Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 36
Текст из файла (страница 36)
Но мощность колебаний пропорциональна квадрату напряженияпитания. Для диодов Ганна, работающих в доменных режимах, Рf2 =2—5·103 Вт·ГГц2, атеоретический предел — Pf2≈104 Вт·ГГц2. В режиме ОНОЗ Pf2≈105 Вт·ГГц2, что отражаетпреимущества этого режима работы для получения больших мощностей.Некоторые сведения о параметрах генераторов на диодах Ганна приведены в табл. 9.162Коэффициент полезного действия генераторов зависит от режима работы и составляетот единиц до 20%. В отдельных генераторах η≈30%. Мощность в непрерывном режимедостигает 0,62 Вт на частоте 12,8 ГГц при КПД 3—4%.
В импульсном режиме на частоте7,0 ГГц получена мощность 2,1 кВт при η=4%, на частоте 100 ГГц—около 100 мВт приη=5%.Генераторы на диодах Ганна перестраиваются по частоте изменением либо параметроврезонаторов, либо напряжения питания. Механическую перестройку можно производить вшироких пределах при условии плавного перехода из одного режима работы в другой.Кроме того, возможна перестройка с помощью варакторов, ферритов, железоиттриевогограната и магнитного поля. Электронная перестройка частоты изменением напряженияпитания в резонансных режимах работы мала и составляет 5—20 МГц/В. Эта перестройкасвязана с изменением емкости домена.Т а б л и ц а. 9Параметры генераторов на диодах ГаннаДиоды Ганна принципиально не являются малошумящими приборами, так какэффективная температура электронов в области домена значительно превышаеттемпературу кристаллической решетки («горячие» электроны).
Шум в диодах обусловлентакже случайным изменением момента зарождения домена, неоднородностью свойствдиода в поперечном сечении и флуктуацией скорости домена. Диоды, работающие врежиме ОНОЗ, имеют уровень шума меньше, чем в доменных режимах из-за отсутствияпроцесса формирования доменов сильного поля и меньшей эффективной температурыэлектронов. Амплитудный шум генераторов примерно на 30 дБ меньше частотного, апоследний близок к уровню шума клистронов. Для лучших генераторов частотный шумсоставляет: —110 дБ при смещении от основной частоты на 100 кГц; —130 дБ присмещении на 1 МГц; —160 дБ при смещении на 10 МГц.В настоящее время генераторы на диодах Ганна находят применение в качестве СВЧгетеродинов и генераторов в маломощных передатчиках в сантиметровом имиллиметровом диапазонах.163Часть втораяКВАНТОВЫЕ ПРИБОРЫ СВЧ И ОПТИЧЕСКОГО ДИАПАЗОНАГлава 12 ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ КВАНТОВЫХ ПРИБОРОВКвантовые приборы основаны на использовании взаимодействия электромагнитногоизлучения с веществом и явления вынужденного излучения.Частицы (электроны, ядра, атомы, молекулы), подчиняющиеся квантовым законам,принято называть микрочастицами.
Они могут совершать свободное или связанноедвижение. Свободное движение—это неограниченное в пространстве поступательноедвижение микрочастицы, например движение свободного электрона в вакууме илипоступательное движение свободного атома или молекулы в газе. В противоположностьэтому связанное движение—это ограниченное в пространстве движение микрочастицы,взаимодействующей с другими микрочастицами или находящейся во внешнемэлектрическом или магнитном поле.Как известно, энергия свободной частицы может принимать любые значения.Квантовая система, состоящая из связанных микрочастиц, характеризуется тем, что еевнутренняя энергия, т.
е. энергия, не связанная с движением системы как целого, можетпринимать только дискретные значения. Поэтому говорят, что внутренняя энергия такойсистемы квантована. Возможные дискретные значения энергии квантовых системназывают энергетическими уровнями.В случае газа, состоящего из свободных атомов, квантуется энергия электронов в атомеи возникает система энергетических уровней атома, или система электронных уровней, срасстоянием между уровнями 1—10 эВ. Если газ состоит из молекул, то следуетрассматривать поступательное движение молекул, колебания атомов в молекуле,вращение молекул и движение электронов в атоме. Энергия всех видов движения, кромепоступательного, квантуется.
Основой системы энергетических уровней такого газаявляется система электронных уровней, отстоящих друг от друга на 1—10 эВ. Междуэлектронными уровнями располагаются колебательные уровни с расстоянием порядка 0,1эВ, а между колебательными уровнями находятся вращательные уровни с интерваломпорядка 10-3 эВ и менее.В твердых телах существует коллективное движение частиц, образующихкристаллическую решетку. В результате этого появляются зоны разрешенных изапрещенных энергетических уровней.Кроме того, в кристаллах имеется индивидуальное движение примесных частиц. Этодвижение приводит к появлению в запрещенной зоне примесный уровней.В квантовых приборах используются переходы из одного энергетического состояния вдругое.
