Перейти на главную страницу
По принципу построения элементной базы выделяются рентгеновский, оптический, радио диапазоны. В радиодиапазоне по тому же принципу выделяется СВЧ диапазон. К нему относят частоты от 300 МГц до 300 ГГц, что соответствует длинам волн от 1м до 1 мм. Он подразделяется на поддиапазоны: дециметровый (1м-1дм), сантиметровый (1дм-1см) и миллиметровый 1см-1мм). Иногда к СВЧ диапазону относят метровый и субмиллиметровый диапазоны длин волн. В зарубежной литературе СВЧ называется микроволновым диапазоном.
Существуют и другие определения СВЧ диапазона. Например, МККР (международный консультативный комитет по радио) рекомендует выделять в спектре электромагнитного излучения 12 диапазонов
F ~ (0,3 – 3) 10N Гц, N=1,2…12.
К СВЧ в этом случае относят диапазон
N=10, F ~ (3 – 30) ГГц.
Интенсивное освоение электромагнитного излучения СВЧ диапазона началось в 30 - ых годах прошлого столетия и продолжается по сей день. Первоначально оно стимулировалось потребностями военной техники, прежде всего необходимостью совершенствования РЛС. Действующие в это время РЛС были громоздки и не обеспечивали достаточную точность определения координат цели. Чтобы уменьшить габариты и увеличить точность, необходимо было уменьшить длину волны используемого электромагнитного излучения, т.е. перейти к использованию излучения СВЧ диапазона. Оказалось, что при таком уменьшении длины волны изменяются условия взаимодействия излучения с веществом и распространения в различных средах настолько, что старая экспериментальная база, созданная для метрового диапазона, становится малопригодной в СВЧ диапазоне. Поэтому для освоения электромагнитного излучения СВЧ диапазона потребовалось создать новую элементную базу с учетом особенностей излучения данного диапазона. За короткое время был разработан целый класс нового типа элементов и приборов, работающих в СВЧ диапазоне. Это прежде всего объемные и открытые резонаторы; коаксиальные, волноводные, полосковые линии передачи; генераторы, усилители, умножители частоты, измерительная аппаратура. Они работают на иных физических принципах.
Созданный комплекс радиоэлектронной аппаратуры не только решил задачу совершенствования РЛС, но и позволил существенно расширить область применения СВЧ излучения. Сформировались новые направления в радиоэлектронике: радиоастрономия, спутниковая и радиорелейная связь, радиоспектроскопия, квантовая радиофизика, экспериментальная ядерная физика с использованием ускорителей и т.д.
Появление и становление этих направлений обусловлено особенностями СВЧ излучения. Появление радиоастрономии и спутниковой связи связано с наличием окон прозрачности в атмосфере и ионосфере. По этой причине невозможна тропосферная связь в СВЧ диапазоне, и появилась радиорелейная связь. Энергия кванта в СВЧ диапазоне сравнима с энергией возбуждения и ионизации молекул и атомов различных веществ. Эта особенность важна для радиоспектроскопии и квантовой радиофизики, плазменных и тепловых СВЧ технологий.
Дальнейший прогресс в радиоэлектронике СВЧ связывают с освоением излучения миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов. Повышается разрешающая способность систем радионаблюдения, увеличивается энергия кванта, и появляются дополнительные возможности в радиоспектроскопии химических и биологических объектов, достигается более высокая степень фокусировки излучения и возможность его использования в термоядерных реакциях и других технологических операциях.
Появляется возможность освоения в полном объеме информационных возможностей диапазона. Ширина полосы пропускания СВЧ диапазона на 3-4 порядка выше ширины пропускания остальной части радиодиапазона. Это позволяет передавать большой объем информации и повысить качество передачи информации путем использования помехоустойчивых широкополосных видов модуляции. С уменьшением длины волны уменьшается дифракционная расходимость формируемых антеннами волновых пучков. Это, в первую очередь, имеет важное значение для радиорелейных. линий связи и РЛС. Высокая направленность излучения позволяет повысить помехоустойчивость радиосвязи, точность определения координат, скрытность передачи информации, дальность действия РЛС и т.д.
Тема 1. Общие свойства, классификация, характеристики.
1.1. Общие свойства и характеристики генераторов излучения.
