Введение к работе
Актуальность ппоблеж. Одной аз тенденций современной радиофизики является повышенна внимания к исследованиям злвктродння:»:-:-ческпх спетом, включающих полупроводниковые элементы, е том числе работающие в режиме усиления или генерации. К сироко распространенным в практике полупроводниковый элементам, применяющийся для широкополосного усиленая или гекараши СВЧ колебангл относятся дподы Ганка. Исследования характеристик электродинамических систем, содержащих диоды Ганна, может обеспечить еоз-молшостъ дальнейшего совершенствования СВЧ устройств такого типа и, кок результат, расширение области их- применения.
Прозедениэ таких исследований затруднено тем, что для строгого теоретического описания физических процессов, протекающих з диодах Ганна при Бездействии на них пеля СВЧ, в частности, для определения параметров их эквивалентных схем оказывается необходима решать сложную систему нелинейных дафферекпиалькш: уравнений. Задача по нахождения распределения СЕЧ поля з электродинамической системе с размещенными в ней в аеиейья.. сазца-альных деататєлей диодами Ганка, монет быть отнесена к клаес7 наиболее сложных задач современной радиофизика.
Полное списание электродинамических сястеы с диодами Гаіпга
метет быть получено лишь при. совместном решении доставлений
вкпэ задач. " ы ' .
. однако, к настоящему времени многие Зё^орй при изучений процессов, протекающие в.полувроводпЕкбЬах дгдйах б отрицательной проводимостью, часто яе учитывают сложного характера распределения электромагнитного J* ~'Дя з конкретних электродинамических системах, в которые пемощаптся такие диоды.С другой стс-
ро'іл грл аааллз-з ззалмодэйстзля СІ поля с ахтяг.іЛ!м олс&скгоы длсдта ,у-^:-увая слолнуоо структуру алйктрсдпналлчоскс.: сисге-:;к, часто представляю? пслупрозо.ЦЕЛдоЕые активные эдакантк, ::е-пользуя с:;дько упрощенные медалі.
"акол, досколіло одностороння'": лодхед, пгжзел iv зэдэрод'.е ..і :--о::оліло лот разгасотлх новых аедупреледкхлозых актіздих .7о:"Ч'.:огг. jJ4, ад-лизатчого оцхсаллл лаезкте ристал: ноіз^х J54 уолоолегл. ;*одос га точно С';;л:і йседзделакн .-утл достллзнля ревімо Сі'асдльного уеллендя в іліролод: длавезоди гзчрллон:::: смоіпе-к;ш з длодаї Галла, недостаточное відг.:алли удолялос:, расоі-'.с:~ радлхі оеооонкостсл чэдднэиного характера зз;лїг.;идізйо7Біія ;'Лгі лз.л/ч^шія с длодад::і Галла.
'J оодзх a отдлі лзляэтея ак'дуллляклі лрезодаяле тзорєтлчес-дгос оя;'сал::д &лзістрод:іна\:кчзокіі:с слетбк с ддодамл Галка ярл отказе от р:_;а ооачяо ярлнівдешх упроща'ешіх лредяоло:канлл. З частьсегл, предстазлч.ат ллтарес леслолозаняе устойчхзостд д;:ода Гонка з различных элокгродлыаличеекдх системах с Золэе ;полным, чэм это било сделано ранее, учетом свойств элзктродл-на:л:чссд>іх систем. Прев-здекиз такого анализа, наряд;' о улучшенном характеристик усчлнтелзл С;ВЧ. и других устройств на дхедах Гакда, :.;огет поззеллть изучить особенности кслппелног-о ззад;.;с-дзхстиад ОЕЧ-язлучоїлгя о такими устролствакя. такло как дгтек-^чіло :ч:-.{'(зчт, глстарезисиле язленля, явледяя зозллчкозеязя -.;-:о'бумэлачееллх ссста:ілліі:ллл н спектрах сигналов .уедлятелол л годерагорол ка длсдах Галла.
