Файл: Балябин А.Н. Твердотельные приборы СВЧ учеб. пособие.pdf

Скачать файл
Заказать решение

ВУЗ: Не указан

Категория: Не указан

Дисциплина: Не указана

Добавлен: 28.07.2024

Просмотров: 87

Скачиваний: 0

ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.

-112 -

б^ +G/y —Qd ^ О >

ачастота генерируемых колебаний определяется из усло­

вия

j 8 > d + j 8 « * О .

Режимы работы автогенераторов на ДЭП

3 автогенераторе ДгП находится внутри реэонатора, следовательно, ка него вбздействует результирующее на­

пряжение,-‘равное сумме-постоянного напряжения смещения и высокочастотного напряжения. Так как амплитуда высоко­ частотных колебаний может быть сравнима с величиной повеянного';напряжения смещения, то результирующее на­ пряжение на ДэП будет периодически изменяться в широких

пределах. Б таких условиях электронные процессы в ДЭП должны в значительной степени зависеть от собственной частоты и добротности резонатора.

В настоящее время известны несколько режимов рабо­

ты генераторов с переносом электронов, отличающихся зна­

чениями выходной мощности, эффективностью преобразова­

ния энергии, диапазоном перестройки и другими парамет­ рами, определяющими возможность их практического при­ менения.

Пролетный (ганновский) режим

В -этом режиме ДзП‘работает при напряжении смещения,

равном пороговому в.резонаторе с очень низкой доброт- ■

ностью/ Q- О)

или на чисто

активную нагрузку,

как пока­

зано па рис.76

. Этот тип-колебаний был открыт и иссле­

дован Дж.Ганном в 1963 г.

19Д •.

 

В момент включения напряжения смещения

UCMUп0р

 

113

-

 

 

 

 

напряженность поля в полупроводаике достигает также

порогового значения

£ = Е

°

и на катоде

форми­

руется домен сильного поля. Сопротивление образца в

области домена сильно

увеличивается,

в результате

чего

ток во внешней цепи резко падает,

как

показано

на

рис.

77,6 ( момент t =0 )

.Движение домена

от катода

к

аноду

пределение поля вдоль образца, соответствующее сущест­ вованию домена, изображено на ри с.77,а .Как видно изрисунка, напряженность электрического поля во всем объ-

Ряс.77. Работа ;.1ЭП-диода б режиме ганковских колебаніи

а-домен сильного поля; б -Ьорма тока во

внешней цепи.

еме полупроводника, кроме области домена, меньше £ пор'

поэтому одновременно в образце может существовать толь­

114

ко один домен. Достигнув анода, домен постепенно исче­ зает, при этом во внешней цепи наблюдается увеличение тока, а внутри полупроводника - повышение напряженности поля. Как только поле достигает значения Е- Е По^ на ка­ тоде возникает новый домен и цикл повторяется. ДЭП гене­ рирует импульсы тока с частотой, обратной времени про­ лета домена от катода к аноду рис.??,б .Частота гене­ рируемых импульсов тока во внешней цепи определяется временем движения домена в приборе и не зависит от внеш­ ней цепи..

 

 

 

' г =

_

гГ _

У0 7.

 

 

 

Т"Р

Tt ~

L

~

L J

где

L

дано

в сантиметрах.

 

 

 

 

Величина генерируемой мощности высокочастотных ко­

лебаний пропорциональна

квадрату

напряжения смещения и,

следовательно,

пропорциональна

, 2

или обратно пропор­

L

циональна

квадрату частоты.

Эффективность преобразова­

ния

энергии в

пролетном режиме очень низка: не превышает

долей процента. Практического применения в радиотехник чѵсвих устройствах этот режим не получил.’

Пролетный режим с "запаздывающим доменом"

В отличие от рассмотренного выше чисто пролетного

режима режим с "запаздывающим доменом" имеет место в генераторах с высокой добротностью резонатора.Мгновен­

ное

значение напряжения Ус?)

на Д^П в рассматриваемом

 

г

 

режиме определяется выражением

 

U(t) = У-см

Um COsU)o^y

где

Мщ- амплитуда высокочастотного напряжения;

 

іл) - собственная частота

резонатора,соответствующая

- 115 -

периоду TQ .При больших значениях добротности, как

отмечалось ранее, амплитуда высокочастотного напряжения в резонаторе соизмерима с постоянным напряжением UeM . Для осуществления режима с "запаздывающим доменом" не­

обходимо обеспечить два условия.

1. Величины постоянного напряжения смещения и

амплитуды высокочастотного напряжения должны быть выб­

раны так, чтобы в любой момент

времени напряженность

поля превышала значение

Es

, при котором происходит

распад

домена.

 

 

 

2.

Собственная частота

резонатора Ц)0 и размера

ДЭП должны быть такими,

при которых время пролета до­

мена Т±

и период высокочастотных колебаний Тв удовлет­

воряют

неравенству

é

Tt

4 Та

На рис. ?8 изображены

зависимости напряженности

- 116 -

поля на ДЭП и тока во внѳшкѳй цепи от времени!позволяющие

качественно рассмотреть работу генератора в режиме с

"запаздывающим доменом" и определить возможные пределы изменения частота генерируемых колебаний. Б момент ~t=.0

мгновенное значение напряжения U(t) - (Уем .причем на­ пряженность поля 'равна пороговой Е - Е Пор и на кат°Де

ДЦП формируется домен сильного поля, а ток во внешней цепи резко уменьшается. Сформированный домен .движется

к аноду

с

постоянной скоростью. Если время пролета до­

мена

7*

 

находится в

интервале

TQ ,то домен

достигает

анода и исчезает при значении напряженности

пода

в диоде £

этих условиях

образование но­

вого домена произойдет только через некоторый промежуток ■

времени <4^=*7£-7£

, когда напряженность поля

снова до­

стигает значения

£ ПОр . Таким образом,имеет

место

за­

паздывание

появления нового домена

у катода ("относитель­

но момента исчезновения предыдущего) на время A~t3 »ве­

личина которого может изменяться,

как видно

из рис.78,

в пределах

0<>At3 ± r°/Z .