В настоящее время созданы и используются различного типа генераторы и усилители электромагнитного излучения с различными принципами работы и характеристиками. Прежде чем перейти к их классификации и изучению различных физических принципов их работы, рассмотрим их общие свойства и характеристики. Любой генератор излучения включает источники питания (ИП), активный элемент (АЭ), колебательную систему (КС), цепь обратной связи (ЦОС), объединенные следующей блок-схемой
Pа,вх Pа,вых Pвых
ЦОС
Рисунок 1. Блок-схема генератора
На рисунке введены обозначения для мощности генерируемого сигнала на выходе из генератора Pвых, на входе и выходе из АЭ. Элементы имеют следующее назначение: в пассивной цепи (КС) возбуждаются и поддерживаются колебания и выводится часть их энергии в нагрузку. АЭ преобразует энергию ИП в энергию генерируемых колебаний. ЦОС управляет работой АЭ и создает условия для возникновения автоколебаний. Принцип работы следующий: при замкнутой цепи и включенном ИП возникают начальные колебания тока и напряжения вследствие флуктуаций параметров цепи или каких-то других причин. Часть энергии этих начальных колебаний поступает через ЦОС в АЭ и усиливается в нем. Параметры ЦОС подбираются таким образом, чтобы усиленные колебания складывались в фазе с начальными колебаниями, и увеличивалась мощность колебаний. При этом возможны две ситуации:
1.Мощность, передаваемая АЭ от ИП в цепь, меньше мощности потерь
Pакт =Pа,вых – Pа,вх <Pпот
В этом случае колебания затухают.
Pпот =Pконт +Pвых, где Pпот - мощность потерь в КС.
2.Мощность АЭ больше мощности потерь
Pакт > Pпот
В этом случае амплитуда колебаний увеличивается во времени, и происходит самовозбуждение генератора.
Существует два режима самовозбуждения: мягкий и жесткий. Вид режима самовозбуждения определяется видом амплитудной характеристики генератора. Амплитудной характеристикой называют зависимость Pакт от мощности колебаний на входе АЭ. Эта зависимость нелинейная, в то время как зависимость Pпот от мощности колебаний линейна. Если амплитудная характеристика выпуклая, то наблюдается мягкий режим самовозбуждения. Условия самовозбуждения выполняются при сколь угодно малом начальном сигнале.
Если амплитудная характеристика, вогнутая на начальном участке, то наблюдается жесткий режим самовозбуждения. В этом случае условия самовозбуждения выполняются только при значениях мощности начальных колебаний больше некоторого порогового значения. Pа,вх > Pпор
Рисунок 2. Мягкий и жесткий режим самовозбуждения.
Вид генерируемых колебаний зависит от спектральных характеристик КС и АЭ. Возможны при этом следующие варианты.
2. АЭ имеет более выраженные резонансные свойства, чем пассивный.
3. Оба элемента имеют выраженные резонансные свойства.
4.Ни один из элементов не обладает резонансными свойствами. В этом случае генерируются колебания сложной формы, как периодические, так и шумовые. Примером такого типа генераторов являются блокинг-генераторы, мультивибраторы, RC-генераторы и другие релаксационные генераторы. Форма генерируемых импульсов может быть самой разнообразной: прямоугольной, пилообразной и т.д., а период колебаний определяется временем релаксации, т.е. временем потери и восстановления запасенной энергии.
Эффективное преобразование энергии электронов в энергию СВЧ поля возможно при определённой структуре электронного потока. Формирование нужной структуры или группирование электронов осуществляется по-разному в разных типах приборов. По способу управления электронным потоком приборы подразделяются на 2 класса. К одному относятся приборы со статическим управлением электронным потоком, а ко второму - с динамическим.
Примером прибора со статическим управлением ЭП является ламповый LC генератор гармонических колебаний. Он имеет следующую схему.
Рисунок 3. Ламповый LC – генератор.
При отрицательном напряжении поле будет тормозящим. Энергия электронов уменьшается при их движении к аноду, и соответственно увеличивается энергия СВЧ колебаний. При отсутствии обратной связи число электронов, попадающих в тормозящее и ускоряющее поле, будет одинаковым, и поэтому вычисленная на периоде мощность активного элемента равна нулю (), и условия самовозбуждения
невыполнимы. Для того чтобы
, необходимо изменить структуру ЭП. Сделать так, чтобы число электронов, попадающих в тормозящее поле, было больше числа электронов, попадающих в ускоряющее поле. Тогда энергия, отдаваемая полю, будет больше отбираемой. Для этого необходимо обеспечить обратную связь, при которой колебания напряжения на сетке и аноде будут противофазны. Такой способ преобразования равномерного по плотности ЭП, выходящего из катода, в поток переменной плотности называют электростатическим.
Катод всегда окутан электронным облаком. Электростатическое поле такого облака представляет потенциальный барьер для выходящих из катода электронов. Распределение потенциала между катодом и сеткой имеет вид.
(а) (б)
Рисунок 4. Распределение потенциала между катодом и сеткой (а), распределение электронов по скоростям (б)
Пройти этот барьер могут только часть выходящих из катода электронов, скорость которых выше некоторого порогового значения. Распределение по скоростям имеет показанный на рисунке 4 вид. Электроны, относящиеся к заштрихованной области, и формируют поток электронов между сеткой и анодом. Управляющее высокочастотное напряжение на сетке периодически изменяет электростатическое поле и величину потенциального барьера. Это приводит к модуляции плотности электронного потока. Такой способ управления путём воздействия на электрическое поле вблизи катода называется электростатическим.
