9 Электрические параметрыдиода ганна

Значения максимального КПД диода Ганна не превышают 20 %. Повысить

КПД генераторов на диодах Ганна можно за счет использования более сложных

колебательных систем.Другой путь повышения КПД состоит в применении в диодах Ганна материалов с большим отношением υ_макс / υ_нас. Так, для фосфида индия оно достигает 3,5, что увеличивает теоретический электронный КПД диодов до 40%.Самые высокие КПД диодов Ганна получены на частотах f = 1 – 10ГГц. С увеличением частоты КПД диодов значительно снижается. При работе в непрерывном режиме максимальные КПД = 10 – 12 % на f< 20ГГц, 5 – 6 % на f< 40ГГц и 2 – 3 % на f = 90ГГц. Снижение КПД диодов в непрерывном режиме связанно главным образом с ухудшением условий отвода тепла. Поэтому меры, принимаемые для повышениямощности за счёт улучшения теплоотвода, обеспечивают одновременно и некоторые повышенные КПД. Эффективность работы диодов можно повысить, если принять меры по достижению оптимальной подстройки внешней цепи не только на первую гармонику, но и на более высокие гармонические составляющие колебаний, возникающих в диодах.

Следует иметь в виду, что электронный КПД генераторов на диодах Ганна уменьшается на высоких частотах, когда период колебаний становится соизмеримым со временем установления отрицательной дифференциальной проводимости (это проявляется уже на частотах ~ 30ГГц). Инерционность процессов, определяющих зависимость средней дрейфовой скорости от поля, приводит к уменьшению противофазной составляющей тока диода. Предельные частоты диодов Ганна, связанные с этим явлением, оцениваются значениями 100ГГц для приборов из GaAs и 150 – 300ГГц для приборов из InP (фосфид индия).

Выходная мощность Р_вых диодов Ганна ограничена электрическими процессами. Влияние последних приводит к зависимости максимальной мощности от частоты в виде P_выхf = A, где постоянная A определяется допустимым перегревом структуры, тепловыми характеристиками материала, электронным КПД и ёмкостью диода. Ограничения по электрическому режиму связаны с тем, что при большой выходной мощности амплитуда колебаний оказывается соизмеримой с постоянным напряжением U на диоде:

U_mU = E l, (4)

где l – длина образца.

На относительно низких частотах (в сантиметровом диапазоне длин волн) максимальное значение выходной мощности диодов Ганна определяется тепловыми эффектами. В миллиметровом диапазоне длин волн толщина активной области диодов, работающих в доменном режиме, становится малой и преобладают ограничения электрического характера. В непрерывном режиме в трехсантиметровом диапазоне длин волн от одного диода можно получить мощность 1 – 2Вт при КПД до 14%; на частотах 60 – 100ГГц – до 100мВт при КПД до нескольких единиц процентов. Генераторы на диодах Ганна характеризуются значительно меньшими частотными шумами, чем генераторы на лавинно-пролётных диодах.

10 Основные требования к электромагнитным цепям

ДИОДНЫХ ГЕНЕРАТОРОВ

Общие требования к электромагнитным цепям (колебательным контурам) диодных генераторов сводятся в основном к обеспечению заданных рабочей частоты и режима работы, полосы перестройки по частоте, стабильности, максимального контурного КПД и теплоотвода. Иногда задаются дополнительные требования по радиационной стойкости, экранировке полей, уровню паразитной модуляции и т.п.

Заданная рабочая частота и режим работы обеспечиваются полным входным сопротивлением колебательного контура Z = R + jX. Для этого используют резонатор, образованный отрезком линии передачи определённой длины, связанной с диодом и нагрузкой с помощью специальных устройств связи, и трансформатор сопротивлений, включённый в эту линию, который может быть образован какой-либо неоднородностью (скачком волнового сопротивления, штырём, диафрагмой), введённой в электромагнитное поле линии. Для предотвращения шунтирования СВЧ цепи источником питания в нее дополнительно включается фильтр нижних частот (ФНЧ) в соответствии с рисунком 16.

