Теория электрических цепей Основы теории электромагнитного поля

Теория цепей. Магнитные цепи Основы теории электромагнитного поля

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.

Квазиоптические свойства волн СВЧ диапазона особенно ценны для направленной передачи сигналов, а также для определения координат объектов.

 Еще большей направленностью обладает лазерное излучение. Высокая направленность излучения позволяет во много раз повысить помехоустойчивость систем передачи информации и снизить мощность передающих устройств.

 В отличие от более длинных радиоволн (до 10-15м.) и инфракрасных излучений, волны СВЧ, особенно на участке между 100 Мгц и 10 ГГц, почти беспрепятственно проникают сквозь ионизированные слои, окружающие Землю, а также сквозь атмосферу. Существование в атмосфере Земли широкого окна прозрачности в диапазоне сверхвысоких частот дает возможность, с одной стороны, исследовать космическое пространство радиоастрономическими методами, СВЧ излучение Солнца, звезд и других космических тел. Диапазон СВЧ незаменимым для развития космических систем связи для обмена инфор-мацией между наземными пунктами связи и космическими ретрансляционными спутниками.

Недостатком спутниковых систем связи является действие космических шумов на наземные радиоприемные устройства.

 Величина кванта энергии, соответствующая диапазону СВЧ, соизмерима с разностью энергий близко расположенных энергетических уровней атомов и молекул атмосферы Земли. Поэтому СВЧ электромагнитные колебания, в особенности колебания, лежащие в сантиметровом, миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах, обладают способностью резонансного энергетического взаимодействия с веществом. Это обстоятельство широко используется при анализе строения вещества методами СВЧ радиоспектроскопии. Помимо решения специфических научных проблем, это направление, в свою очередь, оказывает сильное влияние на развитие техники СВЧ связи, использование этих частот невозможно для линий космической радиосвязи ввиду большого резонансного поглощения радиоволн на этих частотах. Использование резонансного взаимодействия СВЧ колебаний с атомами и молекулами привело к разработке принципиально новых устройств — квантовых молекулярных усилителей и генераторов и к развитию квантовой электроники.

Основным достоинством СВЧ диапазона является то, что в этом диапазоне можно разместить значительно большее число каналов связи, чем на более низких частотах. Например, нетрудно видеть, что даже узкая полоса частот в 1 % при средней частоте 10 ГГц (длина волны 3 см) позволяет разместить столько же независимых каналов, сколько их имеется во всем диапазоне от сверхдлинных до ультракоротких волн. Большая информационная емкость СВЧ диапазона позволяет осуществлять многоканальную телефонную и телевизионную связь, в особенности на сантиметровых, миллиметровых и субмиллиметровых волнах. Создание квантовых генераторов и усилителей оптического диапазона (лазеров) дает возможность еще более повысить информационную емкость каналов связи с непосредственным использованием методов и аппаратуры СВЧ диапазона.

Статический и динамический принципы управления преобразованием энергии

 Любой электронный прибор с конструктивной точки зрения представляет определенную систему электродов, размещенных в вакууме или твердом теле (полупроводнике). Можно утверждать, что в приборе способном усиливать мощность, есть два главных межэлектродных промежутка (рис. 1.2), один из которых (управляемый) ответственен за преобразование энергии источника питания в энергию полезного сигнала, а второй промежуток является управляющим и регламентирует процессы, протекающие в управляемом промежутке (соответственно преобразователе), согласно команде входного сигнала


Рис 1.2. Блок-схема активного электронного преобразователя

Таким образом, чтобы создать активный электронный преобразователь необходимо прежде всего отыскать способ воздействия на интенсивность электронных процессов, протекающих в одном межэлектродном промежутке, с помощью другого межэлектродного промежутка, напряжение на котором задается входным сигналом.

Интенсивность процессов, протекающих в межэлектродном промежутке, а значит и в той цепи, в которую входит этот промежуток, определяется двумя факторами - количеством электронов участвующих в процессе, и эффективностью их взаимодействия с полем этого промежутка. Из этого следует, что возможны два пути поиска способа управления преобразованием - это либо способ управления количеством электронов, движущихся в управляемом межэлектродном промежутке, либо способ управления эффективностью взаимодействия электронов с полем управляемого промежутка. Последний способ управления электронным потоком состоит в модуляции электронов по скорости, превращении модуляции по скорости в модуляцию по плотности и в передаче энергии колебаний от модулированного по плотности потока колебательной системе. При этом время пролета имеет решающее значение, так как только в процессе движения электронов происходит их группирование.

Развитие электроники показало, что практически реализуемы оба эти способа, или, лучше сказать, принципа управления преобразованием энергии вспомогательного источника в энергию полезного сигнала. Первый принцип назван статическим принципом управления, второй принцип назван динамическим принципом управления.

В табл. 1.2 приведены данные о приборах использующих принципы статического и динамического управления.

  Таблица 1.2

Наименование принципа управления

Содержание принципа

Типы приборов

Диапазон рабочих частот (ГГц)

Статический принцип управления.

Управление преобразованием энергии вспомогательного источника в энергию электрического тока в выходной цепи прибора осуществляется путем изменения статической проводимости соответствующего междуэлектродного промежутка в электронном приборе.

СВЧ-триоды, маячковые лампы, полупроводниковые биполярные и полевые транзисторы, интегральные микросхемы.

3 ×10-4 - 10

(1 км - 3 см)

Динамический принцип управления.

Управление преобразованием энергии осуществляется путем изменения динамики взаимодействия электронного потока с электромагнитным полем, в результате чего изменяется доля энергии пучка, преобразуемая в энергию поля.

Клистроны, приборы с бегущей волной, магнетроны, диоды Ганна, параметрические диоды, лавинно-пролетные диоды (ЛПД).

0, 3 - 300

( 1 м - 1 мм)

Определяющим в статическом принципе управления является управление количеством электронов (или вообще свободных носителей заряда (СНЗ)), движущихся в управляемом межэлектродном промежутке. Статическая проводимость промежутка, т. е. ток переноса в этом промежутке при постоянном напряжении на промежутке – определяется количеством СНЗ в этом промежутке. Таким образом, статический принцип управления —это управление статической (т. е. установившейся) проводимостью межэлектродного промежутка, включенного последовательно с источником питания и той цепью, в которой реализуется преобразованный (выходной) сигнал.

Статический принцип управления основан на предположении о существовании однозначной связи между током в управляемом промежутке и напряжением или током в управляющем промежутке. Эта связь действительно однозначна если токи (напряжения) являются постоянными во времени. При переменных напряжениях (токах) однозначность связей уже отсутствует.


Электрические машины