Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы - файл mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

Арипов Х.К., Кузьмина Г.Н. и др. Микроволновые полупроводниковые приборы
скачать (483.7 kb.)
Доступные файлы (1):
mikrovolno_poluprovod_pribori.doc1409kb.29.05.2003 11:50скачать

mikrovolno_poluprovod_pribori.doc

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12

ЛЕКЦИЯ № 1


Особенности микроволнового диапазона и динамического принципа управления преобразованием энергии


  1. Концептуальная диаграмма.

  2. Диапазоны волн, используемые в телекоммуникации, необходимость использования микроволнового диапазона.

  3. Достоинства и недостатки использования микроволнового диапазона.

  4. Статический и динамический принципы управления преобразованием энергии.

  5. Особенности динамического принципа управлении преобразованием.

  6. Классификация приборов микроволнового диапазона.

  7. Контрольные вопросы.




    1. Концептуальная диаграмма




    1. Диапазоны волн, используемые в телекоммуникации, необходимость использования микроволнового диапазона.


Характер распространения электромагнитных сигналов в раз­личных средах и линиях связи в первую очередь зависит от частоты сигна­ла. В соответствии с этим различают следую­щие типовые диапазоны применяемых частот, приведенных в табл.1.1:

Таблица 1.1

Название

Сокращение

Длина волны

Частоты

Сверхдлинные волны

СДВ


100 ... 10 км

3 ... 30 кГц

Длинные волны

ДВ

10 ... 1 км

30 ... 300 кГц

Средние волны

СВ

1,0 ... 0,1 км

0,3 ... 3 МГц

Короткие волны

КВ

100 ... 10м

3 ... 30 МГц

Ультракороткие волны

УКВ

10.... 1 м

30 ... 300 МГц

Дециметровые волны

ДЦМ

1 ... 0,1 м

300 ... 3000 МГц или 0,3 ... 3 ГГц

Сантиметровые волны

СМ

10 ... 1 см

3 ... 30 ГГц

Миллиметровые волны

ММ

10 ... 1 мм

30 ... 300 ГГц

Оптический диапазон

ОД

10 ... 0,1 мкм

3.1011…3.1016 Гц

К диапазону СВЧ обычно относят область частот от 300 МГц до 300 ГГц. Этот диапазон частот, ширина которого в 105 раз превышает сумму всех диапазонов, используемых «обычной» радиотехникой и электротехникой, принято условно делить на несколько более узких диапазонов длин волн: дециметровый, сантиметровый и миллиметровый.

Оптический диапазон (3∙1011—3∙1016 Гц) включает субмиллиметровые и инфракрасные волны, волны видимого и ультрафиолетового излучений. Видимое излучение занимает относительно узкую область спектра оптического излучения и ограничено длинами волн от 0,78 до 0,38 мкм.

На рис. 1.1 показано, как используются СВЧ и оптический диапазоны в современных системах связи:

1 — телевизионное вещание;

2 — радиорелейная связь;

3 тропосферная радиосвязь;

4 космическая радиосвязь;

5 — метеорная радиосвязь;

6 — дальняя космическая связь;

7— волноводные линии связи;

8— волоконно-оптические линии связи;

9— лазерная связь для космоса.



Рис. 1.1.Системы связи использующие микроволновый диапазон
Линии радиорелейной и космической связи работают в сантиметровом и дециметровом диапазонах волн. Системы связи с использованием искусственных спутников Земли (ИСЗ), как ретрансляторов, ста­новятся одним из важнейших средств связи на большие расстоя­ния, обеспечивающих передачу большого числа телефонных разго­воров и программ телевидения.

Телевизионное вещание ведется в настоящее время в метро­вом и дециметровом диапазонах волн. Дециметровый диапазон позволяет разместить большое число каналов, уменьшить взаим­ное влияние близко расположенных передатчиков вследствие по­вышенного затухания дециметровых волн и получить высокое ка­чество принимаемого изображения за счет незначительного влия­ния индустриальных помех.

Диапазон миллиметровых волн позволяет создавать многоканальные волноводные линии связи с очень широкой полосой час­тот, в которой можно разместить несколько сотен тысяч телефон­ных каналов. Миллиметровые волны нашли применение в новой области космической связи — передаче сигналов со спутника на спутник в линии международной связи, содержащей несколько спутников.

