Радиофизика

Радиофи́зика, раздел физики, занимающийся изучением и применением электромагнитных колебаний и волн радиодиапазона. Радиофизика сформировалась в 1930–1940-х гг. в связи с потребностями радиотехники и радиосвязи. Появление радиолокации и радионавигации потребовало освоения новых диапазонов частот, разработки новых общих физических принципов генерации, распространения и приёма радиоволн, модуляции и кодирования радиосигналов и т. п. Развитие радиофизики в России связано с именами Л. И. Мандельштама, Н. Д. Папалекси и созданной ими научной школой. Ныне методы радиофизики проникли в другие разделы физики: оптику, акустику, СВЧ-электронику, полупроводниковую электронику, биофизику, стали использоваться в химии, медицине, экономике и т. п.

Радиофизика обеспечивает радиотехнику методами, необходимыми для разработки приёмных и передающих антенн, генераторов электромагнитных волн, приёмников, усилителей, фильтров, модуляторов, демодуляторов, радиоволноводов, радиолокаторов, квантовых устройств и т. д. Радиофизические методы положили начало исследованию космоса в радиодиапазоне – радиоастрономии.

Теоретические и экспериментальные исследования электрических колебаний в дискретных системах с сосредоточенными параметрами и в непрерывных средах с распределёнными параметрами служат основой для разработки новых методов генерации, усиления и преобразования колебаний с частотами от 1–2 до 10¹¹ Гц и выше. Важное значение имеют изучение влияния случайных (флуктуационных) процессов на электрические колебания в конкретных устройствах и создание методов выделения сигнала, несущего информацию, из совокупности полезных и случайных (например, шумовых) сигналов. Созданы устройства для скрытой передачи информации с помощью шумовых сигналов. Разработка теории самовоздействия и взаимодействия волн в нелинейных средах послужила основой для быстрого становления нелинейной оптики сразу после создания молекулярного генератора в СВЧ-диапазоне и лазеров.

Изучение закономерностей взаимодействия электронных потоков в вакууме с электромагнитными полями позволило создать и усовершенствовать вакуумные лампы и электронные приборы СВЧ-диапазона (магнетрон, клистрон, гиротрон, оротрон, лампа бегущей волны, лампа обратной волны и др.). Исследование взаимодействия электромагнитных полей с ионизованным газом привело к созданию газоразрядных приборов (тиратрон, тригатрон и др.), которые широко используются в системах радиоэлектроники. Оно является частью общего исследования физических (в особенности колебательных) свойств плазмы и волновых процессов в плазме околоземного и межпланетного космического пространства. Изучение взаимодействия электрических колебаний и волн радиодиапазона с электронными процессами в полупроводниках, электронно-дырочных переходах и гетероструктурах лежит в основе полупроводниковой электроники.

Теоретические и экспериментальные исследования излучения различных типов антенн (в т. ч. фазированных антенных решёток), их электродинамический расчёт, а также изучение распространения радиоволн в различных направляющих (радиоволновод, фидер) и замедляющих системах играют важную роль в создании систем радиосвязи, передающих и приёмных устройств и др.

Радиофизика вносит большой вклад в разработку общей математической теории колебаний и волн, теорию информации и др. Создана общая теория распространения волн, разработаны методы решения волновых уравнений для нелинейных и неравновесных сред с пространственной и временно́й дисперсиями, созданы метод медленно меняющихся комплексных амплитуд, метод медленно меняющегося профиля и другие асимптотические методы, упрощающие решение колебательных и волновых уравнений. Разработано новое направление – нелинейная динамика, в которой изучаются свойства нелинейных динамических систем и которая включает в себя теорию устойчивости, теорию динамического хаоса, эргодическую теорию, теорию интегрируемых систем. Для анализа дифракции остронаправленных волновых пучков разработан метод параболического уравнения, который служит основой квазиоптики. Исследования в субмиллиметровом диапазоне привели к созданию искусственных метаматериалов с отрицательным показателем преломления.