2217.Учебная работа .Тема:Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (3 оценок, среднее: 4,67 из 5)
Загрузка...

Тема:Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна»,»

При изменении уровня мощности СВЧизлучения, 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 СВЧгенератора наблюдается эффект автодинного детектирования.

Важной областью применения автодинов является контроль параметров материалов, используемых в радиотехнике и микроэлектронике. Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧгенераторах для контроля параметров материалов и структур основано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧсигнала 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 СВЧгенератора, в которой комплексная проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы.

Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурных СВЧгенераторах 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 , СВЧрезонатор 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 НЧсхемой.

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

Эта система нелинейна и решалась численно методом РунгеКутта. 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 НЧцепях на основе выражений, приведенных на Плакате 2 (сверху).

При расчёте величины продетектированного сигнала учитывались гармонические составляющие СВЧсигнала, с частотами равными f0, 2f0 и 3f0. Мощность остальных гармоник составляла менее 1% мощности выходного сигнала СВЧгенератора. Здесь f0частота 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 СВЧтракте наряду с изменением мощности СВЧколебаний 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 СВЧдиапазона, так и в низкочастотном диапазоне. Выяснено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на представленных зависимостях обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧгенератора на диоде Ганна высших гармоник.

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

в которых их изменение вызывает изменение продетектированных в СВЧ и НЧцепях сигналов одинакового знака, и областей, в которых изменения продетектированных сигналов имеют противоположные знаки, обусловлено наличием значительной реактивной составляющей СВЧтока в полупроводниковой структуре диода Ганна. В то же время отметим, что изменение реактивных элементов НЧконтура 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 СВЧколебаний составляла ~10 ГГц, частота низкочастотных колебаний ~10 МГц. Для детектирования низкочастотных колебаний использовался детекторный диод типа. Для контроля СВЧколебаний 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 СВЧвыключателя 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, СВЧвыключатель 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 СВЧцепи (т.е. изменение положения короткозамыкающего поршня) приводит к изменению сигнала, продетектированному в НЧцепи, а изменение нагрузки в НЧцепи (т.е. изменение индуктивности или ёмкости) приводит к изменению сигнала в СВЧцепи. 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 СВЧцепях 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 НЧцепях 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 СВЧцепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧгенератора на диоде Ганна высших гармоник.