Лабы МВЭ / ЛР3_Лавинно-пролетный диод_ЛПД_LPD

МИНОБРНАУКИ РОССИИ

Санкт-Петербургский государственный

электротехнический университет

«ЛЭТИ» им. В.И. Ульянова (Ленина)

Кафедра МВЭ

отчет

по лабораторной работе №3

по дисциплине «Микроволновая электроника»

Тема: ИССЛЕДОВАНИЕ ГЕНЕРАТОРА

НА ЛАВИННО-ПРОЛЕТНОМ ДИОДЕ

Студенты гр.
Преподаватель		Репин В.А.

Санкт-Петербург

Цель работы

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

Основные теоретические положения

Назначение ЛПД

Лавинно-пролетные диоды (ЛПД) являются одними из наиболее мощ-ных 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 диапа- зонов волн. Из-за высокого уровня шумов, особенно в области лавинной час-тоты, 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 мощ-ность порядка 1 кВт в импульсе при КПД 30…50 %, а в миллиметровом – сотни милливатт в непрерывном режиме. Высокий уровень собственных шумов ограничивает применение приборов этого типа в аппаратуре СВЧ и снижает их конкурентоспособность по сравнению с диодами Ганна и СВЧ-транзисторами.

Схема включения диода в цепь СВЧ

На рис. 1 представлена схема включения диода в СВЧ-цепь. Диод 1 помещается в волноводную резонаторную камеру Р1, имеющую два окна связи О1 и О2 с внешними волноводами 2. Через окно связи О1 осуществляется связь с нагрузкой, а окно О2 обеспечивает связь с дополнительным (настроечным) резонатором Р2, образованным подвижным плунжером 3, позволяющим изменять местонахождение плоскости короткого замыкания. Перемещение плунжера изменяет проводимость схемы на «зажимах» диода, что приводит к изменению частоты ω и мощности генерации P_ген. Подобная картина изменения ω и P_ген наблюдается также, когда появляется отраженная волна от нагрузки. Такое явление получило название затягивания частоты генератора нагрузкой. Следовательно, согласование ЛПД, как и любого другого генератора, является важной задачей микроволновой техники. Пластины 4 и коаксиальный кабель 5 обеспечивают подачу постоянного смещения на диод и не позволяют СВЧ-мощности проходить в цепь питания, т. е. выполняют роль фильтра низкой частоты.

Рис. 1. Схема включения диода в СВЧ-цепь

Предварительное задание

График расчетной зависимости частоты от длины диода

Таблица 1

ld, мм	0,1	0,2	0,3	0,4	0,5
f0, Гц	500	250	166,67	125	100

Рис. 2. Зависимость частоты от длины диода

Обработка результатов эксперимента

1. Статическая ВАХ ЛПД

Таблица 2

U, В	0	-50	-51,5	-52	-52,5	-53	-53,5	-54
I, мА	0	0	0,5	3	8	11	13	16
U, В	-55	-55,5	-56	-56,5	-57	-58	-59	-60
I, мА	26	28,5	35	37,5	40	44	47	49

Рис. 3. Статическая ВАХ ЛПД

2. Графики зависимости мощности генерации от напряжения диода

Таблица 3

U, В	0	56	56,5	57	57,5	58	58,5	59	59,5	60	60,5	61
P, мВт	0	0	0,5	0,7	1,2	1,55	1,7	2,1	3,3	4,7	11	15

Таблица 4

U, В	0	54	54,5	55	55,5	56	56,5	56,75	57
P, мВт	0	0	0,35	0,8	0,9	0,8	0,5	0,3	0,2
U, В	57,5	58	58,25	59	59,5	59,75	60	60,5	61
P, мВт	0,05	0	0	0,1	0,4	1	1,8	3,65	6

Рис. 4. Зависимость мощности генерации от напряжения при положении плунжера 15 и 30 мм

3. Зависимости мощности от положения плунжера для двух значений токов.

Таблица 5

lпл, мм	0	5	6	10	14	22	24	27	29
P, мВт	6,5	9	12	4	0	7	2	10	11
lпл, мм	36	44	45	49	58	66	67	70
P, мВт	0	7	2	11,5	0	7	2	11

Таблица 6

l, мм	0	2	3,5	6	14	25	30	35	36
P, мВт	17	28	25	31	0	25	28	0	45
l, мм	41,5	57	70
P, мВт	49	0	32

Рис. 5. Зависимость мощности генерации от положения плунжера при токе 30 и 37 мА

4. График зависимости мощности генерации от положения неоднородности.

Таблица 7

z, мм	0	5	39	72	75
P, мВт	1,1	0,75	1	0,65	0,75

Рис. 6. Зависимость мощности генерации от положения плунжера при токе 37 мА

5. Рассчитаем частоту генерации при двух положениях плунжера

Пример расчёта для I = 50 мА, l = 13 мм:

Таблица 8

I, мА	50
	45	50
	32,168	33,853
f0, ГГц	9,33	8,86
l, мм	13	30

Рис. 7. Зависимость частоты генерации от положения плунжера при токе 50 мА

Таблица 9

l, мм	13
	46	45
	32,527	32,168
f0, ГГц	9,22	9,33
I, мА	31	50

Рис. 8. Зависимость частоты генерации от тока при положении плунжера на отметке 13 мм.

