Техника и электроника СВЧ (Часть 1)

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)