5 салза о зтїрї [o2^^j2fKjOooM яядялоеь тооретлчьелсе и окопзрд^елгальдоадіселедозадла неллнеодого взадмодчЛотвля Civ: лїл\ч ніїя с дцодздл Галла, одлеєндо нозлх радосСлізлчесллх oj'.-"ЛгЛ'оь 2 гаклх устро.іотЕох, ;>5зра5отіса к еоздашю за ;:х солоде
На загггу заносится гакке группа псвісс типов С5ч-устро;:г. созданных пз ооноьэ выявленных Бскзко.чеокостг* л со^птгг:
-
Сззрззнеопочастотный усллгтель.А.С. 53?І25.
-
^орхвысокочпотогннЯ усплптвль А.С. 1Р??ЕЛ-'. 2. Смэсстод, СЕЧ Л.С. 1099S14.
ІІЕіШГіі_Ш2іігят^і.
Установлено налачго явлєзсе .ггстзрззлеа в уетлзтвлкх из дкодах Гашіа, заклкла*ощэ-?ся -в раяЕгшоЙ-завясЕмоегс .loojcferff-
г-ЛТИ уССДОПИ ОГ НОЩіСГ.ЄНЕЯ СМОЩЄцЗД ПЗ ДЯОДЭ ПРИ JEOZZ4ZZZZ ,
и уконьЕекгв сы-зщання.
Обнаружено появление в спектре выходного сигнала усилителе:! на диодах Ганка субгармонических составляющих при подачо ка вход усилителя сигнала СЗЧс мощностью, примерно, соответствующей верхней границе динамического диапазона усилителя. .
Обнаружено появление субгармонических составлявдих в цепи питания диода Ганна, установленного в электродинамической системо, обеапрчиваяцей- отсутствие НЧ-генерации, при ыодуляпди на-nptt&izs смещения-на, диоде..Теоретически, показано, что появление; субгармонически; состаадявдих может быть обусловлено зависимостью емкости диода Ганка от акшштудн сигнала СВЧ.
Обнаружен и исследован .детекторный эффект.в усилителях на диодах Ганна, заключающийся в появлении.дополнительного постоянного . смсцеяаа на дасдепри синусоидальном входной сигнале СВЧ к выделении сгибающей в цени питання диода Ганна при.модулированном входном сигнале .СВЧ.
Экспериментально установлено" и теоретически описано скач-. кообразное изменение продетзктпрованногЬ на диоде Ганна напря-яенпя прп возникновении субгзрмояикя - /2,:где -$- частота *? сигнала, подаваемого в цепь питания диода'.Ганна.
Дано теоретическое обоснование явлений возникновения гистерезиса и субгармонпк в усилителях на диодах Ганна.
Сделан вывод-о том/ что появление субгармоник вида S /Хп ,
где { - частота входного сигнала СВЧ; п -.1,2.,*.. к гяс-
терэзис в усилителях диодах Гаїша обусловлены зависимостью
емкости диода or напряжения. . ,
Достоверность гюлучен'ннх резу^ьтатов.Достоверность полученных теорэтичаских результатов обеспечивается строгостью ис-Еольвуемоіі математической" модели, коррехстяоетьв упрощающих до-
пуденпй, сходимостью вычислительных прспэсссз к ї:сі:омі:г.« гедониям, выполнимостью придельных пароходов :с нзвзстнмн рзленлл;л,со~ отзотстзлом результатов расчета эксперименту- Достоверность экспериментальных результатов обеспечена гірн;-,:ене;і:}з;.і современной стандартной измерительной" аппаратуры*
Ппакт^;чВдкая,янз;!лглссть.работа. детекторний ех^ехт, о:-п-ру:;:еш;ь'іг з СВ!ї-усилителях на диодах Гаіїна, мо::;ет бить уснегл;:) использован для контроля параметров тонких .металлических л диэлектрических слоев, для стабилизации параметров пслупроводпл-ксбчх активних ОІЯ-уетрсйств, настройки усилителен. іТредл:-'лонкая мектродднакнчеекая система, вклпчакщая многс.итирову;; структуру, была использована при создании конструкции синхронизированного генератора на диоде Ганна, отличахг.огсел расширенной полосой СДКХрОЕіІЗЗІїИЯ.
3 результате проведенных исследовании вцапмо.це/:стз'лл Cf/i излучения с диодами Ганна прэдложон усилитель с штрекам диапазоном напряжений смещения,- в котором обеспечивается ра.тлм стабильного усиления.
