Задание №1Разбор полетов (1)

Задание №1

Теоретические основы микроволновой электроники.

1. Рассчитайте энергию кванта микроволнового излучения с частотой (Ngroup+Nstudent/2) ГГц

Какой температуре соответствует эта энергия?

Сравните эту энергию с энергией связи молекулы воды. До какой температуры нужно нагреть воду, чтобы произошла ионизация?

Докажите, что квант микроволнового излучения не может нарушить связь атомов и молекул в живой клетке.

Дано:

Дж*с

f=6.5·10⁹ Гц

1,380 648 52(79)·10−23 Дж/к

Постоянная Больцмана — Википедия

Решение:

E= hν Е= 4.3069·10^-24 Дж = 2,7·10^-5 эВ λ = c/f = 4,6·10^-2 м = 4,6 см

T = b/λ = 2,9·10^-3/0,046 = 0, 063 К – Закон смещения Вина

Е_Н2О= 5 эВ (Часто 0.2 эВ).

Е_Н2О/ E_hν = 185185,185

Е_Н2О = kT, Т= Е_Н2О/k, Т= 58023 К

Температура денатурации белка -52С

2. Какая плотность мощности микроволнового излучения считается допустимой в быту и на производстве по стандартам РФ? По международным стандартам?

Оцените, как повысится Ваша температура тела за 8 и 24 часа при максимально допустимом уровне излучения. В расчетах потерями тепла на внешнее охлаждение тела – пренебречь.

Опишите особенности нагрева в разных частотных диапазонах.

Согласно стандартам РФ допустимая плотность мощности излучения является:

• Общество 10мкВт/см2 на 50см

• Производство 25мкВт/см2 на 50см

По международным стандартам допустимая плотность мощности излучения является:

• 1мВт/см2 на 5 см, как в обществе, так и на производстве.

Взято из материалов лекции №1 по микроволновой электронике.

Дано:,, , S_чел = 2,49м² приблизительная площадь человека при росте 200 см и m=112 кг, такая площадь получена в ходе собственных измерений.

Решение:

Ответ: =0.055K, =0.0459K .

Площадь моего тела, вычисленная согласно формуле

;

;

Далее рассчитаем энергии при различном времени, чтобы в дальнейшем найти температуры:

;

;

;

;

Особенности воздействия на других частотах:

обоснование воздействия через энергию кванта, глубину проникновения. (систематизация ! знаний по этому вопросу).

3. Информацию о галактическом окружении человечество получает из космоса со спутников, используя микроволновые каналы связи. Выберите один (серию) из снимков, который Вам более всего нравится, с сайта (http://hubblesite.org/gallery/album/entire).

4. Область взаимодействия некоторого прибора составляет L=0.2*(Ngroup+Nstudent) мм. Рассчитайте угол пролета и коэффициент взаимодействия для этой области для вакуумного прибора с ускоряющим напряжением (Nstudent) кВ на частоте (Nstudent) ГГц. Как нужно изменить длину L, чтобы этот угол пролета реализовать в полупроводниковом приборе?

Расчеты, размерность?

5. Сравните 2 типовых прибора: вакуумный и полупроводниковый по следующим параметрам:

1. Объемная плотность заряда;

2. Максимальная скорость движения заряженных частиц;

3. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

4. Для вакуумного прибора рассчитать микропервианс, «плазменную» частоту.

5. Для полупроводникового: длину Дебая, плазменную частоту.

Параметры вакуумного прибора: ток (Nstudent*15)мА, ускоряющее напряжение (Nstudent+ Ngroup) кВ, диаметр потока Ngroup*0.75 мм.

Полупроводникового: уровень легирования Nstudent*10¹⁶см ^-3 , напряжение 25В, толщина токового канала 1мкм.

Рабочая частота приборов – Ngroup ГГц. Рабочая температура 400К.

Расчеты, размерность?

6. Можно ли в полупроводниковых приборах обеспечить скоростную модуляцию заряженных частиц, используя начальную часть поле-скоростной характеристики?

На каком расстоянии может обеспечиваться модуляция плотности зарядов?

С какой средней скоростью будет двигаться электрон в приборе, с характерным размером области взаимодействия 0.1 мкм и приложенным напряжением Nstudent В? Материал – арсенид галлия.