Заданные требования по полосе перестройки и стабильности обеспечиваются выбором определённой структуры и нагруженной добротности СВЧ цепи. В широкополосных усилителях вместо линии-резонатора обычно используется многоконтурные системы или полосовые фильтры с максимально плоской или Чебышевской характеристикой.

Таким образом, необходимыми элементами конструкции диодного генератора являются:

- резонатор, связанный с диодом и нагрузкой;

- устройство связи нагрузки с резонатором;

- СВЧ трансформатор сопротивлений, цепи питания диода с ФНЧ.

Обобщённая структурная схема диодного генератора представлена на рисунке 17.

Рисунок 17 – Обобщённая структурная схема диодного генератора

Конструктивное выполнение отдельных элементов этой схемы существенно зависит от типа линии резонатора, однако в любом случае необходимо соблюдать

некоторые общие принципы конструирования, определяемые специфическими

свойствами диодов.

Потери в электромагнитной цепи сильно увеличиваются из-за сопротивления потерь диода r_s, которое намного превышает собственные потери пассивной цепи, и поскольку отрицательное сопротивление диода достаточно низкоомно

(r_д  10Ом), реализуемые значения контурного КПД обычно не высоки

_к 0,5 – 0,6. (5)

В связи с этим важнейшее значение при конструировании имеет способ крепления диода в резонатор, такой, при котором обеспечивается минимальное контактное сопротивление и хороший теплоотвод (рисунок 18, а).

Для крепления диода применяется также цанговый зажим (рисунок 18, б), который закрепляется в гайке-держателе и устанавливается в наиболее массивной стенке резонатора. Контакт диода с цангой осуществляется по боковой поверхности корпуса диода при давлении в контакте не менее 10⁷ Па.

а) б)

Рисунок 18 – Способы крепления диода Ганна в резонаторе

а – в массивном теплоотводе; б – в цанге

Хороший теплоотвод, обеспечиваемый пайкой диода к медному держателюдиода, позволяет уменьшить рабочую температуру диода и, следовательно увеличить допустимое значение тока питания и выходной мощности генератора, либо при токе I₀I_{0 доп} увеличить его надёжность.

Обычно диод монтируют таким образом, чтобы уменьшить число паразитных резонансных контуров и обеспечить необходимую связь диода с резонатором. Для этого применяют резонаторы уменьшенной высоты или уменьшают её только в месте включения диода, что обеспечивает устойчивость и более высокий контурный КПД.

Синтез электромагнитной цепи генератора и разработку его конструкции проводят на базе известных, экспериментально опробованных конструкций, рассчитывая их физические размеры в соответствии с заданными параметрами генератора. При этом, вследствие технологического разброса параметров диодов, в конструкции генератора необходимо предусматривать возможность регулировки полного входного сопротивления СВЧ цепи в достаточно широких пределах. Регулировочные элементы могут быть выполнены в виде короткозамкнутых или разомкнутых шлейфов, четвертьволновых трансформаторов, индуктивных или ёмкостных диафрагм, штырей и т.д.

Одним из методов согласования является применение реактивных элементов в виде ступенчатых неоднородностей. Например, короткий отрезок микрополосковой линии представляет собой единичный реактивный элемент, характер проводимости которого зависит от отношения его волнового сопротивления к волновому сопротивлению линии. Величина реактивности является функцией длины волны. Так, короткая линия с высоким волновым сопротивлением, нагруженная с обеих сторон линиями с малым волновым сопротивлением, представляет собой последовательную индуктивность и, наоборот, линия с низким волновым сопротивлением, представляет собой параллельную ёмкость (рисунок 19). На этом рисунке приведены эквивалентные схемы этих линий. Таким образом, из коротких отрезков линий с большим и малым волновыми сопротивлениями можно образовать лестничную LC структуру и использовать её в качестве преобразователя сопротивлений для согласования.

а)

б)

Рисунок 19 – Образование конструктивной реактивности микрополосковой линии

а – индуктивной; б – ёмкостной