Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития

В настоящей работе представлен современный уровень развития квазиоптической техники во всем многообразии вариантов используемых линий передачи. Рассмотрены различные применения квазиоптических систем с учетом особенностей отдельных научных проблем и специфики прикладных задач. Изложение проведено ис...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2000
Автор:	Костенко, А.А.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2000
Назва видання:	Радиофизика и радиоастрономия
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122193
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития / А.А. Костенко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2000. — Т. 5, № 3. — С. 221-246. — Бібліогр.: 140 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-122193
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1221932017-06-30T03:02:10Z Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития Костенко, А.А. В настоящей работе представлен современный уровень развития квазиоптической техники во всем многообразии вариантов используемых линий передачи. Рассмотрены различные применения квазиоптических систем с учетом особенностей отдельных научных проблем и специфики прикладных задач. Изложение проведено исходя из первых принципов, начиная с пионерских исследований “волн Герца”. Основное внимание уделено работам радиофизиков стран бывшего Советского Союза, которые внесли существенный вклад в разработку квазиоптической техники. У роботі представлений сучасний рівень розвитку квазіоптичної техніки у всій різноманітності варіантів ліній передачі, що використовуються. Розглянуто застосування квазіоптичних систем з урахуванням особливостей окремих наукових напрямків і специфіки прикладних проблем. Дослідження проведено виходячи з перших принципів, починаючи з піонерських досліджень “хвиль Герца”. Особливу увагу приділено працям радіофізиків країн колишнього Радянського Союзу, котрі зробили істотний внесок у розробку квазіоптичної техніки. The modern level of the development of quasioptical techniques is presented in all the variety of transmission lines used. The applications of quasioptical systems are considered with allowance for the specific features of the particular scientific problems. Descriptions is carried out from the very beginning, starting from the pioneer research of the “Hertz waves”. The contribution is enlighted of scientists and engineers from the former Soviet Union countries in the development of quasioptical techniques. 2000 Article Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития / А.А. Костенко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2000. — Т. 5, № 3. — С. 221-246. — Бібліогр.: 140 назв. — рос. 1027-9636 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122193 621.372.81 ru Радиофизика и радиоастрономия Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
description	В настоящей работе представлен современный уровень развития квазиоптической техники во всем многообразии вариантов используемых линий передачи. Рассмотрены различные применения квазиоптических систем с учетом особенностей отдельных научных проблем и специфики прикладных задач. Изложение проведено исходя из первых принципов, начиная с пионерских исследований “волн Герца”. Основное внимание уделено работам радиофизиков стран бывшего Советского Союза, которые внесли существенный вклад в разработку квазиоптической техники.
format	Article
author	Костенко, А.А.
spellingShingle	Костенко, А.А. Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития Радиофизика и радиоастрономия
author_facet	Костенко, А.А.
author_sort	Костенко, А.А.
title	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития
title_short	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития
title_full	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития
title_fullStr	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития
title_full_unstemmed	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития
title_sort	квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2000
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/122193
citation_txt	Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития / А.А. Костенко // Радиофизика и радиоастрономия. — 2000. — Т. 5, № 3. — С. 221-246. — Бібліогр.: 140 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT kostenkoaa kvazioptikaistoričeskiepredposylkiisovremennyetendenciirazvitiâ
first_indexed	2025-07-08T21:18:47Z
last_indexed	2025-07-08T21:18:47Z
_version_	1837115144117682176
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3, стр. 221-246 © А. А. Костенко, 2000 УДК 621.372.81 В 1865 г. Максвелл предложил свою теорию света. К концу 1888 г. она всесторонне проверена и подтвер- ждена. Полное ее развитие есть не более, как вопрос времени, труда и остроумия. Все владения оптики те- перь присоединены к электричеству, которое таким образом сделалось господствующей наукой. О. Лодж. Современные взгляды на электричество Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития А. А. Костенко Институт радиофизики и электроники им. А. Я. Усикова НАН Украины Украина, 61085, г. Харьков, ул. академика Проскуры, 12 kostenko@ire.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 13 октября 2000 г. В настоящей работе представлен современный уровень развития квазиоптической техники во всем многообразии вариантов используемых линий передачи. Рассмотрены различные применения квазиопти- ческих систем с учетом особенностей отдельных научных проблем и специфики прикладных задач. Изло- жение проведено исходя из первых принципов, начиная с пионерских исследований “волн Герца”. Основ- ное внимание уделено работам радиофизиков стран бывшего Советского Союза, которые внесли суще- ственный вклад в разработку квазиоптической техники. У роботі представлений сучасний рівень розвитку квазіоптичної техніки у всій різноманітності варі- антів ліній передачі, що використовуються. Розглянуто застосування квазіоптичних систем з урахуванням особливостей окремих наукових напрямків і специфіки прикладних проблем. Дослідження проведено виходячи з перших принципів, починаючи з піонерських досліджень “хвиль Герца”. Особливу увагу при- ділено працям радіофізиків країн колишнього Радянського Союзу, котрі зробили істотний внесок у роз- робку квазіоптичної техніки. 1. Введение Более чем за вековой период своей истории квазиоптика сформировалась как универсальное научное направление, включающее совокупность методов и средств для изучения процессов рас- пространения, преломления и отражения элект- ромагнитных волн в том случае, когда длина вол- ны мала по сравнению с поперечными размера- ми рассеивающих или направляющих систем, D<λ (в отличие от геометрической оптики, где D<<λ , здесь наряду с геометрооптическими учитываются дифракционные явления). В то же время в научной литературе имеется крайне огра- ниченное количество работ, в которых все аспек- ты проблемы представлены в полном объеме, в сопоставимой форме, в динамике развития с уче- том особенностей отдельных научных проблем и специфики прикладных задач. Как правило, эти публикации относятся к определенному истори- ческому периоду [1-3], посвящены разработке того или иного направления исследований [4-6] или являются обзорами работ отдельной научной школы [7-10]. В 1998 г. вышла в свет монография [11] с уникальным библиографическим списком, содержащим более 700 наименований. В этой работе наиболее полно систематизирована теория гауссовых волновых пучков, приведены резуль- А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3222 таты разработки элементной базы и рассмотрены особенности решения прикладных задач приме- нительно к этому важному, но, тем не менее, не единственному способу канализации электромаг- нитной энергии и реализации функциональных систем различного назначения. Среди русскоязыч- ной научной литературы первым изданием, по- священным таким вопросам, можно считать из- данный в 1966 г. сборник [12], в который вошли избранные доклады на международном симпози- уме по квазиоптике, состоявшемся в 1964 г. в Нью- Йорке. Наиболее исчерпывающая информация о квазиоптических линиях передачи различного типа и принципах построения приборов и уст- ройств, соответствующая уровню развития эле- ментной базы 60-х годов, содержится в моногра- фии [13] (1969 г.). Дополнительные сведения от- носительно разработок более позднего периода, в частности, на основе полого диэлектрического лучевода и металло-диэлектрических волноводов можно найти в работах [14, 15]. В настоящей работе сделана попытка показать современный уровень развития квазиоптической техники во всем многообразии вариантов применя- емых линий передачи и различных ее приложений. Наряду с этим приведен обзор исследований “волн Герца” (так называли опыты по изучению свойств электромагнитных волн последователи Герца), в которых были заложены основные квазиоптические принципы, широко и эффективно используемые в современной СВЧ технике. Объем журнальной пуб- ликации не позволяет детально рассмотреть техни- ческие характеристики квазиоптических систем раз- личного типа и привести полный обзор литературы в части описания приборов и устройств, но при этом показаны ключевые тенденции исследований и раз- работок, выделены основополагающие работы и статьи обзорного характера. Из рассмотрения заве- домо исключены такие важные проблемы, как раз- работка СВЧ антенн оптического типа [16-18], от- крытых резонаторов [19-21] и квазиоптических твер- дотельных приборов [22], которые в настоящее вре- мя определились как самостоятельные научные на- правления и широко освещены в современной на- учно-технической литературе. 2. Пионерские исследования “волн Герца” (1888-1900 гг.) Формирование квазиоптики как научного на- правления тесно связано с развитием высокочас- тотной радиотехники и берет свое начало в зна- менитых опытах Г. Герца, результаты которых были представлены 13 декабря 1888 г. в докладе “О лучах электрической силы” на заседании Бер- линской академии наук и убедительно доказали единство природы электромагнитных и световых волн [23]. При постановке этих экспериментов Герц стремился к уменьшению геометрических размеров приборов, что позволило ему получить электромагнитное излучение с длиной волны λ = 66 см и провести исследования, следуя класси- ческим оптическим представлениям. “Мне уда- лось, – писал он, – получить отчетливые лучи электрической силы и произвести при их помощи все элементарные опыты, которые производятся со световыми и тепловыми лучами”. Для концен- трации электромагнитной энергии в виде направ- ленного луча Герц использовал параболическое цилиндрическое зеркало из цинкового листа с размером апертуры 2.10.2 × м2 и фокусным рас- стоянием 12.5 см (рис. 1). В фокальной линии зер- кала был установлен диполь с искровым зазором Рис. 1. Параболический рефлектор антенны Герца для опытов на волне λ = 66 см. Репродукция из работы [23] Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 223 для подключения к индукционному устройству типа Кайзера – Шмидта (рис. 2, а). Приемная ан- тенна имела аналогичную конструкцию, а в фо- кальной линии зеркала был размещен резонатор в виде двух стержней, внутренние концы которых при помощи проволок, проходивших через стен- ку зеркала наружу, присоединялись к искровому промежутку, регулируемому при помощи микро- метрического винта (рис. 2, б). Регистрация электромагнитного излучения осуществлялась за счет вторичного искрового разряда. Эксперимен- тируя с направленными пучками лучей, Герц под- твердил законы прямолинейного