Группирование электронов является необходимым, но недостаточным условием для выполнения условия самовозбуждения генератора. Чтобы убедиться в этом, рассмотрим особенности работы триодного генератора в различных диапазонах. В радиодиапазоне выполняются условия следующие:
Ток и напряжение будут поэтому разными в разных точках цепи генератора и будут функциями двух координат:. Для их расчёта необходимо решить уравнения в частных производных. Для увеличения частоты необходимо, согласно формуле
С ростом частоты также уменьшается период колебаний. Он становится сравним со временем пролета электрона
Известны два способа устранения негативных явлений. Суть одного из них сводится к конструктивным изменениям триодного генератора. Для этого колебательный контур заменяют обычным резонатором и уменьшают таким образом тепловые потери, потери на изучение и мощность потерь в целом. Уменьшают расстояние между сеткой и анодом с 3 мм до 15мкм. В результате уменьшается время и увеличивается мощность активного элемента, и выполняются условия самовозбуждения. В результате таких конструктивных изменений были созданы триоды и тетроды СВЧ диапазона. По мощности они сравнимы с п/п генераторами и заменяются там, где возможно, п/п генераторами.
Второй способ преодоления негативных явлений заключается в использовании динамического способа управления ЭП, в котором группирование электронов осуществляется путём изменения скорости электронов. На основе этого способа созданы целый класс Э/В приборов высокой мощности: клистроны, магнетроны, и т.д. В них используются различные механизмы группирования электронов. Рассмотрим клистронный механизм. Электронный пучок формируется электронной пушкой.
Рисунок 5. Группировка электронов в пространстве дрейфа.
Вышедшие из пушки электроны распространяются в направлении вакуумного зазора – это область методу двумя сетками, расположенными в вакууме. Под действием СВЧ колебаний на зазоре создается переменное напряжение. Все электроны приходят к 1 сетке с одинаковой скоростью V. При прохождении через зазор скорость их изменяется. Электроны, попавшие в ускоряющий полупериод напряжения, увеличивают свою скорость, а другие, попавшие в тормозящий полупериод напряжения, уменьшают. При дальнейшем их распространении за зазором более быстрые электроны догоняют медленные, и образуется сгусток электронов на каждом периоде колебаний. Таким образом, равномерный по плотности поток превращается в переменный по плотности поток. Частота следования сгустков равна частоте СВЧ колебаний.
Приборы с динамическим управлением по характеру энергообмена разделяются на две группы: на приборы типа О и приборы типа М. В приборах типа О прямолинейный осевой пучок взаимодействует с СВЧ полем. При этом изменяется кинетическая энергия электронов. По величине этих изменений можно оценивать мощность возбуждённых колебаний. В приборах типа М СВЧ поле возбуждается электронами, движущимися по сложным криволинейным траекториям в скрещённых постоянных электрическом и магнитном полях. Мощность возбуждённых колебаний оценивается по изменению потенциальной энергии электронов.
Система параметров СВЧ состоит из большого количества основных и дополнительных электрических параметров, а также параметров режима эксплуатации.
Основными параметрами генераторных приборов СВЧ являются:
Выходная мощность. Под выходной мощностью прибора понимается значение мощности (непрерывной или импульсной) , выделяемой на согласованной нагрузке в рабочем диапазоне частот. По величине выходной мощности генераторы СВЧ подразделяются на генераторы малой мощности
< 1 Вт, генераторы средней мощности
= 1..100 Вт, генераторы большой мощности
> 100 Вт. В общем случае выходная мощность генераторов СВЧ уменьшается с увеличением частот генерируемых колебаний. Это связано с физическими процессами работы генераторов.
При перестройке частоты генерируемых колебаний в пределах рабочего диапазона наблюдается изменение мощности, характер которого в частотном диапазоне зависит от вида генератора и способа перестройки частоты.
Степень неравномерности выходной мощности при перестройке частоты генераторов обычно оценивается величиной перепада выходной мощности в диапазоне перестройки:
[дБ],
где и
- максимальное и минимальное значения выходной мощности в диапазоне перестройки частоты.
Величина КПД имеет огромное значение для приборов большой выходной мощности, определяя эффективность применения прибора, а также возможность его осуществления. Для приборов малой мощности КПД как параметр обычно не используется. Его величина оказывается существенной не столько с точки зрения экономии энергии источников питания, сколько с точки зрения теплового режима прибора. КПД приборов СВЧ в зависимости от типа прибора может принимать значения от долей процента до десятков процентов.
