Розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі

Основні параметри біполярного транзистора

Біполярний транзистор - напівпровідниковий елемент електронних схем, із трьома електродами, один з яких служить для керування струмом між двома іншими. Термін «біполярний» підкреслює той факт, що принцип роботи приладу полягає у взаємодії з електричним полем частинок, що мають як позитивний, так і негативний електричний заряд.

Виводи біполярного транзистора називаються емітером, базою і колектором. В залежності від типу носіїв заряду, які використовуються в транзисторі, біполярні транзистори поділяються на транзистори NPN та PNP типу. В транзисторі NPN типу емітер і колектор легуються донорами, а база - акцепторами. В транзисторі PNP типу - навпаки.

Будова:

Колектором служить напівпровідник n-типу, легований донорами до невисокої концентрації 10¹³-10¹⁵ см^-3. Перед створенням бази напівпровідник покривають фоторезистом і за допомогою літографії звільняють вікно для легування акцепторами. Атоми акцептора дифундують в глибину напівпровідника, створюючи область із доволі високою концентрацією - 10¹⁷-10¹⁸ см^-3. На третьому етапі знову створюється вікно для легування донорами й утворюють емітер із ще вищою концентрацією домішок, необхідною для того, щоб спочатку компенсувати акцептори, а потім створити напівпровідник n-типу. Відношення домішок у емітері й у базі повинно бути якомога більшим для забезпечення гарних характеристик транзистора.

Ще кращих характеристик можна досягти, якщо перехід між базою й емітером зробити гетеропереходом, у якому емітер має набагато більшу ширину забороненої зони, хоча це і збільшує собівартість транзистора. В такому випадку на поверхню бази через вікно напилюється інша речовина.

Принцип дії:

Дія біполярного транзистора базується на використанні двох p-n переходів між базою та емітером і базою та колектором. В області p-n переходів виникають шари просторового заряду, між якими лежить тонка нейтральна база. Якщо між базою й емітером створити напругу в прямому напрямку, то носії заряду інжектуються в базу й дифундують до колектора. Оскільки вони є неосновними носіями в базі, то легко проникають через p-n перехід між базою й колектором. База виготовляється достатньо тонкою, щоб носії заряду не встигли прорекомбінувати, створивши значний струм бази. Якщо між базою й емітером прикласти запірну напругу, то струм через ділянку колектор-емітер не протікатиме.

 

Режими роботи транзистора:

В залежності від того, в яких станах знаходяться переходи транзистора, розрізняють режими його роботи. Оскільки в транзисторі є 2 переходи (емітерний та колекторний), і кожен із них може знаходитись в двох станах (відкритому та закритому), розрізняють чотири режими роботи транзистора. Основним є активний режим, при якому емітерний перехід знаходиться у відкритому стані, а колекторний - в закритому. Транзистори, які працюють в активному режимі, використовуються в схемах підсилення. Окрім активного виділяють інверсний режим, при якому емітерний перехід закритий, а колекторний - відкритий, режим насичення, при якому обидва переходи відкриті, та режим відсічки, при якому переходи закриті.

Активний режим

Активному режиму роботи транзистора відповідає відкритий стан емітерного переходу і закритий колекторний перехід. В цьому режимі переходи транзистора мають різну ширину: закритий колекторний перехід значно ширший ніж відкритий емітерний перехід. Окрім наскрізного потоку електронів, в структурі в активному режимі протікає інший потік, а саме, зустрічний потік дірок, що рухаються із бази в емітер. Два зустрічних потоки (дірок та електронів) відображають ефект рекомбінації в базі. Електронний потік створюється електронами, які рухаються із емітера, однак не доходять до колекторного переходу (як електрони, що створюють наскрізний потік), а рекомбінують із дірками в базі. Дірковий потік створюється дірками, що надходять із зовнішнього кола в базу для компенсації втрати дірок внаслідок рекомбінації з електронами. Вказані потоки створюють в зовнішніх колах емітера і бази додаткові складові струмів. На рисунку також показані потоки неосновних носіїв заряду, що створюють власний тепловий струм колекторного переходу (потік електронів, що рухаються із бази в колектор, та потік дірок з колектора в базу).

Наскрізний потік є єдиним корисним потоком носіїв в транзисторі, оскільки визначає можливість підсилення електричних сигналів. Всі інші потоки не беруть участі в підсиленні сигналу, і тому є побічними. Для того щоб транзистор мав високий коефіцієнт підсилення, необхідно щоб побічні потоки були якомога слабші в порівнянні з корисним наскрізним потоком.

Інверсний режим

Інверсний режим (інверсний активний режим) роботи біполярного транзистора аналогічний активному режиму з відмінністю лише в тому, що в цьому режимі у відкритому стані знаходиться колекторний перехід, а в закритому - емітерний.

