Реферат: Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
Государственныйкомитет Российской Федерации по высшему образованию
Саратовскийордена Трудового Красного Знамени государственный университет им.Н.Г.Чернышевского
Кафедрафизики твёрдого тела
ИССЛЕДОВАНИЕЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МНОГОКОНТУРНОМ ГЕНЕРАТОРЕ НА ДИОДЕ ГАННА
ДИПЛОМНАЯРАБОТА
студента511 группы физического факультета
КацаЕфима Ильича
Научныеруководители
к.ф.-м.н.,доцент
СкрипальА.В.,
аспирант
БабаянА.В.
Зав.кафедрой ФТТ
профессор,академик МАН ВШ
УсановД.А.
г.Саратов — 1996 г.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">Содержание.
Стр.
Введение
3
1. Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.
5
2. Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.
12
3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.
20
Заключение.
24
Список литературы.
25
Приложение. Текст программы для моделирования процессов в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
28
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">Введение.
В связи с развитием современных технологий, требующихнепрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса,состоянием оборудования и параметрами материалов и сред становится всё болееактуальной задача создания неразрушающих бесконтактных методов измерения иконтроля параметров материалов и сред. Измерения на СВЧ позволяют определитьэлектропроводность, толщину, диэлектрическую проницаемость и другие параметрыматериалов и сред без разрушения поверхности образца, дают возможностьавтоматизировать контроль параметров материалов. Для этого в настоящее времяшироко используются методы, основанные на использовании эффекта автодинногодетектирования в полупроводниковых приборах.
Применение эффекта автодинного детектирования вполупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и структуросновано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигналаот параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости,проводимости [1-6].
Однако, прежде чем создавать конкретный прибор на основе данного эффекта,необходимо провести моделирование его работы. Для этого необходимо рассмотретьпринципы действия таких устройств.
При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего наполупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдаетсяизменение режима их работы по постоянному току, что можно понимать какпроявление эффекта детектирования. В случае, если прибор с отрицательнымсопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора наблюдается эффектавтодинного детектирования.
Одним из методов, позволяющих провести расчёт величиныэффекта автодинного детектирования при реальных параметрах активного элемента инагрузки, определить области значений контролируемых параметров материалов, вкоторых чувствительность автодина к их изменению максимальна, наметить путиоптимизации конструкции генератора, является метод, основанный на рассмотренииэквивалентной схемы СВЧ-генератора, в которой комплексная проводимость нагрузкиопределяется параметрами исследуемого материала и характеристикамиэлектродинамической системы [7,9].
Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинногодетектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для созданияизмерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их работы.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">1. Анализвозможности использования автодинов на полупроводниковых активных СВЧ-элементахдля контроля параметров материалов и сред.
При изменении уровня СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковыеэлементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение постоянноготока, протекающего через них, что можно понимать как проявление эффектадетектирования [2,7]. Если прибор с отрицательным сопротивлением являетсяактивным элементом СВЧ-генератора, этот эффект называют эффектом автодинногодетектирования.
Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковыхСВЧ-генераторах позволило создать устройства, совмещающие несколькорадиотехнических функций в одном элементе (например, излучение и приёмэлектромагнитных колебаний). Автодины на полупроводниковых генераторах,получившие к настоящему времени достаточно широкое применение, используются восновном для обнаружения движущихся объектов.
Важной областью применения автодинов является контроль параметровматериалов и сред. Применение эффекта автодинного детектирования вполупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и средосновано на установлении зависимостей величины продетектированного СВЧ-сигналаот параметров контролируемых величин: диэлектрической проницаемости ипроводимости. Измерения с помощью приборов основаны на сравнение с эталонами, аточность измерения в основном определяется точностью эталонирования.
Теоретическое обоснование возможности использования эффекта автодинногодетектирования в диодных СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов исред проведено на основе численного анализа. Описание отклика диодногоСВЧ-автодина может быть сделано на основе рассмотрения эквивалентной схемыгенератора (Рис. 1.1), в которой комплексная проводимость Ynопределяется параметрами исследуемого материала и характеристикамиэлектродинамической системы, а Yd — средняя проводимостьполупроводникового прибора.
