Milimetrové vlny [1952]
Podle článku Ing. R. Hubnera v časopise Funktechnik 3/51

zpracoval Dr Jiří Hoppe, OK1DW

Milimetrové vlny tvoři přechod od vlnění elektrického k infračervenému, jehož vlnový rozsah sahá přibližně až k 0,5 mm. Studium milimetrových vln 1-10 mm poutalo již delší dobu zájem badatelů. Tyto vlny leží totiž mezi dvěma rozsahy spektra, které se řídí jednak zákony klasické elektrodynamiky, jednak kvantové fysiky.

V r. 1910 podařilo se Ottovi v. Baeyer po prvé vyrobit milimetrové vlny. Bližší o způsobu jejich získání nebylo však známo. Teprve v roce 1923 vyšlo první vědeckého jednání od Nickolse a Teara o jejich pokusech s 2 mm vlnami, které vyráběli pomocí jiskřiště. Mezitím se podařilo Lewitzkému s pomocí jiskřiště, které pozůstávalo z většího počtu kovových tyčinek rozprostřených na skleněné desce, sestoupit až k 1 mm vlnám. Glagoleva-Arkaděva překlenula po prvé propast k infračerveným paprskům tím, že získala vlny i pod 1 mm. Při všech těchto pokusech vadilo ovšem to, že tyto vlny byly silně tlumené a nesmírně slabé, takže byly dokazatelné jen nejpřesnějšími přístroji v laboratořích.

Byl nasnadě postup proniknout naopak do rozsahu milimetrových vln z optického rozsahu spektra. Pokusy se konaly s křemičitými lampami plněnými rtuťovými parami. Ty vyráběly stálé spektrum od 0,0008 až asi do 0,5 mm s dvěma vrcholy intensity u 0,215 a 0,315 mm. Nerozřešeno zůstalo, je-li dlouhovlnný díl infračerveného záření vzbuzován tepelným zářením nebo kmity plasmatu nebo rotačními kmity molekul rtuti.

S vývojem elektronek pokračovaly pokusy vyrobit netlumené milimetrové vlny pomocí elektronek. Na kongresu fysiků v r. 1938 oznámil profesor Esau sensační zprávu, že se mu podařilo vyrobit pomocí magnetronu netlumené vlny o délce 4,4 mm. Magnetrony jsou malé triody, u nichž anodový proud je řízen silným magnetickým polem. Mimo elektrické pole působí tu magnetické pole kolmo k pohybu elektronu a nutí je do různých rotačních drah. Magnetické pole působí v diodě se symetrickými válci podobně jako řídící mřížka v triodě. Válec je při tom členěn do více sektorů. Čím se sestupuje ke kratším vlnám, tím větší počet sektorů musí být. Letí-li hustotně modulované elektrony kolem jednotlivých sektorů, vznikají na nich proudy, které jsou převáděny do správně naladěného resonančního převodu. Účinnost klesá při postupu ke kratším vlnám, naproti tomu však lze magnetronem vyrobit nejkratší vlny. V magnetronu je výměna energie elektronů s kmitajícím polem daleko příznivější než u jiného typu vysílací elektronky, klystronu. Jsou konány pokusy, pomocí velmi silného magnetického pole a velkého počtu segmentů sestoupit až do okruhu 1 mm vln.

Jiná elektronka, kterou lze vyrobit milimetrové vlny, je klystron. Klystron je elektronka, v níž je využito doby, kterou potřebují elektrony k proběhnutí určité dráhy. (Německý termín pro tento zjev je „Laufzeiteffekt"). Původní rychlostní modulace, kterou získávají elektrony na řídicí mřížce elektronky, se změní v následující průběžné komoře v hustotní modulaci. Tím, že elektronům se dostává různých zrychlení a zpomaleni, vznikají jejich shluky, které opět vzbuzuji při výstupu z komory střídavý proud. Stačí pouze na vstup a výstup připojit resonátor a zpětnou vazbou pečovat o zpětné buzení, a vysilač pro milimetrové vlny je hotov.

Dalším zdokonalením, které funkčně se blíží magnetronu, je tak zv. „reflex-klystron“, u něhož je místo dvou pouze jeden resonátor, který je využit dvojnásobně. Tím je možno dosáhnout mimo zlepšené pracovní podmínky i menších rozměrů. Průběžná komora je zde nahrazena druhým otvorem a odrazovou stěnou, reflektorem, která má záporné předpětí. Elektrony se musí na své dráze obrátit a tím vzniká opět tvořeni shluků elektronů. Elektronku je nutno dimensovat tak, aby největší hustotní modulace nastala právě tehdy, když je paprsek elektronů mezi oběma clonami.
 