распростране- ния, отражения, преломления и исследовал поля- ризационные явления применительно к электро- магнитным волнам, по сути дела, впервые реали- зовав квазиоптические принципы в высокочастот- ной радиотехнике. При этом он использовал эк- раны из станиоля, золотых листочков и деревян- ных щитов, а максимальное расстояние между ан- теннами в его опытах составляло 16 м. Для ис- следования преломления при прохождении луча из одной среды в другую Герц изготовил призму из асфальта массой 1200 кг с сечением в виде рав- нобедренного треугольника с боковой стороной 1.2 м, высотой 1.5 м, преломляющим углом 30°. Для поляризационных исследований он исполь- зовал решетку из медной проволоки (диаметр 2b = 1 см, период l = 3 см), натянутую на деревян- ную восьмиугольную рамку 0.20.2 × м2. Эксперименты Герца имели фундаментальное значение и стимулировали развитие исследований оптических свойств электромагнитных волн и их практических приложений. При этом последова- тели Герца, воспроизводя и развивая его опыты, стремились к еще большему укорочению длины волны и совершенствованию экспериментальных приборов. В 1894 г. А. Риги модернизировал диполь Гер- ца, введя вместо одного искрового промежутка три, что позволило ему получить излучение с длиной волны λ = 7.5 и 20 см [24]. Один из вариантов кон- струкции подобного осциллятора с параболичес- ким рефлектором показан на рис. 3. Уже в 1895 г. П. Н. Лебедев провел серию опытов с волной λ = 6 мм [25, 26]. По его словам, “появилась потреб- ность делать его (Герца – А. К.) опыты в неболь- шом масштабе, более удобном для научных изыс- каний”, и переход к столь коротким волнам был необходим для формирования и фокусировки “лу- чей электрической силы”, предназначенных для ис- следования взаимодействия электромагнитных волн с веществом. Хотя в целом программа иссле- дований Лебедева соответствовала опытам Герца, линейные размеры разработанных им приборов были в сто раз меньше, а их техническая реализа- ция для своего времени являлась уникальной и вызывала восхищение современников. Первичный излучатель явился развитием идеи, предложенной Риги, и состоял из двух платиновых цилиндров длиной 1.3 мм и диаметром 0.5 мм, расположен- ных в фокусе кругового цилиндрического зеркала размером 2.10.2 × см2. Зеркало было помещено в Рис. 2. Конструкции передающего (а) и приемного (б) диполей антенны Герца (Репродукция из работы [23]) Рис. 3. Конструкция одного из вариантов осциллятора Риги с параболическим рефлектором. (Репродукция со страницы http:www.df.umbo.it/museo/files/RIGHI.HTM с любезного разрешения Museo di Fisica, Departimento di Fisica, Universita degli Studi di Bologna (Italy)) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3224 керосиновую ванну, из которой электромагнитный луч выходил через слюдяное окно. Аналогично была выполнена приемная антенна: в фокусе вто- ричного зеркала были расположены два прямоли- нейных резонатора длиной 3 мм, но индикатором служила не вторичная искра, как у Герца, а желе- зо-константановая термопара и чувствительный гальванометр. В большинстве опытов расстояние между антеннами составляло 10 см. Комплект экс- периментальных устройств (рис. 4), разработанных Лебедевым, включал проволочный поляризатор (ре- шетка из 20 тонких проволок, натянутых на четыре- хугольную рамку размером 0.20.2 × см2), металли- ческие зеркала 0.20.2 × см2, призму из эбонита (вы- Рис. 4. Комплект устройств, разработанных Лебедевым для осуществления опытов Герца на волне λ = 6 мм. (Репродукция из работы [26]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 225 сота 1.8 см, ширина 1.2 см, преломляющий угол 45°, вес 2 г), а также призмы, николь и четвертьволно- вую фазовую пластинку из двоякопреломляющих кристаллов ромбической серы. Изготовленные Ле- бедевым приборы позволили ему не только повто- рить опыты Герца, но также экспериментально на- блюдать двойное преломление лучей и продемон- стрировали “тождество в явлениях электрических и световых колебаний в этом более сложном случае”. Более того, уменьшая размеры вибратора (длина – 0.8 мм и диаметр – 0.3 мм), Лебедев обнаружил ко- лебания при 3=λ мм [27]. В то время это были самые короткие электромагнитные волны, получен- ные при помощи искрового колебательного разря- да. Как писал А. Дюбуа в письме к Лебедеву от 10.10.1899 г., в результате этих работ “Россия ста- новится world’s small wave champion” [28]. В идейном плане эта работа предвосхитила раз- витие квазиоптических методов формирования по- лей в виде остронаправленных пучков и их преоб- разования различными системами на пути освое- ния миллиметрового диапазона. Лебедев писал [25]: “...короткие волны пригодны для обширных применений, так как здесь с приборами средних размеров, безукоризненными в оптическом отно- шении, дифракционные явления могут быть впол- не отодвинуты на задний план, и незначительные количества исследуемых веществ уже достаточны для точных измерений. Таким образом, те простые условия, к которым мы привыкли при оптических исследованиях, могут быть осуществлены в опти- ке герцевских колебаний”. Именно для реализации тех условий, в которых могли быть эффективно осуществлены квазиопти- ческие принципы, исследователи “волн Герца” искали новые методы построения излучающих и детектирующих устройств. В 1894 г. О. Дж. Лодж впервые предложил излу- чатель волноводного типа, поместив вибратор в от- резок медной трубы круглого сечения, которая была закрыта с одной стороны и открыта с другой (рис. 5). В своих опытах он использовал электромагнитные волны 5.7=λ и 20 см [29]. Аналогичные конструк- ции на основе волноводов круглого и квадратного сечений были исследованы Дж. Ч. Бозе в 1897 г. в диапазоне λ = 0.5 ÷ 2.5 см [4]. В коротковолновой части диапазона волновод был сверхразмерным (по- перечный размер порядка 2.5 см), а устранение коле- баний высших типов достигалось при помощи по- глощающего покрытия на внутренней поверхности трубы в виде промокательной бумаги, пропитанной электролитом. В 1900 г. Дж. А. Флеминг в исследо- ваниях на волне λ = 20 см [30] предложил излучатель прямоугольного сечения, который можно считать прообразом прямоугольного волновода, а для фоку- сировки луча применил цилиндрическую линзу из парафина (рис. 6, а). При этом в системах на основе излучателей волноводного типа авторы фактически использовали фильтрующие свойства волновода для подавления низкочастотных составляющих спектра шумового источника излучений. Возможность сконцентрировать электромагнит- ную энергию при помощи линз привлекала иссле- дователей как альтернативный вариант зеркальной системы, не всегда удобной в лабораторных усло- Рис. 5. Конструкция волноводного излучателя Лоджа в виде отрезка медной трубы круглого сечения. (Репро- дукция из работы [29]) Рис. 6. Экспериментальные устройства Флеминга для исследований на волне λ = 20 см: а) конструкция излучателя в виде волновода прямоуголь- ного сечения и цилиндрической фокусирующей линзы; б) измерительная установка для исследования прелом- ляющих свойств призмы. (Репродукции из работы [30]) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3226 виях. Еще в 1889 г. О. Дж. Лодж и Дж. Л. Говард [31] изготовили для этих целей цилиндрические линзы из древесной смолы, однако не смогли до- биться достаточной фокусировки луча, т. к. линза имела размеры соизмеримые с длиной волны ( 101=λ см). В 1894 г. Лодж использовал стеклян- ную линзу диаметром 23 см ( 5.7=λ см) и отме- тил заметный фокусирующий эффект [29]. Еще в большей степени фокусирующее действие линзы проявилось в опытах Риги [32], который экспери- ментировал с линзами (рис. 7) из парафина и серы диаметром 32 см ( 3=λ см). В 1897 г. Бозе, осуще- ствляя свои эксперименты в диапазоне длин волн λ = 0.5 ÷ 2.5 см [4], разработал ряд квазиоптичес- ких устройств, в том числе экранированную линзо- вую антенну (рис. 8), в которой излучатель и цилин- дрическая линза из серы диаметром 25 мм были объединены в единую конструкцию внутри трубы. При этом для устранения нежелательных переотра- жений он, так же как и в своих волноводных излу- чателях, применил поглощающее покрытие на внут- ренней поверхности трубы. Кроме этого, Бозе в ка- честве приемного устройства впервые использовал пирамидальный волноводный рупор [33]. В 1890 г. Э. Бранли в качестве детектирующе- го устройства предложил прибор, основанный на изменении проводимости металлических порош- ков под воздействием электромагнитного излуче- ния. В дальнейшем большинство исследователей использовали различные варианты конструкции подобного устройства, усовершенствованного в 1894 г. Лоджем [29] и названного им “когерером”. Большой вклад в развитие детектирующего эле- мента внес Бозе. С целью повышения надежнос- ти и стабильности работы он модернизировал ко- герер и вместо металлического порошка исполь- зовал спиральную стальную пружину [33]. Такое устройство представляло собой мультиконтакт- ный детектор, использующий полупроводниковые свойства естественного оксидного покрытия пру- жины. Конструкция детектора обеспечивала ре- гулировку чувствительности, что позволило Бозе осуществить достаточно тонкие поляризационные измерения с высокой степенью надежности. Его дальнейшие исследования проводимости различ- ных материалов при воздействии электромагнит- ного излучения привели к созданию точечно-кон- тактного полупроводникового детектора на осно- ве сульфида свинца. Изобретение Бозе было за- регистрировано в 1901 г. и впоследствии призна- но первым в мире патентом на полупроводнико- вый прибор (датирован 29 марта 1904 г. [34]). Это устройство, являясь по своей сути прибором ква- зиоптического типа, было предназначено для ис- следований в миллиметровом диапазоне длин волн, что соответствовало общим тенденциям в высокочастотных исследованиях того периода. Точечно-контактный детектор (cat whiskers) был размещен в сферическом корпусе, а электромаг- нитное излучение поступало на него через стек- лянную линзу (рис. 9). Наряду с работами по созданию новых излуча- ющих и детектирующих устройств был внесен су- щественный вклад в дальнейшее развитие квази- оптических методов исследований. В частности, Лодж [29] и Флеминг (рис. 6, б) [30] изучили пре- ломляющие свойства призм из парафина. Возмож- ность в больших пределах регулировать величину отношения переданной и отраженной мощностей Рис. 7. Линзы, используемые в экспериментах Риги. (Репродукция со страницы http:www.df.umbo.it/museo/ files/RIGHI.HTM с любезного разрешения Museo di Fisica, Departimento di Fisica, Universita degli Studi di Bologna (Italy)) Рис. 8. Конструкция экранированной линзовой антенны Бозе. (Репродукция из работы [4]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 227 при изменении расстояния между гранями двух ди- электрических призм (рис. 10) была впервые от- мечена Бозе, а использование этого свойства по- зволило ему реализовать оригинальную конструк- цию аттенюатора [4]. Важным этапом было созда- ние поляриметрических и интерферометрических систем на базе уже известных устройств. При по- мощи интерферометра, осуществленного в 1897 г. Дж. Ф. Халлом, были проведены измерения дли- ны волны ( 12.9=λ см) с погрешностью менее 1 % [35]. Бозе разработал спектрометр (рис. 11), включающий комплект квазиоптических устройств [33] для диапазона длин волн λ = 0.5÷ 2.5 см. Кро- ме того, он создал ряд поляриметрических систем [36], где в качестве поляризаторов наряду с прово- лочной дифракционной решеткой использовал ме- талло-пластинчатую структуру (рис. 12), период которой был выбран таким образом, чтобы обес- печить предельный режим для основного типа ко- лебаний в системе волноводного