Материал: Metoda_po_sdache_ekzamena_po_mikrovolnovke

Метода для сдачи экзамена по

Микроволновой электронике

Содержание

1. Особенности микроволнового диапазона электромагнитных колебаний. Применение микроволновых приборов: 5

А. – в системах связи (схема приемо-передатчика); 5

Б. – в технологиях нагрева материалов (схема микроволновой печи); 5

В. – Особенности воздействия микроволнового излучения на живые организмы. 5

3. Основные уравнения микроволновой электроники – уравнения электродинамики и уравнения движения заряженных частиц в вакууме и твердом теле. 20

4. Законы сохранения: числа частиц, импульса и энергии. Характерные пространственные и временные интервалы: время релаксации импульса и энергии, время максвелловской релаксации, плазменная частота и длина Дебая, время жизни и диффузионная длина. 26

5. Наведённый ток. Теорема Шокли-Рамо. Упрощённое выражение для мощности взаимодействия. Удельная мощность потока с переменным полем. 30

6. Наведённый ток. Время и угол пролёта носителей заряда в пространстве взаимодействия, коэффициент взаимодействия, электронная нагрузка. 34

7. Анализ особенностей движения носителей заряда в вакууме и твердом теле. Сравнение типовых значений скорости носителей и плотности зарядов. Направления совершенствования приборов. 37

8. Методы получения усиления и генерации микроволнового излучения в вакууме и твердом теле: фазировка, модуляция скорости, группировка и сортировка частиц, запаздывание инжекции, отрицательная дифференциальная подвижность, дрейф в тормозящем поле. 42

9. Понятия о колебательных и волновых явлениях в потоках заряженных частиц (ПЗЧ). Плазменные колебания в твердом теле. 45

10. Приборы с квазистатическим управлением. Причины ограничения частотного диапазона приборов данного класса. Характерные конструкции. 47

11. Приборы с динамическим управлением О-типа с кратковременным взаимодействием: клистроны. Скоростная модуляция в высокочастотном зазоре. Коэффициент взаимодействия, электронная нагрузка. 52

12. Приборы с динамическим управлением О-типа: лампы бегущей и обратной волны. Скоростная модуляция в замедляющей системе, сопротивление связи. 56

13. Скоростная модуляция в высокочастотном зазоре резонатора и замедляющей системе. Коэффициент взаимодействия, сопротивление связи. 60

14. Особенности отбора энергии в клистронах и ЛБВ. Влияние пространственного заряда на процессы группирования. Форма конвекционного тока и спектральный состав сгустка. Конструкции и параметры приборов. 62

15. Приборы со скрещенными полями (М-типа): - магнетроны, амплитроны и митроны. Принцип действия, коэффициент полезного действия. Основные конструктивные разновидности. Сравнение с приборами О-типа 71

16. Гирорезонансные приборы. Гиротрон – источник мощного излучения в мм диапазоне. Принцип действия. Типовые конструкции. Параметры. 76

17. Релятивистские приборы. Лазеры на свободных электронах: принцип действия характеристики. 80

18. Классификация диодов с положительным динамическим сопротивлением. Функциональная роль (на примере типового приемо-передатчика). Омические и барьерные контакты в структурах диодов. 85

19. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: детекторные диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическими и динамическими (ВЧ) параметрами. 90

20. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: смесительные диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Особенности схемотехнического применения. Принцип действия смесителя. 98

21. Диоды с положительным динамическим сопротивлением: управляющие диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическим и динамическими (ВЧ) параметрами. Особенности схемотехнического применения: переключатели, ограничители, фазовращатели, аттенюаторы. 105

22. Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: лавинно-пролетные диоды, инжекционно-пролетные диоды. Статическое распределение концентрации носителей заряда и поля. Принцип действия. Зона пробоя, дрейф носителей заряда. Динамическое сопротивление ЛПД. Сравнение с диодами Ганна. 114

23. Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: диоды с междолинным переносом носителей (диоды Ганна). Характерные статические распределения концентрации носителей, заряда и поля. Частотные характеристики. 119

