CC BY
29источников, особенно в области, где мгновенные значения анодных и сточных напряжений равны. (Впрочем, все зарубежные алгоритмы расчета генераторных триодов предусматривают выполнение соотношения Ua » Ug max, что приводит к нивелированию
возможного источника ошибок в предлагаемой методике расчета.)
Библиографический список
1. Берг А. И. Теория и расчет ламповых генераторов. Ч. 1. Л.-М.: Госэнергоиздат, 1935. 316 с.
2. Wetzel P., Zehnder O. Industrierohren in Hochfrequenzgeneratoren. Mannheim: Kober (Vertrieb), 1980. 253 s.
3. Dittrich H. F. Tubes for R. F. heating: Philips application book. Amsterdam: Philips, 1977. 212 p.
Yu. I. Blinov, K. Yu Blinov
Saint Petersburg state electrotechnical university "LETI"
Computer technique of the generating triode and other generating devices calculation
The computer technique of calculation of powerful generating triodes is considered. The results of calculation of generating triodes offirms Philips and ABB are given which are compared to the data received at use of an offered technique. The given approach can be distributed and on other generating vacuum-tubes - tetrodes and pentodes.
Generating triode, calculation of triodes Статья поступила в редакцию 28 декабря 2004 г.
УДК 621.396.67
Ю. И. Алексеев
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Генераторы СВЧ на гармониках проводимости диодов Ганна
Проводится сопоставление способов генерации СВЧ-колебаний на гармониках отрицательной СВЧ-проводимости диодов Ганна. Обсуждаются результаты, полученные при исследовании макетов генераторов различного конструктивного исполнения.
Диод Ганна, отрицательная проводимость, генерация на гармониках, генератор СВЧ
Разработка элементной базы для генерации, усиления и преобразования СВЧ-колебаний проводится последовательно с точки зрения освоения частотного диапазона. Обычно, технологические трудности в электронной технике таковы, что осваивается, как правило, нижний участок необходимого диапазона и задерживается освоение верхнего участка. Так происходило с элементами сантиметрового диапазона, аналогичная ситуация наблюдается в миллиметровом диапазоне, нечто подобное ожидается и при освоении диапазона крайне высоких частот (КВЧ).
Практика разработок генераторных и усилительных устройств СВЧ показала, что единственным способом ухода от сложившейся в электронной технике традиционной ситуации является косвенный способ создания источников колебаний СВЧ за счет генера-
72 © Ю. И. Алексеев, 2005
ции колебаний на высших гармониках (при условии, что активный элемент для генерации на основной гармонике создан). Однако простое отфильтровывание необходимых гармоник СВЧ-генератора, сопровождающих его работу и являющихся побочными (паразитными) продуктами последнего, к сожалению, не всегда устраивает разработчика радиоаппаратуры. В основном это происходит из-за низкого уровня выходной мощности выделяемой гармоники (как правило, это единицы - десятки микроватт), что всегда и является основной причиной выдвижения требования на разработку элемента в необходимом диапазоне частот с необходимым уровнем колебательной мощности.
Описанное выше положение несколько изменилось в связи с появлением в качестве элементной базы твердотельных приборов с отрицательной проводимостью, способных регенерировать колебательные системы СВЧ не только в своем рабочем диапазоне, но также и за его пределами (это в первую очередь относится к диодам Ганна).
Цель настоящей статьи состоит в демонстрации возможности эффективной генерации СВЧ-колебаний на гармониках проводимости диода Ганна. Поскольку такая генерация уже не может рассматриваться как побочная, то следует ожидать, что при соответствующей регулировке (управлении параметрами) экспериментального макета эти генераторы смогут отдавать в нагрузку выходную мощность так называемого гетеродинного уровня (не менее единиц милливатт).
Известно [см. лит], что частотная зависимость активной составляющей малосигнальной проводимости диода Ганна имеет характерный вид, показанный на рис. 1, а. Отсюда следует, что отрицательным максимумам проводимости 0д соответствуют частоты,
примерно кратные пролетной частоте диода, причем абсолютное значение отрицательной проводимости убывает с ростом частоты, что характерно для приборов, работа которых основана на пролетных явлениях. Зависимость на рис. 1, а дает основание полагать, что в диапазонах, являющихся гармоническими относительно пролетной частоты, имеется возможность построения генераторов СВЧ.
Рассчитанная относительная проводимость исследовавшегося диода Ганна 3А715Ж в его рабочем частотном диапазоне (рис. 1, б) полностью подтверждает такую возможность (расчет проведен при следующих константах, связывающих угол пролета электронов с частотой: длина образца ОаЛБ-диода ЗА715Ж Ь = 11.3 мкм, скорость дрейфа электронов в
ОаЛБ на падающем участке дрейфовой характеристики V = 1.3 • 105 м/с).
0
7
14 ъф 0 13
26 /, ГГц 0 2.5 5.0 7.5 U, В
а
б
Рис. 1
в
На рис. 1, в показана вольт-амперная характеристика диода ЗА715Ж, на которой отмечены участки напряжений смещения диода, соответствующие генерации в его рабочем частотном диапазоне (1) и генерации на гармониках (2).
