- •Введение
- •Список сокращений
- •1. Линии передачи СВЧ
- •1.1. Основные положения
- •1.2. Коаксиальная линия передачи.
- •1.3. Двухпроводная линия передачи
- •1.4. «Витая пара»
- •1.5. Прямоугольный волновод
- •1.6. Круглый волновод
- •1.7. Планарные линии передачи
- •2. Теория длинных линий
- •2.1. Основы теории длинных линий
- •2.2. Нормированные значения напряжения
- •2.3. Коэффициент отражения
- •2.4. Нормированные сопротивление и проводимость
- •2.5. Интерференция падающей и отраженной волн в нагруженной линии
- •2.6. Входное сопротивление линии передачи с нагрузкой
- •2.7. Основные режимы работы линии передачи
- •2.8. Круговая диаграмма сопротивлений
- •2.9. Полуволновые и четвертьволновые трансформаторы
- •3. Согласование линий передачи
- •3.1. Общие положения теории согласования линий передачи с нагрузкой
- •3.2. Согласование с помощью четвертьволнового трансформатора
- •3.3. Согласование с помощью сосредоточенной реактивности
- •3.5. Согласование с помощью параллельного реактивного шлейфа.
- •3.6. Трансформаторы с тремя реактивными элементами.
- •4. Матричные методы описания устройств СВЧ
- •4.1. Матрицы рассеяния многополюсников
- •4.2. Волновые матрицы передачи многополюсников
- •5. Двухполюсники
- •5.1. Согласованные нагрузки
- •5.2. Реактивные нагрузки
- •5.3. Преобразователи СВЧ мощности
- •6. Четырехполюсники
- •6.1. Разъемы и соединения
- •6.2. Переходы между линиями разных типов
- •6.3. Нерегулярности в волноводе
- •6.4. Изгибы и скрутки волноводов
- •6.5. Аттенюаторы
- •6.6. Фазовращатели
- •6.7. Согласующие трансформаторы
- •7. Резонаторы и фильтры СВЧ
- •7.1. Объемные резонаторы
- •7.2. Основные типы резонаторов
- •7.3. Открытые резонаторы
- •7.4. Диэлектрические резонаторы
- •7.5. Резонатор, включенный на проход
- •7.6. Частотные фильтры
- •8. Шестиполюсники
- •8.1. Y-тройники
- •8.3. Шестиполюсные делители мощности
- •9. Восьмиполюсники и двенадцатиполюсники
- •9.1. Направленные ответвители
- •9.2. Мостовые устройства
- •9.3. Крестообразные соединения
- •9.4. Резонатор бегущей волны
- •9.5. Двенадцатиполюсники
- •10. Ферритовые устройства СВЧ
- •10.1. Основные свойства ферритов на СВЧ
- •10.2. Ферритовые устройства на эффекте Фарадея
- •10.3. Вентили с поперечно подмагниченным ферритом
- •10.4. Фазовые циркуляторы
- •11. Физические основы работы полупроводниковых приборов СВЧ диапазона
- •11.1. Энергетические зоны полупроводников
- •11.2. Процессы переноса заряда в полупроводниках
- •11.3 Полупроводники в сильных электрических полях
- •11.4. Контактные явления
- •12.1. Полупроводниковые аналоги вакуумных приборов СВЧ
- •12.2 Динамическая отрицательная проводимость
- •12.3. Лавинное умножение носителей заряда
- •12.4 Основные режимы работы ЛПД
- •12.5. Технический уровень промышленно выпускаемых ЛПД
- •13. Полупроводниковые приборы с объемной неустойчивостью (диоды Ганна)
- •13.1. Механизм междолинного перехода
- •13.2 Эффект Ганна и критерий Кремера
- •13.3 Динамика ганновских доменов
- •13.4. Классификация режимов работы генераторов Ганна
- •13.5. Предельные параметры генераторов Ганна
- •13.6. Способы повышения эффективности и верхнего частотного предела генераторов Ганна
- •14.1. Основы полупроводниковой технологии
- •14.2. Конструкции диодных СВЧ генераторов
- •14.3. Способы перестройки частоты
- •15. Повышение мощности полупроводниковых генераторов и освоение миллиметрового диапазона волн
- •15.1. Основные принципы построения СВЧ-сумматоров
- •15.2. Конструкции сумматоров мощности
- •15.3. Освоение миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов
- •16. Усилители СВЧ
- •16.1. Основные параметры усилителей
- •16.2. Классификация усилителей СВЧ
- •16.3. Однокаскадный транзисторный усилитель
- •16.4. Принцип действия балансного усилителя
- •17. Преобразователи частоты
- •17.1. Смесители
- •17.2. Преобразование частот в смесителе
- •17.3. Основные параметры смесителей
- •17.4. Небалансные смесители
- •17.5. Балансные смесители
