Приборы и устройства оптического и СВЧ диапазонов

121

Таким образом, при коротких образцах полупроводника их GaAs можно получить колебания СВЧ - диапазона. Период генерируемых колебаний определяется по времени прохождения домена через кристалл:

Другие виды неустойчивости здесь рассматриваться не будут.

Режимы работы. Пролетный режим генератора. Обычно так называют режим работы, в котором колебательная система, связанная с прибором имеет низкую добротность. В этом случае переменное напряжение на колебательной системе мало по сравнению с постоянным напряжением и не оказывает обратного влияния на процессы в образце из арсенида галлия. Если постоянное напряжение превышает пороговое значение, то в образце возникнут импульсы тока, частота следования которых определяется временем пролета. Этот режим уже рассмотрен как эффект Ганна.

Частота генерации в пролетном режиме определяется формулой:

fпр=1/T0=Vд /l=fпр,

где Т0 – время пролета домена.

Условие пролетного режима определено неравенством:

n 0 l ³ 5 ×1011 см-2

Коэффициент полезного действия в пролетном режиме максимален, когда домен занимает 1/2l образца, а форма тока почти синусоидальная.Обычно

η ≤ 10% . Мощность колебаний можно оценить по формуле:

где Р0 – потребляемая от источника мощность Р0=U0 I0. Необходимое напряжение источника U0=Еп L, а ток

I 0 = en 0 VS ,

где V- средняя дрейфовая скорость, s – площадь сечения образца, Еп - порого-

122

ем n0 l ³ 5 × 1011 см−2 . Поэтому сопротивление образца R0 можно изменять

только выбором площади S.

Режим с задержкой образования домена. Этот режим наблюдается, когда колебательная система обладает высокой добротностью, постоянное напряжение больше порогового значения (U0 > U0n), а время пролета домена T0 меньше периода колебаний T (T0 < T). Домен здесь возникает при выполнении условия, когда U = U0 + U1 sinωt достигнет порогового значения. Следующий домен возни-

кает только с задержкой на время Т-T0. Период колебаний T определяется настройкой резонатора. При заданном времени пролета домена T0 возможна механическая перестройка частоты.

Вэнергетическом отношении режим с задержкой образования домена более

выгоден, чем пролетный режим. Длительность импульса тока Ти=Т-T0 может превышать сумму времени нарастания и рассасывания домена, которая определяет длительность импульса в пролетном режиме. КПД возрастает с увеличением дли-

тельности импульса Ти и достигает максимального значения примерно при Ти=Т/2=Т0, то есть на рабочей частоте, вдвое меньшей пролетной.

Врежиме с задержкой образования домена КПД теоретически достигает 25%, а экспериментально получено 20% при отдаваемой мощности 100 Вт.

Представляют интерес также режимы:

подавление домена и ограничение накопления заряда (ОНОЗ). Но они выходят за рамки изучаемого курса.

Особенности устройства и применения диодов Ганна. Диоды изготавли-

вают на основе монокристаллов или эпитаксиальных пленок арсенида галлия. В зависимости от выбираемого режима работы и параметров длина образцов со-

ставляет l= 5 мкм до 1 мм, а площадь сечения - S = 2,5 ×10−5 -10−2 см2 . Необхо-

дим хороший омический контакт, обладающий линейной ВАХ и малым сопротивлением по сравнению с сопротивлением образца.

Частотный диапазон, перекрываемый генераторами Ганна очень широк и составляет: 100 МГц – 150 ГГц. На частотах от 1 до 150 ГГц диоды Ганна

используют в основном для создания СВЧ генераторов.

Диоды Ганна достаточно эффективно работают при температурах 200-2500с. Перегрев диодов ограничивает максимальную мощность генераторов в непрерывном режиме и максимальную длительность импульсов в импульсном режиме.

Диоды Ганна включают в линии передачи и резонаторы, перестраиваемые по частоте. Коаксиально-волноводная секция с диодом Ганна, включаемая в волноводный тракт, показана на рис. 3.23. Короткозамыкающие поршни необходимы для перестройки генератора по частоте и согласования диода с нагрузкой. Увеличение рабочей частоты, требует уменьшения длины образца, следовательно, и напряжения питания.

Мощность колебаний пропорциональна квадрату напряжения питания. Для диодов Ганна, рабо-

тающих в доменных режимах, Pf 2 = 2 ¸ 5 ×103

123

Вт×ГГц2, а теоретический предел Pf 2 ≈ 104 Вт×ГГц2, что отражает преимущества этого режима. Коэффициент полезного действия зависит от режима работы и составляет от нескольких единиц до нескольких десятков процентов h = 10 - 20 %. В отдельных генераторах он доходит и до 30%. Мощность в непрерывном режиме Рнеп - 0,62 Вт на частоте 12,8 ГГц при h =3 - 4%. Ниже приведено еще несколько примеров работающих генераторов. Римп - 2,1 кВт на частоте 7,0

ГГц, h =4%.

Рнеп - 100 мВт на частоте 100 ГГц h =5%.

Перестройка частоты. Перестройку частоты можно осуществлять, изменяя параметры резонатора (емкостную или индуктивную составляющие). Механическая перестройка колебательного контура происходит при плавном переходе из одного режима в другой. Электронная перестройка достигается изменением напряжения питания и примерно равна 5-20 Мгц/В. Эта перестройка связана с изменением емкости домена.

Диоды Ганна не являются малошумящими приборами, так как эффективная температура электронов в области домена превышает температуру кристаллической решетки. Шум в диодах обусловлен также случайным изменением, неоднородностью момента зарождения домена.

