39. Генераторы свч туннельном диоде.

Рассмотрим генераторы и усилители мощности на СВЧ диодах.

На рис. представлена упрощенная принципиальная схема генератора на туннельном диоде (ТД). Колебательная система, которая в СВЧ диапазоне обычно выполняется в виде объемного резонатора или отрезка волновода, на схеме представлена для простоты колебательным контуром с сосредоточенными параметрами L и С.

Резисторы R1 и R2 предназначены для выбора исходного режима работы ТД по постоянному току, а конденсатор С_Б >> С обеспечивает подключение ТД параллельно колебательному контуру по переменному току.

Исходный режим работы по постоянному току задается напряжением U_Д так, чтобы исходная рабочая точка (ИРТ) находилась в середине падающего участка вольтамперной характеристики ТД.

Нагрузочная прямая ТД по постоянному току Rэ описывается уравнением

I_R1 = (Uп – Uд)/R1;

I_R2 = Uд/R2;

I_д = IR1 - IR2 = Uп/R1 - Uд/Rэ; Rэ = R1R2/(R1 + R2)

В статическом режиме нагрузочная прямая и ВАХ туннельного диода должны иметь только одну точку пересечения (условие устойчивого электрического равновесия схемы). Для этого между угловыми коэффициентами нагрузочной прямой и отрезком ВАХ с отрицательным сопротивлением должно выполняться условие (-1 /R_Д) > (-1/Rэ) , что равносильно R_Д > Rэ . Отсюда по известным величинам R_Д и U_Д выбирают величины резисторов R1 и R2 для заданного напряжения Un и выбранного ТД.

В динамическом режиме, наоборот, схема должна находиться в состоянии неустойчивого электрического равновесия. Это становится возможным, если система уравнений, описывающих нагрузочную прямую по переменному току и вольтамперную характеристику ТД, имеет несколько решений (т.е. несколько точек пересечения указанных характеристик). Чтобы обеспечить требуемое состояние схемы между угловыми коэффициентами нагрузочной прямой по переменному току и отрезком ВАХ с отрицательным сопротивлением, как это следует из рис. должно выполняться неравенство (-1 /R_КР) > (-1/R_Д) что равносильно R_КР > R_Д, где R_KP = L/CR_L – резонансное сопротивление контура.

Это неравенство представляет собой амплитудное условие самовозбуждения АГ на ТД. Фазовое условие самовозбуждения обеспечивается отрицательным значением дифференциального сопротивления ТД на падающем участке ВАХ.

Действительно, под действием напряжения U_Д, определяющего положение ИРТ, в ТД создается ускоряющее продольное электрическое поле, которое определяет величину кинетической энергии электронного потока.

В момент включения напряжения Un в реальном колебательном контуре возникают свободные затухающие колебания (штриховая линия) u_K(t). Так как ТД и колебательный контур включены последовательно, то напряжения U_Д и u_K(t) будут суммироваться алгебраически.

Результирующее напряжение между анодом и катодом ТД будет изменять положение текущей рабочей точки относительно ИРТ, как показано на рис.

В отрицательный полупериод напряжения u_K(t) ток iд (t) увеличивается относительно Iд в ИРТ, а в положительный — уменьшается. Электронный поток имеет максимальную кинетическую энергию как раз тогда, когда на аноде ТД действует наибольшее тормозящее электрическое поле, обусловленное напряжением на колебательном контуре u_K(t). Поэтому кинетическая энергия большей части электронов переходит в энергию тормозящего СВЧ поля, и амплитуда колебаний в колебательном контуре будет нарастать.

Нарастание амплитуды колебаний происходит до тех пор, пока текущая рабочая точка не начнет выходить за пределы участка ВАХ с отрицательным сопротивлением. Последнее обстоятельство приведет к некоторому уменьшению среднего значения Rд и в режиме установившихся колебаний будет выполняться равенство |Rд| = Rкр

Несмотря на то, что форма тока i_д отличается от гармонической, напряжение на контуре, благодаря его высокой добротности, будет близко к гармоническому.