- •17.6. Двойные балансные смесители
- •17.7. Кольцевые балансные смесители
- •17.8. Транзисторные смесители
- •Тесты для самопроверки
- •Ответы на тесты
- •Библиографические ссылки
- •Список рекомендованной литературы
- •Предметный указатель
1
Министерство образования и науки Украины Днепропетровский национальный университет имени Олеся Гончара
О. О. Дробахин, С. В. Плаксин, В. Д. Рябчий, Д. Ю. Салтыков
„ТЕХНИКА И ПОЛУПРОВОДНИКОВАЯ ЭЛЕКТРОНИКА СВЧ”
УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ
Издательство «Вебер» Севастополь 2013
|
|
2 |
УДК 621.396 |
Рецензенты: |
д-р техн. наук, проф. В. М. Корчинский |
Н 15 |
|
(заведующий кафедрой электронных средств телеком- |
муникаций Днепропетровского национального университета имени Олеся Гончара)
к-т физ.-мат. наук, доцент Е.Н.Привалов (заведующий отделом функциональных элементов си-
стем управления Института технической механики НАН Украины и ГКА Украины, г.Днепропетровск)
УДК 621.372 – 621.376 ББК 32.845 Т-38
Т-38 Техника и полупроводниковая электроника СВЧ : Учебное пособие [Электронное издание] / О. О. Дробахин, С. В. Плаксин, В. Д. Рябчий, Д. Ю. Салтыков. – Севастополь: Вебер, 2013.– 322 с.
ISBN 978-966-335-404-0
Приведены сведения об основных линиях передачи СВЧ диапазона, теории микроволновых цепей. Рассмотрены методы теории длинных линий и многополюсников СВЧ для анализа и синтеза устройств на основе микроволновых линий передачи. Представлены сведения о конструкции основных элементов СВЧ техники, их параметрах, при этом использован формализм матриц рассеяния. Преимущественно рассмотрены волноводные элементы, применяемые для решения задач прикладной физики. Рассмотрены физические принципы работы основных типов полупроводниковых и ферритовых устройств электроники сверхвысоких частот. Приводятся основные теоретические соотношения и типовые схемы для полупроводниковых генераторов, усилителей и преобразователей частоты. Формулируются критерии выбора оптимальных режимов их работы, устанавливаются предельно возможные параметры
иметоды их д остижения. К каждой теме предложены вопросы для проверки уровня его усвоения. Пособие содержит тесты для самостоятельной работы.
Для студентов, обучающихся по направлению подготовки "Прикладная физика". Пособие также может быть полезно аспирантам и студентам старших курсов радиотехнических
ирадиофизических специальностей, а также всем, кто интересуется техникой СВЧдиапазона.
УДК 621.372 – 621.376 ББК 32.845
ISBN 978-966-335-404-0 |
© Дробахин О. О., Плаксин С. В., |
|
Рябчий В. Д., Салтыков Д. Ю., 2013 |
3
Введение
Электромагнитные волны сверхвысоких частот (СВЧ) имеют широкое применение в различных областях науки и техники. На начальном этапе СВЧ, или микроволновые, устройства были разработаны для реализации радиолокационных средств обнаружения воздушных, наземных и морских объектов, оценки их координат, скорости. Затем были решены задачи радиолокации космических объектов, включая локацию планет. Последнее время радиолокационные методы применяют для решения технологических задач, например, в металлургии, для медицинской и спортивной диагностики. Микроволновые устройства позволяют измерять расстояние до отражающих поверхностей в условиях отсутствия возможности наблюдения в оптическом диапазоне, например, ночью, в условиях задымления, или при наличии термической нагрузки, скажем, в металлургическом производстве; исследовать вибрации в случае, если объект находится за преградой, например, при проведении спасательных работ.
Важное технологическое значение имеют микроволновые печи. В настоящее время проводятся исследования по применению таких печей для получения композиционных полимерных материалов, проведения химических реакций, удаления влаги из веществ, которые должны вступать в химические преобразования, сушки. Перспективным является облучение семян растений с целью интенсификации процесса роста. Имеет место терапевтический эффект СВЧ излучения на определенных частотах.
