CC BY
79
УДК 614.89:537.868
Н. П. КУНДЕНКО, канд. техн. наук
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства (ХНТУСХ) им. П. Василенко, г. Харьков
РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЯ ГЕНЕРАТОРОВ НА ЛАВИННОПРОЛЁТНЫХ ДИОДАХ И ДИОДАХ ГАННА
Проведены экспериментальные исследования спектральных и энергетических характеристик генераторов на лавинно- пролётных диодах и диодах Ганна стабилизированного полудисковым лейкосапфировым резонатором для работы в установке по измерению акустических колебаний.
Проведені експериментальні дослідження спектральних і енергетичних характеристик генераторів на лавинно- пролітних діодах і діодах Ганна стабілізованого напівдисковим лейкосапфировым резонатором для роботи в установці по виміру акустичних коливань.
Постановка проблемы
Определение электрофизических параметров сред является одним из важных направлений современной радиофизики, радиотехники, медицины, биологии и других отраслей науки и промышленности. Создание приборов, работающих в СВЧ и КВЧ-диапазонах, способных определять, контролировать и по данным наблюдений автоматически принимать решения относительно состояния физического объекта или окружающей среды, является основной тенденцией современного приборостроения. Это связано и с разработкой новых методов определения диэлектрической проницаемости (ДП) микрообъектов животноводства. К настоящему времени отсутствуют результаты исследований по созданию генераторов на основе ДР в коротковолновой части (КВЧ) мм диапазона, где частотные и энергетические характеристики активных элементов приближаются к предельным величинам.
Анализ предшествующих исследований
Для измерения ДП наиболее точными являются резонансные методы с использованием объёмных, открытых и диэлектрических резонаторов [1]. Теоретические основы методов измерений значений ДП с использованием резонаторов отображены в работах [2, 3]. Экспериментальные измерения ДП веществ с малыми и большими потерями с применением резонансного метода приведены в работах [2]. Резонансный метод измерения ДП основан на измерении смещения частоты генератора при внесении в объём измерительного резонатора исследуемого объекта. Проведенный анализ работ показал, что точность измерений ДП зависит от стабильности частоты генератора и добротности измерительного резонатора. В настоящее время разработаны различные методы и схемы построения высокостабильных диодных генераторов (диоды Ганна - ДГ, лавинно-пролётные диоды - ЛПД), основанные на применении параметрической стабилизации частоты высокодобротными резонаторами, на умножении частоты высокостабильных кварцевых генераторов, на использовании внешней синхронизации, на применении систем автоподстройки частоты и фазы[4, 5]. Выбор того или иного метода стабилизации частоты генератора зависит от требований, предъявляемых к измерительной системе, таких как средняя частота, кратковременная и долговременная нестабильность частоты, вид активного элемента автогенератора, спектральная плотность мощности фазовых шумов, диапазон перестройки, уровень выходной мощности сигнала, габариты и вес.
Цель статьи. Экспериментальные исследования спектральных и энергетических характеристик генераторов на лавинно- пролётных диодах и диодах Ганна стабилизированного полудисковым лейкосапфировым резонатором.
Основная часть.
Исследования проводились на иолудисковом ДР из лейкосапфира производства НТК (Институт монокристаллов НАН Украины). Резонатор имел следующие геометрические размеры: диаметр Э = 20 мм, толщину Ь = 2мм. Отклонение геометрической оси от кристаллографической (оптической) оси составило пять угловых минут. Диэлектрические проницаемости и тангенс угла потерь: £^= 9.4; £а = 11.54; 1аи£ = 5-10“5. Собственная
добротность резонатора Q0r = 2 х 104 .
