книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие
.pdf- по -
Так как в этих усилителях передача сигнала от входа к выходу происходит со скоростью дрейфа объемного заряда, то величина фазового сдвига сигнала на выходе обратно пропорциональна скорости носителей заряда. Таким обра зом, усилители с бегущей волной пространственного за ряда могут использоваться как линии задержки с электрон ной перестройкой_или фазовращатели с усилением. Регули ровка величины задержки или фазы выходного сигнала дос тигается изменением рабочего напряжения.
3.АВТОГЕНЕРАТОРЫ КОЛЕБАНИЙ СВЧ НА ПРИБОРАХ
аС МЕЖДОЛИННЫМ ПЕРЕНОСОМ ЭЛЕКТРОНОВ
Современные автогенераторы на основе переноса электронов могут генерировать частоты до 100 ГГц и характеризуются [18*] наибольшей выходной мощностью среди твердотельных приборов СВЧ-диапазона ( 6 кВт в да.диапазоне). Важными достоинствами этих генераторов являются также широкий диапазон механической перестрой ки (4-12ГГц) и весьма низкий уровень AM- и 4Mшумов.
Для получения незатухающих колебаний в диапазоне 1-90 ГГц используются МЗП-приборы на основе n - GaAs t
выращенные с помощью эпитаксиальной технологии. Гене раторы конструируются в коаксиальном,волноводном,полос ковом и микрополоскоБом вариантах.
Эквивалентная схема автогенератора с МЭІГ-
прибороы
о
Автогенератор СВЧ-колебаний с междолиыным первеансом схематически изображен на рис. 74 . МЭП-прибор
- in
размещается внутри резонатора - в области,где электри ческое высокочастотное поле имеет максимальную напря женность. При напряжении смещения,превышающем UПОр»в ДЭП возникает отрицательная дифференциальная проводи мость, обеспечивающая при определенных условиях само возбуждение генератора.
|
|
|
Ар |
Резонатор |
|
|
|
P-Jгѵѵуч |
C(f |
/ |
|
Р ис.74- |
Автогенератор с |
I |
|
Вш.СВУ |
|
и |
|
|
|
||
междолинным перено |
|
|
|
||
сом |
электронов. |
d |
C |
# |
~ |
|
|
|
/ . |
нэп-диод |
|
|
|
настроит |
|
|
|
На рис.75 изображена эквивалентная схема автоге нератора, соответствующая состоянию с ОДП. Полная про водимость Д°П имеет комплексный характер 93^+уД/ при чем в широком диапазоне частбт активная составляющая
Ом
|
|
_ Л |
|
Рис.75. Гквивалентная схема |
автогенератора. |
||
проводимость' отрицательна |
(~ Gy ) , |
а реактивная |
имеет |
емкостный характер |
«Резонатор на эквивалентной |
||
схеме представлен комплектной проводимостью |
» |
||
а связанная с ним внешняя цепь-активной проводимостью (^.Условие самовозбуждения колебаний в схеме имеет вид
-112 -
б^ +G/y —Qd ^ О >
ачастота генерируемых колебаний определяется из усло
вия
j 8 > d + j 8 « * О .
Режимы работы автогенераторов на ДЭП
3 автогенераторе ДгП находится внутри реэонатора, следовательно, ка него вбздействует результирующее на
пряжение,-‘равное сумме-постоянного напряжения смещения и высокочастотного напряжения. Так как амплитуда высоко частотных колебаний может быть сравнима с величиной повеянного';напряжения смещения, то результирующее на пряжение на ДэП будет периодически изменяться в широких
пределах. Б таких условиях электронные процессы в ДЭП должны в значительной степени зависеть от собственной частоты и добротности резонатора.
В настоящее время известны несколько режимов рабо
ты генераторов с переносом электронов, отличающихся зна
чениями выходной мощности, эффективностью преобразова
ния энергии, диапазоном перестройки и другими парамет рами, определяющими возможность их практического при менения.
Пролетный (ганновский) режим
В -этом режиме ДзП‘работает при напряжении смещения,
равном пороговому в.резонаторе с очень низкой доброт- ■
ностью/ Q- О) |
или на чисто |
активную нагрузку, |
как пока |
зано па рис.76 |
. Этот тип-колебаний был открыт и иссле |
||
дован Дж.Ганном в 1963 г. |
19Д •. |
|
|
В момент включения напряжения смещения |
UCMUп0р |
||
|
113 |
- |
|
|
|
|
напряженность поля в полупроводаике достигает также |
||||||
порогового значения |
£ = Е |
° |
и на катоде |
форми |
||
руется домен сильного поля. Сопротивление образца в |
||||||
области домена сильно |
увеличивается, |
в результате |
чего |
|||
ток во внешней цепи резко падает, |
как |
показано |
на |
рис. |
||
77,6 ( момент t =0 ) |
.Движение домена |
от катода |
к |
аноду |
||
пределение поля вдоль образца, соответствующее сущест вованию домена, изображено на ри с.77,а .Как видно изрисунка, напряженность электрического поля во всем объ-
Ряс.77. Работа ;.1ЭП-диода б режиме ганковских колебаніи
а-домен сильного поля; б -Ьорма тока во
внешней цепи.