Микроволновые технологии, кроме того, широко используются в инфор- мационно-телекоммуникационных системах. В мобильной радиосвязи, радионавигации, радиометрии, беспроводных компьютерных сетях и т.д. передачу информации осуществляют с помощью электромагнитных волн, которые принадлежат практически всему диапазону микроволнового излучения, то есть соответствующие длины волн лежат в пределах от дециметров до миллиметров, а частоты – от 0,3 до 300 ГГц. С увеличением частоты появляется возможность концентрации электромагнитного излучения в узкий направленный луч, что повышает помехоустойчивость при передаче информации с его помощью и обеспечивает электромагнитную совместимость. Значительным преимуществом микроволнового диапазона является его большая информационная емкость, что позволяет, например, в системах телекоммуникаций увеличить число передаваемых каналов телефонной связи и телерадиовещания, организовать многоканальную передачу широкополосных сигналов с одновременным улучшением качества связи. Дальнейшее развитие беспроводных телекоммуникаций предусматривает разработку и введение новых и совершенствование уже существующих микроволновых устройств и систем передачи информации.
СВЧ элементы – одни из основных в технике физического эксперимента, например, в случае создания средств ускорения элементарных частиц, а следовательно, специалисты по прикладной физике должны быть осведомленными с
4
основными принципами построения и применения основных элементов микроволновой техники.
Пособие содержит набор тестов, вопросов, которые позволяют проверить уровень усвоения изложенного материала, ряд вопросов носит проблемный характер, для ответа на некоторые из вопросов требуется привлечение дополнительных источников информации. Ряд разделов проиллюстрирован задачами с решениями.
Пособие подготовлено профессорско-преподавательским составом кафедры прикладной и компьютерной радиофизики Днепропетровского национального университета имени Олеся Гончара: заведующим кафедрой доктором физико-математических наук профессором О. О. Дробахиным, профессором доктором физико-математических наук С. В. Плаксиным, доцентом кандидатом технических наук В. Д. Рябчием, старшим преподавателем Д. Ю. Салтыковым.
5
Список сокращений
АЭ – активный элемент; АЧХ – амплитудно-частотная характери-
стика; БР – биконический резонатор;
БС – балансный смеситель; БТ – биполярный транзистор;
ВАХ – вольтамперная характеристика; ВДР – волноводно-диэлектрические резо-
наторы; ВЧ – высокая частота;
ВЩЛ – волноводно-щелевая линия; ГИС – гибридная интегральная схема; ДБС – двойной балансный смеситель; ДБШ – диод с барьером Шоттки; ДМ – диодный мост; ДР – диэлектрический резонатор;
ДЗПТШ – двухзатворный полевой тетрод с барьером Шоттки;
ДКБС – двойной кольцевой балансный смеситель
ДФС – дифференциальный фазовый сдвиг; ЗЧ – зеркальная частота; КБВ – коэффициент бегущей волны
КБС – кольцевой балансный смеситель; КВЧ – крайне высокие частоты; КЗ – короткое замыкание; КО – коэффициент отражения;
КПД – коэффициент полезного действия; КПЛ – копланарная линия; КПУ – квантовый парамагнитный усили-
тель; КСВ – коэффициент стоячей волны;
КСВН – коэффициент стоячей волны по напряжению;
КУ – коэффициент усиления; ЛБВ – лампа бегущей волны; ЛОВ – лампа обратной волны; ЛПД – лавинно-пролетный диод;
МДР – металлодиэлектрический резонатор;
МКФ – металло-керамический фильтр; МПЛ – микрополосковая линия; МШУ – малошумящий усилитель; НБС – небалансный смеситель;
НО – направленный ответвитель; ОДС – отрицательное дифференциальное
сопротивление; ОДП – отрицательная дифференциальная
проводимость; ОНОЗ – ограниченное накопление объем-
ного заряда; ОВР – открытый волноводный резонатор;
ОР – открытый резонатор; ОТД – обращенный туннельный диод;
ПЗФ – полосно-заграждающий фильтр; ППУ – полупроводниковый параметриче-
ский усилитель; ППФ – полосно-пропускающий фильтр; ПТ – полевой транзистор;
ПТШ – полевой транзистор с барьером Шоттки;
ПЧ – промежуточная частота; ПЭ – преобразующий элемент; РБВ – резонатор бегущей волны; РФ – режекторный фильтр; РЭ– разделительный элемент; СВЧ – сверхвысокие частоты; СК – согласующий контур; СН – согласованная нагрузка;
СПЛ – симметричная полосковая линия; СЦ – согласующая цепь СЧ – суммарная частота;
ТДЛ – трансформаторы типа «длинной линии»
ТКД – точечно-контактный диод; ТМ – Т-мост; УВЧ – усилитель высокой частоты;
УПЧ – усилитель промежуточной частоты; ФАР – фазируемая антенная решетка; ФВ – фазовращатель; ФВЧ – фильтр верхних частот;
ФНЧ – фильтр нижних частот; ФЧХ – фазо-частотная характеристика; ХХ – холостой ход; ЦП – цепь питания; ЩЛ – щелевая линия; ЩМ – щелевой мост.