24. Динамическое сопротивление полупроводникового образца. Слоистые структуры. Способы получения отрицательного динамического сопротивления. 126

25. Классификация микроволновых транзисторов. Генеалогическое дерево транзисторов. Гомо и гетероструктурные транзисторы: транзисторы с широкозонным эмиттером, с проницаемой базой, HEMT-структуры. Топология, параметры и характеристики. Транзисторы с баллистическим транспортом. 134

26. Полевой транзистор микроволнового диапазона: 138

А. Особенности конструкции, ВАХ, динамические параметры. Эквивалентная схема. 138

Б. Предельная частота, связь ее с физико-топологическими параметрами структуры. Параметры рассеяния. 138

27. Способы повышения предельной частоты и мощности транзистора. Сравнение материалов для изготовления транзисторов: кремний, арсенид галлия, карбид кремния, нитрид галлия, фосфид индия, алмаз. 142

28. Схемотехнические аспекты применения транзисторов в микроволновом диапазоне. Малошумящий усилитель. 145

29. Природа шумов в ПТШ. Шумовая схема полевого транзистора. Анализ экспериментальных шумовых характеристик и их интерпретация. 156

30. Моделирование транзисторов: локально-полевая модель Шокли, модель двух областей, температурные модели. 162

31. Биполярный транзистор микроволнового диапазона. Особенности конструкции, ВАХ, динамические параметры. Эквивалентная схема. Предельная частота, связь ее с физико-топологическими параметрами структуры. Параметры рассеяния. 175

32. Способы повышения предельной частоты и мощности микроволнового биполярного транзистора. Выбор материалов для изготовления транзисторов. 179

33. Схемотехнические аспекты применения биполярных транзисторов в микроволновом диапазоне. Усилитель мощности. 181

34. Источники шумов в элементах микроволновых цепей. Спектральные и корреляционные характеристики. Математическое описание мощности шума: формула Найквиста, формула Ван-дер-Зила. 184

35. Описание шумов двух и четырехполюсника. Эквивалентное шумовое представление диодов, транзисторов и пассивных элементов. Расчет коэффициента шума каскадного соединения. 187

36. Способы снижения коэффициента шума приборов. Сравнительная характеристика приборов по шумовым параметрам. 193

1. Особенности микроволнового диапазона электромагнитных колебаний. Применение микроволновых приборов:

А. – в системах связи (схема приемо-передатчика);

Б. – в технологиях нагрева материалов (схема микроволновой печи);

В. – Особенности воздействия микроволнового излучения на живые организмы.

Предмет микроволновой электроники — исследование физических процессов, происходящих в электронных приборах, предназначенных для генерации, усиления и преобразования электромагнитных колебаний микроволнового диапазона, а также разработка методов проектирования и конструирования этих приборов, рекомендаций по их эксплуатации.

Микроволновым диапазоном, в соответствии с рекомендациями Международной электротехнической комиссии, называют участок спектра электромагнитных колебаний от 3·108 Гц до 3·1011 Гц (300 МГц…300 ГГц), что соответствует длинам волн в вакууме от 1 м до 1 мм. Микроволновый диапазон делится на несколько поддиапазонов:

1. Ультравысокие частоты (УКВ) или дециметровые волны (ДМВ) – диапазон частот 300 МГц…3 ГГц (длины волн 1 м…10 см);

2. Сверхвысокие частоты (СВЧ) или сантиметровые волны (СМВ) – диапазон частот 3 ГГц…30 ГГц (длины волн 10 см…1 см);

3. Крайне высокие частоты (КВЧ) или миллиметровые волны (ММВ) – диапазон частот 30 ГГц…300 ГГц (длины волн 1 см…1 мм).

Наглядно классификация ЭМ колебаний изображена ниже (см. рис. 1)

Рис. 1 – классификация ЭМ излучения по частотам и длинам волн

Активно начали исследовать МВ диапазон во время второй мировой войны. Именно благодаря тому, что у Великобритании имелись радиолокационные станции, Лондону удалось устоять. Вторым моментом, стимулирующим развитие микроволнового диапазона, являлась необходимость обнаруживать подводные лодки по их перископам (чтобы отразиться от перископа, длина электромагнитной волны должна составлять порядка 10 см – микроволновый диапазон).

