7.3 Опис лабораторної установки
У лабораторній роботі досліджується генератор на тунельному діоді (ГТД).
Дослідження ГТД проводиться на спеціальному макеті. Електрична схема макета нанесена на похилій лицевій панелі, де розташовані всі елементи схеми генератора, їх перемкнення виконується перемикачами у вигляді тумблерів.
На цій же панелі розташовані клеми для підключення вимірювальних приладів, контролюючих форму, амплітуду та спектр вихідних коливань генератора. Електроживлення кола зміщення на ТД подається від випрямляча, розташованого в середині макету. Напруга зміщення регулюється і може бути виміряна вольтметром постійної напруги, вмонтованим у макет.
7.4 Порядок виконання роботи
7.4.1 Скласти схему для зняття статичної характеристики ТД, змінюючи зміщення на діоді згідно рис.7.3.
до вольтметра
Рисунок 7.3 – Схема для одержання ВАХ діода
Для цього ввімкнути живлення тумблером “Живлення вкл. “. Змінюючи величини опорів R1 і R2, зняти вольт-амперну характеристику ТД, при цьому слідкувати, щоб напруга зміщення не перевищила 0.8 В, що може призвести до різкого збільшення струму через діод. Одержані данні занести до таблиці.
7.4.2 Скласти схему автогерератора за схемою на рис. 7.2а. Плавно регулюючи зміщення вліво та вправо відносно точки перетину вольт-амперної характеристики ТД, отримати на екрані осцилографа автоколивання. Замалювати їх форму, виміряти амплітуду, потужність , частоту, період та зміст гармонік в залежності від напруги зміщення на діоді. Провести ці виміри при різних опорах навантаження. Дані занести до таблиці.
7.4.3 Скласти схему автогенератора за схемою рис.7.2б. Повторити експеримент згідно пп.7.4.2.
7.4.3 За отриманими даним в пп. 7.4.1 розрахувати та побудувати залежність від’ємного диференційного опору ТД від зміщення.
7.4.4 Виконати одне з індивідуальних завдань .
Індивідуальні завдання
1.Змінюючи опір навантаження генератора, одержати оптимальний режим за критерієм мінімуму вмісту гармонік, використовуючи аналізатор спектру.
2. Виміряти співвідношення потужності гармонік до потужності першої гармоніки генератора при різних напругах зміщення на діоді. Порівняти отримані данні з теорією.
3.Виміряти коефіцієнт нелінійних спотворень сигналу генератора при повному та частковому підключенню діода до коливного контура.
4. Провести моделювання роботи генератора на ТД за допомогою ПК.
7.5 Зміст звіту
В звіті привести:
принципові електричні схеми досліджуваних генераторів;
експериментальні результати, отримані при виконанні пп. 7.4.2. та 7.4.3;
результати, отримані при виконанні індивідуального завдання, та його аналіз;
висновки.
7.6 Контрольні запитання та завдання
1. У яких випадках і чому можлива генерація з застосуванням ТД ?
2. Чим зумовлена гранична частота генерації ГТД ?
3. Чим пояснити можливі скачки струму ТД під час зняття вольт-амперних характеристик ?
4. Чим пояснити вплив опору навантаження та напруги зміщення на форму коливань, потужність та частоту генерації?
5. Яким чином можна забезпечити жорсткий режим самозбудження автогенератора на ТД ?
6. Намалювати еквівалентну схему ТД.
7. Намалювати принципову схему автогенератора на ТД.
8. Написати рівняння балансу амплітуд та фаз ГТД.
9. Що собою уявляє динамічна вольт-амперна характеристика генератора на ТД ?
10. Які фактори впливають на нестабільність частоти автогенератора на ТД та засоби послаблення їх впливу ?
8 ДОСЛІДЖЕННЯ ГЕНЕРАТОРА НА ДІОДІ ГАННА
8.1 Мета роботи
Мета роботи закріплення та поглиблення теоретичних знань по діодним генераторам Ганна, отриманих на лекціях та в процесі самостійної роботи ; придбання навичок вимірювання основних характеристик генераторів, а також навичок наукового аналізу та узагальнення експериментальних результатів
8.2 Методичні вказівки до організації самостійної роботи студентів
Вивчити методичні вказівки до роботи та рекомендовану літературу [1,c.268-283;4,31-35;108-123].
При виконанні завдань до лабораторної роботи користуватися наступними теоретичними вказівками.
Діоди Ганна (ДГ) використовуються головним чином в міліметровому та сантиметровому діапазонах хвиль для цілей побудови на них НВЧ генераторів малої та середньої потужності. Особливістю генератора на діоді Ганна (ГДГ) є відсутність зовнішнього кола зворотнього зв’язку. Технічні параметри та характеристики ГДГ такі як – вихідна потужність, робоча частота, ККД та інше в значній мірі залежать від режима роботи діода. Відомо три головних режима роботи ДГ, які мають практичне значення для побудови ГДГ: доменний (пролітний з затримкою домену), обмеженого накопичення об’ємного заряду (ОНОЗ), гібридний. Вони є наслідком міждоменного переходу електронів, і для реалізації кожного з них потрібно виконувати відповідні умови.
Доменний режим відбувається на частотах біля декількох ГГц. Практичне його використання не зовсім доцільно, так як на цих частотах енергетичні показники ГДГ значно поступаються транзисторним генераторам.
Частота генерації в режимі ОНОЗ лежить в області значно більших частот
(до 300 ГГц). Окрім цього, найбільша вихідна потужність в цьому режимі на декілька порядків перевищує потужність в доменному режимі, але встановлення цього режиму має значні труднощі, пов’язані з забезпеченням швидкого наростання амплітуди напруги на діоді.
Гібридний режим є проміжним між доменним та режимом ОНОЗ.
В залежності від співвідношення параметрів діода та зовнішнього кола ГДГ може працювати в таких режимах: автогенерації, підсилення та синхронізації автоколивань зовнішнім сигналом. В лабораторній роботі досліджується режим автогенерації коливань з перестроюванням частоти ГДГ.
Перестроювання частоти виконується шляхом зміни реактивного опору контура генератора електричним або механічним чином.
Електричне перестроювання виконується або шляхом введення до контуру допоміжних реактивних керованих елементів Ск, або Lк, в якості яких використовуються варикапи або сферичні зразки з залізно-іттрієвого граната розміром 1-2 мм (ЗІГ- сфера), а також за рахунок зміни напруги живлення ДГ.
Смуга перестроювання визначається якістю варикапу або ЗІГ – сфери та типом коливної системи. Найбільший діапазон частотного перестроювання забезпечується при максимальній добротності керуючого елемента і при повному його ввімкненні до контуру. При повному ввімкненні варикапу до контуру можливо одержати відносне перестроювання по частоті 20-30 %. При використовуванні ЗІГ – сфери ця величина досягає 30 – 50 %. Недоліками цього метода є значна споживана потужність в колі перестроювання (декілька ват), інерційність перестроювання та значне погіршення стабільності частоти генератора.
При методі зміни напруги живлення діода, зміна частоти є наслідком залежності швидкості прольоту домена та реактивного опора діода від напруги живлення. Значним недоліком цього метода є невеликий відносний діапазон перестроювання за частотою (до 0.3%).
Механічне перестроювання в незначних відносних діапазонах частот (1-2%) виконується введенням в коливний контур допоміжних реактивностей, виконаних у вигляді металевих або діелектричних штирів, розташованих в порожнині НВЧ резонатора. Для більш значного перестроювання по частоті (до десятків процентів) використовують короткозамкнені відрізки хвильоводів, де перестроювання відбувається за допомогою пересувного короткозамкненого поршня.
При всіх засобах перестроювання частоти ГДГ відбуваються зміни вихідної потужності, а надані раніше величини діапазону перестроювання відповідають рівню зменшення потужності на 3 дБ.
В лабораторній роботі досліджуються наступні способи перестроювання частоти: з використанням варикапа; зміною напруги живлення; механічне перестроювання штирем.