ЇІредлог.енкїіі СЗЧ-<нльтр, вклнчагщкй генератор на диоде ;" Ганка, работающий з регкмэ сикшонизацик, позволяет обеспечить полосу запирания 0.05*'. Использование фильтра, например, в анализаторах спектра приводят к качественно;,^ удучіпепп::) ях бойовика характеристик.
.. вклад явтопа. Азтором самостоятельно получены со-отношения,доказывающие возмоеность зозншеноззная з устройствах на диодах Ганна субгармонкк, появление при. это;.) дследддтельксд постоянной составлявшей,опис^назже ідстеоазпо б усиллтздлл ::а диодах Ганка.
Автором лкчио заполнены ГїйіЗчотіі, прозздзнкгго с хеподьзо-
-О -
ванном полученных соотношении. Экспериментальные исследования проведены автором самостоятельно.
Гяэлизштия результатов в народно" хозяйстве. Исследования выполнены в соответствии с Координационным пдано;.і ІШР ЛК СССР па 1931-1335 годи по грсбдєме "Физическая злектрон.іка" раздел 1.3.-І.З "Поиск новых физических принципов создания твердотельных приборов и устройств Сй'ї, в особенности м.'.; и суб;л: диапазонов" и Координационным планом ГБГР АН СССР на 1956-1930 годи по проблеме "\>зпческая электроника" раздел 1.5.4.3 "Прибори и устройства СБЧ диапазона на твардотедыах одо:.;ентах", по направлении ''Спеша твердого тола" раздел 1.3.10.4 "Радповолно-зпо ;.;эходи", Координационным планов НЛ? з;:сілих учебных заведений систем; іїішвуза СССР в области пдзпкл полупроводников на 19'6-Г990 го/jj раздел 1.8 "Исследование эмтектов детектирования б полупроводниковых 054 диодах птранзисторах, работанцкх е ролап/о усиления пли генерации* Коинлехскон каучно-тохнпческол программой Ійнвуза РСФСР на 1986-199С года по тема С. 1.10 "lie-следование эффектов а модемного детектирования з твердотельных СБЧ-геператорах и создание па этой основе датчиков для нераз-рупапцего контроля подупроводкикоБых я диэлектрических материалов", .'.'еквузовской прогрдмюй ІНТ? на 1936-1990 г.г.. "Научное приборостроение" раздел 16 "Приборы лабораторної: технологии", а такге в ооету.атствзи с .НИР ."Параметр", прозодквдзііся согласье постановленії!» ПЭТГ СССР и зндгоченной в план соціального а pfiC'Horur.'eoiicro развития РСЗС? на 1985 год.
Предложенные и созданные СЗЧ-усплиголь и СБЧ-сГіидьтр-зацп-донд авторскими 7детэдьетзакп г' 152127.,0, .'; 1597977 и внедрены в IFahA.
/>.гГ-.-;г-.ігі робот». Основное результати дгссортадионноіі pa-
йоты доложены на У1 итоговой конференции я Ы научно-тэхппчсс— кс:: конференции молодо специалистов в г.Саратове в 1Р75 году, на Всесоюзном симпозиуме по приборам, технике и распространи- нию миллиметровых и субмиллиметровых волн в г.Москве в 197 году, на Зїи У.зжвузовской конференции по электронике СЗЧ б г.Гос-тове-на-Дону ь 1S75 году, на УШ Зсеооюзном симпозиуме "Плазма и неустойчивости в полупроводниках" в г.Паланга б 1989 г., а такяе на объединенном научном семинаре кафедр радиофизики и физики твердого тела Саратовского госуниверсктета.
Публикации. По материалам диссертации опубликовано 20 работ, з том числе 7 авторских свидетельств.
С.тпуктупа и объем дяссаптагтт^Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 113 наименований. Работа изложена на 140 страницах,включая 47 рисунков и список литературы, содержали 113 наименований и пзлокекк::': на 12 страницах.
Jo рводо ни и сформулирована дсль рас с л.', доказянй актуальность пройдеш и практическая значимость ракеті:, апксрці структура диссертации.
В pc.pp.oi'i главо лі-оводеіі анализ соогелнпл /селс'Докэппи нелинейного взаямо.цзйотвл.1: СШ :ізл"чоі:;ш с ллодами Гонле.