Режим насичення

В режимі насичення обидва переходи транзистора знаходяться у відкритому стані. В цьому режимі електрони і з емітера, і з колектора рухаються в базу, внаслідок чого в структурі протікають два зустрічних наскрізних потоки електронів (нормальний та інверсний). Від співвідношення цих потоків залежить напрям струмів, що протікають в колах емітера та колектора. Внаслідок подвійного насичення бази, в ній накопичуються надлишкові електрони, внаслідок чого посилюється їх рекомбінація з дірками і рекомбінований струм бази є набагато вищим, ніж в активному чи інверсному режимах. У зв'язку із насиченням бази транзистора і його переходів, надлишковими носіями зарядів, опір останніх стає дуже маленьким. Тому електричні кола, що містять транзистор в режимі насичення можна вважати короткозамкненими.

Режим відсічки

В режимі відсічки обидва переходи транзистора знаходяться у закритому стані. Наскрізні потоки електронів в цьому режимі відсутні. Через переходи транзистора протікають потоки неосновних носіїв заряду, що створюють малі некеровані теплові струми переходів. База і переходи транзистора в режимі відсічки збіднені рухомими носіями заряду, внаслідок чого їх опір є дуже високим. Тому вважають, що транзистор в режимі відсічки розриває електричне коло. Режим насичення та відсічки використовуються при роботі транзистора в імпульсних схемах.

. Схема радіозв`язку та її основні елементи, розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі

біполярний радіозв`язок транзистор електромагнітний

Радіозв'язок - вид зв'язку, що здійснюється з використанням радіохвиль, тобто це обмін інформацією між двома і більше абонентами за допомогою електричних сигналів, які переносяться електромагнітними коливаннями.

В основі радіозв'язку, як відомо, лежить формування у радіопередавачі високочастотних коливань, один із параметрів яких модулюється переданим (інформаційним) сигналом, поширення цих коливань (радіохвиль) у просторі й зворотне перетворення (детектування) у приймачі електромагнітних коливань у низькочастотну напругу, що відповідає переданому повідомленню.

У залежності від форми повідомлень, розрізняють телефонний, телеграфний або телевізійний радіозв'язок.

Нагадаємо стисло шлях проходження сигналів, наприклад, у системі телефонного радіозв'язку.

Мікрофон (електроакустичний перетворювач) перетворює звукові коливання в електричні коливання низької (звукової) частоти. Посилені коливання низької частоти впливають у модуляторі на один із параметрів (амплітуду, частоту або фазу) високочастотних коливань генератора високої частоти. Потім промодульовані високочастотні коливання посилюються, через фідерну лінію (коаксіальний кабель, хвилевід) подаються в антену і випромінюються в простір.

Конструкція і спеціальні форми антени, що передає, дозволяють направити радіохвилі у бік радіоприймального пристрою.

У радіоприймальному пристрої електромагнітні коливання приймаються приймальною антеною і посилюються підсилювачем радіочастоти, що настроюється на частоту випромінюваних електромагнітних коливань. Потім цей радіосигнал детектується, тобто перетворюється в низькочастотну напругу, що відповідає переданому повідомленню. Отримана після детектування напруга низької (звукової) частоти посилюється і подається на динамік (або навушники), що перетворює його в звукові коливання.

Це приклад одностороннього радіозв'язку, тобто в одній точці абонент здійснює тільки передачу повідомлення, а в інший (або в інших, якщо їх декілька) - тільки прийом інформації. При двосторонньому радіозв'язку в кожній точці абонент повинен мати радіостанцію (передавач і приймач), тобто для здійснення двостороннього зв'язку потрібний подвійний комплект апаратури.

Двосторонній зв'язок, коли кожний абонент веде передачу або прийом тільки по черзі, називається симплексним. При цьому виді зв'язку передавач на час прийому інформації виключається. Кожна радіостанція працює на загальну антену, що переключається при передачі і прийомі відповідно на вхід передавача або приймача. Симплексний зв'язок застосовується при невеликих потоках інформації. Цей вид зв'язку застосовується в пожежній охороні.

При значних потоках інформації застосовують дуплексний радіозв'язок, при якому прийом і передача інформації ведуться одночасно. У цьому випадку кожний радіопередавач і радіоприймач мають свої антени і працюють на різних частотах. На вході радіоприймача, як правило, установлюють спеціальні фільтри, що не пропускають коливання радіочастоти власного передавача.

Дуплексний радіозв'язок характеризується великою оперативністю і високою пропускною спроможністю.

