Казанский Государственный Технический

Университет им. А.Н. Туполева

Кафедра Технической Физики

Физические основы электроники СВЧ

Опорный конспект лекций

Казань – 2005

Опорный конспект лекций «Физические основы электроники СВЧ» содержит краткие сведения о физических основах работы, принципах действия, основных характеристиках и параметрах большинства электронных приборов СВЧ диапазона: триодов, клистронов, магнетронов, гиротронов, ламп бегущей и обратной волны, полупроводниковых диодов с p-n переходом, транзисторов, лавинопролетных диодов и диодов Ганка.

Введение

Курс «Физические основы электроники СВЧ» читается студентам четвертого курса физико-математического факультета по специальности «Физическая электроника».

Структура изложения материала является типовой и заимствована у общеизвестных учебников Дулина И.В. [1], Андрушко Л.М., Федорова Н.Д. [6].

Ввиду малого объема курса основное влияние в конспекте лекций сосредоточено на принципах действия приборов, их основных характеристиках и применении. Вопросы теории изложены в том объеме, который достаточен для понимания физических процессов в приборах и объяснения их характеристик.

Т Е М А 1

Общие сведения о приборах свч

1.1. Историческая справка

Электронные и квантовые приборы СВЧ предназначены для усиления, генерации и преобразования частоты электромагнитных колебаний СВЧ диапазона (от 300 МГц до 300 ГГц).

В электронных приборах СВЧ в энергию электромагнитного поля преобразуется обеспечиваемая внешним источником пита­ния энергия свободных электронов.

В квантовых приборах в энергию СВЧ поля преобразуется внутренняя энергия атомов (ионов, молекул). Электроны, участвуя в этом процессе, остаются связанными со своими атомами.

Первоначальная разработка приборов СВЧ шла по пути усо­вершенствования обычных электронных ламп с использованием электростатического управления электронным потоком. Однако их возможности были ограничены в связи с ухудшением параметров контуров с сосредоточенными параметрами при увеличении час­тоты, а также в связи с соизмеримостью межэлектродного време­ни пролета электронов с периодом колебаний. Эти трудности зас­тавили искать новые пути создания приборов СВЧ. Это стало воз­можным, когда Д.А.Рожанский (СССР) высказал идею динами­ческого управления электронным потоком. Использование этого метода привело к созданию таких принципиально новых приборов, как пролётный клистрон (Н.Д.Девятков в СССР и братья Вариан в США, 1939-1940 г.), отражательный клистрон (Н.Д.Девятков, Е.Н. Данильцев, 1940 г.), многорезонаторный магнетрон (Н.Ф.Алексе­ев, Д.Е.Маляров, 1940 г.), лампы бегущей и лампы обратной волны (Р.Компфнер в США, 1944,1952 г.) и их модификации. Эти приборы составляют основу вакуумной электроники СВЧ.

Полупроводниковые приборы, с момента изобретения в 1948 г. транзистора, долгое время использовались лишь в области низ­ких частот и малых мощностей. Освоение больших мощностей и СВЧ диапазона началось лишь к 60-ым годам. Параллельно были созданы новые типы полупроводниковых приборов: туннельный диод (Л.Есаки, 1958 г.), лавинопролётный диод (А.Тагер, В.Рид, 1959 г.), диод Ганна (Д.Ганн, 1963 г.), биполярные и полевые СВЧ транзисторы.

Квантовая электроника возникла на базе фундаментальных ис­следований в радиоспектроскопии. В квантовых приборах исполь­зуется вынужденное излучение огромного количества согласован­ных по частоте и направлению излучения электромагнитных волн атомов и молекул под действием внешнего электромагнитного поля.

Идея усиления электромагнитных волн с помощью неравно­весных квантовых систем с вынужденным излучением была вы­сказана ещё в 1940 году советским физиком В.Л.Фабрикантом, но первые проекты квантовых усилителей и генераторов на молеку­лярном пучке были предложены Н.Г.Басовым и А.М.Прохоровым лини, в 1954 году. В этом же году американские ученые Ч.Таунс. Д.Гордон и Г.Цайгер построили действующий генератор.