МИНИCTEPCTBO ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ АВТОНОМНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «СЕВЕРО-КАВКАЗСКИЙ ФЕДЕРАЛЬНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ» А. В. Велигоша ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНА УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ Направление подготовки 210700.62 – Инфокоммуникационные технологии и системы связи Профиль подготовки «Сети связи и системы коммутации» Бакалавриат Ставрополь 2014 УДК 681.3 (075.8) ББК 32.884.1 я73 В 27 Печатается по решению редакционно-издательского совета Северо-Кавказского федерального университета Велигоша А.В. <...> Задачами изучения дисциплины являются: - изучение принципа действия и характеристик электровакуумных приборов СВЧ (клистроны, лампа бегущей); - изучение полупроводниковых приборов СВЧ (диод Ганна, лавинно – пролетный диод); - изучение биполярных и полевых транзисторов СВЧ; - изучение принципа действия и особенностей квантовых приборов СВЧ (квантовые парамагнитные усилители, квантовые стандарты частоты) и квантовых приборов оптического диапазона. <...> Электронными приборами (ЭП) СВЧ называются приборы для генерации усиления или преобразования электромагнитных ко5 лебаний СВЧ-диапазона посредством взаимодействия электромагнитного поля с потоками электронов, движущимися в вакууме или твердом теле. <...> Электронные и квантовые приборы СВЧ несмотря на свою молодость – история их развития насчитывает соответственно около 50 и 35 лет – нашли широкое применений в радиолокационной технике и технике связи. <...> Таким образом, время пролета сравнимо с периодом колебаний – электронный прибор становится инерционным (причем, если τ > T, то прибор становится неуправляемый). <...> Период колебаний Т = 1/f в СВЧ-диапазон мал, и имеет поря6 ходимо делать меньше, но есть предел: уменьшение расстояния между электродами увеличивает емкость, для недопущения увеличения емкости необходимо уменьшать площадь электронов, но это приведет к уменьшению тока и выходной <...>
Приборы_СВЧ_и_оптического_диапазона.pdf
УДК 681.3 (075.8)
ББК 32.884.1 я73
В 27
Печатается по решению
редакционно-издательского совета
Северо-Кавказского федерального
университета
Велигоша А.В.
В 27 Приборы СВЧ и оптического диапазона: учебное пособие.–
Ставрополь: Изд-во СКФУ, 2014. – 204с.
Пособие содержит теоретический материал по вопросам общих
принципов построения и применения электровакуумных и полупроводниковых
приборов СВЧ-диапазона приборов (лазеров),
предназначенных для работы устройств в оптическом диапазоне
частот, контрольные вопросы, глоссарий, литературу.
Предназначено для бакалавров, обучающихся по направлению
подготовки 210700.62 – Инфокоммуникационные технологии и системы
связи, профилю подготовки «Сети связи и системы коммутации»
всех форм обучения.
УДК 681.3
ББК 32.884.1
Рецензенты:
д-р техн. наук, профессор В. П. Мочалов,
канд. техн. наук, доцент Г. И. Линец
© ФГАОУ ВПО Издательство
Северо-Кавказского федерального
университета, 2014
2
Стр.2
СОДЕРЖАНИЕ
Предисловие………………………………………………….. 3
Раздел 1. Общие сведения по электронным и квантовым
приборам СВЧ и оптического диапазона……………………. 4
1.1. Характеристика СВЧ и оптического диапазона ……….. 4
1.2. Особенности работы СВЧ-приборов……………………. 6
1.3. Основные параметры электронных приборов СВЧдиапазона….……………………………………………………
7
1.4. Области применения и классификация приборов СВЧдиапазона……………………………………………………….
8
Раздел 2. Триоды и тетроды СВЧ-диапазона……………….. 12
2.1. Полный ток в электровакуумных приборах……………. 12
2.2. Работа триода СВЧ……………………………………….. 15
2.3. Применение триодов и тетродов СВЧ………………….. 19
Раздел 3. Электровакуумные приборы СВЧ…………….. 24
3.1. Клистроны………………………………………………… 24
3.1.1. Пролетный двухрезонаторный клистрон……………... 24
3.1.2. Двухрезонаторные клистронные генераторы………… 33
3.1.3. Многорезонаторные клистроны………………………. 35
3.1.4. Применение многорезонаторных клистронов………... 41
3.1.5. Отражательный клистрон……………………………… 43
3.2. Лампы бегущей волны (ЛБВО)…………………………. 52
3.2.1. Принцип работы лампы бегущей волны……………... 52
3.2.2. Замедляющие системы………………………………… 55
3.2.3. Параметры и характеристики ЛБВ……………………. 59
3.2.4. Особенности устройства и применения ЛБВ………… 63
3.2.5. Лампа обратной волны………………………………… 66
Раздел 4. Полупроводниковые приборы СВЧ-диапазона….. 71
4.1. Энергетические
состояния
полупроводниковых
кристаллов……………………………………………………... 71
4.2. Функция распределения Ферми – Дирака……………… 74
4.3. Физические процессы при образовании p-n-перехода… 77
4.4. Полупроводниковые приборы с барьером Шоттки……. 85
4.5. Диоды Шоттки…………………………………………… 89
4.6. Работа полупроводниковых диодов в диапазоне СВЧ… 93
4.7. Биполярные транзисторы СВЧ………………………….. 99
201
Стр.201
4.8. Полевые транзисторы СВЧ……………………………… 118
4.9. Диод Ганна……………………………………………….. 128
4.10. Лавинно-пролетный диод………………………………. 135
4.11. Туннельный диод……………………………………….. 145
Раздел 5. Квантовые приборы……………………………...
5.1. Физические основы квантовых приборов……………….
151
151
5.2. Квантовые переходы……………………………………... 152
5.3. Ширина спектральной линии……………………………. 156
5.4. Усиление и генерация в квантовых системах………….. 160
5.5. Взаимодействие бегущих ЭМВ с активной средой……. 162
Раздел 6. Лазеры………………………………………… 165
6.1. Создание инверсной населенности в полупроводниках………………………………………………………………
165
6.2. Лазеры на гетеропереходах……………………………… 168
6.3. Применение лазеров в технике связи…………………… 189
Заключение…………………………………………………… 193
Глоссарий……………………………………………………... 194
Используемые сокращения………………………………… 199
Литература…………………………………………………… 200
202
Стр.202