типа. Успехи, достигнутые на рубеже XIX и XX сто- летий в исследованиях “волн Герца”, а также ши- рокие функциональные возможности разработан- ной квазиоптической аппаратуры привели к со- зданию принципиально новых методов изучения живой и неживой материи. Комплект измеритель- ных устройств, разработанных Бозе, был приме- нен им для поляризационных исследований мно- Рис. 9. Точечно-контактный полупроводниковый детек- тор Бозе. (Репродукция из работы [34]) Рис. 10. Схема аттенюатора Бозе на основе двух призм с регулируемым зазором между гранями. (Репродукция из работы [4]) Рис. 11. Спектрометр Бозе, предназначенный для иссле- дований в диапазоне волн λ = 0.5 ÷ 2.5 см. (Репродукция из работы [4]) Рис. 12. Металло-пластинчатый поляризатор Бозе. (Репродукция из работы [36]) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3228 гих естественных материалов и искусственных сред, включая различные кристаллы и раститель- ные волокна [36], а также для осуществления первых экспериментов по микроволновому мо- делированию молекул оптически активных ве- ществ [37]. Риги изготовил четвертьволновую секцию [32], используя поляризационно-избира- тельные свойства растительных волокон. А. Гар- бассо и Е. Ашкинасс в 1894 г. реализовали поля- ризационно-селективное зеркало в виде решетки диполей, а также призму, состоящую из системы дисперсионных диполей ( 5.7=λ см) [38], которую можно считать первой структурой, выполненной из искусственного диэлектрика. В 1894 г. М. Бер- кленд изготовил “синтетические” материалы, в ча- стности, “ферро-парафин”, состоящий из опилок чугуна или чугунной пудры, смешанных вместе с порошком кварца в парафине [39]. На различных частотах были исследованы свойства воды (Фле- минг [30], Коул [40]), спиртов, касторового и олив- кового масел, бензина и др. веществ (Бранли [41]). Имея важное фундаментальное значение, ис- следования “волн Герца” вместе с тем послужили основой для практических работ А. С. Попова (1895 г.) и Г. Маркони (1896 г.) в области беспро- водной радиотелеграфии. Характерно, что в ран- них исследованиях Маркони под влиянием работ своего соотечественника Риги исходил из квази- оптических представлений и в первых опытах по радиотелеграфии на волне длиной 25 см для фор- мирования направленного излучения использовал зеркальную антенную систему. Антенна его кон- струкции, выполненная в виде параболического цилиндра (рис. 13) [42], позволила достигнуть дальности передачи 6.5 км. Однако несмотря на столь яркие и многообе- щающие результаты, характерные для начального периода развития высокочастотной радиотехники (1888–1900 гг.), в последующие годы в области ос- воения высокочастотных диапазонов, а также в разработке техники и методов исследований с ис- пользованием квазиоптических принципов наблю- дался заметный спад. В первую очередь это объяс- няется тем, что искровые методы возбуждения за- тухающих колебаний исчерпали свои возможнос- ти как на пути дальнейшего укорочения длины волны, так и в плане развития высокочастотных методов исследований материи. В частности, Ле- бедев предвидел, что в этом смысле создание мо- нохроматических генераторов миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов будет представлять основную и наиболее сложную проблему [27]: “…для получения колебаний, заключающихся меж- ду 3=λ мм и 1.0=λ мм нам необходимо найти новый источник. Измерять длины этих более ко- ротких волн интерференциею и наблюдать их тер- моэлементом не составит трудности, но получать их известными уже приемами вряд ли возможно; вибратору и резонатору нужно было бы дать раз- меры, по сравнению с которыми самые тонкие про- изведения часовщика или ювелира – только неук- люжие металлические массы; количество энергии, которое в виде заряда можно запасти на таком микроскопическом вибраторе, неуловимо мало; сверх всего этого является совершенно неизвест- ным, возможны ли образования колебаний при ис- кровом разряде таких ничтожных зарядов. Сейчас мы не имеем возможности предвидеть, как удаст- ся разрешить это затруднение; во всяком случае тут встретятся значительные затруднения, и спо- соб получения еще более коротких волн будет очень крупным шагом вперед в области эксперименталь- ной физики.” С другой стороны, впечатляющие успехи, дос- тигнутые в увеличении дальности радиосвязи при переходе к более длинным волнам (уже в 1901 г. Маркони удалось осуществить радиопередачу из Европы в Америку через Атлантику на расстояние свыше 3500 км), существенно ослабили интерес к исследованиям в сверхвысокочастотном диапазо- не и в то же время стимулировали исследования в области коротких, средних и длинных волн. Тем не менее, некоторые исследователи продолжали ре- ализовывать квазиоптические подходы в различ- ных работах. При этом разрабатывались такие сис- темы, размеры которых в низкочастотных диапа- зонах соответствовали условию 1>λD . В пер- Рис. 13. Антенна Маркони с параболическим зеркаль- ным рефлектором. (Репродукция из работы [42]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 229 вую очередь это относится к созданию зеркальных антенн [16], в том числе для формирования остро- направленного излучения в радиотелескопах [17]. 3. Передача электромагнитной энергии из передающей антенны в приемную в виде направленного пучка Широкомасштабное освоение сверхвысокоча- стотного диапазона возобновилось только в 30-е годы, когда были разработаны монохроматические источники колебаний и чувствительные приемно- усилительные устройства. Решающим фактором было создание полых металлических волноводов и функциональных устройств на их основе. По мере продвижения волноводной техники в направлении укорочения длины волны одновременно совершен- ствовалась технология изготовления волноводных узлов, создавались новые материалы, разрабаты- вались методы измерений и необходимая измери- тельная аппаратура. На рубеже 50-х и 60-х годов были освоены де- циметровый, сантиметровый и частично миллимет- ровый диапазоны волн, а в научном и технологи- ческом аспектах была подготовлена почва для раз- работки устройств и систем коротковолновой час- ти миллиметрового и субмиллиметрового диапа- зонов волн. Здесь квазиоптические принципы ока- зались весьма плодотворными и открывали широ- кие возможности для создания адекватной элемен- тной базы. В эти годы был осуществлен прорыв в разработке квазиоптических методов передачи и преобразования электромагнитных волн, а квази- оптика сформировалась как важное и эффектив- ное направление радиофизических исследований и разнообразных приложений. Как было отмечено выше, идея передачи элек- тромагнитной энергии из передающей в приемную антенну направленным волновым пучком была ап- робирована еще в первых опытах исследователей “волн Герца”. Естественно, что подобная система, как наиболее простая и легко реализуемая, в даль- нейшем была развита, исследована и использова- на для различных применений еще до появления квазиоптических линий передачи других типов. Для теоретического анализа полей излучения в такой системе обычно эффективно применяется метод Гюйгенса-Кирхгофа, в соответствии с кото- рым в дифракционном поле выделяют три зоны – ближнюю, промежуточную (зону дифракции Френеля) и дальнюю. Если в дальней зоне, т. е. на расстоянии λ> 22DR , электромагнитное поле сформировано в виде сферической волны, то в ближней и промежуточной зонах оно имеет вид лучевой трубки. В этой области за счет квадратич- ной коррекции в апертурном распределении фазы можно добиться фокусировки антенны и осуще- ствить направленную передачу энергии на прием- ную антенну. Эффективность фокусировки в та- кой системе определяется относительным разме- ром раскрыва антенны и ее фокусным расстояни- ем. Наряду с методом Гюйгенса-Кирхгофа, для изучения поля излучения было предложено [43] и в дальнейшем развито [44] его представление в виде суперпозиции плоских волн, распространяю- щихся в различных направлениях. При этом было введено понятие углового спектра как функции ам- плитуды и фазы волн в зависимости от направления их распространения, который представляет собой Фурье-преобразование распределения поля в плос- кости апертуры. Для определения мощности пада- ющей на приемную антенну неплоской волны было найдено простое и удобное для инженерных расче- тов соотношение [45], основанное на лемме Лорен- ца и полученное для антенн с большим раскрывом, т. е. с допущениями, эквивалентными приближению Кирхгофа. Это выражение оказалось эффективным для расчета потерь не только при передаче мощно- сти от передающей антенны в приемную [46], но и при включении в систему элементов и устройств, в той или иной степени искажающих амплитудно-фа- зовое распределение исходного волнового поля [47]. 3.1. Квазиоптические приборы и устройства открытого типа Для открытых систем, в которых передача элек- тромагнитной энергии между приемной и переда- ющей антеннами осуществляется сфокусирован- ным пучком, был реализован целый ряд устройств, способных решать самые разнообразные функци- ональные задачи. Система двух призм с регулиру- емым зазором между гранями [4] в дальнейшем использовалась при построении таких устройств, как направленный ответвитель, поглощающий ат- тенюатор, измеритель коэффициента стоячей вол- ны, преобразователь поляризации и др. [5, 6, 48]. Другим элементом, нашедшим самое широкое при- менение в квазиоптической технике, является де- литель на основе полупрозрачной диэлектричес- кой пластины, расположенной под углом относи- тельно направления распространения. В частности, такое устройство было взято за основу при реали- зации пассивного антенного переключателя [48]. Важным этапом в подобных разработках стало использование искусственных диэлектриков и пе- А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3230 риодических структур различного типа, уникаль- ные свойства которых обеспечили создание цело- го ряда квазиоптических устройств и систем. Было разработано большое количество самых разнооб- разных искусственных сред, которые можно под- разделить на структуры из препятствий и структу- ры волноводного типа [5, 6]. В частности, волно- водная структура в виде набора эквидистантных металлических пластин широко использовалась при создании поляризаторов, поляризационно-се- лективных отражателей, преобразователей поляри- зации и др. На основе подобной структуры были реализованы пассивные антенные переключатели с круговой поляризацией [48, 49]; лабораторный макет одного из вариантов ( 5.8=λ мм) показан на рис. 14. Существенную роль при создании ква- зиоптической техники сыграло применение диф- ракционных решеток различного типа как эффек- тивных поляризационных элементов. Теоретичес- кие работы, посвященные прохождению электро- магнитных волн через подобные структуры, име- ют давнюю историю [50] и проводились многими исследователями в течение длительного периода. Следует выделить работу [51], где методом воз- мущений были найдены аналитические решения для коэффициентов отражения и прохождения проволочных дифракционных решеток в случае 2a >> λ >>l > 2b (где 2a – внешний размер ре- шетки, 2b – диаметр проволоки, l – период ре- шетки). Впоследствии эти выражения были уточ- нены и получены для широкого класса дифрак- ционных структур, в том числе для ленточных ре- шеток [52, 53]. Найденные соотношения обеспе- чивают высокую степень достоверности для гео- метрии решеток, типичной в квазиоптической технике и позволили исследовать электродина- мические свойства в сопоставлении с экспери- ментальными исследованиями [54]. Сравнитель- ный анализ решеток различного типа, проведен- ный на основе обзора экспериментальных ре- зультатов, представлен в работе [55]. Промыш- ленный выпуск проволочных решеток, освоен- ный в широком диапазоне геометрических пара- метров (2b = (8 ÷ 20)⋅10−6 м, l = (20 ÷ 400)⋅10−6 м и 2a = 40 ÷ 100 мм), способствовал созданию в Физическом институте имени П. Н. Лебедева АН СССР (впоследствии ФИ РАН, Москва) квази- оптической измерительной аппаратуры субмилли- метрового диапазона открытого типа [8]: поляри- затора (рис. 15), интерферометра Фабри-Перо, ат- тенюатора, вращателя плоскости поляризации, ка- либрованного волномера и др. 3.2. Лабораторные измерительные установки открытого типа Линии передачи электромагнитной энергии между приемной и передающей антеннами в виде направленного излучения уже в 50-60-е годы были Рис. 14. Антенный переключатель открытого типа для работы в режиме круговой поляризации (λ = 5 мм). (Реп- родукция из работы [48]) Рис. 15. Поляризатор миллиметрового диапазона на ос- нове проволочной дифракционной решетки. (Репродук- ция из работы [8]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 231 реализованы в таких лабораторных измерительных приборах, как спектрометры и интерферометры [56-61], измерительная часть которых представля- ла собой квазиоптический узел открытого типа. В этот период наряду с созданием устройств сан- тиметрового диапазона [56, 57] более активно раз- рабатываются аналогичные установки в миллимет- ровом диапазоне волн [58-61], для которых харак- терно использование принципов, хорошо извест- ных в оптике, с учетом особенностей и уровня технологий соответствующей элементной базы. Фотография интерферометра Майкельсона, обес- печивающего измерения характеристик диэлектри- ков в диапазоне частот 100 ÷ 300 ГГц [61], кото- рый был реализован в 1961 г. Ф. Собелом, приве- дена на рис. 16. В дальнейшем подобные системы нашли ши- рокое применение как лабораторные измеритель- ные комплексы. В частности, в ЛОВ-радиоспект- рометре, осуществленном в ФИ РАН и предназ- наченном для исследования твердых тел в диапа- зоне длин волн λ = 0.5÷2.5 мм при температуре жидкого гелия, параксиальный поляризованный волновой пучок при помощи системы зеркал вво- дился в гелиевый криостат через тефлоновое окно [62]. Работы в области ЛОВ-радиоспектроскопии на основе открытых квазиоптических систем по- лучили развитие в Институте общей физики АН СССР (впоследствии ИОФ РАН, Москва). Примером удачного использования открытой линии передачи является также четырехканальный интерферометр, разработанный для эксперимен- тальной термоядерной установки Токамак ТФР на основе HCN лазера (λ = 0.337 мм) [63]. 3.3. Передача СВЧ энергии на расстояние Формирование направленного излучения при помощи фокусирующей антенной системы также использовалось или предполагалось использовать при передаче СВЧ энергии. Эта идея впервые была высказана в 1899 г. Н. Тесла и на многие годы предвосхитила развитие СВЧ энергетики . В 1945 г. С. И. Тетельбаум впервые рассмотрел энергетическую эффективность такой линии для беспроводной электропередачи [64], а возможно- сти ее реализации в дальнейшем прорабатывались многими авторами [65, 66]. Известны грандиоз- ные проекты создания солнечных электростанций, расположенных на космических платформах и пе- редающих энергию на Землю при помощи направ- ленного СВЧ излучения [67, 68], а также проекты использования подобного луча для питания дви- гательных установок космических объектов [69]. В частности, система передачи СВЧ энергии [69] должна обеспечивать работу СВЧ двигателя од- ной из ступеней ракеты при выводе космического корабля на лунную орбиту. Наземная антенна представляет собой решетку из 1000 отдельных параболических антенн (λ = 3 см, диаметр 10 м), а бортовая антенна в развернутом состоянии об- разует параболоид диаметром 100 м (рис. 17). Предполагается, что приемная антенна этой сис- темы должна получать более 30 % излучаемой мощности при расстоянии между приемной и передающей антеннами до 1000 км. Однако осуще- ствления таких сложнейших масштабных проектов трудно ожидать в ближайшем будущем. В то же время решение более частных и локальных задач по передаче энергии на расстояние в виде направ- ленного пучка представляется реальным и уже реа- лизовано в ряде экспериментов. В 1964 г. был про- демонстрирован вертолет с электромотором, кото- рый продержался на высоте 17 м в течение 10 ча- сов, потребляя только энергию в виде СВЧ пучка [70]. Это явилось первой демонстрацией подобной линии передачи энергии, а в 1975 г. был проведен полигонный эксперимент по передаче СВЧ энергии на расстояние в одну морскую милю (1.6 км) [68]. 3.4. Квазиоптические тракты питания антенных систем Аналогичный подход был реализован при раз- работке устройств питания радиорелейных линий и антенн наземных станций спутниковых линий свя- зи [46, 71]. Передача энергии в виде сфокусирован- ного луча от стационарного приемо-передающего устройства к основной антенне, расположенной на большой высоте, позволила исключить длинный тракт питания с дополнительными потерями и обес- печить высокие параметры устройства в широкой Рис. 16. Интерферометр Майкельсона открытого типа для исследования характеристик диэлектриков в диапа- зоне частот f=100÷300 ГГц. (Репродукция из работы [61]) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3232 полосе частот. При этом наряду с линией передачи в виде двух взаимно сфокусированных зеркальных антенн (рис. 18, а), широкое распространение по- лучили перископические системы, в которых ан- тенные системы представляют собой различные комбинации параболических и плоских зеркал (рис. 18, б). Подобные комбинированные зеркала использовались также при создании лабораторных измерительных стендов квазиоптического типа [13]. Рассмотренные принципы, заложенные в осно- ву работы элементов и приборов для систем, обра- зованных передающей и приемной апертурами, оказались типичными и общими для большинства других квазиоптических линий передачи и в даль- нейшем были воплощены во многих вариантах устройств различного назначения. Тем не менее, следует отметить, что суммарная длина тракта, образованного передающей и при- емной апертурами, не может превышать значения, характеризующегося величиной зоны Френеля, что в некоторых случаях ограничивает возможность применения подобных систем. 4. Металлические сверхразмерные волноводы В указанном смысле представляют интерес ме- таллические волноводы с существенно увеличен- ными размерами внутренних сечений, или сверх- размерные волноводы (СРВ), в которых погонное затухание значительно ниже, чем в стандартном волноводе, однако возможно возбуждение и рас- пространение колебаний высших типов. Такие ли- нии передачи оказались весьма эффективными и использовались для построения различных сис- тем и устройств как базовые. При этом были раз- виты квазиоптические подходы для расчета раз- личных неоднородностей в СРВ [72-76], а анализ таких элементов тракта, проведенный строгими методами [77], показал применимость этих мето- дов при поперечных размерах волновода D/λ > 5. 4.1. Волновод круглого сечения с волной H01 Симметричная магнитная волна в круглом ме- таллическом волноводе обладает удивительным свойством – коэффициент затухания такой волны Рис. 17. Параболическая бортовая антенна СВЧ двигателя ракеты, предназначенной для вывода космического ко- рабля на лунную орбиту (проект). (Репродукция из работы [69]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 233 уменьшается, стремясь к нулю при увеличении площади поперечного сечения, значительно быст- рее, чем для других волн. Это объясняется тем, что волна H01 не возбуждает в металлических стенках токов, текущих в направлении ее распространения, что отличает ее от всех других типов колебаний, существующих в таких волноводах. Указанное обстоятельство в 50-е и 60-е годы вызвало повы- шенный интерес к СРВ круглого сечения с волной H01, связанный с возможностью создания многока- нальной линии связи на дальние расстояния. В этот период были проведены широкомасштабные иссле- дования физических свойств таких волноводов, осуществлены разработка функциональных уст- ройств на их основе, а также опыты по реализации экспериментальных волноводных линий. В част- ности, в работе [78] приведены результаты целого комплекса исследований фирмы “Bell Telephone” по изучению волны H01 в круглом волноводе и пе- редаче энергии по экспериментальной линии (дли- на 152 м, диаметр 127 мм, рабочая частота 9 ГГц), показанной на рис. 19, а в сборнике статей [79] наиболее полно отражены все стороны проблемы (в том числе исследования в миллиметровом диа- пазоне). Целый ряд вопросов, связанных с особен- ностями практической реализации таких волново- дов при наличии изломов и изгибов, приведен в работе [80]. Однако в дальнейшем проблема ис- пользования СРВ круглого сечения с волной Н01 в качестве линии связи была исчерпана в связи с по- явлением волоконно-оптических средств, решаю- щих задачу создания магистральных линий связи на принципиально новом технологическом уров- не. Следует также отметить, что реализация боль- шинства устройств на основе круглого волновода Рис. 18. Беспроводные линии передачи энергии в виде двух сфокусированных зеркальных антенн (а) и перископичес- кого типа (б). (Репродукции из работ [46,71]) Рис. 19. Экспериментальная линия передачи энергии на основе круглого сверхразмерного волновода с волной H01 (f = 9 ГГц). (Репродукция из работы [78]) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3234 с волной H01 сводится к преобразованию основно- го типа колебаний в волну H01 прямоугольного волновода, осуществлению соответствующих фун- кций с использованием техники на основе прямо- угольного волновода и обратного преобразования в волну H01 круглого волновода. В то же время устройства возбуждения волны H01 отличаются большими габаритами, сложной конфигурацией и достаточно большими потерями, в связи с чем круг- лый СРВ с колебаниями типа H01 не нашел широ- кого применения в многофункциональных систе- мах. По этой же причине не получили дальнейше- го развития идеи передачи СВЧ энергии по круг- лым подземным волноводам большого диаметра (1 ÷ 2 м) на волне H01 [68]. 