Амплитудный шум генераторов примерно на 30 дБ меньше частотного, а последний близок к уровню шумов клистронов. Для лучших генераторов частотный шум составляет: - 110 дБ при смещении от основной частоты на 100 кГц; - 130 дБ при смещении на 1 МГц; - 160 дБ при смешении на 10 МГц.

В настоящее время генераторы на диодах Ганна находят применение в качестве СВЧгетеродинов и генераторов в маломощных передатчиках сантиметрового и миллиметрового диапазонов.

124

Глава 4.

Применение и регистрация СВЧ энергии

4.1.Нагрев СВЧ энергией

4.1.1.Поведение диэлектриков в электромагнитных полях

Энергия СВЧ поля широко используется в промышленном производстве (сушка, сублимация, прогрев, дробление), в медицине (диатермия), в быту и торговле (СВЧ печи). Для этих применений выделены частотные диапазоны [6]:

Тепловую энергию можно передавать путем излучения, конвекции или теплопроводности. В процессе СВЧ нагрева передача тепла материалу производится путем облучения его энергией СВЧ. Энергия СВЧ - это очень удобный источник тепла, имеющий несомненные преимущества перед другими источниками. Нагрев энергий СВЧ является чистым методом, так как при его использовании отсутствуют какие-либо продукты сгорания, отличается большой гибкостью в применении и практически безынерционен в управлении. Легкость, с которой СВЧ энергия преобразуется в тепло, позволяет получить очень высокие скорости нагрева, возможность мгновенно изменять количество СВЧ энергии по всему объему диэлектрика, что обеспечивает хорошее качество продукции.

Не металлические материалы полупрозрачны для СВЧ - энергии. Поля СВЧ проникают в такие среды на значительную глубину, которая зависит от их свойств, параметров. В теории электромагнитного (ЭМ) поля каждая среда харак-

заны с абсолютными величинами соотношениями: e = e0 × er и μ = μ0 × μr

Взаимодействуя со средой на атомном и молекулярном уровне, эти поля влияют на движение электронов. Электроны в таких материалах движутся более или менее свободно в зависимости от диэлектрической проницаемости и проводимости. Наличие проводимости делает диэлектрик неидеальным, с потерями. В диэлектрике с потерями, находящемся в ЭМ поле, текут токи: смещения, плот-

127

Следует отметить, что при падении волны на диэлектрик определенной толщины некоторая часть поля отражается от поверхности. Если Zgn – волновое сопротивление диэлектрика у поверхности, а Z0 волновое сопротивление свободного пространства, то величина отраженного сигнала [12] определяется коэффициентом отражения.

Zgn представляет, с другой стороны, входное сопротивление диэлектрика и согласно [8] теории передающих линий, определяется по формуле:

128

γ& - комплексная постоянная распространения волны, определяется уравне-

нием γ& = α + iβ . Величина α (4.2) в случае малых потерь определяется формулой (4.4), а фазовая постоянная при малых потерях равна

β = (1 + tg 2δ ) ×ω μ ×ε

8

Волновое сопротивление свободного пространства Z0= 377Ом, волновое сопротивление диэлектрика при малых потерях [12] можно определять как

Хотя уравнения для Zqn , α, β имеют приближенный характер и справедливы для случая малых потерь в среде, но они позволяют оценить сложные процессы взаимодействия электромагнитной волны с диэлектриком.

4.1.2. Электродинамические системы нагрева диэлектриков полями бегущих волн

Электродинамические системы для нагрева в распространяющихся полях применяются для сушки бумаги, тканей, фанеры, пиломатериалов, для нагрева порошков, для раскалывания камней, гранита, для размораживания пищевых продуктов и т.п. Такие поля создаются с помощью волноводов (прямоугольных, цилиндрических, коаксиальных), антенн специальных конструкций, возбуждаемых волноводами, и работающими в дециметровом и сантиметровом диапазонах волн. Для создания полей бегущих ЭМ волн в таких линиях необходимо выполнить согласование сопротивлений всех узлов. Тогда, очевидно, нагрев диэлектрика происходит равномерно электрическим полем бегущей волны, а не использованная полностью энергия поступает в нагрузку.

Прямоугольный волновод для СВЧ нагрева полями бегущих волн работает на основной волне типа H10 (рис. 4.2) и его размеры сторон འb задаются неравенствами

Для данного волновода и типа волны необходимо рассчитать величину │Е│2 ,

определяющую мощность потерь на нагрев. Для этого используем выражения компонент полей, которые получены из уравнений Максвелла с учетом граничных условий для данного волновода:

где βb -коэффициент фазы волны в волноводе;

А - константа, определяется величиной передаваемой мощности Р и размерами поперечного сечения волновода в виде

здесь а, b – в сантиметрах;

Zc – характеристическое сопротивление волновода для волны H10 определяется из соотношения

среды волновода.

Распределение ЭМ поля и токов волны типа Н10 (структура) (рис. 4.2) построено в соответствии (4.13).Линии тока смещения направлены также как и линии электрического поля; их максимум в центре волновода, но он сдвинут вдоль оси z на π/2, относительно максимума поля Е. По внутренним стенкам волновода течет ток проводимости, создаваемый тангенциальным магнитным полем H, проходящим вблизи стенок. Картина поля с совпадением направлений линий повторяется через расстояния, равные длине волны в волноводе λв. Картины токов и ЭМ поля позволяют выбрать место расположения диэлектрика для эффективного использования энергии электрического поля, а также форму технологиче-