zhovnir

Рис.12 Траектории движения електронов в магнетроне

Принцип работы. Электроны эмиттируются из катода в пространство взаимодействия, где на них воздействует постоянное электрическое поле анод-катод, постоянное магнитное поле и поле электромагнитной волны. Если бы не было поля электромагнитной волны, электроны бы двигались в скрещѐнных электрическом и магнитном полях по сравнительно простым кривым: эпициклоидам (кривая, которую описывает точка на круге, катящемся по наружной поверхности окружности большего диаметра, в конкретном случае — по наружной поверхности катода). При достаточно высоком магнитном поле (параллельном оси магнетрона) электрон, движущийся по этой кривой, не может достичь анода (по причине действия на него со стороны этого магнитного поля силы Лоренца), при этом говорят, что произошло магнитное запирание диода. В режиме магнитного запирания некоторая часть электронов движется по эпициклоидам в пространстве анод-катод. Под действием собственного поля электронов, а также статистических эффектов (дробовой шум) в этом электронном облаке возникают неустойчивости, которые приводят к генерации электромагнитных колебаний, эти колебания усиливаются резонаторами. Электрическое поле возникшей электромагнитной волны может замедлять или ускорять электроны. Если электрон ускоряется полем волны, то радиус его циклотронного движения уменьшается и он отклоняется в направлении катода. При этом энергия передаѐтся от волны к электрону. Если же электрон тормозится полем волны, то его энергия передаѐтся волне, при этом циклотронный радиус электрона увеличивается и он получает возможность достигнуть анода. Поскольку электрическое поле анод-катод совершает положительную работу только если электрон достигает анода, энергия всегда передаѐтся в основном от электронов к электромагнитной волне. Однако, если скорость вращения электронов вокруг катода не будет совпадать с фазовой скоростью электромагнитной волны, один и тот же электрон будет попеременно ускоряться и тормозиться волной, в результате эффективность передачи энергии волне будет небольшой. Если средняя скорость вращения электрона вокруг катода совпадает с фазовой скоростью волны, электрон может находиться непрерывно в тормозящей области, при этом передача энергии от электрона к волне наиболее эффективна. Такие электроны группируются в сгустки (так называемые «спицы»), вращающиеся вместе с полем. Многократное, в течение ряда периодов, взаимодействие

Початкова для простору взаємодії швидкість електронівVe_ozспрямованапаралельно електродам і дорівнює переносній швидкості VП. Потрапляючи в простір взаємодії, електронний потік взаємодіє з електромагнітною хвилею. Під впливом поперечної складової НВЧ поля електрони формуються в згустки навколо електрона, що знаходиться в максимумі гальмуючого поля. Вплив поздовжньої складової приводить до відбору "робочих" електронів і поступовому їхньому зсуву в процесі руху від негативного електрода до системи, що сповільнює. У результаті руху до сповільнюючої системи (аноду) електрони втрачають потенційну енергію, віддаючи її НВЧ полю хвилі. Передана полю енергія тим більша, чим більший шлях проходять електрони по напрямку від холодного катода до сповільнюючої системи, тому електронний потік вводиться в простір взаємодії у вигляді плоского променя, притиснутого до холодного катода. Електронний потік, що входить у простір взаємодії, має визначену товщину∆, і верхні електрони потрапляють під вплив більш сильного НВЧ поля, ніж нижні. Тому зсув електронів на верхній межі завжди більший, ніж на нижній, і перетинання пучка пульсуюче: у гальмуючому полі збільшується, у прискорюючому зменшується. Об'ємна щільність електронного потоку (на відміну від ЛБХО) залишається постійною, тому що одночасно з подовжнім групуванням відбувається збільшення перетину пуску

Передача потенційної енергії електронами НВЧ полю в ЛБХМ пояснюється тільки тим, що електрони в гальмуючому НВЧ полі зміщені в область з великим потенціалом статичного полю, тому їхня потенційна енергія перевищує потенційну енергію електронів у прискорюючому НВЧ полі.