<img src="/cache/referats/707/image001.gif" v:shapes="_x0000_s1039 _x0000_s1043 _x0000_s1047">
Yd Yn
<img src="/cache/referats/707/image002.gif" v:shapes="_x0000_s1051">
Рис. 1.1. Эквивалентная схема автодинана полупроводниковом диоде.
Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением (1.1), согласнопервому закону Кирхгофа.
<img src="/cache/referats/707/image004.gif" v:shapes="_x0000_i1025"> (1.1)
<img src="/cache/referats/707/image006.gif" v:shapes="_x0000_i1026"> (1.2)
I1, U1 — комплексные амплитуды тока и напряжения первойгармоники на полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим проводимостям приложеноодно и то же напряжение U1,можно записать баланс мощностей:
<img src="/cache/referats/707/image008.gif" v:shapes="_x0000_i1027"> (1.3)
Активнаямощность на нагрузке (1.4) положительна
<img src="/cache/referats/707/image010.gif" v:shapes="_x0000_i1028"> (1.4)
отсюда вытекает,что
<img src="/cache/referats/707/image012.gif" v:shapes="_x0000_i1029"> (1.5)
т.е. Yd должна иметь отрицательнуюдействительную часть при существовании в системе колебаний с ненулевойамплитудой. Наличие отрицательной проводимости характеризует трансформациюэнергии: полупроводниковый элемент потребляет энергию постоянного тока иявляется источником колебаний ненулевой частоты.
Возникновение СВЧ-колебаний в электрической схеме с нелинейным элементомвследствие его детектирующего действия приводит к появлению дополнительнойсоставляющей постоянного тока <img src="/cache/referats/707/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1030"><img src="/cache/referats/707/image014.gif" v:shapes="_x0000_i1031"> определяется извыражения
<img src="/cache/referats/707/image016.gif" v:shapes="_x0000_i1032"> (1.6)
Детекторный эффект наблюдается в СВЧ-усилителях на биполярныхтранзисторах, СВЧ-генераторах на лавинно-пролётных диодах (ЛПД),инжекционно-пролётных диодах (ИПД), туннельных диодах (ТД) и диодах Ганна (ДГ).В данной работе мы рассмотрим использование полупроводниковых диодов в качествеСВЧ-автодинов. Сравнительные характеристики полупроводниковых СВЧ-диодовприведены в таблице 1.
Таблица 1.
Диод
Мощность
КПД
Смещение
Шумы
ЛПД
десятки
ватт
до 15%
десятки Вольт
25 дБ
ИПД
десятки милливатт
единицы %
сотни милливольт
около 5 дБ
ДГ
десятки милливатт — единицы Ватт
зависит от режима работы
4.5-11 Вольт
10-12 дБ
ТД
единицы и десятки микроватт
единицы %
сотни милливольт
около 5 дБ
Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя основнымиуравнениями в частных производных [10]: уравнением плотности тока,характеризующим образование направленных потоков заряда; уравнениемнепрерывности, отражающим накопление и рассасывание подвижных носителей заряда,и уравнением Пуассона, описывающим электрические поля в полупроводнике.
Точное решение этих уравнений с учетом граничных условий в общем видезатруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить анализ вводят эквивалентные схемыполупроводниковых приборов.
ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для анализа, т.к. ихэквивалентная схема более проста и точна, чем схемы других полупроводниковыхприборов. С практической точки зрения ТД представляет собой интерес присоздании маломощных автодинов в коротковолновой части сантиметрового диапазона.
ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [11], но из-за низкогоуровня шумов и малого напряжения питания являются перспективными длядопплеровских автодинов.
В работе [12] исследована возможность измерения диэлектрическойпроницаемости материалов по величине продетектированного работающем в режимегенерации ЛПД сигнала. Использовался генератор волноводной конструкции (каналволновода 23*10 мм.) с ЛПД типа АА707, установленным в разрыве стержневогодержателя. Измерения продетектированного сигнала проводилось компенсационнымметодом. Исследуемые диэлектрики, с предварительно определёнными значениямидиэлектрической проницаемости на СВЧ, прикладывались к отверстию на выходномфланце генератора.
