Физика

Техника и электроника СВЧ (Часть 1)


                                  Лекція 1

    Існують локаційні пристрої, які повинні працювати  на  (~мм,  (~100ГГц.
Оскільки ( ~1м мають малу роздільну здатність, а  оптичний  діапазон  швидко
поглинаються постає необхідність вивчення НВЧ діапазону.



    Перші НВЧ прилади виникли під час 2-ї світової війни при створенні РЛС.
Застосування НВЧ електроніки:
    1. Малопотужна електроніка: НВЧ  телебачення  –  супутникове,  мобільні
       телефони, комп’ютери.
    2. Потужна електроніка: НВЧ - піч, РЛ – електроніка.

                   Фізичні причини виділення діапазону НВЧ

    D  –  розмір  об’єкта.  При  [pic]-   закон   Кірхгофа,   Ома,   [pic]-
використовуються  закони  променевої   оптики,   [pic]   -   НВЧ   діапазон,
диференційна інтерференція. Отже в  НВЧ  не  можемо  користуватись  законами
Кірхгофа і геометричної оптики.  Закони  Кірхгофа  мають  місце  до  якихось
частот та швидкості розповсюдження інформації – швидкості світла.
                           Розглянемо   малюнок.    Даний    ланцюг    можна
                       розрахувати за допомогою закону Ома, поки генератор –
                       постійного   струму.   Розглянемо   змінну   напругу:
                       електрон почне рух тоді, коли  сигнал  про  потенціал
                       дійде до нього: [pic]. Якщо частота генератора  така,
                       що [pic], то в той час, як електрон рухається в  одну
                       сторону, генератор вже сформував зворотній потенціал,
                       тобто існують струми  в  різних  напрямках.  Отже  не
                       можна використовувати звичайні закони.
    Описаний ефект – ефект запізнення.
1. [pic] на частоті [pic] при таких [pic]працюють РЛС. На частоті 10ГГц  при
   [pic]ніяких законів Кірхгофа, Ома вже застосовувати не можна.
2. Виникнення випромінювання. При змінному  струмі  можливе  випромінювання,
   на його характеристики впливає відстань  між  дротами  по  відношенню  до
   [pic].  50Гц:  ~100км.  Тому  зі  збільшенням  частоти  основна   енергія
   знаходиться поза провідником у вигляді поля.
3. При високій частоті – густина струму розподілена нерівномірно,  електрони
   рухаються в скін шарі товщиною ~1мкм. Тому опір потрібно рахувати  іншими
   законами.
    Найбільш розвинутий оптичний діапазон НВЧ.

    Рівняння Максвела 2-ого порядку описують всі електромагнітні явища:
    [pic]

де [pic]- густина струму, [pic]- напруженість ЕП, [pic]- напруженість МП,
[pic]- індукція МП, [pic]- індукція ЕП, [pic]- густина заряду, [pic]-
поверхневий струм.
Поки що монополь Дірака не виявлено.
Знаки розставлено відповідно до положення векторів [pic], [pic] та напрямку
розповсюдження хвилі [pic]- утворюють праву трійку. Це – не всі рівняння
Максвела, у такій формі їх іноді називають рівняннями Герца.
Рівняння записано в СГСЕ. В системі СІ не буде [pic], [pic]- це зручно, але
в СІ опір вільного простору скінчений, що немає фізичного змісту.
    Ці  диференційні  рівняння  в  частинних   похідних   другого   порядку
неоднорідні. Хоча з точки зору математики  рівняння  Максвела  лінійні.  Але
лінійні  рівняння  ніколи  не  описують   підсилення,   генерації   і   т.д.
Електромагнітні процеси  нелінійні.  Нелінійність  обумовлюється  речовиною,
яку описують рівняння: [pic].  Народження  електрону  -  позитивної  пари  в
вакуумі – нелінійний процес. Крім цього  можна  генерувати  гармоніки,  1  з
1050 фотонів зливаються і дають новий фотон.
    [pic], [pic](А/см2), поверхневий струм - [pic], [pic](А/см).
    Матеріальне рівняння – рівняння неперервності. [pic]. Ніякого струму не
може бути якщо заряд не виноситься.
                            [pic]- що виноситься
                      [pic]- що залишається в середині.
    [pic]- це рівняння в частинних похідних, тому дуже важливі граничні  та
початкові умови. Всі фізичні поля неперервні з точки зору фізики.
    Граничні умови: [pic], [pic].
    Магнітне поле всередині металу(має уявні розриви): [pic].
    Не буває нульової товщини тому всередині металу буде  плавний  перехід,
тому що поля неперервні.
    В векторному вигляді:
    [pic]
    Якщо змінимо граничні умови, то все повністю змінюється.  [pic]-  права
трійка. Тому знак “-“ в [pic].
    У рівняннях в комплексній формі цього немає. Мінус там може бути в 1-му
і 2-му рівнянні в системі (*).
    Граничні умови в металі: [pic].
    Гранична  умова  в   ідеальному   металі:   [pic]   (для   нетензорного
середовища). [pic]- для [pic]металу.
    Якщо присутнє [pic], то за рахунок  сили  Лоренца  виникає  струм.  Для
напівпровідника:
    У застосуванні граничних умов головне те, що ми не розв’язуємо рівняння
в середині матеріалу, а розв’язуємо рівняння лише на поверхні.
-----------------------
                               Радіо діапазон

                                     НВЧ

                              Оптичний діапазон

                                 109Гц, 30см

                               1013Гц,  30мкм

                                    f, (

R

+

-

l

[pic]

[pic]

[pic]

[pic]


(1)


(2)




смотреть на рефераты похожие на "Техника и электроника СВЧ (Часть 1)"