4.2. Волновод прямоугольного сечения с волной H10 Для СРВ прямоугольного сечения с волной H10 характерно использование в качестве базовой ли- нии передачи стандартных волноводов с более чем десятикратным увеличением поперечных разме- ров относительно одномодового режима [81]. В частности, использование волновода 3-см диа- пазона WG-16 (сечение 16.1086.22 × мм2) на дли- не волны 2 мм приводит к уменьшению затухания в 20 раз и составляет 0.23 дБ/м [82], а для волно- вода сечением 4.32.7 × мм2 в диапазоне длин волн 0.8 0.9λ = ÷ мм погонные потери составляют 1.4 дБ/м [83]. Были подробно исследованы свойства СРВ пря- моугольного сечения, в том числе особенности его возбуждения [84], и показано, что если линейный плавный переход от волновода стандартного сече- ния (одномодовый режим) к волноводу повышен- ного сечения должен иметь длину не менее λ50 , то использование возбудителей с более сложной формой позволяет уменьшить это значение до (5 ÷10)λ. При разработке устройств для СРВ необ- ходимо учитывать возможность распространения колебаний высших типов, в связи с чем примене- ние неоднородных в поперечном сечении элемен- тов не представляется возможным. В работе [85] описаны устройства на основе стандартного 3-см волновода, используемые в диапазоне длин волн 0.5÷8 мм, в том числе пирамидальные переходы, детекторная секция, крестообразный делитель на основе полупрозрачной пластины, фазовращатель, эталонный и поглощающий аттенюаторы и ин- терферометр Маха-Цендера. Для волновода сече- нием 6.32.7 × мм2 были изготовлены направлен- ный ответвитель (рис. 20), регулируемый аттеню- атор и фазовращатель с переменным фазовым сдви- гом, выполненные на основе делителя с двойной призмой, а также фильтры на основе пакетов диэ- лектрических пластин [85, 86], предназначенные для работы на частоте 345 ГГц. Аналогичные раз- работки представлены в публикации [87]. Иссле- дованные в работе [82] 90°-изгибы СРВ прямоу- гольного сечения в виде сочленения двух перпен- дикулярных волноводов, в пересечении которых ус- танавливается плоское отражающее зеркало, ис- пользованы при создании переключателя каналов. Различные комбинации многогранных отражателей позволили реализовать фазовращатели и баланс- ные схемы [82, 87]. СРВ прямоугольного сечения использовался как базовая линия передачи в раз- личных системах миллиметрового и субмиллимет- рового диапазонов, разработанных в Научно-иссле- довательском радиофизическом институте при Горьковском университете (НИРФИ), а затем в Институте прикладной физики АН СССР (в насто- ящее время ИПФ РАН, Нижний Новгород). В час- тности, был разработан интерферометр [88] на основе СРВ сечением 1023× мм2 для диапазона длин волн 41÷ мм. Основным узлом интерферо- метра является крестообразное разветвление, в пересечении осей которого установлен отражатель в виде металлического куба для деления на две рав- ных части волны, падающей со стороны каждого плеча. Использованию интерферометров Маха- Цендера, выполненных на основе сверхразмерных волноводов сечением 1023× мм2 и 5.511× мм2 в супергетеродинных радиометрах для диапазонов длин волн 1.1 ÷ 1.6 мм и 0.8 ÷ 1.0 мм посвящена работа [89]. Рис. 20. Направленный ответвитель на основе пря- моугольного сверхразмерного волновода с волной H10 сечением 7.2×3.6 мм2 (f = 345 ГГц). (Репродукция из работы [86]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 235 4.3. Волновод круглого сечения с волной H11 По своим характеристикам СРВ круглого сече- ния с волной H11 сравним с СРВ прямоугольного сечения с волной H10 и также используется при построении антенно-фидерных систем миллимет- рового диапазона [90]. Исследования показали, что затухание в таком волноводе может быть доста- точно низким и, в частности, в 3-мм диапазоне волн при диаметре волновода 24 мм не превышает 0.1 дБ/м [91], а в качестве возбудителей могут быть использованы плавные переходы как с линейной, так и нелинейной формой образующей. При этом необходимо иметь в виду, что для несимметрич- ных типов колебаний в волноводе круглого сече- ния возможно поляризационное вырождение и при наличии неоднородностей в волноводном канале (например, отрезок с незначительной эллиптично- стью) происходит преобразование волны H11 в вол- ны высших типов и возбуждение волны H11 с орто- гональной поляризацией. В работе [80] рассмот- рены условия, при которых преобразование типов волн в СРВ круглого сечения с волной 11H может быть сведено к минимуму, и показано, что наряду с технологическими требованиями минимальной деформации стенок волновода важно обеспечить минимальную длину отрезка волновода с неодно- родностью, где осуществляется передача энергии между типами волн. По этой причине применение подобных систем в случае протяженных участков тракта из-за конструктивных сложностей не пред- ставляется возможным. В то же время в тех случа- ях, когда длина тракта с учетом полного набора всех элементов удовлетворяет требованиям, сфор- мулированным в работе [80], СРВ круглого сече- ния с волной 11H может быть использован в сис- темах различного назначения. Именно эта концепция была реализована в Ин- ституте радиофизики и электроники АН УССР (в настоящее время ИРЭ им. А. Я. Усикова НАНУ, Харьков) при построении целого ряда антенно-фи- дерных трактов двухмиллиметрового диапазона для систем с импульсным и непрерывным излуче- нием [92, 93]. В этих системах в качестве облуча- теля антенны использовался открытый конец СРВ, что исключает возможность возникновения резо- нансных явлений на паразитных типах колебаний [94]. При этом наряду с элементами общего при- менения (делители, преобразователи поляризации и т. д.) были разработаны устройства специально- го назначения (облучатели зеркальных антенн, ска- нирующие устройства, вращающиеся сочленения, антенные переключатели различного типа и т. д.). В частности, для приемо-передающей системы на основе СРВ круглого сечения диаметром 20 мм c волной H11 был разработан и исследован в 2-мм диапазоне волн ферритовый антенный переключа- тель [95]. Особенностью устройства является ис- пользование метода согласования [96, 97] с приме- нением многослойных ферритовых структур, выпол- ненных в виде гиротропных резонаторов Фабри- Перо, что позволило достигнуть высоких парамет- ров приемо-передающей системы в целом. Общий вид тракта, размещенного с тыльной стороны дву- зеркальной антенны, приведен на рис. 21. Большин- ство функциональных элементов выполнено в виде единой малогабаритной конструкции, что исключа- ет применение фланцевых соединений, укорачива- ет суммарную длину устройства и чрезвычайно важ- но при создании подобных систем. В работе [95] также рассмотрены возможности реализации антен- ного переключателя оптоэлектронного типа, в кото- ром коммутация каналов осуществляется при по- мощи полупроводникового лазера, световой импульс которого поступает на полупроводниковую пласти- ну, установленную в диагональном сечении кресто- образного разветвления СРВ. Существенным недостатком, присущим метал- лическим СРВ, является отсутствие свойства са- мофильтрации для волн высших типов, что в неко- торых случаях требует принятия специальных мер. Рис. 21. Тракт одноантенного приемо-передающего ус- тройства 2-мм диапазона, выполненный на основе круг- лого сверхразмерного волновода диаметром 20 мм с волной H11 А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3236 5. Лучевые волноводы С точки зрения построения канализирующей системы миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов чрезвычайно продуктивной оказалась идея передачи электромагнитных волн в виде вол- нового пучка, характеристики которого задаются соответствующим распределением фазы в попереч- ном сечении через периодические интервалы вдоль оси системы. Существенным стимулом для разви- тия такого подхода явилось предложение об исполь- зовании в качестве резонатора для лазера интерфе- рометра Фабри-Перо, высказанное в 1958 г. незави- симо Р. Дике [98], А. М. Прохоровым [99], а также А. Шавловым и Ч. Таунсом [100]. Вскоре для по- добной системы была разработана теория резона- торов со сферическими зеркалами, где моды пред- ставляются в виде волновых пучков [101-103]. Ана- логичный подход был осуществлен Дж. Губо [104], который предложил линию передачи в виде много- кратно повторяющихся пучков электромагнитных колебаний, формируемых системой эквидистантных фазовых корректоров, представляющей собой пос- ледовательность линз, и назвал ее лучевым волно- водом или лучеводом (beam waveguide). 5.1. Линзовые и диафрагменные лучеводы В работе [104] Губо разработал метод математи- ческого описания поля волнового пучка, которое представляется в виде совокупности плоских волн, направления распространения которых лежат внут- ри малого конуса вблизи оси системы, а решение волнового уравнения в квазиоптическом приближе- нии позволяет получить распределение поля в попе- речном сечении в виде произведений функций Гаус- са-Эрмита (в декартовой системе координат) или Гаусса-Лягерра (в цилиндрической системе коорди- нат). Введенные при этом характерные параметры – радиус пучка (или пятна поля) и радиус кривизны фазового фронта – имеют глубокий физический смысл, а представление поля в виде интеграла Фурье позволяет рассмотреть преобразования пучка различ- ными системами оптического типа [105, 106]. При подобном рассмотрении распространения волново- го пучка, наряду с геометрооптическим рассмотре- нием процесса коррекции фазы линзой, для описа- ния изменения структуры поля привлекаются типич- но дифракционные представления. Первые экспериментальные исследования [107], проведенные в диапазоне длин волн 1.25 см, продемонстрировали перспективность линзового лучевода, а изготовленная при этом модель систе- мы (рис. 22) состояла из пенополистироловых линз диаметром 20 см, удаленных друг от друга на рас- стояние 1 м (количество линз в линии не превыша- ло 10). В работе [47] приведены результаты иссле- дования лучевода в диапазоне частот 75 ГГц, а также целого ряда устройств на его основе (волно- водно-лучевые переходы с пирамидальным и би- модальным рупорами, преобразователи типов волн, поглощающий и поляризационный аттенюаторы, Рис. 23. Квазиоптическое двухволновое приемное уст- ройство, используемое в системе диагностики плазмы. (Репродукция из работы [11] с любезного разрешения профессора П. Ф. Голдсмита) Рис. 22. Экспериментальная модель линзового лучевода Губо. (Репродукция из работы [107]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 237 диэлектрический делитель луча, измеритель коэф- фициента отражений). В последующие годы это направление исследований активно разрабатыва- лось: были детально изучены свойства волновых пучков, разработан целый ряд приборов и уст- ройств для подобной линии передачи, реализова- ны принципы линзового лучевода при построении квазиоптических измерительных комплексов для диагностики плазмы, измерения параметров мате- риалов, квазиоптических антенно-фидерных сис- тем для установок дистанционного зондирования и радиолокационных исследований, а также дру- гих важных приложений. Многолетние результаты различных научных школ подробно изложены в монографии [11]. В частности, на рис. 23 пред- ставлена фотография двухволновой приемной си- стемы для диагностики плазмы, а на рис. 24 – передающий и приемный каналы квазиоптической установки для исследования материалов [11]. Недостатком линзового лучевода является погло- щение энергии пучка в диэлектрике и отражение от поверхности линзы. Хотя потери на отражение от одной линзы составляют малую величину (напри- мер 0.02 дБ в работе [107]), при создании протя- женных многолинзовых трактов этот фактор может отрицательно влиять на характеристики системы в целом. Одной из возможностей устранения отраже- ний является использование линии, предложенной в [108]. В этом случае линзы специальной формы (эллиптический параболоид) повернуты относи- тельно оси пучка на угол Брюстера и обеспечива- ют фазовую коррекцию, эквивалентную коррекции обычной линзы. Экспериментальный макет лин- зового лучевода такого типа была осуществлен в ИРЭ РАН и исследован в субмиллиметровом диапа- зоне ( 0.9 0.7λ = ÷ мм) [109]. Линия состояла из 22 полиэтиленовых линз толщиной 3.2 мм, установ- ленных на расстоянии 10 см друг от друга, и обес- печивала погонные потери не более 1.7 дБ/м. Луче- воды из неотражающих линз впоследствии были ис- пользованы при создании измерительных устано- вок и разработке методов лучеводной спектроско- пии для исследования свойств различных сред, в том числе слабопоглощающих диэлектриков, фер- ритовых, полупроводниковых, жидких, газообраз- ных, строительных и бытовых материалов [14, 110]. Разновидностью линзового лучевода является диафрагменная линия. В работе [111] в диапазо- не длин волн 4 8λ = ÷ мм рассмотрен лучевод с диафрагмами в виде прямоугольных отверстий, а в [109] приведены результаты исследования ли- нии ( 0.9 0.7λ = ÷ мм), в которой использованы ме- таллические ирисовые диафрагмы, обеспечиваю- Рис. 24. Передающий и приемный каналы квазиоптической измерительной системы для исследования материалов. (Репродукция из работы [11] с любезного разрешения профессора П. Ф. Голдсмита) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3238 щие плавную регулировку размеров отверстия. При этом расстояние между диафрагмами равня- лось 12 см, а погонные потери для данной систе- ме составляли 2.2 дБ/м. Диафрагменный лучевод по сравнению с линзовым имеет большие потери и становится конкурентоспособным лишь на вол- нах короче 0.5 мм из-за возрастания потерь в ма- териале линз [14]. Потери из-за поглощения в линзах могут быть снижены при использовании современных слабо- поглощающих материалов (например, для фторо- пласта Ф-4 без термообработки, тангенс угла по- терь tgδ = 0.27⋅10−3) [14], однако полностью ис- ключить этот вид потерь можно только в случае зеркальной линии, которая является аналогом лин- зового лучевода. 5.2. Зеркальный лучевод Зеркальные лучеводы были предложены в ра- боте [112], а роль фазового корректора в данном случае выполняет зеркало в виде участка поверх- ности эллипсоида вращения, хотя вполне допусти- ма и более простая форма поверхности (например сферическая [113]). Естественно, что амплитудное распределение в поперечном сечении пучка, сфор- мированного таким образом, имеет более сложную картину, чем в случае осесимметричного лучево- да, что необходимо учитывать при компоновке си- стемы в целом. В работе [114] в 4-мм диапазоне был исследован зеркальный лучевод, в котором ис- пользовались эллиптические зеркала, а потери на одну итерацию составляли 0.015 дБ. Недостатком подобной линии передачи является достаточно гро- моздкая конструкция и очень высокая чувствитель- ность к юстировке зеркал. В этом смысле пред- почтительной является разновидность зеркально- го лучевода [115], в которой зеркала объединены в пары и образуют фиксированный узел (периско- пическая линия). При расстоянии между зеркала- ми в каждой паре существенно меньшем, чем их фокусное расстояние, фазовая коррекция такого элемента равна сумме фазовых коррекций каждо- го зеркала. Поворот устройства, образованного па- рой фиксированных зеркал, приводит к параллель- ному смещению оси пучка, а не к его повороту, и система в целом является менее чувствительной к перекосу фазовых корректоров. Эксперименталь- ные исследования подобной линии были осуще- ствлены в видимой области оптического диапазо- на ( 63.0=λ мкм) [116] и показали перспектив- ность этого направления исследований. Тем не менее отмеченные недостатки технического харак- тера являются основным препятствием на пути широкого использования зеркальных лучеводов как линии передачи миллиметрового и субмиллимет- рового диапазонов. Одним из немногих, но ярких применений таких линий является развитие упо- мянутых выше лучеводных систем питания двух- зеркальных сканирующих антенн наземных стан- ций спутниковой связи (рис. 25) [117, 118], в кото- рых построение многозеркальных трактов различ- ной конфигурации позволяет обеспечить многоча- стотный режим работы. 6. Лучеводы (волноводы) класса “полый диэлектрический канал” В ряде случаев к канализирующей системе предъявляются требования, которые не могут быть удовлетворены при использовании линзовых и зер- кальных лучеводов. В частности, при создании широкодиапазонных измерительных приборов, интерферометров для диагностики горячей плаз- мы в экспериментальных установках термоядер- ного синтеза и трактов систем специального на- значения базовая линия передачи наряду со специ- фическими электродинамическими характеристи- ками (отсутствие периодических изменений амп- литудно-фазовых характеристик поля вдоль линии передачи, симметрия амплитудно-фазовых харак- теристик поля в двух ортогональных плоскостях, линейная поляризация поля, самофильтрация ко- лебаний высших типов, высокая степень экрани- ровки, широкий диапазон рабочих частот и низкое Рис. 25. Лучеводная система питания двухзеркальной антенны наземной станции спутниковой связи. (Репро- дукция из работы [117]) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 239 затухание основной моды [15]) должна удовлетво- рять целому ряду конструктивных и механико-кли- матических требований. В первую очередь это ка- сается корпуса линии передачи, который должен одновременно служить экраном, несущей конст- рукцией для функциональных элементов, а также противостоять механическим и климатическим воздействиям. В наибольшей степени этим требо- ваниям удовлетворяют волноведущие системы клас- са “полый диэлектрический канал”. (В данном случае не существует единого мнения по поводу названия той или иной разновидности линии передачи; различные авторы используют термины “канал”, “лучевод”, “вол- новод”, поэтому в дальнейшем будем использовать авторскую терминологию.) Подобные волноведущие системы представляют собой круглый или прямоуголь- ный канал большого (по сравнению с длиной волны) поперечного размера, образованный граничными структурами различного типа – диэлектрической, сло- исто-диэлектрической или металло-диэлектрической. Несмотря на отличие граничных структур, эти систе- мы обладают рядом типичных свойств (структура полей, постоянные распространения, локализация основного типа колебаний во внутреннем канале), обусловленных наличием диэлектрической границы канала, что позволяет объединить их в общий класс. 6.1. Полый диэлектрический лучевод В 1964 г. Е. А. Маркатили и Р. А. Шмельцером была опубликована работа [119], в которой как раз- витие задачи [43] была рассмотрена теоретичес- кая модель структуры в виде цилиндрического ка- нала в безграничном диэлектрике при больших по- перечных размерах канала. Для такой волноведу- щей системы был проведен анализ основных ти- пов волн, постоянных распространения и затуха- ния и подробно рассмотрена низшая гибридная волна EH11, имеющая минимальное затухание, при- менительно к передаче энергии оптического диа- пазона на дальние расстояния. В период с 1963 по 1971 г. в ИРЭ НАНУ был осуществлен ряд научно-исследовательских работ, направленных на разработку базовой линии пере- дачи и комплекта измерительных устройств суб- миллиметрового диапазона волн. Уже на первом этапе [120] была сформулирована концепция поло- го диэлектрического лучевода (ПДЛ), изготовлен эк- спериментальный образец, а результаты его иссле- дования впоследствии опубликованы в [121, 122]. Конструктивно ПДЛ выполнен в виде трубы из фенопласта (внутренний диаметр 20 мм, толщина 5 мм), помещенной в несущую металлическую трубу с соединительными фланцами. При этом были разработаны два варианта конструкции: с гладкой внутренней поверхностью и с продольны- ми ребрами треугольного поперечного сечения. Применение фенопласта, обладающего значитель- ными потерями ( 3.2=ε ; tg 0.1 0.05δ ≈ ÷ ), позволя- ет исключить влияние металлической трубы, а ис- пользование ребристой поверхности канала при- водит к снижению эффективной диэлектрической проницаемости до значения 5.1~ =ε и способству- ет эффективному подавлению высших типов коле- баний. Экспериментальные исследования ПДЛ были проведены в диапазоне 0.8 1.6λ = ÷ мм и показали, что в субмиллиметровом диапазоне ( 1<λ мм) погонные потери в полом диэлектри- ческом лучеводе не превышают 1 дБ/м. На основе ПДЛ был осуществлен полный комплект квазиоп- тических радиоизмерительных устройств, включа- ющий в себя волноводно-лучевые переходы, око- нечные согласованные и подвижные нагрузки, от- ражатели, поляризаторы, переходы с регулируемым и нерегулируемым углом излома, телескопические и вращающиеся сочленения, волномеры, поляри- зационные аттенюаторы, фазовращатели, сдвига- тели частоты, диэлектрические и поляризационные делители луча, измерители коэффициента отраже- ния, согласующие трансформаторы, амплитудные модуляторы, электромеханические переключатели направления луча, балансные смесители, дуплекс- ные устройства, преобразователи поляризации, из- мерители мощности (рис. 26) [15, 123]. Наряду с устройствами общего применения были разрабо- таны ферритовые и полупроводниковые приборы [124], радиоизмерительные комплексы для науч- ных и прикладных исследований (интерферомет- ры, поляриметры, дефектоскопы и др.), а также эле- менты антенно-фидерных трактов для радиолока- ционных систем коротковолновой части миллимет- рового диапазона [125]. Широкий диапазон механических воздействий, в котором разработанные приборы обеспечивают высокие электродинамические характеристики, по- зволил создать на их основе лучеводные многока- нальные интерферометры для определения концен- трации электронов горячей плазмы в установках для исследования управляемого термоядерного синтеза типа Токамак. В частности, на рис. 27 приведена фотография установки Токамак Т-10 в Институте атомной энергии им. И. В. Курчатова, на которой на переднем плане показан квазиоптический луче- водный тракт 9-канального интерферометра ( 9.0=λ мм) [126]. Дальнейшие исследования показали, что элект- родинамические характеристики ПДЛ позволяют использовать его для формирования поля в методе А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3240 квазиоптического волноводного моделирования. Микрокомпактный полигон – средство осуществ- ления этого метода – предназначен для изучения в лабораторных условиях характеристик рассеяния различных физических объектов в коротковолновой части миллиметрового и в субмиллиметровом диа- пазонах волн [127, 128]. В этом случае исследуе- мый объект или его масштабная модель помещают- ся внутрь ПДЛ, а по измеренным параметрам рас- сеяния рабочей волны EH11 определяется радиоло- кационное сечение рассеяния объекта в свободном пространстве. Найдены критерии, при которых ПДЛ обеспечивает формирование необходимого ампли- тудно-фазового распределения падающего поля. 6.2. Металло-диэлектрические волноводы Волноведущая система с металло-диэлектри- ческой граничной структурой была предложена сотрудниками ИРЭ РАН как линия передачи с ма- лыми потерями в работе [129] и подробно иссле- дована в [130]. Металло-диэлектрический волно- вод (МДВ) в общем случае представляет собой металлическую трубу прямоугольного или круг- лого сечения с большими поперечными размера- ми; на внутреннюю поверхность трубы нанесена пленка из диэлектрика с малыми потерями (им- педансная граница). При этом, как правило, ис- пользуется пленка нерезонансной толщины, а при скользящем падении парциальных плоских волн на стенку волновода (что имеет место для волн низших типов) омические потери существенно ниже, чем в металлических СРВ прямоугольного (волна H10) и круглого (волна H11) сечения. В то же время для волн высших типов в МДВ прояв- ляется свойство самофильтрации. 6.2.1. Металло–диэлектрический волновод круглого сечения Как и в полом диэлектрическом лучеводе, ра- бочим типом колебаний МДВ круглого сечения является низшая гибридная волна EH11. В работе [130] показана возможность реализации малых затуханий в подобной системе, а в дальнейшем [131] приведен подробный анализ ее свойств. В частности, оценены погонные потери в МДВ диа- метром 40 мм, которые при λ = 2 мм и толщине диэлектрического покрытия d = 0.25 мм (ε = 2.3, 4tg 2 10−δ = ⋅ ) составляют 3.7 дБ/км, а также рас- смотрены особенности возбуждения. Как альтернативу разработкам с использова- нием ПДЛ [123] можно рассматривать создание в ИРЭ НАНУ устройств и систем на основе МДВ круглого сечения диаметром 20 мм, на внутрен- нюю поверхность которого нанесен слой фтороп- ласта толщиной 0.2 мм. Такая геометрия волно- вода позволила максимально использовать имею- Рис. 26. Комплект квазиоптических измерительных устройств на основе полого диэлектрического лучевода. (Фото- графия любезно предоставлена В. К. Киселевым) Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 241 щиеся технические решения без существенных конструкторских доработок. В частности, в рабо- те [132] рассмотрен квазиоптический тракт супер- гетеродинного приемника со сверхвысокой про- межуточной частотой (0.3 ГГц), предназначенный для работы в диапазоне 1.3 2.2λ = ÷ мм. Устрой- ство включает в себя полуволновый и четверть- волновый поляризационные интерферометры, вол- номер бегущей волны, поляризационный аттенюа- тор и выполнено в виде единого модуля. Анало- гичные конструкции были реализованы для антен- но-фидерных систем и смесительных устройств в составе измерительных комплексов для диагнос- тики высокотемпературной плазмы. 6.2.2. Металло-диэлектрический волновод прямоугольного сечения МДВ прямоугольного сечения обычно реали- зуется в двух вариантах: с диэлектрическим покры- тием на двух противолежащих стенках волновода Рис. 27. Квазиоптических лучеводный тракт 9-канального интерферометра для диагностики горячей плазмы на ус- тановке Токамак Т-10. (Фотография любезно предоставлена В.К. Киселевым) А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3242 или на всех четырех. При этом второй случай по- зволяет обеспечить передачу волн ортогональной поляризации с малыми потерями и используется в устройствах, в которых осуществляется преобра- зование одного типа поляризации в другой. Рабо- чим типом колебаний в таком волноводе является продольная магнитная волна LM11, которая харак- теризуется практически плоским фазовым фрон- том, линейной поляризацией и амплитудным рас- пределением с максимумом на оси волновода, плав- но спадающим к его стенкам, симметричным в ортогональных плоскостях [133]. Эксперименталь- ные исследования потерь в МДВ прямоугольного сечения были проведены в диапазонах волн 8 и 2 мм [134]. В частности, в 2-мм диапазоне использовался волновод сечением 2310× мм2 со слоями полиэтилена ( 3.2=ε ; 4tg 5 10−δ = ⋅ ) толщи- ной 0.55 мм на узких стенках, а измеренные при этом потери составили 0.03 дБ/м. На основе тако- го волновода в ИРЭ РАН были разработаны эле- менты и устройства (возбудитель, волноводные изломы, фильтры высших типов волн, вращающе- еся сочленение, ферритовые устройства) [133, 135], которые использовались при создании антенно-фи- дерных систем 2-мм диапазона. В дальнейшем ра- боты по созданию систем на основе МДВ прямо- угольного сечения нашли развитие в Институте ра- диофизики и электроники АН Армянской ССР (впоследствии ИРФЭ Армянской АН, Ереван) [136], где также был реализован приемный модуль 2-мм диапазона, СВЧ узел которого выполнен в единой модульной конструкции [137]. В ИРЭ НАНУ на основе МДВ квадратного се- чения был разработан полный комплект квазиоп- тических устройств, предназначенных для пост- роения радиоизмерительных схем коротковолно- вой части миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. При этом использовался волновод двух размеров: 14×14 мм2 для диапазона 1.15 3λ = ÷ мм и 10×10 мм2 для диапазона 0.7 1.7λ = ÷ мм [138]. В состав комплекта входят отрезки волновода, возбудители, угловой переход, вращающееся сочленение, неотражающая нагруз- ка, линейный поляризатор, преобразователь по- ляризации, поляризационный аттенюатор, фазов- ращатель, резонансный частотомер, диэлектричес- кий и поляризационный делители мощности, под- вижный отражатель, двугранный уголковый отра- жатель, амплитудный модулятор и ферритовый вентиль. МДВ квадратного сечения 14×14 мм2 использовался также при создании тракта одно- антенной РЛС 2-мм диапазона с круговой поля- ризацией зондирующего сигнала и балансных мо- стов различного типа [139]. 7. Заключение Со времени проведения первых опытов Герца квазиоптика сформировалась как одно из важней- ших направлений современной радиофизики, включающее в себя развитый математический ап- парат, методы физических исследований, способы канализации электромагнитной энергии, принци- пы построения функциональных элементов и са- мые разнообразные приложения. Важнейшим сти- мулом для ее развития явилось освоение милли- метрового и субмиллиметрового диапазонов, где создание традиционной техники на основе одно- волновых волноводов ограничено возрастанием затухания в волноводе и повышенными требова- ниями к технологии изготовления элементов и уз- лов тракта. В то же время для самых разнообраз- ных линий передачи квазиоптического типа созда- на элементная база, способная решать все необхо- димые функциональные задачи, а параметры раз- работанных приборов не уступают, а во многих слу- чаях превосходят характеристики волноводных аналогов. При этом принципы построения функ- циональных устройств оказались общими для ква- зиоптических линий передачи, характеризующих- ся линейной поляризацией рабочего типа колеба- ний, таких как линзовые лучеводы, сверхразмер- ные металлические волноводы, диэлектрические и металло-диэлектрические волноводы (лучеводы). Значительный вклад в разработку данной про- блемы, как в части решения фундаментальных вопросов, так и в практическом освоении милли- метрового и субмиллиметрового диапазонов вне- сли радиофизики стран бывшего Советского Со- юза, среди которых следует выделить коллективы ИРЭ РАН, ФИ им. П. Н. Лебедева РАН, ИОФ РАН, ИПФ РАН, НИРФИ, ИРЭ НАНУ, ИРФЭ Армян- ской АН. Свидетельством признания этого факта в научном сообществе является присуждение пре- мии международного общества IEEE MTT Society (теория и техника СВЧ) за 2000 год в номинации “Microwave Pioneer Award” украинскому ученому Евгению Митрофановичу Кулешову за разработку полого диэлектрического лучевода и измеритель- ной техники коротковолновой части миллиметро- вого и субмиллиметрового диапазонов волн [140]. Эта разработка была осуществлена в период 1964- 1972 гг. под руководством Е. М. Кулешова в отде- ле квазиоптики ИРЭ НАНУ. В заключение автор считает своим долгом вы- разить глубокую признательность сотрудникам ИРЭ им. А. Я. Усикова НАН Украины В. К. Кисе- леву, Е. М. Кулешову, М. С. Яновскому за интерес Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 243 к работе, критические замечания, полезные реко- мендации и предоставленные материалы. Автор обязан профессору П. Ф. Голдсмиту (National Astronomy and Ionospheric Center, Cornell University, Ithaca, USA) любезным разрешением на репроду- цирование фотографий из его книги. Автор выра- жает благодарность Museo di Fisica, Departimento di Fisica, Universita degli Studi di Bologna (Italy) за разрешение на репродуцирование фотографий экс- позиции работ А. Риги. Литература 1. Из предыстории радио. Сб. статей под ред. Л. И. Ман- дельштама. Москва-Ленинград, Изд-во АН СССР, 1948, 472 с. 2. J. F. Ramsey. Proc. IRE. 1958, 46, No. 2, pp. 405-415. 3. В. П. Борисов, В. Н. Сретенский. Радиотехника. 1995, №4-5, с. 10-15. 4. J. C. Bose. Collected Physical Papers. New York, Longmans, Green and Co, 1927. 5. A. F. Harvey. Proc. IEE (London). 1959, 106, part B, No. 26, pp. 141-157. 6. А. Ф. Харвей. Техника сверхвысоких частот. Т. 1. Москва, Советское радио, 1965, 784 с. 7. А. Е. Саломонович. Успехи физических наук. 1962, 77, вып. 4, с. 589-596. 8. Н. А. Ирисова. Вестник АН СССР. 1968, №10, с. 63-71. 9. D. T. Emerson. IEEE Trans. 1997, MTT-45, No. 12, pp. 2267-2273. 10. D. L. Sengupta, T. K. Sarkar, and D. Sen. Proc. IEEE. 1998, 86, No. 1, pp. 235-243. 11. P. F. Goldsmith. Quasioptical Systems: Gaussian Beam Quasioptical Propagation and Applications. New York, IEEE Press, 1998, 412 pp. 12. Квазиоптика. Под ред. Б. З. Каценеленбаума и В. В. Шевченко. Москва, Мир, 1966, с. 189-209. 13. Техника субмиллиметровых волн. Под ред. Р. А. Ва- литова. Москва, Советское радио, 1969, 480 с. 14. Измерения на миллиметровых и субмиллиметровых волнах: методы и техника. Под ред. Р. А. Валитова и Б. И. Макаренко. Москва, Радио и связь, 1984, 296 с. 15. Е. М. Кулешов. Измерения в субмиллиметровом диапазоне радиоволн. (Глава 8) В кн: Электроника и радиофизика миллиметровых и субмиллиметровых радиоволн. Под ред. А. Я. Усикова. Киев, Наукова дум- ка, 1986, с. 140-157. 16. Сканирующие антенные системы СВЧ. Под ред. Г. Т. Маркова и А. Ф. Чаплина. Т. 1. Москва, Советское радио, 1966, 536 с. 17. Н. М. Цейтлин. Антенная техника и радиоастроно- мия. Москва, Советское радио, 1976, 352 с. 18. С. Корнблит. СВЧ оптика. Оптические принципы в приложении к конструированию СВЧ антенн. Москва, Связь, 1980, 360 с. 19. А. Б. Догадкин. Зарубежная радиоэлектроника. 1964, №9, с. 71-97. 20. Е. Ф. Ищенко. Открытые оптические резонаторы: некоторые вопросы теории и расчета. Москва, Советс- кое радио, 1980, 208 с. 21. В. П. Шестопалов. Физические основы миллимет- ровой и субмиллиметровой техники. Т. 1. Открытые структуры. Киев, Наукова думка, 1985, 216 с. 22. А. И. Фисун, О. И. Белоус. Зарубежная радиоэлект- роника: успехи современной радиоэлектроники. 1999, №4, с. 41-64. 23. H. Hertz. Ann. Phys. Chem. (Leipzig), 1989, Bd. 36, s. 769-783. Русский перевод: В кн.: 50 лет волн Герца. Отв. ред. В. К. Аркадьев. Москва-Ленинград, Изд-во АН СССР, 1938, с. 120-135. 24. A. Righi. Mem. Acad. (Bologna). 1894, 4, pp. 487-591. Русский перевод: Опыты Герца с колебаниями малых длин волн. В кн.: [1], с. 387-397. 25. P. N. Lebedev. Ann. Phys. (Leipzig),1895, Bd. 56, s. 1-17. 26. П. Н. Лебедев. Журнал русского физико-химическо- го общества. 1895, XXVII, часть физическая, отдел пер- вый, вып. 7, с. 213-220. 27. П. Н. Лебедев. Физическое обозрение (Варшава). 1901, 2, №2, с. 49-60, 217-230. 28. Научная переписка П. Н. Лебедева. Отв ред. В. А. Фабрикант. Москва, Наука, 1990, 500 с. 29. Л. Лодж. Творение Герца. В кн.: [1], с. 424-443. 30. J. A. Fleming. The Principles of Electric Wave Telegraphy and Telephony. New York, Longmans, Green and Co, 1906. 31. O. J. Lodge and J.L. Howard. Nature, 1889, 40, p. 94. Русский перевод: Об электрическом излучении и его концентрации с помощью линз. В кн.: [1], с. 375-384. 32. A. Righi. The Optics of Electric Oscillations. N. Zanichelli, Bologna, 1897. 33. J. C. Bose. Electriсian. 1896, 37, October, p. 788. 34. J. C. Bose. U. S. Patent 755840, March 29, 1904. 35. G. F. Hull. Phys. Rev. 1897, 5, October, p. 231. 36. J. C. Bose. Electriсian. 1895, 36, December, p. 29. 37. J. C. Bose. Proc. Roy. Soc. 1898, 63, December, p. 146. 38. A. Garbasso and E. Aschkinass. Ann. Phys. (Leipzig), 1894, Bd. 53, s. 534. 39. M. Birkeland. Comp. Rend. Acad. Sci. (Paris). 1894, June. 40. A. D. Cole. Phys. Rev. 1898, 7, November. 41. E. Branly. Compt. Rend. Acad. Sci. (Paris). 1899, October. 42. G. Marconi. British Patent Specification. No. 12,039, June 2, 1896. 43. Дж. А. Стреттон. Теория электромагнетизма. Моск- ва-Ленинград, ОГИЗ, 1948, 539 с. 44. H. G. Booker and P. C. Clemmov. Proc. IEE (London). 1950, 97, pt. III., p. 11. 45. Э. Л. Бурштейн. Радиотехника и электроника. 1958, 3, №2, с. 186-189. 46. А. М. Покрас. Вопросы радиоэлектроники. Се- рия Х. Техника радиосвязи. 1960, вып. 8. с. 49-55. 47. А. Н. Ахиезер. Исследование приборов в квазиопти- ческих пучках. Труды метрологических институтов СССР. Издательство Комитета стандартов, мер и из- А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3244 мерительных приборов при Совете министров СССР. Москва, 1969, вып. 99 (159), 95 с. 48. R. G. Fellers. Microwave Journal. 1962, 5, No. 5, pp. 80-86. Русский перевод: Зарубежная радиоэлектроника, 1962, №11, с. 89-100. 49. J. F. Ramsey and W. F. Gunn. Marconi Review. 1955, 18, No.1, pp. 29-33. 50. G. Lamb. Hydrodynamics. New York, Dover Publication, 1945. Русский перевод: Г. Ламб. Гидродинамика. Москва, Го- стехиздат, 1947, 928 с. 51. Л. А. Вайнштейн. К электродинамической теории решеток. В кн.: Электроника больших мощностей. Москва, Наука, 1963, №2, с. 26-74. 