Стабилизация частоты генераторов на диодах Ганна миллиметрового диапазона длин волн Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

Электроника СВЧ

УДК 621.382.2

В. В. Попов

ОАО "Светлана" (Санкт-Петербург)

I Стабилизация частоты генераторов на диодах Ганна миллиметрового диапазона длин волн

Рассмотрены факторы, определяющие стабильность частоты генераторов на диодах Ганна миллиметрового диапазона длин волн. Предложены решения, позволяющие существенно улучшить значение этого параметра. Приведенные результаты численного анализа и экспериментальных исследований разработанных генераторов на диодах Ганна демонстрируют высокую стабильность частоты генерации.

Генераторы СВЧ, полупроводниковые диоды, диоды Ганна, резонаторы СВЧ, стабилизация частоты генераторов

Генераторы на диодах Ганна (ГДГ) являются недорогими и сравнительно эффективными маломощными источниками СВЧ-энергии. К достоинствам этих генераторов относятся большая импульсная мощность, низкий уровень фазового шума, высокая надежность и широкий диапазон рабочих частот, охватывающий сантиметровую и миллиметровую области длин волн. В последнее время интерес к данным устройствам повышается, поскольку применение новых материалов (таких, как нитрид галлия) позволяет существенно увеличить максимальную частоту генерации и выходную мощность этих приборов.

Одними из проблем, с которыми сталкиваются разработчики ГДГ, являются недостаточная стабильность их частоты и возможность так называемых перескоков частоты при повторных включениях генератора и/или изменении его параметров (напряжения питания, температуры, нагрузки и т. п.). Особенно ярко эти нестабильности проявляются в миллиметровом диапазоне длин волн вследствие увеличения влияния таких дестабилизирующих факторов, как неоднородность легирования активной зоны диода, уплотнения спектра колебаний резонатора и самого диода, возникновения паразитных колебательных цепей. В настоящей статье рассматриваются факторы, определяющие частоту генерации системы "диод Ганна (ДГ) - колебательная цепь", предлагаются меры по увеличению стабильности частоты и исключению перескоков частоты генерации, а также приводятся результаты экспериментального исследования разработанных ГДГ в различных режимах.

ГДГ состоит из двух основных узлов - самого диода и колебательной цепи. Проектирование каждого из них должно производиться, исходя из рабочего диапазона частот прибора, выходной мощности и стабильности частоты. Как правило, при проектировании генераторов пользуются методом эквивалентных схем, поскольку непосредственное решение самосогласованной задачи расчета электромагнитного поля и движения носителей заряда в диоде оказывается слишком сложным.

© Попов В. В., 2009

67

Приближенная эквивалентная схема ДГ, работающего в доменном режиме, показана на рис. 1, а [1]. Она включает емкость Ск, индуктивность Lк и сопротивление Кк корпуса и контактов диода, сопротивление Ко и емкость Со области слабого поля и отрицательное сопротивление —Кд и емкость Сд домена сильного поля. Для определения резонансной частоты ДГ удобно представить эту схему в виде, показанном на рис. 1, б. На последней схеме

Рис. 1

= К + iX1 =

Ко

1 + ш2Со Ко

- гш

Со Ко

1+ш2С(2 К2

- полное сопротивление части диода, находящейся в слабом поле;

7 2 = — Кт + /Хт = —

К

\2

2

- + гш-

Сд Кд

1 + ш2Сд2 1 + ш2Сд2 К2

(2)

- полное сопротивление домена сильного поля.

Полная проводимость диода в соответствии с эквивалентной схемой рис. 1, б определяется выражением

Y = G + /В = гшСк + - 1

-. (3)

Кк + гшLк + + 72

На резонансной частоте диода шо реактивная составляющая его полной проводимости равна нулю. Подставив в формулу (3) выражения (1) и (2), после ряда преобразований получим уравнение относительно резонансной частоты:

шо^ + Х1 (шо ) + Х2 (шо )

шоСк —

= о.

