20357

ДИОДНЫЕ СВЧ АВТОГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

Лекция

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

ДИОДНЫЕ СВЧ АВТОГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ 16. Физические основы работы генераторных СВЧ диодов 16. СВЧ диодные автогенераторы 16. СВЧ диодные генераторы с внешним возбуждением 16.

Русский

2013-07-25

98 KB

39 чел.

6

Лекция 16. ДИОДНЫЕ СВЧ АВТОГЕНЕРАТОРЫ И УСИЛИТЕЛИ

16.1. Физические основы работы генераторных СВЧ диодов

16.2. СВЧ диодные автогенераторы

16.3. СВЧ диодные генераторы с внешним возбуждением

16.4. Контрольные вопросы

16.1. Физические основы работы генераторных СВЧ диодов

Три типа генераторных СВЧ диодов. В СВЧ диапазоне генерация и усиление колебаний, помимо транзисторов, может осуществляться с помощью еще одной группы полупроводниковых приборов, объединяемых общим названием «генераторные диоды». К ним относятся: полупроводниковый прибор с междолинным переносом электронов, называемый диодом Ганна; лавинно-пролетный диод (ЛПД) и туннельный диод. В первых двух типах приборов вследствие высокой напряженности электрического поля кинетическая энергия электронов значительно превосходит их равновесную тепловую энергию. Сами электроны при этом называются «горячими», а генераторы, использующие ЛПД и диоды Ганна, - устройствами на «горячих» электронах. СВЧ автогенераторы с такими приборами работают в диапазоне частот 1…100 ГГц. Устройство двух типов диодных СВЧ автогенераторов показано на рис. 16.1.

Рис. 16.1. Устройство диодных СВЧ автогенераторов.

В состав автогенератора входят: резонатор волноводного типа 1, в основном определяющий частоту автоколебаний; генераторный диод; элементы перестройки частоты 2, согласования диода с резонатором и связи с нагрузкой.

Рассмотрим физические основы работы названных полупроводниковых приборов, приведенных к единой эквивалентной схеме.

Физические основы работы диода Ганна. В полупроводнике возможно существование нескольких зон проводимости, каждой из которых соответствует определенная энергия электронов. В простейшей модели полупроводниковой структуры из арсенида галлия n-типа таких зон, или долин, две: нижняя, которой соответствует подвижность электронов 1, и верхняя - с 2. При относительно невысокой напряженности электрического поля Е<Епор все электроны находятся в нижней долине, имея среднюю дрейфовую скорость Vдр=1E. В сильном электрическом поле при Е>Енас кинетическая энергия электронов возрастает и они переходят в верхнюю зону проводимости, приобретая скорость Vдр=1E, где 2 <1 из-за возросшей эффективной массы электронов. В промежуточной области значений напряженности электрического поля, определяемой неравенствами Епор<Е<Енас, часть электронов находится в нижней долине, другая часть - в верхней. При этом средняя подвижность электронов меняется от 1, до 2 и в зависимости Vдр=Ф(E) появляется падающий участок (рис. 16.2, а).

Рис. 16.2. ВАХ диода Ганна.

Поскольку ток i прямо пропорционален скорости Vдр, а напряжение и - напряженности поля Е, то в ВАХ диода Ганна на высокой частоте также появляется падающий участок, которому соответствует отрицательная активная проводимость g=di/du<0 (рис. 16.2, б).

Туннельный диод имеет ВАХ, близкую по форме к рис. 16.2, б, в которой также имеется падающий участок, хотя физический механизм его появления носит иной характер.

Физические основы работы лавинно-пролетного диода. Генерация колебаний с помощью ЛПД основывается на двух физических явлениях: лавинном умножении носителей заряда при высокой напряженности электрического поля, близкой к пробивному напряжению Uпр, и пролете этими носителями обедненного слоя диода под действием электрического поля.

Рассмотрим работу ЛПД на примере структуры типа p+-n-i-n+, где р означает дырочную проводимость, п - электронную, i - обедненный слой (рис. 16.3). Распределение напряженности электрического поля Е вдоль структуры показано на том же рисунке. Статическая характеристика p-n-перехода приведена на рис. 7.5. На ней показано напряжение пробоя Uпр, которому соответствует напряженность электрического поля Епр. (Значение Епр колеблется в пределах 300…600 кВ/см).