Для генераторов с фиксированной частотой рабочий диапазон частот означает, что прибор данного типа при изготовлении может быть настроен на любую частоту в указанном диапазоне. Под рабочим диапазоном частот для перестраиваемых генераторов понимается диапазон, в котором могут изготавливаться прибора этого типа с указанным диапазоном перестройки частоты. Ширина рабочего диапазона частот, как правило, характеризуется абсолютными единицами частоты:
Ширина диапазона перестройки частоты численно характеризуется либо абсолютными значениями частоты:
Электрическая перестройка частоты СВЧ генераторов производится изменением управляющего напряжения на реактивных элементах, входящих в состав колебательной системы генератора, емкость либо индуктивность которых зависит от приложенного к ним напряжения (тока). Возможен способ перестройки частоты генерируемых колебаний путем изменения напряжения питания прибора СВЧ. Электрическая перестройка частоты малоинерционна, скорость перестройки частоты может достигать значений 1..10 ГГц/мкс и более. Диапазон электрической перестройки в отдельных видах приборов СВЧ может превышать октаву.
Медленно действующие факторы (изменение температуры окружающей среды, дрейф напряжения источников питания, старение элементов) влияют на долговременную стабильность колебаний.
Кратковременная нестабильность колебаний проявляется в виде быстрых изменений мощности и частоты генератора относительно средних значений. Эти отклонения могут иметь хаотический или периодический характер и носят название амплитудных и частотных шумов. Частотные и амплитудные шумы вызывают нарушение монохроматичности колебаний генераторов, т.е. спектр колебаний генератора занимает некоторую полосу частот. Уровень амплитудных шумов генератора оценивают относительной спектральной плотностью амплитудных шумов:
[дБ/Гц],
где - спектральная плотность мощности шума, т.е. мощность, излучаемая на частоте
в полосе частот 1 Гц,
- мощность генератора,
- частота генератора,
- отстройка от несущей.
Частотные шумы генератора оценивают спектральной плотностью флуктуаций частоты, которая выражает зависимость среднего квадрата флуктуаций частоты в полосе 1 Гц на расстоянии от частоты автоколебаний
. Спектральная плотность частотных шумов имеет размерность Гц2/Гц. Часто спектральную плотность частотных шумов, как и спектральную плотность амплитудных шумов, выражают в децибелах на герц полосы частот.
Величины частотных и амплитудных шумов СВЧ генераторов самые большие вблизи частоты автоколебаний ; по мере удаления от нее значения этих шумов значительно уменьшаются.
К основным параметрам усилительных приборов СВЧ диапазона относятся:
Величина коэффициента усиления зависит от величины входной мощности, частоты сигнала, электрического режима прибора и некоторых других факторов.
Связь и
выражается известными соотношениями
Для малошумящих усилителей СВЧ диапазона важным параметром является так называемый динамический диапазон.
Динамический диапазон определяется как отношение максимальной входной мощности линейного режима к мощности собственных шумов усилителя в определенной полосе частот, т.е.
[дБ],
где - максимальная входная мощность, при которой коэффициент усиления изменяется не более чем на 1 дБ относительно максимального значения,
- полоса пропускания усилителя в МГц,
- коэффициент шума в абсолютных единицах.
Усилительные приборы СВЧ, предназначенные для усиления больших сигналов, характеризуют значением максимальной выходной мощности и КПД.
Специфика применений приборов СВЧ накладывает ограничения на габариты и вес приборов, при этом определяющим параметром является отношение удельной массы на единицу мощности, кг/Вт. Для лучших электровакуумных приборов СВЧ этот параметр соответствует 0,01 кг/Вт.
Гц, что соответствует длинам волн от 1м до 1 мм. Он подразделяется на поддиапазоны: дециметровый (1м-1дм), сантиметровый (1дм-1см) и миллиметровый 1см-1мм). Иногда к свч диапазону
02 10 2014
1 стр.
Учебная программа составлена на основе учебной программы, утвержденной 15 10 2009г
27 09 2014
1 стр.
18 12 2014
1 стр.
Свч трактов и антенн и методов их расчета, знакомство с современными методами проектирования устройств свч и антенн, особенностями экспериментального исследования их характеристик
09 10 2014
1 стр.
«Практикум по радиоэлектронике», «Радиопрактикум», "Аналоговые цепи и сигналы", "Цифровые цепи и сигналы", "Физическая электроника", "Основы теории колебаний", "Статистическая ради
02 10 2014
1 стр.
Лабораторной установки, порядок выполнения, требования к отчету и контрольные вопросы к лабораторным работам по дисциплинам «Электроника», «Твердотельная электроника», «Электромеха
11 10 2014
2 стр.
Возникновение различных типов свч разрядов на поверхности кристалла регистрировалось по изменениям в огибающей отраженного сигнала свч излучения, по величине тока электронов
01 09 2014
1 стр.
Нормативные документы для разработки ооп бакалавриата по направлению подготовки «Промышленная электроника»
18 12 2014
5 стр.