CC BY
9▼
Электроника СВЧ
УДК 621.396.67
Ю. И. Алексеев, И. В. Малиёв
Таганрогский государственный радиотехнический университет
Усиление СВЧ-колебаний с использованием отрицательной гармониковой СВЧ-проводимости диодов Ганна
Приводятся амплитудно-частотные и динамические характеристики СВЧ-уси-лителей на гармониковой СВЧ-проводимости диодов Ганна. Обсуждаются полученные результаты.
СВЧ-Усилитель, гармониковая проводимость, амплитудно-частотная характеристика, динамическая характеристика
Наличие отрицательной гармониковой СВЧ-проводимости у диодов Ганна позволяет проводить разработку активной элементной базы радиопередающих устройств в тех участках СВЧ-диапазона, в которых по каким-либо причинам отсутствуют необходимые активные элементы (диоды Ганна, лавинно-пролетные диоды). В работе [см. лит.] достаточно убедительно показана возможность эффективной генерации СВЧ-колебаний в двух- и односантиметровом диапазонах на основе диода Ганна трехсантиметрового диапазона длин волн. При этом выходная мощность генератора имела уровни, достаточные для применения таких генераторов в качестве задающих каскадов СВЧ-передатчиков либо в качестве гетеродинов радиоприемных устройств.
В продолжение затронутой в [см. лит.] темы в настоящей статье исследуется возможность усиления СВЧ-колебаний также на основе гармониковой проводимости диодов Ганна.
Эксперимент по исследованию усилительных свойств серийных диодов Ганна в диапазонах, являющихся гармоническими относительно их рабочих диапазонов, проводился на одной из генераторных камер, описанных в [см. лит.]. Применение генераторных камер в режимах усиления без каких-либо их конструктивных изменений обосновывается следующим образом. Из теории колебаний известно, что процессы усиления и генерации регулируются соотношениями между колебательной Од = / (р\)
74 © Ю. И. Алексеев, И. В. Малиёв, 2006
Он —
а
Рис. 1
и нагрузочной Gн характеристиками исследуемой колебательной системы (0д - отрицательная проводимость диода Ганна - в данном случая гармониковая; Gн - нагрузка усилителя (генератора); Щ - амплитуда СВЧ-напряжения на диоде). При разработке усилителей (генераторов) на основе твердотельных приборов в ее основе всегда лежит колебательная характеристика (рис. 1). При показанной на рисунке колебательной характеристике "мягкого" типа нагрузка Gнl приведет к возникновению генерации с амплитудой , в то время как нагрузка 0н2 реализует режим регенеративного усиления, что и позволяет проводить экспериментальное исследование усилительных свойств диодов в генераторной камере и получать устойчивое усиление в той полосе частот, в которой реализуется фазовый баланс. В устройствах СВЧ изменение проводимости нагрузки Gн для конкретной усилительной (генераторной)
камеры невозможно, в связи с чем необходимое соотношение между 0д и Gн устанавливается, как правило, за счет изменения режима питания диода, приводящего как к количественному, так и к качественному изменениям колебательной характеристики Gд = / (Щ ) при неизменной Gн и достижению таким образом режима усиления.
При исследовании усилительных свойств на гармониковой проводимости был принят один из вариантов конструкции СВЧ-камеры, предложенный в [см. лит.] (рис. 2), позволяющий закорачиванием его выхода волноводными фланцами, запредельными для основной гармоники, получать возможность настройки камеры в режиме усиления на частотах второй гармоники проводимости диода. Устойчивость режима усиления обеспечивалась применением циркулятора (усилительная схема "на отражение").
При измерении амплитудно-частотных и амплитудных характеристик применялась полуавтоматическая измерительная установка типа Р2-66.
На рис. 3 показаны экспериментальные зависимости, подтверждающие возможность усиления СВЧ-колебаний на гармониковой проводимости диодов Ганна. Эксперимент проводился с тремя типами серийных диодов, и для каждого из них получен положительный результат1.
Усилительная камера с диодом повышенной выходной мощности 3А715Ж показала наилучшие результаты, в частности в диапазоне частот второй гармоники получено усиление до 10 дБ в полосе частот около 200 МГц (по уровню усиления минус 3 дБ). Как видно из графиков рис. 3, а усилительные свойства исследуемого диода в рис. 2
1 Цифрами 1-3 на рис. 3 обозначены зависимости для различных режимов работы диодов.
