Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 10.04.2024
Просмотров: 147
Скачиваний: 1
способны развивать большие мощности и поэтому более перспективны. Особенно ценным качеством нестабильных усилителей является слабая зависимость их коэффициента усиления от частоты (например, в работе [35] получено ли
нейное |
усиление |
в диапазоне 20—60 |
ГГц |
на |
диодах |
с |
||||
L |
~ |
5 |
мкм, |
п ~ |
5 • 1015 |
с м - 3 , S ~ |
70 мкм2 , |
Рвых |
~ |
|
~ |
1 мВт). |
|
|
|
|
|
|
|
||
|
Если для усиления используется отрицательная диффе |
|||||||||
ренциальная |
проводимость, |
обусловленная |
зависимостью |
|||||||
v(E) |
(n0L » 2,5 • 1011 с м - 2 ) , то формирование |
домена подав |
||||||||
ляется входным сигналом. Здесь принцип работы такой же, как в режиме ОНОЗ (амплитуда и частота входного сигнала должны соответствовать условиям генерации в режиме ОНОЗ). Если генератор, работающий в одном из режимов, синхронизируется входным сигналом и его мощность превос ходит мощность синхронизирующего сигнала, то такой ге нератор будет служить одновременно и усилителем.
8.3.РАСЧЕТ ХАРАКТЕРИСТИК ГЕНЕРАТОРОВ ГАННА
Основными электрическими характеристиками генера торов на диодах Ганна, как и генераторов других типов, являются: диапазон генерируемых частот; мощность (в им пульсном или непрерывном режиме); коэффициент полез ного действия; стабильность частоты, характер спектра. Эти характеристики генераторов зависят от параметров дио да Ганна и режима работы. Режим определяется схемой генератора и его нагрузкой.
Расчет генератора на диоде Ганна будет состоять из рас чета его энергетических характеристик и расчета колеба тельной системы с элементами подстроек и схемы питания.
В данном параграфе рассматривается общий подход к анализу основных энергетических характеристик генера торов на диодах Ганна, который иллюстрируется отдельными примерами расчетов. В результате энергетического расчета определяется в первую очередь мощность, отдаваемая в нагрузку, к. п. д., а также требования к колебательной си стеме и источнику питания. При расчете колебательной си стемы, всех элементов схемы, разработке конструкции гене ратора в целом возникают те же задачи, что и при разработ ке других диодных генераторов СВЧ — генераторов на ТД и на ЛПД, пути решения которых известны и достаточно широко освещены в литературе.
8.3.1. Общий подход
Чтобы рассчитать основные характеристики генерато ров, необходимо прежде всего знать вольтамперные харак теристики диодов Ганна. Затем необходимо учесть влияние СВЧ поля в каждом конкретном режиме работы на харак теристики генератора. Это можно сделать двумя путями.
При первом пути рассматривается работа диода Ганна, нагруженного на параллельный или последовательный контур. В этом случае в качестве независимых переменных задаются частота ненагруженного контура и сопротивление нагрузки Ru. Затем определяются мощность генератора, к. п. д., зависимость характеристик генератора от напря жения питания и физических параметров диода и т. д. По скольку сопротивление нагрузки в зависимости от положе ния диода в резонаторе может меняться в широких преде лах при неизменном напряжении питания, то выбор сопро тивления нагрузки в качестве независимой переменной оказывается неудобным [35].
При втором пути заданными предполагаются амплитуда и частота СВЧ поля на диоде и рассчитываются все харак теристики генератора, в том числе и сопротивление нагруз ки Rn (амплитуда СВЧ поля связана непосредственно с со противлением нагрузки). Второй путь оказывается наибо лее удобным, поскольку, во-первых, величина амплитуды СВЧ поля на диоде может быть экспериментально опреде лена, и, во-вторых, в отдельных случаях удается построить аналитическую теорию генератора на диоде Ганна [35—37].
При известных вольтамперной характеристике диода Ганна (все параметры ее задаются) и форме напряжения на диоде нетрудно определить форму тока через диод, постоян ные составляющие тока и напряжения, амплитуды состав ляющих первой, второй и т. д. гармоник, сопротивление нагрузки, мощность и к. п. д.
