С.П. Вятчанин - Конспект лекций по Радиофизике 2005, страница 2

. . . . . .4. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .. . . . . . . . .и шум-фактор. . . . . . . . .12 Генерирование электрических колебаний12.1 Условия возникновения автоколебаний . . . . . . . . . . . .12.2 LC-автогенератор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

. . . .12.2.1 Мягкий режим возбуждения . . . . . . . . . . . . .12.2.2 Жесткий режим возбуждения . . . . . . . . . . . . .12.3 RC-генератор . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.4 Простейший генератор релаксационных колебаний . . . . .12.5 Мультивибратор . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . . . . . . .12.6 Триггер . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.7 Стабильность частоты автогонератора . . . . . . . . . . . .12.8 Флуктуационная нестабильность частоты автогенератора .12.9 Водородный стандарт . . . . . . . . . . . . . . .

. . . . . . .12.10Мощные автогенераторы СВЧ диапазона . . . . . . . . . .12.10.1 Клистрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .12.10.2 Магнетрон . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .................................................................................................................................................................................909292929394......................................................................................................................................................................................9595969798981011021041041061081101101111 ВВЕДЕНИЕ15ВведениеЭтимологически слово “радиофизика” происходит от латинского radiare – излучать, испускать лучи.

Однако предмет радиофизики гораздо шире, чем излучение радиоволн. Можно определить предмет радиофизики как изучение процессов возбуждения, преобразования, распространения и регистрации электромагнитных сигналов. Наверное, это неполное определение и можно найти часть радиофизики, которое непопадает под него. Полное определение предмета радиофизики (как и предмета другой части физики) является сложной семантической задачей и заняло бы слишком много места (в качестве примера попробуйтедать полное определение понятия “стол” — одно перечисление возможных конфигураций стола займет неодну страницу).Радиофизика является важной дисциплиной современной физики и постоянно развивается — особенно бурно в последние годы.

В связи с этим уместно привести высказывание великого русского ученогоН. А. Умова:“В мире мысли, как в материальной природе, нет произвольного зарождения, а существует толькоразвитие, эволюция; . . . современная мысль возникает на неосознаваемом фоне идей, переданных нампредшествующими поколениями”Основные этапы развития радиофизики характеризует таблица 1.Развитие радиофизики можно характеризовать следующими этапами:1. Наземная связь.2.

Телевидение.3. Радиолокация.4. ЭВМ.5. Космическая связь.Радиофизика является разделом физики, но кроме того, “отвечает” за методы физических измерений.Применение радиофизических методов провело не только к уникальным результатам, но и к открытиям,среди которых можно отметить следующие:1.

Нейтрон (плюс все эффекты рождения и взаимодействия элементарных частиц).2. Реликтовое э.м. излучение.3. Пульсары, рентгеновские звезды, всплески гамма-излучения.4. ЭПР, ЯМР, ЭКР . . . Вся физика конденсированного состояния.Среди нобелевских лауреатов, работы которых можно отнести к радиофизике или использованиюрадиофизических методов, следует отметить следующих:Г. МаркониК. БраунУ. ШоклиДж. БардинУ. БратейнЧ.Н.А.А.Л.ТаунсБасовПрохоровКастлерЕсакиА.

ЖиверБ. ДжозефсонА. ШавловН. БлумбергенК. СибганА. РамсиБиннингРерерТайлорХалсМожно выделить в радиофизике следующие задачи, которые она решает:1. Генерация, усиление, преобразование сигналов.2. Методы измерений.3. Саморазвитие.Эти задачи радиофизика решает, опираясь на следующие разделы общей физики:1. Электродинамика.2. Статистическая физика.2 ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ.18311873188718951897М. ФарадейДж.

К. МаксвеллГ. ГерцА. С. ПоповГ. Маркони190519061907191419301935II МВ19481954майФлемингЛи де ФорестПапалексиАндроновКобзарев19581960В. ШоклиБасов, Прохоров,ТаунсДж. КилбиМейман6Таблица 1: Этапы развития радиофизики- закон э.м. индукции,-“Трактат об электричестве и магнетизме”- вибратор Герца- демонстрация передачи э.м. волн- патент на способ передачи э.м волн. Признан приоритет воФранции и Германии (в Италии и Швеции — нет)- первое исп.

в военных целях (Цусима)- вакуумный диод-детектор- вакуумный триод- ламповый генератор- теория автоколебательных систем- основы радиолокации- битва за Англию. Радары- биполярный транзистор- мазер- первая микросхема (Нобелевская премия 2000 г.)- газовый лазер3. Теория конденсированных сред.4. Квантовая теория.Оптика является дисциплиной, близкой к радиофизике. Их можно разделить по следующим параметрам(конечно, условно):1. Радиофизика имеет дело с низкими частотами ω, для которых выполняются неравенства: h̄ω κTили h̄ω ' κT , где h̄ – постоянная Планка, κ —постоянная Больцмана, T — абсолютная температура.В оптике выполняется обратное неравенство: h̄ω κT .2.

Длина волны λ, соответствующая процессам в радиофизике, ограничена неравенством λ ≥ 10 −2 см,и характерные размеры L радиофизических устройств, обычно малы: L λ или L ≤ λ. В оптикевсегда выполняется обратное равенство: L λ и λ ≤ 10−2 см.22.1Линейные системы.Условие квазистационарностиПусть L — характерные размеры системы (радиофизического устройства), c — скорость света, T — характерное время (T = 1/ν, ν — частота). Тогда можно сформулировать условие квазистационарности:LTcилиL 1,λλ=cν(1)Если выполнено условие квазистационарности, то можно обоснованно считать, что электромагнитноеполе во всех частях нашей системы меняется синхронно.Если выполняется обратное неравенствоλ≤L(2)то такие системы называются распределенными.Приведем пример: частоте переменного тока в сети ν = 50 Гц соответствует длина волны λ ' 6 000 км.Диаметр города Москвы ∼ 30 км — значительно меньше.

Поэтому для области от Москвы до Питера (600км) условие квазистационарности (1) выполнено.Другой пример: частоте ν = 100 МГц (FM диапазон) соответствует длина волны λ ' 3 м. В этомслучае размеры приемника могут оказаться сравнимыми с длиной волны и условие квазистационарности(1) может быть не выполнено (или выполнено без запаса).2 ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ.RC7LreplacementsРис. 1: Идеальные сосредоточенные элементы: емкость C, сопротивление R и индуктивность LЕсли выполнено условие квазистационарности, то можно пользоваться понятиями идеальных сосредоточенных элементов: емкость C, сопротивление R и индуктивность L — см. рис. 1).В действительности, как известно, все не так, как на самом деле, и реальные емкости, сопротивления ииндуктивности демонстрируют ряд паразитных эффектов.

Эти эффекты могут быть учтены в простейшихмоделях, примеры которых приводятся на рис. 2.CpLpreplacementsrpRprpРис. 2: Простейшие модели, учитывающие паразитные эффекты в сосредоточенных элементах.2.2ЛинейностьУсловие линейности можно сформулировать следующим образом:dU= R = const,(3)dIdΦ= L = const,(4)dIdQ= C = const.(5)dUв этом случае отклик линейно пропорционален воздействию.

Например, ток I пропорционален напряжению U: I = U/R, поток Φ пропорционален току I: Φ = LI.Физически ясно, условия (3, 4, 5) справедливы при малых I, U, Q, Φ. В обратном случае различныенелинейные эффекты нарушат эту связь. Следует подчеркнуть, что малость в каждом случае требуетотдельного анализа. Например, в верхней части рис. 3 приведена типичная вольтамперная характеристика(ВАХ) туннельного диода. Видно, что условие линейности выполняется для него лишь при токах I < 1 мАили напряжении U < 0.01 В (при токе I ' 5 мА ВАХ значительно нелинейна).

Другой пример приведенв нижней части рис. 3: квантование проводимости между двумя позолоченными контактами в вакуумепри комнатной температуре. Проводимость скачком меняется на величину e2 /h̄ (e — заряд электрона, h̄— потоянная Планка) при изменении напряжения на контакте на величину ' 20 мкВ.2.3Сосредоточенные линейные элементыПусть условия квазистационарности и линейности выполнены и можно пользоваться моделями сосредоточенных элементов. В этом разделе мы напомним их свойства.2 ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ.8I10 mAreplacementsU0.1 В1/RreplacementsUI10 mA0.1 В2N 2eh̄B>0U50 мкм20 мкВРис.

3: Вверху: вольтамперная характеристика туннельного диода. Внизу: Квантовые скачки проводимости между двумя позолоченными контактами в вакууме при комнатной температуре (N — целое).Для сопротивления R имеем:UR = IR R, [R] = Ом;G = 1/R, [G] = СименсWR=ZtI2R R dt0PR= J2R R ==Zt0U2Rdt =RU2R= U R IR .RZtIR UR dt,0Здесь IR — ток, текущий через через сопротивление, UR — напряжение на нем, G — проводимость, WR иPR — тепловая энергия и тепловая мощность, выделяющиеся на сопротивлении.Для емкости C имеем:QC = UC C, [C] = ф (фарада),qCC= C dUIC = ddtdtUCWCZtIC (t)dτ + UC (0),C0CU2C (t) CU2C (0)= WC (t) − WC (0) =−22=2 ЛИНЕЙНЫЕ СИСТЕМЫ.9Здесь QC , IC и UC — соответственно заряд, ток и напряжение на емкости, WC — изменение энергииемкости.Для индуктивности L имеем:ΦL = LIL , [L] = Гн (Генри),ILWLZtUL (t)dτ + IL (0),L0LI2 (t) LI2L (0)= WL (t) − WL (0) = L−22=Здесь ΦL , IL и UL — соответственно магнитный поток, ток и напряжение на индуктивности, WL — изменение энергии индуктивности.2.4Источник сигналаВ радиофизике пользуются понятиями генератор напряжения и генератор тока.

Из общей физики мызнаем, что любой источник может быть представлен либо как генератор напряжения, либо как генератор тока. На рисунке 4 слева представлен генератор напряжения (обведен пунктиром) нагруженный насопротивление RH . Для этой схемы имеем:U = I(Ri + RH ),ЕслиRH,Ri + R H⇒ Ri RHU RH = UU RH U RiИз последней строчки ясно, что понятием генератора напряжения удобно пользоваться при R i RH . Изэтих формул следует, что элемент, изображенный кружком, задает напряжение U на себе и не обладаетсопротивлением.На рисунке 4 справа представлен генератор тока (обведен пунктиром), нагруженный на сопротивлениеRH . Для этой схемы имеем:U RHЕсли=1RiI+1RH,I RH =IRi,RH + R iI RH I Ri ⇒ R i R HИз последней строчки ясно, что понятием генератора тока удобно пользоваться при R i RH .