Микроволновый диапазон электромагнитных колебаний и его особенности. Обзор исторического пути развития микроволновых приборов. Современные технологии, использующие микроволновые приборы (стр. 6 )

Типовые конструкции

Рис.1. Типовая конструкция гиротрона.

Основные элементы и узлы: электронная пушка магнетронного типа, состоящая из катодного электрода 1, первого и второго анодов 2 и 3, резонатора открытого типа 4, выходного волновода 5, служащего одновременно коллектором электронного потока 6, вакуумного окна 7 и внешнего волновода 8.

Для формирования электронного пучка, используется магнитное поле, создаваемое основным 9 и вспомогательным 10 соленоидами. Вакуумная оболочка гиротрона образована металлическим корпусом прибора, вакуумным окном и керамическими изоляторами 11. Для отвода тепла, выделяющегося на стенках резонатора и выходного волновода, предусмотрена система жидкостного охлаждения 12.

Параметры

Гиротроны, применяемые для нагрева плазмы в установках для управляемого термоядерного синтеза типа «токамак», «стелларатор» имеют параметры:

диапазон рабочих частот 40 –170 ГГц выходная мощность до 1 МВт в импульсе длительностью до сотен секунд при значении КПД  40 – 50 %.

Гиротроны, применяемые для спекания керамики, модификации тонких пленок, сварки, и нанесения покрытий имеют параметры:

частота 28 ГГц выходная мощность 10 – 30 кВт в непрерывном режиме

Гиротроны, предназначенные для генерации электромагнитных волн с частотами 0.3 – 1 ТГц  и выше (длина волны 3 – 1 мм) с небольшим уровнем выходной мощности имеют параметры:

выходная мощность в непрерывном режиме 250 Вт на частоте 1 ТГц ток электронного пучка 200 мА ускоряющее напряжение 30 кВ

20.​ Лазеры на свободных электронах: принцип действия характеристики.

ЛСЭ - электронные приборы, предназначенные для генерации и усиления электромагнитных волн преимущественно в диапазоне от субмиллиметрового до рентгеновского участка спектра. Принципиальной особенностью ЛСЭ является применение релятивистских электронных пучков, в которых электроны перемешаются по сложным криволинейным траекториям, совершая как поступательное, так и периодическое поперечное движения.(из лекции)

Лазеры на свободных электронах (ЛСЭ) – это приборы, преобразующие энергию ультрарелятивистских электронов (т. е. электронов, энергия которых во много раз превышает их энергию покоя 0,511 МэВ = 0,8·10-13 Дж), в энергию электромагнитного излучения.

Для того, чтобы релятивистские электроны сильно (резонансно) взаимодействовали с электромагнитной волной, их траекторию, которая в пустом пространстве является прямой, делают слегка периодически искривленной – в виде спирали или волнистой линии. Магнитную систему, с магнитным полем, необходимым для создания такой траектории, называют ондулятором или вигглером. Если при прохождении одного

периода траектории электрон отстает от электромагнитной волны ровно на одну длину волны (это условие называется условием синхронизма), то такая волна может эффективно замедлять электрон вдоль всей волнистой траектории. В этом случае поле излучения электрона будет складываться с полем начальной волны, усиливая последнюю (раз электрон замедляется, он теряет энергию, которая переходит в волну).

Пусть электронный пучок и электромагнитная волна входят в ондулятор. Если энергия электронов и длина волны таковы, что удовлетворяется условие синхронизма, то одна половина электронов

начинает терять энергию, а другая, поступившая в ондулятор на половину периода волны позже – набирать. Таким образом, сначала средняя энергия электронов не меняется, но происходит модуляция энергии, т. е., пучок разбивается на слои толщиной в половину длины волны с чередующимся отклонением энергии от начальной. Однако частицы с меньшей энергией летят медленнее, а с большей – быстрее. Поэтому «быстрые» слои

догоняют «медленные». Следовательно, возникают уплотнения и разрежения, т. е. модуляция плотности электронов с пространственным периодом, примерно равным длине волны. Далее повторяется то же, что было в первой половине ондулятора: одни «полуволновые» слои пучка замедляются, а другие – ускоряются, но теперь энергию теряют слои с большей плотностью частиц, а приобретают - слои с меньшей плотностью.

В результате средняя энергия электронов уменьшается, а мощность электромагнитной волны растет.

Если, как и во многих других лазерах, на оси системы слева и справа от ондулятора поставить два зеркала, то волна будет циркулировать между ними и, многократно проходя через ондулятор, каждый раз усиливаться. Конечно, рост интенсивности излучения ограничен. Одной из причин

ограничения интенсивности (насыщения) может быть практически полная группировка электронов во второй половине ондулятора. В этом случае дальнейший рост мощности излучения на входе ЛСЭ приводит к уменьшению группировки (разгруппировке) и, следовательно, к снижению мощности, передаваемой пучком в излучение.

