Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение режима их работы по постоянному току, что можно понимать как проявление эффекта детектирования. В случае, если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора наблюдается эффект автодинного детектирования.

Важной областью применения автодинов является контроль параметров материалов, используемых в радиотехнике и микроэлектронике. Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости, проводимости.

Однако, прежде чем создавать конкретный прибор на основе данного эффекта, необходимо промоделировать его работу. Для этого необходимо рассмотреть принципы действия таких устройств.

Одним из методов, позволяющих провести расчёт величины эффекта автодинного детектирования при реальных параметрах активного элемента и нагрузки, определить области значений контролируемых параметров материалов, в которых чувствительность автодина к их изменению максимальна, наметить пути оптимизации конструкции генератора, является метод, основанный на рассмотрении эквивалентной схемы СВЧ-генератора, в которой комплексная проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы.

Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для создания измерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их работы.

В данной работе проводилось математическое моделирование процессов, происходящих в многоконтурном автодине на диоде Ганна. Для этого была составлена эквивалентная схема автодина, которая приведена на Плакате 1 (сверху), элементы которой моделируют полупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединённых ёмкости С3 и активного нелинейного сопротивления, определяемого по ВАХ диода I(U), элементы корпуса диода L3 , C4 , СВЧ-резонатор в виде последовательного C2 , L2 и параллельного L1 , Y1 , C1 контуров, низкочастотную часть схемы, состоящую из последовательного  L7 , C6  и параллельного C7 , R5 , L6 контуров, дросселя L5 в цепи питания, шунтирующей ёмкости С5 и индуктивности связи L4 диода с НЧ-схемой.

Эквивалентная схема описывается системой из четырнадцати дифференциальных уравнений, составленных на основе законов Кирхгофа (Плакат 1 снизу).

Эта система нелинейна и решалась численно методом Рунге-Кутта. При расчёте использовалась типичная ВАХ диода Ганна с гистерезисом.

При решении системы учитывалась частотная зависимость СВЧ- нагрузки. По результатам решения системы вычислялись мощности сигналов и величины продетектированных сигналов в СВЧ- и НЧ-цепях на основе выражений, приведенных на Плакате 2 (сверху).

При расчёте величины продетектированного сигнала учитывались  гармонические составляющие СВЧ-сигнала, с частотами равными f0, 2f0 и 3f0. Мощность остальных гармоник составляла менее 1% мощности выходного сигнала СВЧ-генератора. Здесь f0-частота основной гармоники выходного сигнала. Результаты теоретического расчёта величин продетектированных сигналов DUfg и DUkg в СВЧ- и НЧ- цепях соответственно представлены на Плакате 2 (снизу).

Теоретический расчёт показал, что изменение положения короткозамыкающего поршня в СВЧ-тракте наряду с изменением мощности СВЧ-колебаний приводит к изменению амплитуды колебаний в низкочастотном контуре, что позволяет регистрировать наряду с сигналом автодетектирования в цепи питания по постоянному току сигнал внешнего детектирования как на  частотах СВЧ-диапазона, так и в низкочастотном диапазоне. Выяснено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на представленных зависимостях обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

Математическое моделирование процессов в генераторе на диоде Ганна позволило установить, что наблюдавшееся экспериментально существование областей значений входных сопротивлений СВЧ-нагрузки,

в которых их изменение вызывает изменение продетектированных в СВЧ- и НЧ-цепях сигналов одинакового знака, и областей, в которых изменения продетектированных сигналов имеют противоположные знаки, обусловлено наличием значительной реактивной составляющей СВЧ-тока в полупроводниковой структуре диода Ганна. В то же время отметим, что изменение реактивных элементов НЧ-контура более, чем на два порядка приводит лишь к незначительному (не более 5%) смещению границ этих областей.

Было проведено экспериментальное исследование зависимости величины продетектированного сигнала в автодинном генераторе на диоде Ганна, работающем в различных частотных диапазонах от положения СВЧ короткозамыкающего поршня. Использовался генератор волноводной конструкции с диодом, помещённым в разрыв металлического стержневого держателя. К цепи питания диода Ганна через разделительный конденсатор параллельно диоду был подключен низкочастотный контур. Частота СВЧ-колебаний составляла ~10 ГГц, частота низкочастотных колебаний ~10 МГц. Для детектирования низкочастотных колебаний использовался детекторный диод типа. Для контроля СВЧ-колебаний использовался измеритель мощности. Кроме того, в ходе экспериментальных исследований регистрировался постоянный ток, протекающий через диод Ганна, по падению напряжения на резисторе с сопротивлением порядка 1 Ом, включённом в цепь питания диода Ганна.

Схема экспериментальной установки приведена на Плакате 3 (сверху). Она включает в себя источник питания СВЧ-выключателя 1 для раздельного воздействия сигналами СВЧ и НЧ, источник питания диода Ганна 2, схему обработки информации и индикации 3, детекторный диод 4, разделительный конденсатор 5, СВЧ-выключатель 6, диод Ганна 7, конденсатор низкочастотного колебательного контура 8 и катушку индуктивности 9.

В результате экспериментальных исследований было обнаружено, что в режиме многочастотной генерации изменение нагрузки в СВЧ-цепи (т.е. изменение положения короткозамыкающего поршня) приводит к изменению сигнала, продетектированному в НЧ-цепи, а изменение нагрузки в НЧ-цепи (т.е. изменение индуктивности или ёмкости) приводит к изменению сигнала в СВЧ-цепи. При этом изменения  продетектированных в этих цепях сигналов могут быть как одинакового, так и противоположного знаков. Как следует из результатов, приведённых на Плакате 3 (снизу), зависимости величины продетектированных  в НЧ и СВЧ-цепях сигналов DUнч и DIсвч от перемещения короткозамыкающего поршня периодичны и имеют локальные максимумы и минимумы.

Заключение.

При выполнении дипломной работы были получены следующие результаты:

1. Проведен анализ современного состояния проблемы измерения параметров  материалов и структур с помощью эффекта автодинного детектирования.

2. Построена теоретическая модель многоконтурного автодинного генератора на диоде Ганна, разработана и описана эквивалентная схема.

3. На основе построенной модели составлена программа для расчета параметров многоконтурного генератора на диоде Ганна.

4. Проведено  компьютерное   моделирование   работы многоконтурного автодина на диоде Ганна.

5. Теоретически и экспериментально исследованы особенности проявления эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания. Обнаружено, что изменение нагрузки в СВЧ- и НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков.

Установлено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.