АЦЕ - Розробка і розрахунок автогенератора на діоді ганна з перебудовою частоти

[ виправити ] текст може містити помилки, будь ласка перевіряйте перш ніж використовувати.


Нажми чтобы узнать.
скачати

ЗМІСТ


  1. Вступ 2

  2. Технічне завдання і вихідні дані 3

  3. Огляд літературних джерел 4

    1. Междолінний перехід електронні 4

    2. Дипольні домени та можливі режими роботи діодів Ганна 7

    3. Режим зі збагаченим шаром 10

    4. Потужність і ККД діодів Ганна 12

  4. Вибір структури автогенератора і типу діода 13

  5. РОЗРАХУНОК Автогенератор І РЕЗОНАНСНОЇ системи 14

    1. Розрахунок параметрів варактори 14

    2. Визначення меж перебудови частоти автогенерат ора 15

    3. Визначення нелінійності статичної модуляційної характеристики 16

    4. Розрахунок резонатора автогенератора 18

    5. Розрахунок оптимального опору навантаження і ККД резонансної системи 19

  6. Висновок 23

  7. Список літератури 24






















Розробка і ра рахунок автогенератора на діоді Ганна з перебудовою частоти

Л Ітера

Маса

Масштаб

З м

Лист

документ а

П одпісь

Дата






Розробив




Лист 1

Листів 24

Перевірив




Т. Контр










Н. Контр




Затвердив





ВСТУП


У ціп і, з підключеним діодом Ганна, виникає змінний струм. Причому частота зміни струму дорівнює величині, зворотній часу прольоту електронів від катода до анода. Далі в курсовій буде показано, що генерація змінного струму обумовлена ​​ефектом междолінного переходу електронів, стимульованого сильним електричним струмом. Даний ефект бив використаний для побудови на основі діодів Ганна високочастотних генераторів. Так як ці генератори володіли хорошими шумовими характеристиками, то це і дозволило застосування таких генераторів на апаратурі з високою чутливістю, а також такі генератори не вимагали застосування високовольтних джерел живлення.

Звичайно, крім вище перерахованих переваг у діодів Ганна були і деякі недоліки. Основними недоліками генераторів на основі діодів Ганна була їхня мала вихідна потужність і ККД. Але це не вплинуло на нехтування їх, як ключової ланки сучасної НВЧ техніки. Вони перевершували інших генераторів своїм гарантійним терміном служби, який може досягати сотню років, а іноді й перевищувати його.

Метою даного курсового проекту є розрахунок автогенератора на діоді Ганна з перебудовою частоти в діапазоні частот від 11,4 до 11,6 ГГц (сантиметровий діапазон), з потужністю не менше 5 мВт.







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


ТЕХНІЧНЕ ЗАВДАННЯ


Розробити і розрахувати автогенератор на діоді Ганна з перебудовою частоти.


Вихідні дані


  1. Діапазон перебудови частоти від 11,4 до 11,6 ГГц

  2. Вихідна потужність не менше 5 мВт







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Діоди Ганна


Прилади на ефекті междолінного

переходу електронів.


У 1963 р. Ганн встановив, що при накладенні постійного електричного поля, з напруженістю вище деякого порогового значення, на монокристалічний зразок з арсеніду галію або фосфіду індію його опір починає періодично змінюватися з частотою, що лежить в СВЧ - діапазоні. В результаті у колі, в яку включений такий зразок, виникає змінний струм НВЧ - діапазону. Причому частота зміни струму дорівнює величині, зворотній часу прольоту електронів від катода до анода. Надалі було показано, що генерація змінного струму обумовлена ​​ефектом междолінного переходу електронів, стимульованого сильним електричним струмом.


Междолінний перехід електронів



Ефект междолінного переходу рассм атрівается на прикладі арсеніду галію і фосфіду індію, структура енергетичних зон яких представлена ​​на рис [1]. При малій напруженості електричного поля в зразку всі електрони перебувають у нижній долині зони провідності, розташованою в точці Г (рис [1]).

