Электронная поляризация

Области применения варикапов: усиление и генерация СВЧ сигналов (так называемые параметрические диоды); умножение частоты в широком диапазоне частот, включая СВЧ (умножительные диоды, работающие иногда и в области диффузионной емкости); электронная перестройка частоты колебательных контуров в диапазонах KB, УКВ, ДЦВ (собственно варикапы); в системах автоматики (варикапы с большими величинами номинальной емкости не менее 1000 пФ).

Основное применение варикапов — электронная перестройка частоты колебательных контуров. Существует несколько разновидностей варикапов. Так, параметрические диоды используются для усиления и генерации СВЧ-сигналов, а умножительные применяются в умножителях частоты с широким диапазоном частот.

При изменении постоянного управляющего напряжения происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т. е. будет осуществляться частотная модуляция.

В маломощных измерительных генераторах СВЧ используют также лампы обратной волны (ЛОВ), основанные на взаимодействии электронного потока и бегущей волны, распространяющейся от коллектора к электронному прожектору. Для этих ламп характерны наибольшая из всех приборов СВЧ широко-полосность (частота изменяется в 2 раза) и эффективная электронная перестройка частоты.

При изменении постоянного управляющего напряжения происходит электронная перестройка частоты. Если в качестве управляющего напряжения использовать низкочастотное колебание, то по закону изменения амплитуды этого колебания будет изменяться частота автогенератора, т. е. будет осуществляться частотная модуляция.

В качестве примера можно привести параметры кварцевого генератора 41-40 Прибор выдает сигналы с частотами 0,1, 1,5 МГц.Пределы перестройки частоты от номинального значения ±Ю~7 Средне-квадратическая относительная случайная вариация частоты после 24 ч непрерывной работы ±1 • Ю~9 за 1 ч, ±1 • 10~10 за 1 с. Температурный коэффициент частоты 5 • 10~10 на 1 С Генератор 41-40 применяется в качестве источника высокостабильных по частоте сигналов (меры частоты) в измерительных системах. Электронная перестройка частоты путем подачи постоянного напряжения, которая предусмотрена в данном генераторе, позволяет использовать его совместно с приемниками эталонных частот в системе воспроизведения эталонных частот с привязкой к Государственному эталону времени и частоты СССР. В генераторе предусмотрен режим синхронизации внешним сигналом 5 МГц. Это позволяет использовать генератор в качестве узкополосного фильтра, когда необходимо улучшить спектральные характеристики сигнала, сообенно при трансляции высокостабильных сигналов по кабельным линиям на большие расстояния.

Кварцевые стандарты частоты предназначены для воспроизведения, хранения и выдачи высокостабильных по частоте сигналов синусоидальной формы. По своему построению стандарты частоты аналогичны опорным кварцевым генераторам. Однако за счет конструктивных усовершенствований они имеют более стабильные выходные сигналы. Стандарт частоты 41-53 выдает сигналы с частотами 0,1; 1 и 5 МГц с суточной нестабильностью после месяца непрерывной работы ±5 ¦ Ю-10. Среднеквадратическая случайная вариация частоты сигнала после 24 ч непрерывной работы +2 • ДО-11 за I с. Температурный коэффициент частоты ±1 • 1О~10 на 1 °С. Первичным источником сигнала в приборе 41-53 является кварцевый генератор, работающий на частоте 5 МГц. 4астоты 1 МГц и 0,1 МГц получаются из основной частоты делением. Электронная перестройка частоты генератора обеспечивает дистанционное управление частотой выходного сигнала. При использовании внешнего детектора возможна синхронизация частоты стандарта частотой другого, более высокостабильного стандарта или

Одним из замечательных свойств ЛОВ является электронная перестройка частоты генерируемых колебаний в широких пределах. Как видно из 4.13, с увеличением ускоряющего напряжения частота генерируемых колебаний увеличивается. Частотная характеристика ЛОВ является нелинейной. Закон изменения частоты обусловлен дисперсией замедляющей системы, так как изменение U0 меняет скорость электронов и, следовательно, условия синхронизма. Ширина рабочего диапазона электронной перестройки частоты генератора на ЛОВ определяется допустимыми пределами изменения выходной мощности. Отношение максимальной частоты рабочего диапазона к минимальной называется коэффициентом перекрытия диапазона.

Практически электронная перестройка частоты используется только в маломощных магнетронах. В мощных приборах применяют механические методы перестройки, такие, как введение стержней в полости резонаторов (индуктивная настройка) или перемещение колец, расположенных параллельно торцевым поверхностям анодного блока (емкостная настройка). Механические методы позволяют получить диапазон настройки до 10—15%.

В настоящее время генераторы свч, основанные на эффекте Ганна, перекрывают диапазон частот от 100 МГц до 60 ГГц. Мощности генерации в непрерывном режиме составляют единицы — сотнн милливатт, кпд — единицы процентов. Перестройка возможна в пределах 10—20% механически или с применением варакторов. Электронная перестройка значительно более узкополосна.

