Расчёт автогенератора на диоде Ганна

(17)

получим распределение напряжённости поля и концентрации электронов вдоль образца, которые качественно представлены на рис [6] . Если напряжённость поля всюду меньше Еп, то в большей части образца она слабо зависит от х (рис [6], а, кривая 1), а концентрация электронов вдали от катода равна равновесной (рис [6], б, кривая 1).

Как только в некоторой точке Е станет больше Еп, скорость дрейфа электрона здесь уменьшится и соответственно должна увеличиваться их концентрация, чтобы сила тока при любом х оставалась постоянной. Подток избыточных электронов от катода в данную точку вызовет увеличение плотности избыточного заряда и dE/dx [(см 17)]. Во всех остальных точках, расположенных правее рассматриваемой, сила тока также поддерживаться постоянной за счёт роста n(x) и dE/dx (рис [6], а и б, кривые 2). Причём как следует из (16) и (17), чем выше плотность тока, тем больше должно быть dE/dx, то есть нелинейность кривой, изображающей зависимость Е от х, должна увеличиваться (рис [6], а, кривые 2,3). В этой области образца, где Е<Еп, и концентрация электронов уменьшается с ростом х.

Рисунок 6- Распределение напряженности поля (а) и концентрации электронов (б) вдоль образца при >.

Кривые 1, 2 и 3 соответствуют плотностям тока <<. ВАХ таких образцов при Е<Еп подчиняется закону Ома (рис [7]), а затем ток практически выходит на насыщение, если равновесная концентрация электронов не очень мала.

Рисунок 7- Статистическая ВАХ диода Ганна при <

Если же n0 меньше некоторой величины при фиксированной длине образца, то на ВАХ вслед за линейным должен наблюдаться участок, соответствующий току, ограниченному пространственным зарядом. Таким образом, в реальных образцах за счёт инжекции электронов с катода и подтока их к области с пониженной подвижностью, где Е>Еп, на ВАХ исчезает участок с ОДС. У анода таких образцов, как видно из рис [6], существует статический (неподвижный) домен сильного электрического поля с повышенной концентрацией электронов. Иногда такой домен называют статическим доменом обогащённого слоя.

Нарисованная выше картина реализуется при наличие лишь постоянного напряжения на образце. Стационарное неоднородное распределение электрического поля и концентрации электронов вдоль образца, приводящее к исчезновению участка ВАХ с ОДС, устанавливается приблизительно за время пролёта (см. (11)). Поэтому если к диоду кроме постоянного смещения приложить ещё и малое переменное поле с частотой, близкой к пролётной (), то объёмный заряд не будет успевать стабилизировать образец. В этом случае небольшая флуктуация объёмного заряда, появившаяся у катода за счёт наличия переменного поля, будет нарастать по мере продвижения к аноду, что приведёт к усилению переменного сигнала. Следовательно, такой диод будет играть роль усилителя СВЧ сигнала с частотой, совпадающей с пролётной или с её гармониками. Эксперимент подтверждает наличие отрицательной активной проводимости на соответствующих частотах для образцов арсенида галлия, у которых n0W<1012 см-2.

2.4 Мощность и КПД диодов Ганна

СВЧ - мощность, генерируемую диодом Ганна, можно представить как

где R - сопротивление диода. В пролётном режиме работы

и

Это соотношение между мощностью и частотой сопровождается экспериментом для диодов из GaAs и InP. Для диодов из GaAs с достаточно длинной базой при подаче импульсного смещения получена максимальная СВЧ - мощность порядка 6 кВт на частоте около 2 ГГц. В непрерывном режиме работы, когда на диод подаётся постоянное напряжение смещения, на частоте 10 ГГц СВЧ - мощность равна приблизительно 2 Вт.

Как следует из оценок, верхний предел рабочей частоты диодов Ганна составляет примерно 150 ГГц. Он определяется инерционностью процесса передачи энергии электрического поля электронам и процесса перехода последних из основного минимума зоны проводимости в побочные. Реально достигнутая частота генерации порядка 100 ГГц. Оценки также показывают, что в пролётном режиме работы максимально достижимая величина КПД диодов Ганна составляет 10%, а в режиме с разрушением домена - 13%.

Необходимо отметить, что конкретный вид ВАХ диода Ганна, его режим работы, СВЧ - мощность и КПД существенным образом зависят от условий на контактах и от профиля распределения примеси в активной области.

