Приборы и устройства СВЧ, КВЧ и ГВЧ диапазонов

211

8.3 Генератор на ЛОВМ

Схема устройства генератора на ЛОВ М в цилиндрическом варианте представлена на рис. 8.12. Пушка короткой оптики представлена катодом 1, управляющим электродом 2, создающими в приборе ленточный электронный поток 6, движущийся к коллектору 5. Между холодным катодом 7 и ЗС типа «встречные штыри» 3 находится пространство взаимодействия. Вывод энергии 4 расположен у катодного конца ЗС. У коллектора — поглотитель.

Электронный поток создает в замедляющей системе наведенный ток и электромагнитное поле пространственных гармоник. На одной из пространственных гармоник ( m = −1), для которой v0 = vфm, начинается взаимодействие потока с полем волны, при котором в тормозящих полупериодах электрического поля гармоники происходит увеличение её энергии. В ЛОВМ возникает положительная обратная связь между полем волны и электронным потоком, при которой волна тратит часть своей энергии на модуляцию по скорости и последующую группировку электронов в тормозящем поле. Образующиеся сгустки, двигаясь в сторону коллектора, отдают полю волны в ЗС уже большую энергию, при-

обретая её в потенциальном поле. В результате устанавливаются колебания амплитуды, определяемой балансом мощностей и фаз. Вследствие трудностей широкополосного согласования вывода энергии с замедляющей системой возможны отражения от нагрузки. Для устранения этого эффекта в ЛОВМ, как и в ЛОВО, применяют сосредоточенный поглотитель.

Максимальная выходная мощность ЛОВМ в непрерывном

212

режиме получена от нескольких сотен ватт до киловатт. В импульсном режиме от сотен киловатт до несколько мегаватт. ЛОВМ применяется в качестве генератора помех, в системах космической связи, в передатчиках с электронной перестройкой частоты в полосе 20—30 %.

Баланс фаз. Для обеспечения самовозбуждения ЛОВМ сумма фазовых углов при обходе по контуру автогенератора должна быть кратна 2π n , т.е. βel + βфl = 2π n , где βel — фазовый набег на длине l ЗС для потока, а βфl — тоже для волны; величи-

на n — целое число. Чтобы генератор работал в широком диапазоне частот, сумма групповых задержек должна давать ноль в этом диапазоне, т.е. l(dβe ) /(dω) + l(dβф ) /(dω) = 0. Поскольку взаимодействие потока происходит с полем обратных пространственных гармоник и осуществляется при равенстве скоростей v0 = vф(−1) , то условие выполняется: l / ve = −l / vф(−1) . Согласно рассмотренному выше механизму генерации СВЧ-колебаний амплитуда поля гармоники должна быть минимальной в конце замедляющей системы, у коллектора и максимальной у катода лампы, тогда на длине замедляющей системы l должно укладываться нечетное число четвертей длины волны: 4l / λ з = (2n − 1) , где

n = 1, 2. 3,... Число n определяет номер зоны и диапазон изменений U, в котором возможна генерация колебаний на длинах волн от λ min до λ max, определяемых полосой пропускания ЗС.

Баланс амплитуд (мощностей) определяет необходимую величину энергии, которая должна быть передана электронами полю волны для покрытия потерь и обеспечения мощности на выходе, для чего требуется определенная величина пускового тока в рабочей зоне генерации, равная [11]:

Iпускn = (2n −1)2 E0vф(16ωRсвN 2 ) = (2n −1)2 E02(16ωRсвN 2B). (8.22)

Величина пускового тока возрастает с увеличением номера зоны генерации:

Iпуск n = (2n −1)2 Iпуск 1 , где Iпуск 1 = E02 /(16ωRсвN 2 B) . (8.23)

Эта объясняется тем, что при увеличении n на длине ЗС укладывается n четвертей длины волны. В результате переформиро-

213

вания сгустков снижается эффективность обмена энергией электронов с полем.

При смене номера зоны генерации изменяется частота колебаний. При токах пушки I0 > Iпуск1 ЛОВМ одновременно генерирует колебания двух частот в обеих зонах генерации, а амплитуда колебаний основной частоты уменьшается.

Электронная перестройка частоты (рис. 8.13) ЛОВМ осу-

ществляется изменением напряжения на ЗС и объясняется тем, что с изменением Uа происходит изменение скорости электронов и (согласно условию фазового синхронизма) скорости пространственной гармоники, поскольку для обратных пространственных гармоник с увеличением напряжения Uа частота генерируемых колебаний растет. Если дисперсионная характеристик ЗС линейная, то ω = ϕ(U0 ) также получается линейной, что важно для генераторов.

