me_9_13_1

Задание №1. Выполнил: Хабибулин Артур. Группа 5209, №13

Теоретические основы микроволновой электроники.

1. 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).

Ответ: Центр галактики Млечный Путь

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

Какой температуре соответствует эта энергия?

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

До какой температуры нужно нагреть воду, чтобы произошло разрушение кластеров?

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

Вариант: f=22 ГГц;

Ответ:

1. Энергия кванта:

2. Температура при этой энергии:

3. Сравнение с энергией связи молекулы воды (E_H2O=8*10^-19Дж)

4. Температура при ионизации воды:

5. Температура разрушения кластеров (при E_димера=0,24 эВ):

6. Доказательство невозможности нарушить связь в живой клетке:

Максимальная частота электромагнитной волны, которая еще будет относится к микроволновому излучению – 300 ГГц. Тогда максимальная возможная энергия микроволнового излучения – 0,00124 эВ, таким образом получается энергия, намного меньшая, чем энергия связи в молекуле воды, а как известно, большую часть живой клетки составляет именно вода.

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

Оцените, как повысится температура Вашего тела за 8 и 24 часа при уровне плотности мощности, равным (70 + Nstudent)% от максимально допустимого. В расчетах потерями тепла на внешнее охлаждение тела – пренебречь.

Опишите особенности нагрева в разных частотных диапазонах.

Ответ:

1. По стандартам РФ, бытовой предельно допустимой плотностью микроволнового излучения считается на 50 см, на производстве – в расчете на 50 см.

2. По международным стандартам допустимой плотностью мощности микроволнового излучения считается 5-30 в расчете на 5 см.

3. 83% от 25мкВт = 20,75 мкВт;

Исходные формулы: ; ;

Масса m =70 кг, и теплоемкость человека

Т.о. получаем за 8 часов:

И для 24 часов:

Температура будет повышаться.

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

1. Объемная плотность заряда;

Максимальная скорость движения заряженных частиц;

2. Длина области взаимодействия для угла пролета -радиан.

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

4. 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.

Ответ:

Параметры вакуумного прибора: ток 195мА, ускоряющее напряжение 22 кВ, диаметр потока 6,75 мм.

Полупроводникового: уровень легирования 13*10¹⁶см ^-3, напряжение 25В, толщина токового канала 1мкм.

Рабочая частота приборов – 9 ГГц. Рабочая температура 400К.

4.1. Объёмная плотность заряда

Для вакуумного прибора:

У полупроводникового прибора: 10¹⁹ м^-3

4.2. Максимальная скорость движения заряженных частиц.

У вакуумного прибора

У полупроводникового прибора максимальная скорость - скорость при насыщении, т.е. v_0с=.

Исходя из этих данных можно сказать, что в вакуумном приборе максимальная скорость движения заряженных частиц выше чем в полупроводниковом.

3. Длина области взаимодействия для угла пролета π-радиан.

Угол пролета:

Для вакуумного прибора:

Для полупроводникового прибора:

3. Для вакуумного прибора рассчитать микропервеанс, «плазменную» частоту.

Расчет микропервеанса:

Расчет плазменной частоты:

3. Для полупроводникового прибора рассчитать длину Дебая, плазменную частоту.

Расчет длины Дебая:

4. Область взаимодействия некоторого прибора составляет L=0.15*(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?

Ответ: L= 3,3 мм, U= 13 кВ, F=13ГГц.

Определим начальную скорость электронов:

Угол пролета определяется по формуле:

Коэффициент взаимодействия определяется по формуле:

В полупроводнике v₀ = 10⁵м/с

Следовательно для достижения того же угла пролета нужно уменьшить область взаимодействия L. Найдем ее:

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

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

Ответ:

Скоростную модуляцию заряженных частиц в полупроводниковых приборах можно обеспечить на расстоянии длины релаксации импульса (0,01-0,1) мкм. Далее электроны испытывают рассеяние импульса, при этом частично отдавая часть накопленной энергии рассеивающему центру. Поэтому на больших расстояния модуляция плотности зарядов невозможна.

Оценим скорость электрона в приборе, с характерным размером области взаимодействия 0,1 мкм и приложенным напряжением 9В:

Скорость при данной энергии будет больше или равна 10⁵ м/с.

4. 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.

Ответ:

При: I=9,75 мА, U= 9кВ

Амплитуда напряжения на сеточном зазоре резонатора:

= = 0,9 – коэффициент взаимодействия для плоского зазора с однородным полем .

4. 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.

Ответ:

T=126К

Пусть (25 °C), тогда

– коэффициент шума

=

Тогда:

– эффективная шумовая температура.

4. 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?

Ответ:

Формула Найквиста.

Формула Найквиста для теплового шума в случае термодинамического равновесия. В реальных приборах условия равновесия нарушаются по причине наличия встроенных или приложенных «греющих» электрических полей, которые изменяют энергию электрических зарядов, и следовательно 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.

Формула Ван дер Зила сложнее формулы Найквиста, но она имеет более широкий диапазон применения, и детальнее отражает физику возникновения шумов. 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.

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

Свяжите решение с задачей №7.

Ответ:

Данная формула позволяет вычислить мощность взаимодействия электромагнитного поля и потока заряженных частиц в пространстве их взаимодействия. Плотность потока заряженных частиц зависит от объёмной плотности заряда и скорости частиц, а скорость, в свою очередь, - функция поля E, что также зависит от . Таким образом, сами летящие заряды создают поле, и это поле действует на эти же заряды. Специфика данного взаимодействия разная в разных приборах. Задачу такого типа называют «самосогласованной», такая задача как раз и стоит под №7.