3. Выбор структуры автогенератора и типа диода

В соответствии с техническим заданием, мощность генератора не должна быть менее 5 мВт, а рабочим диапазоном частот быть в пределах от 11,4 до 11,6 ГГц. ДЛ я построения такого генератора, оптимальным вариантом является диод Ганна типа А703Б, с минимальной выходной мощностью 20 мВт и рабочим диапазоном част 9.2 … 12.5 ГГц.

Рисунок 8 - Эквивалентная схема замещения диода Ганна

Параметры схемы: rпос=1,5 Ом, СГ=0,4 пФ, Скон=0,4 пФ, Lкон=0,6 нГн.

Генераторные свойства диода учтены на этой схеме отрицательной проводимостью GГ, СГ - "горячая" реактивность диода. Параметры rпос, Lкон,, Скон обусловлены структурой корпуса диода.

На рис. 9 приведена эквивалентная схема волноводного автогенератора на диоде Ганна, учитывающая собственный контур диода и ёмкость варактора (rпос, Lкон,, Скон, СГ, С'в ), два соседних обертона резонатора волновода (r02, L2,, С2, и r03, L3,, С3,) и квазикоаксиальный резонанс узла крепления диода Ганна (штырь крепящий диод) - элементы Lа, Lв. Квазикоаксиальный резонанс узла крепления варактора обычно не учитывают , т. К. характеристическое сопротивление штыря с варикапом во много раз меньше характеристического сопротивления штыря с диодом Ганна и штырь с варикапом лишь незначительно снижает добротность всего устройства.

Рисунок 9 - Эквивалентная схема волноводного автогенератора на диоде Ганна

На рис. 9 Zн обозначает сопротивление нагрузки, равное входному сопротивлению тракта нагрузки в плоскости включения диода. Если Zн и входное сопротивление тракта различаются , необходимо предусмотреть подключение нагрузки к автогенератору через трансформатор сопротивлений.

4. Расчёт автогенератора и резонансной системы

4.1 Расчёт параметров варактора

Для применения в автогенераторе выбран варактор АА603Б, с такими техническими характеристиками: , и предельной мощности: . Средняя ёмкость при напряжении смещения равна . Максимальное допустимое напряжение смещения . Параметры эквивалентной схемы , можно определить по и .

Рисунок 10 - Стандартная схема замещения варактора

В состав схемы замещения варактора входят нелинейная ёмкость р-п - перехода Св, сопротивление потерь в полупроводнике rпос в, индуктивность выводов Lв кон, и емкость корпуса варактора Cв кон.

Индуктивность в Lв кон имеет небольшое значение и обычно исключается из схемы замещения.

Сопротивление rпос в можно определить по следующей формуле:

,

где и - соответственно предельная частота при напряжении смещения Un=-6 В (частота, на которой добротность варактора Qв=1 ) и значение нелинейной ёмкости варактора Св при том же напряжении смещения.

В силу малости rпос в его можно не учитывать при дальнейшем рассмотрении варактора, т. к. в диапазоне рабочих частот рассчитываемого автогенератора ёмкостное сопротивление Св значительно больше rпос в (далее это будет доказано).

Таким образом, исключая из схемы замещения варактора элементы rпос в и Lв кон , приходим к схеме замещения варактора одной нелинейной емкостью (1)

Для варакторов, изготовленных на основе арсенида галлия (GaAs) зависимость нелинейной ёмкости Св от напряжения смещения Uп определяется зависимостью

где - значение ёмкости Св при напряжении смещения Un; - значение ёмкости Св при напряжении смещения U0; - контактная разность потенциалов; - константа.

Принимая за U0 и С0 соответственно -6 В и С-6=0,85 пФ, можем записать:

(2)

Формула (2) даёт значение в пФ, если Un задано в В.

Получаем, что в нашем случае варактор можно представить эквивалентной ёмкостью.

(3).

Формула (3) даёт значение в пикофарадах, если Un задано в вольтах.

