108907 (Эффект автодинного детектирования)

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МНОГОКОНТУРНОМ ГЕНЕРАТОРЕ НА ДИОДЕ ГАННА

Введение.

В связи с развитием современных технологий, требующих непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса, состоянием оборудования и параметрами материалов и сред становится всё более актуальной задача создания неразрушающих бесконтактных методов измерения и контроля параметров материалов и сред. Измерения на СВЧ позволяют определить электропроводность, толщину, диэлектрическую проницаемость и другие параметры материалов и сред без разрушения поверхности образца, дают возможность автоматизировать контроль параметров материалов. Для этого в настоящее время широко используются методы, основанные на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых приборах.

Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости, проводимости [1-6].

Однако, прежде чем создавать конкретный прибор на основе данного эффекта, необходимо провести моделирование его работы. Для этого необходимо рассмотреть принципы действия таких устройств.

При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение режима их работы по постоянному току, что можно понимать как проявление эффекта детектирования. В случае, если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора наблюдается эффект автодинного детектирования.

Одним из методов, позволяющих провести расчёт величины эффекта автодинного детектирования при реальных параметрах активного элемента и нагрузки, определить области значений контролируемых параметров материалов, в которых чувствительность автодина к их изменению максимальна, наметить пути оптимизации конструкции генератора, является метод, основанный на рассмотрении эквивалентной схемы СВЧ-генератора, в которой комплексная проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы [7,9].

Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для создания измерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их работы.

Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.

При изменении уровня СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение постоянного тока, протекающего через них, что можно понимать как проявление эффекта детектирования [2,7]. Если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора, этот эффект называют эффектом автодинного детектирования.

Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах позволило создать устройства, совмещающие несколько радиотехнических функций в одном элементе (например, излучение и приём электромагнитных колебаний). Автодины на полупроводниковых генераторах, получившие к настоящему времени достаточно широкое применение, используются в основном для обнаружения движущихся объектов.

Важной областью применения автодинов является контроль параметров материалов и сред. Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред основано на установлении зависимостей величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: диэлектрической проницаемости и проводимости. Измерения с помощью приборов основаны на сравнение с эталонами, а точность измерения в основном определяется точностью эталонирования.

Теоретическое обоснование возможности использования эффекта автодинного детектирования в диодных СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред проведено на основе численного анализа. Описание отклика диодного СВЧ-автодина может быть сделано на основе рассмотрения эквивалентной схемы генератора (Рис. 1.1), в которой комплексная проводимость Y_n определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы, а Y_d - средняя проводимость полупроводникового прибора.

Рис. 1. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде.

Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением (1.1), согласно первому закону Кирхгофа.

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:

т.е. Y_d 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.

Возникновение СВЧ-колебаний в электрической схеме с нелинейным элементом вследствие его детектирующего действия приводит к появлению дополнительной составляющей постоянного тока , то есть возникает так называемый эффект автодинного детектирования [18]. Величина определяется из выражения

Детекторный эффект наблюдается в СВЧ-усилителях на биполярных транзисторах, СВЧ-генераторах на лавинно-пролётных диодах (ЛПД), инжекционно-пролётных диодах (ИПД), туннельных диодах (ТД) и диодах Ганна (ДГ). В данной работе мы рассмотрим использование полупроводниковых диодов в качестве СВЧ-автодинов. Сравнительные характеристики полупроводниковых СВЧ-диодов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя основными уравнениями в частных производных [10]: 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 [11], но из-за низкого уровня шумов и малого напряжения питания являются перспективными для допплеровских автодинов.

В работе [12] исследована возможность измерения диэлектрической проницаемости материалов по величине продетектированного работающем в режиме генерации ЛПД сигнала. Использовался генератор волноводной конструкции (канал волновода 23*10 мм.) с ЛПД типа АА707, установленным в разрыве стержневого держателя. Измерения продетектированного сигнала проводилось компенсационным методом. Исследуемые диэлектрики, с предварительно определёнными значениями диэлектрической проницаемости на СВЧ, прикладывались к отверстию на выходном фланце генератора.

Результаты проведённых исследований показали, что ход зависимости величины продетектированного сигнала от диэлектрической проницаемости зависит от конструкции измерительного генератора, в частности, от расстояния от плоскости расположения ЛПД до открытого конца волновода, к которому прикладывается исследуемых диэлектрик.

ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний. Однако,, в качестве недостатка можно отметить относительно высокий уровень шумов, обусловленный, в первую очередь, шумами лавинообразования.

В ряде работ [2,3,17,18] рассматривается возможность применения СВЧ-генераторов на диоде Ганна для измерения параметров материалов и сред. Отмечается преимущество данного способа измерения: исследуемый образец находится под воздействием СВЧ-мощности, а регистрация измерений производится на низкочастотной аппаратуре, имеющей высокую точность и отличающейся простой в эксплуатации.

В настоящее время разработаны и изготовлены устройства для неразрушающего контроля, принцип действия которых основан на эффекте автодинного детектирования: измерители толщины металлодиэлектрических структур и диэлектрической проницаемости [19,20]. Наибольшее практическое применение из разработанных приборов нашёл СВЧ толщиномер типа СИТ-40. На рисунке 1.2 приведена его блок-схема.

Рис. 2. Блок-схема СВЧ измерителя толщины.

В состав СВЧ толщиномера СИТ-40, предназначенного для измерения тонких плёнок из любого металла на изолирующей подложке и непроводящих покрытиях, в том числе разнообразных лакокрасочных, нанесённых на металлические поверхности, входит: 1 - СВЧ-датчик, представляющий собой СВЧ-генератор в микрополосковом исполнении и использующий в качестве активного элемента диод Ганна или СВЧ биполярный транзистор; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок питания; 4 - система корректировки нуля; 5 - блок индикации.

Для уменьшения влияния дрейфа нуля на результат измерений предложены схемные решения, основанные на компенсации дрейфа его параметров в промежутках между измерениями и использовании напряжения в момент, предшествующий измерению, в качестве опорного в момент измерения [21].

С целью повышения чувствительности и существенного уменьшения веса и потребляемой мощности измерителей исследовалась возможность применения туннельных диодов в качестве активных элементов СВЧ-автодинов [22]. Исследования проводились в экспериментальных измерительных СВЧ-устройствах на серийных диодах типа ГИ 103Б, работавших на частоте 1.3 Ггц. В качестве детекторных диодов использовались диоды типа Д405. Конструктивно датчики измерительных устройств представляли собой отрезки полосковых линий передачи, выполненных на основе фольгированного фторопласта, в которых размещались генераторные и детекторные диоды, фильтры, НЧ и подстроечные элементы.

Разработаны устройства измерения толщины и электропроводности проводящих покрытий, а также толщины и диэлектрической проницаемости для изолирующих материалов. Принцип действия автодинного генератора на полупроводниковом СВЧ-элементе был использован при разработке нового способа контроля толщины плёнок в процессе вакуумного напыления. Для повышения точности измерения в датчике применён СВЧ-выключатель, обеспечивающий кратковременное отклонение генератора от измеряемого объекта [23].

Разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный на использовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в режиме автодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения не только амплитуды, но и частоты вибраций [24]. Источники зондирующего СВЧ-излучения и одновременно приёмники провзаимодействующего с вибрирующим объектом сигналов представляют собой отрезки стандартных прямоугольных волноводов, которые с одного конца закорочены и имеют регулируемые подстроечные поршни, а другие концы соединены с камерами, изготовленными из металлической ленты, свёрнутой в кольцо. Связь по СВЧ-полю отрезков волновода с каждой камерой осуществляется через прямоугольное волноводное окно. В камерах помещается цилиндрический металлический стержень, перемещение которого внутри этих камер вызывает изменение продетектированного автодинами зондирующего СВЧ-сигнала.

Применение в автодинных генераторах диодов Ганна по сравнению с генераторами, использующими другие полупроводниковые активные элементы, позволяет обеспечить преимущества по совокупности таких параметров, как максимальная рабочая частота, выходная мощность, стабильность частоты, потребляемая мощность питания [13].

Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах позволяет создавать простые в эксплуатации малогабаритные измерители толщины и диэлектрической проницаемости [17,18]. Для их нахождения используют результаты измерений на нескольких частотах. Осуществление многопараметрового контроля упрощается, если удаётся проводить измерения в условиях, когда на результаты измерений определяющим образом влияет только один из искомых параметров. Такая ситуация, в частности реализуется, если для измерения толщины и диэлектрической проницаемости диэлектриков в этом случае применяются измерители, работающие на различных частотных диапазонах, например СВЧ и НЧ. При проведении измерений на СВЧ результат зависит как от толщины, так и от диэлектрической проницаемости диэлектрика. Если измерения на НЧ проводить используя схему, в которой диэлектрик помещается в зазор между излучателем и металлическим основанием, то результат измерений будет определяться только толщиной диэлектрика и не будет зависеть от его диэлектрической проницаемости. Определив таким образом толщину диэлектрика, по её значению и показателям преобразователя на СВЧ можно определить диэлектрическую проницаемость.