Результаты проведённых исследований показали, что ход зависимостивеличины продетектированного сигнала от диэлектрической проницаемости зависитот конструкции измерительного генератора, в частности, от расстояния отплоскости расположения ЛПД до открытого конца волновода, к которомуприкладывается исследуемых диэлектрик.
ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний. Однако,, в качественедостатка можно отметить относительно высокий уровень шумов, обусловленный, впервую очередь, шумами лавинообразования.
В ряде работ [2,3,17,18] рассматривается возможность примененияСВЧ-генераторов на диоде Ганна для измерения параметров материалов и сред.Отмечается преимущество данного способа измерения: исследуемый образецнаходится под воздействием СВЧ-мощности, а регистрация измерений производитсяна низкочастотной аппаратуре, имеющей высокую точность и отличающейся простой вэксплуатации.
В настоящее время разработаны и изготовлены устройства для неразрушающего контроля,принцип действия которых основан на эффекте автодинного детектирования:измерители толщины металлодиэлектрических структур и диэлектрическойпроницаемости [19,20]. Наибольшее практическое применение из разработанныхприборов нашёл СВЧ толщиномер типа СИТ-40. На рисунке 1.2 приведена егоблок-схема.
4
<img src="/cache/referats/707/image017.gif" v:shapes="_x0000_s1026 _x0000_s1027 _x0000_s1028 _x0000_s1029 _x0000_s1030 _x0000_s1031 _x0000_s1032 _x0000_s1033 _x0000_s1034 _x0000_s1035 _x0000_s1036 _x0000_s1037 _x0000_s1038 _x0000_s1040">4
<div v:shape="_x0000_s1044">
1
<div v:shape="_x0000_s1048">2
<div v:shape="_x0000_s1052">5
<div v:shape="_x0000_s1054">3
Рис.1.2. Блок-схема СВЧ измерителя толщины.
В состав СВЧ толщиномера СИТ-40, предназначенного для измерения тонкихплёнок из любого металла на изолирующей подложке и непроводящих покрытиях, втом числе разнообразных лакокрасочных, нанесённых на металлические поверхности,входит: 1 — СВЧ-датчик, представляющий собой СВЧ-генератор в микрополосковомисполнении и использующий в качестве активного элемента диод Ганна или СВЧбиполярный транзистор; 2 — предварительный усилитель; 3 — блок питания; 4 — система корректировки нуля; 5 — блок индикации.
Для уменьшения влияния дрейфа нуля на результат измерений предложенысхемные решения, основанные на компенсации дрейфа его параметров в промежуткахмежду измерениями и использовании напряжения в момент, предшествующийизмерению, в качестве опорного в момент измерения [21].
С целью повышения чувствительности и существенного уменьшения веса ипотребляемой мощности измерителей исследовалась возможность применениятуннельных диодов в качестве активных элементов СВЧ-автодинов [22].Исследования проводились в экспериментальных измерительных СВЧ-устройствах насерийных диодах типа ГИ 103Б, работавших на частоте 1.3 Ггц. В качестведетекторных диодов использовались диоды типа Д405. Конструктивно датчикиизмерительных устройств представляли собой отрезки полосковых линий передачи,выполненных на основе фольгированного фторопласта, в которых размещалисьгенераторные и детекторные диоды, фильтры, НЧ и подстроечные элементы.
Разработаны устройства измерения толщины и электропроводности проводящихпокрытий, а также толщины и диэлектрической проницаемости для изолирующихматериалов. Принцип действия автодинного генератора на полупроводниковомСВЧ-элементе был использован при разработке нового способа контроля толщиныплёнок в процессе вакуумного напыления. Для повышения точности измерения вдатчике применён СВЧ-выключатель, обеспечивающий кратковременное отклонениегенератора от измеряемого объекта [23].
Разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный наиспользовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в режимеавтодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения не толькоамплитуды, но и частоты вибраций [24]. Источники зондирующего СВЧ-излучения иодновременно приёмники провзаимодействующего с вибрирующим объектом сигналовпредставляют собой отрезки стандартных прямоугольных волноводов, которые содного конца закорочены и имеют регулируемые подстроечные поршни, а другиеконцы соединены с камерами, изготовленными из металлической ленты, свёрнутой вкольцо. Связь по СВЧ-полю отрезков волновода с каждой камерой осуществляетсячерез прямоугольное волноводное окно. В камерах помещается цилиндрическийметаллический стержень, перемещение которого внутри этих камер вызываетизменение продетектированного автодинами зондирующего СВЧ-сигнала.
Применение в автодинных генераторах диодов Ганна по сравнению сгенераторами, использующими другие полупроводниковые активные элементы,позволяет обеспечить преимущества по совокупности таких параметров, какмаксимальная рабочая частота, выходная мощность, стабильность частоты, потребляемаямощность питания [13].
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">2.Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурномгенераторе на диоде Ганна.
В данной работе проводилось математическое моделирование процессов,происходящих в многоконтурном автодине на диоде Ганна. Для этого быласоставлена эквивалентная схема автодина (Рис. 2.1).
Теоретическое описание характеристик выходного сигналаСВЧ- генератора на диоде Ганна основывалось на математическом описаниипроцессов в многоконтурной эквивалентной схеме, элементы которой моделируютполупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединённых ёмкости С3и активного нелинейного сопротивления, определяемого по ВАХ диода I(U), элементы корпуса диода L3 , C4 ,СВЧ-резонатор в виде последовательного C2 , L2ипараллельного L1 , Y1 , C1контуров, низкочастотную часть схемы, состоящую из последовательного L7 , C6 и параллельного C7 , R5 , L6контуров, дросселя L5 в цепи питания,шунтирующей ёмкости С5 и индуктивностисвязи L4диода с НЧ-схемой.
Эквивалентная схема описывается системой изчетырнадцати дифференциальных уравнений (2.1-2.14), составленных на основезаконов Кирхгофа.
<img src="/cache/referats/707/image019.gif" v:shapes="_x0000_i1033"> (2.1-2.4)
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">Эквивалентная схема автодина на диодеГанна.
<img src="/cache/referats/707/image021.gif" v:shapes="_x0000_i1034">
Рис. 2.1.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA"><img src="/cache/referats/707/image023.gif" v:shapes="_x0000_i1035">
<img src="/cache/referats/707/image025.gif" v:shapes="_x0000_i1036"> (2.4-2.14)
<img src="/cache/referats/707/image027.gif" v:shapes="_x0000_i1037">
Эта система нелинейна и решалась численно методомРунге-Кутта четвёртого порядка с автоматическим выбором шага [16]. При расчётеиспользовалась типичная ВАХ диода Ганна [15], которая аппроксимироваласьвыражением вида:
<img src="/cache/referats/707/image029.gif" v:shapes="_x0000_i1038"> (2.15)
гдеD=0, при U£Un ,D=2, при U>Un ,m0 =6000 см2/Вс,VS=8.5 *106см/с. Выражение (2.15) было программно модифицировано для случая ВАХ сгистерезисом. График использованной ВАХ диода Ганна приведён на рисунке 2.2.
Вольт-амперная характеристика диода Ганна.
<img src="/cache/referats/707/image030.gif" v:shapes="_x0000_i1039">
Рис. 2.2.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">При решении системы учитывалась частотная зависимостьСВЧ- нагрузки. По результатам решения системы (2.1-2.14) вычислялись мощностисигналов Pсвч , Pнч и величиныпродетектированных сигналов DUfgи DUkg в СВЧ- и НЧ-цепях соответственно:
<img src="/cache/referats/707/image032.gif" v:shapes="_x0000_i1040"> (2.16)
<img src="/cache/referats/707/image034.gif" v:shapes="_x0000_i1041"> (2.17)
<img src="/cache/referats/707/image036.gif" v:shapes="_x0000_i1042"> (2.18)
<img src="/cache/referats/707/image038.gif" v:shapes="_x0000_i1043"> (2.19)
где I70 — постоянный ток через диод Ганна в отсутствии генерации.
