, пастеризации, стерилизации и обезвоживания пищевых продуктов.

Волны СВЧ диапазона применяются в медицине для прогрева тканей организма (диатермия), в фармакологической технологии. СВЧ колебания могут оказывать специфическое воздействие на процессы в живых клетках, что также используется в медицине и для биологических исследований.

В диапазоне СВЧ длина волны становится соизмеримой с размерами элементов цепей, что приводит к обычно не контролируемым излучениям элементов схем, создающих нежелательные связи между элементами и увеличивающих потери энергии за счет излучения. Увеличение частоты колебаний приводит к росту потерь в диэлектрических материалах, используемых в конструкции СВЧ устройств. Рост потерь в диапазоне СВЧ связан также с характером протекания токов по проводникам. Если на постоянном токе и на низких частотах плотность тока по поперечному сечению проводника постоянна, то при значительном увеличении частоты ток в основном будет протекать в тонком поверхностном слое проводника. Это явление называется скин-эффект. При этом плотность тока экспериментально

уменьшается от своего максимального значения на поверхности вглубь проводника. Толщину поверхности слоя (скин-слоя) полагают равной такой толщине, на которой плотность тока уменьшается в е раз.

Толщина скин-слоя определяется выражением:[мкм] (1.2)

где f – частота в МГц, Gм = 3,8×107 См/м – удельная проводимость меди, G – удельная проводимость рассматриваемого материала. Наличие скин-эффекта приводит к росту сопротивления проводников с увеличением частоты тока, протекающего через проводник.

Для уменьшения потерь энергии в диапазоне СВЧ используют специальные изоляционные материалы с малыми потерями, а также уменьшают активное сопротивление проводников с помощью увеличения их поверхности, улучшения чистоты обработки поверхности проводников, применения покрытий материалами с низкой удельной проводимостью (серебро, золото).

Особенностью диапазона СВЧ является характер передачи энергии электромагнитных колебаний. В диапазоне СВЧ используют линии передачи энергии, которые либо ограничивают пространство, где распространяется энергия (волноводы, коаксиальные линии, полосковые линии), либо задают направление распространения энергии (двухпроводные линии передачи).

Классификация СВЧ приборов

Приборы СВЧ предназначены для усиления, генерирования и преобразования частоты электромагнитных колебаний СВЧ диапазона. В зависимости от способа преобразования энергии различают электронные приборы СВЧ и квантовые приборы. В электронных приборах СВЧ происходит преобразование электрической энергии источников постоянного или импульсного напряжения в энергию СВЧ колебаний при помощи потока свободных электронов, выполняющих роль посредника при передаче энергии, полученной от источника питания, электромагнитным колебаниям СВЧ. Передача энергии осуществляется в процессе движения электронов против сил торможения, создаваемых переменным электрическим СВЧ полем, связанным с колебательной системой.

В квантовых приборах в энергию электромагнитных колебаний СВЧ преобразуется внутренняя энергия атомов (ионов, молекул). Электроны, участвующие в процессе преобразования энергии, остаются связанными со своими атомами. Передача энергии от источника питания происходит в результате изменения квантовых состояний того или иного ансамбля частиц, входящих в состав вещества.

Все современные приборы СВЧ можно разделить на две большие группы по виду среды, в которой происходят процессы, приводящие к генерации и усилению СВЧ колебаний. К первой группе принадлежат приборы, внутри которых для нормальной работы необходим высокий вакуум. Приборы этой группы называются электровакуумными приборами СВЧ (ЭВП СВЧ). Ко второй группе отнесем приборы, в которых процессы происходят не в вакууме, а в веществе. Во вторую группу входят полупроводниковые приборы СВЧ, рабочей средой которых является объем легированного полупроводника, и квантовые приборы СВЧ, рабочим веществом в которых может быть диэлектрик или газ.

По характеру энергообмена ЭВП СВЧ могут быть разделены на приборы типов О и М.

Приборы СВЧ О-типа (от франц. L’onde – волна) – это приборы, в которых происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения электронов этим полем. Магнитное поле в таких приборах или не используется совсем, или применяется только для целей фокусировки электронного потока и не имеет принципиального значения для процесса преобразования энергии электронов в энергию электромагнитных колебаний СВЧ. Характерной особенностью этих приборов является использование продольных статических электрических и магнитных полей. Движение электронов в таких приборах происходит по прямолинейным траекториям.

