Лабы / МВЭл_3 лаба

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра микроволновой электроники

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Тема: Исследование генератора на лавинно-пролетном диоде

Студенты гр. 0207 _________________ Маликов Б.И.

_________________ Горбунова А.Н.

_________________ Щубрет С.Л.

Преподаватель _________________ Коломийцев А.А.

Санкт-Петербург

2023

ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Целью работы является исследование выходных характеристик генератора СВЧ с механической перестройкой частоты, выполненного на лавинно-пролетном диоде сантиметрового диапазона.

ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) являются одними из наиболее мощных полупроводниковых приборов СВЧ. Работа ЛПД основана на явлениях лавинного пробоя обедненной области обратносмещенного диода и последующего дрейфа носителей в полупроводнике со скоростью, близкой к скорости насыщения. В иностранной научной литературе такой режим работы называется IMPATT (IMPact Avalanche Transit Time), а диод часто называют IMPATT диодом или диодом Рида. ЛПД получили широкое распространение при разработке генераторов СВЧ сантиметрового и миллиметрового диапазонов волн. Из-за высокого уровня шумов, особенно в области лавинной частоты, ЛПД можно использовать для создания генераторов шума. По той же причине на основе ЛПД разрабатывают в основном усилители мощности. В сантиметровом диапазоне генератор на ЛПД обеспечивает выходную мощность порядка 1 кВт в импульсе при КПД 30...50 %, а в миллиметровом – сотни милливатт в непрерывном режиме.

Максимальная мощность полупроводниковых приборов СВЧ ограничена тепловыми и электрическими свойствами диода или транзистора. В полупроводниковых приборах рассеяние СВЧ-мощности происходит в объеме материала и на электродах. В отличие от вакуумных приборах, в которых мощность электронного потока может быть повышена за счет увеличения площади катода и ускоряющего напряжения, полупроводниковая структура имеет малый объем и площадь поперечного сечения, а увеличение напряжения ограничено возможностью теплового пробоя. Величина этой мощности характеризуется тепловым сопротивлением диода R_т, зависящим от свойств материала, конструкции прибора и температуры перегрева. Уменьшение R_т за счет увеличения площади структуры нежелательно, поскольку это приводит к росту емкости диода, способствующее увеличению потерь. Отметим, что ограничение по электрическим параметрам вызывает более резкое уменьшение выходной мощности с ростом частоты, чем тепловое.

CХЕМА ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ УСТАНОВКИ

Рис. 1 – Схема измерительной установки

В состав измерительной схемы входят: генератор с волноводным выходом 2, настроечный плунжер 1, измерительная линия 3, регулируемая неоднородность 4 (штырь в волноводе), регулируемый аттенюатор 5, цифровой частотомер 6 и измеритель мощности 7. Такая схема обеспечивает получение основных характеристик генератора. Измерительная линия 3 позволяет исследовать отражение от нагрузки и явление затягивания частоты. Неоднородность 4 служит для изменения величины отражений от нагрузки.

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1. ВАХ исследованного ЛДП

Табл. 1

U, В	0	48	49	50	51	52	52	52	52	53	53	54	54
I, мА	0	0	0	0	0	0	2	6	8	10	12	14	17

U, В	54	54	55	55	56	56	56	57	57	58	58	58	58
I, мА	20	22	24	26	29	31	32	36	38	40	42	45	47

Рис. 2 – ВАХ исследованного ЛДП

2. Зависимость P_ГЕН от положения настроечного плунжера

Табл. 2

l = 20 мм
PГЕН, мВт	0	0	1	2	3	4	6	7	8,5	10	11	13	16	20	23
I, мА	0	20	22	24	26	28	30	32	34	36	38	40	43	45	48

Табл. 3

l = 40 мм
PГЕН, мВт	0	0	1	3	4,5	5	5,5	6	7	8	10	14	18
I, мА	0	21	24	26	26	28	30	32	34	36	38	40	43

Рис. 3 – График зависимости P_ГЕН от тока через диод при l = 20 мм

Рис. 4 – График зависимости P_ГЕН от тока через диод при l = 40 мм

Рис. 5 – Сравнительный график зависимости P_ГЕН от тока через диод при l = 20 мм и при l = 40 мм

3. Зависимость P_ГЕН от значения тока через диод

Табл. 4

I = 24 мА
PГЕН, мВт	0	3	0	3	0	5	0	3	0	5	0	3	0
l, мм	3	8	12	22	27	30	38	43	48	54	60	65	70

Табл. 5

I = 42 мА
PГЕН, мВт	27	34	0	29	34	0	34	0	34
l, мм	2	6	14	22	27	35	48	57	68

Рис. 6 – График зависимости P_ГЕН от положения плунжера при I = 24 мА

Рис. 7 – График зависимости P_ГЕН от положения плунжера при I = 42 мА

Рис. 8 – Сравнительный график зависимости P_ГЕН от положения плунжера при I = 24 мА и при I = 42 мА

4. Зависимость мощности от положения неоднородности

Табл. 6

z, мм	0	10	20	30	40	50	60	70	80
P, мВт	32	33	35	36	35	32	33	33,5	35

Рис. 9 – График зависимости P_ГЕН от положения неоднородности

5. График расчетной зависимости частоты от длины диода

Расчет длины активной части произведем по следующей формуле:

=

Учитываем, что скорость насыщения: = 10⁵ м/с. Отсюда, выражая длину диода:

=

Построим соответствующий график, в качестве диапазона частот возьмем микроволновый диапазон от 1 до 20 ГГц:

Рис. 10 – График зависимости частоты генерации от длины диода

ВЫВОД

Анализируя ВАХ исследованного ЛДП (рис. 2), делаем вывод, что пороговое значение, при котором начинается возрастание тока, составляет порядка 52 В.

Анализируя зависимость P_ГЕН от тока при фиксированном положении плунжера и зависимость P_ГЕН от положения плунжера при фиксированном значении тока (рис. 5), делаем вывод, что при увеличении тока с фиксированным значением плунжера мощность генерации увеличивается. Однако, зависимость P_ГЕН от положения плунжера (рис. 8) имеет характерные максимумы и минимумы, причем положение максимумов тем выше, чем больше значение тока.

Также, анализируя график зависимости частоты генерации от длины диода (рис. 10), делаем вывод, что с увеличением длины диода частота генерации уменьшается.