Нагрузка с волноводной системой была представлена ввиде линии, нагруженной на комплексную проводимость отражающей поверхности(Рис.2.3).
<img src="/cache/referats/707/image039.gif" v:shapes="_x0000_s1041 _x0000_s1049">
<img src="/cache/referats/707/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1044"> <img src="/cache/referats/707/image043.gif" v:shapes="_x0000_i1045">
<img src="/cache/referats/707/image044.gif" v:shapes="_x0000_s1045">
Рис. 2.3.Представление нагрузки в виде нагруженной линии.
Комплексная проводимость нагрузки <img src="/cache/referats/707/image041.gif" v:shapes="_x0000_i1046"> была выражена черезкоэффициент отражения волны от объекта (нагрузки). Для этого была решенасистема уравнений:
<img src="/cache/referats/707/image046.gif" v:shapes="_x0000_i1047"> (2.20)
<img src="/cache/referats/707/image048.gif" v:shapes="_x0000_i1048"> (2.21)
где<img src="/cache/referats/707/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1049">ПАД и <img src="/cache/referats/707/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1050">ПАД — комплексные напряжение и ток падающей волны,<img src="/cache/referats/707/image050.gif" v:shapes="_x0000_i1051">ОТР и <img src="/cache/referats/707/image052.gif" v:shapes="_x0000_i1052">ОТР — комплексные напряжение и ток отражённойволны. Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд отражённой ипадающей волн
<img src="/cache/referats/707/image054.gif" v:shapes="_x0000_i1053"> (2.22)
В результате решения системы уравнений (2.20-2.21) былополучено выражение для комплексной проводимости нагрузки
<img src="/cache/referats/707/image056.gif" v:shapes="_x0000_i1054"> (2.23)
гдеZ0 — волновоесопротивление пустого волновода,
<img src="/cache/referats/707/image058.gif" v:shapes="_x0000_i1055"> (2.24)
где<img src="/cache/referats/707/image060.gif" v:shapes="_x0000_i1056"><img src="/cache/referats/707/image062.gif" v:shapes="_x0000_i1057"><img src="/cache/referats/707/image064.gif" v:shapes="_x0000_i1058"><img src="/cache/referats/707/image066.gif" v:shapes="_x0000_i1059">l- расстояние до объекта.
Для подстановки в систему (2.1-2.14) комплекснаяпроводимость нагрузки (2.23) была представлена в виде действительной и мнимойкомпонент.
<img src="/cache/referats/707/image068.gif" v:shapes="_x0000_i1060"> (2.25)
<img src="/cache/referats/707/image070.gif" v:shapes="_x0000_i1061"> (2.26)
С учётом (2.25) и (2.26) параметры эквивалентной схемыСВЧ-нагрузки рассчитывались из соотношений:
<img src="/cache/referats/707/image072.gif" v:shapes="_x0000_i1062"> (2.27)
<img src="/cache/referats/707/image074.gif" v:shapes="_x0000_i1063"> (2.28)
<img src="/cache/referats/707/image076.gif" v:shapes="_x0000_i1064"> (2.29)
где <img src="/cache/referats/707/image078.gif" v:shapes="_x0000_i1065">
<img src="/cache/referats/707/image080.gif" v:shapes="_x0000_i1066">
При расчёте величины продетектированного сигнала неучитывался вклад гармонических составляющих СВЧ-сигнала, с частотами равными 4f0,5f0и т.д., мощность которых составляла менее 1% мощности выходногосигнала СВЧ-генератора. Здесь f0 — частота основной гармоникивыходного сигнала. Результаты теоретического расчёта величин продетектированныхсигналов DUfg и DUkg в СВЧ- и НЧ-цепях соответственно представлены на рисунке 2.4.