В приборах М-типа (магнетронного типа), которые еще также называются приборами со скрещенными полями, так как в таких приборах движение электронов происходит во взаимно перпендикулярных (скрещенных) статических электрическом и магнитном полях.

Траектории электронов в приборах М-типа имеют криволинейный вид. В процессе своего движения электроны, сохраняя кинетическую энергию, непрерывно смещаются в область с более высоким потенциалом, тем самым передавая часть своей потенциальной энергии СВЧ полю.

По длительности взаимодействия электронов с полем СВЧ ЭВП СВЧ подразделяются на приборы с кратковременным (прерывистым) взаимодействием и приборы с длительным (непрерывным) взаимодействием. Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно являются приборами О-типа. Приборы с длительным взаимодействием могут быть как типа О, так и М.

По виду управления электронным потоком ЭВП СВЧ подразделяются на приборы с электростатическим и динамическим управлением.

Квантовые приборы удобно разделить на две группы в соответствии с диапазоном рабочих частот. Квантовые приборы СВЧ диапазона называют “мазерами”. Квантовые приборы в оптическом диапазоне получили название оптических квантовых генераторов (ОКГ) или “лазеров

Классификация СВЧ приборов

3.4. Диоды СВЧ-диапазона

Диоды СВЧ-диапазона длин волн появились в период разви­тия радиолокационной техники и освоения диапазона коротких волн. К диапазону СВЧ обычно относят область частот от 300 МГц до 300 ГГц, т.е. дециметровые, сантиметровые и миллиметровые длины волн.

Современные СВЧ-диоды изготавливают на основе структур с р-п-переходом, с переходом металл-полупроводник (диоды Шотки), со структурой типа р-i-п. Выпрямляющий переход мо­жет быть как точечным, так и плоскостным, полученным методом диффузии, эпитаксии, ионного легирования или микросплавления. Широкое применение в технике высоких и сверхвысоких частот находят диоды Шотки, выпрямительные свойства которых опре­деляются переходом металл – полупроводник.

Особен­ностями диодов Шотки является следующее:

· ток переносится основны­ми носителями заряда, и отсутствует инжекция неосновных носи­телей заряда;

· отсутствует диффузионная емкость, связанная с процессами накопления и рассасывания неосновных носителей заряда, что существенно повышает быстродействие диодов при переключении тока;

· прямое падение напряжения меньше, чем в обычных диодах с р-п-переходом.

Типичными для диодов Шотки являются прямые напряжения 0,4 – 0,5 В, что примерно на 0,2 В меньше, чем у кремниевых р-п-переходов. Диоды Шотки обла­дают почти идеальной прямой ветвью ВАХ, которая соответствует выражению (1.15) в очень широком диапазоне токов. Об­ратные токи диодов Шотки близки к реальным обратным токам кремниевых р-п-переходов и определяются термогенерацией но­сителей заряда в запирающем слое.

Для получения качественных барьеров Шотки используется вакуумное напыление металлов (молибдена, золота, алюминия и др.) на тщательно очищенную по­верхность высокоомного кремния. Перечисленные преимущества диодов Шотки делают их весьма перспективными для применения в импульсных устройствах и устройствах СВЧ.

Статические характеристики СВЧ-диодов практически не от­личаются от характеристик обычных диодов. Для обратной ветви характерно низкое напряжение пробоя.

По назначению и области применения СВЧ-диоды можно раз­делить на следующие типы: детекторные, переключательные, сме­сительные, умножительные, модуляторные, ограничительные и ре­гулируемые резистивные.

Детекторные СВЧ-диоды предназначены для детектирования сигнала, т.е. выпрямления радиоимпульсов СВЧ колебаний. По­лезный эффект детектирования определяется чувствительностью по току или напряжению.

Чувствительность по току – это отно­шение выпрямленного тока короткого замыкания к поданной на диод СВЧ мощности.

Чувствительность по напряжению – отно­шение приращения напряжения на выходе диода к вызвавшей это приращение мощности СВЧ-сигнала, подводимой ко входу диод­ной камеры с детекторным диодом в рабочем режиме.