У цілому радіозв'язок перед дротяним зв`язком має ряд переваг:

· швидке розгортання практично на будь-якій місцевості й у будь-яких умовах;

· можливість передачі різноманітних повідомлень практично будь-якій кількості абонентів;

· можливість зв'язку з рухливими об'єктами;

· висока оперативність і живучість.

Розповсюдження електромагнітних хвиль у вільному просторі

Передача сигналів у системах радіозв'язку здійснюється за допомогою електромагнітних хвиль, що, як відзначалося вище, випромінюються спеціальною направляючою системою - антеною.

Відомо, що зміна в часі і просторі електромагнітного поля описується рівняннями Максвелла.

У цих рівняннях змінними є електричне поле Е та магнітне поле Н. Ці поля взаємозалежні, а параметри Е та Н, що характеризуються не тільки абсолютною величиною, але і напрямком у просторі, є векторами.

Фізичний зміст першого рівняння Максвелла: якщо в деякій точці простору змінюється в часі електричне поле Е, тобто змінюється за величиною довжина вектора Е, то в тій же точці у площині, перпендикулярній вектору Е, виникає вихрове магнітне поле Н.

Іншими словами, магнітне поле створюється або електричними зарядами, що рухаються, або змінним електричним полем, або їхньою спільною дією.

Фізичний зміст другого рівняння полягає в тому, що джерелом електричного поля є не тільки електричні заряди, але і змінне у часі магнітне поле.

Знак «мінус» у рівнянні показує, що магнітний потік крізь поверхню, обмежену замкнутим контуром, перешкоджає зміні магнітного потоку, викликаного появою індукційного струму. Це випливає з правил Ленца.

Напруженість електричного поля Е вимірюється у вольтах на метр (В/м), а напруженість магнітного поля Н - в амперах на метр (А/м).

Оскільки зміна електричного поля викликає таку ж зміну магнітного поля і навпаки, то при синусоїдальному сигналі поля Е та Н також будуть змінюватися за синусоїдальним законом, але у взаємно перпендикулярних площинах.

Максимальна потужність, що випромінюється антеною, може бути досягнута за умови рівності частоти генератора високої частоти і частоти власних коливань антени (відкритого контуру).

Інтервал між двома максимумами або мінімумами поля Е або Н залежить від частоти коливання f. Тому електромагнітні хвилі характеризуються частотою коливань f або довжиною хвилі l. Електромагнітні хвилі поширюються в просторі зі швидкістю світла с=3×10⁸ м/с.

Довжиною хвилі l називається відстань, що проходить електромагнітне поле за один період коливань струму в антені. Довжина хвилі визначається за формулою:

 

l=с/¦,

 

де с - швидкість поширення електромагнітних хвиль (швидкість світла);

f - частота коливань струму в антені.

Як очевидно з формули (3.5), довжина хвилі і частота коливань обернено пропорційні величини, тобто чим більше частота, тим менше довжина хвилі і навпаки. Частота коливань виражається в герцах (Гц), кіло - (кГц), мега - (МГц) та гигагерцах (ГГц).

При поширенні радіохвиль від передавача до приймача необхідно враховувати наявність земної або водяної поверхонь, а також наявність іоносфери, що змінює свої параметри під дією сонячних і космічних променів. Радіохвилі заломлюються і поглинаються в іоносфері тим більше, чим вище ступінь її іонізації і чим більше довжина хвилі.

Зміна параметрів іоносфери впливає, по-перше, на добові і сезонні зміни умов поширення радіохвиль і, по-друге, на умови поширення радіохвиль різних діапазонів.

Радіохвилі можуть поширюватися двома шляхами:

· безпосередньо над земною (водяною) поверхнею (земні або просторові хвилі);

· відбиваючись від іоносфери (відбиті або просторові хвилі).

Фактично ж радіохвилі не відбиваються від іоносфери, а заломлюються в ній. Це явище одержало назву рефракції.

Понаддовгі (ПДХ) і довгі (ДХ) хвилі поширюються як земною (поверхневою), так і просторовою (відбитою) хвилею. У діапазонах ПДХ і ДХ хвилі мають велику довжину, вони добре огинають земну поверхню і перешкоди до неї.

У залежності від потужності і довжини хвилі (частоти) передавача, поверхнева хвиля, починаючи з деяких відстаней, поглинається і далі поширюється тільки просторова хвиля. Для забезпечення радіозв'язку на великі відстані необхідно використовувати потужні радіопередавачі і громіздкі антени, у яких розміри повинні бути відповідними до довжини хвилі.

Понаддовгі і довгі хвилі характеризуються незначною залежністю від стана іоносфери, часу доби і року. Проте вночі і взимку ПДХ і ДХ поширюються краще, ніж вдень і влітку.

Основними джерелами перешкод у цих діапазонах є грозові розряди і промислові перешкоди.