[+ (шо ) — К2 (шо )] + [шоLк + Х1 (шо ) + Х2 К )]

(4)

На резонансной частоте должно выполняться условие самовозбуждения G (шо ) - о, откуда следует, что Кк + К (шо) — К2 (шо) - о, или с использованием в предельном случае знака равенства

Ко

Кд

т;—~—;т = Кк +

2^2 г>2 к

1 + ш2Со2Ко2 '

(5)

1+шосд кд

Полученное соотношение позволяет оценить минимальное значение отрицательного сопротивления домена на резонансной частоте. Совместное решение уравнений (4) и (5) позволяет определить резонансную частоту и минимально возможное значение отрица-

I

к

б

а

2

тельного сопротивления домена для заданных параметров диода и корпуса. Резонансная частота диода должна быть выше максимальной рабочей частоты, на которой должен работать генератор.

Поскольку совместное решение уравнений (4) и (5) представляет значительные трудности, была исследована зависимость R

Rд

Ом 5.5 5.0 4.5 4.0 3.5 3.0 2.5

_1_

30

40

50 Рис. 2

60

/0, ГГц

д от частоты генерации для типичных значений остальных параметров диода (рис. 2). Как видно из рисунка, в широком диапазоне частот сопротивление домена изменяется в пределах от - 3 до - 6 Ом. Поэтому резонансную частоту ДГ можно рассчитывать с помощью уравнения (4), положив сопротивление домена Rд постоянным.

На рис. 3, а приведены зависимости резонансной частоты ДГ от индуктивности корпуса для различных значений его емкости. Остальные параметры диода: Rк = 0.5 Ом, Ro = 8 Ом, Со = 0.5 пФ , Сд = 0.1 пФ, Rд = 5 Ом . Как следует из кривых, параметры корпуса сильно

влияют на резонансную частоту диода, причем для генераторов, работающих в диапазоне 35 ГГц, емкость корпуса не должна превышать 0.2 пФ, а его индуктивность - 0.1 нГн.

Другие параметры эквивалентной схемы влияют на резонансную частоту значительно слабее. Так, при изменении емкости домена от 0 до 1 пФ резонансная частота изменяется не более чем на 5% от среднего значения (рис. 3, б). Таким образом, при разработке ДГ миллиметрового диапазона особое внимание необходимо уделять снижению емкости и индуктивности корпуса.

Конструкция диода показана на рис. 4. На металлическом держателе 1 квадратного

2

сечения с размерами 0.4 х 0.4 мм смонтирована подложка 3 толщиной 60 мкм с четырьмя мезоструктурами 2. Для снижения температуры активной области используется обратный монтаж. Крышка корпуса 4 устанавливается на керамической втулке 5 и приваривается к подложке 3. Такая конструкция позволяет снизить индуктивность корпуса до 0.3 нГн, а его емкость - до 0.2 пФ.

В генераторе ДГ размещен в объемном резонаторе, определяющем частоту генерации. В миллиметровом диапазоне длин резонатор выполняется, как правило, в виде отрезка прямо-

0.05

0.1

0.15 а

0.2

Lк, нГн

/0, ГГц 40 35 30 25 20

15 10

Рис. 3

0.2

Ьк = 0.1 нГн

0.3

0.9

0.4 0.6 0.8 Сд, пФ

0

б

ч ч

X ^ччччч X

X X 3 X 5

X 2 X

С

—К

Кр

¿р

1Со _1Ср

Сд

¿дф

-о

-О

Рис. 4

Рис. 5

угольного волновода, закороченного с одной стороны и нагруженного на регулярный волновод с другой. Связь резонатора с волноводом осуществляется через индуктивную диафрагму. Эквивалентная схема ГДГ показана на рис. 5 [2]. Элементы Ск, Кк, Lк, Ко, Со, Кд,

Сд характеризуют диод; Кр, Ь^, Ср - эквивалентные сопротивление потерь, индуктивность и емкость резонатора соответственно; ¿дф - индуктивность диафрагмы; Zн - сопротивление нагрузки (волновое сопротивление волновода, пересчитанное в резонатор). Компьютерный анализ этой схемы позволил сделать следующие выводы:

1. При малой добротности резонатора напряжение на диоде недостаточно для управления доменом, поэтому частота генерации слабо зависит от настройки резонатора.

