Режим ограничения накопления объемного заряда (оноз)

Рассмотрим работу диода Ганна, к которому приложено постоянное смещение V₁ = ₁L >_порL и переменное смещение такой величины, что в течение части периода напряженность электрического поля в диоде меньше _пор (рисунок 6.41).

В течение той части периода, когда  > _пор , у катода формируется домен. Если период колебаний достаточно мал, то домен, не успев сформироваться, начнет рассасываться во время той части периода, когда  < _пор . При образовании домена ток уменьшается, при рассасывании – увеличивается. Таким образом, существуют колебания тока, период которых определяется не временем пролета домена через диод, а внешним резонатором. Такой режим работы диода Ганна называется режимом ограниченного накопления объемного заряда в отличие от ранее рассмотренного режима, который называют пролетным. Для осуществления режима ОНОЗ необходимо выполнение следующих условий:

1 . Период колебаний должен быть меньше времени релаксации _о, чтобы домен не успел до конца сформироваться за время, пока (  |₀|), т.е.

.

2. За время, пока (=₁), домен должен успеть исчезнуть, что обеспечиваться .

Рисунок 6.41 - Работа диода Ганна в режиме ОНОЗ

Таким образом, диод Ганна может работать в режиме ОНОЗ лишь в интервале частот

.

Преимуществом режима ОНОЗ является независимость рабочей частоты от длины диода. Это, во-первых, позволяет изменять частоту в интервале простой перестройкой внешнего резонатора и, во-вторых, брать диоды большей длины, к которым можно подводить большие напряжения от источника питания и соответственно получать большие мощности переменного сигнала. Кроме того, режим ОНОЗ позволяет работать на более высоких частотах, чем пролетный режим (|₀| > ₂).

Преимущества режима ОНОЗ делают его весьма привлека­тельным. Однако на практике далеко не всегда удается осущест­вить его в чистом виде. Чаще работают в гибридных режимах, промежуточных между ОНОЗ и пролетными. КПД в этих режимах выше, чем в пролетных, приближаясь в отдельных случаях к КПД в режиме ОНОЗ [28].

Диоды Ганна выпускаются в двух вариантах: корпусном и бескорпусном. Устройство первого показано на рисунке 6.42,а. Ме­таллические контакты 3 и керамическая или кварцевая трубка 4 образуют герметизи­рованный корпус, вну­три которого размеще­на полупроводниковая структура 1. Она жест­ко закреплена на од­ном из контактов и со­единена с другим уп­ругими металлически­ми лепестками 2.

а) б)

Рисунок 6.42 - Конструкция (а) и эквивалентная схема (б) диода Ганна

Вся конструкция миниа­тюрна, ее линейные размеры не превыша­ют 2...3 мм. Эквивалентная схема корпусного ДГ показана на рисунке 6.42, б, где С_K – емкость корпуса, L_K – индуктивность лепест­ков, r_K – сопротивление лепестков и контактов, G_Д и С_Д – проводимость и емкость ДГ, зависящие от его режима. Вместе с внеш­ней цепью корпусной диод образует сложную колебательную си­стему с несколькими резонансными частотами. Корпусные дио­ды используются в волноводных генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов [28].

На рисунке 6.43 схематически изображены базовые конструк­ции генераторов на ДГ. На рисунке 6.43,а показана конструкция коаксиально-волноводного типа. ДГ 1 включен между внутренним проводником коаксиальной линии 5, и широкой стенкой прямоу­гольного волновода 2. Частота генерации определяется в этой конструкции реактивными параметрами корпусного диода (см. рисунок 6.42,б) и длиной l коаксиальной секции 5, ограниченной сверху отражающим дросселем – четвертьволновой закорочен­ной радиальной линией 4. Перемещение замыкающего волновод плунжера 3 изменяет степень связи ДГ с полем волновода, от ко­торой зависит отдаваемая мощность. Частота колебаний изме­няется при этом слабо.

Рисунок 6.43,б иллюстрирует устройство волноводного ге­нератора с повышенной стабильностью частоты. ДГ 1 установ­лен в прямоугольном волноводе; напряжение питания диода U₀ подается через стержень, заканчивающийся конструктивной ем­костью 3, которая блокирует источник постоянного напряжения. Для стабилизации частоты используется эффект затягивания частоты колебаний высокодобротным резонатором 2, связан­ным с волноводом.

На рисунке 6.43,в изображено устройство волноводного генерато­ра с электрической перестройкой частоты (показано поперечное сечение волновода). В этой конструкции ДГ 1 и варактор (варикап) 2 размещены в прямоугольном волноводе 3 и включены последо­вательно. Питание на них подается через стержни, шунтированные конструктивными емкостями, и общий проводник 4, введенный в волновод перпендикулярно силовым линиям электрического поля (чтобы не возмущать его). Диапазон перестройки частоты таких ге­нераторов достигает 15 %.

Рисунок 6.43 - Базовые конструкции генераторов на ДГ

Наконец, на рисунке 6.43,г показана топология стабилизирован­ного генератора на микрополосковых линиях. Бескорпусной ДГ 1 установлен в полосковом резонаторе 2, связанном через транс­формирующую сопротивление линию 7 и блокировочный конден­сатор 4 с выходной линией 5. Стабилизирующий диэлектрический резонатор 3 емкостным способом связан с линией 7. Питание ДГ подводится через площадку 6, создающую емкость, шунтирующую источник напряжения.