17.Функціональна схема, принцип діїлампизворотноїхвилі типу М. Конструктивно-

технологічніособливості та застосування.

Отличие от ЛОВ типа О В ЛОВ типа Оэлектроныпередают полю свою избыточнуюкинетическуюэнергию,

соответствующуюразности скоростей электронов и волны. КПД ограничендопустимойразностьюуказанных скоростей. Наоборот, в ЛОВ типа М кинетическаяэнергияэлектронов, не изменяется, а изменяетсяпотенциальнаяэнергия, преобразующаяся в энергию СВЧ поля.

Кроме того, в ЛОВ типа М наиболееблагоприятноевзаимодействиепотокаэлектронов и СВЧ поля происходит при точномравенствесреднейскоростиэлектронов и фазовойскоростиволны (Ve = Vф), в то времякак для передачиэнергии в ЛОВ типа О требуется, чтобыэлектроны двигались немногобыстрееволны.

Устройство и принцип действия Устройство ЛОВ типа М

Инжектирующееустройствосоздаѐтпотокэлектронов, движущийся к коллектору. Электронныйпотоксоздает в замедляющейсистеменаведенныйток и электромагнитное поле пространственныхгармоник. Еслитоклуча (потокаэлектронов) достаточновелик (больше пускового), на однойизпространственныхгармоник, для которойвыполненоусловие фазового синхронизма (Ve = Vф), начинаетсявзаимодействиеэлектронногопотока с полем волны, при котором в тормозящихполупериодахэлектрического поля гармоникибудетпроисходитьувеличениееѐэнергии за счетуменьшенияпотенциальнойэнергииэлектронов. Электронныйпоток в ЛОВ типа М взаимодействует с обратнымипространственнымигармониками, для которыхнаправленияфазовой и групповой скоростей противоположны, поэтомуэлектроныдвижутся к коллектору, а энергияволныимнавстречу — к волноводномувыходуприбора. В результатевозникаетположительнаяобратнаясвязьмежду полем волны и электронным потоком, при которойволна, отдаваячастьсвоейэнергии на

группировкуэлектронов, приобретаетбольшеееѐколичество за счетуменьшенияпотенциальнойэнергиисгруппированныхэлектронов.

Вследствие трудностей широкополосногосогласованияволноводноговыхода ЛОВМ с замедляющейсистемой в ЛОВМ возможныотражения от нагрузки. Для устраненияэтогоэффекта в ЛОВ типа М, как и в ЛОВ типа О, применяютпоглотитель.

Параметры и характеристики Диапазон частот

Такжекак и в ЛОВ типа О частота излучениязависит от напряжения на замедляющейсистеме. Обычно ЛОВ типа М используются в диапазоне частот от 200 МГц до 20 ГГц с диапазономэлектронной перестройки частоты до 40 %.

Крутизна электронной перестройки частоты В отличие от ЛОВ типа О в ЛОВ типа М скоростьэлектронов в ЛОВМ прямо пропорциональна (напряжению на замедляющейсистеме). Поэтому в ЛОВ типа М для достиженияодинакового с ЛОВ типа О перекрытия частотного диапазонатребуетсяменьшееизменение .

Выходнаямощность Современныегенераторы на ЛОВ типа М способныобеспечиватьвыходнуюмощность в

непрерывномрежимепорядкадесятковкиловатт в дециметровом и единицкиловатт в сантиметровомдиапазонах. В настоящеевремяониявляютсясамымимощными генераторами СВЧ колебаний с электроннойперестройкойчастоты.

Синхронизированныегенераторы на ЛОВ типа М обладаютвысокойстабильностьючастоты и низкимуровнемшумов, чтопозволяетихиспользование в системах связи с частотноймодуляцией.

