 |
СВЧ-генератор на основе эффекта Ганна
|
|
|
|
Прибором, реализующим эффект ганновской генерации, является диод, построенный на основе однородного полупроводникового образца (чаще – GaAs). Конструкция диода Ганна представлена на рис. 4.
Рабочая часть диода – пластинка толщиной 
10 мкм из однородного GaAs (концентрация носителей заряда 
). С обеих сторон рабочей части созданы приконтактные 
- области GaAs (концентрация носителей заряда 
) толщиной примерно равной 100 мкм.
Трехслойная полупроводниковая структура (1) помещена в керамический корпус (6). Над одним из приконтактных n+ - слоев создан металлический катодный контакт (2), к которому присоединяются контакты – проволочки из золота (3), припаянные к внешнему выводу катода (5). Другой приконтактной - подложкой полупроводниковая структура присоединена к теплопроводящему медному выводу (7), выполняющему функцию анода.
Работа генераторного диода непосредственно на включенную последовательно с ним нагрузку имеет очень низкий КПД. Существенное увеличение КПД генератора, а также расширение частотного диапазона можно получить, применяя настраиваемую LCR - цепь (колебательный контур). Поскольку чаще диоды Ганна применяются для СВЧ генерации, то такой настраиваемой LCR - цепью является объемный резонатор.
На рис.5 представлена конструкция генератора СВЧ, выполненного по авторскому свидетельству СССР № 608402 и используемого в работе. Генератор СВЧ включает в себя одноволновый прямоугольный резонатор 1, в центре которого установлен диод Ганна 2, подвод постоянного напряжения к диоду осуществляется через анодированный штырь 3, который изолирован по постоянному току от корпуса резонатора. В то же время между штырем 3 и корпусом существует емкость, достаточная для короткого замыкания токов СВЧ. Один конец резонатора коротко замкнут, а на другом выполнено отверстие связи 4 для вывода мощности СВЧ-колебаний в нагрузку. Элементом перестройки частоты резонатора являются два равновеликих жестко связанных между собой штыря 5, которые выполнены с возможностью перемещения вдоль своей оси. Так как штыри 5 расположены на расстоянии /4 и /4 от короткозамкнутого конца резонатора в пучностях электрической составляющей СВЧ поля, то их перемещение приводит к изменению сосредоточенных емкостей и перестройке генератора. В то же время, из-за того, что штыри 5 перемещаются совместно, структура СВЧ поля в месте расположения диода Ганна не меняется, то есть диод Ганна согласован с резонатором при любом положении штырей при их совместном перемещении. Этим обеспечивается получение высокой генерируемой мощности СВЧ в диапазоне рабочих частот генератора.
|
|
|
Рис.4. Конструкция диода Ганна.
Рис.5. Генератор на основе диода Ганна.
Режимы генерации
Работая в разных резонаторах, один и тот же диод генерирует в диапазоне частот от 0 до 100 ГГц. Этому огромному диапазону соответствует несколько режимов работы, причем природа отрицательного дифференциального сопротивления, вносимого диодом в контур, различна в разных режимах.
К диоду, работающему в резонаторе, приложено кроме постоянного электрического поля смещения также СВЧ поле за счет колебаний протекающего через диод тока. Форма колебаний СВЧ тока определяется типом LCR - контура (параллельный, последовательный или др.). В случае, когда к диоду приложено синусоидальное СВЧ-напряжение, возможны следующие режимы:
· пролетный,
· запаздывающий,
· режим гашения,
· гибридный,
· режим ограничения накопления объемного (пространственного) заряда (ОНОЗ),
· многодоменный режим генерации.
Пролетный режим колебаний осуществляется, когда амплитуда переменного поля 
мала по сравнению с разностью 
, где 
- постоянное поле смещения. СВЧ поле при этом практически не меняет форму колебаний тока. Режим ничем не отличается от работы диода на резистивную нагрузку. К.п.д. генератора в этом режиме составляет доли процента.
Запаздывающий режим реализуется, если амплитуда СВЧ поля возрастает настолько, что выполняется условие: 
, где 
- значение поля, при котором домен исчезает. Поле, приложенное к образцу, в момент, когда домен распадается, достигнув анода, оказывается меньше порогового 
, и новый домен не может образоваться. Образец, таким образом, является омическим сопротивлением, пока поле не станет равным («режим с запаздывающим формированием домена»). Частота в этом режиме меньше, чем в пролетном, и может быть перестроена изменением собственной частоты резонатора.
|
|
|
С дальнейшим повышением амплитуды СВЧ поля, при E0-Ea<e0 домен исчезает, не достигнув анода, в момент, когда суммарное поле на диоде становится равным Ea. Этот режим называется «режимом с подавлением домена» (режим гашения). Частота колебаний может быть меньше или больше пролетной.
Когда частота резонатора становится порядка обратного времени формирования домена, при условии подавления 
реализуется гибридный режим. Домен распадается, не сформировавшись окончательно. Этот режим наиболее эффективен в области частот до 10 ГГц.
