А.С. Белокопытов, К.С. Ржевкин, А.А. Белов, А.С. Логгинов, Ю.И. Кузнецов, И.В. Иванов - Основы радиофизики (1119801), страница 63
Текст из файла (страница 63)
Электромагнитная волна, которая бежит вдоль спирально навитого проводника, образует пространственную структуру, имеющую компоненту вдоль оси спирали. Эта компонента распространяется в осевом направлении со скоростью, в 2ят~! раз меньшей скорости света (1 — шаг спирали, г — ее радиус). Волна сигнала, запущенного по спирали, взаимодействуя с электронным потоком, черпает из него энергию и растет по интенсивности. На выходе спирали получается существенно усиленный сигнал. Если часть энергии усиленной волны подать с выхода на вход спирали, включив в цепь обратной связи резонансный элемент, система может возбудиться и превратиться в автогенератор с классическим балансом фаз и амплитуд.
Лампы обратной волны (ЛОВ) работают на пространственных гармониках периодически неоднородных структур, для которых групповая скорость направлена противоположно фазовой. Наличие противоположно направленных скоростей распространения фазы и энергии волны позволяет обеспечить торможение электронного потока (прямая волна) и непрерывную энергетическую обратную связь (обратная волна), необходимую для самовозбуждения. ЛОВ получили широкое распространение в качестве электрически перестраиваемых генераторов в коротковолновой части СВЧ диапазона вплоть до субмиллиметровых волн. Особую группу активных приборов СВЧ диапазона образуют полупроводниковые системы.
В СВЧ генераторах на твердом теле, так же как и в вакуумных приборах СВЧ, время движения (пролета) электронов (дырок) через активную область соизмеримо с периодом колебаний переменного поля. Однако в то время, как в электровакуумных приборах СВЧ сгустки электронов формируются при модуляции непрерывно эмитгируемого однородного потока носителей, в твердотельных приборах сгустки носителей тока формируются в процессе инжекции.
Она имеет место лишь в те промежутки времени, когда напряженность СВЧ поля превышает некоторое пороговое значение. Импульсы заряда. (инжекции), повторяющиеся с периодичностью переменного поля, поступают в область взаимодействия в те промежутки времени, когда поле в этой области тормозит носители. При этом происходит передача энергии во внешнюю цепь, обычно содержащую резонансные элементы. Чаше всего это полые металлические резонаторы,' возбуждае- 229 9.7.
Генераторы СВЧ диапазона мые, как правило, на основных модах. Широко применяются также диэлектрические резонаторы. Наиболее распространенными твердотельными приборами, применяемыми в генераторах СВЧ диапазона, являются лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды Ганна (ДГ). Генераторы на ЛПД Структура генератора на ЛПД предста- — + алена на рис. 9.22,а. Лавинно-пролетный Е в) диод включен в полость обьемного резона- Л тора в том месте, где имеется электрическое в' поле достаточной напряженности и где выполнены условия оптимального согласова- Область ния импедансов.
лг~ лавыииого Классическая модель ЛПД вЂ” диод Ри- размаода — представляет собой четырехслойную .~. жеана структуру типа р' — и — 1 — п+, распределение концентрации доноров )уз и акцепторов Ф. в которой схематически показа- Облаать но на рис. 9,22, б. При обратном внешнем дрейфа смешении на всей структуре распределение электрического поля в слоях Е(х) показано в) на рис. 9.22, в. График Е(х) построен с учетом зависимости — ° Ф. Как видно, макке Я Я е к симальная напряженность устанавливается в узкой области 6 ( 10 'см).
Если напря- 5 Область женность поля достигнет Е, - 10 В/см, то -л кинетическая энергия ускоренных им электронов и дырок может превысить ширину запрещенной зоны полупроводника. В этом слУчае за счет УдаРной ионизации начнет- Рис. 9.22. Лавинно- ле ыйлиол ( д Р- ся лавинообразное нарастание концентра- ла); а) схема прибора и его включения в реции электронно-дырочных пар. Рожденные зоиатор; б) распределение концентрации прив этом процессе дырки практически мгно- месиых ионизироваиных атомов; в) распрелевенно затягиваются электрическим полем Е ление внугреннего электрического поля в область р', а электроны инжекгируются в -область г, где движутся с постоянной скоростью насыщения е, - 10' см/с.
Образование лавины происходит практически на протяжении всего положительного полупериода внешнего поля, а движение инжектированных электронов по области 1 — на протяжении всего отрицательного (тормозящего) полупериода, поскольку параметры ЛПД выбираются таким образом, что 1„, = 1/в, = Т/2, где 1 — протяженность области 1, Т— период переменного СВЧ поля. При торможении электронов их энергия отдается во внешнюю цепь и поддерживает колебания в резонаторе. Для того чтобы в генераторе на ЛПД выполнялись условия баланса фаз, собственная частота резонатора выбирается близкой к Например, при 1 = 10 мкм / = 5 ГГц.
