- •Глава 18 лавинно-пролетные диоды
- •18.1. Взаимодействие носителей заряда с кристаллической решеткой в сильном электрическом поле
- •18.3. Принцип действия генератора на лпд
- •18.4. Элементы нелинейной теории лпд
- •18.4.1. Процессы в слое умножения
- •18.4.2. Процессы в области дрейфа
- •18.4.3. Эквивалентная схема и высокочастотное сопротивление лпд
- •18.4.4. Высокочастотная мощность и кпд автогенератора на лпд
- •18.5. Конструкции, параметры и применение генераторов на лпд
- •18.6.1. Регенеративные усилители на лпд
- •18.6.2. Усиление мощности в режиме синхронизации
- •18.6.3. Умножители частоты на лпд
18.4.4. Высокочастотная мощность и кпд автогенератора на лпд
Высокочастотная мощность, отдаваемая электронами СВЧ-полю, может быть рассчитана по формуле
Эта мощность называется электронной, в отличие от выходной мощности , поступающей в полезную нагрузку. Подставляя (18. 14) в последнее выражение, можно рассчитать электронную мощностьР и электронный КПД генератора на ЛПД:
(18.16)
где =– потребляемая мощность.
При оценке максимального, электронного КПД учтем, что амплитуда СВЧ-напряжения не должна превышать напряжения питания . В противном случае в положительный полупериод СВЧ-напряжения будет протекать прямой ток диода, что приведет к резкому падению мощности. Более строгий анализ показывает, что оптимальное значение /0,7. При таких больших амплитудах колебаний можно пренебречь пространственным зарядом подвижных носителей и считать >>2f(В) и /=/I.
Полагая, что в оптимальном режиме нормированная амплитуда колебаний В = 3...4, что соответствует f(B) 1 (см. рис. 18.9), /=0,7, =0,7, согласно (18.16) получаем
(18.17)
Как видно из (18.17), возрастает при уменьшении относительной ширины слоя умножения /I. Это подтверждается экспериментально. В настоящее время наибольшие значения КПД имеют ЛПД с неоднородным легированием, в которых /I < 0,05.
18.5. Конструкции, параметры и применение генераторов на лпд
На рис. 18.13 схематически изображены базовые конструкции генераторов на ЛПД. На рис. 18.13,а показана конструкция генераторов волноводного типа с коаксиальным резонатором. ЛПД 1 расположен в коаксиальном резонаторе 2, который перестраивается с помощью винта 4. Винт 3 служит для регулировки связи генератора с нагрузкой. Ступенчатый переход 5 является трансформатором сопротивлений. Дроссель б служит для разделения СВЧ-цепи и цепи питания.
Рисунок 18.13,б иллюстрирует другой вариант конструкции волноводного генератора. ЛПД 1 установлен в открытом радиальном резонаторе 2, помещенном в прямоугольном волноводе 3. Перемещение замыкающего волновод плунжера 4 изменяет степень связи генератора с нагрузкой. Дроссель 5, как и в предыдущей конструкции, служит для разделения СВЧ-цепи и цепи питания.
На рис. 18.13,в показана топология генератора на микрополоско-вых линиях. Бескорпусный ЛПД 1 установлен в полосковом резонаторе 2, который связан с выходной линией через трансформирующую сопротивление линию 4 и блокировочный конденсатор 3. Питание ЛПД подводится через контактную площадку 7, ограничительный резистор б и фильтр 5, отделяющий СВЧ-цепь от цепи питания.
Остановимся на энергетических параметрах генераторов на ЛПД. Максимальная мощность непрерывных колебаний на частоте 10 ГГц близка к 10 Вт при КПД до 40 %. С ростом частоты выходная мощность уменьшается по закону, близкому к 1/f2. На частоте 100 ГГц выходная мощность падает до нескольких десятков милливатт, а КПД уменьшается до 5...7 %. В импульсном режиме достигнуты значения мощности выше: в диапазоне сантиметровых волн составляет 30...50 Вт, а миллиметровых – сотни милливатт.
В настоящее время генераторы на ЛПД являются самыми мощными твердотельными источниками СВЧ-колебаний. В коротковолновой части диапазона сантиметровых волн они превосходят по КПД диодные генераторы других типов и практически не уступают по этому показателю генераторам на полевом транзисторе. В миллиметровом диапазоне волн ЛПД не имеют конкурентов среди других полупроводниковых приборов по КПД и мощности.
Генераторы на ЛПД применяются в передатчиках радиорелейных линий связи, портативных радиолокационных станциях, системах с фазированными антенными решетками, измерительной аппаратуре. Высокий уровень шума ЛПД позволяет использовать их для создания генераторов шума СВЧ-диапазона.
18.6. СВЧ-усилители и умножители частоты на ЛПД