На базе оптических квантовых генераторов разрабатываются эффективные системы лазерной связи. Передавать лазерное излучение в атмосфере целесообразно на коротких линиях связи или в космосе между спутниками. Для передачи света на большие расстояния с малыми потерями необходима специальная направляющая система. Наиболее перспективными для лазерных систем связи оказались оптические волноводы — исклю-чительно тонкие диэлектрические стержни (3—80 мкм в диаметре), которые из-за малых попереч­ных размеров называются волокнами. В настоящее время разработаны волоконно-оптические кабели с затуханием 1—3 дБ/км. Во многих странах мира ведутся разработки волоконно-оптических линий связи (ВОЛС), которые обладают целым рядом преимуществ по сравнению с обычными кабельными: высокая поме­хоустойчивость, значительно большая широкополосность, малая масса и небольшие габариты, потенциально низкая стоимость.

Роль диапазона СВЧ непрерывно возрастает в связи с бурным развитием самых разнообразных областей науки и техники — ра­диолокации, радиоуправления, связи, телевидения, телефонии, промышленной электроники и компьютерных информационных сетей. Сверхвысокочастотные приборы широко используют­ся в ряде областей народ­ного хозяйства и медицине, технике телекоммуникаций и компьютерных технологиях. В будущем потребуется еще более широкое применение техники и приборов сверхвысоких частот.
1.3. Достоинства и недостатки использования микроволнового диапазона.
Электромагнитные колебания микроволнового и оптического диапазонов обладают целым рядом специфических особенностей и свойств, отличающими их от смежных участков спектра.

На сверхвысоких частотах длина волны соизмерима с линей­ными размерами физических тел. Геометрические размеры схемотехнических элементов аппаратуры, в том числе и антенн, также оказываются соизмери­мыми с длиной волны и могут значительно превышать ее. Поэто­му волны диапазона СВЧ обладают квазиоптическими свойства­ми, т. е. по характеру распространения приближаются к свето­вым волнам. Наряду с этим принципы работы СВЧ устройств в значительной мере определяются явлениями дифракции и не могут непосредственно использовать законы геометрической оптики, а также законы обычных электрических цепей.

Квазиоптические свойства волн СВЧ диапазона особенно ценны для направлен­ной передачи сигналов, а также для определения координат объектов.

Еще большей направленностью обладает лазерное излучение. Высокая направленность излучения позволяет во много раз повысить помехоустойчивость систем передачи информации и снизить мощность передающих устройств.

В отличие от более длинных радиоволн (до 10-15м.) и инфракрасных излучений, волны СВЧ, особенно на участке между 100 Мгц и 10 ГГц, почти беспрепятственно проникают сквозь ионизированные слои, окружающие Землю, а также сквозь атмосферу. Существова­ние в атмосфере Земли широкого окна прозрачности в диапазоне сверхвысоких час­тот дает возможность, с одной стороны, исследовать космическое про­странство радиоастрономическими методами, СВЧ из­лучение Солнца, звезд и других космических тел. Диапазон СВЧ незаменимым для развития космических систем связи для обмена инфор-мацией между наземными пунктами связи и космическими ретрансляционными спутниками.

Недостатком спутниковых систем связи является действие космических шумов на наземные радиоприемные устройства.

Величина кванта энергии, соответствующая диапазону СВЧ, соизмерима с разностью энергий близко расположенных энерге­тических уровней атомов и молекул атмосферы Земли. Поэтому СВЧ электромагнитные колебания, в особенности колебания, лежащие в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, обладают способностью резонансного энергетического взаимодействия с веществом. Это обстоятельство широко исполь­зуется при анализе строения вещества методами СВЧ радиоспек­троскопии. Помимо решения специфических научных проблем, это направление, в свою очередь, оказывает сильное влияние на раз­витие техники СВЧ связи, использование этих частот невозможно для линий космической радиосвязи ввиду большого резонансного поглощения радиоволн на этих частотах. Использование резонансного взаимодей­ствия СВЧ колебаний с атомами и молекулами привело к раз­работке принципиально новых устройств — квантовых молекуляр­ных усилителей и генераторов и к развитию квантовой электро­ники.