Излучение или поглощение электромагнитного излучения связано с этимипереходами. Переходы между электронными уровнями соответствуют излучению ввидимом и ультрафиолетовом диапазонах, между колебательными, уровнями—инфракрасному, а между вращательными—СВЧ-диапазону.164§ 12.1. Квантовые переходыСпонтанные переходы. Спонтанные переходы—самопроизвольные квантовыепереходы частицы из верхнего энергетического состояния в нижнее, с меньшимзначением энергии. Уровень, соответствующий наименьшей возможной энергии,называется основным, а остальные—возбужденными. Спонтанные переходысопровождаются электромагнитным излучением (испусканием квантов энергии).
Частотаизлучения определяется из постулата Бора, по которому квант энергии равен разностиэнергий уровней:∈1—∈2=hv21 ,(12.1)где ∈1, ∈2—энергия верхнего (j) и нижнего (i) уровней; h—постоянная Планка. Частота(12.2)называется частотой квантового перехода.Количество частиц в единице объема с одинаковой энергией, равной энергии данногоуровня, называется населенностью этого уровня.
Пусть номер верхнего уровня j=2, анижнего i=1 (рис. 12.2,а). Обозначим населенности этих уровней N2 и N1. При спонтанныхпереходах происходит уменьшение населенности верхнего уровня и увеличениенаселенности нижнего уровня.Уменьшение населенности уровня 2 в результате только спонтанных переходов завремя dt, очевидно, пропорционально населенности этого уровня N2 и времени dt:(12.3)где А21 — вероятность спонтанного перехода в 1 с. Решив уравнение (12.3), получимэкспоненциальный закон уменьшения населенности верхнего уровня во времени:(12.4)где N2(0)—исходное значение населенности в момент времени t=0.Насколько уменьшится населенность N2, настолько же возрастет населенность N1, таккак общее число частиц в объеме остается неизменным. Из (12.4) следует, что через времяt=1/A21 населенность N2 уменьшится в е=2,718 раза по сравнению с начальной величинойN2(0).
Величина(12.5)характеризует время жизни частицы в возбужденном состоянии 2 и называется временемжизни уровня энергии по спонтанным переходам. Очевидно, обратная ей величина A21Рис. 12.1определяет среднее число спонтанных переходов в единице объема в 1 с, или среднеечисло частиц, совершивших самопроизвольный переход из верхнего состояния в нижнее.Необходимо отметить, что вероятность А21 отнесена к 1 с, т. е. имеет размерность и может165быть любой по величине, в отличие от математической вероятности, меняющейся от 0до1.Число спонтанных переходов n21(с) за 1 с учетом (12.3) равно(12.6)При каждом спонтанном переходе частицы выделяется квант энергии (12.1), поэтому за1 с учетом (12.6) излучается энергия(12.7)Случайность спонтанных переходов означает, что различные частицы излучаютнеодновременно и независимо, т. е.
фазы электромагнитных волн, излучаемыхотдельными частицами, не согласованы друг с другом. Поэтому спонтанное излучениевещества некогерентно. Излучение обычных источников света есть результат спонтанныхпереходов.В системе нескольких энергетических уровней возможны спонтанные переходы сданного уровня на различные нижние уровни (рис.
12.1,б,в). Полная вероятность Aj,спонтанного перехода с уровня ∈j на все нижние уровни ∈i равна сумме вероятностей Ajiотдельных спонтанных переходов:(12.8)Aji – коэффициент Эйнштейна для спонтанного излучения.Уровни, для которых вероятность спонтанных переходов очень мала, называютметастабильными.Время жизни по спонтанным переходам для уровня j в многоуровневой системеопределяется аналогично (12.5) с учетом (12.8);(12.9)Вынужденные переходы. Вынужденный переход—это квантовый переход поддействием внешнего электромагнитного поля, частота которого совпадает или близка кчастоте перехода. При этом возможны переходы с верхнего уровня 2 на нижний 1 и снижнего на верхний.
В первом случае под действием внешнего электромагнитного поля счастотой v21 происходит вынужденное испускание кванта энергии hv21. Особенностьвынужденного испускания состоит в том, что появившийся квант энергии полностьюидентичен кванту энергии внешнего поля. Вынужденное излучение имеет такие жечастоту, фазу, направление распространения и поляризацию. Поэтому вынужденноеизлучение увеличивает энергию электромагнитного поля с частотой перехода v21. Этослужит предпосылкой для создания квантовых усилителей и генераторов.Следует отметить, что на вынужденный переход с излучением энергии незатрачивается энергия внешнего поля, которое является лишь своеобразнымстимулятором процесса. В противоположность этому для перевода частицы из нижнегоэнергетического состояния 1 в верхнее 2 необходимо затратить энергию внешнего, поля,равную разности энергии верхнего и нижнего уровней: ∈2—∈1=hv21.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
