ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ
Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования
«ЗАБАЙКАЛЬСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ»
(ЗабГУ)
Оптоэлектронные и квантовые
приборы и устройства
(140 часов, зачет)
Краткое содержание курса
В ходе изучения дисциплины «Оптоэлектронные и квантовые приборы» студенты знакомятся с принципом действия и устройством квантовых приборов, применяемых и разрабатываемых в СВЧ и оптическом диапазонах (мазеры, лазеры). Для успешного усвоения курса необходимо знание ранее изучавшихся дисциплин: физика, высшая математика, электронные приборы, техническая электродинамика, теория линей и нелинейных электрических цепей.
При задачи теоретического зачета студент должен знать принцип действия изучаемых приборов, особенности их устройства, основные характеристики этих приборов и области применения, студент также должен уметь изобразить схему прибора
( вместе с источниками питания), позволяющую объяснить его принцип действия.
ВВЕДЕНИЕ. ОБЩИЕ СВОЙСТВА ПРИБОРОВ СВЧ
Области применения приборов СВЧ и ОД. Основные принципы генерации незатухающих колебаний. Основные показатели генераторов и усилителей. Трудности генерации колебаний СВЧ и пути их преодоления.
Контрольные вопросы
1. Какие отличия имеет СВЧ и оптический диапазон по сравнению с радиодиапазоном по полосе частот, возможности размещения большого числа радиоканалов и излучения энергии в виде луча с очень малой расходимостью?
2. Почему генераторы на радиолампах и транзисторов теряют эффективность в коротковолновой части СВЧ диапазона?
3. Какие колебательные системы используют в СВЧ диапазоне?
4. Можно ли элементы устройств В СВЧ диапазоне рассматривать как элементы с сосредоточенными параметрами?
ЛАМПЫ БЕГУЩЕЙ ВОЛНЫ
Взаимодействие потока электронов с полем бегущей волны.
Условие приближенного синхронизма.
Замедляющие системы. Поля однородных и неоднородных систем. Пространственные гармоники. Дисперсионные характеристики. Устройство ЛБВ типа «О». Схемы питания. Обеспечение устойчивого усиления. Методы фокусировки луча. амплитудные, фазовые и амплитудно-частотные характеристики ЛБВ. Основные параметры усилительных ЛБВ. Причины ограничения КПД проборов типа «О» и методы его повышения. Автогенераторы на лампах обратной волны.Контрольные вопросы
Почему в ЛБВ усиление возможно в более широкой полосе частот по сравнению с клистронами? Какие факторы ограничивают полосу усиления ЛБВ? Почему в ЛБВ взаимодействие электронов с полем СВЧ должно происходить на участке большой длины (а в клистроне всего лишь в малых зазорах двух резонаторов)? Почему усиление наблюдается только при небольшом превышении скорости электронов над скоростью замедленной волны? В чем принципиальное различие структуры СВЧ полей в обычной коаксиальной линии и в спиральной замедляющей системе? Объясните, почему выходная мощность ЛБВ имеет максимум при определенном ускоряющем напряжении? Почему максимальная выходная мощность ЛБВ получается при определенном значении мощности входного сигнала? Почему вследствие рассогласования с нагрузкой может возникнуть самовозбуждение в ЛБВ? Поясните, зачем в усилителе на ЛБВ имеется поглотитель. Объясните причину, ограничивающую КПД ЛБВ типа «О» Чем отличаются поля однородных и неоднородных замедляющих систем? Почему в ЛБВ с однородной замедляющей системой усиление возможно только при примерном равенстве скоростей волны и сгустков, а в ЛБВ с неоднородной замедляющей системой оно возможно также и при целом ряде скоростей электронов, меньших указанного значения? Покажите, что поле неоднородной замедляющей системы можно разложить в ряд пространственных гармоник. Сравните эти гармоники по фазовым скоростям, длине волны и частоте. Объясните фазовое и амплитудное условия самовозбуждения ЛОВ. В чем состоит сходство и в чем различие взаимодействия электронного потока с электромагнитными волнами в ЛБВ и ЛОВ?
Полупроводниковые диоды СВЧ
1. Особенности СВЧ диодов со структурами барьером Шотки.
2. Биполярные и полевые транзисторы СВЧ.
3. Принцип действия и структура лавинно-пролетных диодов.
4. Генератор на лавинно-пролетных диодов.
5. Диоды Ганна.
6. Генераторы с диодами Ганна.
Контрольные вопросы
Какой участок вольт-амперной характеристики используется в лавинно-пролетных диодах? Объясните, почему в лавинно-пролетном диоде возникает отрицательное дифференциальное сопротивление. Почему отрицательное дифференциальное сопротивление наблюдается только в диапазоне СВЧ? Каковы особенности структур ЛПД? Как устроены генераторы с полупроводниковыми диодами СВЧ? Объясните процесс лавинного нарастания тока в ЛПД и его торможения высокочастотным полем. Опишите особенности структуры зоны проводимости у арсенида галлия. Объясните возникновение отрицательного дифференциального сопротивления в диоде Ганна. В чем особенности диодов с барьером Шотки? Какое применение они находят в диапазоне СВЧ? Какой вид имеет вольт-амперная характеристика туннельного диода? Какие области применения туннельных диодов Вы знаете? Особенности работы диодов. Как можно использовать их диапазоне СВЧ? Какие конструктивно-технологические приемы используют для создания биполярных транзисторов СВЧ? Чем ограничивается рабочие частоты биполярных транзисторов? Объясните причины, позволяющие эффективно использовать полевые транзисторы в диапазоне СВЧ? Какое использование находят варакторы в параметрических устройствах СВЧ диапазона?ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАБОТЫ КВАНТОВЫХ ГЕНЕРАТОРОВ
Квантовый характер энергетических состояний частиц в связанных системах. Понятие об энергетических уровнях и их населенностях. Закон Больцмана. Спонтанные переходы, среднее время жизни частиц на возбужденных уровнях, его связь с неопределенностью уровней энергии частиц. Постулаты Бора. Естественная и реальная ширина спектральной линии излучения. Вынужденные переходы частиц между уровнями. Излучательные и безизлучательные переходы. Вероятности переходов и их число. Возможность усиления электромагнитных волн веществом. Инверсия населенности уровней. Закон Бугера.
Список рекомендуемых источников
Федоров приборы СВЧ и квантовые приборы. – М.: Атомиздат, 2001. – 180 с. , Федоров и квантовые приборы СВЧ.- М.: Связь, 2001. -204 с. Шангина приборы СВЧ и квантовые приборы Томск.: 2001. – 162 с. Дулин и квантовые приборы СВЧ. – М.: Энергия, 2005. Убайдуллаев -электронные сети. Москва, 2001 г. , , Дмитриев элементы и устройства, Москва «Радио и связь», 1998.,- 336 с. Мусаев устройства на полупроводниковых излучателях. Москва-Радио и связь, 2004. - 205 с. , Тугов , Москва «Энергоатомиздат»,1984.- 255 с.