Тут вони володіють малою ефективною масою і високою рухливістю. Якщо напруженість поля досягне певної порогової величини п), то з'являться гарячі електрони, здатні перейти у верхню долину зони провідності, розташовану в точці L. Подальше збільшення Е буде супроводжуватися безперервним зростанням концентрації електронів у верхній долині. При переході у верхню долину ефективна маса електронів значно зростає, а рухливість падає.

Отже, швидкість дрейфу електронів у міру збільшення Е при Е> Е п повинна зменшуватися. Це призведе до появи на вольт - амперної характеристики зразка ділянки з негативним диференціальним опором (ОДС).







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

Для отримання залежності від E введемо такі позначення:

m 1 * і m 2 * - ефективні маси

k 1 і k 2 - рухливості

n 1 і n 2 - концентрації електронів у нижній і верхній долинах відповідно.

З виразу для густини струму у зразку при Е п> Е


  (1)

з урахуванням того, що n 0 = n 1 + n 2, отримаємо

    (2)

так як k 1>> k 2. Будемо вважати, що електронні температури е) в обох долинах однакові. Тоді, виходячи зі статистики Максвелла - Больцмана, можна записати наступний вираз для відношення заселеності електронами верхньої та нижньої долин:

   (3)

де предекспоненціальний множник визначає ставлення щільності станів в долинах, а М 1 і М 2 - число верхніх і нижніх долин відповідно.

Для GaAS M 1 = 1, M 2 = 4, m 1 * = 0,067 m 0, m 2 * = 0,55 m 0 і (M 2 / M 1) (m 2 * / m 1 *) 3 / 2 = 94.

З (2) і (3) маємо

(4)

Вираз для Т е отримаємо, використовуючи умову балансу енергії, що купується електронами в електричному полі в одиницю часу і втрачається в цей же час за рахунок зіткнень:

  (5)

де - Час релаксу енергії (порядку 10 -12 с)

Підстановка (4) в (5) призводить до наступного виразу

(6)








Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

Звідси можна розрахувати залежність Т е від Е при будь-якій температурі.

Залежності від Е для GaAs розраховані за допомогою (4) і (6) наведено на малюнку [2].

Тут же штриховою лінією показана залежність заселеності верхньої долини від Е. З результатів розрахунку випливає, що граничне значення напруженості поля збільшується з ростом температури (см рис [2]). Крім того, при досить високій температурі повинен зникати ділянку ВАХ з ОДС, так як в цьому випадку показник експоненти в ( 4) малий навіть в області слабких полів, коли Т е ~ Т, і тому експонента міняється незначно при збільшенні Е і Т е. Але тоді як випливає з (4), ~ Е, тобто виконується закон Ома. Фактично це означає, що при високих температурах заселеність електронами верхньої долини велика навіть в області слабких полів і практично не змінюється, зі збільшенням Е. Така ж картина буде реалізовуватися при малих значеннях d Е 1,2. Таким чином, ділянка ОДС на ВАХ напівпровідника може виникнути за рахунок междолінних переходів тільки при досить низьких температурах, коли більшість електронів знаходиться в основному мінімумі зони провідності.

З (4) також випливає, що щільність станів в основному мінімумі зони провідності повинна бути мала, а в побічному - велика. В іншому випадку член з експонентою в (4) буде значно менше одиниці і не зможе ефективно впливати на величину . І нарешті необхідно зазначити, що d Е 1,2 повинно бути менше ширини забороненої зони напівпровідника, щоб величина порогового поля не виявилася порівнянної з напруженістю поля лавинного пробою. Вимога до різкого нерівності рухливостей електронів в основній та побічної долинах є очевидним.

Значення параметрів, що характеризують ВАХ зразків з арсеніду галію і фосфіду індію відповідно рівні:

напруженість порогового поля - 3,2 * 10 3 і 10,5 * 10 3 В / см

максимальна величина дрейфовою швидкості - 2,2 * 10 7 і 2,5 * 10 7 см / с

максимальна величина негативної диференційної рухливості - 2400 і 2000 см 2.* с).







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

Дипольні домени та можливі режими роботи діодів Ганна.