Теоретический расчёт показал, что изменение положениякороткозамыкающего поршня в СВЧ-тракте наряду с изменением мощностиСВЧ-колебаний приводит к изменению амплитуды колебаний в низкочастотномконтуре, что позволяет регистрировать наряду с сигналом автодетектирования вцепи питания по постоянному току сигнал внешнего детектирования как на частотах СВЧ-диапазона, так и внизкочастотном диапазоне. Как следует из результатов расчёта, на представленныхзависимостях наблюдаются локальные максимумы и минимумы, которые обусловлены наличием в спектре выходногосигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.
Математическое моделирование процессов в генераторе надиоде Ганна позволило установить, что существование областей значений входныхсопротивлений СВЧ-нагрузки, в которых их изменение вызывает изменениепродетектированных в СВЧ- и НЧ-цепях сигналов одинакового знака, и областей, вкоторых изменения продетектированных сигналов имеют противоположные знаки,обусловлено наличием значительной реактивной составляющей СВЧ-тока вполупроводниковой структуре диода Ганна. В то же время отметим, что изменениереактивных элементов НЧ-контура более, чем на два порядка приводит лишь кнезначительному (не более 5%) смещению границ этих областей.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">Теоретическиезависимости величин продетектированных сигналов в СВЧ DUfg (1)и НЧ DUkg (2) цепях.
<img src="/cache/referats/707/image082.gif" v:shapes="_x0000_i1067">
Рис.2.4.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">3.Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования вмногоконтурном генераторе на диоде Ганна.
Использование эффекта автодинного детектирования вполупроводниковых СВЧ-генераторах позволяет создавать простые в эксплуатациималогабаритные измерители толщины и диэлектрической проницаемости [17,18]. Дляих нахождения используют результаты измерений на нескольких частотах.Осуществление многопараметрового контроля упрощается, если удаётся проводитьизмерения в условиях, когда на результаты измерений определяющим образом влияеттолько один из искомых параметров. Такая ситуация, в частности реализуется,если для измерения толщины идиэлектрической проницаемости диэлектриков в этом случае применяютсяизмерители, работающие на различных частотных диапазонах, например СВЧ и НЧ.При проведении измерений на СВЧ результат зависит как от толщины, так и отдиэлектрической проницаемости диэлектрика. Если измерения на НЧ проводитьиспользуя схему, в которой диэлектрик помещается в зазор между излучателем иметаллическим основанием, то результат измерений будет определяться толькотолщиной диэлектрика и не будет зависеть от его диэлектрической проницаемости.Определив таким образом толщину диэлектрика, по её значению и показателямпреобразователя на СВЧ можно определить диэлектрическую проницаемость.
Было проведено экспериментальное исследованиезависимости величины продетектированного сигнала в автодинном генераторе надиоде Ганна, работающем в различных частотных диапазонах от положения СВЧкороткозамыкающего поршня. Использовался генератор волноводной конструкции сдиодом типа АА703<span Baltica",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:KO;mso-bidi-language:AR-SA">[1]
,помещённым в разрыв металлического стержневого держателя. К цепи питания диодаГанна через разделительный конденсатор параллельно диоду был подключеннизкочастотный контур. Частота СВЧ-колебаний составляла ~10 ГГц, частота низкочастотных колебаний ~10 МГц. Для детектирования низкочастотныхколебанийСхема экспериментальной установки.