Найдём граничные значения при изменении Un в пределах от 0 В до Un max:

(4)

(5)

4.2 Определение пределов перестройки частоты автогенератора

Эквивалентная схеме замещения диода Ганна приведена на рис.8. Так как в выбранной структуре генератора варактор с диодом Ганна соединены параллельно по высокой частоте, то, подключая параллельно схеме рис.8 эквивалентную ёмкость варактора, получаем схему замещения рис.11

Рисунок 11 - Эквивалентная схема замещения диода Ганна

Для определения границ перестройки автогенератора определим зависимость резонансной частоты генератора от напряжения смещения на варакторе. Для этого представим колебательный контур рис. 11 последовательной схемой рис. 6,

Рисунок 6 - Колебательный контур последовательной схемы

объединив последовательно включенные ёмкости СГ и в одну ёмкость

(6)

Определим максимальное и минимальное значение , соответствующее (4) и (5):

(7)

(8)

Согласно схеме рис.6 резонансные частоты колебаний равны

(7)

Верхний предел частоты определяется , а нижний предел определяется , так как обратно пропорциональна . Имеем:

Согласно техническому заданию автогенератор должен перекрывать диапазон частот 11,4 … 11,6 ГГц. Полученный результат (11,2 … 11,7 ГГц ) даёт полное право утверждать что техническое задание удовлетворено.

4.3 Определение нелинейности статической модуляционной характеристики

Для построения статической модуляционной характеристики задаёмся значениями Un от 0 В до -20 В. Для каждого из этих значений по формуле (3) определяем С'Г и .

График статической модуляционной характеристики приведён на рис.13.

Найдём крайние значения Un, обеспечивающие перестройку в диапазоне 11,4 … 11,6 ГГц.

Рисунок 13 - График статической модуляционной характеристики

Из (7) выразим С'Г :

(8)

Затем по (6) определяем С'в:

(9)

Из (3) определяем Un:

(10)

Последняя формула даёт значение Un в вольтах , если С'в Выражена в пикофарадах.

Из рис.13 видно, что в пределах 11,4 - 11,6 ГГц модуляционная характеристика обладает средней степенью нелинейностью. Для её оценки необходимо найти , как писалось выше, значения Unв и Unн, обеспечивающие частоты генерации и .

Используя формулы (8) - (10), находим:

,

,

,

,

Имеем, что для перестройки частоты автогенератора в пределах 11,4- 11,6 ГГц необходимо изменять напряжение смещения на варакторе в пределах от -3,4 по -11,4 В.

Среднее значение напряжения смещения . Изменение напряжения смещения от среднего его значения при наибольшем отклонении частоты

.

Относительное наибольшее изменение напряжения смещения

.

Значение частоты , соответствующее , находим по формулам (3), (6), (7):

,

Найдём нормирование значения отклонения частоты генерации от fГср:

Можно определить нелинейность модуляционной характеристики:

Рассмотрим, верно ли мы исключили из схемы замещения варактор сопротивления rпос в (рис.10)

Сопротивление ёмкости на частоте равно:

На частоте сопротивление емкости равно:

Так как в диапазоне рабочих частот генератора rпос в=1,25 Ом более чем в 10 раз меньше ёмкостного сопротивления варактора , то rпос в действительно можно не учитывать при расчёте генератора.

4.4 Расчёт резонатора автогенератора

Расчёт резонатора будем производить на среднюю (центральную) частоту диапазона рабочих частот

Длина волны в свободном пространстве

, (11)

где с- скорость света в вакууме (11)

Длина волны в прямоугольном волноводе (типа H10)

, (12)

где - длина волны в свободном пространстве

а - ширина волновода

Рассчитаем по (11) длины волн, соответствующие частотам ,,:

Выберем прямоугольный волновод размером пропускающий длины волн 2,3 - 4,41 см, и рассчитанный на допускаемую мощность 300 кВт (при заполнении воздухом).

Найдём длины волн в волноводе, соответствующие частотам ,,

Длина резонатора , где п - номер обертона ; - длина волны в волноводе на центральной частоте. У нас автогенератор строится на первом (основном) обертоне (Н101), поэтому п=1 и .

Можно определить размер . Размер желательно сделать как можно меньшим - тогда расстояние между варактором и диодом Ганна близко к . При этом они оба попадают в пучность и эффективней взаимодействуют.

Так как , то влиянием квазикоаксиального резонанса можно пренебречь. Частота этого резонанса находится выше диапазона рабочих частот. Это означает, что из схемы (рис 9) можно исключить контур .

4.5 Расчёт оптимального сопротивления нагрузки и КПД резонансной системы

Произведём анализ оптимального сопротивления нагрузки и КПД резонансной системы на частоте .