Конструктивная схема генератора на ЛПД со стабилизирующим полудисковым диэлектрическим резонатором на волне Нтп1 приведена нарис.1, а общий вид на рис. 2.
v Pout
Рис. 1. Конструктивная схема генератора на ЛПД
Рис. 2. Общий вид генератора
Полудисковый резонатор 1 устанавливался на металлическом зеркале 2. Полупроводниковые диоды размещаются в области падения волны «шепчущей галереи» на зеркало, которое может быть радиатором для охлаждения генераторного диода. В исследуемом генераторе корпусированный ЛПД 3 типа 2А 757 А помещался в центре широкой стенки прямоугольного волновода 4 сечением 3,6 х 1,8 мм, открытый конец которого на металлическом зеркале резонатора образовывал суженную щель связи 5 с размерами 3,6 х 0,1 мм. Механическая перестройка частоты ГЛПД осуществлялась перемещением полудискового резонатора 1 относительно щели связи 5. Электрическая длина линии между щелью связи и ЛПД регулируется стержнем из сапфира 6, вводимого в
полость резонатора генератора. Для получения максимальной мощности в нагрузке используется согласующее устройства 7. Электрическая перестройка частоты генератора осуществлялась варакторным диодом 8 типа ЗА 639 В, который располагался в центре широкой стенки прямоугольного волновода 9 сечением 3,6 х 1,8мм, открытый конец которого на металлическом зеркале резонатора образовывал зауженную щель связи 10 с размерами 3,6 х 0,1 мм симметрично щели 5 относительно центра зеркала полудискового резонатора. Щели 5 и10 располагались на расстоянии 8.5 мм от центра полудиска параллельно его радиусу. Варактор помещался на расстоянии 1г от резонатора, а на
расстоянии 1р от варактора помещен короткозамыкающий поршень 11. Ток питания на ЛПД
/0 и напряжение питания иь на варактор подавались с использованием поперечной
неоднородности в виде индуктивных штырей 12,13, расположенных в коаксиальных линиях. Питание на ЛПД отдается от источника стабилизированного тока.
Источником колебаний служит клистронный генератор согласованный с СВЧ трактом при помощи вентилей аттенюатора. Сигнал с генератора пилообразного напряжения одновременно поступает на отражатель клистрона и осциллограф (ИП) С1-54. Модулированные по частоте радиоимпульсы через ферритовые вентили, аттенюатор, циркулятор, измерительную линию в стабилизирующий резонатор (СР). Отражённый от СР сигнал через измерительнкю линию и циркулятор проходит в схему, состоящую из анализатора спектра (АС) С4-27, детектора, и измерительного моста. Если резонатор настроен в резонанс, то на экране осциллографа возникает всплеск, повторяющий форму резонансной кривой СР. Определяя частоту сигнала с помощью волномера и ширину резонансной кривой на уровне половинной мощности, вычисляем величину добротности СР как отношение
Абсолютная погрешность измерения добротности не превышает 5-10 %. Коэффициент связи определялся по измеренной величине КСВН и по резонансной кривой на осциллографе.
Эффективность связи резонатора с линией передачи характеризуется коэффициентом связи Р, определяемым через собственную добротность Q0 резонатора и нагруженную добротность соотношением
Qo - 0, (1+ Ю (2)
СР возбуждался посредством щели связи 5. Щелью связи в полудисковом ДР возбуждались НЕтп1 колебания в полосе частот 69-77 ГГц.
В диапазоне от 69 до 77 ГГц спектр вынужденных колебаний ДР прорежен и в нём содержатся в основном высокодобротные НЕп11 колебания.
Поскольку до настоящего времени отсутствуют точные методы расчёта полудискового ДР особое внимание уделялось идентификации типов колебаний по результатам анализа распределения полей вблизи резонатора. В результате эксперимента регистрировались азимутальный индекс п колебания (количество полуволн, укладывающихся по периферии полудискового КДР), резонансная частота, уровень связи с внешними СВЧ-трактами, ширина резонансной характеристики по уровню половинной мощности. Для точного определения добротности использовались калибрационные метки анализатора спектра. Экспериментально измеренная максимальная величина нагруженной добротности составила
0, - 7500 на частоте 74,2780 ГГц.
Типичной особенностью зависимости добротности резонатора от азимутального индекса 0 (п) является рост добротности, сменяющийся областью насыщения на более
высоких частотах. Граница между этими характерными областями соответствует п=28 Физическая причина этому является изменение доли радиационной добротности в общей добротности резонатора.
На рис. 3 представлены результаты исследования зависимостей резонансной частоты / (рис. 3а), коэффициента связи (5 щели с колебаниями в ДР (рис. 36) и нагруженной
добротности Ql (рис. 3в) от координаты х1 щели связи.
На рис. 3. видна четкая зависимость вынужденных колебаний и их возбуждения щелью связи в ДР от её положения по радиальной координате. Наибольшее возмущение резонансной частоты наблюдается при расположении щели связи, соответствующей наиболее эффективному возбуждению колебаний с наибольшим коэффициентом связи.
Рис. 3. Зависимости резонансной частоты, коэффициента связи и добротности от координаты щели связи
Очевидно, что наибольшая связь с полем колебаний достигается при расположении щели в области наибольшей интенсивности резонансного поля СР. Результаты эксперимента показали возможность механической перестройки частоты («1 %) стабилизированного генератора при перемещении щели связи вдоль радиальной координаты. В эксперименте наблюдались как режимы слабой связи (р < 1), так и сильной связи (р> 1). На графике добротности при р > 1 наблюдается минимум, что связано с высокими потерями энергии при рассеянии от краев щели.
Гармоники опорного смешивается с выходной частотой ГЛПД. Разностная частота после усиления поступает на прибор 47-42, на второй вход которого сигнал поступает от синтезатораЧ6-31. При равенстве исследуемых частот производится измерение нестабильности частоты. Чтобы произвести измерения во временной области синтезаторомЧ6-31,создаётся разностная частота, которая измеряется частотомеромЧ3-64. Измерение мощности на выходе генератора осуществляется ваттметромю Результаты экспериментальных исследований нестабильности частоты ГЛПД стабилизированного полудисковым резонатором приведены на рис. 4.
Долговременная нестабильность частоты генератора составила за 1с 10 13, а кратковременная за 10 3 с « 5 -10 8.
Выводы
На основании полученных результатов в установке для определения параметров акустических колебаний был создан генератор на диоде 2А757А с параметрами:
- выходная частота генератора 74,2780 ± 0,004 ГГц;
- выходная мощность генератора 50...60 МВт;
- диапазон перестройки частоты генератора 2 %;
подавление побочных гармоник выходног сигнала не меньше 40 дБ;
- долговременная нестабильность частоты генератора 5 • 10 13 за 1с;
Рис. 4. Нестабильность частоты генератора на частоте 74,278 ГГц
Список литературы
1. Вайнштейн Л. А. Бочкообразные открытые резонаторы / Л. А . Вайнштейн // Электроника больших мощностей. - М.: Наука, 1964. - Вып. 3. - С. 170-215.
2. Москалев И. Н. Применение открытых бочкообразных резонаторов для исследования плазмы / И. Н. Москалев, В. П. Петров, А. М. Стефановский // Журнал технической физики. -1970. - Т. 40, № 8. - С. 1692-1700.
3. Егоров В. Н. Резонансные методы исследования диэлектриков на СВЧ // Приборы и техника эксперимента. 2007. - № 2. - С. 5-38.
4. Ильченко М. Е., Взятышев В. Ф., Гасанов Л. Г. и др. Диэлектрические резонаторы. -М.: Радио и связь. 1989. - 328 с.
5. Вайнштейн Л. А. Открытые резонаторы и открытые волноводы. - М.: Сов. Радио, 1966. -475 с.
DEVELOPMENT AND RESEARCHES OF GENERATORS ON AVALANCHE-FLIGHT DIODES AND BULK NEGATIVE CONDUCTIVITY DIODES
N. P. KUNDENKO. Cand. Tech. Scie.
Experimental studies of spectral and power descriptions of generators are undertaken on avalanche- flight diodes and bulk negative conductivity diodes steady-state a semidisk лейкосапфировым resonator for work in setting on measuring of acoustic vibrations
Поступила в редакцию 21.05 2012 г.