еме полупроводника, кроме области домена, меньше £ пор'
поэтому одновременно в образце может существовать толь
114
ко один домен. Достигнув анода, домен постепенно исче зает, при этом во внешней цепи наблюдается увеличение тока, а внутри полупроводника - повышение напряженности поля. Как только поле достигает значения Е- Е По^ на ка тоде возникает новый домен и цикл повторяется. ДЭП гене рирует импульсы тока с частотой, обратной времени про лета домена от катода к аноду рис.??,б .Частота гене рируемых импульсов тока во внешней цепи определяется временем движения домена в приборе и не зависит от внеш ней цепи..
|
|
|
' г = |
_ |
гГ _ |
У0 7. |
|
|
|
|
Т"Р |
Tt ~ |
L |
~ |
L J |
где |
L |
дано |
в сантиметрах. |
|
|
|
|
|
Величина генерируемой мощности высокочастотных ко |
||||||
лебаний пропорциональна |
квадрату |
напряжения смещения и, |
|||||
следовательно, |
пропорциональна |
, 2 |
или обратно пропор |
||||
L |
|||||||
циональна |
квадрату частоты. |
Эффективность преобразова |
|||||
ния |
энергии в |
пролетном режиме очень низка: не превышает |
|||||
долей процента. Практического применения в радиотехник чѵсвих устройствах этот режим не получил.’
Пролетный режим с "запаздывающим доменом"
В отличие от рассмотренного выше чисто пролетного
режима режим с "запаздывающим доменом" имеет место в генераторах с высокой добротностью резонатора.Мгновен
ное |
значение напряжения Ус?) |
на Д^П в рассматриваемом |
|
г |
|
режиме определяется выражением |
||
|
U(t) = У-см |
Um COsU)o^y |
где |
Мщ- амплитуда высокочастотного напряжения; |
|
|
іл) - собственная частота |
резонатора,соответствующая |
- 115 -
периоду TQ .При больших значениях добротности, как
отмечалось ранее, амплитуда высокочастотного напряжения в резонаторе соизмерима с постоянным напряжением UeM . Для осуществления режима с "запаздывающим доменом" не
обходимо обеспечить два условия.
1. Величины постоянного напряжения смещения и
амплитуды высокочастотного напряжения должны быть выб
раны так, чтобы в любой момент |
времени напряженность |
|||
поля превышала значение |
Es |
, при котором происходит |
||
распад |
домена. |
|
|
|
2. |
Собственная частота |
резонатора Ц)0 и размера |
||
ДЭП должны быть такими, |
при которых время пролета до |
|||
мена Т± |
и период высокочастотных колебаний Тв удовлет |
|||
воряют |
неравенству |
é |
Tt |
4 Та |
На рис. ?8 изображены |
зависимости напряженности |
|||
- 116 -
поля на ДЭП и тока во внѳшкѳй цепи от времени!позволяющие
качественно рассмотреть работу генератора в режиме с
"запаздывающим доменом" и определить возможные пределы изменения частота генерируемых колебаний. Б момент ~t=.0
мгновенное значение напряжения U(t) - (Уем .причем на пряженность поля 'равна пороговой Е - Е Пор и на кат°Де
ДЦП формируется домен сильного поля, а ток во внешней цепи резко уменьшается. Сформированный домен .движется
к аноду |
с |
постоянной скоростью. Если время пролета до |
|||
мена |
7* |
|
находится в |
интервале |
TQ ,то домен |
достигает |
анода и исчезает при значении напряженности |
||||
пода |
в диоде £ |
этих условиях |
образование но |
||
вого домена произойдет только через некоторый промежуток ■
времени <4^=*7£-7£ |
, когда напряженность поля |
снова до |
||||
стигает значения |
£ ПОр . Таким образом,имеет |
место |
за |
|||
паздывание |
появления нового домена |
у катода ("относитель |
||||
но момента исчезновения предыдущего) на время A~t3 »ве |
||||||
личина которого может изменяться, |
как видно |
из рис.78, |
||||
в пределах |
0<>At3 ± r°/Z . |
|
|
|
|
|
В промежутке |
времени А t3 напряженность поля |
Е< Ent>p |
||||
и проводимость диода положительна, |
т .е . ДСП |
ведет |
себя |
|||
как чисто |
активное сопротивление. |
Величина |
тока через |
|||
диод пропорциональна мгновенному значению напряжения на нем. Частота периодических изменений тока ( рис.78 ) оп
ределяется собственной |
частотой резонатооа / = |
и. |
|
|
J О |
' ! о |
* |
еле довате»::ьно, возможна механическая лереетро |
|||
|
|
и ка |
час- |
тоги гене;,чаруемых колебаний. Учитывая, что'Т- |
/ |
из |
|
второго j с:ловкя легко |
получить „соотношение |
|
|
JnP /l 4 |
То ^ / п р |
|
|
|
- 117 - |
гле -Р |
= düL . Шз положенного выражения следует, что |
■'"Р |
L гм |
максимально возможный диапазон механической перестройки генератора в режиме " с запаздывающим доменом" равен октаве. Перестройка возможна в сторону низких частот от
пролетной частоты -f-np , определяемой геометрией ДЭП. Теоретическое значение эффективности преобразования
энергии в режиме "с запаздывающим доменом" приближается к 27% [18].
Режим " гашения домена"
Для работы генератора в режиме "гашения"необходи-. мы высокочастотные колебания с большей амплитудой, чем в режиме "с запаздывающим доменом" и, следовательно,тре буется более высокая добротность резонатора. Амплитуда высокочастотного напряжения должна быть такой, чтобы в течение .некоторой доли периода Т0 напряженность поля в ДіП уменьшалась ниже значения £ - £ г , при котором проис
ходит гашение (распад) домена. Кривые изменения напря женности поля и тока во внешней цепи ДВІІ, соответствую щие установившимся колебаниям в режиме "гашения"»изобра
жены на рис. ТО . В момент t =0 результирующая напряжен
ность поля Е &ЕПор и на катоде .диода формируется домен сильного поля. Возникновение домена сопровождается рез ким уменьшением тока во внешней цепи.Сформированный 'до мен распространяется в сторону анода с постоянной ско
ростью. Если период высокочастотных |
колебаний |
7ф $ 7ф , |
то уменьшение электрического поля до |
значения |
£ s и пае— |
пад домена происходят раньше (момент |
~tz на рис. 7Э ) . |
|
чем он достигнет анода. Распад домена происходит практи чески мгновенно, так как при £ <■Н еотрицательная объем
-118 -
ная проводимость в полупроводнике отсутствует и подвиж ность электронов очень высока. Исчезновение домена соп ровождается увеличением тока до значения,определяемого активным сопротивлением полупроводника. В дальнейшем ток будет изменяться пропорционально напряжению до тех пор)
пока напряженность поля не достигнет значения Епор,ій
цикл повторится.
Р и с .79Режим "гашения"домена..
Частота генерируемых колебаний так же, как и в пре дыдущем режиме, определяется собственной частотой резона тора 4- г однако основное достоинство режима "гашения" б том, что механическая перестройка йожет осуществляться в сторону, более высоких частот от пролетной частоты.
Теоретическое значение э'р; активности преобразования энергии з режиме “гашения” может достигать 13а ря"] .
- 119 - Сравнительно низкий к .п .д . объясняется тем, что домен
пробегает только часть полупроводника ДЭП и поле в ос
тальной его части никогда не презшшет порогового зна чения, тем самым активная часть диода оказывается как
бы нагруженной последовательным резистором, в котором расходуется значительная часть мощности.
Режимвограниченного накопления объемного заряда (0Н03) '
Новый высокоэффективный режим работы,получивший сокращенное название 0Н03, был открыт в 1966 г. Для осу ществления генерации колебаний в этом режиме генератор
должен иметь высокодобротный резонатор,собственная час
тота которого f значительно вш е обратной величины
времени пролета '1/ть электронов в ДЭП. Напряжение сме щения подбирается так, чтобы напряженность постоянного
электрического поля Ва в несколько раз превышала поро
говое значение ( практически Е0=2-?~3 Епор) .Нагруженная добротность резонатора должна быть достаточно высокой,
чтобы обеспечить такую амплитуду |
высокочастотных ко |
лебаний, при которой результирующее |
поле £ = £д+ |
аа некоторую малую долю каждого периода становится мень
ше порогового значения Епор |
- |
|
|
Принцип действия автогенератора в режиме ограничен |
|||
ного накопления объемного заряда изображен |
на рис.80 . |
||
В интервале времени |
электрическое поле |
поевосходпт |
|
пороговое значение |
Еяо^ . Диод находится в |
состоянии с |
|
отрицательной дифференциальной проводимостью и, следо вательно, отдает энергию СВЧ-полю резонатора. Благодаря высокой собственной частоте резонатора промежуток времени