КПД Коэффициентполезногодействиядостигает в ЛОВ типа М 40—50 %.

18. Детекторні та змішувальні НВЧ діоди, характеристики та застосування

Детекторныйполупроводниковыйдиод – этополупроводниковыйдиод, предназначенный для детектированиясигнала.

При детектированиииспользуетсявыпрямляющеесвойстводиода для выделенияизмодулированных по амплитуде ВЧилиСВЧколебанийсигналаболеенизкойчастоты, который потом поступает на входусилителя (рисунок).

Одним изосновныхпараметровдетекторныхСВЧ-диодовявляетсячувствительность по току b1 – отношениеприращениявыпрямленноготока при заданнойнагрузке в выходной цепи диода к мощностиСВЧ-сигнала, подводимойко входу диоднойкамеры с детекторнымдиодом в рабочемрежиме и вызвавшейэтоприращение. Чувствительность по току детекторного диодазависит от постоянного прямого токасмещения. Наибольшиезначениячувствительности по току обычнополучаются при прямомтокесмещения в несколькодесятковмикроампер, но при выборетокасмещениянеобходимоучитыватьеговлияние и на другиепараметры.

Обобщенным параметром детекторного диода, учитывающимразличныесвойствадиода и следующего за ним усилителя (видеоусилителя), являетсякоэффициенткачества детекторного диода, которыйхарактеризуетчувствительностьприемногоустройства с детекторнымдиодом и

при определенномположительномсмещении; nш – шумовоеотношениеСВЧ-диода; rш – эквивалентноешумовоесопротивлениевидеоусилителя, котороеобычнопринимают при расчетахравным 1 кОм.

ЛучшиедетекторныеСВЧ-диодыимеюткоэффициенткачестваболее 100 Вт –1/2. К таким диодамможноотнести, например, диодыШоттки с планарно-эпитаксиальнойструктурой на основеарсенидагаллияАА204А…АА204В, предназначенные для детектирования в сантиметровомдиапазонедлинволн.

Смесительныйполупроводниковыйдиод – этополупроводниковыйдиод, предназначенный для преобразованиявысокочастотныхсигналов в сигнал промежуточнойчастоты.

К смесительномудиодуподводится сигнал и напряжение от специального генератора – гетеродина. В связи с нелинейностью ВАХ диодапроисходитобразованиесигналаразностной (промежуточной) частоты. Дальнейшееусилениевходногосигналаосуществляется на этойпромежуточнойчастоте, котораядолжнабытьвыше частот, соответствующимнизкочастотным шумам, обратнопропорциональнымчастоте.

[ ]

Основным параметром смесительныхдиодов, определяющимэффективностьпреобразованиявходныхсигналоввысокойчастоты в сигналыпромежуточнойчастоты, является параметр Lпрбназываемыйпотерипреобразованиясмесительногодиода и равныйотношениюмощностиСВЧсигнала на входе диоднойкамеры к мощностисигналапромежуточнойчастоты, выделяемой в нагрузкесмесительногодиода в рабочемрежиме.

В большинствеприемныхустройствСВЧ-диапазонаотсутствуютусилители перед смесителем. Поэтомучувствительностьвсегоприемногоустройства, возможностьразличитьполезный сигнал на фонешумовзависят от уровняшумовсмесительногодиода. Уровеньшумовсмесительногодиода (и других приборов) оцениваютшумовымотношениемnш – отношениемноминальноймощностишумовдиода в рабочемрежиме к номинальноймощноститепловыхшумовсоответствующего активного сопротивления при той же температуре и одинаковойполосе частот.

Другим параметром, характеризующимшумысмесительногодиода и других приборов и систем, являетсякоэффициентшума – отношениемощностишумов на выходе к той ее части, котораявызванатепловыми шумами источникасигнала:

( )

( )

Обобщенным параметром приемногоустройства, в смесителекоторогоиспользовандиод с определеннымипотерямипреобразования и шумовымсоотношением, являетсянормированныйкоэффициентшума – значениекоэффициенташумаприемногоустройствасосмесительнымдиодом на входе при коэффициентешумаусилителяпромежуточнойчастотыFупч, равном 1,5 дБ.