Рис. 8.13 — Дисперсионная характеристика ЛОВМ (а), скорость электронов от напряжения (б) и характеристики электронной настройки (в, г)

Глава 9. МИКРОВОЛНОВЫЕ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ ПРИБОРЫ И УСТРОЙСТВА РАЗЛИЧНОГО НАЗНАЧЕНИЯ

Особенностью полупроводниковых приборов (ПП) в от-

личие от вакуумных является то, что взаимодействие заряженных частиц с электромагнитными полями происходит не в вакуумном

214

пространстве, а в кристаллической решетке твердого тела. Это обстоятельство не позволяет обеспечить большие скорости носителей зарядов (электронов и дырок). Их максимальная скорость в несколько тысяч раз меньше скорости света.

Из-за малых скоростей носителей зарядов в полупроводниковых приборах необходимы очень малые протяженности пространств взаимодействия, чтобы время пролета зарядов τ было меньше периода СВЧ-колебаний Т. Если исходить из того, что

τ= l / v < 0,5T , т.е.l < 0,5v / f , то при скорости носителей v = 105 м/с

ичастоте f = 10 ГГц ( λ = 3 см) протяженность пространства взаимодействия l должна быть меньше 5 мкм. В связи с этим основной особенностью ПП являются малые размеры и масса, низкие напряжения источников питания, сравнительно небольшие мощности генераторов и усилителей.

Вследствие малых размеров полупроводниковых диодов и транзисторов по сравнению с резонаторами и передающими линиями, приходится изготавливать ПП отдельно от схем, в которых они используются. Поэтому твердотельные генераторы и усилители СВЧ являются устройствами, содержащими полупроводниковые диоды или транзисторы.

Наиболее широко используемым полупроводниковым материалом с высокой подвижностью электронов является арсенид галлия. Применяют также кремний, фосфид индия и германий (приложение А).

Основные типы ПП по числу переходов делят на беспере-

ходные (термисторы), однопереходные (диоды) и двухпереходные

(биполярные транзисторы).

Полупроводниковые диоды и триоды выполняют в устройствах СВЧ различные функции, включая детектирование, генерирование, усиление колебаний, умножение и смешение частот, суммирование и деление мощности, обеспечение переменными реактивными проводимостями. С помощью полупроводниковых диодов создаются электронные устройства, работающие в диапа-

зоне частот до 300 ГГц.

Разработанные конструкции полевых и биполярных транзисторов СВЧ предназначены для генераторов и усилителей до

215

30 ГГц, имеют рабочие напряжения до 20 В и токи до нескольких ампер.

9.1Полупроводниковые СВЧ-диоды с положительным дифференциальным сопротивлением

9.1.1 Параметры СВЧ-диодов

СВЧ-диоды (рис. 9.1, а, б), выпускаемые промышленностью (приложение В), отличаются устройством, полупроводниковым материалом, областью применения и параметрами [21].

На рис. 9.1, в представлена эквивалентная схема любого СВЧ-диода, справедливая в случае, когда размеры диода много меньше рабочей длины волны.

Zп = Rп + jX п — сопротивление полупроводниковой струк-

туры, определяется типом перехода, напряжением на диоде, температурой и устройством конкретного диода. Сопротивление Zп учитывает диффузионную и барьерную емкость и дифференциальное сопротивление перехода. Эквивалентные параметры Lк и Ск — индуктивность и емкость корпуса, имеют величины 0,1÷2 нГн, 0,05÷0,4 пФ. Величина RS — сопротивление объема проводника, контактов и выводов диода ( RS = rпр + rк + rв ). Для конкретного

типа диода эти параметры даются в справочной литературе. Элементами эквивалентной схемы диода определяются па-

раметры:

предельная (критическая) частота при заданном напря-

жением смещения:

где C = C диф + C бар + C к — полная емкость диода; добротность диода Qд, или качество его, на рабочей частоте f:

постоянная времени диода в виде:

216

симально допустимая температура, определяют предельные режимы работы ПП СВЧ - диапазона.

Вольт-амперная характеристика (ВАХ) полупроводни-

ковых диодов, используется в расчетах разнообразных устройств. Эти характеристики снимаются в статистическом режиме, справедливы при работе прибора на СВЧ, но не всегда. ВАХ рассматривается далее в каждом конкретном случае диода.

Все ПП-диоды следует разделить на 2 группы.

Первая группа — диоды с положительным дифференциаль-

ным сопротивлением, для них при наложении СВЧ-напряжения

производная dU > 0. Используются как нелинейные элементы в di

схемах преобразования частоты, параметрического усиления, управления амплитудой, фазой и даже направлением распространения сигнала в линиях передачи (это детекторные, смесительные, управляющие диоды).

Вторая группа — диоды с отрицательным дифференциаль-

ным сопротивлением, возникающим при наличии СВЧ-полей (диоды ЛПД, диоды Ганна).

