Федоров Н.Д. Электронные и квантовые приборы СВЧ (2-е издание, 1979) (1152182), страница 30
Текст из файла (страница 30)
Режим работы ЛПД с захваченной плазмой*В этом режиме работы, открытом экспериментально в 1967 г., получены высокиезначения электронного КПД (более 50%), но однако на частотах в несколько раз меньшихпролетной частоты (10.60).Исследования показали, что новый режим работы возникает при большой плотноститока в ЛПД, когда необходимо учитывать влияние объемного заряда дрейфующих впереходе носителей на величину и распределение электрического поля в нем.
Это влияниепроявляется в образовании электронно-дырочной плазмы с большой концентрациейносителей. Вследствие значительного понижения напряженности поля в плазме скоростьносителей в ней оказывается малой и плазма существует время в несколько раз большее,чем время пролета в пролетном режиме работы ЛПД. Эта особенность и отмечаетсясловами «захваченная плазма» в названии нового режима работы.Экспериментально установлено, что режим генерации колебаний в новом режимеможно получить на основе самозапуска из пролетного режима работы ЛПД. Образованиезахваченной плазмы вызывается импульсом тока, текущим в пролетном режиме. Есливремя существования захваченной плазмы примерно равно времени пролета в пролетномрежиме, то частота колебаний в режиме с захваченной плазмой будет в два раза меньшепролетной частоты.При этом к колебательной цепи (линии передачи), в которую включен диод,предъявляются определенные требования.
Она должна содержать перед нагрузкойфильтр, пропускающий колебания частоты генерации режима с захваченной плазмой, исоздавать отражение для волны напряжения, идущей от диода.Процесс запуска исследовали с помощью ЭВМ и экспериментально. На рис.
10.9,бпоказано изменение в процессе запуска напряжения на диоде, а на рис. 10.9,а—тока.Процесс начинается с подачи импульса напряжения с малым временем фронта. Начальнаячасть кривой напряжения имеет пульсации, связанные с многократными отражениями отконца линии передачи. Среднее значение напряжения (пунктирная линия) определяетсявременем фронта импульса напряжения.Рис.
10.9Когда напряжение одной из пульсаций превысит критическое значение (напряжениепробоя), возникнут колебания тока и напряжения в пролетном режиме работы, но ониисчезают, как только напряжение станет меньше критического. Однако возникшийимпульс напряжения пролетного режима вызовет в линии волну напряжения, котораяраспространяется к концу линии передачи, отражается от него и направляется к диоду.____________________* В иностранной литературе называют режимом TRAPATT (TRApped Plasma AvalancheTriggered Transit – захваченная плазма, пробег области лавинного умножения).136При надлежащем выборе параметров линии приходящий к диоду отраженный импульсувеличит напряжение на нем, что приведет к росту импульса тока в пролетном режиме. Отдиода к концу линии пойдет возросшая волна напряжения, которая после отражения сноваувеличит напряжение на диоде, и т. д.
С каждым отражением импульсы тока инапряжения на диоде возрастают. Когда импульс тока достигнет такой большойвеличины, что возникнет плазма, начинаются колебания в режиме с захваченной плазмой.137§ 10.4. Параметры и характеристики генераторов и усилителей на ЛПД в пролетномрежимеРежимы генерации и усиления. На основе ЛПД можно создать СВЧ-генераторы(ГЛПД) и усилители (УЛПД). В обоих случаях ЛПД включен в колебательную систему.Генерацию или усиление объясняют наличием при определенном режиме работы ЛПДотрицательного дифференциального сопротивления.Отрицательное сопротивление зависит от тока ЛПД, поэтому в ГЛПД с заданнымсопротивлением потерь (сопротивления нагрузки, резонатора и областей диода)существует минимальный пусковой ток, начиная с которого возможна генерация. Притоке менее пускового обеспечивается усилительный режим.
Простейшая схема ГЛПДпоказана на рис. 10.10. Схема содержит коаксиальный резонатор, перестраиваемый спомощью поршня (плунжера) и ЛПД, помещенного между центральным проводникомрезонатора и его торцом (ЛПД находится в пучности напряжения).Рис. 10.10Рис. 10.11Простейшим вариантом УЛПД является регенеративный усилитель (рис. 10.11).Источник сигнала и нагрузка включены в два плеча циркулятора. К третьему плечуприсоединена колебательная система с ЛПД.
Усиление сигнала происходит в результатеего взаимодействия с колебательной системой, имеющей отрицательную добротность, иможет рассматриваться как поступление в нагрузку через циркулятор отраженногоусиленного сигнала.Выходная мощность ГЛПД. Произведем оценку мощности ГЛПД, работающего впролетном режиме, без учета влияния объемного заряда. Будем считать, что импульсынаведенного тока имеют прямоугольную форму, напряжение на слое дрейфа ЛПДсинусоидальное и сдвиг по фазе оптимальный (180°).Если среднее значение наведенного тока I0, то при указанной форме импульсанаведенный ток изменяется от 0 до 2I0, а амплитуда первой гармоники I1=4I0/π. Приоценках предполагается, что амплитуда переменного напряжения на слое дрейфа Uдр1примерно равна половине постоянного падения напряжения на этом слоеUдр0(Uдр1≈1/2Uдр0).