Переключательные диоды, предназначаются для применения в устройствах управления уровнем СВЧ-мощности. Наибольшее распространение получили переключательные диоды с плоскост­ным р-п-переходом, полученным диффузией. Разновидностью переключательных дио­дов являются ограничительные полупроводниковые диоды с ла­винным пробоем, предназначенные для ограничения импульсов напряжения, в которых используется зависимость сопротивления переменному току диода от СВЧ-мощности. Переключательные диоды с р-i-n-структурой называют регулируемыми ре

зистивными диодами. Их изготавливают из кремния. Малые емкость и индуктивность р-i-n-структуры при таком включении обеспечи­вают широкую полосу рабочих частот.

Скорость переключения СВЧ-каналов с помощью переключа­тельного диода определяется временем выключения диода, т.е. вре­менем, за которое напряжение на диоде при переключении из от­крытого состояния в закрытое нарастает от 0,2 до 0,8 максималь­ного напряжения. Время выключения определяется процессами накопления и рассасывания носителей заряда.

Смесительным называют полупроводниковый диод, предназна­ченный для преобразования высокочастотных сигналов в сигнал промежуточной частоты. Это преобразование используют в особо чувствительных радиолокационных приемниках, где высокочастот­ный сигнал и напряжение гетеродина с помощью смесительного диода преобразуют до сигнал
а более низкой, так называемой промежуточной частоты, что облегчает задачу детектирования огибающей сигнала.

Основными параметрами смесительных диодов являются:

· по­тери преобразования (L);

· выпрямленный ток ( ) при заданном уровне мощности.

Потери преобразования, выраженные в децибелах, равны:

где – мощность СВЧ-сигнала, подаваемого на смеситель; – мощность сигна­ла промежуточной частоты.

Значение выпрямленного тока определяет выпрямляющие свой­ства СВЧ-диода на рабочей частоте и характеризует потери пре­образования. Чем больше , тем меньше потери преобразо­вания.

Умножительные диоды предназначены для умножения часто­ты, а модуляторные для модуляции амплитуды переменного тока.

Отличительной особенностью СВЧ-диодов является их кон­структивное оформление. Корпус диода СВЧ-диапазона проекти­руется таким образом, чтобы он имел минимальные собственную емкость и индуктивность, обеспечивал надежное крепление прибо­ра (рис. 3.6).

Корпус патронного типа, металлокерамический (рис. 3.6, а) или металлостеклянный, используется в длинноволновом участке СВЧ-диапазона. Основными узлами этой конструкции являются керамическая втулка с резьбой 3 и соединяемые с ней резьбовая втулка 1 и иглодержатель 6. Контактная пружинка 5 с заостренным концом изготовлена из вольфрамовой проволоки. Полупроводниковый кристалл 4 напаян на кристаллодержатель 2.

В коротковолновой части СВЧ-диапазона используют другие конструкции. Для конструкции коаксиального типа харак­терно отсутствие выступающих деталей корпуса. Для сборки и настройки прибора в баллон ввинчивается резьбовой кристаллодержатель с полупроводнико­вым кристаллом. В конструкции волноводного типа кристалл по­лупроводника и контактную пружину монтируют непосредственно в отрезке волновода.

Чувствительность по току – это отно­шение выпрямленного тока короткого замыкания к поданной на диод СВЧ мощности.

Особенности трансформаторов

Одна из них — это присутствие двойной изоляции и/или защитного экрана, обеспечивающего гальваническую развязку, в отличие от обычного устройства. Это означает, что электрическая энергия передаётся без непосредственного контакта между обмотками. Разделительный обеспечивает защиту от серьёзных поражений током. Если внутри потребителя энергии пробьётся изоляция на корпус, то риск получения электротравмы при одновременном прикосновении человека к устройству и заземлённому предмету станет гораздо ниже.

Ещё одна особенность разделительных трансформаторов — это то, что у них коэффициент преобразования чаще всего равен единице. Таким образом, выходное напряжение будет равно входному — 220 вольт. Эта разновидность является наиболее распространённой. Трансформаторы вносят некоторые потери в передаваемую через него энергию, так как коэффициент полезного действия находится в пределах — от 70 до 85 процентов.


Развязывающие трансформаторы ставятся там, где требуется безопасная подача электричества по действующим правилам:

Назначение

Автономные силовые обмотки в основном применяются для отделения цепей электротехнических устройств от напряжений, поставляемых электрической сетью. При этом мощность нагрузки составляет от 100 Вт до 60 кВт. Электрические приборы, отделенные от питающей сети, получают дополнительную защиту, они безопаснее в обслуживании.