9.1.2 Детекторные и смесительные диоды

Детекторные и смесительные диоды используются для преобразования СВЧ-токов в постоянные, или в токи низкой частоты, для их индикации и усиления. Полупроводниковые детекторы

— это выпрямители, использующие в основном выпрямляющие свойства переходов типа металл-полупроводник. Как известно, в месте контакта двух материалов с различным значением работы выхода электронов возникает контактная разность потенциалов, называемая потенциальным барьером. Этот барьер снижается при прямом смещении и увеличивается при обратном. Поэтому

218

Поскольку ВАХ детекторов СВЧ близка к квадратичной зависимости, можно считать, что I0 ≈ kUm2 ≈ βPвх , где k и β — ко-

эффициенты пропорциональности. Величина β называется чувст- вительностью по току и является основным параметром детектора. Чувствительность по току не является стабильной и находится в пределах 1...5 А/Вт или, что то же, 1...5 мкА/мкВт, для точечных диодов и 3...10 А/Вт для ДБШ. Она зависит от частоты, рабочей температуры и уровня входного сигнала. Значение β уменьшается по мере эксплуатации диода.

Рис. 9.2 — Характеристики перехода и его выпрямляющее действие

Поэтому детекторные диоды используются не для измерения мощности, а лишь для ее индикации. Допустимая мощность, которую можно подать на диод, не опасаясь «выгорания» контакта, не превышает нескольких десятков милливатт. Минимальная мощность входного сигнала, которую можно обнаружить на фоне собственных шумов детекторного диода, составляет 10–8 ÷10–9 Вт.

Предельная частота согласно выражению fпред = 1/(2 π RsСп) достигает 300 ГГц при Rs < 1 Ом и Сп < 0,5 пФ.

На рис. 9.3, а, б приведены волноводная детекторная головка и схема подключения к диоду измерителя постоянного тока. На рис. 9.3, в представлена схема включения детектора в зондовую коаксиальную головку измерительной линии. Блокировочный конденсатор Сб, выполненный в виде слюдяной прокладки 1

219

(рис. 9.3, а), замыкает высокочастотную часть цепи диода 2, отделяя ее от цепи постоянного тока 3.

Смесительные диоды почти не отличаются по характеристикам и конструкциям от детекторных. Кроме основного сигнала fс, в смесительную головку подается сигнал от маломощного генератора — гетеродина fг. Основной задачей смесителя является выделение промежуточной частоты, fпрoм, определяемой разностью частот обоих сигналов, т.е. fпрoм = fг – fс.

Рис. 9.3 — Волноводная детекторная головка и схемы включения диодов

Основным параметром смесителей является величина по- терь преобразования Lпр, определяемая отношением мощностей основного входного сигнала Рс и сигнала промежуточной часто-

ты на выходе смесителя Рпром, т.е. Lпр = 10lg ( Pc / Pпрoм ) . Значения

Lпр — составляют 3...10 дБ. Не менее важным параметром является коэффициент шума Fш смесителя, от которого зависит шумфактор на входе супергетеродинного приемника. Типичные значения для смесителя Fш в пределах от 5...8 дБ в сантиметровом диапазоне до 10...12 дБ в миллиметровом диапазоне длин волн. Значения Lпр и Fш зависят также от мощности гетеродина Рг и являются минимальными при Рг = I...3 мВт.

9.1.3 Управляющие диоды

Управляющие диоды позволяют создавать СВЧ-устройства

220

различного назначения, например аттенюаторы, фазовращатели, выключатели и переключатели каналов СВЧ-мощности и т.п.

Примером управляющих диодов может быть р-i-n-диод, представляющий трехслойную структуру (рис. 9.4), в которой сильно легированные p- и n-области разделены высокоомной областью i с собственной проводимостью, высокоомная область называется базой.

Рис. 9.4 — Полупроводниковая структура p-i-n-диода

На границах раздела полупроводниковых слоев с различным типом проводимости образуются выпрямляющие переходы, препятствующие диффузии носителей заряда в базу диода из p- и n- слоев при запирающем или при нулевом управляющем напряжении на диоде. Из-за высокого сопротивления базы р-i-n-диод оказывается непроводящим на СВЧ. Малая продолжительность положительного полупериода СВЧ-сигнала не позволяет создать в базе достаточную концентрацию носителей. При подаче на p-i-n- диод положительного управляющего напряжения переходы отпираются и носители — электроны из n-области и дырки из p- области проникают в базу диода, превращая её в проводник. Для поддержания низкого сопротивления открытого p-i-n-диода через него необходимо пропускать ток смещения в 10—500 мА, в зависимости от типа диода, возмещающий потери свободного заряда в базе за счет рекомбинации электронов и дырок. Запасенный в базе открытого p-i-n-диода объёмный заряд позволяет пропускать через него токи СВЧ с амплитудой в сотни ампер при низком сопротивлении диода, без свойств выпрямления.

При увеличении толщины i-слоя увеличивается сопротивление диода в открытом и закрытом состояниях, а также растёт пробивное напряжение и уменьшается емкость перехода. В мощных