Labs / me_1203_5_5

МИНОБРНАУКИ РОССИИ Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет «ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина) Кафедра МВЭ

отчет по лабораторной работе № 5 по дисциплине «Микроволновая электроника» Тема: Исследование умножителя частоты на варакторном диоде

Студенты гр. 300 ____________________ ____________________ ____________________ Van Darkholm Billy Herrington Mr. Arghwoth ____________________ Steve Rambo Преподаватель ____________________ Репин В.А.

Санкт-Петербург 2024

ЦЕЛЬ: Исследование свойств варакторного диода СВЧ, используемого в умножителе СВЧ-диапазона и его характеристик.

ОПИСАНИЕ ОБЪЕКТА ИССЛЕДОВАНИЙ

Структура варакторного диода показана на рисунке 1, на котором отмечены: 1 – омические контакты; 2 – диффузионный p - слой; 3 – обедненная область; 4 – эпитаксиальный n - слой; 5 – подложка из сильнолегированного полупроводника. В качестве объекта исследований используется арсенидгаллиевый диод 2А602В, помещенный в корпус. Его основные характеристики:

– частота отсечки f_C = 35 ГГц;

– общая емкость С = 1.7…2.7 пФ при U_обр = 6 В и f = 10 МГц;

– пробивное напряжение U_пр = 45 В при обратном токе I_обр = 100 мкА;

– диапазон допустимых рабочих температур Т = 213…373 К;

– емкость корпуса C_корп = 0.5…0.7 пФ;

– предельная непрерывная СВЧ-мощность – 1 Вт.

Рисунок 1 – Структура варакторного диода

СХЕМА УСТАНОВКИ

Электрическая схема измерительной установки представлена на рисунке 2. Часть I, предназначенная для исследования вольтфарадной характеристики варактора, содержит автоматический цифровой LCR-измеритель 1 и колодку с измеряемым варактором 2. Часть II схемы предназначена для исследования варакторного умножителя частоты (утроителя). Она содержит умножитель 3, частотомер 4 и измеритель мощности 5, мультиметр 6 для измерения тока через диод и СВЧ-генератор 7 с комбинированным выходом. Блок питания 8 является общим для обеих частей схемы и обеспечивает калиброванное напряжение смещения варактора. Фильтрация переменного сигнала обеспечивается конструкцией умножителя.

Рисунок 2 – Электрическая схема измерительной установки

Конструкция умножителя показана на рисунке 3. Диод помещен в резонатор, имеющий механические элементы настройки. Входной сигнал по коаксиальной линии 1 подается на варактор 2, помещенный в прямоугольный волновод 3. Цилиндрический резонатор 4, настроенный на третью гармонику сигнала, образует фильтр, препятствующий просачиванию выходного сигнала во входную цепь. Контур, образованный емкостью между штырем 5 и подстроечным винтом 6, а также индуктивностью штыря, настраивается на холостую частоту (частоту второй гармоники), а контур, образованный короткозамкнутым отрезком волновода 7 и варактором, – на утроенную частоту входного сигнала. На выходе умножителя установлен коаксиально-волноводный переход 8. Так как волновод является запредельным для первой и второй гармоник входного сигнала, то на выход умножителя поступает только сигнал с утроенной частотой 3ω.

Рисунок 3 – Конструкция умножителя

ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ

1. Предварительные расчеты

Значение добротности Q на частоте 1 ГГц рассчитывается как

(1)

Значение барьерной емкости при U_обр = 6 В

По формуле (1)

2. Экспериментальные характеристики варакторного диода представлены на рисунках 4, 5, 6, 7.

U, В

Рисунок 4 – прямая ветвь ВАХ варакторного диода

Рисунок 5 – обратная ветвь ВАХ варакторного диода

Рисунок 6 – прямая ветвь ВФХ варакторного диода

Рисунок 7 – обратная ветвь ВФХ варакторного диода

3. По экспериментальной вольт-фарадной характеристике барьерная емкость при нулевом смещении (U = 0) равна примерно 4.7…4.8 пФ

С помощью графика и зная, что при предельном обратном смещении

(U = -45 В) емкость равна

Рисунок 8 – расчет профиля легирования

По проведенным расчетам

Значение m соответствует сверхрезкому переходу так как меньше ноля.

4. Частота отсечки выражается из формулы (1) при значении добротности Q = 1, и усредненной экспериментальной емкости

ВЫВОД: В результате исследования варакторного диода и умножителя частоты на его основе, были получены характеристики диода. ВАХ варактора практически такая же как и обычного выпрямительного диода.

Использование варактора для умножения частоты основано на изменении барьерной емкости в зависимости от приложенного к диоду напряжения. Барьерная емкость образуется неподвижными зарядами в обедненном слое. При увеличении обратного напряжения смещения происходит увеличение ширины обедненного слоя диода. Это приводит к уменьшению барьерной емкости, формируемой неподвижными зарядами доноров и акцепторов, так как увеличивается расстояние между областями с высокой концентрацией носителей. Для нормальной работы напряжение на диоде предварительно смещают в область отрицательных напряжений так как именно в этой области ширина обедненной области меняется в широких пределах, кроме того за счет очень малой концентрации подвижных неосновных носителей исключено влияние диффузионной емкости, которая преобладает в области прямого смещения перехода и носит нежелательный характер. Приложение к диоду гармонического напряжения приводит к тому, что и барьерная емкость приобретает переменный характер, тем самым вызывая генерацию высших гармоник, в лаб. работе 2 и 3 гармоники. Зависимость емкости от приложенного напряжения характеризует ВФХ.

Так как спектр тока через диод зависит от барьерной емкости, которая в свою очередь зависит от напряжения смещения, то и распределение мощностей по гармоникам (коэффициент преобразования) так же зависит от смещения (при постоянной мощности на входе), так и от входной мощности (при постоянном смещении). Обе зависимости имеют максимум. Первоначальный рост связан с уменьшением обратного тока через диод, т. е. с уменьшением омических потерь. Максимум достигается при равенстве смещения и амплитуды СВЧ-сигнала. Дальнейший спад обусловлен уменьшением крутизны вольтфарадной зависимости.

Экспериментальная ВФХ, полученная при исследовании схожа с расчетными, с помощью ее анализа был рассчитан профиль легирования

m = -1.39, что соответствует сверхрезкому p-n переходу. Это означает что барьерная емкость в области рабочих напряжений сильно зависит от напряжения смещения и меняется в широком диапазоне.

Рассчитанная частота отсечки 21.2 ГГц близка к справочной частоте в 35 ГГц, отклонение в результатах вызвано погрешностью измерения емкостей, так как бралось среднее значение барьерной емкости в исследованном диапазоне.