Характеристическое сопротивление резонатора

.

Сопротивление потерь

Так как , то можно приближенно считать, что сопротивление, вносимое в собственный контур

Полное сопротивление собственного контура диода

На центральной частоте характеристическое сопротивление резонатора

Коэффициент связи собственного контура диода

Нормированная относительная расстройка собственного контура

Эквивалентное характеристическое сопротивление резистора на первом обертоне

Добротность резонатора на обертоне Н101 в волноводе 23g10 мм равна 2000…3000.

Припустим что в нашем случае Q2=1500. Тогда собственное сопротивление контура первого обертона

.

Для штыря диаметром 3 мм в волноводе шириной 23 мм, в диапазоне частот 11,4…11,6 ГГц параметры штыря Ха=42,2 Ом, Хв= -22,2 Ом

Так как Ха+Хв=42,2-22,2=20 Ом и Ха+ Х1Н=42,2-8,1=34,1 Ом намного меньше , то можно считать, что сопротивление вносимое во второй контур (контур первого обертона) .

Полное сопротивление второго контура

.

Отношение сопротивлений контуров

Нормированная относительная расстройка второго контура

Входное сопротивление нагрузки

,

где

Имеем:

Оптимальное сопротивление нагрузки должно быть сравнимо с , где - Сопротивление диода Ганна. Для выбранного типа диода =3…20 Ом, поэтому .

Так как , то делаем вывод, что в нижнем диапазоне рабочих частот достигнуто оптимальное согласование диода с нагрузкой.

КПД колебательной системы

Мощность, отдаваемая в нагрузку, .

В соответствии с техническим заданием выходная мощность должна быть не менее 5 мВт, в нашем случае в нижней части рабочего диапазона частот эта мощность составляет 8,8 мВт, что полностью удовлетворяет техническому заданию.

Произведём анализ оптимального сопротивления нагрузки и КПД резонансной системы на частоте .

Характеристическое сопротивление резонатора

Сопротивление потерь

Так как , то можно приближенно считать, что сопротивление, вносимое в собственный контур, .

Полное сопротивление собственного контура диода

Нормированная относительная расстройка собственного контура

Эквивалентное характеристическое сопротивление резистора на первом обертоне

Собственное сопротивление второго контура .

Так как Ха+Хв=42,2-22,2=20 Ом и Ха+ Х1И=42,2-9,4=32,8 Ом намного меньше , то можно считать, что сопротивление вносимое во второй контур .

Отношение сопротивлений контуров .

Нормированная относительная расстройка второго контура

Входное сопротивление нагрузки

,

где

Имеем:

Так как , то делаем вывод, что в верхнем диапазоне рабочих частот достигнуто оптимальное согласование диода с нагрузкой.

КПД колебательной системы:

Мощность, отдаваемая в нагрузку,

В соответствии с техническим заданием выходная мощность должна быть не менее 5 мВт, в нашем случае в верхней части рабочего диапазона частот эта мощность составляет 9,2 мВт, что полностью удовлетворяет техническому заданию.

Так как требование по выходной мощности генератора в верхней и в нижней части рабочего диапазона частот удовлетворяется, то это требование должно выполняться и во всём диапазоне перестройки частоты, соответственно в автогенераторе подобрано оптимальное согласование диода Ганна и резонансной схемы.

Заключение

В данном курсовом проекте был разработан и рассчитан автогенератор на диоде Ганна с варакторной перестройкой частоты в диапазоне от 11,4 до 11,6 ГГц. Все технические требования были полностью рассчитаны и выполнены.

Перестройка частоты по рабочему диапазону вызывает изменение выходной мощности, поэтому применение генератора в режиме частотного модулятора сопровождается паразитной амплитудной модуляцией выходного сигнала, которая может быть устранена с помощью амплитудного ограничителя.

Литература

1. Уткин Г.М. "Проектирование радиопередающих устройств СВЧ", Москва., Советское радио, 1979

2. Благовещенский М.В., Уткин Г.М. "Радиопередающие устройства", Москва., Радио и связь, 1979

3. Валитов Р.А. "Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах", Москва., Советское радио, 1973

4. Пасынков В.В.: "Полупроводниковые приборы", Москва, Высшая школа, 1981.

Страницы: 1, 2