Перестраиваемые полосковые генераторы на бескорпусных ДГ и варакторах более широкодиапазонны, чем волноводные, ис­пользующие корпусные ДГ (перестройка частоты до 25 %). Наи­больший диапазон перестройки реализуется в генераторах на бескорпусных ДГ с колебательным контуром в виде миниатюрного гиромагнитного резонатора из железоиттриевого граната (ЖИГ-сферы); перестройка его резонансной частоты осуществля­ется изменением тока подмагничивания. Полоса перестройки та­ких генераторов достигает октавы (f_max/f_min = 2), однако скорость перестройки частоты значительно меньше, чем в случае варакторных генераторов.

Остановимся на энергетических характеристиках. Макси­мальная мощность непрерывных колебаний на частоте 10 ГГц близка к 2 Вт при КПД (9…15)%. С повышением частоты она умень­шается по закону, близкому к 1/f ² , и на частоте 100 ГГц падает до 10…20 мВт при максимальном КПД (1…2)%. Практически эта час­тота является для ДГ предельной, хотя генерация с очень малой мощностью была получена на частоте 160 ГГц. В импульсном ре­жиме мощность на один – два порядка выше, чем в непрерывном на сантиметровых волнах; на миллиметровых волнах это разли­чие не столь значительно.

Отметим, что наиболее высокие энергетические параметры по­лучены в гибридном и ОНОЗ режимах, причем в миллиметровом диапазоне лучшие результаты показывают ДГ из InP.

Генераторы на ДГ уступают генераторам на ЛПД по КПД и мак­симальной рабочей частоте, а в непрерывном режиме и по уровню отдаваемой мощности. В импульсном режиме их мощность выше (по крайней мере, в сантиметровом диапазоне). Преимуществами генераторов на ДГ являются: высокая надежность (срок службы до 1·10⁵ ч), широкий диапазон частотной перестройки, высокая ста­бильность и малый уровень флуктуации частоты и амплитуды ко­лебаний. Это обеспечивает их устойчивое применение, особенно в миллиметровом диапазоне, в котором использование транзисто­ров пока что ограничено.

Основными областями применения генераторов на ДГ являют­ся: стабильные возбудители и гетеродины в связных системах (в ча­стности, радиорелейных), генераторы в измерительной аппаратуре (в частности, свип-генераторы на гиромагнитных резонаторах для панорамных измерителей), генераторы для портативных импульс­ных радаров и генераторы с линейной частотной модуляцией для радаров квазинепрерывного действия.

СВЧ-усилители на диодах Ганна

Регенеративные усилители на ДГ. Принцип работы таких усилителей заключается в частичной компенсации потерь в резонансной системе отрицательной проводимостью ди­ода. Как правило, для усиления колебаний используются бездо­менные режимы.

Одним из способов предотвращения формирования доменов является использование ДГ, не удовлетворяющих условию (6.11), т.е. диодов, для которых . Однако регенера­тивные усилители на таких ДГ имеют посредственные характери­стики: узкую полосу пропускания, пониженные значения выходной мощности и КПД. Их применение практически прекратилось после открытия в 1969 г. нового бездоменного режима.

Оказалось, что ДГ малой длины (10...15 мкм), легированные настолько сильно, что условие формирования доменов (6.11) выполняется, ведут себя при высоком напряжении питания U₀ = (2...4)U_n, очень своеобразно: домены в них не возникают, а ста­бильная отрицательная проводимость обнаруживается в очень широком (более октавы) диапазоне частот. Отсутствие доменов в условиях, когда они, казалось бы, должны существовать, связы­вают с влиянием диффузии, затрудняющей их формирование. Роль этого фактора в коротких ДГ значительна из-за высокой сте­пени легирования, т.е. высокой концентрации свободных электро­нов n₀. ДГ, обладающие отмеченными свойствами, называют дио­дами со сверхкритическим легированием.

Регенеративные усилители сантиметрового диапазона на ДГ со сверхкритическим легированием имеют полосу пропускания, достигающую октавы при коэффициенте усиления 6...10 дБ, выходной мощности до 1 Вт и КПД до 5 %. Их коэффи­циент шума равен 10...20 дБ, что меньше коэффициента шума усилителей на ЛПД, но заметно больше коэффициента шума уси­лителей на полевых транзисторах.

Важным качеством рассматриваемых усилителей является их суперлинейность (высокая линейность амплитудной характеристи­ки в широком динамическом диапазоне). Это свойство связано с постоянством величины отрицательной электронной проводимо­сти ДГ со сверхкритическим легированием в широких пределах из­менения амплитуды колебаний.

Значительная величина шум-фактора препятствует использо­ванию рассматриваемых усилителей для усиления слабых сигна­лов в СВЧ-радиоприемниках; уступая по КПД и выходной мощно­сти усилителям на ЛПД, они применяются в основном в каскадах промежуточного усиления твердотельных СВЧ-передатчиков и лишь в ограниченном масштабе – в оконечных.