Физические основы микроволновой электроники

1.

СПбГЭТУ «ЛЭТИ»
Кафедра радиотехнической электроники
«Микроволновая
Электроника»
доцент
Иванов Вячеслав Александрович
[email protected]
Слайд № 1 Л2
Микроволновая электроника Л2

2.

План лекции №2
Часть 1. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ МИКРОВОЛНОВОЙ
ЭЛЕКТРОНИКИ
Взаимодействие потоков заряженных частиц с переменным
электромагнитным полем
1.1.
Макроскопические уравнения микроволновой
электроники
1.2.
Уравнения движения в вакууме и твердом теле.
1.3. Мощность взаимодействия:
классический подход,
квантовый подход: Индивидуальное и коллективное
излучение заряженных частиц
1.4. Законы сохранения числа частиц, импульса и энергии.
Слайд № 2 Л1
Микроволновая электроника Л2

3.

1.1. Макроскопические уравнения микроволновой
электроники
D
H
J;
t
B
E ;
t
B 0.
D ;
D E
B H
Слайд № 3 Л1
(1)
(2)
(3)
Уравнения
Максвелла
(4)
(5)
(6)
Микроволновая электроника Л2

4.

1.2 Уравнения движения в вакууме и твердом теле.
dp
q E v B , - вакуум (уравнение Ньютона)
dt
(Для одиночного заряда или ансамбля зарядов с одинаковой скоростью v)
f
f
v r f F p f , t
t c
твердое тело (вакуум)
кинетическое уравнение
Больцмана (Власова))
(Для ансамбля зарядов с распределением по скоростям импульсам f (r, p, t )
P
f (r, p, t )dP n(r, t ).
J (r, t )
Слайд № 4 Л1
q
p f (r, p, t )dP.
P
m
3/2
m
f ( v) n
e
2 kTe
mv2
kTe
,
Распределение Максвелла
Микроволновая электроника Л2

5.

При субатомных размерах…
i
2 U (r, t ) 0,
t 2m
2
- уравнение
Шредингера
U (r, t ) -- внешняя по отношению к частице потенциальная
энергия поля в точке r.
Слайд № 5 Л1
Микроволновая электроника Л2

6.

Вычислив дивергенцию левой и правой части уравнения (1) и
подставив в результат уравнение (3), получим уравнение
непрерывности
J 0,
t
(
7)
H J d J J tot ,
Закон полного тока
Слайд № 6 Л1
J tot 0.
Микроволновая электроника Л2

7.

:
Мощность взаимодействия
(классический гидродинамический подход):
dA Fdl q E v B vdt qE vdt.
Магнитное поле не производит работы
P dA / dt qE v
pвз J E.
P V E v.
Pэл
JEdV
V
dv
m
v qE v q( v B) v.
dt
Слайд № 7 Л1
d
Wk Wp 0,
dt
Микроволновая электроника Л2

8.

Формальное введение понятия «наведенный ток»
d
u (t )
1
Pэл (t ) Aj (x, t )
dx Aj ( x, t )dx
d
d 0
0
d
u (t )
d
1
iнав (t ) Aj ( x, t )dx
d0
Pэл (t ) iнав (t ) * u (t )
Слайд № 8 Л1
Микроволновая электроника Л2

9.

Самосогласованная задача
«Электронная нагрузка»
P J ( , v( E )) E ( )dV
V
Пространство взаимодействия
(Электродинамическая система )
Слайд № 9 Л2
Микроволновая электроника Л2

10.

Квантовый подход.
1.3 Индивидуальное и коллективное излучение
заряженных частиц
Тормозное излучение – излучение ЗЧ, движущейся с замедлением в
электрическом поле (излучение квантов – фотонов)
P 2q 2a2 3c 3 0 ,
a -замедление Спектр тормозного излучения непрерывен и ограничен
максимально возможной энергией фотонов тормозного излучения, равной
начальной энергии электрона.
Слайд № 10 Л1
Микроволновая электроника Л2

11.

Переходное излучение - короткий импульс, возникающий в
момент удара электрона о металлическую поверхность
("схлопывания" диполя, образованного ЗЧ и наведенным).
32e 2v2
P
(t0 ),
3
3 0c
электромагнитное
излучение,
наблюдающееся
при
пересечении заряженной частицей границы раздела двух сред
с отличающимися показателями преломления.
Слайд № 11 Л1
Микроволновая электроника Л2

12.

Излучение Вавилова-Черенкова - возникает и при
равномерном движении ЗЧ со скоростью, превышающей
t2
скорость света в данной среде: W V dV t jz Ez dt
1
q2 u2
W
1 2 .
2
4 c v
при v / u 1
cos
e
u
.
k 2 k z2 v
Смита-Парсела
или варотронное
Черенковское излучение используется в приборах тапа лампы
бегущей волны, а излучение Смита-Парсела — в лампах обратной
волны
Слайд № 12 Л1
Микроволновая электроника Л2

13.

Осцилляторное излучение
( )
0
,
1 (vz / u)cos
(эффект Доплера)
Его можно рассматривать как разновидность тормозного излучения,
поскольку частица при периодическом движении испытывает ускорения
Слайд № 13 Л1
Микроволновая электроника Л2

14.

Эффект Доплера
ВЛ Братман Общий принцип генерации
Соровский образовательный журнал
№9 1999
Слайд № 14 Л2
Микроволновая электроника Л2

15.

ВЛ Братман Общий принцип генерации
Соровский образовательный журнал
№9 1999
Слайд № 15 Л2
Микроволновая электроника Л2

16.

Коллективное излучение
ансамбль частиц, имеющих два энергетических уровня — верхний
и нижний. При переходе с верхнего уровня на нижний частица
излучает квант излучения, при обратном переходе — поглощает
его. Обозначим время жизни частицы на верхнем уровне 1 .
По мере увеличения концентрации частиц между излучателями
сверхизлучением Дике.
возникает самопроизвольная корреляция за счет обмена квантами.
Если время установления корреляции c 1 , ансамбль может
перейти на нижний уровень за время c N 1 . В результате
мощность излучения
Индуцированное излучение характеризуется тем, что
под действием внешнего излучения осцилляторы
излучают в одинаковых фазах (происходит фазировка
осцилляторов)
Слайд № 16 Л1
Микроволновая электроника Л2

17.

Различные типы приборов отличаются типами
индивидуального излучения частиц и используемыми
механизмами фазировки и группировки
Слайд № 17 Л1
Микроволновая электроника Л2

18.

Hard work, big results
"Think big, act big, believe big and the results will be
big".
Слайд № 18 Л1
Микроволновая электроника Л1