Одним извспомогательныхпараметровсмесительныхдиодовслужитвыпрямительныйтокIвп – постояннаясоставляющаятока, протекающая в выходной цепи диода в рабочемрежиме. Этот параметр используется для контроляисправностисмесительногодиода и гетеродинаприемника, от которого на смесительныйдиодподаетсяопределеннаямощностьСВЧ-колебаний с определеннойдлиннойволны.

Другим вспомогательным параметром являетсякоэффициентстоячейволны по напряжениюСВЧ-диодаKст U – коэффициентстоячейволны по напряжению в передающейлинии СВЧ, когдаонанагружена на определеннуюдиодную камеру с СВЧ-диодом в рабочемрежиме. Чемлучшесогласовановходноесопротивлениекамеры (с диодом) с волновымсопротивлениемтракта, тем меньшекоэффициентстоячейволны по напряжению и потерипринимаемогосигнала.

ж19. Варакторні діоди та діоди Шотткі, характеристики та застосування.

Варакторный диод - это полупроводниковый диод с р-п переходом, изготовленный по

специальной технологии, в котором имеет место нелинейная зависимость емкости запертого р-

п перехода от приложенного к диоду обратного напряжения. Емкость диода зависит от ширины

запирающего слоя, который в этом случае можно трактовать как диэлектрик конденсатора.

Обкладками конденсатора служат прилегающие к запирающему слою области полупроводника.

Если напряжение, смещающее диод в обратном направлении, возрастает, то емкость диода

уменьшается. Для типичного диода в интервале отрицательных напряжений от нескольких

десятков вольт до нуля емкость изменяется от 10 до 200 пФ.

Варакторные диоды, называемые также емкостными диодами или варикапами, находят

применение, в частности, как элементы, включаемые в резонансные контуры, которые можно

при этом перестраивать, изменяя напряжение смещения на аноде (например, с помощью

потенциометра). Такое решение часто используют в радиоприемниках, исключая, таким

образом, неудобный и дорогостоящий конденсатор переменной емкости поворотного типа.

Регулируемое напряжение подводится к диоду через резистор R, сопротивление которого

должно быть настолько большим, чтобы не шунтировать резонансный контур. Зависящее от

этого напряжения изменение емкости диода вызывает изменение емкости, подключенной

параллельно емкости резонансного контура. Тем самым изменяется результирующая емкость

этого контура, а следовательно, и его резонансная частота.

Рис.Еквивалентная схема варактора

20. Інженерна реалізація сигналів-переносників.

При наборе сигналов для системысвязи, кромеегогеометрическойконфигурации, влияющей на помехоустойчивостьсистемы, учитывается ряд дополнительныхфакторов: свойствазаданной линии передачи: полоса пропусканияпостоянство парам. Вовремени, количестворазличныхсообщений, которыеодновременнонеобходимопередавать по линиисвязи. Необходимоесовмещенияработынескольких систем передачи в 1 частотномдиапазоне с minпомехами. Предпочтительностьтехническойреализациигенераторов на основе реал.техн.

При практ. форм.сигналов перенос 1 или 0 не требуется формально след. Алгоритму

Сигналыобладающийтребуемымисвойствамиможно получить непосредственногенерированиемихформы.