Середні хвилі (СХ) сильніше, ніж довгі і понаддовгі, поглинаються земною поверхнею та іоносферою. Відбита хвиля вдень і, особливо, влітку поглинається щільними шарами атмосфери, що лежать високо над поверхнею землі, тому радіозв'язок на середніх хвилях у цей час забезпечується поверхневою хвилею. Чим менше довжина хвилі, тим менше дальність радіозв'язку. Вона значно менше, ніж на ДХ і ПДХ, причому над водною поверхнею, де провідність поверхні більше, вона більше, ніж над земною.

Вночі і взимку радіозв'язок можна проводити також із використанням просторової хвилі.

У діапазоні середніх хвиль спостерігаються ненавмисні перешкоди, викликані великою кількістю працюючих у цьому діапазоні радіостанцій. Крім цього, в діапазоні СХ на якість роботи радіоліній впливають промислові й атмосферні перешкоди.

У діапазоні коротких хвиль (КХ) радіозв'язок забезпечується, в основному, просторовою хвилею (за рахунок рефракції в іоносфері).

Поверхневі хвилі в цьому діапазоні гірше огинають перешкоди і великою мірою поглинаються земною поверхнею. Дальність поширення поверхневих коротких хвиль не перевищує ста кілометрів (зона дії поверхневих хвиль). Ширина зони мовчання, що залежить від довжини хвилі і потужності передавача, часу року і доби, може досягати декількох сотен кілометрів. Далі знаходиться зона дії просторових хвиль.

Підвищення ефективності використання просторових хвиль досягається за рахунок того, що робоча частота повинна бути, по-перше, менше деякої граничної частоти відбитка від іоносфери і, по-друге, дещо вище граничної частоти поглинання в іоносфері.

У діапазоні КХ, у залежності від часу доби і року, а також циклів сонячної активності, існують оптимальні значення довжин хвиль. Так, удень це хвиля довжиною 10…25 м, а вночі - 30…70 м. Взимку звичайно використовуються хвилі дещо більш довгі, ніж влітку.

Короткі хвилі дозволяють забезпечити радіозв'язок на значні відстані навіть при невеликій потужності передавачів. Багаторазово відбиваючись від іоносфери і земної поверхні, короткі хвилі можуть обігнути земну кулю.

У діапазоні КХ працює велика кількість радіостанцій, у тому числі і для забезпечення радіозв'язку в пожежній охороні. Основним видом перешкод у цьому діапазоні є ненавмисні, що створюються великою кількістю передавачів, що одночасно працюють у короткохвильовому діапазоні.

Ультракороткі хвилі (УКХ) практично не відбиваються від іоносфери, а надійний зв'язок у цьому діапазоні можливий лише на відстані прямої видимості.

Дальність радіозв'язку істотно залежить від висоти антен:

 

,

 

де D - максимальна відстань між антенами, км;₁, h₂ - висота антени передавача та приймача відповідно, м.

З урахуванням нормальної рефракції ця відстань дещо зростає і визначається за формулою:

 

При висоті антен h₁ = h₂ = 12 м максимальна дальність радіозв'язку дорівнює D = 32 км.

Ультракороткі хвилі сильно поглинаються земною поверхнею і місцевими предметами, оскільки практично не огинають перешкод.

Поширення хвиль в УКХ діапазоні слабко залежить від часу року і доби. Основними перешкодами тут є власні шуми радіоприймального пристрою.

В УКХ діапазоні достатньо нескладно здійснити направлене випромінювання електромагнітної енергії, а це дає можливість вести радіозв'язок за допомогою малопотужних радіопередавачів. У пожежній охороні широко застосовуються радіостанції УКХ діапазонів.

Відкриття явища розсіювання УКХ від неоднорідностей тропосфери й іоносфери дозволило збільшити дальність передачі радіохвиль у десятки разів. Дальність зв'язку залежить від висоти, на якій відбувається розсіювання ультракоротких хвиль. У тропосфері розсіювання радіохвиль відбувається на висотах 10…12 км, і це дозволяє забезпечити зв'язок на відстані до 600… 900 км. Цей вид зв'язку називається тропосферним зв'язком. На неоднорідностях іоносфери радіохвилі розсіюються на висоті 80… 120 км, а дальність іоносферного радіозв'язку збільшується до 2000… 2200 км.

У дециметровому, сантиметровому і міліметровому діапазонах поширення радіохвиль здійснюється в межах прямої видимості і дальність радіозв'язку визначається за допомогою формул.

Застосовуються ці хвилі в радіолокації, у радіорелейному і супутниковому зв'язку, а також для інших спеціальних цілей.

 

 

Структурна схема радіозв`язку