Самая распространенная ошибка: в приборе нельзя сделать модуляцию плотности, т.к. прибор – электронейтрален???

Овер-шут? Где про него?

7. Определите коэффициент шума усилительного прибора в дБ, если его эффективная шумовая температура (100+ Nstudent*2)К.

Рассчитайте эффективную шумовую температуру двух таких приборов, включенных каскадно, если коэффициент усиления каждого прибора 13 дБ.

Практически многие решили верно.

8. Определите амплитуду «самосогласованного» напряжения на сеточном зазоре резонатора с бесконечной собственной добротностью, если амплитуда первой гармоники конвекционного тока на входе в резонатор равна Nstudent*0.75 мА, угол пролета 90^О, ускоряющее напряжение Ngroup кВ, ток луча 1А.

Решение:

Добротность бесконечная, следовательно, потерь нет.

- наведенный ток.

– амплитуда напряжения на сеточном зазоре резонатора.

– коэффициент взаимодействия.

– проводимость.

=

+Ответы с напряжением в 10⁶В! (Предложение: Пойти в Нобелевский комитет с таким прибором!)

9. Объясните, где «работает» формула Найквиста, а где Ван-дер-Зила при расчете шумов.

В чем разница введения понятий «эффективная» шумовая температура и «эффективное» шумовое сопротивление?

Распространенная ошибка – нет своих мыслей! Неверно указываются библиографические источники.

Формула Найквиста для теплового шума в случае термодинамического равновесия. В реальных приборах условия такого равновесия нарушаются из-за наличия встроенных или приложенных «греющих» электрических полей, которые изменяют энергию электрических зарядов, а соответственно и величину шумовых флюктуаций.

- формула Ван дер Зила

Эта формула определяет средний квадрат шумового тока , возникающего за счет диффузии заряженных частиц общим числом , в элементе резистора с температурой носителей в полосе частот . В данном выражении - поперечное сечение рассматриваемого элемента.

Эта формула сложнее формулы Найквиста, однако, она имеет более широкий диапазон применения, да и физику возникновения шумов отражает детальнее. Естественно, что в случае термодинамического равновесия эта формула должна трансформироваться в формулу Найквиста.

Вводя понятие эффективной шумовой температуры или эффективной шумовой проводимости , получим обычную запись формулы Найквиста для отсутствия термодинамического равновесия:

Выражение называют шумовым отношением, показывающим насколько прибор шумит сильнее, чем это предсказывает формула Найквиста.

10. Прокомментируйте формулу для мощности взаимодействия электромагнитного поля и потока заряженных частиц. В чем заключается сложность нахождения данного интеграла?

Свяжите решение с задачей №8.

Средняя мощность взаимодействия – это энергетический эффект взаимодействия электронного потока с переменным электрическим полем, усредненная за период колебания работа, которую поле совершает во всем пространстве (объеме) взаимодействия.

Движение частиц зависит от электромагнитного поля, которое взаимодействуя с этими частицами меняет их параметры. Данное утверждение следует из зависимости плотности потока заряженных частиц от объемной плотности заряда. Изменяется распределение плотности электронов, а, следовательно, и скорость потока, которая в свою очередь зависит от электромагнитного поля, что приводит к его изменению. А так как поле зависит от плотности потока, то оно, в свой черёд, изменяет ее.

«Велик могучим русский языка!» (Александр Иванов пародист.)

https://www.youtube.com/watch?v=PPImYabP5kg

Задачу подобного типа называют «самосогласованной» задачей, решение которой представляет из себя трудоемкий процесс, что вынуждает прибегать к некоторым приближениям для ее упрощения.

(ссылки: лекция 2 МВЭ; материалы лекции)

1. Анализируйте то, что получили с высоты ранее полученных знаний и логики. Установите обратную связь (feed back) между Ответом , Заданным вопросом и Ходом решения..

“the modification or control of a process or system by its results or effects”

2. Строже относитесь к использованию чужого текста. Если текст полностью копируется, то он «заковычивается» и на источник дается конкретная сноска. Если собственная редакция по рассматриваемому вопросу, то просто ссылка.

3. Форматирование текста, графического материала, вставленных формул. ( Владение Word, MathType, Origin, MVisio).