Сделан вывод о необходимости солее строгого учета параметров электродинамических систем, в которое помещайтеи полупроводниковые СВЧ приборы, а такгоз учета зависимости параметров приборов от амплитуда сигнала СІЛ.
Вторая „глпла. посвящена исследовании нолякойгах свойегтв
устройств на диодах Ганна. Приведены результаты теоретического анализа и экспериментального исследования низкочастотных модуляционных характеристик СВЧ генератора на диодє Ганна. Исследована ор.\<а низкочастотных колебаний в цепи питания генератора кэ диоде Ганна в зависимости от параметров низкочастотного колебательного контура и напряжения питания.
Наследованы условия возникновения ІІЧ колебаний. Теоретически описано явление гистерезиса в еозлекковєнии НЧ колебаний при изменении постоянного смещения и реглм релаксационных НЧ колебании.
Приведет,: результаты экспериментальных исследований гис-терезкснкх явлений в СВЧ-уснлителях на диодах Ганна. Настройка СИЧ схеш молет бчть проведена таким образом, что значения напряденая смешения, соответствующие прекращению усиления и возникновению генерации имеют одинаковую величину. В этом случае с ростом напряжения смещения коэффициент усиления G(U) увеличивается, достигая максимальной величины при некотором . значении напряжения смещения U0 . При U > UA возипкаетСЦ^Ц^ генерация колебаний. Если после возникновения генерации уменьшать смэгюнпе, то при напряжении смещения U < U0 генерация исчезает и усиление & 0-Оскачг.ом достигает величины несколько меньшой максимальной. При кривые и & CU) совпадают. Если же напряжение смещения не-увеличивать до значений,,при .которых усиление срывается и возникает генерация, 'то лри последующем уменьшении напряжения кр;шая
повторяет ход кривой
FO0 ,т.е . гистерезис не
иаблвдается. Гистерезис не возникает такие в случае такой настройки СВЧ.схемы, при которой можду значениями напряжения смещения, соответствущиыи прекращению усиления и возникнозе-
- II
нею генерации тлеется интервал напряжений смещения, з котором отсутствуют как усиление, так и генерация.
Гкстерезисше явления в усилителях на диодах Ганка теоретически исследованы в результате анализа резеннй нелинейного дифференциального уравнения вида:
U + =" U + 7 Р " TrzU = f-pUOaOiij
где К - активное сопротивление контура;
L - индуктивность контура;
bo - емкость контура; 'Ср
ck = SL.-^ ~ па саке то, определявший крутизну зависи- с;Ц
мости емкости диода от напряжения;
'—;э- амплитуда внеплюго сигнала СЕЧ.
Из сопоставления экспериментальных данных по измерению импеданса нагрузіш диода Ганна в результатов расчота частоты генерации, сделан вывод о том, что набл"ідае:.п;іі немонотонна?; харг "ер изменения частоты генерации от изменяйся импеданса нагрузки может быть обусловлен влиянием активной части импеданса нагрузіш.
Приведену результаты эксперименталышх исследовании диода Ганна, находящегося под воздействием модулируппего сигнала низкой частотк в цепи питания. Обнаружено возникновение субгармон'лк' { /2, і /л, модулирующее частотк J при большой амплитуде модулируицого сигналі.
'Обнаружено, что при. возникновении суогар:лонпки j /2 скачком изменяется постоянное смещение на диоде Ганна. _,
Экспериментально исслэдовонн особенности споктра ыжодне-
го сигнала СЬЧ-усплптелек на диодах Ганна при высоком уровне косности. Обнаружено возникновение в спектре выходного сигнала субгармоник входного сигнала СЗЧ. Установлено, что при воздействии на диод сигнала СВЧ высокого уровня мощности максимальную величину емеет амплитуда субгэрмонкки $ /4. При увеличении глоапюсти входного сигнала в спектре выходного сигнала в окрестности субгармоники f /4 наблюдался участок шумовой генерации.
Теоретически, с учетом того, что едкость диода Ганна зависит от амплитуды ОВЧ-сигкала, обоскована возмозоюсть возникновения субгар,\;ояик е диодах Ганна под воздействием СВЧ сигнала большой амплитуда.
Теоретически подтверждено появление дополнительной состав-ляздей тока диода Ганна при возникновении субгермокпкд і /2.
