книги из ГПНТБ / Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие
.pdf- PO
жения диода и согласующего трансформатора практически вся мощность передается в резонатор и лишь очень малая часть ее рассеивается в поглощающей нагрузке.
Сложение выходных мощностей нескольких взаимо-
■ синхронизированных генераторов на ЛПД в общей
нагрузке
і
Поскольку для взаимной' синхронизации генераторов
достаточна очень небольшая часть генерируемой ими мощ ности, то оказывается возможным практически полное сло жение мощности отдельных генераторов е нагрузке,Схема для параллельной работы генераторов на,общую нагрузку должна обеспечить сильную сеязь каждого генератора с внешней нагрузкой и почти полностью исключить взаимную
связь между генераторами, Эти требования могут быть вы полнены с помощью мостовых схем на двойных тройниках и
направленных отеѳт вителей:. Устройство становится гро моздким при большом числе соединяемых генераторов.При использовании щелевых /ли коль::озых мостов такие системы
могут быть сделаны, добольно компактными •
Применение метода бегущей волны для суммирования мощностей отдельных ЛПД [і2 ]
■і
Вданном случае устойчйьая работа большого кылнчест
ва генерирующих ЛПД, подключенных к*эотей линии,досгпга-
І
ется путем введения дополни^елыюго генератора,нечувст вительного к внешним возмущениям. Наличие одного стабиль кого генератора исключает возможность перехода к другим
.режимам работы.'На рис. 55 изображена схема, в которой
- 81
восемь ЛПД соединены с полосковой линией посредством емкостной связи. Первый генератор подключен к линии через трехплечий циркулятор. Для согласования остальных ЛПД с линией применены двойные настраивающие шлейфы.
Рис.55Схема параллельного включения ЛПД посредством емкостной связи.
Мощность, получаемая в нагрузке, практически равна сум марной мощности отдельных генераторов. Однако наличие 'разового сдвига между колебаниями отдельных генераторов, синхронизируемых общим сигналом, серьезно затрудняет эффективное сложение мощностей в режиме бегущей волны.
Увеличение выходной мощности путем параллельного включения ЛПД- в схеме с поглощающими сопротив
лениями
•Этот способ [13] предусматривает для подавления нежелательных резонансов,, которые всегда появляются при соединении - отдельных генераторов,использование специальных активных сопротивлений, включенных таким образом, что поглощение мощности происходит только на паразитных типа$ колебаний. Эквивалентная схема генера
- 02 -
торе с двумя параллельно включенными ЛПДя>изображена на рис.56 . Поглощающие сопротивления Rs f последовательно включены в проводники, которые соединяются с каждым из
Рис.55. Схема с поглощающими сопротивлениями для параллельного включения ЛПД.
диоцов. Величины конденсаторов -связи Сс _подбираются таким образом, чтобы кв ребочей частоте высокочастотные
напряжения на входе соединительных линий отдельных ЛПД '_£ли равны (U1=U2); при этом условии высокочастотные
токи через поглощающие сопротивления не протекают.и по тери мощности отсутствуют. Для всех других частот эти сопротивления резко снижают добротность резонансных цепей ЛПД и предотвращают возможность их возбуждения.
Для увеличения выходной мощности в схеме (ри с .55)
дополнительные ЛПД подключаются через аналогичные схемы
непосредственно к зажимам 1-1. .
- 8 3 -
5.СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ УРОВНЯ ТЕХНИЧЕСКОГО
РАЗВИТИЯ ЛПД
Создание высококачественных полупроводниковых ма териалов и применение новейших технологических процес сов ( диффузии, эпитаксиального наращивания,ионног.о внедрения } обеспечили быстрое увеличение выходной мощ ности и эффективности ЛПД во в с т диапазоне СВЧ.
Выпускаемые в настоящее время ЛПД изготавливаются на основе Ge^t и GaAs. В табл. 1 ■ приведены данные, позво
ляющие сравнить параметры ЛПД, созданных на основе раз личных материалов и работающих в непрерывном режиме.
|
|
|
|
|
Таблица 1 |
|
||
Материал |
:Выходная |
: к.п.д. , :Частота, :Обобщенный |
: |
|||||
|
:мощностьг |
|
% |
|
|
: параметр, |
|
|
|
: . Вт |
і |
: |
ГГц |
І |
Вт150(ГГцІ2 |
: |
|
Si |
1И |
|
7,5 |
|
12,2 |
|
|
|
Ge |
0,62 |
|
12,1 |
|
6,0 |
|
20 |
|
Ga As |
0,5 |
|
11,5 |
|
11,1 |
|
60 |
|
Как видно из приведенной таблицы,ЛПД на основе и GaMs
в несколько раз превосходят германиевые. по величине про изведения P f , являющегося наиболее ионной характеристи
кой прибора. Этим в значительной степени объясняется то, что в последнее время большинство исследований проводит ся с ЛПД на основе кремния и арсенида галлия.
