Техніка і електроніка СВЧІснують локаційні пристрої, які повинні працювати на ?~мм, ?~100ГГц. Оскільки ? ~1м мають малу роздільну здатність, а оптичний діапазон швидко поглинаються постає необхідність вивчення НВЧ діапазону.
Радіо діапазон
НВЧ
Оптичний діапазон
109Гц, 30см
1013Гц, 30мкм
f, ?


Перші НВЧ прилади виникли під час 2-ї світової війни при створенні РЛС. Застосування НВЧ електроніки:
Малопотужна електроніка: НВЧ телебачення – супутникове, мобільні телефони, комп’ютери.
Потужна електроніка: НВЧ - піч, РЛ – електроніка.
Фізичні причини виділення діапазону НВЧ
D – розмір об’єкта. При EMBED Equation.3 - закон Кірхгофа, Ома, EMBED Equation.3- використовуються закони променевої оптики, EMBED Equation.3 - НВЧ діапазон, диференційна інтерференція. Отже в НВЧ не можемо користуватись законами Кірхгофа і геометричної оптики. Закони Кірхгофа мають місце до якихось частот та швидкості розповсюдження інформації – швидкості світла.
R
+
-
l
Розглянемо малюнок. Даний ланцюг можна розрахувати за допомогою закону Ома, поки генератор – постійного струму. Розглянемо змінну напругу: електрон почне рух тоді, коли сигнал про потенціал дійде до нього: EMBED Equation.3 . Якщо частота генератора така, що EMBED Equation.3 , то в той час, як електрон рухається в одну сторону, генератор вже сформував зворотній потенціал, тобто існують струми в різних напрямках. Отже не можна використовувати звичайні закони.
Описаний ефект – ефект запізнення.
EMBED Equation.3 на частоті EMBED Equation.3 при таких EMBED Equation.3 працюють РЛС. На частоті 10ГГц при EMBED Equation.3 ніяких законів Кірхгофа, Ома вже застосовувати не можна.
Виникнення випромінювання. При змінному струмі можливе випромінювання, на його характеристики впливає відстань між дротами по відношенню до EMBED Equation.3 . 50Гц: ~100км. Тому зі збільшенням частоти основна енергія знаходиться поза провідником у вигляді поля.
При високій частоті – густина струму розподілена нерівномірно, електрони рухаються в скін шарі товщиною ~1мкм. Тому опір потрібно рахувати іншими законами.
Найбільш розвинутий оптичний діапазон НВЧ.
Рівняння Максвела 2-ого порядку описують всі електромагнітні явища:
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
де EMBED Equation.3 - густина струму, EMBED Equation.3 - напруженість ЕП, EMBED Equation.3 - напруженість МП, EMBED Equation.3 - індукція МП, EMBED Equation.3 - індукція ЕП, EMBED Equation.3 - густина заряду, EMBED Equation.3 - поверхневий струм.
Поки що монополь Дірака не виявлено.
Знаки розставлено відповідно до положення векторів EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 та напрямку розповсюдження хвилі EMBED Equation.3 - утворюють праву трійку. Це – не всі рівняння Максвела, у такій формі їх іноді називають рівняннями Герца.
Рівняння записано в СГСЕ. В системі СІ не буде EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 - це зручно, але в СІ опір вільного простору скінчений, що немає фізичного змісту.
Ці диференційні рівняння в частинних похідних другого порядку неоднорідні. Хоча з точки зору математики рівняння Максвела лінійні. Але лінійні рівняння ніколи не описують підсилення, генерації і т.д. Електромагнітні процеси нелінійні. Нелінійність обумовлюється речовиною, яку описують рівняння: EMBED Equation.3 . Народження електрону - позитивної пари в вакуумі – нелінійний процес. Крім цього можна генерувати гармоніки, 1 з 1050 фотонів зливаються і дають новий фотон.
EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 (А/см2), поверхневий струм - EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 (А/см).
Матеріальне рівняння – рівняння неперервності. EMBED Equation.3 . Ніякого струму не може бути якщо заряд не виноситься.
EMBED Equation.3 - що виноситься
EMBED Equation.3 - що залишається в середині.
EMBED Equation.3 - це рівняння в частинних похідних, тому дуже важливі граничні та початкові умови. Всі фізичні поля неперервні з точки зору фізики.
Граничні умови: EMBED Equation.3 , EMBED Equation.3 .
Магнітне поле всередині металу(має уявні розриви): EMBED Equation.3 .
Не буває нульової товщини тому всередині металу буде плавний перехід, тому що поля неперервні.
В векторному вигляді:
(2)
(1)
EMBED Equation.3
EMBED Equation.3
Якщо змінимо граничні умови, то все повністю змінюється. EMBED Equation.3 - права трійка. Тому знак “-“ в EMBED Equation.3 .
У рівняннях в комплексній формі цього немає. Мінус там може бути в 1-му і 2-му рівнянні в системі (*).
Граничні умови в металі: EMBED Equation.3 .
Гранична умова в ідеальному металі: EMBED Equation.3 (для нетензорного середовища). EMBED Equation.3 - для EMBED Equation.3 металу.
Якщо присутнє EMBED Equation.3 , то за рахунок сили Лоренца виникає струм. Для напівпровідника:
У застосуванні граничних умов головне те, що ми не розв’язуємо рівняння в середині матеріалу, а розв’язуємо рівняння лише на поверхні.