Аналіз механізму виникнення періодичних змін опору зразка з ОДС проведемо на прикладі однорідно легованого напівпровідника з омічними контактами, в якому прикладена різниця потенціалів створює електричне поле Е = Е п Припустимо, що в деякий момент часу внаслідок теплової флуктуації група електронів змістилася у бік катода щодо нерухомо іонізованних донорів (рис [3], а). Тоді виникла таким чином надмірна концентрація електронів (рис [3], б) повинна зміняться у часі з відомим співвідношенням

(7)

представляє собою закон релаксації основних носіїв заряду в напівпровіднику. Якщо в розглянутому зразку справедливий закон Ома, то час релаксації Максвелла . В іншому випадку слід замінити на диференціальну питому провідність і для зразка з ОДС

(8)


де μ - - негативна диференціальна рухливість, відповідна падаючому ділянці ВАХ. З ( 7) і (8) випливає, що в зразку з ОДС первісна теплова флуктуація концентрації електрона повинна не спадати з ростом t, а збільшуватися, тому що μ - <0.

Цей факт пояснюється наступними обставинами. В області виник дипольного об'ємного заряду напруженість електричного поля, як це випливає з рівняння Пуассона, зростає і стане більше порогового значення, а в іншій частині зразка Е злегка зменшиться







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

і стане менше Еп (рис [3], в), так як напруги, що подається на зразок, підтримується постійним. У результаті цього дрейфова швидкість електронів і щільність струму в області існування об'ємного заряду зменшується, а в іншій частині зразка зміняться незначно. Це призведе до подальшого збільшення концентрації електронів у лівій частині об'ємного заряду (за рахунок їх підтікання від катода) і концентрації некомпенсованих донорів в правій частині його. Цей процес збільшення dn і dN d + припиниться і дипольний шар досягне стабільної конфігурації, коли щільність струму всередині і поза ним стане однаковою і буде відповідати точкам ВАХ, які лежать поза дільницею ОДС (рис [4], наприклад, точки Е = Е в і Е = Е д). Спад сили струму в колі при формуванні диполя або домену сильного поля обумовлений різким зменшенням рухливості електронів в ньому і, отже, збільшенням опору зразка. Логічно припустити, що найбільш стабільний стан домену відповідає мінімальній потужності, споживаної зразком від джерела живлення, тобто, коли щільність струму в зразку має найменше можливе значення - (См рис [4]). Тоді максимальна напруженість поля всередині домену сильного поля буде дорівнювати Е д, а поза ним - Е в (см рис [3], в і [4]).




Ширину або товщину домену (d дм) можна оцінити виходячи з того, що падіння напруги на зразку до і після утворення домену одне і те ж, тобто

(9)

де вихідна напруженість поля Е і ~ Е п. З (9)

(10)

Розподіл напруженості електричного поля в домені, як показує рішення рівняння Пуассона, залежить від концентрації електронів в даному зразку. При великих n 0 максимум Е розташовується в центрі домену і залежність Е від x має симетричний вид. Якщо n 0 мало, то крива приймає форму, близьку до прямокутного трикутника (см рис [3], в).

У процесі формування і після його закінчення дипольний домен дрейфує від катода до аноду. Якщо припустити, що домен виникає у катода за рахунок наявної тут неоднорідності в розподілі домішки (знижене значення N d і підвищена напруженість поля), то за час прольоту







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

(11)

де - Деяка середня швидкість дрейфу домену, він досягне анода і зникне, після чого в зразку відновиться однорідний розподіл поля і початкове (до формування домену) значення струму. Потім за рахунок теплової флуктуації у катода почне формуватися наступний домен і т. д. Періодично повторювані процеси формування домену у катода і розсмоктування його у анода приведуть до відповідної зміни опору зразка й сили струму (рис [5]).

Для того щоб первісна теплова флуктуація концентрація електронів помітно зросла, необхідний інтервал часу, що перевершує - (См (7)). Звідси випливає, що періодична зміна сили струму через зразок буде виникати лише в тому випадку, коли або відповідно до (11) і (8)

(12)

Це нерівність іноді називають критерієм Кремера. Не зупиняючись на методах оцінки , Відзначимо, що після підстановки всіх величин в праву частину (12) для арсеніду галію і фосфіду індію виходить величина порядку 10 12 см -2.

