Автодины на полупроводниковых диодах

Как упоминалось выше, полупроводниковые СВЧ генераторы
обладают рядом достоинств [6,7]. Основными достоинствами
являются малые размеры и малое энергопотребление.
Сравнительные характеристики полупроводниковых СВЧ генераторов
приведены в таблице 1.
______________________________________________________________
|----------+----------+----------+----------+----------------|
| диод | мощность | КПД | смещение | шумы |
|----------+----------+----------+----------+----------------|
| ЛПД | до 12 Вт.| до 15 % | десятки | сильные шумы |
| ~~~ | |max 31 % | Вольт | лавинообраз-я |
|----------+----------+----------+----------+----------------|
| ИПД | десятки | единицы | сотни | слабые шумы |
| ~~~ |миллиВатт.| % |миллиВольт| |
|----------+----------+----------+----------+----------------|
| | десятки | зависит | | тепловые шумы |
| ДГ |миллиВатт-| от | 4.5-7 В. | на уровне |
| ~~ | единицы | режима | | 30000K (GaAs) |
| | Ватт. | работы | | 1400K (InP) |
|----------+----------+----------+----------+----------------|
| | единицы | единицы | сотни | |
| ТД | и десятки| % |миллиВольт| слабые шумы |
| ~~ | микроВатт| | | |
|----------+----------+----------+----------+----------------|
~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~~
Таблица 1. Сравнительные характеристики полупроводниковых
~~~~~~~~~~
СВЧ генераторов.
Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде
приведена на рис. 4.
__________
| |
|~| |~|
| | Yд | | Yн
|_| |_|
| |
~~~~~~~~~~
Рис. 4. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом
~~~~~~~
диоде.
Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением
(3.1), согласно первому закону Кирхгофа.
. .
Iyд + Iyн = 0 (3.1)
Величина Yн явлыется проводимостью нагрузки и элементов
.
настройки схемы, Yд - средняя проводимость полупроводникового
прибора,
. .
Yд = I1 / U1 (3.2)
. .
I1, U1 - комплексные амплитуды тока и напряжения первой
гармоники на полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим
.
проводимостям приложено одно и то же напряжение U1, можно
записать баланс мощностей:
2 2
| U2 | * Yд + | U1 | * Yн = 0 (3.3)
Активная мощность на нагрузке (3.4) положительна
2
Рн = | U1 | * Re(Yн) (3.4)
отсюда вытекает, что
2
| U1 | * Re(Yд) = - Рн (3.5)
.
т.е. Yд должна иметь отрицательную действительную часть при
существовании в системе колебаний с ненулевой амплитудой.
Наличие отрицательной проводимости характеризует трансформацию
энергии: полупроводниковый элемент потребляет энергию
постоянного тока и является источником колебаний ненулевой
частоты.
В качестве трансформаторов энергии может быть использован
ряд двухполюсников диодов: туннельный диод (ТД), лавинно -
пролетный диод (ЛПД), инжекционно - пролетный диод (ИПД) и
диод Ганна (ДГ).
Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя
основными уравнениями в частных производных [8]: уравнением
плотности тока, характеризующим образование направленных
потоков заряда; уравнением непрерывности, отражающим накопление
и рассасывание подвижных носителей заряда, и уравнением
Пуассона, описывающим электрические поля в полупроводнике.
Точное решение этих уравнений с учетом граничных условий
в общем виде затруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить
анализ вводят эквивалентные схемы полупроводниковых приборов.
ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для
анализа, т.к. их эквивалентная схема более проста и точна, чем
схемы других полупроводниковых приборов. С практической точки
зрения ТД представляет собой интерес при создании маломощных
автодинов в коротковолновой части сантиметрового диапазона.
ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [9],
но из-за низкого уровня шумов и малого напряжения питания
являются перспективными для допплеровских автодинов.
ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний
[10]. Но его главным недостатком является относительно высокий
уровень шумов, обусловленный , в первую очередь, шумами
лавинообразования.
Таким образом, на сегодняшний день наиболее подходящим
полупроводниковым СВЧ генератором для автодинов является диод
Ганна, который, хотя и имеет достаточно высокий уровень шумов
и низкий КПД, генерирует колебания достаточно высокой мощности ( от десятков
миллиВатт до единиц Ватт ) и требует низкого
[11] напряжения питания ( 4.5 - 7 Вольт ).

Powered by Drupal - Design by artinet