Основным достоинством СВЧ диапазона является то, что в этом диапазоне можно разместить значительно большее число каналов связи, чем на более низких частотах. Например, нетрудно видеть, что даже узкая полоса частот в 1 % при средней частоте 10 ГГц (длина волны 3 см) позволяет разме­стить столько же независимых каналов, сколько их имеется во всем диапазоне от сверхдлинных до ультракоротких волн. Большая информационная емкость СВЧ диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и телевизионную связь, в особенности на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Создание квантовых генераторов и усилителей оптического диапазона (лазеров) дает возможность еще более повысить информационную емкость каналов связи с непосредственным использованием методов и аппаратуры СВЧ диапазона.
1.4.Статический и динамический принципы управления преобразованием энергии
Любой электронный прибор с конструктивной точки зрения представляет определенную систему электродов, размещенных в вакууме или твердом теле (полупроводнике). Можно утверждать, что в приборе способном усиливать мощность, есть два главных межэлектродных промежутка (рис. 1.2), один из которых (управляемый) ответственен за преобразование энергии источника питания в энергию полезного сигнала, а второй промежуток является управляющим и регламентирует процессы, протекающие в управляемом про­межутке (соответственно преобразователе), согласно команде входного сигнала.





Рис 1.2. Блок-схема активного электронного преобразователя
Таким образом, чтобы создать активный электронный преобразо­ватель необходимо прежде всего отыскать способ воздействия на интенсивность электронных процессов, протекающих в одном межэлектродном промежутке, с помощью другого межэлектродного промежутка, напряжение на котором задается входным сигналом.

Интенсивность процессов, протекающих в межэлектродном промежутке, а значит и в той цепи, в которую вхо­дит этот промежуток, определяется двумя факторами - количеством электронов участвующих в процессе, и эффективностью их взаимодей­ствия с полем этого промежутка. Из этого следует, что возможны два пути поиска способа управления преобразованием - это либо способ управления количеством электронов, движущихся в управляемом межэлектродном промежутке, либо способ управления эффективностью взаимодействия электронов с полем управляемого промежутка. Последний способ уп­равления электронным потоком со­стоит в модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плот­ности и в передаче энергии колеба­ний от модулированного по плотно­сти потока колебательной системе. При этом время пролета имеет ре­шающее значение, так как толь­ко в процессе движения элек­тронов происходит их группирова­ние.

Развитие электроники показало, что практически реализуемы оба эти способа, или, лучше сказать, принципа управления преобразовани­ем энергии вспомогательного источника в энергию полезного сигна­ла. Первый принцип назван статическим принципом упра­вления, второй принцип назван динамическим принципом управления.

В табл. 1.2 приведены данные о приборах использующих принципы статического и динамического управления.

Таблица 1.2

Наименование принципа управления


Содержание принципа


Типы приборов


Диапазон рабочих частот (ГГц)

Статический принцип управления.


Управление преобразованием энергии вспомогательного источника в энер­гию электрического тока в выходной цепи прибора осуществляется путем изменения статической проводимости соответствующего междуэлектродного промежутка в электронном приборе.


СВЧ-триоды, маячковые лампы, полупроводниковые биполярные и полевые транзисторы, ин­тегральные микросхемы.


3 10-4 - 10

(1 км - 3 см)


Динамический принцип управления.


Управление преобразованием энергии осуществляется путем изменения динамики взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, в результате чего изменяется доля энергии пучка, преобразуемая в энергию поля.


Клистроны, приборы с бегущей волной, магнетроны, диоды Ганна, параметрические диоды, лавинно-пролетные диоды (ЛПД).


0, 3 - 300

( 1 м - 1 мм)


Определяющим в статическом принципе управления является управление количеством электронов (или вообще свободных носите­лей заряда (СНЗ)), движущихся в управляемом межэлектродном промежутке. Статическая проводимость проме­жутка, т. е. ток переноса в этом промежутке при постоянном напряжении на промежутке – определяется количеством СНЗ в этом промежутке. Таким образом, статический принцип управления —это управление статической (т. е. установившейся) проводимостью меж­электродного промежутка, включенного последовательно с источни­ком питания и той цепью, в которой реализуется преобразованный (выходной) сигнал.