Режим роботи діода на ефекті междолінного переходу електронів (або діода Ганна), при якому впевнено виконується нерівність

(13)

називається прогонових режимом. Для його реалізації необхідно включити діод в паралельну резонансну ланцюг, наприклад в СВЧ - резонатор з високою добротністю, налаштований на частоту пролітну . Відзначимо, що в пролетном режимі на кривій залежності струму від часу будуть спостерігатися різкі сплески (см рис [5]), якщо довжина зразка значно перевищує довжину домену. Для отримання форми коливань струму, близької до синусоїдальної, необхідно зменшувати довжину зразка або збільшувати ширину домену. Останнє можна реалізувати, зменшуючи концентрацію електронів (n 0) в зразку.







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

При роботі діода в резонаторі до неї крім постійного зовнішнього зсуву виявляється прикладеним також СВЧ - поле, що виникає в резонаторі за рахунок коливання струму, що протікає через діод. Припустимо, що СВЧ - поле змінюється в часі за гармонійним законом, а резонатор налаштований на частоту вище пролітної . Тоді при достатньо великій амплітуді СВЧ - поля дипольний момент у зразку може розсмоктатися, не доходячи до анода. Для цього необхідно, щоб в напівперіод, коли вектори напруженості постійного і НВЧ - поля протилежні, сумарна напруженість поля була б менше деякої величини, а тривалість напівперіоду була б більше , Відповідного позитивної рухливості. З точністю до чисельного коефіцієнта останню умову можна записати так:

. або

(14)

Для GaAs і InP . Нерівність (14) є умовою реалізації режиму роботи діода з придушенням домену. У цьому режимі в кожен "позитивний" напівперіод СВЧ - поля в діоді Е> Е п і в катода зароджується домен, а в кожен "негативний" напівперіод він розсмоктується на шляху до аноду. Таким чином, генерація змінного струму в цьому випадку відбувається на частоті, яка визначається параметрами резонансної ланцюга.

Якщо забезпечити одночасне виконання двох нерівностей:

(15)

то діод Ганна працюватиме в режимі обмеженого накопичення об'ємного заряду. Для GaAs і InP з (15) випливає що . Оскільки в (15) період НВЧ - сигналу менше , Відповідного негативною диференціальної рухливості, то в напівперіод, коли Е> Е п, домен сильного поля не встигає повністю сформуватися, а в наступний напівперіод (Е <Е п) він повністю розсмоктується. При цьому буде спостерігатися зростання опору зразка в один напівперіод СВЧ - сигналу і спад його в інший, що і викликає ефективну генерацію потужності на частоті, яка визначається параметрами зовнішнього ланцюга.

Режим зі збагаченим шаром

Цей режим відповідає випадку, коли не виконується умова (12), отже, домен сильного поля не встигає сформуватися, доменна нестійкість не виникає і зразок не є генератором. При однорідному розподілі концентрації носіїв уздовж зразка (n 0 y не залежить від x) його ВАХ відповідно до (1) повторювала б залежність від Е (рис [2]). Однак у реальних випадках катод (зазвичай контакт n + - n-типу) інжектується до зразка електрони, що призводить до зовсім іншого виду ВАХ.

З умови безперервності струму у зразку випливає, що там, де концентрація носіїв заряду вище, напруженість поля повинна бути менше. Вважаючи у першому наближенні, що у катода, інжектується електрони, Е = 0 і чисельно розв'язуючи систему рівнянь

(16)

(17)







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

одержимо розподіл напруженості поля і концентрації електронів уздовж зразка, які якісно представлені на рис [6]. Якщо напруженість поля всюди менше Е п, то в більшій частині зразка вона слабо залежить від х (рис [6], а, крива 1), а концентрація електронів далеко від катода дорівнює рівноважної (рис [6], б, крива 1).

Як тільки в певній точці Е стане більше Е п, швидкість дрейфу електрона тут зменшиться і відповідно повинна збільшуватися їх концентрація, щоб сила струму при будь-якому х залишалася постійною. Підтік надлишкових електронів від катода в дану точку викличе збільшення щільності надлишкового заряду і dE / dx [(см 17)]. У всіх інших точках, розташованих правіше розглянутої, сила струму також підтримуватися постійною за рахунок зростання n (x) і dE / dx (рис [6], а і б, криві 2). Причому як випливає з (16) і (17), чим вище щільність струму, тим більше має бути dE / dx, тобто нелінійність кривої, що зображує залежність Е від х, повинна збільшуватися (рис [6], а, криві 2,3 ). У цій області зразка, де Е <Е п, і концентрація електронів зменшується зі зростанням х.