Рис. 16.3. ЛПД структуры типа p+-n-i-n+.

При Е=Епр на границе р+-n-перехода, где согласно рис. 16.3 напряженность электрического поля Е максимальна, начинается генерация электронно-дырочных пар. Генерируемые электроны инжектируются в пролетную область толщиной W с проводимостью i и под действием внешнего электрического поля двигаются со скоростью Vдр.

Пусть напряжение, приложенное к диоду:

.     (16.1)

При мгновенном значении и=Unp=U0+Um с некоторым запаздыванием по времени возникает кратковременный пробой, сопровождаемый коротким импульсом тока. В результате ток инжекции iин(t) представляет собой периодическую последовательность коротких импульсов, которые во внешней цепи наводят ток в форме периодически следующих прямоугольных импульсов i(t) длительностью пр=W/Vдр (рис. 16.4).

Рис. 16.4. Формы тока и напряжения генераторного диода.

Частота, при которой пр=, называется пролетной: пр=Vдр/W. При Vдр=107 см/с частота fпр [ГГц]=50/W [мкм]. Например, при W=5 мкм пролетная частота fпр=10 ГГц.

Рассмотрим, к какой эквивалентной схеме приводится генераторный диод при формах тока и напряжения, приведенных на рис. 16.4. Для тока диода на протяжении одного периода при пр = запишем:

(16.2)

Разложим в ряд Фурье функцию (16.2), ограничившись постоянной составляющей и 1-й гармоникой:

,    (16.3)

где

     (16.4)

            (16.5)

Сравнивая выражения для напряжения (16.1) и тока (16.3) генераторного диода, с учетом (16.5) получим для эквивалентной активной проводимости следующее уравнение:

.     (16.6)

Согласно (16.6) запаздывание сигнала в полупроводниковой структуре приводит к тому же результату, что и наличие падающего участка в ВАХ - к моделированию прибора в виде отрицательной активной проводимости.

16.2. СВЧ диодные автогенераторы

Благодаря представлению СВЧ генераторных диодов в виде единой для всех модели - отрицательной активной проводимости - разнообразные по конструкции СВЧ диодные АГ (рис. 16.1) также приводятся к общей эквивалентной схеме (рис. 16.5), которая включает четыре параллельно соединенные проводимости.

Рис. 16.5. Эквивалентная схема генераторных диодов.

Две из них относятся к комплексной проводимости, отображающей колебательную цепь автогенератора:

.  (12.7)

Две другие проводимости отображают комплексную, нелинейную проводимость генераторного диода:

.    (12.8)

Знак «минус» перед Gд(,U) указывает на отрицательный характер активной проводимости, благодаря чему и возможно возникновение автоколебаний, а зависимость от амплитуды напряжения U - на нелинейный характер этой проводимости.

Следующее уравнение отображает установившийся режим работы АГ:

,     (16.9)

которое распадается на два уравнения - для действительных и мнимых величин:

,    (16.10)

.     (16.11)

Смысл анализа стационарного режима сводится к определению значений амплитуды U и частоты автоколебаний, удовлетворяющих уравнениям (16.10) – (16.11) и условиям устойчивого режима работы.

Наиболее простой путь решения этих уравнений - графический. На комплексной плоскости проводимостей наносят графики функций Yц()=Gц()+jBц() и –Yд(,U)=G д(,U)+jB д(,U), точки пересечения которых и есть возможные решения системы уравнений (16.10), (16.11).

Пример такого графического решения приведен на рис. 12.6, на котором координаты точки А определяют амплитуду Uyст и частоту автоколебаний в установившемся режиме.

Рис. 16.6. Графическое решение уравнений (16.10 – (16.11).

Мощность сигнала автогенератора при существовании устойчивого режима:

. (16.12)

Следует отметить невысокую стабильность частоты диодных АГ и повышенный уровень создаваемых ими шумов, особенно в случае применения ЛПД. Для улучшения параметров диодных АГ по стабильности частоты применяют резонаторы с высокой добротностью и синхронизацию частоты автоколебаний.

16.3. СВЧ диодные генераторы с внешним возбуждением

Помимо режима генерации автоколебаний генераторные диоды могут использоваться и как усилители мощности СВЧ сигнала в диапазоне 10…100 ГГц, т.е. выше верхней частоты СВЧ транзисторов.

Возможны три основные схемы СВЧ диодных усилителей: проходного, отражательного и типа бегущей волны. Принцип работы усилителя отражательного типа основан на разделении падающей (входной сигнал) и отраженной (выходной сигнал) волн, распространяющихся в фидерной линии, присоединяемой к активному двухполюснику - генераторному диоду. Такое разделение волн осуществляется или с помощью ферритового однонаправленного устройства - циркулятора (рис. 16.7), или мостового квадратурного устройства.

Рис. 16.7. Ферритовый однонаправленный циркулятор.

Поскольку к диоду подключается СВЧ согласующая электрическая цепь, то их суммарная проводимость в месте подключения к фидерной линии запишется в виде:

, (16.13)

где Yц, Yд - комплексные проводимости цепи и диода; g=gцgд - суммарная активная проводимость двухполюсника; b=bц+bд - суммарная реактивная проводимость двухполюсника.

Работу диодного генератора можно оценить с помощью коэффициента отражения, измеренного на входе фидерной линии с волновым сопротивлением , к которой подключен двухполюсник проводимостью Y:

.    (16.14)

Коэффициент усиления устройства по мощности с учетом (16.14) равен:

.    (16.15)

Выражение (16.15) позволяет определить следующие режимы работы диодного генератора и отразить их на плоскости режимов (рис. 16.8):

1. При g>0 (или g>0) значение Г<1 и усиления не происходит (область 1).

2. При –1<gp<0 (при этом g<0) значение 1<Г< - режим устойчивого усиления сигнала по мощности (область 2).

3. При g= –1 (при этом g<0) и b=0 значение Г= - режим автоколебаний (область 3, точка А).

Рис. 16.8. Плоскости режимов работы диодного генератора.

Возникновение автоколебаний возможно и при выполнении более жесткого условия: g<–1 в сочетании с режимом синхронизации автоколебаний (область 4).

Коэффициент усиления по мощности КР одного диодного усилителя отражательного типа обычно не превышает 10…15 дБ. Поэтому при необходимости получения большего значения КР последовательно включают несколько каскадов согласно схеме, приведенной на рис. 16.9, а. Межкаскадная развязка усилителей осуществляется с помощью циркуляторов, что обеспечивает устойчивую работу всей сборки. Эскиз топологии такого трехкаскадного диодного усилителя на МПЛ приведен на рис. 16.9, б, где 1 - генераторный СВЧ диод, 2 - циркулятор, 3 - балластная нагрузка.

Рис. 16.9. Эскиз топологии трехкаскадного диодного усилителя на МПЛ.

Общий коэффициент усиления трехкаскадного СВЧ диодного усилителя запишется в виде:

,   (16.16)

где |Г1|, |Г2|, |Г3|1 и |Гн|1 - модули коэффициентов отражения генераторных диодов и нагрузки.

СВЧ диодные генераторы применяют в диапазоне частот, расположенном выше максимальной частоты транзисторных генераторов, т.е. при частоте выше 8…10 ГГц. КПД таких СВЧ генераторов не превышает 10%. Подобные генераторы имеют повышенный уровень шума, особенно при использовании лавинно-пролетных диодов.

16.4. Контрольные вопросы

1. Перечислите основные типы СВЧ генераторных диодов. В чем их отличие?

2. Как устроен СВЧ диодный автогенератор?

3. Какие режимы работы возможны в СВЧ диодном генераторе с внешним возбуждением? Как определяется в нем коэффициент усиления по мощности?

4. Как определяется коэффициент усиления по мощности в многокаскадном диодном СВЧ генераторе?


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

77746. ПРОГРАММА И ПЛAH ИССЛЕДОВАНИЯ 37 KB
  Она должна содержать: обоснование предмета исследования важность и актуальность проблемы общее содержание исследуемой проблемы роль ее относительно других проблем необходимые условия для успешного решения проблемы финансирование кадровое обеспечение организационные условия временные ограничения и пр. Программа как правило состоит из следующих разделов: Цель проведения исследований Содержание проблемы ее актуальность и важность Парадигма и рабочая гипотеза решения проблемы в процессе исследования Обеспечение исследования...
77747. ФОРМЫ И ФАКТОРЫ ОРГАНИЗАЦИИ ИССЛЕДОВАНИЯ 65.5 KB
  Организация исследования определяет дифференциацию и интеграцию деятельности исследователей или исследовательских групп. В ней находят свое отражение распределение и комбинация ресурсов по времени видам работ кадрам проблемам Формы организации исследования Увеличение нагрузки персонала дополнительными обязанностями исследовательской работы. Такие исследования возможны если: у персонала управления есть резервы времени; его исследовательский потенциал достаточно высок.
77748. ИССЛЕДОВАНИЯ И ИХ РОЛЬ В НАУЧНОЙ И ПРАКТИЧЕСКОЙ ДЕЯТЕЛЬНОСТИ ЧЕЛОВЕКА 49.5 KB
  Исследования как бы проникают в повседневную практику. Исследования это задача только научных работников. Исследования позволяют увидеть: где находятся резервы; что мешает развитию; чего надо опасаться; что надо поддерживать и т.
77749. МЕНЕДЖЕР ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКОГО ТИПА 31.5 KB
  Проблемное видение мира способность распознавать проблемы там где для других все ясно. Экспрезентность способность делать верные и удачные заключения при дефиците информации. Способность к имитации функций различных членов коллектива. Инновационность и безынерционность мышления способность выйти за границы формального привычного проверенного традиционного.
77750. РОЛЬ МЕТОДОЛОГИИ В ИССЛЕДОВАНИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 64 KB
  Методология это логическая организация деятельности человека состоящая в определении цели и предмета исследования подходов и ориентиров в его проведении выборе средств и методов определяющих наилучший результат. Цель исследования заключается в поиске наиболее эффективных вариантов построения системы управления и организации ее функционирования и развития. На практике проведение исследования преследует разные цели например: мониторинг качества управления формирование атмосферы творчества и инноваций в...
77751. ПРАКТИЧЕСКАЯ ФОРМУЛА ДИАЛЕКТИЧЕСКОГО ПОДХОДА К ИССЛЕДОВАНИЮ УПРАВЛЕНИЯ 31.5 KB
  Подходы к исследованию: Механистический подход признающий только причинноследственные связи явлений; Метафизический подход который отдает приоритет связям движения но движения в виде превращения одного движения в другое с последующим возвращением к исходному; Организмический подход акцентирующий те связи которые действуют в живых организмах это главным образом связи функциональные; Диалектический подход основанный на связях рождаемых противоречием. Аспектный подход. Многоаспектный подход.
77752. ОБЩЕНАУЧНЫЕ МЕТОДЫ В ИССЛЕДОВАНИИ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ 81.5 KB
  Но успех исследования в значительной мере зависит от того каким образом по каким критериям мы выбираем методы для проведения конкретного исследования и в какой комбинации мы используем эти методы. Всю совокупность методов исследования можно разделить на две группы: Эмпирические методы построены на осмыслении практической деятельности сути и особенностей событий и ситуаций. Методы наблюдений исследования с минимальным вмешательством в исследуемые события и ситуации.
77753. СИСТЕМНЫЙ ПОДХОД В ИСУ 36.5 KB
  Система управления совокупность звеньев и связей между ними осуществляющих управление. Звенья системы управления выделяются: по специфике объему и масштабу полномочий трудоемкости работы равномерности распределения нагрузки квалификационным требованиям к персоналу информационному обеспечению возможностям территориального размещения сотрудников. Звенья составляющие систему управления отличаются главным образом комбинацией функций и полномочий управления. Звенья системы управления...
77754. СПЕЦИФИЧЕСКИЕ МЕТОДЫ ИСУ 56.5 KB
  Наиболее важными из них являются методы: исследования документов эксперимент социологические исследования тестирование коллективный анализ социометрические оценки деловые и инновационные игры имитационное моделирование. Одним из критериев выбора методов исследования является степень определенности ситуации или проблемы. Эффективность исследования по документам зависит от: состава документов их содержания формы информационной классификации.