Широко используется набор бинарныхсигналов в двоичномкодирование при цифровой передаче явл. сигналы в видеотрезковгармон. Колебаний с разными частотами или с различныминачальными фазами:

S (t) S * cos( t ) (19)

0 t Tc

x1 ( 0) При сохр. неизмн. частоты и измен. Тольконачальнойфазы x2 ( / 2)

Если же изменять частоту по правилу

x1 1

Помехоустойчивость при почти ортогональных сигналах будетнескольконижечем у ортогональныхсигналов. В бинарных системах используютсятакже пару сигналов с амплитудноймодуляцией

S (t1 , x1 ) S * cos(t c ) S (t2 , x2 ) 0

Сложныесигналы: Fc *Tc значительнобольше 1. Применение таких сигналовпозволяетбороться с помехами: многолучевость, улучшает э/м совместимость, повышаетпомехоустойчивость. При решениевопроса о выборе типа нужноучитыватьсреду.

21. Функціональна схема, принцип дії підсилювача та генератора на лавинно-пролітному діоді.

ЛПД звичайно працює в режимі "розвинутого" пробою, коли різко зростає робочий струм. На рис. 6.6 показана статична вольт-амперна характеристика ЛПД. Залежність у робочій області струмів дуже крута і струм ЛПД необхідно обмежувати зовнішнім колом, в іншому випадку лавинний пробій перейде в тепловий і діод вийде з ладу. Якщо ж діод підключений до резонансної системи LC (рис. 6.7) і до діода, крім постійної напруги, прикладена змінна, то в моменти негативних напівперіодів струм у діоді буде різко зростати, а в моменти позитивних напівперіодів – припинятися (рис. 6.8).

Таким чином, у діоді під дією змінної напруги утворяться імпульси струму.

У пролітній області потік носіїв заряду взаємодіє з полем НВЧ протягом часу , обумовленого товщиною пролітної області W і швидкістю руху носіїв .

Вибираючи товщину W, встановлюють таке значення , при якому

фазове зрушення між струмом першої гармоніки і напругою близьке до π. При цьому наростання напруги весь час буде супроводжуватися зменшенням струму, а зменшення напруги, навпаки – ростом струму (рис. 6.9).

Це свідчить про те, що для даної частоти змінної напруги протягом усього періоду коливань виконується умова негативного диференційного опору, тобто

. Отже, завдяки інерційності лавинного, процесу й наявності

потоку носіїв заряду передається полю, що обумовлює генерацію коливань НВЧ. Необхідна умова існування коливань:

де – період коливань генератора;

– час запізнювання струму щодо напруги на діоді.

Ця умова визначає діапазонність генератора на ЛПД. Оскільки при перебудові зовнішнього резонатора зсув фаз між напругою і струмом першої гармоніки уже не дорівнює π, то генеруюча потужність зменшується. При підвищенні частоти генеруючих коливань потрібно зменшувати довжину пролітного простору і, отже, товщину шару лавинного множення. При постійній напруженості E це викликає необхідність зменшувати робочу напругу, що у свою чергу призводить до зниження генеруючої потужності.

Даний режим роботи ЛПД називають пролітним (IMPATT). у цьому режимі генерують коливання в діапазоні 1...340 ГГц. Режим характеризується ККД, приблизно рівним 30 %.

У ЛПД, крім пролітного режиму, можливий також аномальний режим, чи режим із захопленою плазмою (TRAPATT), що базується на двох фізичних явищах: існуванні захопленої плазми й періодичному переміщенні області лавинного пробою вздовж пролітної ділянки.

Для реалізації аномального режиму потрібна спеціальна коливальна система та діод зі структурою p+-n-n+-типу (рис. 6.10).

До діода повинен бути прикладений імпульс з амплітудою, що перевищує значення пробивної напруги приблизно у два рази. На відміну від пролітного режиму, у якому область лавинного множення зосереджена на p+-n- границі переходу, в аномальному режимі область лавинного множення охоплює всю n-область. Унаслідок високої провідності плазми напруга на діоді різко падає, а струм залишається великим, що забезпечує негативний динамічний опір приладу. Зниження напруженості електричного полю приводить до зменшення швидкості дрейфу електронів і дірок (згустків плазми), тому час розсмоктування плазми значно більший за час прольоту електронами області

дрейфу ЛПД у пролітному режимі. Таким чином, при одній і тій же ширині n-області частота коливань в аномальному режимі в кілька разів менша, ніж у пролітному.

