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

55 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

25835. Структура и свойства конструкционных сплавов цветных металлов 973.5 KB
  Микроструктура металла (от микро... и лат. structura — строение), строение металла, выявляемое с помощью микроскопа (оптического или электронного). Микроскоп для исследования металла впервые применил П. П. Аносов (1831) при изучении булатной стали. Металлы и сплавы состоят из большого числа кристаллов неправильной формы (зёрен)
25836. Сплавы цветных металлов, обрабатываемые давлением 319.5 KB
  К цветным металлам и сплавам относятся практически все металлы и сплавы, за исключением железа и его сплавов, образующих группу чёрных металлов. Цветные металлы встречаются реже, чем железо и часто их добыча стоит значительно дороже, чем добыча железа. Однако цветные металлы часто обладают такими свойствами, какие у железа не обнаруживаются, и это оправдывает их применение.
25837. Аудит операций на расчетном, валютном и других счетах банка 37.5 KB
  Целью аудиторской проверки операций по расчетному валютному и других счетам в банке является формирование мнения о достоверности бухгалтерской отчетности по разделу Денежные средства и соответствии применяемой методики учета денежных средств на счетах в банке действующим в Российской Федерации нормативным документам. Аудитор при проверке операций по счетам в банке должен учитывать основные нормативные документы регулирующие порядок проведения операций на расчетном валютном и других счетах в банках и бухгалтерский учет этих операций....
25838. Аудит прочих доходов и расходов 58.5 KB
  Целью аудиторской проверки прочих доходов и расходов является формирование мнения о правильности учета прочих доходов и расходов. Задача аудиторской проверки прочих доходов и расходов состоит из следующих вопросов на которые должен ответить аудитор: Бухгалтерский учет прочих доходов и расходов соответствует положениям нормативных актов Данные аналитического и синтетического учета по счету 91 Прочие доходы и расходы соответствуют данным главной книги и баланса Корреспонденция счетов по счету 91 Прочие доходы и расходы составлена в...
25839. Учет расчетов по авансам выданным и полученным 36.5 KB
  Согласно положениям Плана счетов Инструкции по применению Плана счетов бухгалтерский учет сумм полученных и или выданных авансов организуется на балансовых счетах связанных с расчетами за отгруженную продукцию выполненные работы оказанные услуги. Для учета сумм авансовых платежей предварительной оплаты к балансовым счетам открываются обособленные субсчета учета. В частности суммы выданных поставщикам и подрядчикам авансов учитываются обособленно на балансовом счете 60 Расчеты с поставщиками и подрядчиками суммы полученных...
25840. Аудит расчетов по авансам выданным 27.5 KB
  Так например выдавая авансы поставщику предприятие изымает из оборота денежные средства до момента поступления ТМЦ выполнения работ оказания услуг также возрастает вероятность непоступления данных ценностей на предприятие вопреки договору поставки. На счете 61 Расчеты по авансам выданным обобщается информация о расчетах по выданным авансам под поставку продукции либо под выполнение работ а также по оплате продукции и работ принятых от заказчиков по частичной готовности. Суммы выданных авансов а также произведенной оплаты и работ...
25841. Аудит расчетов по претензиям 30 KB
  Можно выделить несколько видов претензий: при выявлении ошибок в счетах поставщиков неправильно указаны тарифы и цены арифметические ошибки и др. Аудитору необходимо проверить: обоснованность своевременность и правильность оформления документов несоблюдение сроков предъявления претензий может быть использовано для сокрытия фактов хищения материальных ценностей так как при отказе в удовлетворении претензий числящиеся суммы списываются на издержки производства; обоснованность претензий предъявляемых к проверяемому предприятию в случае...
25842. Аудит расчетов по совместной деятельности 32.5 KB
  Внесенное товарищами имущество а также произведенная в результате совместной деятельности продукция и полученные от такой деятельности плоды признаются как правило их общей долевой собственностью. Прибыль полученная товарищами в результате их совместной деятельности распределяется пропорционально стоимости вкладов в общее дело если иное не предусмотрено договором или другим соглашением товарищей. Исходя из описанного подхода к организации деятельности простого товарищества в новом Плане счетов поиному решена схема учета операций...
25843. Структура и свойства сталей и чугунов 74 KB
  В углеродистых сталях углерод является основным элементом, определяющим структуру и свойства стали. С увеличением содержания углерода в стали возрастают твердость и предел прочности (НВ, ств), уменьшаются относительное удлинение, относительное сужение и ударная вязкость.