Режим ограничения накопления объемного заряда (ОНОЗ)

Рассмотрим работу диода Ганна, к которому приложено постоянное смещение V₁= e₁L >e_порL и переменное смещение такой величины, что в течение части периода напряженность электрического поля в диоде меньше e_пор (рисунок 6.41).

В течение той части периода, когда e > e_пор , у катода формируется домен. Если период колебаний достаточно мал, то домен, не успев сформироваться, начнет рассасываться во время той части периода, когда e < e_пор . При образовании домена ток уменьшается, при рассасывании – увеличивается. Таким образом, существуют колебания тока, период которых определяется не временем пролета домена через диод, а внешним резонатором. Такой режим работы диода Ганна называется режимом ограниченного накопления объемного заряда в отличие от ранее рассмотренного режима, который называют пролетным. Для осуществления режима ОНОЗ необходимо выполнение следующих условий:

1. Период колебаний должен быть меньше времени релаксации t_о, чтобы домен не успел до конца сформироваться за время, пока (m » |m₀|), т.е.

.

2. За время, пока (m=m₁), домен должен успеть исчезнуть, что обеспечиваться .

Рисунок 6.41 - Работа диода Ганна в режиме ОНОЗ

Таким образом, диод Ганна может работать в режиме ОНОЗ лишь в интервале частот

.

Преимуществом режима ОНОЗ является независимость рабочей частоты от длины диода. Это, во-первых, позволяет изменять частоту в интервале простой перестройкой внешнего резонатора и, во-вторых, брать диоды большей длины, к которым можно подводить большие напряжения от источника питания и соответственно получать большие мощности переменного сигнала. Кроме того, режим ОНОЗ позволяет работать на более высоких частотах, чем пролетный режим (|m₀| > m₂).

Преимущества режима ОНОЗ делают его весьма привлека­тельным. Однако на практике далеко не всегда удается осущест­вить его в чистом виде. Чаще работают в гибридных режимах, промежуточных между ОНОЗ и пролетными. КПД в этих режимах выше, чем в пролетных, приближаясь в отдельных случаях к КПД в режиме ОНОЗ [28].

Диоды Ганна выпускаются в двух вариантах: корпусном и бескорпусном. Устройство первого показано на рисунке 6.42,а. Ме­таллические контакты 3 и керамическая или кварцевая трубка 4 образуют герметизи­рованный корпус, вну­три которого размеще­на полупроводниковая структура 1. Она жест­ко закреплена на од­ном из контактов и со­единена с другим уп­ругими металлически­ми лепестками 2.

а) б)

Рисунок 6.42 - Конструкция (а) и эквивалентная схема (б) диода Ганна

Вся конструкция миниа­тюрна, ее линейные размеры не превыша­ют 2...3 мм. Эквивалентная схема корпусного ДГ показана на рисунке 6.42, б, где С_K – емкость корпуса, L_K – индуктивность лепест­ков, r_K – сопротивление лепестков и контактов, G_Д и С_Д – проводимость и емкость ДГ, зависящие от его режима. Вместе с внеш­ней цепью корпусной диод образует сложную колебательную си­стему с несколькими резонансными частотами. Корпусные дио­ды используются в волноводных генераторах сантиметрового и миллиметрового диапазонов [28].

На рисунке 6.43 схематически изображены базовые конструк­ции генераторов на ДГ. На рисунке 6.43,а показана конструкция коаксиально-волноводного типа. ДГ 1 включен между внутренним проводником коаксиальной линии 5, и широкой стенкой прямоу­гольного волновода 2. Частота генерации определяется в этой конструкции реактивными параметрами корпусного диода (см. рисунок 6.42,б) и длиной l коаксиальной секции 5, ограниченной сверху отражающим дросселем – четвертьволновой закорочен­ной радиальной линией 4. Перемещение замыкающего волновод плунжера 3 изменяет степень связи ДГ с полем волновода, от ко­торой зависит отдаваемая мощность. Частота колебаний изме­няется при этом слабо.

Рисунок 6.43,б иллюстрирует устройство волноводного ге­нератора с повышенной стабильностью частоты. ДГ 1 установ­лен в прямоугольном волноводе; напряжение питания диода U₀ подается через стержень, заканчивающийся конструктивной ем­костью 3, которая блокирует источник постоянного напряжения. Для стабилизации частоты используется эффект затягивания частоты колебаний высокодобротным резонатором 2, связан­ным с волноводом.

На рисунке 6.43,в изображено устройство волноводного генерато­ра с электрической перестройкой частоты (показано поперечное сечение волновода). В этой конструкции ДГ 1 и варактор (варикап) 2 размещены в прямоугольном волноводе 3 и включены последо­вательно. Питание на них подается через стержни, шунтированные конструктивными емкостями, и общий проводник 4, введенный в волновод перпендикулярно силовым линиям электрического поля (чтобы не возмущать его). Диапазон перестройки частоты таких ге­нераторов достигает 15 %.

Рисунок 6.43 - Базовые конструкции генераторов на ДГ

Наконец, на рисунке 6.43,г показана топология стабилизирован­ного генератора на микрополосковых линиях. Бескорпусной ДГ 1 установлен в полосковом резонаторе 2, связанном через транс­формирующую сопротивление линию 7 и блокировочный конден­сатор 4 с выходной линией 5. Стабилизирующий диэлектрический резонатор 3 емкостным способом связан с линией 7. Питание ДГ подводится через площадку 6, создающую емкость, шунтирующую источник напряжения.

Перестраиваемые полосковые генераторы на бескорпусных ДГ и варакторах более широкодиапазонны, чем волноводные, ис­пользующие корпусные ДГ (перестройка частоты до 25 %). Наи­больший диапазон перестройки реализуется в генераторах на бескорпусных ДГ с колебательным контуром в виде миниатюрного гиромагнитного резонатора из железоиттриевого граната (ЖИГ-сферы); перестройка его резонансной частоты осуществля­ется изменением тока подмагничивания. Полоса перестройки та­ких генераторов достигает октавы (f_max/f_min = 2), однако скорость перестройки частоты значительно меньше, чем в случае варакторных генераторов.

Остановимся на энергетических характеристиках. Макси­мальная мощность непрерывных колебаний на частоте 10 ГГц близка к 2 Вт при КПД (9…15)%. С повышением частоты она умень­шается по закону, близкому к 1/f ² , и на частоте 100 ГГц падает до 10…20 мВт при максимальном КПД (1…2)%. Практически эта час­тота является для ДГ предельной, хотя генерация с очень малой мощностью была получена на частоте 160 ГГц. В импульсном ре­жиме мощность на один – два порядка выше, чем в непрерывном на сантиметровых волнах; на миллиметровых волнах это разли­чие не столь значительно.

Отметим, что наиболее высокие энергетические параметры по­лучены в гибридном и ОНОЗ режимах, причем в миллиметровом диапазоне лучшие результаты показывают ДГ из InP.

Генераторы на ДГ уступают генераторам на ЛПД по КПД и мак­симальной рабочей частоте, а в непрерывном режиме и по уровню отдаваемой мощности. В импульсном режиме их мощность выше (по крайней мере, в сантиметровом диапазоне). Преимуществами генераторов на ДГ являются: высокая надежность (срок службы до 1·10⁵ ч), широкий диапазон частотной перестройки, высокая ста­бильность и малый уровень флуктуации частоты и амплитуды ко­лебаний. Это обеспечивает их устойчивое применение, особенно в миллиметровом диапазоне, в котором использование транзисто­ров пока что ограничено.

Основными областями применения генераторов на ДГ являют­ся: стабильные возбудители и гетеродины в связных системах (в ча­стности, радиорелейных), генераторы в измерительной аппаратуре (в частности, свип-генераторы на гиромагнитных резонаторах для панорамных измерителей), генераторы для портативных импульс­ных радаров и генераторы с линейной частотной модуляцией для радаров квазинепрерывного действия.