Аномальний режим використовують у сантиметровому діапазоні хвиль, причому внаслідок того, що необхідно працювати з великими струмами й важко розсіювати велику потужність, у ЛПД використовують імпульсний режим із тривалістю імпульсу ~1 мкс. Діапазоні частот 1...4 ГГц. Від одного діода може бути отримана потужність більша 100 Вт, при ККД до 25...40%, на частотах ~10 ГГц імпульсна потужність досягає 30 Вт.

Конструкції ЛПД постійно удосконалюються. Поряд з германієвими та кремнієвими діодами використовуються діоди на арсеніді галію, у тому числі з бар'єром Шотки. Крім діодів з одним пролітним простором (однопрогонових), використовуються діоди з двома пролітними

просторами. Удосконалюються способи відводу тепла від переходів, у результаті чого з'являється можливість збільшити вихідну потужність ЛПД.

22. Діод Ганна: структура, принцип роботи, характеристики та застосування.

Діод Ганна (також відомий, як transferred electron device (TED)) — тип напівпровідникових діодів, що використовується для генерації та перетворення коливань у діапазоні НВЧ. На відміну від інших типів діодів, принцип дії діода Ганна заснований не на властивостях p-n переходів, а на власних об'ємних властивостях напівпровідника.

Названий на честь винахідника Джона Ганна.

Ефект Ганна виникає тому, що в структурі зони провідності деяких напівпровідників, наприклад, GaAs, існують додаткові долини з локальними мінімумами енергії в залежності від хвильового вектора. В початковому стані електрони провідності зосереджені в основному в головній долині в центрі зони Брілюена, де вони мають малу ефективну масу й високу швидкість. Прискорюючись в електричному полі, вони потрапляють в додаткові долини, де їхня ефективна маса більша, а швидкість менша. Завдяки цьому явищу збільшення прикладеної напруги може призвести до зменшення струму (сповільнення електронів).

Традиційно діод Ганна складається з шару арсеніду галію завтовшки від одиниць до сотень мікрометрів з омічними контактами з обох боків. У цьому матеріалі в зоні провідності є два мінімуми енергії, яким відповідають два стани електронів, - «важкі» і «легкі».

Узв′язку з цим із зростанням напруженості електричного поля середня дрейфова швидкість електронів збільшується до досягнення полем деякого критичного значення, а потім зменшується, прагнучи до швидкості насичення.

Таким чином, якщо до діода прикладена напруга, що перевищує твір критичної напруженості поля на товщину шару арсеніду галію в діоді, рівномірний розподіл напруженості по товщині шару стає нестійкий.

Тоді при виникненні навіть в тонкій області невеликого збільшення напруженості поля електрони, розташовані ближче до анода, «відступлять» від цієї області до нього, а електрони, розташовані у катода, намагатимуться «наздогнати» рухомий до анода подвійний шар зарядів, що вийшов.

При русі напруженість поля в цьому шарі безперервно зростатиме, а поза ним - знижуватися, поки не досягне рівноважного значення. Такий рухомий подвійний шар зарядів з високою напруженістю електричного поля всередині отримав назву домена сильного поля, а напруга, при якій він виникає, - порогового.

Умомент зародження домена струм в діоді максимальний. У міру формування домена він зменшується і досягає свого мінімуму після закінчення формування. Досягаючи анода, домен руйнується, і струм знову зростає. Але тільки він досягне максимуму, у катода формується новий домен.

Частота, з якою цей процес повторюється, обернено пропорційна товщині шару напівпровідника і називається пролітною частотою.

Застосування

Ефект від'ємного опору можна використовувати для посилення сигналу. Часто використовують в якості джерела високої частоти і великої потужності сигналу.