4.2. Устройство генератора на лавинно-пролетном диоде и его характеристики

На рис. 6 показана схема устройства генератора радиально-волновой конструкции, исследуемого в лабораторной работе. В этой конструкции частота резонатора определяется диаметром диска D и его расстоянием h от стенки резонатора (волновода). Перемещение поршня обеспечивает трансформацию нагрузки к контактам ЛПД, установленного между диском и нижней стенкой волновода, что существенно сказывается на мощности и меньше на частоте генерируемых колебаний. Перемещение поршня на расстояние ( – длина волны в волноводе) не изменяет сопротивления на контактах ЛПД, поэтому мощность и частота колебаний останутся прежними (рис. 7). На этом рисунке показана реальная зависимость мощности от l для используемого в лабораторной работе резонатора.

На рис. 8 изображена одна из возможных эквивалентных схем генератора, в которой ЛПД характеризуется средним по первой гармонике комплексным сопротивлением (2) , а нагрузка – последовательным соединением активного и реактивного сопротивлений: .

Параметры нелинейной части схемы (диода) существенно зависят от режима его работы (тока питания и первой гармоники ), т.е. , и значительно слабее от частоты. Параметры нагрузки (линейной части схемы) сильно зависят от частоты: , .

Стационарный режим колебаний определяется из условий баланса активных и реактивных сопротивлений:

, (3)

. (4)

Условие (4) эквивалентно условию баланса фаз генератора и определяет частоту генерируемых колебаний. Из него следует, что всякое изменение режима работы диода (изменение тока питания или амплитуды первой гармоники ) изменяют , поэтому условие (4) может быть выполнено только на другой частоте колебаний, которая и устанавливается автоматически в генераторе.

Из условия баланса активных сопротивлений (3) следует, что в стационарном режиме обязательно должно быть , так как . Мощность первой гармоники, отдаваемая нелинейным элементом

.

Из условия (3) следует, что при изменении автоматически изменяется (при постоянстве ), а значит и . При некоторой оптимальной нагрузке достигается максимальная мощность . Изменение также приводит к изменению амплитуды и мощности . На рис. 9 показана зависимость от .

В элементах схемы генератора (в диоде, в различных частях резонатора, в нагрузке) имеются потери энергии. Самовозбуждение колебаний может происходить только в том случае, если при малых амплитудах колебаний энергия, отдаваемая отрицательным сопротивлением, больше энергии, потребляемой положительным сопротивлением . Минимальный ток, при котором происходит возбуждение колебаний в генераторе, называется пусковым током (см. рис. 9).

5. Схема лабораторной установки

На рис. 10 приведена общая схема лабораторной установки для генераторов СВЧ на ЛПД (данная работа) и на диоде Ганна (лабораторная работа №5). Установка содержит СВЧ-часть и блок питания (БП) полупроводниковых диодов.

СВЧ-часть состоит из перестраиваемых генераторов на ЛПД (ГЛПД) и диоде Ганна (ДГ), подключенных соответственно ко входам 2 и 1 циркулятора Ц. Генерирование колебаний исследуемым генератором обеспечивается подачей напряжения от блока питания БП колебания. Колебания через вентиль (ЗВВС-100А), резонансный частотомер (Ч2-37А) и постоянный аттенюатор с затуханием 10 дБ поступают в измеритель мощности (МЗ-51).

Блок питания БП содержит два регулируемых выпрямителя, органы управления и измерительные приборы которых расположены на передней панели: приборы слева относятся к источнику питания диода Ганна, справа – к источнику питания ЛПД.

При подаче напряжения сети на блок питания зажигается индикаторная лампочка 1 («Сеть»). Включение питания на ЛПД производится поворотом регулятора 7 («ГЛПД»), при этом зажигается индикаторная лампочка 3. Напряжение на ЛПД и ток контролируются вольтметром 8 (шкала 150 В) и миллиамперметром 9 (шкала 75 мА). Аналогично осуществляется и включение источника питания диода Ганна.