52. В. П. Шестопалов, Л. Н. Литвиненко, С. А. Масалов, В. Г. Сологуб. Дифракция волн на решетках. Харьков, ХГУ, 1973, 272 с. 53. В. П. Шестопалов, А. А. Кириленко, С. А. Маса- лов, Ю. К. Сиренко. Резонансное рассеяние волн. Т. 1. Дифракционные решетки. Киев, Наукова думка, 1986, 232 с. 54. A. A. Volkov, B. P. Gorshunov, A. A. Irisov, and G. V. Kozlov. International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1982, 3, No. 1, pp. 19-43. 55. А. А. Костенко. Радиофизика и радиоастрономия. 1997, 2, №3, с. 323-332. 56. B. A. Lengyel. Proc. IRE. 1949, 37, No. 11, pp. 1242- 1244. 57. E. G. Goodall and J. A. C. Jackson. Marconi Review. 1957, XX, No. 125, pp. 51-59. 58. W. Culshaw. Proc. Phys. Soc. 1950, 63B, p. 393. 59. W. Culshaw. Proc. Phys. Soc. 1953, 66B, p. 597. 60. W. Culshaw. Proc. IEE (London). 1953, 100, pt. II., p. 5. 61. F. Sobel, F. L. Wentworth, and J. C. Wiltse. IRE Trans. 1961, MTT-9, No. 6, pp. 512-518. 62. Е. А. Виноградов, Н. А. Ирисова, Т. С. Мандельш- там, Т. А. Шмаонов. Приборы и техника эксперимен- та. 1967, №5, с. 192-195. 63. D. Veron, J. Certain, and J. P. Crenn. Preprint EUR- CEA-FC-799. Fontenay-au-Roses, France, 1975, p. 18. 64. С. И. Тетельбаум. Электричество. 1945, №5, с. 43-46. 65. M. I. Willinski. ARS Journal. 1959, 29, No. 8, pp. 601- 603. 66. R. W. Bickmore. Proc. IRE. 1961, 48, No. 3, pp. 366- 367. 67. В. А. Ванке, Л. В. Лесков, А. В. Лукьянов. Косми- ческие энергосистемы. Москва, Машиностроение, 1990, 144 с. 68. И. В. Лебедев. Радиотехника. 1995, № 4-5, с. 74-78. 69. M. I. Willinski. Spaceflight. 1966, 8, No. 6, pp. 217- 225. Русский перевод: Экспресс-информация. Радиотехни- ка сверхвысоких частот и квантовая радиотехника. Москва, ВИНИТИ, 1966, №43, Реферат 135. 70. W. S. Brown. Wire and Radio Communs. 1964, 82, No. 11, pp. 76-79, 88-89. Русский перевод: Экспресс-информация. Радиотехни- ка сверхвысоких частот и квантовая радиотехника. Москва, ВИНИТИ, 1965, №17, Реферат 109. 71. А. М. Покрас. Беспроводные линии передачи. Моск- ва, Связь, 1967, 255 с. 72. Б. З. Каценеленбаум. Радиотехника и электроника. 1963, 8, №7, с. 1111-1119. 73. Р. Б. Ваганов. Препринт ИРЭ АН СССР. Москва, 1972, №91, 36 с. 74. А. В. Фойгель. Радиотехника и электроника. 1973, 18, №11, с. 2276-2283. 75. В. А. Боровиков, Б. Е. Кинбер. Геометрическая тео- рия дифракции. Москва, Связь, 1976, 248 с. 76. В. А. Боровиков, А. Г. Эйдус. Радиотехника и элект- роника. 1976, 21, №1, с. 47-56. 77. В. П. Шестопалов, А. А. Кириленко, Л. А. Рудь. Ре- зонансное рассеяние волн. Т. 2. Волноводные неодно- родности. Киев, Наукова думка, 1986, 216 с. 78. S. E. Miller. Proc. IRE. 1953, 41, No. 3, pp. 348-358. 79. Волноводные линии передачи с малыми потерями. Сборник статей под ред. В. Б. Штейншлейгера. Моск- ва, ИЛ, 1960, 480 с. 80. Р. Б. Ваганов, Р. Ф. Матвеев, В. В. Мериакри. Мно- говолновые волноводы со случайными неоднороднос- тями. Москва, Сов. Радио, 1972, 232 с. 81. R. H. Garnham. Optical and Quasi-optical Techniques and Components for Millimeter Wavelengths. Royal Establishment. Malverne, England, R. E. E. Rpt. No. 3020, March 1958. 82. Техника спектроскопии в дальней инфракрасной, суб- миллиметровой и субмиллиметорвой областях спект- ра. Под ред. Т. М. Лифшица. Москва, Мир, 1970, 400 с. 83. Л. Н. Вершинина, В. В. Мериакри. Радиотехника и электроника. 1967, 12, №10, с. 1815-1817. 84. J. S. Butterworth, A. L. Cullen, and P. N. Robson. IEE (London). 1963, 110, April-June, pp. 848-858. 85. J. J. Taub, H. J. Hindin, O. F. Hinckelmann, and M. L. Wright. IEEE Trans. 1963, MTT-11, No. 5, pp. 338- 345. Русский перевод: Зарубежная радиоэлектроника. 1964, №8, с. 111-122. 86. J. J. Taub. Microwave Journal. 1970, 13, No. 11, pp. 57, 60-62. Русский перевод: Зарубежная радиоэлектроника. 1971, №5, с. 119-125. 87. J. Bled, A. Bresson, R. Papoular, and J. G. Wegrowe. Nouvelles Techniques L’Onde Electrique. 1964, 44, No. 442, pp. 26-35. 88. Л. В. Лубяко. Приборы и техника эксперимента. 1968, №5, с.130-132. 89. Л. И. Федосеев, Ю. Ю. Куликов. Радиотехника и элек- троника. 1971, 16, №4, с. 554-560. 90. А. А. Метрикин. Антенны и волноводы РРЛ. Моск- ва, Связь, 1977, 184 с. 91. H. E. King and J. L. Wong. IEEE Trans. 1971, MTT- 19, No. 1, pp. 116-119. 92. A. A. Kostenko, S. P. Martinjuk, and G. I. Khlopov. Proceedings of 2-nd International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of millimeter and Submillimeter Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3 Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития 245 Waves”. Kharkov, June 7-10, 1994, 5, pp. 472-475. 93. Генераторы дифракционного излучения. Под ред. В. П. Шестопалова. Киев, Наукова думка, 1991, 320 с. 94. Г. И. Хлопов. Препринт № 106. ИРЭ АН УССР, Харь- ков, 1978. 95. V. I. Bezborodov, A. A. Kostenko, G. I. Khlopov, and M. S. Yanovski. International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1997, 18, No. 7, pp. 1411-1422. 96. А. А. Костенко. Радиотехника и электроника. 1981, 26, №4, с. 502-509. 97. A. A. Kostenko and G. I. Khlopov. International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1996, 17, No. 10, pp. 11593-1605. 98. R. H. Dike. US Patent 2 851 652, September 9, 1958. 99. А. М. Прохоров. ЖЭТФ, 1958, 34, №6, с. 1658-1659. 100. A. L. Shavlow and C. H. Townes. Phys. Rev. 1958, 29, December, pp. 1940-1949. 101. A. G. Fox and T. Li. Proc. IRE, 1960, 48, No. 11, pp. 1904-1905. Русский перевод: В кн.: Лазеры. Под ред. М. Е. Жабо- тинского и Т. А. Шмаонова. Москва, ИЛ, 1963, с. 325 - 356. 102. G. D. Boyd and J. P. Gordon. Bell Systems Technical Journal. 1961, 40, No. 2, pp. 489-508. Русский перевод: Дж. Бойд, Дж. Гордон. В кн: Лазе- ры. Под ред. М. Е. Жаботинского и Т. А. Шмаонова. Москва, ИЛ, 1963, с. 363-384. 103. G. D. Boyd and H. Kogelnik. Bell Systems Technical Journal. 1962, 41, No. 7, pp. 1347-1369. 104. G. Goubau and F. Schvering. IRE Trans., 1961, AP-9, No. 3, pp. 248-256. Русский перевод: Зарубежная радиоэлектроника. 1961, №11, с. 3-15. 105. H. Kogelnik and T. Li. Applied Optics, 1966, 5, No. 10, pp. 1550-1567. Русский перевод: Зарубежная радиоэлектроника. 1967, №3, с. 95-113 106. Ж. Дешан, П. Маст. В кн.: [11], с. 189-209. 107. I. P. Christian and G. Goubau. IRE Trans., 1961, AP- 9, No. 3, pp. 256-263. Русский перевод: Зарубежная радиоэлектроника. 1961, №11, с. 3-15. 108. В. В. Шевченко. Радиотехника и электроника. 1969, 14, №10, с. 1764. 109. Л. Н. Вершинина, А. А. Лагунов, В. В. Шевченко. Радиотехника и электроника. 1968, 13, №2, с. 346-348. 110. В. В. Мериакри, В. Н. Аплеталин, А. Н. Копнин, Г. А. Крафтмахер, М. Г. Семенов, Е. Ф. Ушаткин, Е. Е. Чигряй. В кн.: Проблемы современной радиотех- ники и электроники. Под ред. В. А. Котельникова. Мос- ква, Наука, 1980, с. 164-180. 111. И. Кристиан, Дж. Губо. Некоторые результаты из- мерений диафрагмированного лучевого волновода. ТИИЭР. 1961, 49, №11, с. 1941. 112. Б. З. Каценеленбаум. Радиотехника и электроника. 1963, 8, №9, с. 1516-1522. 113. З. Б. Ваганов, Б. З. Каценеленбаум. В кн.: Антенны. 1966, №1, с. 22-33. 114. J. E. Degenford, M. D. Sirkis, and W. H. Steier. IEEE Trans. 1964, MTT-12, No. 4, pp. 445-453. 115. Р. Б. Ваганов, А. Б. Догадкин, Б. З. Каценеленбаум. Радиотехника и электроника. 1965, 10, №9, с. 1672- 1675. 116. А. А. Дяченко, О. Е. Шушпанов. Известия вузов. Радиофизика. 1968, 11, №5, с. 707-713. 117. B. A. Claydon. Marconi Review. 1976, 39 , No. 201, pp. 81-116. 118. А. Я. Мирошниченко. Зарубежная радиоэлектро- ника. 1981, №7, с. 28-62. 119. E. A. Marcatili and R. A. Schmeltzer. Bell System Technical Journal. 1964, 43, No. 4, part 2, pp. 1783-1809. 120. Отчет о НИР “Исследование возможности созда- ния радиоизмерительной апаратуры приборов субмил- лиметрового диапазона с использованием квазиопти- ческих принципов” (шифр “Озеро”). Научный руково- дитель Е. М. Кулешов. ИРЭ АН УССР, Харьков, 1964. 121. А. с. 302054 (СССР). А. Н. Ахиезер, А. И. Горошко, Б. Н. Князьков, Е. М. Кулешов, Д. Д. Литвинов, Н. И. Толмачев, В. А. Щербов, М. С. Яновский. (при- оритет от 28 ноября 1969 г.). 122. А. И. Горошко, Е. М. Кулешов. В кн.: Радиотехни- ка. Харьков, ХГУ, 1972, вып. 21, с. 215-219. 123. Е. М. Кулешов, М. С. Яновский, Д. Д. Литвинов, В. А. Щербов, Б. Н. Князьков, А. И. Горошко, Н. И. Толмачев, В. В. Стенько, В. Л. Шумейко. В сб.: Тезисы докладов Всесоюзного симпозиума по распростране- нию миллиметровых и субмиллиметровых волн в ат- мосфере Земли и планет. Москва-Горький, 28-30 янва- ря 1976, с. 124-127. 124. Е. М. Кулешов, В. К. Кононенко, В. Н. Полупанов. Электронная техника. Серия 1. Электроника СВЧ. 1976, №7, с. 55-59. 125. А. с. 363144 (СССР). Б. Н. Князьков, Е. М. Куле- шов, Д. Д. Литвинов, В. П. Чурилов, М. С. Яновский. (приоритет от 7 июня 1971 г.). 126. А. А. Багдасаров, В. В. Бузанкин, Н. Л. Васин, Е. П. Горбунов, В. Ф. Денисов, Е. М. Кулешов, В. Н. Савченко, В. В. Хилиль, В. А. Щербов. В кн.: Диагностика плазмы. Под ред. М. И. Пергамен- та. Москва, Энергоиздат, 1981, с. 141-146. 127. В. К. Кісельов. Доповіді НАН України. 1995, №11, с. 999-1007. 128. V. K. Kiseliov and T. M. Kushta. International Journal of Infrared and Millimeter Waves. 1995, 16, No. 6, pp. 1159-1165. 129. L. N. Vershinina, Yu. N. Kazantzev, V. V. Meriakri, and V. V. Shevchenko. В сб.: European Microwave Conference Handbook. Kent, 1969, p. 174. 130. Ю. Н. Казанцев. Радиотехника и электроника. 1970, 15, №1, с. 207-209. 131. Ю. Н. Казанцев, О. А. Харлашкин. Радиотехника и электроника. 1984, 29, №8, с. 1441-1450. 132. В. И. Безбородов, Б. Н. Князьков, Е. М. Кулешов, М. С. Яновский. Известия вузов. Радиоэлектроника. 1989, 32, №3, с. 29-33. 133. Ю. Н. Казанцев, О. А. Харлашкин. 1978, 23, №10, с. 2060-2068. А. А. Костенко Радиофизика и радиоастрономия, 2000, т. 5, №3246 134. Ю. Н. Казанцев, О. А. Харлашкин. Радиотехника и электроника. 1971, 16, №5, с. 1063-1065. 135. М. Ц. Айвазян, Ю. Н. Казанцев, О. А. Харлашкин. В сб.: Тезисы докладов III-го Всесоюзного симпозиу- ма по миллиметровым и субмиллиметровым волнам. Горький, 1981, т. 1, с. 106-107. 136. R. S. Avakian, K. R. Agababian, M. Ts. Aivazian, Yu. N. Kazantsev, and R. M. Martirosian. Proceedings of 16th International Conference on Infrared and Millimeter Waves. Lausanna, Switzerland, 1991, pp. 642-643. 137. R. S. Avakian and K. R. Agababian, G. G. Gabrielian et al. Proceedings of 16th International Conference on Infrared and Millimeter Waves. Lausanna, Switzerland, 1991, pp. 626-627. 138. В. И. Безбородов, В. К. Киселев, Б. Н. Князьков, Е. М. Кулешов, В. Н. Полупанов, М. С. Яновский. В сб.: Материалы 7-ой международной крымской кон- ференции “СВЧ техника и телекоммуникационные тех- нологии” (КрыМиКо’97), Севастополь, Украина, 15-18 сентября 1997, 2, с. 630-631. 139. V. I. Bezborodov, V. K. Kiseliov, B. N. Knyaz’kov, E. M. Kuleshov, V. P. Churilov, and M. S. Yanovsky. В сб.: Proceedings of 2-nd International Kharkov Symposium “Physics and Engineering of millimeter and Submillimeter Waves”. Kharkov, June 7-10, 1994, vol. 5, pp. 476-478. 140. Microwave Pioneer Awards. IEEE Microwave Magazine. 2000, 1, No. 1, March, p. 75. Quasioptics: Historical Preconditions and Modern Trends of Development Alexei A. Kostenko The modern level of the development of quasiop- tical techniques is presented in all the variety of trans- mission lines used. The applications of quasioptical systems are considered with allowance for the specif- ic features of the particular scientific problems. De- scriptions is carried out from the very beginning, start- ing from the pioneer research of the “Hertz waves”. The contribution is enlighted of scientists and engi- neers from the former Soviet Union countries in the development of quasioptical techniques.

Квазиоптика: исторические предпосылки и современные тенденции развития

Репозитарії

Схожі ресурси