 

 

 

 

В промежутке

времени А t3 напряженность поля

Е< Ent>p

и проводимость диода положительна,

т .е . ДСП

ведет

себя

как чисто

активное сопротивление.

Величина

тока через

диод пропорциональна мгновенному значению напряжения на нем. Частота периодических изменений тока ( рис.78 ) оп­

ределяется собственной

частотой резонатооа / =

и.

 

J О

' ! о

*

еле довате»::ьно, возможна механическая лереетро

 

 

и ка

час-

тоги гене;,чаруемых колебаний. Учитывая, что'Т-

/

из

второго j с:ловкя легко

получить „соотношение

 

 

JnP /l 4

То ^ / п р

 

 

 

- 117 -

гле -Р

= düL . Шз положенного выражения следует, что

■'"Р

L гм

максимально возможный диапазон механической перестройки генератора в режиме " с запаздывающим доменом" равен октаве. Перестройка возможна в сторону низких частот от

пролетной частоты -f-np , определяемой геометрией ДЭП. Теоретическое значение эффективности преобразования

энергии в режиме "с запаздывающим доменом" приближается к 27% [18].

Режим " гашения домена"

Для работы генератора в режиме "гашения"необходи-. мы высокочастотные колебания с большей амплитудой, чем в режиме "с запаздывающим доменом" и, следовательно,тре­ буется более высокая добротность резонатора. Амплитуда высокочастотного напряжения должна быть такой, чтобы в течение .некоторой доли периода Т0 напряженность поля в ДіП уменьшалась ниже значения £ - £ г , при котором проис­

ходит гашение (распад) домена. Кривые изменения напря­ женности поля и тока во внешней цепи ДВІІ, соответствую­ щие установившимся колебаниям в режиме "гашения"»изобра­

жены на рис. ТО . В момент t =0 результирующая напряжен­

ность поля Е &ЕПор и на катоде .диода формируется домен сильного поля. Возникновение домена сопровождается рез­ ким уменьшением тока во внешней цепи.Сформированный 'до­ мен распространяется в сторону анода с постоянной ско­

ростью. Если период высокочастотных

колебаний

7ф $ 7ф ,

то уменьшение электрического поля до

значения

£ s и пае—

пад домена происходят раньше (момент

~tz на рис. 7Э ) .

чем он достигнет анода. Распад домена происходит практи­ чески мгновенно, так как при £ <■Н еотрицательная объем

-118 -

ная проводимость в полупроводнике отсутствует и подвиж­ ность электронов очень высока. Исчезновение домена соп­ ровождается увеличением тока до значения,определяемого активным сопротивлением полупроводника. В дальнейшем ток будет изменяться пропорционально напряжению до тех пор)

пока напряженность поля не достигнет значения Епор,ій

цикл повторится.

Р и с .79Режим "гашения"домена..

Частота генерируемых колебаний так же, как и в пре­ дыдущем режиме, определяется собственной частотой резона­ тора 4- г однако основное достоинство режима "гашения" б том, что механическая перестройка йожет осуществляться в сторону, более высоких частот от пролетной частоты.

Теоретическое значение э'р; активности преобразования энергии з режиме “гашения” может достигать 13а ря"] .

- 119 - Сравнительно низкий к .п .д . объясняется тем, что домен

пробегает только часть полупроводника ДЭП и поле в ос­

тальной его части никогда не презшшет порогового зна­ чения, тем самым активная часть диода оказывается как

бы нагруженной последовательным резистором, в котором расходуется значительная часть мощности.

Режимвограниченного накопления объемного заряда (0Н03) '

Новый высокоэффективный режим работы,получивший сокращенное название 0Н03, был открыт в 1966 г. Для осу­ ществления генерации колебаний в этом режиме генератор

должен иметь высокодобротный резонатор,собственная час­

тота которого f значительно вш е обратной величины

времени пролета '1/ть электронов в ДЭП. Напряжение сме­ щения подбирается так, чтобы напряженность постоянного

электрического поля Ва в несколько раз превышала поро­

говое значение ( практически Е0=2-?~3 Епор) .Нагруженная добротность резонатора должна быть достаточно высокой,

чтобы обеспечить такую амплитуду

высокочастотных ко­

лебаний, при которой результирующее

поле £ = £д+

аа некоторую малую долю каждого периода становится мень­

ше порогового значения Епор

-

 

Принцип действия автогенератора в режиме ограничен­

ного накопления объемного заряда изображен

на рис.80 .

В интервале времени

электрическое поле

поевосходпт

пороговое значение

Еяо^ . Диод находится в

состоянии с

отрицательной дифференциальной проводимостью и, следо­ вательно, отдает энергию СВЧ-полю резонатора. Благодаря высокой собственной частоте резонатора промежуток времени

Смотрите также файлы