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

ВАХ таких зразків при Е <Е п підкоряється закону Ома (рис [7]), а потім струм практично виходить на насичення, якщо рівноважна концентрація електронів не дуже мала.

Якщо ж n 0 менше деякої величини при фіксованій довжині зразка, то на ВАХ слідом за лінійним повинен спостерігатися ділянку, відповідний току, обмеженому просторовим зарядом. Таким чином, в реальних зразках за рахунок інжекції електронів з катода і підтікання їх до області з пониженою рухливістю, де Е> Е п, на ВАХ зникає ділянка з ОДС. У анода таких зразків, як видно з рис [6], існує статичний (нерухомий) домен сильного електричного поля з підвищеною концентрацією електронів. Іноді такий домен називають статичним доменом збагаченого шару.

Намальована вище картина реалізується при наявності лише постійної напруги на зразку. Стаціонарне неоднорідний розподіл електричного поля і концентрації електронів уздовж зразка, що приводить до зникнення ділянки ВАХ з ОДС, встановлюється приблизно за час прольоту (див. (11)). Тому якщо до діода окрім постійного зміщення докласти ще й мале змінне поле з частотою, близькою до пролітної ( ), То об'ємний заряд не буде встигати стабілізувати зразок. У цьому випадку невелика флуктуація об'ємного заряду, що з'явилася у катода за рахунок наявності змінного поля, буде наростати в міру просування до аноду, що призведе до посилення змінного сигналу. Отже, такий діод буде грати роль підсилювача НВЧ сигналу з частотою, що збігається з пролітної або з її гармоніками. Експеримент підтверджує наявність негативної активної провідності на відповідних частотах для зразків арсеніду галію, у яких n 0 W <10 12 см -2.

Потужність і ККД діодів Ганна


СВЧ - потужність, що генерується діодом Ганна, можна представити як , Де R - Опір діода. У пролетном режимі роботи і . Це співвідношення між потужністю і частотою супроводжується експериментом для діодів з GaAs і InP. Для діодів з GaAs з досить довгою базою при подачі імпульсного зсуву отримана максимальна СВЧ - потужність близько 6 кВт на частоті близько 2 ГГц. У безперервному режимі роботи, коли на діод подається постійна напруга зсуву, на частоті 10 ГГц СВЧ - потужність дорівнює приблизно 2 Вт.

Як випливає з оцінок, верхня межа робочої частоти діодів Ганна становить приблизно 150 ГГц. Він визначається інерційністю процесу передачі енергії електричного поля








Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

електронам і процесу переходу останніх з основного мінімуму зони провідності в побічні. Реально досягнута частота генерації близько 100 ГГц. Оцінки також показують, що в пролетном режимі роботи максимально досяжна величина ККД діодів Ганна становить 10%, а в режимі з руйнуванням домену - 13%.

Необхідно зазначити, що конкретний вид ВАХ діода Ганна, його режим роботи, СВЧ - потужність і ККД істотним чином залежать від умов на контактах і від профілю розподілу домішки в активній області.


Вибір структури автогенератора і типу діода


Відповідно до технічного завдання, потужність генератора не повинна бути менше 5 мВт, а робочим діапазоном частот бути в межах від 11,4 до 11,6 ГГц. ДЛ я побудови такого генератора, оптимальним варіантом є діод Ганна типу А703Б, з мінімальною вихідною потужністю 20 мВт і робочим діапазоном част 9.2 ... 12.5 ГГц.


Еквівалентна схема заміщення діода Ганна (рис 8)


Параметри схеми: r пос = 1,5 Ом, С Г = 0,4 пФ, С кон = 0,4 пФ, L кон = 0,6 нГн.

Генераторні властивості діода враховані на цій схемі негативною провідністю G Г, С Г - «Гаряча» реактивність діода. Параметри r сел, L кон,, З кін обумовлені структурою корпусу діода.