Экспериментально исследован двухчастотнілі рагям работа усилителя на диоде Ганна. Установлено, что воздействие дополнительного сигнала СВЧ может более чем в 1,5 раза поникать уровень пороговой модности основного сигнала, при катаром возникает субгармонически-: составляющие. Наряду с уменьшением уровня пороговое мощности, воздействие дополнительного сигнала увс г.ічизаот амплитуды субгармонических СОСТ-БЛГПС.;(ЙХ.
Экспериментально установлено изменение- вида вольтамперксп царактерпстккп диода Ганка в зависимости от реглма роботи на СВЧ. Сделан вквед о качественном отличии аолг-тампорнах характеристик диода Ганка, стабилизированного СВЧ цепью, от характеристик постБбилизкрОЕашого диода, зэклтаюцесся з появлении на статической ВАХ диода участка с.пологлтельной дифференциальной проводимостью, ка котором и наблюдается усиление СИЧ.
Третья главе досвяаена исследованию синхронизации коле-
- ІЗ
баки;'; в диодах Ганка под действием вж-дпего спгппл.э >,о і. ^ля одонхл полоси с:;я:сронпзашл било лсясльзо:-.ано ооитнзтогіїїз:
" 0« ик
гдэ йс - а'/плг.туда внєшнзго олшалз СЬ!І;
U*- з?.:пл::?їда слгнзда ганоратора;
Он- лагрулозпая дсорстдость. лэл;лт::ка '- с дродставлона з віідо :
гдз 1"^= ti^/Uj , Uj - потэри.
z0= zCia w*, zca* :^ > *w Sink,3(SinBm/a;.)
'p - золновоэ сопротивление свободного арсстмястзз,
S ' BM - ПаШ:.*.ЄТС!І, ОПСЄДЄЛЯНЕЦЇ9 ТСЛОКЭЕП-3 СТОС""-
кя с длодсм в волноводе, Qyt,= ^Vjj з ^- циямэтр сіергмяV'
-7 2Wt_
^(13 ^13 І?,! + е -у : -ДГ
7 * НіяііУ г*г /Г
3_расстс.ггл? от осп стг;рчнл по иарзлоГ: ст->;:с;: йслчо{НД? ,
to?, и узкой стеноп, соответственно.
Пснз&деян рєзу.гьтатн расчета величины напряжения СВЧ.зоз- {.::-лг/Л'ЭГо па диоде Ганна з предлога пноіі конструкция генератора, "раннацко предложенной конструкция генератора с [;зв.зстнк:,іп свидетельствует о бозмоглосте достигання значений полоси сякх-роп;:заняп .примерно, в два раза больней, чем в пзвестлтлх еолно-всдних генераторах.
Проведано исследование едляняя на величину полоси сдкхро-нкзакдп азаекешш когйілцгіентг отражения нагрузки в виде дц-олекграчєскоі} вставки в' прямоугольном волноводе'.
Сдалаи вывод о всзмоаюсти регулировка полоси спнхрснпза-ід-ііі в предложенной кокстр/кцгп: кзмеНєпмей гіололешгя Д2-злоктрической, вставке.
; ' Р-.чптвортоГг главо приведеш результати исследования воз-мсхчосїіі применения прадлог.енных СІП устройств на диодах Ганна. Приводится еястома дпсТ4еречцвальшх уравнзшгі:, рапюкке которой поззолязт теоретически оцеялть величину интервала напрлгзкцй с^ог,еішя, з котором в усилителе не' возбуждается паразитная генерация. Обнаружена возііоікносіь реализация существенного рас-ілярєнпл диапазона напряжений смещения, в котором усиление не салоовоудается паразитной генерацией.
Описана конструкция СВЧ-усилителя на диоде Ганна, пр:і-сс-г. глісований которсіі стабильное усиление набладаотея при изменен:::? кагряткення смещения з диапазона 40 %, что,приварно, в два раза болвіга, .чом в изеєстнях конструкциях усилителей.
- Id -
Списана ' схема СБЧ-филыра с полосой запирания.—0,0 5 J5, основным узлом которого является синхронизировании:! СЗЧ-гене-ратор на диоде Гална.
Приведено списание пршшипа действия фильтра.
