книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие

100 -

«1

2. УСИЛИТКЛИ СВЧ НА ПРОБОРАХ С МЕДДОЛЙННШ ПЕРЕНОСОМ ЗЛЕКТРОНОВ

В основе принципа действия усилителейна МЯП-при- борах лежит явление, экспоненциального увеличения прост­ ранственного ■заряда во времени в среде с отрипательңой

оказываются ограниченными величины выходкой мощности и

произведения.коэффициента усиления-на полосу , а при

n0L > 2 ' 'ЮІгы * Трудно обеспечить устойчивое усиление

тронов:усилители с отрицательным сопротивлением и усили­ тели с бегущей волной объемного заряда.

Усилители с- отрицательным сопротивлением В усилителях этого тина стабильное, усиление полу-

-101 -

чается за счет отрицательного сопротивления ДЭП,смещен­

ных в область отрицательной дифференциальной подзихности

носителей заряда.

Диоды с электронным переносом, применяемые в усили­

телях с отрицательным сопротивлением, представляют собой

зону ЗБ'І контуре ( волковод,резонатор,полосковая линия ) , jBMecTe с которым образует активный модуль усилителя с отрицательным сопротивлением. Принципиальная схема моду-г ля изображена на рис. 55 (цепи постоянного напряжения смещения не показаны/\ДЭП представлен параллельным соединением отрицательной активной проводимости б'-б^іи реактивной проводимости (J ßrf —JcüCj) »имеющей емкост­ ный характер, что соответствует состоянию с ОДП. СБЧкоктур характеризуется параллельными проводимостями

-102 -

иJ&K- Модуль включен на конце линии передачи с вол­ новой проводимост ьс Yo •

Коэффициент усиления по мощности Ар , который мо­ жет быть получен в таком модуле.определяется отношением

Активныймодул±

Рис-65- Принципиальная схема модуля с МЗП-прйбооом.

отраженной мощности Pß^p к падающей Рпод на входе моду­ ля, то есть численно равен квадрату абсолютной величины коэффициента отражения в плоскости подключения, активно­ го модуля к линии:

U -J lâ in iL Ч г/ г

Рпад

Записывая выражение для абсолютной величины коэффициен­ та отражения в виде:

,YQ - Y&c

'Yo + Yëx ’

где Yg^ - входная проводимость активного модуля, и под­ ставляя , чтосоответствует состоянию ОДЕІ в ДЭД, получим:

Yo + G4-J ч л

^Р =

О Yn - Gd '

Величина отраженной'мощности превышает падающую; следо­ вательно, в активном модуле имеет место усиление СШ-ко-

- 103 -

баний.

Подводимая и отраженная мощности могут быть разделе нк либо с помощью циркулятора, либо.путем использования двух усилителей в балансной схеме. В циркуляторном усили теле (рис.об) усиливаемый сигнал поступает з плечо 1

циркулятора и. через плечо 2 - е л и н и ю , на конце которой расположен активный модуль. Усиленный отраженный сиг­ нал поступает в плечо 2 циркулятора и далее через пле­ чо 3- в нагрузку. На. рис.5? изображен балансный стабиль-

модуль

ный усилитель с отрицательным сопротивлением,, г котором разделение входного сигнала и суммирование мощностей, отраженных отд^ькыми модуляторами,осуществляется с по­ мощью лелевогэ моста.

- 104 -

Стабильное усиление в рассматриваемых усилителях может быть обеспечено в двух режимах.При использовании ДЭП, для которых произведение flL<2 ' іОігсм‘г.устойчи­ вая отрицательная проводимость имеет место только в том случае, когда напряжение смещения очень незначи­ тельно (единицы процентов) превышает пороговое значе­ ние. Интервал отклонения напряжения смещения от Unop

стремится в нулю при увеличении ПІ. до 2 -10^* -а .Такие усилители характеризуются очень малой выходной мощно­ стью а узкой полосой пропускания вблизи пролетной час­ тоты .диода.

• Другой режим усиления, более -эффективный, может быть обеспечен в усилителях, когда для используемых в аих ДВП величина произведения концентрации легирующей примеси на длину находится в пределах 1- 2 -1 0 см'2 , а величина постоянного напряжения смещения обычно в 2 -4

раза превышает пороговое напряжение. В таком режиме устойчивая отрицательная проводимость ДОП может быть обеспечена в очень широком диапазоне частот £17].

На рис. 68 изображена вольтамперная характеристика

Основные параметры однокаскадных усилителей,работающих

Усилители бегущей волны обеспечивают однонаправлен­ ное усиление без применения циркуляторов или ферритовых вентилей. Принцип действия их основан на том, что если в ДОП, находящемся в устойчивом состоянии с ОДП, какимлибо образом изменять плотность объемного заряда у като­ да, то в диоде возникает -экспоненциально нарастающая волна пространственного заряда, распространяющаяся в сторону анода (ри с .69).

Рис.бЭ-. Волна пространственного заряда в МЭП-приборе.

Принципиальная схема усилителя бегущей волны изоб­ ражена на рис.70 .. Усилитель состоит из трех областей: в области 1 »являющейся входнш элементом свя8и,колеба-

*

- 107 - ■гия СЗЧ, подводимые к усилителю, возбуждают в ДЭП коле­

бания плотности объемного заряда; область 2 представ­ ляет собой среду с ОДД^где происхода усиление распро­ страняющейся волны пространственного заряда; область 3- выходное устройство связи, в котором усиленная Еолна возбуждает СВЧ-колебания в выходной линии.

в

обмI обп. 2

входСВЧI МЭЛ-диод ВыходСВЧ

Рис.70. Принципиальная схема усилителя бегущей волны.

В усилителях с бегущей волной с целью увеличения усиления обычно используются ДЭП,длина которых L равна нескольким длинам волн пространственного заряда б полупроводникё. Однако с увеличением размера L увеличивает­ ся параметр ПІ~ и облегчаются условия формирования до­ менов. Образование доменов в усилителе недопустимо,тал как ограничивает нарастание сигнала и может привести к самовозбуждению усилителя на пролетной частоте.

Для обеспечения устойчивого усиления наружная по­ верхность полупроводника в ДЭП покрывается пленкой ди- • электрика с очень высокой диэлектрической проницаемостью

(такого как титанат бария ВоѴ 03 , имеющего £■=. 12000 ) . Применение пленки диэлектрика.предотвращает возможность

'108 -

формирования доменов и самовозбуждения усилителя £14] . Рассмотрим примеры практического осуществления СВЧ-

усилителей с бегущей волной пространственного заряда. На рис.71 изображена схема импульсного усилителя

включен в несимметричную-полосковую линию с волновым сопротивлением 50 Ом. Боковая поверхность полупроводни­ ковой пластинки покрыта пленкой титаната бария для обес­ печения устойчивого усиления. Рабочее напряжение (260BJ,

подводимое через дроссели Лр к омическим контактам, обеспечивает в полупроводнике состояние ОЦП.

Максимальная выходная мощность 100 мВт.Частотная

- 109

Рис.72. Частотная характеристика МЭП-усилитедя: 1-оптимальная нагрузка; 2-нагрузка 50 0ы.

Рабочее напряжение 50 В, предполагаемое усиление 20 дБ

при выходной мощности несколько милливатт.

я -

GQ As

/////////ТТЛ77777777777777,77777777777 too MKM

Рис. 73. Усилитель с бегущей'волной плашрной конструкции.

В заключение необходимо отметить важңую особенность

усилителей с бегущей волной пространственного заряд§.