P,Sm

ЮООвг

Рис. 8.9. Зависимости мощности от частоты для твердотельных генераторов СВЧ диапазона:

I - туннельные диоды; 2 - транзисторы в непрерывном режиме; 3 - генераторы гармоник на варакторах в непрерывном режиме; 4 - генераторы Ганна в импульсном режиме; 5 - лавинно-пролетные диоды в непрерывном режиме; 6 - генераторы Ганна в непрерывно.ч режиме.

чить это значение можно, только низкоимпедансные СВЧ цепи.

Рассмотрим в заключение пример, когда последовательный резонансный контур образован подключением к диоду последовательно включенных индуктивности и сопротивления нагрузки. Пусть /=10 Гц, Рк = 50 Ом. Тогда из (8.38) находим 5я4-10-з см2 и из (8.39) получаем Ря12 Ом.

Из критерия (8.31) и условия того, чтобы диод работал в режиме гашения, длина диода определяется практически однозначно Lss 10Vf=10-2 см. Чтобы удовлетворялись критерии (8.306), выберем величину /го«4-10 см"".

Таким образом, величина пЬ равна около 4-10 см~. Используя (8.27), находим, что £о/£<«2. При этом из выражений (8.17) и (8.22) можно показать, что выделяемая диодом СВЧ мощность составляет всего около 25 Вт. Как видно из приведенных выше результатов, увели-снизив величину рк, т. е. используя

8.3. Технические характеристики ганновских генераторов СВЧ

8.3.1. Зависимости моиности от частоты для генераторов Ганна

На рис. 8.9 приведены зависимости мощности твердотельных СВЧ генераторов от частоты. Из рисунка видно, что наибольшая мощность в непрерывном режиме достигнута в настоящее время на лавинно-про-летных диодах (ЛПД). В импульсном режиме генераторы Ганна обеспечивают лучшие результаты. Параметры, характеризующие рекордные результаты, полученные с помощью генераторов Ганна, приведены в табл. 8.1.

Эта таблица составлена по данным зарубежных фирм [18]. Некоторые результаты исследования отечественных генераторов Ганна приведены, например, в работах [19, 20].

Ряд фирм (в частности, Texas Instruments, Hitashi, Mitsubishi, Varian, Plessey, RTC, RCA) освоил серийный выпуск генераторов Ганна. На рис. 8.10 показаны качественные зависимости мощности от частоты для изготовляемых промышленностью образцов [21]. Гарантируемый срок службы серийных генераторов составляет 5000 ... 10 000 ч. Коэффициент полезного действия лежит в пределах 2 . . . 6%. В последних промышленных разработках к. п. д. достигает 8 . .. 127о.

Генерируемую диодом мощность можно повысить, увеличивая площадь диода. При этом, однако, импеданс диода уменьшается. Если импеданс диода становится слишком малым, согласование его с СВЧ схемой становится затруднительным. Поэтому важным параметром, 180

5 т го so 100 f, ГГц

fjru,

10 20

Рис. S.IO. Качественные зависимости выходной мощности промышленных генераторов

Ганна от частоты [21]:

а непрерывный режим; б - импульсный режим при скважности около 1000. Для сравнения кружками показаны данные, полученные в лабораториях фирм. 1) RCA, 2) Fairchild, 3) Varian.

характеризующим работу СВЧ генератора, является произведение генерируемой мощности на импеданс R 1[6]. Используя очевидное равенство Р = ц1оЕоЬ8 (S - площадь диода), можно получить следующее выражение для произведения:

Р i? = 71

где .Od- скорость домена; Vo=Iolqno; /о-постоянная составляющая тока; JRn-сопротивление диода в слабом поле.

Таблица 8.1

Параметры генераторов Ганна

Принимая Ti = 257o, R/Ro=0, Eo=U/L = 20 кВ/см, Od~uolO см/с, i = 8000 см/В-с, получаем

Р /?(Вт Ом) = 2,5 10"/ (ГГц).

Таким образом, как и у других твердотельных генераторов [22], б диодах Ганна -произведение PR падает обратно пропорционально квадрату частоты. Более подробно вопрос о произведении мощности на импеданс для диодов Ганна исследован, например, в работах [6, 23].

8.3.2. Частотная перестройка, шумы и фазовая синхронизация

Такие характеристики генератора, как диапазон и крутизна частотной перестройки, уровень шумов, параметры фазовой синхронизации и т. д., в значительной мере взаимосвязаны и зависят от величины нагруженной добротности резонатора. Это обстоятельство не является специфической особенностью ганновского генератора, а присуще генераторам любого типа.

Рассмотрим генератор, нагруженный на комплексное сопротивление Rn+jX-b и генерирующий ток to на частоте соо. При это.м, очевидно, вьшолняется условие Х=н+г = 0, где Хт - реактивное сопротивление генератора, X-полная реактивность контура. Пусть теперь к генератору приложено малое переменное напряжение bU. Как будет показано, под воздействием этого напряжения частота генерации изменится. Будем считать, что частота bU равна зтой новой изменившейся частоте генерации (й1 = (йо+бсйо. Воздействие сигнала Ш на генератор будет определяться не только его величиной, но и фазой ф относительного генерируемого тока.

Рассмотрим для простоты случай, когда активное сопротивление генератора R не зависит от частоты, а его реактивное сопротивление Хг - от генерируемого тока. В этом случае активная составляющая приложенного напряжения б/со5ф вызывает лишь изменение генерируемого тока:

Jo Зго = ьи cos <р, (8.40)

а реактивный компонент сигнала bU приводит к изменению частоты

48«) = 6f/sin?. (8.41)

Из (8.41) находим bw = lU<&in<fl\io(dXjdo)].

Величину дХ/дья удобно выразить через нагруженную добротность контура Q=(oL/i?H=l/((»Ci?H), где L - индуктивность, С - емкость контура. (Для простоты будем предполагать, что L и С не зависят от oj. Однако полученные выражения справедливы и в более общем случае [6]):

£=з1(»-)-.(2»)=2Ь = 2. ,8,42)

При этих преобразованиях учтено, что, как уже указывалось выше, в режиме генерации Х=0. Подставляя (8.42) в (8.41), получае.м

Sa> 1 SU sin <f ,Q .Q\

При ф = я/2, что соответствует максимальной частотной перестройке, из (8.43) получим

f-y=± fsi. (8.44)