Статический принцип управления основан на предположении о су­ществовании однозначной связи между током в управля­емом промежутке и напряжением или током в управляющем промежутке. Эта связь действительно однозначна если токи (напряжения) являются постоянными во времени. При переменных напряжениях (токах) одно­значность связей уже отсутствует.
1.5. Особенности динамического принципа управления преобразованием
Идея динамического управления процессом преобразования энер­гии предполагает возможность управления эффективностью энергообмена между электронным потоком, пронизывающем область локализации выходного электромагнитного поля и этим полем. При этом управление производится путем воздействия на электронный поток со стороны входного электромагнитного поля, локализованное в другом или том же самом межэлектродном промежутке.

Значит носителем первичной энергии, за счет, которой фор­мируется выходной сигнал, является сам элект­ронный поток. Источник питания служит лишь для сообщения электронному потоку необходимой энергии. Во-вторых, предполагается, что как управляющее (входное), так и управляемое (выходное) электро­магнитное поле могут быть локализованы в элементах объема элек­тронного прибора. Отсюда следует, что динамический принцип управ­ления может быть реализован только на сверхвысоких частотах (длина волны не более 1м).

Так же электронный поток рассматривается не как простая совокупность движущихся электронов, а как некий целостный ансамбль, и именно энергообмен этого ансамбля с полем имеет решающее значение.

Возможность управления энергообменом ан­самбля с электромагнитным полем заключается в зависимости как знака энергообмена, так и его величины от состо­яния ансамбля. Если ансамбль находится в равновесном состоянии, то при его взаимодействии с электромагнитным полем энергообмена происходить практически не будет. Энергии как ансамбля электро­нов, так и поля будут оставаться неизменными. Если же с полем вза­имодействует ансамбль, находящийся в неравновесном состоянии, то происходит энергообмен, причем тем более интенсивный, чем в боль­шей степени состояние ансамбля отличается от равновесного. Эта особенность, является общей для взаимодействия с электромагнитных полем любых ансамблей.
Рис.1.3. Распределение плотности электронного пучка при динамическом

управлении
Равновесным состоянием потока электронов является такое состояние, при котором скорости всех электронов будут одинаковыми, а плотно­сть электронов вдоль потока постоянной.

Предположим, что такой поток пронизывает область между электродами АВ (рис.1.3.), в которой локализовано электромагнитное поле типа стоячей волны.

Допустим, что скорость электронов в потоке настолько велика, что время пролета электронов через промежуток АВ ничтожно мало по сравнению с периодом изменения напряжения на этом промежутке. Тогда за время пролета электрона через промежуток напряжение на промежутке практически не изменится, и электрон будет двигаться так, как двигался бы в постоянном поле с нап­ряженностью, равной мгновенному значению напряженности переменно­го поля в момент пролета электрона. Электроны, пролетевшие проме­жуток за положительный полупериод, ускоряются (каждый по-своему), а электроны, пролетевшие промежуток за отрицательный полу­период, замедляются (опять каждый по-своему). Поскольку, однако, плотность электронов в пучке всюду одинакова, то количества элек­тронов, проходящих промежуток АВ за положительный и отрицательный полупериоды, будут одинаковы. Половина электронов ансамбля ускоряется и увеличивает свою энергию за счет энергии поля, половина электронов ансамбля замедляется и уменьшает свою энергию, отдавая ее полю. Ни энергия ансамбля, ни энергия поля не изменяются. Энергообмен незначителен по величине и практически равен нулю.

При прохождении пучка через область электромагнитного поля происходит изменение скорости электронов - одни электроны ускоряется, другие - замедляются. Но как только скорости электро­нов станут неодинаковыми возникнет причина, приводящая к наруше­нию равномерного их пространственного распределения вдоль пучка. Начнут образовываться сгустки и разрежения, периодически расположенные вдоль пучка.

Электронный поток про­низывает промежуток АВ, в котором электромагнитное поле связано с входным сигналом и которое требуется, например, усилить. Это поле, воздействуя на поток электронов, модулирует эле­ктроны пучка по скоростям, выводя, тем самым, ансамбль электронов из равновесия. Далее этот, уже неравновесный поток электронов, про­низывает второй промежуток а'В', в котором локализовано поле инду­цированное этим неравновесным потоком, поддерживая его на некото­ром уровне путем непрерывной передачи части своей энергии. Чем больше амплитуда поля в промежутке АВ (амплитуда входного сигнала) тем большей будет амплитуда модуляции скорости электронов в пучке, а значит тем большей будет доля энергии, передаваемой от электронного пучка электромагнитному полю в про­межутке А'В', тем большей будет амплитуда установившегося поля в этом промежутке.

Таким образом, особенности динамического управления электронным потоком состоят в модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности и передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе. При этом время пролета имеет решающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.

Динамическое управление преобразованием энергии электронного пучка в энергию СВЧ поля обязательно включает в себя, три процесса:

-модуляцию электронов по скорости полем входного сигнала;

-пространственную группировку электронов в пучке, обеспечиваю­щую положительный энергообмен с СВЧ полем выходного сигнала;

-отбор энергии от неоднородного по плотности пучка и формиро­вание СВЧ поля выходного сигнала.

Эти три процесса могут протекать в раздельных элементах объема прибора и в указанной временной последовательности (клистрон), или в одном к том же элементе объема и налагаясь друг на друга во времени (лампы бегущей волны).
1.6. Классификация приборов микроволнового диапазона
В настоящее время разработано много приборов, отличаю­щихся как принципом действия, так и областью применения. На рис. 1.4. приведена классификация электронных приборов СВЧ, а на рис. 1.5. — квантовых приборов. Данная классификация не претендует на полноту и не является единственно возможной.

Электровакуумные приборы СВЧ диапазона могут быть по ха­рактеру энергообмена разделены на приборы типов О и М. В при­борах типа О происходит преобразование кинетической энергии электронов в энергию СВЧ поля в результате торможения элек­тронов этим полем. Магнитное поле или не используется совсем, или применяется только для фокусировки электронного потока и принципиального значения для процесса энергообмена не имеет. В приборах типа М, которые еще также называются приборами со скрещенными полями (потому что постоянное магнитное поле перпендикулярно постоянному электрическому полю, ускоряюще­му электроны) в энергию СВЧ поля переходит потенциальная энергия электронов.



Рис. 1.4. Классификация электронных приборов СВЧ
По продолжительности взаимодействия с СВЧ полем приборы разделяются на приборы с кратковременным (прерывным) и длительным (непрерывным) взаимодействием. В первом случае используется взаимодействие электронов с СВЧ полем резонаторов, а во втором — с бегущей электромагнитной волной.

Приборы с кратковременным взаимодействием одновременно являются приборами типов О (пролетные и отражательные клистроны). Приборы с длительным взаимодействием могут быть как типа О — ЛБВ, ЛОВ, так и типа М — ЛБВМ, ЛОВМ, магнетрон, платинотрон. По типу управления электронным потоком приборы подразделяются на приборы с электростатическим и динамическим управлениями.

В полупроводниковых приборах СВЧ выделяются группа диодов с отрицательным сопротивлением и группа СВЧ транзисторов.

Квантовые приборы (рис. 1.5) обычно разделяются на два класса в зависимости от диапазона рабочих частот. В СВЧ диапазоне это мазеры и квантовые стандарты частоты, а в оптическом — лазеры. Затем лазеры подразделяются в зависимости от агрегатного состояния активного вещества на газовые, твердотельные, жидкостные, полупроводниковые. Хотя используемые в квантовой электронике полупроводники являются твердыми телами, полупроводниковые лазеры выделены в отдельную группу связи с тем, что характер генерации в полупроводниках существенно отличается от генерации в обычных твердотельных квантовых генераторах.



Рис. 1.5. Классификация квантовых приборов
В зависимости от режима работы различают лазеры, работающие в непрерывном режиме, в импульсном режиме с длительностью импульсов 10-3—10-6 с, режиме гигантских импульсов длительностью 10-7— 10-9 с и режиме синхронизации мод, при котором длительность импульса может быть 10-10—10-12 с.
1.7. Контрольные вопросы:


  1. В каких областях телекоммуникации используют СВЧ и оптический диапазоны?

  2. Поясните основные достоинства и недостатки микроволнового диапазона.

  3. В чем заключаются статический и динамический принципы управления преобразованием энергии?

  4. Какое состояние потока электронов называют равновесным?

  5. В чем заключается возможность управления энергообменом ан­самбля электронов с электромагнитным полем?

  6. По каким признакам производится классификации приборов СВЧ диапазона?

1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   12


Учебный материал
© bib.convdocs.org
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации