Петров Б.Е. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах (1989) (1095875), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Автогенераторы СВЧ иа лавинно-пролетных диодах Эквивалентная схема автогенератора на ЛПД изображена на рис. 4.48, а. Здесь пролетная область представлена усредненной по первой гармонике отрицательной проводимостью 6а = 1„р,. :(1,р„ включенной параллельно емкости С р, лавинная область— Реактивным сопРотивлением )Хд.
Учтенй также индУктивность выводов диода 1,, и емкость корпуса С„,р . Резонатор изображен в виде комплексной проводимости Ур, включающей также нагрузку генератора. На частоте генерации схема имеет более простой вид (рис. 4.48, б). Здесь )х„ — эквивалентное сопротивление нагрузки диода, ń— эквивалентная индуктивность полной колебательной системы, которая вместе с емкостью С р обеспечивает резонанс на заданной частоте. Выходная мощность генератора иа ЛПД. Автогенераторы на ЛПД обычно проектируют таким образом, чтобы получить максимальную мощность в нагрузке: Р„ = 0,5 1 )с„, где 1„ — амплитуда первой гармоники тока, протекающего через )г, (см. рис.
4.48, б). !76 Амплитуду /и можно найти, зная колебательную мощность первой гармоники, отдаваемую пролетной областью диода во внешнюю цепь, Р, = 0,5 /й (/тл + г,). Отсюда Р„= Р, гс„/(тс„-(- г,). (4.52) Колебательная мощность Р, может быть рассчитана по формуле Рт=0.5/йр!/!ба!=05(/йр! !ба!. (4.53) Получим выражения для мощности в нагрузке Р, в различных режимах работы ЛПД. В режим» малых амплитуд проводимость 6, — величина постоянная и равная малосигнальной проводимости /ирт бо = — ~ , где в соответствии с рис. 4.47 б, = /,/'с/„'р. !!ар! !с! р -во' г /р Ур бк Рис.
4.46. Эквивааентные схемы автогенератора иа ЛП/( Величину (/„'р можно определить экспериментально, измеряя минимальный постоянный ток диода /,мвл при возбуждении колебаний в автогенераторе, работающем на пролетной частоте /ир при известном сопротивлении нагрузки /с„(например, при /с„= 0). Действительно, в стационарном режиме колебаний выполняется соотношение (4.5): б„= — б„где б„— действительная часть проводимости колебательной системы в точках подключения отрицательной проводимости б,.
В соответствии с рис. 4.48, б при достаточно высокой добротности колебательного контура С,рй. и,/си имеем б„= (/тн + г,)/рв, где р = 1/(от,рС р) — характерйстическое сопротивление контура, алр — — 2п/,р, т. е. бн = (/си + гв) отйр Сйр. (4.54) При /сл = 0 проводимость 6„= б„„,„, где в во бк т ! л = отар ~ ар ! в. (4.55) 176 Если измерить постоянный ток диода /„н,м в момент возбуждения колебаний, то из соотношения б„,н„, = !б, !я =/амв„/(/„'р можно найти с/,'р = /ов!!л/бам!„. Подставив зто значение в формулу !бо! = /о/(/„'р, получим ! бв ! бк т!л /о//а т!л.
(4.55) Запншем соотношенне для расчета максимальной колебательной мощностн Р,' ЛПД, работающего в режиме малых амплитуд, воспользовавшись формулой (4.53), нз которой следует, что Р, '= 1 = Р!вах прн /пр! = /,. Поэтому (4.57) Р ! паах = 0,5/о /о и! !и/0х т!п. Мощность в нагрузке Р„найдем по формуле (4.52), прн этом сопротнвленне нагрузки /т„определяется нз соотношения а/„= — бо. Учитывая (4.54) — (4,56), запишем (4.58) Йи = Га (/о//О $и!и — )). Подставив (4.57) н (4.58) в (4.52), получим р ! 1 /о пю!и (/о — 1о зп!и) Ои п!!и В режиме больших амплитуд мощность в нагрузке с учетом (4 .52) — (4.54) может быть записана в виде РП 1 /о /!и оайр Сх (/хп+ ~о) Исследуя функцию Р„(/г„) на экстремум, получим, что Ри /! П П = Ри „, если /т„ = г„ прн этом максимальная мощность в нагрузке определяется выражением Р 11 1 /о и паах и их!и В перенапряженном режнме амплитуда напряжения (/,р! прнблнзнтельно постоянна н равна //„р, а мощность в нагрузке с уче- 11 том (4.52) — (4.54) равна н растет с увеличением /т„.
Мощность Ри макснмальна, когда П1 6„= морСар (К„+ г,) принимает наибольшее значение, т. е. на границе участков // н /// (прн /,р, — — / ). В этом случае Р! „=0,5//и 1,. (4.59) Оптимальное сопротивление нагрузки /ти может быть найдено нз соотношений Ои = /р/(/" н (4.54): (4.60) .,С.*, П,/р/ 177 Подставляя (4.59) и (4.60) в (4.52), получим Ра~~. =0,5(/~р (1 — б, ы(1~р) Обычно (1„р 2(1гр, кроме того, (1гр = 1«т~а)ба ш~а, поэтому !! Сн нна Сравнивая максимальную мощность в нагрузке во всех трех режимах работы ЛПД, найдем наибольшую из них и соответственно рассчитаем оптимальное сопротивление нагрузки по формуле )«н = = г, (4.58), или по (4.60).
КПД лап генератора 71 = Р„1Р„где Р, = = ~а(1« = 1« (пар+1«Ю. Проектирование автогенератора на ЛПД заключается в том, чтобы Х составить схему генератора и расА74 174 7 174 С, считать параметры ее элементов для работы на заданной частоте при максимальной выходной мощности. Ддя этого нужно обеспечить необходимые индуктивность Ен и сопротивление нагрузки г«н в эквнРнс, 4,49.
Тенелегна аатогенеРаге- валентной схеме рис. 4.48, б, Для расчета автогенератора нера на ЛПД обходимо знать следующие параметры ЛПД: длину пролетной области 1 — Л 1; напряжение, соответствующее началу лавинного пробоя и„р., «холоднуюа емкость диода С,; сопротивление потерь г,; максимально допустимую рассеиваемУю мощность Рд, 1 индУктивность выводов 1.а; емкость корпуса С„,р . Индуктивность лавины Ал может быть рассчитана по формуле (3.56), где т т„р19; пролетная частота ег„р — — 2 п1,р — — п)т р. Емкость лавйнной С и пролетной С„областей рассчитывают йз соотношения 1 ! — а1 з1 1 1 + + еЯ Снр Сл Са «Я где 5 — площадь сечения диода.
Обычно Л111 = 0,25, т. е. С„~ ) 0,25С,. Остальные величины, необходимые для расчета, вычисляются по ранее приведенным формулам. Ца рис. 4.49 в качестве примера изображена топология автогенератопа на ЛПД, работающего на частоте 20 ГГц. Питание к диоду 1 подводится через фильтр 3, настройка на нужную частоту осуществляется изменением расстояния от неоднородности 2 до диода. Максимальная генерируемая мощность обеспечивается выбором площади неоднородности. 178 $4.22. Работа лавинно-пролетного диода в режиме с захватом плазмы Рнс. 4.М. Распределение напряженности злектрнческого поля вдоль оси ЛПИ в последователь.
ные моменты времени (1, 2, 3) прн работе в режиме с захватом плаз- мы й Х l г Рис. 4.М. Временные зависимости напряжения н тока ЛГИ в режиме с захватом плазмы 1(1) релаксационного типа. Необходимо, чтобы часть периода колебаний напряжение на ЛПД было таким, при котором напряженность электрического поля в области лавины существенно (примерно в (,5 ... 2 раза) превышала Е„р. В этом случае концентрация образовавшихся электронов в области объемного заряда оказывается выше концентрации доноров и в соответствии с законом Пуассона производная 6Е16х меняет знак (рис. 4.50). Таким образом, пик напряженности электрического поля начинаег перемещаться вдоль пролетного пространства (вправо от р-п-перехода). Если напряжение на ЛПД продолжает оставаться высоким, то движущийся пик напряженности поля вызывает генерацию электронно-дырочных пар во всей пролетной области.
В результате через небольшой промежуток времени вся область п оказывается заполненной электронно-дырочкой плазмой высокой концентрации, сопротивление ЛПД становится близким нулю, напряжение на нем резко падает. Вследствие этого плазма оказывается как бы «захваченнойв внутри диода.
Однако из-за существования остаточного (хотя и небольшого ) электрического поля электроны и дырки с те- Помимо пролетного режима ЛПД может работать в так называемом режиме с кзахватом ллазмыз, в зарубежной литературе называемом ТКАРАТТ (Тгаред Р!аяпа Ача!апс)те Тг!дпегеб Тгапз(!). Особенности такого режима: высокий КПД (до 60 «4), более низкая частота, существенно негармонические формы 1(1), и (1), Для работы в режиме с захватом плазмы ЛПД помещают в резонатор, позволяющий обеспечить негармонические формы и (1) и чением времени дрейфуют из п-области, их концентрация уменьшается и напряженность поля растет.
Если в этот промежуток времени внешняя цепь обеспечивает возможность резкого увеличения напряжения на ЛПД, то рассмотренный процесс повторяется. На рис. 4.51 изображены временные зависимости напряжения и тока ЛПД в режиме с захватом плазмы, полученные путем математического моделирования процессов в автогенераторе. На участке 1-2 происходит лавинное умножение носителей и образование плазмы по всей длине области л. На участке 2-3 носители заряда рассасываются, что сопровождается появлением импульса тока диода. Участок 3-4 соответствует формированию нового пика напряжения. Моделирование на ЭВМ показало, что для возбуждения режима с захватом плазмы более целесообразно применять не ЛПД, предназначенные для пролетного режима, а специально изготовленные приборы со структурой л+-р-р+ либо р++-р-а+-п++.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
