Лекции 2 по дисциплине Физические основы электроники свч и квантовой электроники студент группы 18ПР3 Рожков Е. О
 Скачать 0.86 Mb.
|
|
ПЕНЗЕНСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ Факультет информационных технологий и электроники Кафедра «Радиотехника и радиоэлектронные системы» Ответы на вопросы по лекции №2 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 Лекция 2 Раздел 1. Физические основы работы электронных приборов диапазона сверхвысоких частот Тема 2. Физические основы работы электровакуумных приборов СВЧ с электростатическим и динамическим управлением. Особенности работы электронных ламп в диапазоне СВЧ. Особенности работы ламп в диапазоне СВЧ обусловлены существованием принципиальных и непринципиальных ограничений. Первым важным физическим фактором, характеризующим электронику СВЧ, является соизмеримость периода колебаний со временем пролета электронов между электродами электронного прибора. Это время имеет в обычных лампах величину порядка  сек. Следовательно, уже при частотах гц, т.е. в диапазонах метровых и дециметровых волн, время пролета оказывается приблизительно равным периоду колебаний. В диапазонах сантиметровых и миллиметровых волн время пролета может превышать период колебаний на порядок и более.Второе основное затруднение в электронике при повышении рабочей частоты носит «схемный» характер. Для повышения резонансной частоты любой колебательной цепи необходимо уменьшать ее индуктивности и емкости. В результате этого уже на волнах метрового диапазона индуктивности вводов лампы и междуэлектродные емкости оказываются соизмеримы с параметрами внешней цепи. Трудности возрастают ввиду того, что длина волны становится соизмеримой с геометрическими размерами внешней цепи, а также с размерами электродов и вводов самой лампы. «Классическое» устройство электронной лампы рассчитано на то, что она включается в электрическую цепь с сосредоточенными постоянными. Принципиальные недостатки, присущие таким цепям, требуют пересмотра путей конструирования электронных приборов при переходе дециметровому и особенно к сантиметровому и миллиметровому диапазонам волн. Одним из путей преодоления отмеченных затруднений является миниатюризация или микроминиатюризация ламп – сокращение междуэлектродных расстояний и уменьшение геометрических размеров электродов и вводов. Специфические особенности техники СВЧ привели к тому, что современный сверхвысокочастотный электровакуумный прибор, как правило, включает в себя всю колебательную систему и другие элементы, функции которых относились ранее к классической радиотехнике. Каковы принципиальные ограничения частотного диапазона электронно-управляемых ламп? Можно ли в принципе их устранить? Принципиальные ограничения: А) Время пролета (абсолютная характеристика) – время, которое требуется электрону для пролета между электродами лампы (например, между катодом и анодом в диоде, между катодом и сеткой в триоде, между двумя сетками в многосеточной лампе и т.д.) Сюда и относится понятие угол пролета. Это отношение времени пролета к периоду колебаний и умноженному на 2π.  Б) Появление наведённого тока во внешних цепях лампы. С точки зрения физики устранить принципиальные ограничения не представляется возможным. Для устранения влияния данных ограничений можно лишь пересмотреть путь конструирования электронных приборов. Каковы непринципиальные ограничения частотного диапазона электронно-управляемых ламп? Как они устраняются? Любой электронный прибор имеет межэлектродные емкости, а любой проводник обладает индуктивностью (1 см = 10-7 Гн). Поэтому с ростом частоты f растут паразитные реактивные составляющие, которые приводят: к уменьшению входного сопротивления; образованию паразитных каналов (путей) прохождения сигналов по прибору, нарушающих его нормальную работу. Размеры электродов l становятся соизмеримы с длиной волны l . А если  , то получается антенна и электронный прибор начинает активно излучать. С ростом f растут потери в металле и диэлектрике. Для их уменьшения используют:специальные виды керамики с малыми диэлектрическими потерями; серебрение и золочение электродов. В СВЧ диапазоне в качестве резонансных колебательных систем используют отрезки линий или полые резонаторы, которые нужно соединять с электронным прибором. При соединении возникают проблемы, как сделать прибор, чтобы он легко соединялся с колебательной системой? Многие приборы изготавливают с внутренней колебательной системой. Воздействие электрического поля на движущийся заряд. Что такое время пролета, угол пролета? Время пролета (абсолютная характеристика) – время, которое требуется электрону для пролета между электродами лампы (например, между катодом и анодом в диоде, между катодом и сеткой в триоде, между двумя сетками в многосеточной лампе и т.