СВЧ-излучение: расшифровка и характеристики¶

СВЧ (сверхвысокочастотное излучение) — электромагнитные волны с частотами примерно от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 1 метра до 1 миллиметра. Термин «СВЧ» расшифровывается как «сверхвысокочастотные» — так в радиотехнике обозначают диапазон, лежащий выше УВЧ (ультравысокочастотного) и ниже оптического диапазона. В русскоязычной технической литературе и военной документации аббревиатура «СВЧ» закрепилась именно как обозначение этого диапазона электромагнитного спектра.

¶Диапазон и место в электромагнитном спектре

СВЧ-диапазон занимает промежуточное положение между радиоволнами и инфракрасным излучением. Его нижняя граница (300 МГц) условна и связана с тем, что именно начиная с этих частот волны начинают существенно распространяться в свободном пространстве, а их поведением в значительной степени определяются размеры антенн и волноводов. Верхняя граница (300 ГГц) также условна — она примыкает к субмиллиметровому (терагерцовому) диапазону.

В международной практике этот диапазон обозначается как microwave (микроволновый). Русское «СВЧ» и английское «microwave» — взаимозаменяемые обозначения одного и того же участка спектра.

¶Основные поддиапазоны

СВЧ-диапазон традиционно разделяется на ряд полос, обозначаемых латинскими буквами. В российской и советской радиотехнической традиции принято следующее деление:

• L — 1–2 ГГц (длины волн 30–15 см);
• S — 2–4 ГГц (15–7,5 см);
• C — 4–8 ГГц (7,5–3,75 см);
• X — 8–12 ГГц (3,75–2,5 см);
• Ku — 12–18 ГГц;
• K — 18–27 ГГц;
• Ka — 27–40 ГГц;
• U — 40–60 ГГц;
• V — 60–80 ГГц;
• W — 80–100 ГГц и выше.

Эти обозначения возникли в период Второй мировой войны как секретные кодовые названия программ разработки радаров и с тех пор стали общепринятыми.

¶Физические свойства

Для СВЧ-излучения характерен ряд свойств, определяющих его практическое применение:

• Прямолинейность распространения — волны распространяются почти по прямым линиям, что позволяет создавать направленные лучи.
• Отражение от ионизированных слоёв атмосферы — отражение от ионосферы для СВЧ-диапазона практически отсутствует, волны уходят в космос.
• Проникающая способность — СВЧ-волны относительно легко проходят сквозь атмосферу (в «окнах прозрачности» около 22 и 60 ГГц), что важно для радиоастрономии и спутниковой связи.
• Поглощение водой — жидкая вода сильно поглощает СВЧ-излучение, особенно вблизи 22,2 ГГц и на частотах выше 60 ГГц. Этот эффект лежит в основе работы микроволновых печей.
• Взаимодействие с веществом — СВЧ-волны вызывают колебания диэлектриков и нагрев материалов, что используется в промышленной обработке.

¶Применение

¶Радиолокация

СВЧ-диапазон является основным для радиолокации. Короткие длины волн позволяют создавать компактные антенные системы с высокой диаграммой направленности. Именно поэтому военные и гражданские радары работают преимущественно в диапазонах S, C, X, Ku и K. В России разработкой радарных систем традиционно занимается НИИ радиостроения (НИИР, бывший МНИИРЭ «Альмаз»).

¶Спутниковая связь и вещание

Спутниковое телевидение и радиовещание используют диапазоны C (4–8 ГГц), Ku (12–18 ГГц) и Ka (27–40 ГГц). В России спутниковое вещание осуществляется через систему «Триколор», а также через космические аппараты группировки «Экспресс» и «Ямал», управляемых Госкорпорацией «Роскосмос».

¶Мобильная связь

Стандарты сотовой связи GSM (900/1800 МГц), 3G (UMTS, 2100 МГц), 4G (LTE, 700–2600 МГц) и 5G (часть диапазонов — до 6 ГГц, а также миллиметровые полосы 24–47 ГГц) работают в нижней части СВЧ-диапазона.

¶Микроволновые печи

Бытовые микроволновые печи работают на частоте 2,45 ГГц — это стандартная частота, при которой вода в продуктах эффективно поглощает энергию и нагревается. Промышленные СВЧ-установки используют частоты 915 МГц и 2,45 ГГц для сушки материалов, вулканизации резины, спекания керамики.

¶Радиоастрономия

СВЧ-диапазон позволяет исследовать холодное межзвёздное вещество, реликтовое излучение (его пик приходится на частоту около 160 ГГц). Крупнейшие российские радиотелескопы — РТ-70 в Евпатории и РТ-140 в Зеленчуке — работают в СВЧ-диапазоне.

¶Медицина

Диатермия и гипертермия используют СВЧ-нагрев тканей для лечения опухолей. Аппарат «Луч-2М» производства российского предприятия «Исток-Система» применяется для локальной гипертермии.

¶История изучения

Первые эксперименты с СВЧ-излучением провёл индийский физик Джагадиш Чандра Босе в 1894–1895 годах, демонстрировавший распространение миллиметровых волн. Систематическое изучение началось в 1920–1930-е годы. В СССР работы по СВЧ-технике развивались в МНИИРЭ «Альмаз», Научно-исследовательском институте прикладной математики и ряде других организаций. Вклад в теорию СВЧ-устройств внесли советские учёные А. Л. Берг, А. А. Дородницын, В. А. Фабрикант.

¶Нормирование и безопасность

В России безопасность воздействия СВЧ-излучения регулируется санитарными нормами СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96 «Гигиенические требования к защите населения от воздействия электромагнитных полей». Нормируемые величины мощность плотности потока энергии составляют от 10 мкВт/см² (для длительного воздействия на рабочих местах) до 100 мкВт/см² (для населения). Микроволновые печи сертифицируются по стандарту ГОСТ 33985.2.10-2019.

Источники:

• ГОСТ Р 52411-2005 «Радиотехника. Термины и определения»
• Большая российская энциклопедия, статьи «Сверхвысокие частоты», «Микроволновое излучение»
• СанПиН 2.2.4/2.1.8.562-96
• Справочник по радиотехнике под ред. В. Л. Гинзбурга
• Энциклопедический словарь Брокгауза и Ефрона (статьи о радиотехнике)