Автогенераторы СВЧ и миллиметрового диапазонов, страница 4

Диоды Ганна используют как автогенераторы сантиметровых и миллиметровых волн с выходной мощностью в непрерывном режиме не выше 0,5 Вт. Однако в диапазоне СВЧ на диодах Ганна построены импульсные генераторы с мощностью в импульсе более 5 кВт, что определило широкое применение этих диодов в технике локации и обнаружения. В миллиметровом диапазоне диоды Ганна в основном используют как гетеродины, так как они обладают коэффициентом шума, много лучшим, чем у ЛПД.

Работа генераторов на диодах Ганна объясняется объемными свойствами полупроводника и тем, что движущиеся электроны обладают свойствами и частицы, и волны. В диоде Ганна электрическое поле индуцирует отрицательное дифференциальное сопротивление при переносе электронов в зоне проводимости из долины (области с минимумом кинетической энергии) с низкой энергией и высокой подвижностью электронов в долину с большей энергией и малой подвижностью.

Прибор принципиально неустойчив, поскольку случайные флуктуации плотности носителей в полупроводнике вызывают появление объемного заряда, который экспоненциально возрастает в пространстве и во времени. Эти, вызванные отрицательным сопротивлением флуктуации объемного заряда, движутся по полупроводнику и порождают СВЧ колебания.

Поскольку работа происходит на объемных эффектах и не связана с лавинными пробоями у генераторов на диодах Ганна малый уровень шумов и это определило их применение в качестве гетеродинов и усилителей, построенных по принципу двухполюсника, как и на ЛПД .

Энергетические и частотные характеристики диодов Ганна уступают ЛПД. На рис. 11.6 представлены зависимости от частоты мощности генераторов на диодах Ганна и их КПД.

Рис. 11.6. Выходная мощность в режиме непрерывной генерации и КПД автогенераторов на диодах Ганна

Вакуумные электронно-волновые источники излучения. К вакуумным электронно-волновым (ВЭВ) источникам излучения следует в первую очередь отнести изобретенные в 1937 г. клистрон и в 1939 г. магнетрон. Эти генераторы широко применяются в промышленной электронике и в радиолокации, имеют высокий КПД, а выходные мощности у таких генераторов превышают десятки киловатт в режиме непрерывной генерации (НГ) на частотах вплоть до 200 ГГц. Практически верхняя граница частотного диапазона определяется возможностями технологии производства по сверхточной обработке поверхностей металлических резонаторов [4.12].

К новым типам  ВЭВ генераторов можно отнести генератор с распределенным взаимодействием, генератор на лампе обратной волны (карцинотрон), гиротрон, ледатрон, пениотрон, а также устройства на релятивистских электронных пучках (РЭП). На этих приборах достигнуты высокие мощности излучения в режиме НГ, что и позволило успешно начать освоение диапазона БММВ.

Принципы работы этих приборов различны. Так, генератор с распределенным взаимодействием формирует мощный сигнал миллиметровых волн за счет модуляции электронного пучка большой мощности при его прохождении через периодическую структуру. Отечественные разработчики достигли на карцинотроне выходную мощность в 1 Вт на частотах до 1200 ГГц с диапазоном перестройки по частоте до 10%.

Гиротроны, представляющие собой ВЭВ генератор миллиметровых волн большой мощности, использующий индуцированное циклотронное электромагнитное излучение электронов, обеспечили получение мощностей в режиме НГ, измеряемых сотнями киловатт при коэффициенте полезного действия выше 30% [4.14].

Этот прибор работает следующим образом. Эмитируемые с катода электроны имеют перпендикулярную внешнему магнитному полю компоненту скорости, в результате чего они приобретают спиральную траекторию, двигаясь в магнитном поле по направлению к коллектору под действием ускоряющего напряжения. Это движение по спирали происходит с циклотронной частотой электронов и гиротрон является источником колебаний именно этой частоты. Благодаря связи электронного пучка с ММВ излучением размеры пучка и СВЧ системы оказываются довольно большими (длина гиротрона примерно 20 см)  по сравнению с длиной волны, поэтому отпадают проблемы, характерные для всех других типов приборов БММВ диапазона.