Конспект по электротехнике. Примеры расчета электрических цепей

Особенности микроволнового диапазона и динамического принципа управления преобразованием энергии

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.

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.

Классификация приборов микроволнового диапазона В настоящее время разработано много приборов, отличающихся как принципом действия, так и областью применения. 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.

Электрофизические свойства однородных и неоднородных полупроводников

Свободные носители зарядов в полупроводниках Полупроводники представляют собой вещества, которые по своей удельной электрической проводимости (10-6—10-8 Ом-1см-1) являются промежуточными между проводниками и диэлектриками. Их удельная проводимость сильно зависит от температуры и концентрации примесей, а во многих случаях — и от различных внешних воздействий (света, электрического поля и др.). По своему составу полупроводники можно разделить на простые, если они образованы атомами одного химического элемента (например, германия Ge, кремния Si, селена Se), и сложные, если они являются химическим соединением или сплавом двух или нескольких химических элементов (например, антимонид индия InSb, арсенид галлия GaAS и др.).

Равновесная концентрация СНЗ в примесных и беспримесных полупроводниках Равновесная концентрация зарядов в собственном полупроводнике Вероятность p нахождения свободного электрона в энергетическом состоянии W определяется статистической функцией Ферми— Дирака

Движение СНЗ в электрическом поле В собственном полупроводнике при Т=0К электроны и дырки отсутствуют и внешнее напряжение не вызывает в нем ток. При Т>0К в отсутствии электрического поля электроны и дырки движутся хаотически. Если же к полупроводнику приложить внешнее напряжение, то внутри него возникает упорядоченное движение электронов в направлении положительного градиента потенциала du/dx, а дырок — в обратном направлении. В полупроводнике под влиянием различных энергетических воздействий может возникнуть неравновесная концентрация зарядов. После прекращения воздействия избыточные носители постепенно рекомбинируют и концентрация вновь становится равновесной.

Электрическим переходом называется слой в полупроводнике между двумя областями с различными типами электропроводности (n-полупроводник, p-полупроводник, металл, диэлектрик) или разными величинами удельной электрической проводимости. Если переход создается между двумя областями полупроводника, одна из которых имеет электропроводность n-типа, а другая p-типа, то такой переход называется электронно-дырочным или p-n-переходом.

Электрические и геометрические параметры p-n перехода Высота потенциального барьера и контактная разность потенциалов

Статическое и дифференциальное сопротивления Дифференциальное сопротивление определяется выражением Rдиф = dU/dI и характеризует крутизну ВАХ в рассматриваемой точке. Для идеализированного перехода по формуле (3.16) можно получить аналитическое выражение

Способы нарушения равновесия Равновесие в переходе может быть нарушено либо путем изменения напряженности поля в переходе, либо путем изменения концентрации СНЗ. Концентрация СНЗ как в переходе, так и прилегающих к нему областях полупроводника, может быть изменена, например, путем облучения полупроводника светом подходящей длины волны или путем любого другого воздействия, изменяющего скорость генерации (рекомбинации) свободных носителей заряда в этих областях. Она может быть изменена также путем принудительного введения (инжекции) в переход или, наоборот, путем принудительного извлечения (экстракции) из перехода СНЗ.

Рассмотрим в чем заключается эффект накопления заряда. В случае подачи на диод коротких импульсов напряжения длительностью порядка единиц или долей микросекунды необходимо учитывать инерционность его включения и выключения, обусловленную переходными процессами. При протекании прямого тока через диод в его базе из-за инжекции накапливаются неосновные неравновесные носители заряда. Если изменить полярность приложенного к диоду напряжения с прямой на обратную, этот заряд рассасывается постепенно, и возникающий обратный ток вследствие высокой концентрации неосновных неравновесных носителей в базе окажется вначале значительно больше статического тока насыщения; величина его будет ограничиваться лишь внешней нагрузкой. Следовательно, при быстром переключении с прямого напряжения на обратное диод запирается не сразу. Это явление связано со спецификой работы p-n-перехода и обусловлено так называемым эффектом накопления заряда.

Особенности микроволнового диапазона и динамического принципа управления преобразованием энергии

Концептуальная диаграмма.

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

Достоинства и недостатки использования микроволнового диапазона.

Статический и динамический принципы управления преобразованием энергии.

Особенности динамического принципа управлении преобразованием.

Классификация приборов микроволнового диапазона.

Контрольные вопросы.

Концептуальная диаграмма

 


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.


На главную