Курс лекций по дисциплине “Методы и устройства формирования радиосигналов” (Лекции 1-34. Назначение дисциплины. Радиосигнал и его характеристики. Основные этапы развития радиотехники. Паразитные излучения в формирователях. Электромагнитная совместимость в формирователях), страница 73

Рис. 1. Эквивалентная схема генератора на диоде Ганна.

Наличие внутри диода обогащенных слоев или дипольных доменов обусловливает эквивалентность диода генератору тока , параллельно которому подключена динамическая емкость . Для резонанса на требуемой частоте  проводимость  должна иметь мнимую составляющую индуктивного характера: . Резонанс в схеме соответствует частоте , где как показывает практика, ,  - “Холодная” емкость диода,  - диэлектрическая проницаемость полупроводника; ,  для арсенида галлия, ,  - площадь сечения диода.

В соответствии с теорией генераторов на диодах Ганна сопротивление нагрузки на выводах диода, соответствующее максимуму КПД на частоте генерации, удовлетворяет соотношению: , где .

Практика показывает, что КПД генератора можно несколько увеличить, обеспечивая оптимальную нагрузку диода и на второй гармонике. Для этого в конструкцию генератора включают дополнительный резистор, настроенный на частоту .

Схема включения диода Ганна.

Диод Ганна относится к двухполюсникам N-типа, у которых ток является однозначной функцией напряжения . Поэтому рабочая точка может быть установлена однозначно в пределах падающего участка ВАХ, если внутренне сопротивление источника питания  мало .

Рис. 2. Схема включения диода Ганна.

Автогенератор на ЛПД.

ЛПД могут быть применены для построения генераторных модулей передающих устройств диапазона частот от единиц до сотен ГГц. Параметры и характеристики СВЧ устройств ЛПД такие как , , КПД и т.д. существенно зависят от режима работы диода. Экспериментально наблюдалось не менее пяти режимов работы ЛПД, которые реализуются в зависимости от параметров колебательной системы диода и цепей питания. Для практического применения ЛПД в генераторах СВЧ имеют два режима: IMPATT – режим быстрого дрейфа, при котором скорость движения носителей равна скорости насыщения для данного полупроводникового материала; TRAPATT – режим медленного дрейфа, при котором скорость движения носителей значительно ниже скорости насыщения. Рабочие частоты в режиме TRAPATT лежат в дециметровом диапазоне волн. При использовании одиночного диода мощность в импульсном режиме при КПД 25-30% на частотах около 1 ГГц составляет 100…400 Вт, в непрерывном – 10…40 Вт.

IMPATT – является высокочастотным. В миллиметровом диапазоне ЛПД позволяет получать в непрерывном режиме выходную мощность порядка единиц ватт на частоте 50 ГГц при КПД 14% и 0,38 Вт на частоте 92 ГГц при КПД 12,5%.

ЛПД представляет собой сложную полупроводниковую структуру, которая монтируется на теплоотводе, помещенном в герметизированный корпус. Сущность физических процессов в ЛПД описывается математической моделью, основное создание которой сводится к тому, что при напряжении обратного смещения, равного пробивному , напряженность электрического поля превышает критическое значение, соответствующее началу лавинного пробоя лишь в небольшой области .

Знак “+” означат повышенную концентрацию носителей в областях п/п с примесной электропроводимостью. Весь запорный слой разбивается на две области: узкую шириной , в которой происходит процесс ударной ионизации и лавинообразного умножения числа носителей – так называемый слой умножения и область X-пролетное пространство, где происходит движение образовавшихся в слое умножения носителей со скоростью , равной скорости насыщения.

Ниже приведена упрощенная схема включения ЛПД в электрическую цепь генератора, структура диода и примерное распределение напряженности электрического поля  вдоль структуры диода.

Рис. 3. Распределение напряженности электрического поля

вдоль структуры диода.

Если к диоду приложено запирающее напряжение , где  - напряжение лавинного пробоя, напряженность электрического поля распределена по длине диода, как показано на рисунке. На границе  образуется участок  повышенной напряженности  (область лавины) и участок X, где  (область дрейфа).

Поскольку в резонаторной системе РС имеется шумовое напряжение, то на переходе  действует суммарное напряжение: