CC BY
19Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2003. Вып. 1======================================
Электроника СВЧ
УДК 621.396.67
Ю. И. Алексеев, Е. С. Загура
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Исследование генераторных диодов Ганна миллиметрового диапазона в режиме усиления
Обсуждаются результаты исследования возможности применения генераторных диодов Ганна при разработке усилителей СВЧ.
Диод Ганна, СВЧ, усиление
Известно [1], [2], что усилитель СВЧ-колебаний может быть создан на основе любого диода, обладающего отрицательной проводимостью в необходимом частотном диапазоне. Это в равной степени относится к лавинно-пролетным, инжекционно-пролетным диодам и диодам Ганна. В твердотельных усилителях более перспективным считаются последние, которые при прочих равных технических возможностях упомянутых диодов позволяют реализовать усилитель с относительно низким коэффициентом шума.
Следует отметить, что отечественной промышленностью выпускаются только генераторные диоды Ганна, что создает определенные трудности при разработках широкополосных усилителей, поскольку в генераторных диодах не подвергаются жесткому контролю паразитные параметры эквивалентной схемы диода, уровень которых играет существенную роль при создании широкополосных усилительных устройств. Кроме того, разброс величин паразитных параметров от образца к образцу в генераторных диодах также не ограничивается. В этой связи целями настоящей статьи являются исследование усилительных свойств серийных генераторных диодов Ганна и выработка рекомендаций по их применению при разработках твердотельных усилителей. Для исследования выбраны диоды, рабочий диапазон которых в настоящее время мало исследован в плане построения усилителей.
Для исследования принята схема усилителя отражательного типа (как наиболее распространенная) на основе циркулятора ФЦВ1-9. В конструктивном отношении усилительная камера представляет собой устройство, выполненное на волноводном канале
7.2х3.4 мм . К месту включения диода в камеру высота волновода плавным переходом уменьшена до 1 мм для согласования проводимости диода с колебательной системой усилителя. В этом переходе по широкой стенке волновода включены три штыря на расстоянии друг от друга приблизительно в четверть длины волны, плавным погружением которых в волноводный канал компенсируется реактивная составляющая проводимости диода
82
© Ю. И. Алексеев, Е. С. Загура, 2003
= Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2003. Вып. 1
в диапазоне частот усиливаемых сигналов. Диод захвачен специальными держателями, предусматривающими возможность вертикального перемещения его в камере, что позволяет менять коэффициент включения диода в колебательную систему и таким образом влиять на амплитудно-частотную характеристику усилителя. В одном из держателей встроена схема питания диода в виде фильтра нижних частот. Короткозамкнутая часть усилительной камеры предусматривает изменение ее длины перемещением короткозамы-кающего волноводного поршня.
Исследованию подвергались корпусные диоды Ганна типа АА718Д, рабочий диапазон частот которых, согласно техническим условиям, составляет 26... 32.2 ГГц. В зависимости от степени согласования диода с колебательной системой возможно получение узкополосного усиления в принципе на любой из частот упомянутого диапазона.
K, дБ
12
10
8
6
4
2 0
Рвх = 10 мкВт
K, дБ
8
6
4
2 0
Unwr — 3.82 В
27.3 27.4
27.5 27.6 Рис. 1
27.7 f ГГц 27.3 27.4
27.5 27.6 Рис. 2
27.7 f ГГц
На рис. 1 показана амплитудно-частотная характеристика исследуемой усилительной камеры, геометрия резонатора которой позволила получить широкополосный усилитель с параметрами, приемлемыми при разработках активных СВЧ-трактов. Из рис. 1 видно, что исследуемый усилитель в малосигнальном режиме (входной сигнал 10 мкВт) обеспечивал устойчивое усиление 10 дБ в полосе частот 27.45...27.65 ГГц и усиление 5 дБ в полосе частот 24.35...27.80 ГГц . Максимальное усиление составило 14 дБ на частоте 27.5 ГГц. При повышении входного сигнала до уровня 1 мВт общее усиление падало примерно на 5 дБ на частотах упомянутого диапазона, т. е. реализовывалось устойчивое усиление в нелинейном режиме работы активного элемента. В соответствии с упомянутой ранее конструкцией усилительной камеры амплитудно-частотная характеристика (см. рис. 1) подвергалась незначительной коррекции во всем диапазоне частот в пределах ± 1... 2 дБ с помощью описанных здесь органов регулировки. Кроме того, усилительные свойства исследуемой волноводной камеры достаточно хорошо управлялись со стороны питающего диод напряжения, что нетрудно наблюдать по амплитудно-частотным характеристикам рис. 2, где изменение усиления в зависимости от напряжения питания объясняется изменением активной составляющей отрицательной проводимости диода, ответственной за усиление, а некоторое понижение коэффициента усиления - увеличением сте-
Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2003. Вып. 1======================================
пени рассогласования между проводимостью усилительной камеры и изменяющейся проводимостью диода.
Нелинейные свойства исследуемого усилителя в режиме усиления малого сигнала представлены амплитудными и динамическими характеристиками (рис. 3) для центральной (27.53 ГГц) и двух крайних (27.44 и 27.53 ГГц) частот рабочего диапазона. Из графиков видно, что верхний предел линейного участка усилителя (по уровню входного сигнала, соответствующего падению усиления на 3 дБ) составляет примерно 1 мВт. В диапазоне входных сигналов 1...10 мВт происходит достаточно резкое падение коэффициента усиления, и этот участок входных сигналов относится к участку нелинейного усиления. Окончательное падение усиления с переходом в ослабление происходит в диапазоне входных сигналов 10...50 мВт, который принято считать участком насыщения усилителя. Следует заметить, что упомянутые здесь цифры, характеризующие нелинейные свойства исследуемого усилителя, находятся в хорошем соответствии с исследованиями энергетических свойств диодов Ганна, подтверждающими, что начало области насыщения амплитудной характеристики приблизительно соответствует уровню выходной мощности генератора, построенного на этом диоде [1], [2] (для генераторного диода Ганна АА718Д уровень выходной мощности в режиме генерации находится как раз в пределах 10...50 мВт . Динамические характеристики (рис. 3) - "мягкого" типа и имеют весьма слабый частотный разброс).
В процессе исследований измерен коэффициент шума усилителя, имеющего амплитудно-частотную характеристику, представленную на рис. 1 для малосигнального режима. В диапазоне питающих напряжений 2.75... 3.85 В коэффициент шума усилителя находился в пределах 17... 19 дБ. Это позволило с учетом представленной амплитудной характеристики определить динамический диапазон входных сигналов исследуемого усилителя, соответствующий линейному усилению, который составил 50 дБ, что также находится в хорошем соответствии с опубликованными в этой области практическими материалами [1], [2].
В порядке общей оценки полученных результатов следует отметить, что разработки СВЧ-усилителей, несмотря на отсутствие специальных усилительных диодов Ганна, можно проводить на основе генераторных диодов, подтверждением чего являются представленные весьма удовлетворительные результаты. Коэффициент усиления - хорошоуправ-ляемый параметр, и его значение зависит от степени согласования проводимостей диода и резонансной камеры усилителя. Однако следует подчеркнуть, что в усилителях отражательного типа коэффициент усиления ограничивается не свойствами диода и камеры, а
Рис. 3
===================================== Известия вузов России. Радиоэлектроника. 2003. Вып. 1
величиной развязки между соседними плечами циркулятора, которая для создания устойчивого усиления обычно должна превышать коэффициент усиления примерно на 5 дБ и более, что в настоящей работе строго соблюдалось.
По совокупности представленных здесь параметров можно утверждать, что исследуемый усилитель относится к классу промежуточных усилителей мощности СВЧ, предшествующих при разработке передатчиков каскадам выходных усилителей.
Библиографический список
1. Давыдова Н. С., Данюшевский Ю. З. Диодные генераторы и усилители СВЧ. М.: Радио и связь, 1986. 108 с.
2. Кэррол Дж. СВЧ генераторы на горячих электронах. М.: Мир, 1972. 350 с.
Y. I. Alexyev, E. S. Zagura
Taganrog state university of radio engineering
Observe the Generator of Gunn Diodes in Millimetric Range in Amplifying Regime
The opportunity of application of generating Gunn diode is observed by development of amplifiers VHF.
Gunn diod, UHF, amplify
Статья поступила в редакцию 25 декабря 2002 г.