На рис. 9 наведено еквівалентна схема волноводного автогенератора на діоді Ганна, враховує власний контур діода і ємність варактори (r сел, L кон,, З кін, З Г, С ), Два сусідніх обертони резонатора хвилеводу (r 02, L 2,, З 2, і r 03, L 3,, З 3,) і квазікоаксіальний резонанс вузла кріплення діода Ганна (штир кріпить діод) - елементи L а, L в. Квазікоаксіальний резонанс вузла кріплення варактори зазвичай не враховують, т. К. характеристичний опір штиря з варикапів у багато разів менше характеристичного опору штиря з діодом Ганна й штир з варикапів лише трохи знижує добротність всього пристрою.

Рис. 9







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


На рис. 9 Z н позначає опір навантаження, рівне вхідному опору тракту навантаження в площині включення діода. Якщо Z н і вхідний опір тракту розрізняються, необхідно передбачити підключення навантаження до автогенератора через трансформатор опорів.


РОЗРАХУНОК Автогенератор І РЕЗОНАНСНОЇ СИСТЕМИ.


Розрахунок параметрів варактори.


Для застосування в автогенератори обраний варактори АА603Б, з такими технічними характеристиками: , Та граничної потужності: . Середня місткість при напрузі зміщення дорівнює . Максимальна допустима напруга зсуву . Параметри еквівалентної схеми , можна визначити за і .


Стандартна схема заміщення варактори (рис. 10)


До складу схеми заміщення варактори входять нелінійна ємність р-п - переходу С в, опір втрат у напівпровіднику r сел в, індуктивність висновків L в кон, і ємність корпусу варактори C в кін.

Індуктивність в L в кон має невелике значення і зазвичай виключається зі схеми заміщення.

Опір r сел в можна визначити за такою формулою:

Де і - Відповідно гранична частота при напрузі зміщення U n =- 6 В (частота, на якій добротність варактори Q в = 1) і значення нелінійної ємності варактори С в при тій же напрузі зсуву.

В силу малості r сел в його можна не враховувати при подальшому розгляді варактори, т. к. в діапазоні робочих частот розраховується автогенератора опір місткості С в значно більше r сел в (далі це буде доведено).

Таким чином, виключаючи зі схеми заміщення варактори елементи r сел в і L в кон, приходимо до схеми заміщення варактори однієї нелінійної ємністю (1)

Для варактори, виготовлених на основі арсеніду галію (GaAs) залежність нелінійної ємності С в від напруги зсуву U п визначається залежністю , Де - Значення ємності С в при напрузі зміщення U n; - Значення ємності С в при напрузі зміщення U 0; - Контактна різниця потенціалів; - Константа.

Беручи за U 0 і С 0 відповідно -6 В і С -6 = 0,85 пФ, можемо записати: (2).







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Формула (2) дає значення в пФ, якщо U n задано в В.

Отримуємо що в нашому випадку варактори можна представити еквівалентною ємністю.

(3).

Формула (3) дає значення в пікофарад, якщо U n задано в вольтах.

Знайдемо граничні значення при зміні U n в межах від 0 В до U n max:

(4)

(5)


Визначення меж перебудови частоти автогенератора


Еквівалентна схемою заміщення діода Ганна наведена на рис.8. Так як в обраній структурі генератора варактори з діодом Ганна з'єднані паралельно по високій частоті, то, підключаючи паралельно схемою рис.8 еквівалентну ємність варактори, отримуємо схему заміщення рис.11


рис.11


Для визначення меж перебудови автогенератора визначимо залежність резонансної частоти генератора від напруги зсуву на варактори. Для цього представимо коливальний контур рис. 11 послідовною схемою рис. 6,

рис. 12


об'єднавши послідовно включені ємності З Г і в одну ємність (6)

Визначимо максимальне і мінімальне значення , Відповідне (4) і (5):

(7)

(8)







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Згідно зі схемою рис.6 резонансні частоти коливань рівні (7)

Верхня межа частоти визначається , А нижня межа визначається , Так як обернено пропорційна . Маємо:

Згідно з технічним завданням автогенератор повинен перекривати діапазон частот 11,4 ... 11,6 ГГц. Отриманий результат (11,2 ... 11,7 ГГц) дає повне право стверджувати що технічне завдання задоволено.


Визначення нелінійності статичної модуляційної характеристики


Для побудови статичної модуляційної характеристики задаємося значеннями U n від 0 В до -20 В. Для кожного з цих значень за формулою (3) визначаємо С і .

Графік статичної модуляційної характеристики наведено на рис.13.

рис. 13


Знайдемо крайні значення U n, що забезпечують перебудову в діапазоні 11,4 ... 11,6 ГГц.

З (7) висловимо С 'Г: (8)

Потім по (6) визначаємо С 'в:

(9)







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


З (3) визначаємо U n:

(10)

Остання формула дає значення U n в вольтах, якщо С Виражена в пікофарад.

З рис.13 видно, що в межах 11,4 - 11,6 ГГц модуляційна характеристика має середнім ступенем нелінійністю. Для її оцінки необхідно знайти, як писалося вище, значення U n в і U n н, забезпечують частоти генерації і .

Використовуючи формули (8) - (10), знаходимо:

,

,

,

,

Маємо, що для перебудови частоти автогенератора в межах 11,4 ... 11,6 ГГц необхідно змінювати напругу зміщення на варактори в межах від -3,4 по -11,4 В.

Середнє значення напруги зсуву . Зміна напруги зсуву від середнього його значення при найбільшому відхиленні частоти

.

Відносне найбільша зміна напруги зсуву .

Значення частоти , Відповідне , Знаходимо за формулами (3), (6), (7): ,

Знайдемо нормування значення відхилення частоти генерації від f Г порівн:








Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Можна визначити нелінійність модуляційної характеристики:


Розглянемо, чи правильно ми виключили зі схеми заміщення варактори опору r сел в (рис.10)

Опір ємності на частоті одно:

На частоті опір ємності одно:

Так як в діапазоні робочих частот генератора r сел в = 1,25 Ом більш ніж в 10 разів менше ємнісного опору варактори, то r сел в дійсно можна не враховувати при розрахунку генератора.


Розрахунок резонатора автогенератора.


Розрахунок резонатора будемо проводити на середню (центральну) частоту діапазону робочих частот

Довжина хвилі у вільному просторі , Де з-швидкість світла у вакуумі (11)

Довжина хвилі в прямокутному хвилеводі (типу H 10) , Де (12)

- Довжина хвилі у вільному просторі

а - ширина хвилеводу

Розрахуємо по (11) довжини хвиль, що відповідають частотам , , :

Виберемо прямокутний хвилевід розміром, пропускає довжини хвиль 2,3 - 4,41 см, і розрахований на допускаемую потужність 300 кВт () при заповненні повітрям)

Знайдемо довжини хвиль в хвилеводі, відповідні частотам , ,







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Довжина резонатора , Де п - номер обертони; - Довжина хвилі в хвилеводі на центральній частоті. У нас автогенератор будується на першому (основному) обертони (Н 101), тому п = 1 і

Можна визначити розмір . Розмір бажано зробити якомога меншим - тоді відстань між варактори і діодом Ганна близько до . При цьому вони обидва потрапляють в пучность і ефективніше взаємодіють.

Так як , То впливом квазікоаксіального резонансу можна знехтувати. Частота цього резонансу знаходиться вище діапазону робочих частот. Це означає, що зі схеми (рис 9) можна виключити контур .


Розрахунок оптимального опору навантаження і ККД резонансної системи

Зробимо аналіз оптимального опору навантаження і ККД резонансної системи на частоті .

Характеристичне опір резонатора .

Опір втрат

Так як , То можна приблизно вважати, що опір, внесене у власний контур, .

Опір власного контуру діода

На центральній частоті характеристичний опір резонатора

Коефіцієнт зв'язку власного контуру діода

Нормована відносна розладі власного контуру

Еквівалентна характеристичний опір резистора на першому обертони







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Добротність резонатора на обертони Н 101 у хвилеводі 23ģ10 мм дорівнює 2000 ... 3000.

Припустимо що в нашому випадку Q 2 = 1500. Тоді власне опір контури першого обертони .

Для штиря діаметром 3 мм в хвилеводі шириною 23 мм, в діапазоні частот 11,4 ... 11,6 ГГц параметри штиря Х а = 42,2 Ом, Х в = -22,2 Ом

Так як Х а + Х в = 42,2-22,2 = 20 Ом і Х а + Х = 42,2-8,1 = 34,1 Ом набагато менше , То можна вважати, що опір внесене в другий контур (контури першого обертони) .

Опір другого контуру .

Відношення опорів контурів .

Нормована відносна розладі другого контуру

Вхідний опір навантаження ,

де

Маємо:

Оптимальне опір навантаження повинне бути порівнянне з , Де

- Опір діода Ганна. Для вибраного типу діода = 3 ... 20 Ом, тому .

Так як , То робимо висновок, що в нижньому діапазоні робочих частот досягнуто оптимальне узгодження діода з навантаженням.


ККД коливальної системи

Потужність, що віддається в навантаження, .

Відповідно до технічного завдання вихідна потужність повинна бути не менше 5 мВт, в нашому випадку в нижній частині робочого діапазону частот ця потужність становить 8,8 мВт, що повністю задовольняє технічним завданням.

Зробимо аналіз оптимального опору навантаження і ККД резонансної системи на частоті .

Характеристичне опір резонатора







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

.

Опір втрат

Так як , То можна приблизно вважати, що опір, внесене у власний контур, .

Опір власного контуру діода

Нормована відносна розладі власного контуру

Еквівалентна характеристичний опір резистора на першому обертони

власний опір другого контуру .

Так як Х а + Х в = 42,2-22,2 = 20 Ом і Х а + Х = 42,2-9,4 = 32,8 Ом набагато менше , То можна вважати, що опір внесене в другий контур .

Відношення опорів контурів .

Нормована відносна розладі другого контуру

Вхідний опір навантаження ,

де

Маємо:

Так як , То робимо висновок, що у верхньому діапазоні робочих частот досягнуто оптимальне узгодження діода з навантаженням.

ККД коливальної системи

Потужність, що віддається в навантаження, .







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Відповідно до технічного завдання вихідна потужність повинна бути не менше 5 мВт, в нашому випадку у верхній частині робочого діапазону частот ця потужність становить 9,2 мВт, що повністю задовольняє технічним завданням.

Так як вимога по вихідній потужності генератора у верхній і в нижній частині робочого діапазону частот задовольняється, то ця вимога повинна виконуватися і у всьому діапазоні перебудови частоти, відповідно в автогенератори підібрано оптимальне узгодження діода Ганна і резонансної схеми.







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

>
Додати в блог або на сайт

Цей текст може містити помилки.

Астрономія | Реферат
222.1кб. | скачати


Схожі роботи:
Розрахунок і проектування діода Ганна
Розрахунок підсилювача напруги низької частоти
Розрахунок многочастотного підсилювача низької частоти
Розрахунок параметрів і режимів роботи транзисторних каскадів підсилювача низької частоти
Розробка транзисторного підсилювача проміжної частоти радіолокаційного сигналу
Генерування та підсилення НВЧ. Підсилювач на тунельному діоді
Лінійна теорія та умови самозбудження автогенератора
Рівняння стаціонарного режиму автогенератора і його аналіз
Розробка і розрахунок жатки комбайна


Висновок


В даному курсовому проекті був розроблений і розрахований автогенератор на діоді Ганна з варакторной перебудовою частоти в діапазоні від 11,4 до 11,6 ГГц. Всі технічні вимоги були повністю розраховані і виконані.

Перебудова частоти по робочому діапазону викликає зміна вихідної потужності, тому застосування генератора в режимі частотного модулятора супроводжується паразитної амплітудної модуляцією вихідного сигналу, яка може бути усунена за допомогою амплітудного обмежувача.








Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата


Література


  • Уткін Г.М. «Проектування радіопередавальних пристроїв СВЧ», Москва., Радянське радіо, 1979

  • Благовіщенський М.В., Уткін Г.М. «Радиопередающие пристрої», Москва., Радіо і зв'язок, 1979

  • Валітов Р.А. «Радиопередающие пристрої на напівпровідникових приладах», Москва., Радянське радіо, 1973

  • Пасинків В.В.: «Напівпровідникові прилади», Москва, Вища школа, 1981.







Лист






Змін

Лист

докум

Підпис

Дата

© Усі права захищені
написати до нас