Основные области применения варикапов: электронная перестройка частоты "колебательных контуров, уси-

Основные области применения варикапов: электронная перестройка частоты колебательных контуров; усиление и генерация СВЧ сигналов (параметрические диоды); умножение частоты.

Электронная поляризация - это смещение электронных орбит относительно положительно заряженного ядра ( 4.3, а; положение орбиты после поляризации показано пунктиром). Она происходит во всех атомах любого вещества и, следовательно, во всех диэлектриках, независимо от наличия в них других видов поляризации. Электронная поляризация устанавливается за очень

Ионная яоляршацйя-смещение друг относительно друга разноименно заряженных ионов в веществах с ионными связями. На 4.3,6 показана поляризация элементарной ячейки ионного кристалла типа Nad . Центры положительных и отрицательных зарядов q ионов ячейки, совпадающие до приложения электрического поля, под действием поля раздвигаются на некоторое расстояние х в результате смещения разноименно заряженных ионов в противоположных направлениях, вследствие чего элементарная ячейка приобретает индуцированный электрический момент pu=qx. Ионная поляризация устанавливается также за малое, но все же большее, чем электронная поляризация,, время - порядка 10"13-10"14 с.

Наиболее распространенным видом упругой поляризации является электронная поляризация, которая заключается в упругой деформации электронных оболочек. В результате атом приобретает дипольный момент, направленный согласно с напряженностью внешнего электрического поля и пропорциональный напряженности поля. Такой диполь называется упругим. Электронная поляризация существует у всех диэлектриков.

В газах, обладающих очень малой плотностью, электронная поляризация сравнительно слаба и ъг мало отличается от единицы.

направление напряженности поля. Кроме такого вида поляризации, которая называется ориентационной, в этих диэлектриках возникает также и электронная поляризация, вызываемая смещением зарядов.

Электронная поляризация. В электрическом поле в атомах или молекулах, из которых построен диэлектрик, деформируются (смещаются) электронные оболочки, главным образом внешние. Смещение электронов происходит на малые расстояния в пределах своих атомов я молекул. Такая поляризация происходит у всех диэлектриков независимо от их агрегатного состояния и существования в них других видов поляризации.

Диэлектрики, у которых имеет место только электронная поляризация, называются неполярными диэлектриками. В молекулах неполярных диэлектриков центры положительного и отрицательного зарядов совпадают, -поэтому такие молекулы неполярные. Напри-

Ионная упругая поляризация. Она происходит в кристаллических диэлектриках, построенных из положительных и отрицательных ионов, — в галоидно-щелочных кристаллах, слюдах, керамиках. В электрическом поле в таких диэлектриках происходит смещение электронных оболочек в каждом ионе — электронная поляризация. Кроме того, упруго смещаются друг относительно друга подрешетки из положительных и отрицательных ионов ( 5.12,6), т. е. происходит упругая ионная поляризация. Это смещение приводит к появлению дополнительного электрического момента /п„, увеличивающего поляризованность, а следовательно, и диэлектрическую проницаемость на еги. Таким образом, диэлектрическая проницаемость ионного кристалла равна ег — eroo -f еги, где еги зависит от физической природы ионов, сил их взаимодействия и строения кристаллической решетки.

это схематически показано на 5.12, в. Из полярных молекул состоят газообразные аммиак NH3, пары воды и спиртов. Полярными жидкими диэлектриками являются вода, хлорбензол СвН5С1, нитробензол CeH5NO2. В электрическом поле в таких молекулах смещаются электронные оболочки — совершается электронная поляризация. Кроме того, происходит дипольная поляризация: моменты >ID молекул несколько ориентируются по полю Е (см. 5.12, в). В результате такой поляризации увеличивается Р, а следовательно, и кг. Поворот молекулы как целого в электрическом поле наблюдается в полярных газообразных и жидких диэлектриках, вязкость которых невелика. В твердых полярных диэлектриках процесс дипольной поляризации состоит в деформации участков-звеньев, сегментов молекул или ориентации отдельных полярных групп молекул.

Самую низкую, диэлектрическую проницаемость имеет кварцевое стекло (ег = 3,7-г-3,8) и стеклообразный борный ангидрид (ег = = 3,1-^3,2) у которых наблюдается преимущественно электронная поляризация. При наличии в составе стекол оксидов металлов свинца и бария, обладающих высокой поляризуемостью, ег стекол увеличивается и становится высокой (около 20).

Электронная поляризация представляет собой упругое смещение и деформацию электронных оболочек атомов и ионов. Поляризуемость электрона характеризуется смещением электронных оболочек атома и равна <хэ = г3 см3, где г — радиус атома. Это смещение имеет порядок г3 = (ID'8 см)3 = Ю-'24 см3.