Если частота резонатора намного больше обратного времени формирования домена, осуществляется режим ОНОЗ. Домены при этом не успевают формироваться, и зависимость тока от поля совпадает с зависимостью 
. Частоты, на которых наиболее эффективен режим ОНОЗ, превышают 10 ГГц, так как в этом режиме нет ограничений, связанных и со временем образования домена, и со временем его пролета. Максимальная частота, достигаемая в этом режиме, 160 ГГц.
2.4. Вольтамперная характеристика диода Ганна
Исходя из вышеизложенного, можно нарисовать следующую идеализированную картину эффекта Ганна. Практически вплоть до порогового поля ганновских осцилляций выполняется закон Ома, и ВАХ определяется выражением
| (7) |
Для всех практически важных случаев пороговое поле равно , соответствующему максимуму характеристики скорость-поле. С возникновением доменов плотность тока в диоде колеблется от значения 
(без домена) до (с доменом). Таким образом, средняя во времени вольтамперная характеристика диода для идеализированной картины имеет вид, представленный на рис.6.
|
|
|
Рис.6. Идеализированная вольтамперная характеристика диода Ганна
Но идеальная картина наблюдается редко, на отдельных приборах. Качественные отклонения от нее связаны с влиянием на эффект Ганна неоднородностей и контактов, свойства которых определяются технологическими факторами, такими, как материал контактов, условия его нанесения и т.д. Все это меняет и картину эффекта, и ВАХ диода. ВАХ реального диода показана на рис.7. Предположим, что диод Ганна, обладающий вольтамперной характеристикой с участком ОДП (рис.7) помещен в СВЧ-резонатор. Рассмотрим, каким образом параметры реальной ВАХ определяют его СВЧ-свойства.
Рис.7. ВАХ реального диода
Величина генерируемой диодом мощности определяется выражением:
| (8) |
где 
- амплитуда первой гармоники тока; 
- амплитуда СВЧ напряжения.
Для 
(
- рабочее напряжение, 
- пороговое) 
, т.к. в некоторую часть периода суммарное напряжение меньше . Величина амплитуды тока определяется параметрами ВАХ диода:
| (9) |
где 
- коэффициент, определяемый формой колебаний тока (зависит от согласования диода с резонатором), 
- максимальный ток через диод, 
- рабочий ток.
Величина 
- это мощность, выделяемая на клеммах диода. В нагрузку (на детектор) поступает лишь часть ее:
| (10) |
где 
- КПД резонатора.
Таким образом, мощность, выделяемая в нагрузке, определяется как параметрами диода Ганна (
), так и параметром резонатора 
- так называемым коэффициентом потерь резонатора. Приведенное выше выражение (10) определяет связь СВЧ-мощности диода, поступающей в нагрузку (
) с его статистическими параметрами (с ВАХ) и используется для прогнозирования величины мощности генерации по измерениям параметра ВАХ 
.
Из независимого измерения и на одном диоде определяется данного резонатора, а для остальных диодов проводятся измерения с последующим расчетом по формуле (10) (а. с. СССР ╧ 991827).
|
|
|
3. ОПИСАНИЕ И РАБОТА УСТАНОВКИ
Установка предназначена для автоматической записи вольтамперных характеристик генераторных диодов и измерения величины генерируемой диодом мощности. На панели установки (рис.9) расположены: индикаторная лампочка включения сети, ручки управления установкой, стрелочные измерительные приборы. В правой части панели расположены ручки управления:
· тумблер «Запись-возврат», обеспечивающий включение и выключение развертки при записи ВАХ;
· ручка «Амплитуда», регулирующая максимальное напряжение развертки;
· ручка «Скорость записи», регулирующая время заряда и время разряда конденсатора при записи ВАХ, обеспечивающий нужную скорость записи;
· тумблер «Сеть» расположен на левой боковой стенке установки;
· выходные гнезда для записи ВАХ - на задней панели.
Рис.9. Передняя панель установки.
На панели измерительных приборов установки расположены:
· слева - миллиамперметр, измеряющий ток через диод Ганна (шкала 300 мкА);
· в центре - вольтметр для измерения подаваемого на диод Ганна постоянного напряжения (шкала 10 В);
· справа - миллиамперметр для измерения тока детектора СВЧ (шкала 1,25 мкА).
СВЧ-тракт установки включает в себя:
· СВЧ - генератор с установленным в нем диодом Ганна (АА703Б);
· измерительный аттенюатор;
· детекторную секцию.
Функциональная схема установки приведена на рис.8.
Рис.8. Функциональная схема установки: ДГ - диод Ганна, ГР - генератор развертки, Д - детекторный диод, Ат – аттенюатор
Измерение генерируемой мощности проводятся при помощи измерительного аттенюатора и детектора. Подводимая к детектору СВЧ мощность величиной 1 мВт обеспечивает ток детектора 1 мА. Таким образом, измеряя ослабление при токе детектора 1 мА из формулы
| (11) |
можно вычислить генерируемую диодом мощность СВЧ () (
=1мВт).
|
|
|