2. По мере увеличения добротности резонатора его влияние на режим формирования домена увеличивается и частота генерации в пределе совпадает с собственной частотой резонатора.

На основании этих выводов в качестве основного способа улучшения стабильности частоты ГДГ использовалось увеличение добротности резонатора [3]. При прочих равных условиях добротность объемного резонатора растет с увеличением его объема, который пропорционален длине резонатора I. Так как I« Хр /2, где Хр - длина волны в отрезке

волновода, образующем резонатор, необходимо увеличивать длину волны в волноводе,

что достигается увеличением отношения Х/Хкр , где Хкр - критическая длина волны.

На рис. 6 показана экспериментальная зависимость нагруженной добротности резонатора от отношения Х/Хкр . Как видно из

рисунка, при изменении этого отношения от о.7 до о.9 добротность увеличивается почти в 1о раз.

б 4оо зоо 2оо 1оо о

7о

о.7

о.75

о.8

Рис. 6

о.85

Х/Х-

кр

1

В таблице приведены результаты измерений относительного ухода частоты Д///0 (fo - номинальная частота генерации) для ГДГ, имеющих резонаторы с различным отношением Д^/^кр . Измерялись

уходы частоты при изменении напряжения питания Su =(A//fo )/Дип, при изменении КСВН нагрузки в пределах 1...1.5 - Skcbh, относительный температурный коэффициент частоты ТКЧ, в также время установления стабильной частоты после включения генератора т.

Наиболее существенным дестабилизирующим фактором для всех генераторов оказалось изменение КСВ нагрузки. Однако, учитывая, что ГДГ используются в основном в качестве генераторов с фиксированной нагрузкой (например, в качестве гетеродинов), этот фактор можно не учитывать. Также можно не учитывать изменение напряжения питания, поскольку оно, как правило, стабилизировано. Стабильность частоты ГДГ с резонаторами высокой добротности > 0.9) по отношению к остальным дестабилизирующим фак-

торам не хуже 5 • 10-5, что для генераторов рассматриваемых типа и частотного диапазона является очень хорошим показателем.

Библиографический список

1. Левинштейн М. Е., Пожела Ю. К., Шур М. С. Эффект Ганна. М.: Сов. радио. 1975. 288 с.

2. Егунов М. С., Воторопин С. Д. Перестраиваемый генератор на диоде Ганна 5-мм диапазона // СВЧ техника и телекоммуникационные технологии: мат-лы 18-й Междунар. крымск. конф., Севастополь, 8-12 сент. 2008. Т. 1. Севастополь: Вебер, 2008. С. 89-91.

3. Фомин Н. В. Синхронизация частоты диодных генераторов. М.: Связь, 1974. 243 с.

V. V. Popov

JSC "Svetlana" (Saint-Petersburg)

Frequency stabilization of the Gunn diode millimeter waveband generators

Factors determining frequency stability of the Gunn diode millimeter waveband generators are considered. Solutions making possible to significantly improve frequency stability are proposed. Results of numerical analysis and experimental researches of the developed Gunn diode generators, showing good frequency stabilization results are presented.

Microwave generators, semiconductor diodes, Gunn diodes, microwave resonators, generator frequency stabilization

Статья поступила в редакцию 3 декабря 2008 г.

^кр Su , В"1 %СВН ТКЧ, ...о_1 т, мин

0.75 3 -10"3 9 -10"3 -1.8-10"4 26

0.91 5 -10"4 1.6-10"3 -5.6 •Ю-6 6

0.93 1.8-10"4 8 •Ю"4 -2.1 •Ю-5 2