1
2
3
4
5
6
7
8
9
<img src="/cache/referats/707/image083.gif" v:shapes="_x0000_s1057 _x0000_s1058 _x0000_s1059 _x0000_s1060 _x0000_s1061 _x0000_s1062 _x0000_s1063 _x0000_s1064 _x0000_s1065 _x0000_s1066 _x0000_s1067 _x0000_s1068 _x0000_s1069 _x0000_s1070 _x0000_s1071 _x0000_s1072 _x0000_s1073 _x0000_s1074 _x0000_s1075 _x0000_s1076 _x0000_s1077 _x0000_s1078 _x0000_s1079 _x0000_s1080 _x0000_s1081 _x0000_s1082 _x0000_s1083 _x0000_s1084 _x0000_s1085 _x0000_s1086 _x0000_s1087 _x0000_s1088 _x0000_s1089 _x0000_s1090 _x0000_s1091 _x0000_s1092 _x0000_s1093 _x0000_s1094 _x0000_s1095 _x0000_s1096 _x0000_s1097 _x0000_s1098 _x0000_s1099 _x0000_s1100 _x0000_s1101 _x0000_s1102 _x0000_s1103 _x0000_s1104 _x0000_s1105 _x0000_s1106">Рис. 3.1.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">использовалсядиод типа КД503А<span Baltica",«sans-serif»; mso-fareast-font-family:«Times New Roman»;mso-bidi-font-family:«Times New Roman»; mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language:KO;mso-bidi-language:AR-SA">[2]
.Для контроля СВЧ-колебаний использовался измеритель мощности типа Я2М-66.Кроме того, в ходе экспериментальных исследований регистрировался постоянныйток, протекающий через диод Ганна, по падению напряжения на резисторе ссопротивлением порядка 1 Ом, включённом в цепь питания диода Ганна.Схема экспериментальной установки приведена на рисунке3.1. Она включает в себя источник питания СВЧ-выключателя 1 для раздельноговоздействия сигналами СВЧ и НЧ, источник питания диода Ганна 2, схему обработкиинформации и индикации 3, детекторный диод 4, разделительный конденсатор 5,СВЧ-выключатель 6, диод Ганна 7, конденсатор низкочастотного колебательногоконтура 8 и катушку индуктивности 9, располагающейся на поверхности выходногофланца волновода.
В результате экспериментальных исследований былообнаружено, 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. изменениеиндуктивности или ёмкости) приводит к изменению сигнала в СВЧ-цепи. При этомизменения продетектированных в этихцепях сигналов могут быть как одинакового, так и противоположного знаков. Какследует из результатов, приведённых на Pис. 3.2, зависимости величиныпродетектированных в НЧ- и СВЧ-цепяхсигналов DUнчи DIсвчот перемещения короткозамыкающего поршня периодичны и имеют локальные максимумыи минимумы. На этом же рисунке приведена зависимость мощности выходного сигналаРCВЧ СВЧ- генератора надиоде Ганна от перемещения короткозамыкающего поршня.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">Зависимости величины продетектированных в НЧ (1) и СВЧ (2) цепях сигналов изависимость мощности выходного сигнала (3) от положения короткозамыкающегопоршня.
<img src="/cache/referats/707/image084.gif" v:shapes="_x0000_s1056"><img src="/cache/referats/707/image085.gif" v:shapes="_x0000_s1055"><img src="/cache/referats/707/image085.gif" v:shapes="_x0000_s1053"><img src="/cache/referats/707/image086.gif" v:shapes="_x0000_s1050"><img src="/cache/referats/707/image087.gif" v:shapes="_x0000_s1046"><img src="/cache/referats/707/image086.gif" v:shapes="_x0000_s1042"><img src="/cache/referats/707/image089.gif" v:shapes="_x0000_i1068">
Рис3.2.
<span Baltica",«sans-serif»;mso-fareast-font-family:«Times New Roman»; mso-bidi-font-family:«Times New Roman»;mso-ansi-language:RU;mso-fareast-language: KO;mso-bidi-language:AR-SA">Заключение.
При выполнении дипломной работы были получены следующие результаты:
1. Проведен анализ современного состояния проблемы измеренияпараметров материалов и структур спомощью эффекта автодинного детектирования.
2. Построена теоретическая модель многоконтурного автодинного генераторана диоде Ганна, разработана и описана эквивалентная схема.
3. На основе построенной модели составлена программа для расчета параметровмногоконтурного генератора на диоде Ганна.
4. Проведено компьютерное моделирование работы многоконтурного автодина на диодеГанна.
5. Теоретически и экспериментально исследованыособенности проявления эффекта автодинного детектирования в многоконтурномгенераторе на диоде Га