К особенностям МВ диапазона можно отнести:

• Соизмеримость длины волны и размеров окружающих нас устройств;

• Соизмеримость времени пролёта зарядов в приборе с периодом микроволновых колебаний;

• Прямолинейность распространения радиолуча;

• Наличие окон прозрачности в атмосфере и ионосфере («Космическое» телевидение реализовано на частотах порядка 11 ГГц – именно на этих частотах наша ионосфера имеет окно прозрачности. На других частотах много отражений и далеко не все частоты пригодны для передачи информации через ионосферу и атмосферу посредством ЭМ колебаний).

• Энергия кванта (hf) много меньше энергии тепловых колебаний (kT);

• Большая информационная ёмкость канала связи;

• Диссипация энергии в материале за счет диэлектрической и магнитной релаксации и проводимости. Результат – нагрев материала (Появляется возможность создания энергетических установок);

• Существенная глубина проникновения волны в диэлектрические материалы (Возможность «внутреннего» нагрева).

Стоит обратить внимание на то, что микроволновое излучение не является ионизирующим. Уже было написано, что энергия кванта излучения много меньше энергии тепловых колебаний. На высоких частотах молекулы воды в живой клетке действительно будут взаимодействовать с волной и колебаться, что в свою очередь будет нагревать тело, но так или иначе ионизировать атомы в живой клетке посредством МВ излучения не удастся. Для каждого вещества есть красная граница фотоэффекта:

Данная частота рассчитана приблизительно, но ее порядок говорит о принадлежности этой частоты к оптическому диапазону.

Было также написано, что одна из особенностей МВ – большая информационная ёмкость канала связи. Неплохо было бы взглянуть на формулу Хартли Шеннона:

,

где – диапазон частот, выделенный для передачи информации, – величина, связанная с соотношением сигнал/шум

Данная формула говорит, что ёмкость канала или скорость передачи информации определяется полосой частот, выделенной для передачи данной информации.

Поговорим теперь о применении микроволновых приборов:

А. – в системах связи (схема приемо-передатчика).

Приведу схемы приемника и передатчика:

Рис. 2 – структурные схемы приемника и передатчика

Микроволновая связь позволяет передавать очень широкую полосу частот видеосигналов, а также, если необходимо, других данных (включая звук и/или PTZ‑контроль). Полоса частот передачи зависит от модели передатчика. Качественные устройства обычно обеспечивают полосу частот в 7 МГц, которой достаточно для высококачественной передачи видеосигнала без заметного искажения.

Микроволновая передача обычно идет в одном направлении – например, видеосигнал посылается из пункта А в пункт Б. Хотя возможна и двунаправленная передача – если необходимо передавать видеосигнал в двух направлениях или нужно передавать видеосигнал в одном направлении, а другие данные – в другом. Последнее очень важно, если используются PTZ‑камеры.

Техника кодирования, обычно используемая в передаче видеосигнала, – это частотная модуляция (ЧМ), но может использоваться и амплитудная модуляция (AM). Если аудио‑ и видеосигналы передаются одновременно, то видеосигнал модулируется посредством AM, а аудиосигнал – посредством ЧМ, как и в телевещании.

Передатчик и приемник должны находиться на линии прямой видимости. В большинстве случаев передающие и приемные антенны представляют собой параболические антенны, аналогичные тем, что используются для приема спутникового телевидения.

Б. – в технологиях нагрева материалов (схема микроволновой печи).

Под СВЧ-нагревом понимают процесс, в котором энергия с частотой от МГц до 300 ГГц проникает в нагреваемый материал в качестве электромагнитной волны с длиной волны в диапазоне от 1 м до 1 мм, а затем преобразуется в тепло.

Рис. 3 – спектр электромагнитного излучения

СВЧ-нагрев отличается от традиционных систем нагрева за счет того, что тепло не должно поступать в обход нагреву окружающего газа и теплоизоляции в нагреваемом материале, а может напрямую подключаться в объем материала. Он сохраняет в себе потенциал крайне энергоэффективного метода нагрева.

Нагреваются тела, как уже писалось выше, за счет силы трения - силы, имеющей электромагнитную природу, возникающей при соприкосновении двух тел и препятствующей их относительному движению. Причина такого трения – шероховатость поверхностей и кулоновское взаимодействие молекул на поверхностях.

Так что под действием переменного электрического поля в СВЧ-печи молекулы воды (диполи) постоянно колеблются и как бы «трутся» друг о друга, что способствует нагреву тела, содержащее эти самые молекулы воды.

Схему микроволновой печи приведу ниже:

Рис. 4 – Микроволновая печь: 1 — корпус, 2 — высоковольтный трансформатор, 3 — магнетрон, 4 — вентилятор, 5 — антенна, 6 — волновод, 7 — полость печи, 8 — микроволны, 9 — посуда, 10 — вращающийся стол

С. Основы воздействия микроволнового излучения на живые организмы.

Энергия кванта электромагнитного излучения фиксирована и равна

E = hν, где h = 4·10^–15 [эВ·с] = 6·10^–34 [Дж·с] — постоянная Планка.

От энергии квантов напрямую зависит способность излучения производить определенное воздействие на вещество. Многие процессы в веществе характеризуются пороговой энергией — если отдельные кванты несут меньшую энергию, то, как бы много их ни было, они не смогут спровоцировать надпороговый процесс.

Энергии СВЧ-квантов хватает для возбуждения вращательных уровней основного электронно-колебательного состояния некоторых молекул, например, воды. Но опять же МВ излучение – неионизирующее.

2. Микроволновый электронный прибор как преобразователь энергии. Квантовый и гидродинамический подход к анализу работы прибора. Индивидуальное и коллективное излучение заряженных частиц Тормозное излучение, переходное излучение, излучение Вавилова-Черенкова, осцилляторное излучение, индуцированное излучение.

Отличие СВЧ приборов, помимо особенностей колебательных систем и методов их сопряжения с прибором, заключается в управлении электронным потоком в приборе. Если в обычных электронных лампах управление электронным потоком статическое, где с изменением переменного напряжения на сетке меняется плотность электронного потока, то в СВЧ приборах электронный прибор управляется динамически. Электрическое поле, образуемое сверхвысокочастотными колебаниями, используется здесь для изменения скорости электронного потока, а не его плотности. И лишь со временем, в процессе дальнейшего движения электронов, в результате разности их скоростей в электронном потоке образуются сгущения и разрежения.

Создание электронного потока, плотность которого является функцией времени, необходимо для эффективной передачи энергии движущихся электронов сверхвысокочастотному электромагнитному полю. При взаимодействии с этим полем электроны могут отдавать ему как кинетическую, так и потенциальную энергию.

Различные типы приборов отличаются типами индивидуального излучения частиц и используемыми механизмами фазировки и группировки.

Самая основа, которая лежит в работе электронных приборов – взаимодействие потока заряженных частиц с ЭМ полем.

Вспомним законы максвелла:

(1)

Здесь – удельная циркуляция, то есть “закрученность” некоторого векторного поля H (вихрь), – плотность тока, – ток смещения

С точки зрения создания МП плотность тока и ток смещения – одинаковы, то есть одинаково создают МП.

(2)

(2) – закон электромагнитной индукции: вихрь ЭП определяется изменение магнитной индукции

(3)

Дивергенция – удельный поток через поперечное сечение. Данный закон говорит о том, что линии поля замкнуты, то есть нет магнитных зарядов.

(4)

Источник ЭП – электрические заряды

Совместное решение уравнений Максвелла говорит о том, что ЭМ волны распространяются в свободном пространстве со скоростью света, причем векторы и ортогональны друг к другу, а энергия, переносимая волной определяется вектором Пойнтиинга .