Ку, дБ
Р = 4-.41. ВВ и = 4.24 В;
Рвх = 3.1 мВ^г / ч рвх = 2.2 мВт
1 ^ у \
\ ч
Ку, дБ
7.5
19.2 19.4
19.6
19.8 /, ГГц
4.5
1.5
\
\
\
10 Рвх, мВт
Ку, дБ
1
и = 7.02 В; к:
1
Рвх = 4.5 мВт
и = 6.74 В; Рвх = 5.4 мВт
Ку, дБ
6.5
У
/ /у 3
/ /у и = 7.67 В; // Рвх = 4.5 мВт
_I_I_
_1_
17.76 17.82 17.88 17.94 /, ГГц
5.0
3.5
Ку, дБ
3.4 2.6
1.8 1.0
Ку, дБ
17.81 17.87 17.93 17.99 /, ГГц
2.8
1.9
1.0
/
\
/
\
/
/
/
_1_
3
и = 4.59 В;
Рвх = 3.8 мВт
_I_
ч
ч
\
21.89 21.93 21.97 22.01 / , ГГц
Ку, дБ
3 -
/
ч
\
. !
2 |- / и = 3.94 В; 1
/ Рвх = 3.1 мВт \
/ Ч
1 V._I_I_I_ч
19.48 19.51 19.54 19.57 / , ГГц
Ку, дБ
Рвх , мВт
в
Рис. 3
какой-то мере определяются напряжением питания и , от которого зависит частотная зависимость отрицательной активной составляющей гармониковой проводимости, напрямую влияющая на значение и на частотную зависимость коэффициента усиления Ку. Однако
влияние и - слабое, а перестройка усилителя по частоте - незначительная. Амплитудные
2
1
2
5
а
5
3
б
4
3
2
1
2
3
свойства усилителя на диоде 3А715Ж представлены зависимостями коэффициента усиления Kу от уровня мощности входного сигнала PBX (динамическими характеристиками). В
обозначенном на графике диапазоне изменений мощности PBX коэффициент усиления при
ее увеличении монотонно спадает, а поскольку Ky однозначно отслеживает амплитудные
свойства проводимости диода, то можно утверждать, что активная составляющая гармони-ковой проводимости исследуемого диода имеет амплитудную зависимость "мягкого" типа.
Аналогичным образом ведет себя диод 3А703Б (рис. 3, б): при исследовании его усилительных свойств в камере (см. рис. 2) усиление проявлялось в весьма узком частотном диапазоне, мало изменяющемся при вариациях напряжения питания. Следует заметить, что усилительные свойства диод 3А703Б проявлял при значениях напряжения питания, близких к режиму генерации.
Наибольший технический интерес представляют результаты, полученные в усилительной камере с диодом 3А723А (рис. 3, в), прежде всего возможность широкой частотной перестройки: при изменении напряжения питания от 3.9 до 5.5 В диод проявлял усилительные свойства в диапазоне частот 17.8...22 ГГц, что свидетельствует о наличии широкодиапазонной гармониковой отрицательной активной проводимости на второй гармонике основного рабочего диапазона диода. Динамическая характеристика, представленная зависимостью Ky = f (PBX), также "мягкого" типа.
Усилительные свойства диодов 3А715Ж, 3А703Б, 3А723А на их гармониковой проводимости измерялись при уровнях мощности входных сигналов, соответствующих 3.5 мВт, которые для таких диодов Ганна нельзя считать малыми сигналами, что, безусловно, отразилось на значениях измеренных коэффициентов усиления. Как видно из рис. 3, представленные коэффициенты усиления низки. Таким образом, при разработке усилителей следует ожидать значения малосигнальных коэффициентов усиления в диапазоне 12.15 дБ при оптимальном согласовании проводимостей усиливающего диода и резонансной камеры. Для рассматриваемых диодов Ганна малым уровнем мощности входного сигнала считается PBX < 1 мВт .
В заключение также отметим, что экспериментальные результаты, представленные в настоящей статье, позволяют надеяться на возможность разработки СВЧ-усилителей в миллиметровом диапазоне на основе диодов, предназначенных для работы в сантиметровом диапазоне.
Библиографический список
Алексеев Ю. И. Генераторы СВЧ на гармониках проводимости диодов Ганна // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2005. Вып. 3. С. 72-76.
Yu. I. Alekseev, I. V. Maliev
Taganrog state university of radio engineering
Amplification of VHF oscillation by negative harmonics VHF-conductance of Gunn diodes
Gain-frequency and dynamic characteristics of VHF-amplifiers based on harmonics VHF-conductance of Gunn diodes are presented. The receiving results are discussed.
VHF amplifier, harmonic conductance, gain-frequency characteristic, dynamic characteristic
Статья поступила в редакцию 28 апреля 2005 г.
