Файл: Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Проектирование и расчет.pdf

На более высоких частотах (единицы-десятки гигагерц) диод Ганна помещают в волноводные и коаксиально-волно- водные секции (рис. 8.34). Диод размещается между широ­ кой стенкой волновода и штырем, расположенным в волно­ воде по центру его широкой стенки (8.34, б) или централь­ ным проводником коаксиального шлейфа (8.34, а). Коротко-

замыкающие поршни Кг и К2 служат для перестройки гене­ ратора по частоте и согласования диода с нагрузкой. Если диод помещен в секцию, показанную на рис. 8.34, б, то его работа эквивалентна работе в одном из резонансных режи­ мов (резонатор образуется поршнем Кі и штырем). Для согласования генератора с нагрузкой может быть приме­ нен Е — Н трансформатор или трансформирующие элемен­ ты — штыри, расположенные вблизи резонатора с диодом. При этом на частоту генератора в основном влияет поло­ жение поршня Къ а на величину нагрузки — глубина погружения штыря.

В коаксиально-волноводной секции согласование с на­ грузкой может осуществляться коаксиальным шлейфом. Однако лучшего согласования и в этой секции можно до­ биться применением трансформирующих элементов.

Как на низких, так и на высоких частотах перспектив­ но использование высокодобротных резонаторов, посколь­ ку именно в резонансных системах можно получить высокие

значения выходных мощностей и к. п. д. в режимах с за­ держкой образования домена, подавлением домена, в гиб­ ридном режиме и режиме ОНОЗ.

Следует отметить, что сущестует большое многообразие секций и резонаторов, пригодных для включения диодов Ганна при работе их в качестве генераторов. Они могут от­ личаться диапазонами частотной перестройки, различными способами согласования с нагрузкой, возможностями ча­ стотной перестройки в указанном диапазоне частот, различ­ ными добротностями резонаторов в диапазоне частот и дру­

генератора с нагрузкоі, т. е. при заданном напряжении вы­ бирать требуемую по расчету величину нагрузки для зада­ ваемого режима работы.

Перспективным является использование сложных резо­ нансных систем, в которых на диоде действует напряжение сложной формы, позволяющих получить наибольший к. п. д. на частоте первой гармоники (~30%). Такие системы могут представлять собой связанные резонаторы, в один из ко­ торых включен диод Ганна и которые работают на кратных частотах: например, один резонатор настраивается на ос­ новную частоту, второй — на частоту второй гармоники.

Некоторыми особенностями должны обладать резонанс­ ные системы при работе генератора в режимеОНОЗ, посколь­ ку при работе в этом режиме в полости резонатора должна установиться достаточно большая амплитуда высокочастот­ ного поля. Диод Ганна может быть введен в режим ОНОЗ за счет гармоник ганновских колебаний. Для этого либо резонатор должен обладать высокой добротностью на ча­ стоте режима ОНОЗ и на частоте ганновских колебаний либо система должна представлять собой связанные резо­ наторы на этих частотах. Можно нагружать резонатор не сразу после возникновения режима ОНОЗ, а через некото­ рое время, для того чтобы в резонаторе установилась доста­ точная для режима амплитуда колебаний. Это достигается удалением нагрузки от резонатора на расстояние несколь­ ких длин волны, благодаря чему в течение нескольких пер­ вых периодов колебаний нагрузка к резонатору не подклю­ чается.

Важными рабочими характеристиками генераторов на

характеристики для генератора на диоде Ганна, работаю­ щего в ганновском режиме на частоте 10 ГГц в секции, по­ казанной на рис. 8.34, а, приведены на рис. 8.35. Вольт­ амперная характеристика снята путем измерения средних во времени напряжения на диоде и тока через диод. Зави­ симости ц(и) и Pi(U) приведены для точек, соответствую­ щих наилучшему согласованию генератора с СВЧ трактом, т. е. показаны значения максимальных мощностей и к. п. д.

в исследуемой схеме при неизменном в каждой точке напря­ жении питания и оптимальной величине нагрузки для ге­ нератора. Зависимости приведены для импульсных диодов 3-сантиметрового диапазона при длительности импульса питания ta — 0,5 мс, скважности, равной T/ta — 50. Уве­ личение среднего тока через диод при больших напряже­ ниях и связанное с ним падение мощности и к. п. д. обуслов­ лено тепловым разогревом диода и существенным измене­ нием его характеристик: увеличивается концентрация но­ сителей, уменьшается подвижность, падает сопротивление прибора R0.

Не менее важными характеристиками генераторов яв­

н а г р у з к и . Из расчетов, приведенных в § 8.3, следует, что в различных режимах генерация с к п. д., близким к максимальному, возможна в широких пределах изменения сопротивления нагрузки, причем с увеличением Ru необхо­ димые для достижения максимальных к. п. д. напряжения на диоде возрастают. При неизменном сопротивлении на­ грузки увеличение напряжения питания приводит к срыву генерации и значительному уменьшению к. п. д. (т| <^ 1%). Это связано с тем, что при определенных напряжениях на диоде перестают выполняться условия, необходимые для работы в резонансных режимах (амплитуда высокочастот­ ного поля £\ оказывается меньше Е0 — Еп) и режим гене­ ратора переходит в пролетный режим работы с малой мощ­ ностью и низким к. п. д.

Аналогичный срыв генерации наблюдается при неизмен­ ном напряжении питания и изменении в широких пределах сопротивления нагрузки. При определенных значениях со­

тора Ганна, в непрерывном режиме, работающего в секции рис. 8.34, б от глубины погружения трансформирующего элемента — штыря, расположенного в.волноводе на расстоя­ нии примерно Х/2 от диода. Аналогичная зависимость в ука­ занной секции наблюдается при неизменном положении штыря с увеличением напряжения питания.

Для оценки эффективности СВЧ генераторов, построен­ ных на твердотельных элементах (СВЧ транзисторы, ЛПД и др.), используют величину произведения P J 2 . Увеличение рабочей частоты / диодов Ганна требует уменьшения длины L приборов и, следовательно, меньших питающих напряже­ ний, поскольку питающие напряжения при этом обратно

чина, которая может характеризовать качество и перспек­ тивность генератора. Для диодов Ганна, работающих с

жпоказываетиме перспективность применения генераторов в ре­ ОНОЗ для получения больших мощностей.