Лекции 1 по дисциплине Физические основы электроники свч и квантовой электроники студент группы 18ПР3 Рожков Е. О

• Название: Лекции 1 по дисциплине Физические основы электроники свч и квантовой электроники студент группы 18ПР3 Рожков Е. О
• Дата: 14.04.2022
• Размер: 0.87 Mb.
• Имя файла: 18PR3_Rozhkov_Otvety_na_lektsiyu_1.docx
• Тип: Лекции; #475198

ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

Факультет информационных технологий и электроники

Кафедра «Радиотехника и радиоэлектронные системы»

Ответы на вопросы по лекции №1

по дисциплине «Физические основы электроники СВЧ и квантовой электроники»

Выполнил: студент группы 18ПР3

Рожков Е.О.

Проверил: д. ф. –м. н., профессор

Макеева Г.С.

Пенза, 2021


Раздел 1. Физические основы работы электронных приборов диапазона сверхвысоких частот

Лекция 1

1. 
   Десятичная классификация спектра электромагнитных волн.
   

Наименование диапазонов		Частотные границы	Граничные длины волн
По частоте	По длине волны	f1 ÷ f2	λ1 ÷ λ2
Крайне низкие частоты (КНЧ)	Декамегаметровые	3÷30 Гц
Сверхнизкие частоты (СНЧ)	Мегакилометровые	30÷300 Гц
Инфранизкие частоты (ИНЧ)	Гектокилометровые	300÷3000 Гц
Очень низкие частоты (ОНЧ)	Сверхдлинные волны (СДВ)	3÷30кГц	105 ÷ 104 м
Низкие частоты (НЧ)	Длинные волны (ДВ)	30÷300 кГц	104 ÷ 103 м
Средние частоты (СЧ)	Средние волны (СВ)	300÷3000 кГц	103 ÷ 102 м
Высокие частоты (ВЧ)	Короткие волны (КВ)	3÷30 МГц	102 ÷ 10 м
СВЕРХВЫСОКИЕ ЧАСТОТЫ		30 МГц ÷ 3000ГГц	10 ÷ 10-4 м
Очень высокие частоты	Метровые (МВ)	30÷300 МГц	10 ÷ 1 м
Ультравысокие частоты	Дециметровые(ДМВ)	300÷3000 МГц	1 ÷ 10-1 м
Сверхвысокие частоты	Сантиметровые (СМВ)	3÷30 ГГц	10-1 ÷10-2 м
Крайне высокие частоты	Миллиметровые (ММВ)	30÷300 ГГц	10-2 ÷ 10-3 м
Гипервысокие частоты	Субмиллиметровые(СММВ)	300÷3000 ГГц	10-3 ÷ 10-4 м
ОПТИЧЕСКИЙ ДИАПАЗОН		3*1012 ÷3*1016 Гц	100 ÷0,01 мкм
	Инфракрасные волны (ИК)	3*1012 ÷ 4*1014 Гц	100 ÷ 0,75 мкм
	Световые волны (видимые)	4*1014 ÷ 7,5*1014 Гц	0,75 ÷ 0,4 мкм
	Ультрафиолетовые волны	7,5*1014 ÷ 3*1016 Гц	0,4 ÷ 0,01 мкм

2. 
   Определение СВЧ диапазона. Какие поддиапазоны волн (частот) входят в этот диапазон.
   

Диапазон сверхвысоких частот (СВЧ) занимает полосу частот от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн     от 1 м до 1 мм.

Диапазон СВЧ включает в себя:

• 
  дециметровые волны (ДМВ) 300 МГц < f < 3 ГГц, 1 м > l > 10 см;
  

• 
  сантиметровые волны (СМВ) 3 ГГц < f < 30 ГГц, 10 см > l > 1 см;
  

• 
  миллиметровые волны (ММВ) 30 ГГц < f < 300 ГГц, 1 см > l .
  

3. 
   Определение оптического диапазона. Какие поддиапазоны волн (частот) входят в этот диапазон.
   

Оптический диапазон -10 “ Гц < f < 10¹⁵ Гц включает в себя:

• 
  субмиллиметровые волны 1мм > l > 0,1 мм;
  

• 
  инфракрасные волны 0,1 мм > l > 0,8 мкм;
  

• 
  видимые волны 0,8 мкм > l > 0,4 мкм;
  

• 
  ультрафиолетовые волны 0,4 мкм > l.
  

4. 
   Пояснить особенности диапазона СВЧ.
   

Диапазоны СВЧ и оптический обладает многими отличительными особенностями. Некоторые из них, наиболее важные для нас, радистов, мы сейчас отметим.

• 
  Большая информационная емкость
  

• 
  С помощью не очень сложных устройств электромагнитные колебания СВЧ диапазонов могут фокусировать и излучаться направленно узкими пучками.
  
• 
  Благодаря высокой направленности передающих и приемных антенн, на СВЧ очень малы взаимные помехи между различными системами связи.
  
• 
  Колебания СВЧ и оптического диапазонов легко проникают сквозь ионизированные слои атмосферы Земли.
  
• 
  Электромагнитные колебания СВЧ могут распространяться в специальных линиях передачи – волноводах.
  

5. 
   Пояснить особенности оптического диапазона.
   

• 
  Большая информационная емкость
  
• 
  Колебания оптического диапазона легко проникают сквозь ионизированные слои атмосферы Земли.
  

6. 
   Роль техники СВЧ.
   

Роль техники СВЧ обусловлена сферами её применения:

МВ ДМВ ==телевидение

МВ ДМВ СМВ == радиолокация, радиоастрономия

ДМВ СМВ ==космическая связь, медицина, радиорелейная связь

ММВ ==космическая связь вне Земли, специальное применение

ММВ СММВ ==радиоспектроскопия

7. 
   Функции, выполняемые активными приборами в устройствах СВЧ.
   

Следующие:

• 
  генерировать монохроматические колебания достаточной мощности;
  

• 
  улавливать и усиливать радиоволны очень малой мощности, несущие полезную информацию;
  

• 
  преобразовывать электромагнитные колебания одной частоты в колебания другой частоты;
  

• 
  модулировать генерируемые колебания данного диапазона волн колебаниями, несущими полезную информацию;
  

• 
  демодулировать принятые и усиленные радиоволны с целью выделения из них модулирующих колебаний, несущих полезную информацию.
  

8. 
   Уравнение движения электрона в электрическом и магнитном полях.
   

Теоретическая база (фундамент) электроники СВЧ – это уравнения Максвелла и уравнения движения заряженной частицы (электрона) в электромагнитном поле:

9. 
   Воздействие электрического и магнитного поля на движущийся заряд. Скорость электрона.
   

На электрон действуют электрическая сила (сила Кулона) и магнитная сила (сила Лоренца).

Для вычисления скорости электрона, приобретенной в потенциальном электрическом поле, обычно исходят из закона сохранения энергии:



Через U в этих уравнениях обозначены разность потенциалов между рассматриваемой точкой пространства и точкой, где скорость электрона равно нулю.

10. 
    Дать классификацию электровакуумных приборов СВЧ.
    

11. 
    Методы управления электронными потоками на сверхвысоких частотах.
    

Существуют следующие методы управления электронными потоками на СВЧ:

• 
  электростатическое (квазистатическое) управление
  
• 
  динамическое управлением
  

12. 
    Что такое электростатическое (квазистатическое) управление электронным потоком в электронных приборах СВЧ?
    

В приборах с квазистатическим управлением, как следует из названия, для управления электронным потоком используют электрическое поле, причем размеры пространства взаимодействия много меньше длины волны, так что управляющее поле в нем в каждый момент времени практически совпадает с электростатическим полем.

13. 
    Что такое динамическое управление электронным потоком в электронных приборах СВЧ?
    

В приборах с динамическим управлением электромагнитное поле в пространстве взаимодействия имеет волновой характер и (или) процесс группирования происходит в течение промежутка времени, соизмеримого с периодом колебаний поля.

14. 
    Определение - электровакуумные приборы СВЧ типа О.
    

Электронные приборы СВЧ, в которых электроны движутся в продольном электрическом поле (продольное магнитное поле, если оно приложено, дополнительно фокусирует электронный поток), называют приборами типа О.

15. 
    Определение -электровакуумные приборы СВЧ типа М.
    

Электронные приборы СВЧ, в которых используются скрещенные электрические и магнитные поля, с векторами, перпендикулярными вектору скорости электронов, называют приборами типа М.

16. 
    Определение - электровакуумные приборы СВЧ с кратковременным взаимодействием.
    

В приборах кратковременного взаимодействия процессы модуляции электронного потока и последующего взаимодействия электронных сгустков с полем протекают при совместном движениии электронов при пролёте между сетками в резонаторе. Происходит кратковременное (прерывное) взаимодействие электронов с СВЧ полем резонатора на всем пути их совместного движения.

Отличие от электровакуумных приборов СВЧ с длительным взаимодействием заключается в следующих изменениях:

1. 
   Используется взаимодействие с СВЧ полем резонатора
   
2. 
   Происходит кратковременное (прерывное) взаимодейтсвие.
   

17. 
    Определение - электровакуумные приборы СВЧ с длительным взаимодействием.
    

В приборах длительного взаимодействия процессы модуляции электронного потока и последующего взаимодействия электронных сгустков с полем протекают при совместном движениии электронов и бегущей - движущейся в пространстве электромагнитной волны. Происходит не кратковременное (на определенном отрезке пути), а длительное взаимодействие электронов с полем на всем пути их совместного движения.

18. 
    Какие функции выполняют СВЧ электронные приборы?
    

Электронные приборы СВЧ выполняют следующие функции, а именно: генерируют, усиливают и преобразовывают электромагнитные колебания в диапазоне частот от 300 МГц до 3000 ГГц, т.е. в дециметровом, сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн.