Введение к работе
-Актуальность^ В настоящее время генераторы на лавинно-про-летных диодах СГЛПД) являются наиболее мощными и эффективными твердотельными источниками СВЧ колебаний короткой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Так,генераторы на выпускаемых серийно отечественных ЛПД отдают в нагрузку в непрерывном режиме более полутора и четырех ватт с КПД порядка 15% на частотах 18-24 ГГц и 8-12 ГГц соответственно. Столь высокая выходная мощность генераторов является результатом того, что в них использованы многомезовые диоды с оптимизированной полупроводниковой структурой.Мощность близка к предельному уровню, определяемому электрофизическими параметрами материала, из которого изготовлен диод, и его геометрическими размерами. Поэтому развитие схемных методов увеличения мощности генераторов на ЛПД приобретает все большую актуальность.Широкое распространение на практике получили резонаторные сумматоры мощности.
Резонаторний сумматор мощности, или многодиодный генератор стабилотронного типа, идея которого принадлежит К. Курокаве, состоит из призматического или цилиндрического резонатора и присоединенных к нему коаксиальных модулей. Каждый модуль - это отрезок коаксиальной линии, нагруженной с одной стороны на диод, а с другой - на согласованную нагрузку. Использование согласованных нагрузок позволяет обеспечить устойчивую работу стабилотронного многодиодного генератора на частоте, близкой к резонансной частоте резонатора.
В большей части известных публикаций,посвященных многодиодным генераторам,приводятся различные конструкции стабилотрон-ных генераторов,их выходные характеристики и отдельные рекомендации по настройке генераторов на нескольких ЛПД, т.е. обширная литература по данной тематике носит, в основном, рекламный характер. Работ с изложением результатов теоретического и экспериментального исследования характеристик многодиодных генераторов, а тем более с сопоставлением этих результатов крайне мало,слабо освещаются вопросы моделирования и прогнозирования характеристик стабилотронных генераторов.К настоящему времени имеется ряд работ, в которых предприняты попытки с помощью аналитических или численных методов разработать рекомендации, необходимые как при оптимизации конструкции стабилотронного генератора, так и
-2.-
лри создании методики его настройки.
Главной причиной, сдерживавшей проведение исследований, на базе которых можно было бы выполнить анализ или синтез стабилотронного генератора, является отсутствие модели, связывающей его выходные характеристики с параметрами активных элементов и геометрическими размерами колебательной системы. Создание модели стабилотронного генератора осложнено тем, что до сих пор нет эквивалентных схем, описывающих адекватно активные элементы и отдельные узлы контурной системы. Чаще всего используются эквивалентные схемы генератора,представляющие собой различные варианты известной "схемы Курокавы", причем, амплитудная и частотная зависимость импеданса полупроводниковой структуры ЛПД и параметры его корпуса определяются экспериментально, а элементы пассивной части эквивалентной схемы генератора рассчитываются по измеренным в СВЧ диапазоне характеристикам контурной системы. Недостаточная корректность методик измерения или расчета элементов, так же как и самой эквивалентной схемы стабилотронного генератора ограничивает точность расчета его характеристик. Видимо поэтому обычно не проводится сопоставление рассчитанных и измеренных характеристик многодиодного генератора ни на фиксированной частоте, ни в диапазоне его частотной перестройки.
Итак, проведенные до настоящего времени исследования позволяют установить лишь качественную зависимость мощности и частоты генерации от размеров и положения различных элементов конструкции многодиодного генератора, Проблемы прогнозирования характеристик и синтеза многодиодных генераторов стабилотронного типа, отходившие раньше на второй план, в последнее время приобрели большую актуальность в связи с появлением мощных высокоэффективных ЛПД сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Из оценки состояния работ по моделированию генераторов стабилотронного типа следует, что пока лишь начинаются поиски путей решения этой*проблемы.
иЗЬВ_йиссертационной работы является
разработка модели, позволяющей связать характеристики стабилотронного генератора с параметрами конкретных ЛПД и геометрическими размерами его конструкции;
разработка методик определения амплитудной и частотной зависимости импеданса полупроводниковой структуры ЛПД, элементов схемы замещения его корпуса и эквивалентной схемы контурной
системы генератора;
оценка пригодности предложенной модели и методик определения элементов эквивалентной схемы для анализа и синтеза генератора стабилотронного типа на одном и двух ЛПД;
выявление и обоснование закономерностей работы стабилот-ронкых генераторов, позволяющих сформулировать требования к параметрам контурной системы и ЛПД, необходимым для решения вопросов прогнозирования характеристик, а также настройки и оптимизации конструкции генератора;
разработка оптимизированных конструкций стабилотронных генераторов на одном и двух ЛПД типа АА707, АА739 и АА748,
81чная_новизна_работы заключается в том, что
предложена модель генератора стабилотронного типа, оригинальность которой заключается в учете реактивной составляющей импеданса полупроводниковой структуры ЛПД, зависящей от амплитуды СВЧ колебаний, замене Г-образной схемы замещения корпуса диода на Т-образную и введении дополнительной индуктивности, характеризующей зазор мевду дном коаксиального модуля и торцом трансформатора, а также в выборе плоскости расчета;
предложены и обоснованы методики определения амплитудной и частотной зависимостей импеданса полупроводниковой структуры ЛПД, элементов схемы замещения его корпуса и элементов эквивалентной схемы контурной системы с точностью порядка 5%.
впервые пригодность модели для анализа и синтеза генераторов стабилотронного типа доказана получением количественного соответствия рассчитанных и измеренных характеристик генераторов на одном и двух ЛПД;
впервые показано, что рост отношения реактивной к активной составляющей импеданса полупроводниковой структуры диода приводит к уменьшению электронной мощности и КПД контурной системы генератора, чем объясняется уменьшение эффективности работы многомезовых мощных диодов в генераторах стабилотронного типа;
выявлен ряд особенностей работы, положенных в основу предложенных методик настройки и оптимизации генераторов стабилотронного типа.
П2актическая_ц,енность_р_аботы заключается в том, что
- предложена модель, позволяющая прогнозировать характе
ристики генератора стабилотронного типа по известным паспортным
данным ЛПД и геометрическим размерам контурной системы, рассчитывать размеры контурной системы, необходимые для получения требуемых выходных 'характеристик генератора на конкретных диодах и т. д. ;
разработаны оригинальные методики измерения амплитудной и частотной зависимостей'импеданса полупроводниковой структуры и элементов схемы замещения корпуса ЛПД с резким р-п переходом;-
предложены методики настройки и оптимизации генераторов стабилотронного типа;
выявлены причины уменьшения эффективности работы много-мезовых мойных диодов в генераторах стабилотронного типа;
предложено использовать коаксиальные трансформаторы, центральный проводник которых представляет собой конус высотой порядка 3>./4, благодаря чему облегчается настройка генератора к увеличивается диапазон частотной перестройки;
разработаны ч генераторы стабилотронного типа на одном и двух ЛПД АА707, АА739 и АА748 со следующими характеристиками: мощность в нагрузке 0,53 и 1.2 Вт, 3 и 6,3 Вт, 1,6 и 4 Вт с перестройкой по частоте порядка 8% и 10. 20 и ?Б%, 10% и 15% соответственно.
Апррбация_результатсв4_ Основные результаты проведенных исследований доложены на 12 Всесоюзной научно-технической конференции Сг.Киев - 1990г.) и на XLVIII Всеросийской научной сессии, посвященной Дню радио (Москва - 1993г.D.
Публикации;. По теме диссертации опубликовано 4 печатные работы.
Сіруктува.и.обьем.рабдтьіі. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Работа имеет объем 149 страниц, вклсчает в себя 63 рисунка, 6 таблиц, библиографический раздел содержит список литературы из S0 наименований, в приложении приведена программа расчета выходных характеристик двухдиодного генератора.
