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

- 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.

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)

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-

- 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 -

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-