Разделительные трансформаторы применяются для подключения нагрузки в помещениях с условиями. повышающими уровень опасности поражения электрическим током. Такими сооружениями являются подвалы, ванные комнаты, и другие помещения с повышенной сыростью.

В целях безопасности делают гальваническую развязку оборудования применяемого в медицинских учреждениях. Подключать разделительный трансформатор целесообразно везде, где существуют повышенные требования к безопасности, там, где нет надежной изоляции с землей.

Рис. 3. Переносной разделительный агрегат

Преимущества и недостатки устройства

Использование разделительных трансформаторов позволяет добиться следующих преимуществ:

  • увеличить срок службы электрических приборов;
  • снизить величину электротока при коротком замыкании;
  • дополнительной защиты при эксплуатации электрического оборудования;
  • улучшить качественные характеристики электрической сети;
  • отфильтровать помехи высокой частоты.

Недостаток данных устройств в дополнительном усложнении домашней или производственной сети, невозможности обеспечения полной защиты от поражения электрическим током.

  • на двух идентичных сердечниках выполняются по две половинных обмотки – катушки разделяются напополам;
  • пара половинных обмоток соединяется последовательным способом;
  • дополнительно можно оборудовать аппарат дросселем или стабилизатором.

Разделительный трансформатор в мастерской домашнего электрика

Как работает разделительный трансформатор

Разделительным трансформатором называется трансформатор, который предназначен для электрического (специалисты говорят — гальванического) разделения питающей электрической сети и потребителя электроэнергии. Потребители — это мы с вами, а зачем нас разделять? Для безопасности!

Основной задачей разделительного трансформатора является повышение электробезопасности за счет того, что его вторичные цепи не имеют электрической связи с землей, а значит — и с заземленной нейтралью трансфоматорной подстанции – источником напряжения.

В этом случае возникновение электрического пробоя на корпус не вызывает перегрузок по току, а сам прибор остается в рабочем состоянии. При случайном прикосновении человека к части устройства, аварийно находящегося под напряжением, ток утечки не превысит жизненно опасного порога и трагедии не случится.

Разделительный трансформатор — в домашнюю мастерскую

Таким образом, разделительный трансформатор далеко не лишний элемент в мастерской домашнего мастера, особенно, если ему приходится сталкиваться с ремонтом домашних бытовых приборов. В продаже не встречаются разделительные трансформаторы непромышленного назначения, но такой несложно изготовить самому на базе подходящего трансформатора от отечественных телевизоров ушедшего поколения.

Подойдет унифицированный трансформатор ТС практически любой мощности, поскольку современные электрические помощники на дому не отличаются большой прожорливостью. Способ переделки — универсальный и не требует особых навыков, а потому — по силам каждому, кто умеет обращаться с паяльником и измерять напряжение.

Для примера приведу готовую конструкцию на основе ТС-250М.

Как сделать разделительный трансформатор

Готовый трансформатор размещен в корпусе от компьютерного блока питания и дополнен еще некоторыми функциями, о которых — позже. Полная схема ТС-250 показана ниже.

Рассмотрим фрагмент схемы, который нас интересует и который будет подвергнут модернизации. В штатной схеме две полуобмотки 1- 2 и 1′ -2′ соединены последовательно и подключаются к розетке 220 вольт. ( Полуобмотки — слово, обозначающее, что каждая обмотка трансформатора разделена на две идентичные части, и размещены эти полуобмотки на двух одинаковых каркасах, как на фото выше. На новых трансформаторах обмотки между собой не соединены).

Соответственно, с полуобмоток 5-15 и 5′-15′ снимается (по паспорту трансформатора) напряжение 208 вольт для питания вторичных цепей. Реально на приведенном экземпляре это напряжение составило 216 вольт на холостом ходу. Несложно догадаться, что каждая из первичных полуобмоток рассчитана на 110 вольт, а вторичные — на 104 вольта(108 вольт).

Показанное ниже изменение схемы позволит получить на выходе трансформатора 220 вольт. Теперь в качестве первичных полуобмоток трансформатора используются 1-2 и 5′-15′, а в качестве вторичных — 1′-2′ и 5-15. За счет идентичности намоточных данных пар полуобмоток, входные и выходные напряжения будут всегда равны. Рис. 6

Следует иметь ввиду, что мощность передаваемая в нагрузку трансформатором, теперь ограничивается мощностью обмотки с меньшим допустимым током. В рассматриваемом случае для обмотки 5-15 (5′-15′) максимальный ток — 0,8 ампера, а значит и максимальная мощность по формуле P = I x U ограничивается и равна P = 0,8А х 220В = 176 Вт.

На практике такой мощности будет с избытком в большинстве случаев. Не следует также опасаться неприятностей из-за того, что на полуобмотку 5′-15′ подается 110 вольт вместо расчетных 104-х. Во-первых, трансформатор все равно будет работать в легком, недогруженном режиме (176 ватт вместо 250), во-вторых, буква М в маркировке трансформатора обозначает, что трансформатор устойчив к перегрузкам и перенапряжениям.

Возвращаемся к конкретной конструкции разделительного трансформатора.

На фото видна розетка для подключения нагрузки с предохранителем и индикаторной лампой в корпусе розетки. А для чего же патрон с лампой накаливания на верхней плоскости, спросите вы? Отвечаю — это доработка, которая существенно расширяет возможности прибора.

Дополнительные функции разделительного трансформатора

Суть доработки ясна из приведенной ниже схемы.

Лампа включена последовательно в первичную обмотку трансформатора, но может быть зашунтирована переключателем, оставшимся здесь от компьютерного блока питания. В этом случае имеем обычный разделительный трансформатор. При разомкнутом переключателе трансформатор превращается в диагностический прибор.

С его помощью теперь несложно провести простейшие операции про диагностике неисправностей устройств с импульсными блоками питания. Рассмотрим это на примере телевизора. Для этого подключим его в розетку включенного в сеть трансформатора, выключатель разомкнут. Включаем телевизор с пульта ДУ или кнопкой и фиксируем поведение лампы:

– ничего не происходит — обрыв в шнуре питания, сгорел входной предохранитель телевизора, выгорели входные цепи блока питания;

– лампа при включении телевизора загорелась ровным полным светом — короткое замыкание в шнуре питания, во входных цепях блока питания;

– лампа ярко вспыхнула и погасла — блок питания исправен, нужно проверить основную плату телевизора.

Необходимо отметить, что проверка устройства (телевизора, в данном случае) происходит в щадящем режиме и не приводит к дальнейшему повреждению тестируемого прибора.

Пониженное переменное напряжение для проверки высоковольтных схем

Случалось ли вам проверять какую-либо электрическую схему под напряжением 220 вольт? Ведь правда — это опасно? С помощью дополнительного выхода трансформатора в

36 вольт это же можно сделать без всякого риска для здоровья.

Для реализации такого режима достаточно соединить последовательно обмотки 8-8′, 6-6′ и 4-4′ и вывести полученное напряжение на внешнюю розетку. На фото она так и подписана — « 36V», а расположена с обратной от выходной, 220-вольтовой розетки стороны . Теперь смело подключайте к ней ваше устройство и прослеживайте протекание тока в цепях, без опаски коснуться рукой элемента схемы под напряжением.

+12 вольт для проверки и настройки автомобильной электроники

В конструкцию включено еще одно дополнение — наличие свободных обмоток позволило встроить в схему двенадцативольтовый интегральный стабилизатор. С его помощью можно проверять и настраивать различные автомобильные и другие устройства рассчитанные на это напряжение.

Стабилизатор 7812 включен по стандартной схеме и особенностей не имеет. На фото ниже его видно внизу, на планке из фольгированного стеклопластика. Выходные клеммы на 12 вольт выведены над розеткой переменного напряжения в 36 вольт, а светодиодный индикатор наличия напряжения +12 вольт — на верхнюю панель конструкции.

Для продвинутых электриков и начинающих электронщиков

Предлагаемая конструкция чрезвычайно проста, но ей по силам решать и более сложные задачи. Это — проверка и ремонт устройств с импульсными блоками питания, в частности — телевизоров и импульсных блоков питания компьютеров.

Проверка работоспособности входных цепей импульсных блоков питания с помощью последовательно включенной лампы накаливания упомянута выше в статье и подробно описана на страницах интернета. Замечу лишь, что с помощью предлагаемой вашему вниманию конструкции это осуществить удобно и просто, не вызывая затруднений даже у начинающего ремонтника.

В тоже время не всем известно, что большинство импульсных блоков питания способны запускаться от пониженных напряжений (без нагрузки, естественно). Поэтому, если подключить исследуемый прибор к 36-вольтовой розетке, то с помощью измерительных приборов можно убедиться в исправности или отказе узла запуска.

Опять же, запитав схему запуска постоянным напряжением +12 вольт от описываемого устройства, легко проверить проверить работу генераторной микросхемы и ее обвязки, других элементов схемы. При этом необходимо отметить, что все работы проводятся при гальванической развязке от питающей сети и при безопасных для жизни напряжениях.

Все работы по пайке, монтажу электрических цепей следует проводить при отключенном от питающей сети устройстве! Это не только сохранит ваше здоровье, но и предотвратит выход элементов электрической схемы из строя при случайном замыкании.

Соответственно, с полуобмоток 5-15 и 5′-15′ снимается (по паспорту трансформатора) напряжение 208 вольт для питания вторичных цепей. Реально на приведенном экземпляре это напряжение составило 216 вольт на холостом ходу. Несложно догадаться, что каждая из первичных полуобмоток рассчитана на 110 вольт, а вторичные — на 104 вольта(108 вольт).

В чем заключается защитное действие разделительного трансформатора, принцип работы

Устройство и принцип работы разделительного трансформатора ничем принципиально не отличается от принципа работы трансформатора; устройством осуществляется такое же преобразование электроэнергии.

На общем магнитопроводе устройства размещены две обмотки из одного и того же изолированного провода с одинаковыми намоточными характеристиками. Электрическая мощность синусоидальной гармоники пропускается через первичную обмотку, на основе законов электромагнитной индукции преобразуется во вторичной. Вектор напряжения в выходных цепях вторичной обмотки повторяет полностью параметры первичного. Конечно, если учесть классы точности метрологических измерений, то определенные погрешности по величине и углам существуют. Однако, это чистая теория; при эксплуатации погрешности не учитываются.

Основной задачей изолирующего трансформатора является повышение электробезопасности за счет того, что его вторичные цепи не имеют электрической связи с землей, а значит — и с заземленной нейтралью трансформаторной подстанции – источником напряжения.

В этом случае возникновение электрического пробоя на корпус не вызывает перегрузок по току, а сам прибор остается в рабочем состоянии. При случайном прикосновении человека к части устройства, аварийно находящегося под напряжением, ток утечки не превысит жизненно опасного порога и трагедии не случится.

Исходя из назначения, разделительный трансформатор применяется во всех пространствах, входящих в группу высокой опасности. В первую очередь его используют для установки в бассейнах, саунах, ванных комнатах и помещениях, где размещены металлоизделия с неустойчивым заземлением.

Действующие нормативы и правила безопасности в России и Европе также предписывают устанавливать их в особо опасных пространствах, где присутствует мелкозернистая токопроводящая пыль, имеются стены и полы из металла, а также в подземных сооружениях, укомплектованных местным освещением, автоматикой и сигнализацией.

Поскольку вторичная электрическая цепь распределителя не связана с землей, к нему подключают оборудование, которое также не соединяется с землей. В зависимости от показателей мощности и назначения, к однофазным понижающим разделительным трансформаторам подсоединяют электроинструменты, полупроводниковые преобразователи станков и лифтов, а также другую аппаратуру. См. Трансформатор разделительный 220/220 В

Трехфазные агрегаты чаще всего используют для питания и локальной защиты систем управления и мобильных комплексов, вычислительной техники и оборудования, задействованного в медицине, химической, машиностроительной, горнодобывающей и железнодорожной промышленности.

В числе главных преимуществ применения разделительного трансформатора можно отметить:

  • обеспечение безопасности людей;
  • увеличение срока эксплуатации оборудования;
  • возможность монтажа во встроенные подстанции;
  • фильтрация высокочастотных гармоник;
  • уменьшение замыкающих токов;
  • малошумная эксплуатация;
  • стойкость к воздействию влажности, грязи, плесени;
  • минимальные затраты на обслуживание.

Важным достоинством является то, что подключение разделительного трансформатора полностью соответствует требованиям пожарной и экологической безопасности.

Для разных категорий установок определены соответствующие температурные условия: для стандартных агрегатов от -25ºС до +40ºС, для морозостойких приборов – от -60ºС до +40ºС. Для эффективного отведения тепла, выделяемого при работе разделительного трансформатора и обеспечения естественного охлаждения его следует устанавливать на раму или на колеса.

Разделительный трансформатор 220/220, принцип работы

Принцип работы. Устройство и работа разделительного трансформатора ничем принципиально не отличается от понижающих или повышающих напряжение аналогов; устройством осуществляется такое же преобразование электроэнергии.

На общем магнитопроводе устройства размещены две обмотки из одного и того же изолированного провода с одинаковыми намоточными характеристиками. Электрическая мощность синусоидальной гармоники пропускается через первичную обмотку, на основе законов электромагнитной индукции преобразуется во вторичной.

Вектор напряжения в выходных цепях вторичной обмотки повторяет полностью параметры первичного. Конечно, если учесть классы точности метрологических измерений, то определенные погрешности по величине и углам существуют. Однако, это чистая теория; при эксплуатации погрешности не учитываются.

Назначение. Основное условие использования подобных моделей: применение изолированных, автономных силовых обмоток для отделения цепей напряжения электрических приборов от питающей электрической цепи.

Однофазный разделительный трансформатор (РТ) предназначен для повышения уровня безопасности работающих электрических приборов, соответственно – снижения уровня электротравматизма.

Схема подключения. Величина напряжения 220 вольт питающей электросети формируется из схемы соединения трех объединенных линейных цепей с разностью потенциалов 380 вольт между ними методом использования нулевого провода, соединенного с потенциалом земли.

Другим словами, между линейным проводом, именуемым фазой и нулевым – землей присутствует фазное напряжение. При нарушении изоляции проводников оно попадает на корпус электроприбора.

Если человек касается до такого корпуса, одновременно касаясь соединенных с землей металлических предметов (батареи отопления, водопроводные краны), через его тело проходит электрический ток.

Величины в 0,1 ампера (нагрузка лампочки накаливания обыкновенного фонарика) вполне достаточно для фибрилляции и остановки сердца. Поэтому, срабатывание УЗО настраивают на токи в 310 раз меньшие, при возникновении которых устройство защитного отключения отключит напряжение с защищаемого оборудования.

Действующие нормативы безопасности требуют заземления всех токопроводящих корпусов и деталей в помещениях, создания контура заземления, системы выравнивания потенциалов.

Применение разделительного трансформатора дополняет требования безопасности: к нему можно и необходимо подключать приборы без соединения с землей. Во вторичной обмотке РТ образуется собственная, изолированная от земли электрическая цепь.

Разность потенциалов образуется исключительно между его клеммами. Ток протекает только при подключении к ним. Поскольку, схема отделена от потенциала земли, условий для тока не создается при электрическом контакте с землей.

Пробой изоляции проводников в эиом случае в подключенном к РТ электроприбору приводит к появлению электрического потенциала на корпусе, но электротравмы у человека не будет.

Однако опасность поражения электрическим током все-же существует. Следует соблюдать следующие правила:

1. Нельзя прикасаться к двум выходным клеммам трансформатора одновременно;

2. Первичная обмотка РТ работает в составе однофазной схемы и должна защищаться УЗО;

3. Корпуса подключаемых к разделительному трансформатору приборов не заземляют;

4. Запитывать от РТ допускается только одно электрическое устройство. При необходимости подключения дополнительного оборудования необходимо пользоваться приборами контроля изоляции, сигнализирующими об ее нарушениях.

Принципиальная блочная схема подключения разделительного трансформатора и приборов к нему:

Экономия электроэнергии. Трансформатор, как и любое электрическое или механическое устройство при работе теряет часть энергии. Потери оцениваются коэффициентом полезного действия (КПД).

В разных моделях КПД может колебаться в пределах 70-85%. Таким образом, становится очевидным, что экономии электроэнергии не будет; ей пренебрегают ради безопасности.

Область использования. Разделительные трансформаторы применяют в местах с повышенными требованиями к условиям электробезопасности:

– подвалах; – кабельных колодцах; – помещениях повышенной влажности; – работах с электроинструментом 1-го класса безопасности.

Довольно широко, РТ в настоящее время используются и в электроснабжении медицинских переносных и стационарных приборов.

Так, в частности, в лечебных учреждениях некоторых развитых стран мира их уже достаточно давно и успешно используют как меру повышения электробезопасности.

Вектор напряжения в выходных цепях вторичной обмотки повторяет полностью параметры первичного. Конечно, если учесть классы точности метрологических измерений, то определенные погрешности по величине и углам существуют. Однако, это чистая теория; при эксплуатации погрешности не учитываются.

Читайте также:  Автоматические зарядные устройства, самостоятельное изготовление
Ссылка на основную публикацию
×
×