Некоторые представления о современном уровне техни ческого развития ЛПД можно пожучить на основании дяняну
-84 -
оприборах,ре аработа иных з последнее время в США. В
табл. 2 приведены основные параметры диодов,предан зна
ченных для работы в ЛйВИККО—пролетном реъше(ІМРАТТ - режим)
|
|
|
|
|
|
|
Таблица 2 |
|
|||
-."Частота , |
'.Выходная |
: |
к.гі.д. |
Режим |
Материал |
: |
|||||
: ГГц |
:мошност ь, |
і |
: |
работы |
|
|
|
|
|||
Вт |
|
% |
|
|
|
|
|
|
|||
б |
0 ,5 |
|
|
S |
непрерыв |
|
Ge |
|
|||
|
|
|
|
|
|
ный |
|
|
|
||
а .9 |
0,54 |
|
|
15 |
и |
|
|
Ga As |
|
||
|
|
it |
|
|
|
||||||
4- 4 |
1»P |
|
|
15 |
|
|
n |
|
|||
1•І ! |
|
|
ft |
|
|
|
|||||
1С г; |
‘ ' |
ЪС |
|
|
|
• |
|
- |
i |
|
|
1'-»и |
|
|
8 |
|
|
|
|||||
|
) О»!J |
|
|
ti . |
|
|
|||||
с:с; |
0,55 |
|
|
10 |
|
|
n |
|
|||
4-/U' |
|
|
t! |
|
|
|
|
|
|||
110 |
0,075 |
|
|
3,2 |
|
|
|
ff |
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|||||
8 |
3,0 |
|
|
4-5 |
импульс |
|
|
ff |
|
||
|
|
|
|
|
|
ный |
|
|
|
|
|
21 • |
S ,8 . |
|
|
4-5 |
II |
|
|
|
и |
|
|
341 |
0,001 |
|
|
малый |
|
|
|
|
/; |
|
|
как видно |
из таолицы.ЛПД работают на всех частотах от |
|
|||||||||
до 341 ГГц. Приведенные параметры от.-.осятсн |
к лучлик |
|
|||||||||
рэ зработкам, однако |
серийно'выпускаемые .ПГ17 |
в |
настоящее |
|
|||||||
время также имеют очень хорошие характеристики: выход |
|
||||||||||
ную мощность =«'1 Вт на частотах от .2 до !5 |
Г"ц |
и 100мВт |
|||||||||
на частотах 15-18 |
ГГц с к .п .д . |
в'пределах 3-^Г. |
? !3~! г |
появились надежные ЛПД миллиметрового д-лспаьона.работаю щие на частоте 55 ГГц. ’
Не рис. 57 показано распределение достигнутых зна-
чений выходной мощности по частоте,пост роенное по данным табл. 2 , и проведены линии P f 2 = const .определяющие пре-
- 85 -
дельные значения мощности ЛПД,рассчитанные теоретически. Достигнутые вначения выходной мощности очень оливки к предельным.поэтому в ближайшем будущем увеличение вы - ходной мощности можно ожидать.видимо.в пределах одного порядка.
В 1057 году в кремниевых ЛПД был обнаружен новый тип колебаний . на частоте, более низкой, чем частота лавинно-пролетных колебаний .получивший название ла винного режима с захватом носителей. ?тот режим харак теризуется чрезвычайно высокой эр-ректив..остью преоб разования энергии постоянного тока в энергию колебаний
/ Ѵ ' У
В табл.З представлены лучшие результаты,полученные на генераторах, работающих в лавинном режиме с захватом носителе?..
|
|
|
|
|
Таблица 3 |
|
|
' астота, :Выходная |
: |
3 іі?актив |
^еыим |
:Мате- : Кол-во |
\ |
||
|
:мохность,: ность, |
работы |
*.ривл |
1ДИ0ДЗБ |
|||
|
|
|
а/ |
|
|
:в гѳпс— |
^ |
ГГЦ |
Вт |
: |
|
|
; раторе |
|
|
Р |
|
|
|
||||
ІИ |
1200 |
|
25,6 |
имп. |
5/ |
5 |
|
. 3 |
20 |
|
30 |
К |
и |
1 |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
6,5 |
3 |
|
17 |
и |
и |
1 |
|
2,5 |
7 |
|
40 |
II |
Ge |
1 |
|
Й,б |
10 |
|
25 • |
■ |
Sc |
1 |
|
.15,5 |
8 |
|
'V |
II |
и |
1 |
|
0,45 |
5,3 |
|
43 |
непр. |
Ge |
1 |
|
2,8 |
2,4 |
|
20 |
|
Si |
л |
|
|
|
1 |
|
Для возбуждения лавинного режима с захватом носителей*
- 86
Рис.5?. Распределение достигнутых значений мощ ности по частоте ( TMPATJ -колебаний.);
• • • • - ямпульсный резим; оооо-непрерывный режим.
Рис.58. Распределе ние достигнутых зна чений мощности по
част оте ( т#д р& j j колебаний); •••-им пульсный режим;
о о о -непрерывный ре жим.
- 57 -
требуется -значительно большие плотности тока, чем в обычном лавинно-пролетном режиме, поэтому создание ге нераторов непрерывных колебаний связано'с большими трудностями.
Распределение достигнутых значений зыходной мощ ности, по частоте для диодов, работающих в лавинном ре жиме с захватом носителей, представлено на рис.58 .
Высокая эффективное!ь преобразования энергии в лавин ном режиме с захватом носителей заряда, получается на субгармониках основной частоты лавинно-.шолетных коле баний, то есть на значительно более низких частотах.
Однако pnc.JB наглядно показывает, что в настоящее время генераторы на ЛПД, работающие в режиме с захва том носителей заряда, могут быть созданы-на очень высо кие частоты вплоть до 13-20 ГГц, Доказательством явля ется ЛПД, надежно работающие-на частотах свыше 50 ГГЦ.
- 88
Раздел третий
ПРИБОРЫ С МЕЯДОЛШНШ ЭЛЕКТРОННЫМ ПЕРЕНОСОМ
Введение
Твердотельные СВЧ приборы-с переносом электронов представляют собой обоазцы однородных полупроводников, работающих в сильных электрических полях.Главнейшее достоинство этих .приборов в том, что у них нет ни р - п -
перехо.цов, ни управляющих электродов.-В отличие от СВЧ— транзисторов и диодов в приборах с переносом электронов работает весь объем полупроводника, а не узкие области переходов. Для изготовления используются однородные полупроводники П -типа, обладающие специфической структурой зоны проводимости, в которой возможен "меж долинный переход" электронов, обеспечивающий возникно вение отрицательной дифференциальной проводимости ( ОДП; в объеме полупроводника при наличии сильных электричес ких полей. Наиболее распространенным в настоящее время материалом с такими свойствами является арсенид гал лия (Gaßsj п -типа.
Началом чрезвычайно интенсивного исследования и разработки приборов СЗЧ на основе междолинного передода электронов ( МЭП-приборов) послужило открытое экспе риментально в 1Э63- г. английским -физиком Дж.Ганном яв ление генерирования СЗЧ-колебаний в однородных образ-
* В настоящее время не существует единого термина для: определения приборов с электронным пеоеносом,поэто
му в тексте наряду с термином: ТіЗП-пр.ибор,'испояьзуется термин ДЭП' ( диод с электронным переносом) .
- 89 -
цах |
GaAs л?-типа, названное |
аспектом Ганна. Однако позд |
нее |
было установлено, что |
эффект Ганна - только одно иа |
проявлений более общего явления: возникновения О.ЩІ в однородном полупроводнике при сильных полях, обуслов ленного междолинным переходом электронов.
Со времени открытия эффекта Ганна не прошло еще 10 лет, однако, в результате развернутых широким фрон- . том теоретических и экспериментальных исследований, в настоящее время созданы генераторные и усилительные • МЭП-приборы,работающие в диапазоне 1+1Ö0 ГГц. Выходная
мощность в непрерывном режиме некоторых из этих прибо- . ров достигает единиц ватт,а максимальная эффективность преобразования энергии 29$. В импульсном режиме достиг нута выходная мощность,равная б кВ*.
Эти достижения столь значительны, что открывают возможности применения приборов с переносом электронов, в качестве усилителей и генераторов малой и средней мощности во многих радиоэлектронных системах ( прежде всего в качестн^активных элементов «газированных атенных решеток ррщолокациоиных станций^.
1. ФИЗІНЕСКИЕ ЯВЛЗНда.ЛЕМІШЕ В ОСНОВЕ мэпПРИБ0Р0В
Междолинный переход электронов
Явление междолиннрго перехода электронов имеет мес то в сложных однородных полупроводниках таких,как арсе нид галлия, фосфид индия, селен-яд цинка,теллурид кадмия. Зоны проводимости этих полупроводников состоят из нес-