Для практической реализации генераторов на гармониках проводимости указанного диода были разработаны два типа экспериментальных макетов на частотах, соответствующих второй и третьей гармоникам пролетной частоты диода Ганна ЗА715Ж. Первый тип исследуемого генератора (рис. 2) имел колебательную систему в виде короткозамкну-того отрезка волновода 23 х10 мм, соответствующего основному рабочему диапазону диода ЗА715Ж, однако выход генератора для основной гармоники выполнен запредельным закорачиванием его волноводными фланцами диапазонов второй и третьей гармоник (исследовались два макета генераторов первого типа).
Колебательная система генератора второго типа выполнялась также в виде коротко-замкнутых отрезков волноводных каналов 11 х 5.5 мм (для второй гармоники) и 7.2 х 3.4 мм (для третьей гармоники). Таким образом, второй тип исследуемых генераторных макетов представлял собой уже не генератор гармоник, а генератор, построенный на основе прямой генерации непосредственно на частотах, являющихся гармоническими для основного колебания, что стало возможным благодаря наличию отрицательной проводимости диода на гармониках.
На рис. 2 схематично обозначены некоторые элементы конструкций макетов исследуемых генераторов: 1 - диод; 2 - цанговые диодные держатели; 3 - колебательная система генератора в виде короткозамкнутого отрезка волновода соответствующего поперечного сечения; 4 - выходной фланец генератора; 5 - узел подачи смещения на диод со встроенными слюдяными опорными конденсаторами, шунтирующими источники питания по СВЧ.
Результаты экспериментальных исследований возможности получения эффективной генерации на гармониках проводимости диода Ганна оказались достаточно существенными и заслуживают подробного их обсуждения.
о
Рис. 2
О
4
V
На рис. 3, а, б показаны основные характеристики, полученные при исследовании генераторных макетов первого типа. Из рисунка видно, что имеется достаточно широкая область питающих диод напряжений и, обеспечивающая генерацию второй (рис. 3, а) и третьей (рис. 3, б) гармоник: генераторы обоих гармоник в пределах и = 5... 6.5 В показали при устойчивой генерации диапазон электронной настройки, равный, примерно, 70 МГц. При этом мощность выходных колебаний плавно изменялась, проходя через максимальное значение, равное 2.6 мВт (плавное изменение
а б
в г
Рис. 3
выходной мощности в диапазоне электронной перестройки свидетельствует об оптимальной настройке макета генератора). Выходная мощность генератора второй гармоники была весьма низкой (~700 мкВт) и в указанных пределах питающих напряжений не достигла максимального значения. Генератор с таким уровнем выходной мощности может иметь ограниченное применение, в отличие от генератора третьей гармоники, показавшего выходную мощность гетеродинного уровня.
Основные характеристики, полученные при исследовании генераторных макетов второго типа, приведены на рис. 3, в, г. Следует подчеркнуть, что при тех же напряжениях питания диода (5... 6.5 В) генераторные камеры второго типа позволяют провести оптимальную настройку исследуемых макетов: в диапазоне электронной перестройки частоты мощность генерации претерпевает плавное изменение, проходя через максимум. Кроме того, диапазон электронной перестройки генераторов значительно шире (170 МГц для второй гармоники (рис. 3, в) и 390 МГц - для третьей (рис. 3, г)). Уровень выходной мощности также высок (8 мВт для второй гармоники и 1.35 мВт - для третьей). Замена генераторных диодов показала удовлетворительную повторяемость основных характеристик.
Следует также отметить, что успешный запуск генераторов второго типа на обеих гармониках основного колебания диода ЗА715Ж является практическим подтверждением наличия у этого диода отрицательной СВЧ-проводимости на гармониках. Данная проводимость может быть эффективно использована при разработках генераторов с колебательными системами, собственные резонансные частоты которых соответствуют второй и третьей гармоникам основного рабочего диапазона диода ЗА715Ж, т. е. при создании генераторов на прямую генерацию.
Таким образом, проведенные исследования подтверждают наличие у диодов Ганна СВЧ-проводимости на гармониках, уровень которой достаточен для разработки твердотельных генераторов в диапазонах, являющихся гармоническими по отношению к рабо-
чему диапазону диода. Это обстоятельство, в свою очередь, решает проблему быстрого освоения диапазона КВЧ, активная элементная база для которого еще не разработана.
Библиографический список
Левинштейн М. Е., Пожела Ю. К., Шур М. С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио, 1975. 326 с. Yu. I. Alekseev
Taganrog state university of radio engineering
SHF generators on harmonics of gann diodes conductance
The comparison of oscillation expedients of UHF oscillations on harmonics of Gunn diodes negative conductance is conducted. The results obtained at examination of models of different design generators are discussed.
Gunn diode, negative conductance, generation at harmonics, SHF generator
Статья поступила в редакцию 25 марта 2004 г.