Вольтамперная характеристика диода Ганна, как уже отмечалось в п. 8.1.7, в общем случае аналитически не опи сывается (в особенности ее динамическая ветвь). Поэтому в каждом конкретном случае пользуются различными ап проксимациями статической и динамической ветвей харак теристики. Это необходимо для того, чтобы при известной форме напряжения аналитически описать форму тока, текущего через диод Ганна. После этого либо с помощью аналитических выражений, либо с помощью численных расчетов можно определить все необходимые характери-
стики генератора и по ним анализировать |
его |
работу и |
|||
находить оптимальные условия для нее. |
|
|
|
||
Рассмотрим определение формы тока через диод |
Ганна |
||||
в общем случае. Статическую ветвь вольтамперной |
харак |
||||
теристики диода Ганна |
при U < сУп опишем |
зависимостью |
|||
I[(U), |
динамическую |
ветвь — зависимостью |
Г2 |
({/). Если |
|
диод помещен в резонансную систему (наиболее часто встре чающийся случай), то напряжение на нем может быть пред
ставлено суммой постоянного и переменного |
напряжений, |
т. е. |
|
I / ( / ) = £ / 0 + [ / J ( / ) . |
(8.51) |
При высокой добротности резонансной системы можно пре небречь высшими гармониками и считать, что приложенное к диоду Ганна напряжение равно
|
|
U(t) = U0 |
+ U1sin(ut, |
(8.52) |
где со = |
2п/Т\ |
Т — период |
колебаний. |
|
Если |
напряжение, действующее на диоде, имеет слож |
|||
ную форму, то |
его можно представить в виде суммы гар |
|||
монических составляющих |
(ряда Фурье). |
Форма тока |
||
через диод определяется по вольтамперной характери стике диода при заданной форме напряжения. Например, если-диод Ганна работает в режиме с задержкой образования домена при пороговом напряжении, времена рекомбинации и формирования домена малы по сравнению с периодом коле баний и форма напряжения на диоде синусоидальная, то
форма тока определяется по |
вольтамперной характеристике |
||
(см. рис. 8.16) |
в виде цикла |
ABCDEFA. |
Поскольку период |
колебаний Т> |
tx—времени |
пролета домена, то после исчез |
|
новения домена в момент t± |
рабочая |
точка перейдет из D |
|
в Е и будет перемещаться в соответствии с изменением на пряжения на диоде по статической характеристике диода. Следовательно, в этом случае ток через диод может быть записан в виде
при |
0 <Ct < tv |
(8.53) |
|
при |
< / < 7 \ |
||
|
При работе диода Ганна в режиме с подавлением доменов при пороговом напряжении (времена формирования и ре комбинации домена малы по сравнению с периодом колеба ний, форма напряжения синусоидальная) форма тока опре-
деляется |
циклом ABCDEFA |
(см. рис. 8.17), т. е. участками |
|||
характеристики |
//(О') |
и |
l2'{U) |
в течение промежутков |
|
времени |
0 — / / |
и ti — |
Т. Аналогично определяют форму |
||
тока и в других |
случаях. |
|
|
||
Полученное выражение для тока через диод можно пред ставить в виде суммы гармонических составляющих (ряДа
Фурье). При этом определяются |
постоянная |
составляющая |
|||
тока через диод / = |
и амплитуды |
гармоник |
(первой, второй |
||
и т. д.) |
|
|
|
|
|
Чтобы рассчитать мощность, |
отдаваемую в нагрузку |
по |
|||
первой гармонике, |
величины |
нагрузки |
и |
к. п. д. |
ге |
нератора, определяют постоянную составляющую напря жения на диоде U0, амплитуду первой гармоники напря
жения |
Ult постоянную составляющую тока |
через диод / = |
|
и амплитуду первой |
гармоники тока через диод I v синфаз |
||
ной с напряжением |
Uv |
в диоде, будет |
|
В |
этом случае мощность, рассеиваемая |
||
равна |
|
|
|
|
|
P0 = U01=, |
(8.54) |
мощность, отдаваемая в нагрузку на частоте первой гармо ники, составит
Pl = VxlJ2. |
(8.55) |
Сопротивление нагрузки на основной частоте равно |
|
RH = UJI-, |
(8.56) |
к. п. д. генератора на частоте первой |
гармоники |
ц = A ioo%. |
(8.57) |
Приведенные рассуждения справедливы и для харак теристик генератора на высших гармониках. Для опреде ления эквивалентных реактивных проводимостей необхо димо найти амплитуды гармоник тока, сдвинутых по отно шению к гармоникам напряжения на л/2. Вычисления, свя занные с определением характеристик генераторов на дио дах Ганна, не сложны, но могут быть довольно трудоемки
ми. Их трудоемкость зависит от вида зависимостей |
//(£/) |
||
и |
12'{U). |
Если выбранные аппроксимации участков |
/ / ( ( / ) |
и |
I2'(U) |
сложны, то можно произвести лишь численные рас |
|
четы. Если выбранные аппроксимации просты и при рабочих условиях хорошо соответствуют действительным зависи-
мостям, то искомые характеристики могут быть записаны аналитически. Наиболее простой и близкой к действитель ной характеристике является двухпрямолинейная аппрок симация. При этом реальная характеристика диода Ганна заменяется двумя прямолинейными участками. Наклон одного участка OA соответствует сопротивлению диода Ган на в слабом электрическом поле, другой параллелен оси
Рис. 8,20. Иллюстрация работы диода Ганна с резистивной нагруз кой в пролетном режиме.
напряжений (рис. 8.20). Такая апрроксимация справедлива для больших n0L и больших напряжений на диоде Ганна, В случае, если необходимо найти зависимость энерге тических характеристик генератора от параметров материа ла (п0, д., L), следует пользоваться действительными харак
теристиками диода.
Приведенные рассуждения справедливы для анализа работы диода Ганна в различных режимах при различных схемах включения.
Рассмотрим некоторые примеры расчета генераторов на диодах Ганна.