Характеристики. (?)

21.        Классификация диодов  с положительным динамическим сопротивлением. Функциональная роль (на примере типового приемо-передатчика). Омические и барьерные контакты в структурах диодов.

Детекторный диод - полупроводниковый диод, как правило, с барьером Шоттки, используемый для детектирования сигнала; при детектировании используется выпрямляющее свойство диода для выделения из модулированных по амплитуде СВЧ колебаний сигнала более низкой частоты, которые затем поступают на вход усилителя.

Смесительные диоды

Варакторный диод

p-i-n-диод

22.        Диоды с положительным динамическим сопротивлением: детекторные диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическими и динамическими (ВЧ) параметрами.

23.        Диоды с положительным динамическим сопротивлением: смесительные диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Особенности схемотехнического применения. Принцип действия смесителя.

24.        Диоды с положительным динамическим сопротивлением: управляющие диоды: конструкция, ВАХ, ВЧ параметры, эквивалентная схема. Связь физико-топологических параметров прибора с его статическими и динамическими (ВЧ) параметрами. Особенности схемотехнического применения: переключатели, ограничители, фазовращатели, аттенюаторы.

25.        Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: лавинно-пролетные диоды, инжекционно-пролетные диоды. Статическое распределение концентрации носителей заряда и поля. Принцип действия. Зона пробоя, дрейф носителей  заряда. Динамическое сопротивление ЛПД. Сравнение с диодами Ганна.

26.        Диоды с отрицательным динамическим сопротивлением: диоды с междолинным переносом носителей (диоды Ганна). Характерные статические распределения концентрации носителей, заряда и поля. Динамическое сопротивление полупроводникового образца.

27.        Динамическое сопротивление полупроводникового образца. Слоистые структуры. Способы получения отрицательного динамического сопротивления.

28.        Классификация микроволновых транзисторов. Генеалогическое дерево транзисторов. Гомо и гетероструктурные транзисторы: транзисторы с широкозонным эмиттером, с проницаемой базой, HEMT-структуры. Топология, параметры и характеристики. Транзисторы с баллистическим транспортом.

В биполярных гетеротранзисторах с широкозонным эмиттером за счёт одностороннего характера инжекции эффективность эмиттерного гетероперехода ~1, независимо от легирования базовой и эмиттерной областей. В гетеротранзисторах базовая область может быть легирована сильнее эмиттерной, что, уменьшая сопротивление базы и ёмкость эмиттерного перехода, повышает быстродействие. Для предотвращения инжекции дырок в коллектор, затягивающей время рассасывания, в импульсных гетеротранзисторах наряду с широкозонным эмиттером используется и широкозонный коллектор.

Топология БТ.

Транзисторы с проницаемой базой (ТПБ) предложены в 1979 и, по оценкам, способны, в принципе, повысить рабочую частоту полевого транзистора до 1012 Гц (1 ТГц). Носители заряда в канале ТПБ движутся не вдоль поверхности полупроводниковой плёнки, а перпендикулярно ей. Длина канала, и следовательно время пролёта носителей, в ТПБ могут быть значительно уменьшены в сравнении с планарным полевым транзистором. При планарной конструкции мин. размер затвора L определяется возможностями рентгеновской или электронно-лучевой микролитографии и составляет порядка 0,1 мкм.

Электроны в ТПБ движутся от истока к стоку в направлении, перпендикулярном поверхности плёнки. Затвором служит металлич. сетка, "погружённая" в толщу полупроводниковой структуры ТПБ. По принципу действия ТПБ аналогичен ПТШ. Между металлич. сеткой и полупроводником возникает барьер Шоттки. Толщина обеднённой области вблизи проводников сетки определяется напряжением на затворе. Если толщина обеднённой области меньше расстояния между проводниками сетки, канал открыт и электроны свободно движутся к стоку. При достаточно большом напряжении обеднённые области перекрываются - канал закрыт. Основная проблема создания ТПБ состоит в получении качеств, границы раздела металл - полупроводник. ТПБ имеет большое сходство с электронной лампой, в которой управляющим электродом является металлич. сетка.

Параметры ТПБ.

Теоретич.	Эксперим.	Теоретич.	Эксперим.
Транзистор с проницаемой базой (PBT)	1,9	36	36	58	58

HEMT-структуры. полевой транзистор, в котором для создания канала вместо легированной области, в отличие от обычных МОП-транзисторов, используется контакт двух полупроводниковых материалов с различной шириной запрещенной зоны.