ПРИБОРЫ И ТЕХНИКА ЭКСПЕРИМЕНТА, 2004, № 6, с. 64-66
_ ЭЛЕКТРОНИКА _
- И РАДИОТЕХНИКА -
УДК 621.396.67
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ АКТИВНОГО НЕЛИНЕЙНОГО С.В.Ч.-СОПРОТИВЛЕНИЯ СЕРИЙНОГО ЛАВИННО-ПРОЛЕТНОГО ДИОДА
© 2004 г. Ю. И. Алексеев, А. В. Демьяненко, И. В. Малиёв
Таганрогский государственный радиотехнический университет Россия, 347928, Таганрог, ГСП-17А, просп. Некрасовский, 44 Поступила в редакцию 14.04.2004 г.
Предлагается способ определения активной составляющей с.в.ч.-сопротивления лавинно-пролет-ного диода (л.п.д.), основанный на измерении характеристик усилителя на л.п.д., работающего в режиме большого сигнала. Полученные экспериментальные результаты сравниваются с расчетными.
Анализ работы твердотельных автогенераторов и с.в.ч.-усилителей обычно базируется на предположении, что активная составляющая сопротивления Яд твердотельного элемента (диода Ганна, лавинно-пролетного диода (л.п.д.), туннельного диода, транзистора) слабо зависит от частоты в его рабочем диапазоне, но сильно зависит от амплитуды с.в.ч.-колебаний и1 [1-3]. Сведений о линейной (малосигнальной) составляющей активного сопротивления диодов с отрицательным сопротивлением в литературных источниках достаточно, причем имеются и экспериментальные данные об активном сопротивлении диодов Ганна, л.п.д. [1-3], и аналитические соотношения, позволяющие рассчитать линейную часть активного сопротивления диода [4]. Однако для полного расчета устройства на активном элементе необходимо располагать сведениями о нелинейных свойствах активного сопротивления элемента, без которых нельзя, например, рассчитать выходную мощность автогенератора в стационарном режиме колебаний.
Цель работы - показать возможность экспериментального определения нелинейной зависимости
Яд = /( и 1) для серийного л.п.д. 2А717А миллиметрового диапазона, необходимой для проведения инженерных расчетов генераторов на этом диоде.
В настоящее время данных о зависимости Яд =
= /(и2) для л.п.д. миллиметрового диапазона в литературе очень мало, к тому же это, как правило, данные об экспериментальных бескорпусных диодах, которые в разработках не могут быть применены. Сведения об измеренных зависимостях Яд = /(и 1) для серийных диодов вообще отсутствуют.
В современной практике зависимость Яд =
=/(и2) для диодов, находящихся в состоянии генерации, определяется по зависимости выходной мощности от нагрузки генератора Рвых = /(Кн). Следует заметить, что проведение импедансных измерений генерирующего диода представляет сложную техническую задачу по многим причинам: измерение нагрузочной характеристики Рвых = =/(Ян) требует наличия калиброванных трансформаторов полных сопротивлений, которые от-
Рис. 1. Схема измерений. 1 - исследуемый л.п.д., 2 -резонатор усилителя, 3 - поршень-короткозамыка-тель, 4, 6 - диодные держатели, 5 - изолированный элемент подачи смещения на л.п.д., 7 - циркуляторы, 8 - согласованная нагрузка.
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ
65
32.8 32.9 33.0 33.1 33.2 10-1 10° 101
10-2 10-1 100
00
34.95 35.05 35.15 35.25 10-1 100 101 102
/, ГГЦ Р„, мВт
Рис. 2. Результаты эксперимента: а - а.ч.х. усилителя, б - динамические характеристики, в - активное сопротивление диода (расчет - сплошная линия, эксперимент - штриховая).
сутствуют в арсенале радиоизмерительных приборов; кроме того, при изменении нагрузки генератора в широких пределах весьма трудно выполнять условие Вн = 0 (Вн - реактивная составляющая сопротивления нагрузки), необходимое для поддержания фазового баланса.
