1.1. Особенности работы СВЧ приборов

1.2. Основные параметры, используемые для оценки ЭП СВЧ диодов

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 .

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.

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

• Большая информационная емкость. Если в диапазонах длинных, средних и коротких волн, вместе взятых можно организовать только три тысячи радиотелефонных каналов с полосой 10 кГц, то в диапазоне СВЧ можно организовать около 30 миллионов таких каналов, т.е. почти в 10 тысяч раз больше. Еще больше каналов можно бы было организовать в оптическом диапазоне.
• С помощью не очень сложных устройств электромагнитные колебания СВЧ диапазонов могут фокусировать и излучаться направленно узкими пучками. Вследствие этого заданную напряженность поля в нужной нам точке пространства можно обеспечить при значительно меньшей мощности передатчика, чем, скажем, в КВ диапазоне. Другое немаловажное обстоятельство: благодаря высокой пространственной избирательности, т.е. высокой направленности передающих и приемных антенн, на СВЧ очень малы взаимные помехи между различными системами связи. Если учесть, что уровень естественных помех на СВЧ очень мал, то основным видом являются собственные шумы приемника. Иную картину мы наблюдаем на КВ диапазоне, где также мал уровень естественных шумов, а значительный шумовой фон создают “отголоски” работающих передающих станций.
• Колебания СВЧ и оптического диапазонов легко проникают сквозь ионизированные слои атмосферы Земли. Это обстоятельство делает особенно привлекательным использование СВЧ для связи с космическими объектами.
• Электромагнитные колебания СВЧ могут распространяться не только в свободном пространстве, но и в специальных линиях передачи – волноводах. Следовательно, имеется возможность построения очень широкополосных волноводных систем связи.
• Квант энергии СВЧ колебаний hn сравним с разностью энергетических уровней молекул и атомов вещества (Н = 6,6·10^-34 Дж·с – постоянная Планка). Эта особенность используется в радиоспектроскопии, т.е. при изучении внутреннего строения вещества по спектрам испускания и поглощения.

Рассмотрение этих особенностей показывает важность и необходимость освоения диапазонов СВЧ и оптического для целей многих областей науки и техники и, в частности, для целей связи. Для освоения какого-либо диапазона необходимо уметь:

• 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.

В диапазоне СВЧ эти функции выполняют электронные и квантовые приборы СВЧ, изучение которых и является задачей данного курса. Электронными приборами СВЧ называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных колебаний СВЧ диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с потоками электронов, движущимися в вакууме или твердом теле. В основе электронных приборов СВЧ лежит тот же принцип взаимодействия движущихся электронов с электромагнитным полем, что и у электронных приборов низких частот. Но устройства этих приборов существенно различны (показать) параметры обычных электронных радиоламп с повышением частоты становятся все более неудовлетворительными из-за роста потерь мощность в проводниках и диэлектриках, из-за воздействия паразитных емкостей и индуктивностей, а также из-за возрастающего влияния электронов. Этим объясняется вынесение изучения электронных приборов СВЧ совместно с квантовыми приборами и в отдельный курс. Квантовыми приборами называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных колебаний СВЧ и оптического диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с атомами, молекулами или ионами вещества. В квантовых приборах происходит передача СВЧ полю внутренней энергии атомов, молекул или ионов.

Электронные и квантовые приборы СВЧ несмотря на свою молодость – история развития насчитывает соответственно около 50 и 35 лет – нашли широкое применений в радиолокационной технике и технике связи. Эти приборы работают в телевизионных передатчиках, в передатчиках и приемниках радиорелейных линий связи, в спутниковых системах связи и телевидения. Уже сейчас сеть приемных станций “Орбита” довольно широка, широкое распространение получили спутниковые системы связи, позволяющие избирательно устанавливать двусторонние связи между любыми пунктами нашей планеты. Многим из вас как будущим инженерам радиосвязи и радиовещания придется разрабатывать, строить и обслуживать технику СВЧ. Отсюда вытекает важность изучения курса “Электронные и квантовые приборы СВЧ” в стенах нашего института.

1.1. Особенности работы СВЧ приборов

Период колебаний в СВЧ диапазон мал, и имеет порядок 10^-9 сек. Время движения носителей зарядов между рабочими электродами приборов t, и имеет такой же порядок 10^-9 сек.

Таким образом, время пролета сравнимо с периодом колебаний – электронный прибор становится инерционным (причем, если t³T, то прибор становится неуправляемый).

Таким образом, время пролета необходимо делать меньше, но есть предел: уменьшение расстояния между электродами увеличивает емкость: во избежании увеличения С необходимо уменьшать площадь электронов, но это приведет к уменьшению тока и выходной мощности. Необходимо разрабатывать приборы в которых время пролета не играло вредной роли.

Любой ЭП имеет межэлектродные емкости, а любой проводник обладает индуктивностью (1 см = 10^-7 Гн). Поэтому с ростом 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 ЭП 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 ЭП. При соединении возникают проблемы, как сделать прибор, чтобы он легко соединялся с колебательной системой? Многие приборы изготавливают с внутренней колебательной системой.

1.2. Основные параметры, используемые для оценки ЭП СВЧ диапазона

1. Генераторные приборы.

   Р_ВЫХ

   Диапазон перестройки , .

   Нестабильность частоты: - уход частоты в результате воздействия каких-либо дестабилизирующих факторов.

   По стабильности генераторы делятся на:

   - стабильные ;

   - нестабильные .

2. Усилительные приборы.

   Коэффициент усиления по мощности (в разах), .

   Рабочая полоса частот (без перестройки).

   

   Рис. 1.1

   Обычно полоса частот определяется по половинной мощности (3 дБ) . Часто полоса приводится относительно . В связи с этим, приборы делят на узкополосные () и широкополосные (). Коэффициент шума ().

   Параметр играет важную роль при слабом сигнале, т.е. во входных каскадах приемников.

3. Общие параметры.

I_РАБ, U_РАБ, Р_{потребляемая}, КПД, h .

.

Контрольные вопросы.

1. Определение СВЧ и оптического диапазона. Какие поддиапазоны волн (частот) входят в эти диапазоны. 2. Какие функции выполняют СВЧ электронные приборы. 3. Особенности диапазона СВЧ и ОД. 4. Основные параметры электронных приборов СВЧ.