д.) Сюда и относится понятие угол пролета. Это отношение времени пролета к периоду колебаний и умноженному на 2π Как понимается с физической точки зрения угол пролета электронов? С физической точки зрения угол пролета показывает изменение фазы напряжения, приложенного к рассматриваемым электродам, за время движения электрона между этими электродами. Какова причина появления наведенного тока во внешней цепи -прибора? Если рассмотреть электрические силовые линии, выходящие из точечного заряда и оканчивающихся на одном из электродов, то можно заметить, что по мере движения заряда количество этих линий изменяется, результатом чего и является переход электрических зарядов с одного электрода на другой через внешнюю цепь, соединяющую рассматриваемые электроды, отсюда и ток, создаваемый во внешней цепи движущимся электрическим зарядом, принято называть наведённый током.   Уточнение понятий “ток”. Полный ток. Конвекционный ток. Наведенный ток. Наведённый ток - ток, создаваемый во внешней цепи движущимся электрическим зарядом, принято называть наведённый током. Конвекционный ток – ток, создаваемый электронным потоком, движущимся в области вакуума лампы. Полный ток представлен как сумма наведенного и емкостного токов во внешней цепи, в отличие от обычного представления его суммой конвекционного тока (тока проводимости) и тока смещения, определяемых в зазоре между электродами. Наведенный ток. Зачем понадобилось введение этого понятия? Физический смысл наведенного тока может быть легко понят из рассмотрения электрических силовых линий, выходящих из точечного заряда и оканчивающихся на одном из электродов. По мере движения заряда количество этих линий изменяется, результатом чего и является переход электрических зарядов с одного электрода на другой через внешнюю цепь, соединяющую рассматриваемые электроды. Основные факторы, влияющие на работу СВЧ триодов. Основной фактор, который влияет на работу СВЧ триодов - это пролет электронов. Требование уменьшения времени пролета в лампах СВЧ не является единственным. Необходимо также уменьшать междуэлектродные емкости, индуктивность вводов и диэлектрические потери в элементах лампы. На частотах выше 500 МГц применяются триоды с дисковыми выводами: маячковые и металлокерамические. В коротковолновой части ДМВ применяются мощные генераторные триоды, имеющие специальную конструкцию. Кольцевые вводы электродов этих ламп обладают значительно меньшими индуктивностью и омическим сопротивлением и позволяют легко соединить лампы с колебательной системой. Для генерирования сверхмощных колебаний СВЧ диапазона конструктивное разделение лампы и колебательной системы из-за больших потерь в соединениях оказывается нерациональным. Поэтому электроды лампы изготавливаются вместе с колебательной системой, а резонаторные полости помещаются в вакуум. Почему нельзя использовать в диапазоне СВЧ конструкции с сосредоточенными параметрами? Это связанно с тем что размеры электродов соизмеримы с длинной волны. В случае, когда длина электрода равна хотя бы четверти длины волны то он начинает работать как антенна. Это приводит к потерям. Что бы этого избежать используется серебрение и золочение электродов и специальные виды диэлектриков с малыми потерями Перечислить недостатки двухпроводных и коаксиальных линий передачи, проявляющиеся в диапазоне СВЧ. Основной недостаток двухпроводной и коаксиальной линий передачи в СВЧ диапазоне согласование линии с колебательной системой. Идеальное согласование достигается тогда, когда в линии отсутствуют отраженные волны. Эту задачу можно решит двумя способами: поглотить отраженную волну в согласующем устройстве, либо погасить отраженную от нагрузки волну новой, отраженной от согласующего устройства. В коаксиальной линии, которая, по существу, есть обычная "закрытая" двухпроводная линия, при передаче сигнала все поля сосредоточены внутри замкнутого пространства между проводниками. Однако в коротковолновой части диапазона СВЧ выявляются недостатки и у таких линий. С увеличением частоты приходится уменьшать размеры их поперечного сечения: полусумма радиусов внутреннего и наружного проводников должна быть меньше длины волны (иначе могут возбудиться несколько различных типов волн, отличающихся различным распределением полей). При уменьшении поперечных размеров линий растут потери, возникает опасность пробоя при передаче сигналов большой мощности. Такие недостатки в гораздо меньшей степени свойственны другому виду передаточных линий - полым волноводам. |