Вывод

В ходе лабораторной работы мы исследовали выходные характеристики генератора СВЧ с механической перестройкой частоты, выполненного на лавинно-пролетном диоде сантиметрового диапазона.

Была построена вольт-амперная характеристика данного диода, которая похожа на теоретическую. При увеличении обратного напряжения U начинается процесс лавинного умножения количества носителей, что приводит к резкому увеличению силы тока во внешней цепи. напряжение лавинного пробоя составило -50 В.

Кроме того, исследовались зависимости мощности генерации от напряжения при разных фиксированных положениях плунжера. Потом была построена зависимость мощности генерации от положения плунжера. Можно сказать, что при меньшем положении плунжера выделяемая мощность больше с увеличением напряжения (рис. 4). Эти зависимости описывают лавинный пробой ЛПД.

Далее зафиксировав ток 30 и 37 мА, мы получили колебания мощности генерации, изменяя при этом положение плунжера, что характерно для стоячих электромагнитных волн. Колебания мощности происходят из-за того, что при перемещении плунжера изменяется проводимость схемы на «зажимах» диода, что приводит к изменению частоты и мощности генерации.

Также мы рассчитали частоты генерации, используя длину волны, которую мы получили во время проведения эксперимента. Для обеспечения генерации в системе диод – СВЧ-тракт необходимо выполнение баланса амплитуд и фаз:

СВЧ-колебания в генераторе возбуждаются, когда отрицательное сопротивление ЛПД превысит суммарные потери в системе, включая потери в диоде, резонансном контуре и схеме. Пусковой ток растет с ростом частоты, обычно он составляет десятки и сотни миллиампер. Условие (3.4) определяет частоту генерации. Эквивалентные параметры диода изменяются в зависимости от протекающего через диод постоянного тока I, поэтому частота и мощность генератора будут зависеть от режима питания. Выражения (3.3), (3.4) показывают также, что изменения мощности и частоты можно достигнуть за счет изменения параметров схемы.

Таким образом за счёт изменения тока или положения плунжера эквивалентные параметры диода изменяются, поэтому частота генерации будет изменяться, что и видно на рис.7 и 8.

Вывод

В данной лабораторной работе было получено и изучено ВАХ ЛПД, а так же оценена зависимость частоты от длинны диода, которая спадает с ростом длины области дрейфа. Кроме того, были построены зависимости P(l) и P(z), исследованы выходные характеристики генератора СВЧ на основе лавинно-пролётного диода.

Вывод

В этой лабораторной работе мы исследовали генератор СВЧ на лавинно-пролётном диоде. Были зафиксированы выходные характеристики генератора.

Построена ВАХ диода, по которой видно значение напряжения пробоя. График находится на рисунке 3. Напряжение пробоя составляет около -50 В.

Также в работе была исследована выделяющаяся на диоде мощность в зависимости от напряжения и от положения плунжера, которое мы фиксировали. Для положения 15мм мы видим резкое возрастание мощности после подачи напряжения больше 50 вольт. В случае же с уровнем плунжера 30 мм на рисунке 5 видно колебание мощности, там при напряжении 58 В мощность опускается до 0. Также можно заметить, что для уровня плунжера 15мм удалось получить значения мощности больше, чем при 30 мм.

При токе 30 мА и 37 мА были зафиксированы колебания мощности при изменении положения плунжера. Удалось зафиксировать максимумы и минимумы волны, что характеризует волну, как стоячую. Для большего значения тока больше мощность, так как эквивалентные параметры диода изменяются в зависимости от протекающего через диод постоянного тока I, поэтому частота и мощность генератора будут зависеть от режима питания.

С помощью поиска максимумов и минимумов волны удалось посчитать частоту, с которой распространяется волна, создаваемая СВЧ генератором.

Вывод

В лабораторной работе мы исследовали работу лавинно-пролетного диода (ЛПД) в СВЧ-системе. Установка представляла собой СВЧ-цепь с генератором на основе данного диода и измеритель мощности излучения.

Мы изменяли проводимость схемы на «зажимах» ЛПД с помощью перемещения градуированного плунжера, что приводило к изменению мощности генерации P_ген.

Была рассчитана зависимость частоты излучения от длины диода, которая оказалась нелинейной. Снятая обратная ветвь статической ВАХ ЛПД показывает пробой начиная с напряжения -50 В.

Также мы построили графики зависимости мощности генерации от напряжения диода, зафиксировав плунжер в положении 15 мм. Данная зависимость демонстрирует лавинный пробой ЛПД при 56 В.

Исследуя зависимость мощности генерации от положения плунжера при токах 30 и 37 мА, мы получили графики с максимумами и минимумами мощности. Наличие точек с наименьшими и наибольшими напряжённостями поля в СВЧ-тракте характерно для стоячей электромагнитной волны.