Современные образцы ЛПД перекрывают диапазон от 1 до 200 ГГц при выходной мощности от десятков ватт до ° 1О мВт соответственно. 230 Глава 9. Расп деленные системы Генераторы на диодах Ганна Диод Ганна представляет собой однородный образец полупроводникового монокристалла арсенида галлия и-типа с двумя омическими (антизапорными) контактами и' на концах. Его включение во внешнюю резонансеую цепь подобно включению ЛПД. Возможно и непосредственное включение ДГ в волновод. Свойства ДГ и его поведение во внешнем поле связаны со специфической структурой энергетических зон ОаАз.
Если среднее электрическое поле в образце Е = Г/,/1 превысит пороговое значение Е, - 3,2 10' В/см, то во внешней цепи возникают импульсы тока. Импульсы, качественно показанные на рис. 9.24, в (сплошная линия), периодически повторяются с частотой, определяемой протяженностью образца 1 и скоростью насыщения электронов в материале: 1 е, пр и где 1„, — пролетное время. Например, при 1 = 10 мкм / = 10 ГГц (Л = 3 см). Возникновение импульсов тока связано с формированием в образце и движением в его объеме особого электрического возмущения, называемого доменом, Домен— это малый по протяженности (< 1 мкм) метастабильный электрический диполь. Отрицательный заряд диполя (обогашение электронами) обращен к катоду, а положительный — к аноду.
Он образован нескомпенсированными зарядами ионизованных донорных атомов (обеднение электронами). Сопротивление домена в 30 — 50 раз превышает сопротивление образца в равновесном состоянии. Это приводит к уменьшению тока ао внешней цепи во время движения домена и возрастанию тока в момент исчезновения (затягивания домена в анод). После исчезновения домена на короткое время образец приходит в исходное равновесное состояние, которое быстро утрачивается: у катода формируется новый домен и процесс повторяется. В резонаторе, настроенном на пролетную частоту /„„импульсы тока будут возбуждать колебания, близкие к гармоническим. Такой режим генерации называют пролетным.
Он прост для понимания и для расчета„однако не отличается энергетической эффективностью (КПД пролетного режима не превышает 5%). В пролетном режиме практически невозможна механическая перестройка частоты генерации изменением собственной частоты внешнего резонатора. К тому же ограничена и возможность электрической перестройки частоты генерации изменением напряжения питания (не превышает !0%). На практике наибольшее распространение получили режимы, использующие более сложные механизмы взаимодействия ДГ с внешней резонансной системой.
Это так называемые режимы с подавлением домена, с запаздыванием формирования домена, а также с ограничением накопления объемного заряда. В этих режимах удается получить механическую перестройку частоты в пределах двух октав ( ! /2 < ///„, < 2) и КПД до 25 — 40%. Генераторы на диодах Ганна перекрывают частотный диапазон в пределах от 1 до 200 ГГц при выходной мощности в непрерывном режиме от единиц ватт до десятков милливатт соответственно. Введение в цифровую электронику Цифровые методы обработки сигналов занимают все большее место в современной радиофизике и ее применениях в научных исследованиях, промышленности, управлении, бытовой технике.
Это обьясняется громадными преимушествами цифровых методов: высоким быстродействием и помехоустойчивостью, компактностью и экономичностью соответствующих устройств, возможностью создания сложных систем обработки информации из набора стандартизированных блоков (микропроцессоров, устройств отображения и хранения информации, памяти и т. д.). Некоторое представление о возможностях современной цифровой электроники дают характеристики микропроцессора Репйшп фирмы 1пге! (США), объединяющего в одной микросхеме 3, 1 млн транзисторов, совершающего около 100 млн операций в секунду и потребляющего при этом мощность около 13 Вт. Важно отметить, что все указанные выше преимущества цифровой электроники могут быть использованы при обработке практически любого сигнала. Ограничения на применение цифровых методов в том или ином конкретном случае определяются, главным образом, практической целесообразностью их использования.
Такая универсальность связана с тем, что теорема Котельникова позволяет представить реальные аналоговые сигналы набором чисел и всю дальнейшую обработку сигналов осуществлять в цифровой форме, Устройства, осуществляющие математические операции нал числами, оказываются наиболее простыми при использовании двоичной системы счисления, поэтому зта система получила наибольшее распространение в цифровой электронике. Все математические операции над двоичными числами осуществляются в соответствии с правилами алгебры логики или булевой алгебры и сводятся к выполнению более или менее сложной последовательности трех основных логических операций: И, ИЛИ, НЕ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
