СВЧ-излучение¶

СВЧ-излучение — это электромагнитное излучение в диапазоне сверхвысоких частот, охватывающем, как правило, частоты от 300 МГц до 300 ГГц (длины волн от 1 метра до 1 миллиметра). Термин «СВЧ» является аббревиатурой от «сверхвысокие частоты». Излучение этого диапазона используется в радиосвязи, радиолокации, медицине, промышленности и научных исследованиях.

¶Диапазон частот и место в спектре

СВЧ-диапазон расположен между ультракоротковолновым (УКВ) и инфракрасным диапазонами электромагнитного спектра. Внутри него выделяют несколько поддиапазонов, названных по обозначениям радиочастот:

В международной практике для обозначения диапазонов используют буквенные обозначения (L, S, C, X, Ku, Ka и другие), принятые в радиолокации и спутниковой связи.

¶Основные свойства

СВЧ-излучение обладает рядом характеристик, определяющих его поведение и применение:

• Короткие длины волн. Волны СВЧ распространяются почти по прямым, что позволяет создавать направленные излучатели (антенны) с высокой диаграммой направленности.
• Проникающая способность. СВЧ-волны способны проходить сквозь диэлектрики (стекло, пластмассы, дерево, ткани), но отражаются от металлов и поглощаются водой.
• Квантовые свойства. Энергия квантов СВЧ-излучения (фотонов) составляет от долей до десятков миллиэлектронвольт, что сопоставимо с энергией межатомных связей в кристаллических решётках.
• Интерференция и дифракция. СВЧ-волны легко демонстрируют волновые эффекты, что важно при проектировании антенн и волноводов.

¶История

Открытие СВЧ-излучения связано с работами немецкого физика Генриха Герца, который в 1887—1888 годах экспериментально подтвердил существование электромагнитных волн и создал источник и приёмник радиоволн с длиной около 66 сантиметров. В 1895—1896 годах русский физик Александр Попов создал первый в мире радиоприёмник и провёл публичные демонстрации радиосвязи.

В 1920-х годах начались работы по использованию СВЧ для радиолокации. В 1935 году шотландский физик Роберт Уотсон-Уотт продемонстрировал обнаружение самолёта с помощью радара. В СССР работы по СВЧ-технике развивались под руководством А. Л. Берга, М. В. Шулейкина и других учёных; в 1940-х годах в стране были созданы первые отечественные радарные станции.

¶Источники СВЧ-излучения

Для генерации СВЧ-излучения используются различные приборы:

• Магнетроны — вакуумные лампы, генерирующие мощное СВЧ-излучение; применяются в радарах и микроволновых печах.
• Клистроны — вакуумные лампы, работающие на бегущей волне; используются в усилителях и генераторах СВЧ.
• Лампы бегущей волны (ЛБВ) — мощные генераторы СВЧ, применяемые в радиолокации и спутниковых системах.
• Транзисторы и диоды — полупроводниковые генераторы СВЧ, используемые в мобильной связи и бытовой технике.
• Газоразрядные и твердотельные лазеры — генерируют СВЧ-излучение в отдельных случаях, например, в субмиллиметровом диапазоне.

¶Применение

¶Радиосвязь и телевидение

СВЧ-диапазон используется для мобильной связи (стандарты GSM, LTE, 5G), спутниковой связи, радиовещания и телевидения. Короткие длины волн позволяют создавать компактные антенны и обеспечивать широкую полосу пропускания.

¶Радиолокация

Радары используют СВЧ-излучение для обнаружения объектов, определения их координат, скорости и характеристик. Радиолокация применяется в авиации, мореплавании, военном деле, метеорологии и астрономии.

¶Медицина

В медицине СВЧ-излучение применяется в физиотерапии (диатермия, УВЧ-терапия) для прогревания тканей, а также в диагностике. Магнитно-резонансная томография (МРТ) использует радиочастотное излучение для получения изображений внутренних органов.

¶Промышленность и быт

Микроволновые печи нагревают пищу за счёт поглощения СВЧ-излучения водой, содержащейся в продуктах. В промышленности СВЧ применяется для сушки материалов, сварки пластмасс, стерилизации и в системах навигации.

¶Научные исследования

СВЧ-спектроскопия изучает строение молекул и кристаллических решёток. Радиоастрономия регистрирует космическое СВЧ-излучение, что позволяет исследовать межзвёздное вещество, реликтовое излучение и процессы в активных ядрах галактик.

¶Влияние на здоровье

При высокой интенсивности СВЧ-излучение способно нагревать ткани организма, что используется в медицине, но может быть опасно при чрезмерном облучении. Санитарные нормы ограничивают допустимые уровни СВЧ-излучения на рабочих местах и в бытовых условиях. Микроволновые печи и мобильные телефоны работают на частотах, при которых в нормальных условиях эксплуатации воздействие на организм остаётся в пределах установленных норм.

¶Источники

• Физический энциклопедический словарь / Гл. ред. А. М. Прохоров. — М.: Советская энциклопедия, 1983.
• Справочник по радиолокации / Под ред. В. Л. Пислякова. — М.: Советское радио, 1970.
• Борисов А. Д. Микроволновая техника. — М.: Высшая школа, 1982.
• Ветров Ю. М. Микроволновая техника. — М.: Радио и связь, 1980.