Poslední typ klystronu RRL 17 je určen pro rozsah vln 920-990 Mc/s a dává výstupní výkon 3 watty. Jako vysilač dostává kladné napětí 1000 V a reflektor záporné - 1300 V.

Modulace je překvapivě snadná. Modulační signál může být přiveden přímo na reflektor. Přivedeme-li naň signál z mikrofonu, obdržíme na výstupu již signál frekvenčně modulovaný. Zvláštní konstrukci klystronu se podařilo vyvinout vysilač pracující na vlně 8 mm s výkonem 15 mW. Výkon se zdá snad malý, ale vzhledem k možnosti snadného soustřeďování paprsků byly již překlenuty vzdálenosti několika kilometrů.

Řízení kmitočtu se u klystronu provádí změnou mřížkové mezery mechanickou de formaci pomoci šroubu (změna dutiny L/C!), dále změnou vlastního napětí, event. napětí reflektoru, při čemž zvýšení obou napětí způsobuje zvýšení kmitočtu. Tyto způsoby ladění jsou ovšem omezeny, jelikož při překročení určité hranice oscilátor vypadne z kmitů. Životnost reflex-klystronu RRL 17 se udává několik tisíc hodin.

Způsoby šíření milimetrových vln se ještě zkoumají. Zjištěno však je, že při průchodu atmosférou jsou více či méně pohlcovány rozptylováním a ohýbáním na kapkách vody i absorpci vodní parou a kyslíkem, což je ve vztahu k určitým kvantovým stavům molekul těchto plynů. Při tom byla pozorována zvlášť selektivní absorpční pásma (kyslík kolem 2,5 a 5 mm, vodní pára kolem 1,34 cm). Absorpce rozptýlením nastává již pod 3 cm. Vlny nad 6 mm, které jsou dost vzdáleny od těchto maxim molekulární absorpce se chovají lépe. Podařilo se při jasné atmosféře s použitím ostře soustřeďujících směrových antén dosáhnout spojení na 40 km. Lze se domnívat, že i vlny od 6 do 10 mm budou mít v budoucnu svůj technický význam. Různé úkony, které bylo možno vyřešit s použitím infračervených paprsků jen nedokonale, bude možno provést s použitím milimetrových vln daleko lépe. Tak tomu bude na př. při použití milimetrových vln ve fotografii.

Toho času je rozsah těchto nejmenších elektromagnetických vln, které lze ještě vyrobit s použitím elektronek, zcela ve stadiu pokusů. Je však dobře seznámit se i s tímto dosud theoretickým rozsahem vzhledem k možným překvapením.

V souvislosti s tímto článkem upozorňujeme, že Electronics v č. 7/1950 přináší zprávu o přistrojí k běžnému měření dielektrických konstant plynných a tekutých látek pomocí mikrovln. Využívá se tu zjevu, že resonanční kmitočet dutého resonátoru závisí na dielektrické konstantě látky, kterou je dutina resonátoru vyplněna. Elektromagnetická vlna o délce 1 cm, jejíž kmitočet v určitém rozmezí pravidelně kolísá, se přivádí do dvou stejných dutinových resonátorů. Jeden resonátor je na plněn plynem o známé dielektrické konstantě a proto má známý resonanční kmitočet. Druhý resonátor se naplní látkou, jejíž dielektrickou konstantu chceme zjistit. Resonanční kmitočet tohoto resonátoru závisí na dielektrické konstantě plynu, který hodláme zkoumat. Jak již řečeno, kmitočet centimetrové vlny kolísaly v pravidelných intervalech. Vždy v okamžiku, když kmitočet centimetrové vlny souhlasí s kmitočtem jednoho z obou resonátorů, vznikne špičkové napětí. Tak obdržíme během každé periody dvě špičky. Z jejich časového rozdílu můžeme vypočítat rozdíl obou resonančních kmitočtů a tím i rozdíl v dielektrických konstantách obou prostředí v resonátoru. Časový rozdíl obou špiček lze běžně měřit a samočinně registrovat.

Způsoby použití tohoto přístroje v průmyslu jsou mnohostranné. Lze jím na př. běžně kontrolovat jakost a čistotu plynů, jelikož jejich dielektrická konstanta je ovlivněna již nepatrnými přimíšeninami. Dále lze jím zkoumat měnící se dielektrickou konstantu vzdušného obalu. Jak známo, závisí příležitostné nad měrné šíření ultrakrátkých vln daleko za optický dosah na místně ohraničených nepravidelnostech nebo dokonce skocích koeficientu ohybu atmosféry. Jelikož tento koeficient souvisí opět úzce s dielektrickou konstantou, mohly by být takto vysvětleny dosud neprozkoumané zjevy ultrakrátkých vln.

Amatérské Rádio 1/1952