В настоящей работе предлагается получать нелинейную зависимость Яд = /(и 1) для диодов, находящихся в состоянии устойчивого усиления с.в.ч.-сигналов. Основным требованием, предъявляемым к измерительной (усилительной) камере, является ее "конструктивная простота" (отсутствие каких-либо органов регулировки параметров усилителя, кроме короткозамыкающего поршня, перемещением которого производится настройка усилителя по диапазону частот). Таким образом, усилительная (измерительная) камера должна представлять собой с.в.ч.-резонатор в виде корот-козамкнутого отрезка волновода с волновым сопротивлением Яв, которое для усилителя в точке включения л.п.д. является нагрузкой Ян. Реак-
тивная составляющая полного сопротивления диода Хд при этом компенсируется короткозамкну-тым отрезком волновода, что дает право в полосе частот усиливаемых сигналов не учитывать влияние Хд на усилительные свойства диода и рассчитывать коэффициент усиления Ку по известному соотношению
К у =
Ян -
Ян + Яд
принятому для усилительных схем на отражение". Если выражение для коэффициента усиления дополнить экспериментально измеренной динамической характеристикой усилителя
Ку - / ( Р вх ) >
где Рвх = г тт- - мощность входного сигнала усили-
1и_! 2
теля, то можно получить искомую экспериментальную зависимость Яд = /(и 1).
2
66
АЛЕКСЕЕВ и др.
Яд, Ом 0
U2, B2 101 102
10-
100
-2
-4
-6
32.92 ГГц
тт]-1........I
33.46 ГГц
35.10 ГГц
Рис. 3. Зависимость Яд = /(и^ ) на различных частотах
(числа у кривых).
Экспериментальная усилительная камера, применяемая в настоящей работе, и ее включение в схему усилителя отражательного типа показаны на рис. 1. Колебательная система усилителя (резонатор) выполнена на основе отрезка волновода шириной 7.2 мм, который в точке включения диода имеет высоту 0.3-0.5 мм, плавно переходящую в высоту 3.4 мм за счет конической формы диодных держателей. Волновое сопротивление камеры в точке включения диода является нагрузкой усилителя, сопротивление которой составляет ~10 Ом.
Результаты экспериментальных исследований представлены на рис. 2 (рис. 2а, 26 - вспомогательные, рис. 2в - основные). Экспериментальное
определение нелинейной зависимости Яд = /(и 1) начинается с определения участков частотного диапазона л.п.д., на которых усилитель устойчиво усиливает входные сигналы малого уровня (малосигнальный режим усиления). На рис. 2а показаны три амплитудно-частотные характеристики (а.ч.х.) исследуемого усилителя при различных рабочих токах л.п.д. На частотах максимального усиления проведены измерения динамических характеристик усилителя Ку = /(Рвх) (рис. 26), на основании которых при известном сопротивлении нагрузки усилителя (Ян ~ 10 Ом) получены искомые нелинейные зависимости Яд = /(и 1), показан-
ные на рис. 2в, откуда видно, что характер нелинейной зависимости Яд = /(и 1) качественно повторяет ход динамических характеристик усилителя. Экспериментальные зависимости Яд = /(и 1) сопоставлены с расчетными, полученными с использованием аналитических соотношений для амплитудной зависимости активного с.в.ч.-сопротивления л.п.д., приведенных в [4].
Экспериментальные и теоретические зависимости Яд = /(и 1) удовлетворительно совпадают. В количественном отношении экспериментальная зависимость Яд = /(и 1) находится в хорошем согласии с теоретической как по абсолютной величине Яд (-7.. .-2) Ом, так и по диапазону амплитуд и 1, в котором этот перепад сопротивления происходит (рис. 2в). Некоторое отклонение экспериментальной зависимости Яд = /(и 1) от теоретической при больших амплитудах и1 объясняется принятой в теории л.п.д. аппроксимацией, дающей отклонение от действительного хода нелинейной зависимости Яд = /(и 1). Следует отметить, что полученные экспериментальные зависимости Яд = /(и 1) относятся к колебательным характеристикам "мягкого" типа.
Проведенные экспериментальные работы предоставляют возможность расширить информацию о нелинейных свойствах активной составляющей с.в.ч.-сопротивления л.п.д. путем учета частотной
зависимости Яд = /(и 1) на достаточно широком участке рабочего частотного диапазона л.п.д. 2А717А (рис. 3).
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Дж. Кэррол. СВЧ-генераторы на горячих электронах. М.: Мир, 1972.
2. Полупроводниковые приборы в схемах СВЧ / Под ред. М. Хауэса, Д. Моргана. М.: Мир, 1979.
3. Давыдова Н.С, Данюшевский Ю.В. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М.: Радио и связь, 1986.
4. Тагер A.C., Валъд-Перлов В.М. Лавинно-пролет-ные диоды и их применение в технике СВЧ. М.: Сов. радио, 1968.
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.