Тогда мощность колебанийP=I1 Uдр1 /2≈ I0 Uдр0 /π(10.61)Однако I0 и Uдр0 ограничены значениями, при которых в слое дрейфа начинается лавинноеумножение (пробой). Постоянное напряжение на диоде равно сумме напряжений на слоеумножения Uл0 и слое дрейфа Uдр0:U0= Uл0 + Uдр0Для оценки мощности будем считать, что Uл0 << Uдр0. Тогда вместо формулы (10.61)можно написать:138(10.62)где Р0—мощность, потребляемая от источника питания.Выходная мощность не может превышать потребляемой мощности. Поэтому обычнодля оценки максимальной выходной мощности рассматривают максимальнуюпотребляемую диодом мощностьР0макс=I0макU0мак ,(10.63)где U0мак и I0мак ─ максимальное допустимое напряжение на диоде и соответствующий емумаксимальный ток.Очевидно, что самое большое значение U0мак будет в том случае, когда по всей длинеперехода w поле будет одинаковым и равным критическому, т.е. U0мак = w Eкр .
По теоремеГаусса заряд в переходе q=εSEкр, , а максимальный ток по времени пролета τпр=w/vнсоставит I0мак=q/τпр=εS Eкр vн. Подставляя значения U0мак и I0мак в формулу (10.63),получаем(10.64).Обычно это условие записывают в ином виде, вводя емкостное сопротивление переходаXC =1/ωC=w/ωεS(10.65)С учетом формулы (10.65) условие (10.64) приводится к видуР0максf2= v2н E2кр/8 πXC(10.66)Условие (10.66) означает, что при постоянном емкостном сопротивлении прибора XCпотребляемая мощность обратно пропорциональна квадрату частоты(10.67)На более низких частотах ограничение связано не с процессами в переходе, а степлоотводом, и вместо условия (10.67) получено условие(10.68)На рис.
10.12 показана расчетная зависимость мощности от частоты, на которой имеютсяучастки, соответствующие условиям (10.67) и (10.68).Ограничение полезной мощности связано также с влиянием объемного заряда прибольших плотностях тока, необходимых для получения значительной мощности. Потеореме Гаусса перед движущимся электронным слоем поле увеличивается, а за нимуменьшается, по сравнению с полем, которое было до появления электронов (см. рис.11.5). Соотношение напряженности полей по обе стороны слоя зависит от его положения,т.
е. изменяется во времени. Снижение поля за сгустком вызовет уменьшениекоэффициентов умножения, а, следовательно, и лавинного тока, который пройдет черезмаксимальное значение ранее, чем показано на рис. 10.7. С ростом объемного зарядаотставание импульса тока от СВЧ напряжения уменьшается. Последнее приведет куменьшению амплитуды СВЧ-колебаний, так как образовавшийся сгусток, войдя в слой139дрейфа, некоторое время двигается в ускоряющем поле и отбирает энергию от СВЧ-поля.По этой причине плотность тока ЛПД не превышает нескольких сот ампер на квадратныйсантиметр.Электронный КПД.
Теоретическое значение КПД в пролетном режиме в соответствиис формулой (10.62) составляет приблизительно 30%. Формула (10.62) получена приусловии, что напряжение на слое умножения много меньше, чем на слое дрейфа.Последнее возможно, если ширина первого слоя значительно меньше второго. Однако⎛1 ⎞реально U л 0 ≈ ⎜ ÷ 1⎟U др 0 , и поэтому КПД оказывается в 2—3 раза меньше⎝3 ⎠теоретического значения.Кроме того, КПД зависит от объемного заряда. Уже отмечалось, что увеличениеобъемного заряда приводит к снижению выходной мощности. Для повышения КПДнеобходимо работать с малыми плотностями тока ЛПД, т. е. при малой выходноймощности. Имеется еще одна причина, приводящая к снижению КПД при увеличениитока I0.
Чем больше ток I0, тем меньшее значение коэффициента умножения требуется дляполучения заданного лавинного тока и, следовательно, меньшее время необходимо длядостижения максимума лавинного тока. Это уменьшает запаздывание лавинного токаотносительно максимума переменного напряжения, уменьшает отбираемую от носителейэнергию в слое дрейфа, т. е.
снижает полезную мощность и КПД.У самых высокочастотных ЛПД с малой шириной обедненной области w дляполучения ударной ионизации необходима напряженность поля E>106 В/см. Однако притаком поле возможен туннельный пробой. Появляющийся туннельный ток синфазен спеременным напряжением, т. е. исчезает запаздывание, необходимое для полученияотрицательного сопротивления. Кроме того, при E>106 В/см коэффициенты ионизациислабо зависят от поля.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
