Эффект Ганна обнаружен американским физиком Дж. Ганном (J. Gunn) в 1963 г. в кристалле арсенида галлия (GaAs) с электронной проводимостью. Ганн обнаружил, что при приложении электрического поля E (E пор ≥ 2‑3 кВ/см) к однородным образцам из арсенида галлия n ‑типа в образце возникают спонтанные колебания тока. Позднее он установил, что при E > E пор в образце, обычно у катода, возникает небольшой участок сильного поля – «домен», дрейфующий от катода к со скоростью ~107 см/сек и исчезающий на аноде. Затем у катода формируется новый домен, и процесс периодически повторяется. Моменту возникновения домена соответствует падение тока, текущего через образец. Моменту исчезновения домена у анода – восстановление прежней величины тока. Период колебаний тока приблизительно равен пролетному времени, т. е. времени, за которое домен дрейфует от катода к аноду.
Генерация СВЧ-колебаний в диодах Ганна
Как любой генератор СВЧ-диапазона, генератор Ганна характеризуется генерируемой мощностью, длиной волны или частотой генерируемых колебаний, коэффициентом полезного действия, уровнем шумов и другими параметрами.
Выходная непрерывная мощность генераторов Ганна в пролётном режиме обычно составляет десятки – сотни милливатт, а при импульсной работе достигает сотен ватт.
Рабочая частота в пролётном режиме обратно пропорциональна длине или толщине высокоомной части кристалла (f = v/l).
Связь между генерируемой мощностью и частотой можно представить в виде
Мощность генерируемых СВЧ-колебаний зависит от полного сопротивления z или от площади рабочей части высокоомного слоя полупроводника. Приведённое соотношение указывает на то, что ожидаемое изменение мощности с частотой пропорционально 1/f2.
Верхний предел рабочей частоты диодов Ганна составляет примерно 150 ГГц. Генераторы Ганна из арсенида галлия могут генерировать СВЧ-колебания от 1 до 50 ГГц. Несколько большие частоты получены на генераторах Ганна из фосфида индия в связи с большими значениями максимальных скоростей электронов, но качество приборов из этого материала значительно ниже из-за недостаточной отработки технологии изготовления материала. Преимущество фосфида индия перед арсенидом галлия — большее значение пороговой напряжённости электрического поля (10,5 и 3,2 кВ/см соответственно).
Принцип действия ваккумных ламп с управлением током
... Важнейшим параметром диода (при управлении переменным током) является крутизна S=-dI a /dUa .В режиме пространственного заряда (2) 1.2. Вакуумный триод Уравнение статической характеристики. Рис. 1 Система ... описывается уравнением «трех вторых». В режиме насыщения (U a >>0) анодный ток равен току эмиссии катода, который лишь незначительно возрастает при увеличении анодного напряжения за счет ...
Это должно позволить создать генератор Ганна с большей выходной мощностью. Для создания больших частот генерируемых колебаний представляют интерес тройные соединения GaInSb, т. к. в них велики дрейфовые скорости электронов.
Рис.1 Примеры характеристик диодов Ганна [33, 35]
Эффект Ганна наблюдается помимо GaAs и InP также в электронных полупроводниках CdTe, ZnS, InSb, InAs и др., а также в Ge с дырочной проводимостью.
Коэффициент полезного действия генераторов Ганна может быть различным (от 1 до 30%), так как существенно отличаются технологии изготовления приборов и качество исходного полупроводникового материала.
В связи с возможным наличием в кристалле генератора Ганна нескольких неоднородностей зарождение домена может происходить в различные моменты времени на разном расстоянии от анода. Поэтому частота колебаний будет изменяться, т. е. могут возникать частотные шумы. Кроме частотных шумов в генераторах Ганна существуют амплитудные шумы, основной причиной которых являются флуктуации в скоростях движения электронов. Обычно амплитудные шумы в генераторах Ганна малы, так как дрейфовая скорость в сильных электрических полях, существующих в этих приборах, насыщена и слабо изменяется при изменении электрического поля.
Важным для практического применения генераторов Ганна является вопрос о возможности их частотной перестройки в достаточно широком диапазоне. Из принципа действия генератора Ганна ясно, что частота его должна слабо зависеть от приложенного напряжения. С увеличением приложенного напряжения несколько возрастает толщина домена, а скорость его движения изменяется незначительно. В результате при изменении напряжения от порогового до пробивного частота колебаний увеличивается всего на десятые доли процента.
Срок службы генераторов Ганна относительно мал, что связано с одновременным воздействием на кристалл полупроводника таких факторов, как сильное электрическое поле и перегрев кристалла из-за выделяющейся в нём мощности.
2. Структурная схема средств измерения
Обобщенная структурная схема измерителя СВЧ цепей представлена на рисунке 2.
Назначение и основные функции блоков измерителя:
- Генератор качающейся частоты (ГКЧ) — формирование СВЧ измерительного сигнала и управление этим сигналом;
- СВЧ измерительный тракт — выделение информационных СВЧ измерительных сигналов;
- Преобразователь информационно — измерительных сигналов — преобразование информационных — измерительных сигналов из СВЧ диапазона в НЧ диапазон;
Блок измерительный:
- фильтрация и усиление преобразованных сигналов;
- функциональные преобразования сигналов;
- управление процессом измерения;
- индикация и отсчет результатов измерения.
 |
Типы измерительных трактов и их компоненты
По принципу действия схемы измерительных трактов делятся на:
- интерференционные;
- рефлектометрические.
Интерференционные схемы используются в измерительных линиях. Принцип действия рефлектометрических схем основан на выделении с помощью направленных ответвителей сигналов пропорциональных мощностям падающей, отраженной и прошедшей волн.
3. Методы измерения параметров
3.1Калориметрический метод измерения мощности
Калориметрический метод измерения мощности отличается высокой точностью, является универсальным и используется во всем радиотехническом диапазоне частот, как для малых, так и для больших мощностей. Meтод основан на преобразовании энергии электромагнитных колебаний, поглощаемых согласованной нагрузкой, в тепловую. Поглощение энергии поглотителем, составляющим основной элемент прибора, можно зарегистрировать либо непосредственно по изменению его температуры, либо косвенно как изменение объема, давления или других характеристик.
Надежные калориметрические методы отличаются обратимостъю в том смысле, что с поглотителем не происходит никаких необратимых изменений и все калориметры возвращаются в свое первоначальное состояние за время установления равновесия.
Калориметрические измерители состоят из двух частей: поглощающей нагрузки и измерителя температуры. Наиболее распространены нагрузки с проточной водой. Мощность, поглощаемая в водяной нагрузке с проточной водой, определяется по разности температур на выходе и входе нагрузки калориметра и по скорости расхода протекающей воды.
3.2 Измерение мощности термопарами
Данный метод измерения основан на регистрации значения термоЭДС, возникающей при нагревании термопары энергией СВЧ. Структурная схема ваттметра состоит из приемного термопреобразователя и измерительной части. Основным элементом преобразователя является блок высокочастотных термопар, одновременно выполняющих функции согласованной нагрузки и дифференциального термометра. В СВЧ-диапазоне чаще применяют термопары в виде тонких металлических пленок, напыленных на диэлектрическую подложку.
Основным элементом измерительной части прибора является вольтметр постоянного тока с цифровым дисплеем.
К преимуществам таких ваттметров следует отнести малую зависимость результатов измерения от колебаний температуры окружающей среды и малое время подготовки прибора к работе. Недостатки ваттметров: ограниченный верхний уровень динамического диапазона и недостаточная устойчивость к перегрузкам, ограничивающая допустимое значение средней мощности при измерении импульсных сигналов. Практически стандартные термопары способны выдерживать без разрушения мощность, не превышающую 50мВт. Уровень измеряемой мощности может быть несколько увеличен, если перед термисторной, болометрической или термопарной камерой поместить калиброванный аттенюатор.
3.3 Метод двух отсчетов для измерения уровня шума
Наиболее простым и распространенным в повседневной практике методом измерения шумовых параметров приемно-усилительных устройств (ПУУ) является метод двух отсчетов. Метод состоит в поочередной подаче на вход измеряемого устройства шумовых сигналов с известными значениями температуры шума Т1 и Т2 (Т1 < Т2) и измерении уровня сигналов на его выходе.
Структурная схема метода измерения представлена на рисунке 3.1. В качестве источников шумовых сигналов могут использоваться любые генераторы шума с известной температурой шума.
При поочередной подаче на вход измеряемого ПУУ шумовых сигналов показания измерителя мощности будут пропорциональными:
(3.1)
, (3.2)
где Fу — коэффициент шума измеряемого ППУ при подаче сигнала с температурой шума Т1;
- k — коэффициент пропорциональности.
Решив совместно (3.1) и (3.2), получим
, или
, (3.3)где 
— относительное изменение уровня мощности сигнала на выходе линейной части измеряемого ППУ при двух различных значениях температуры шума на его входе.
Рисунок 3.1 — Структурная схема измерения шумовых параметров четырехполюсников методом двух отсчетов
Полученное в результате измерения значение Fу(Ту) включает в себя кроме значения температуры шума входа измеряемого устройства также
составляющую за счет собственных шумов измерителя мощности:
, (3.4)
где Тизм — температура шума входа измерителя мощности;
- G — коэффициент усиления измеряемого устройства по мощности.
3.4 Метод сравнения для измерения частоты.
Получил широкое распространение, благодаря его простоте, пригодности для использования практически в любом диапазоне частот и сравнительно высокой точности результата измерения. Измеряемая частота определяется по равенству или кратности образцовой частоте. Следовательно, для измерения частоты fx . методом сравнения необходимо иметь источник образцовых частот fобр индикатор равенства или кратности fx . и fобр. В качестве источника образцовых частот применяют образцовые меры частоты, так называемые стандарты частоты, с нестабильностью Ю-9—10~11 за 1 сут.
Для градуировки генераторов измерительных сигналов используют синтезаторы частоты и другие генераторы, погрешность установки частоты которых на порядок, а нестабильность частоты за 30 мин — на 3 порядка меньше, чем у градуируемого генератора.
Индикатором равенства или кратности частот может быть осциллограф или нелинейный ;
Рис. 10. К определению кратности частот
в соответствии с этим метод сравнения для измерения частоты реализуют двумя способами: осциллографическим и гетеродинным.
3.5 Измерение частоты с помощью гетеродинных частотомеров.
Наиболее точными измерителями частоты являются приборы, основанные на сравнении частоты исследуемого сигнала с частотой высокостабильного источника. Различают методы сравнения частот: нулевые биения, интерполяционный генератор и последовательное уменьшение частоты.
Рис. 8 . Рис. 9 .
На линейный элемент-смеситель (рис. 8 ) подаются ВЧ-сигнал с неизвестной частотой fx и сигнал с частотой fоп от опорного источника. На выходе получаются сигналы с этими же частотами, а также их гармоники и сигналы с частотами биений. Так как амплитуды гармонических составляющих невелики, а следовательно, невелики и сигналы их разностной частоты, то для индикации удобно использовать сигнал с частотой биений fб=fх–fоп=0 . Отсюда и название метода-метод нулевых биений. На выходе нелинейного элемента включается индикатор, например телефон, пропускающий только сигналы звуковой частоты. Если плавно изменять частоту опорного генератора, то при fх-fоп <15000 Гц в телефоне появляется тон разностной частоты, который понижается три сближении fх и fоп .
На (рис. 9 ) показан характер изменения fб при фиксированной неизвестной частоте fх и перестраиваемой частоте fоп . При fб<16 Гц человеческое ухо перестает воспринимать низкие частоты, и погрешность вследствие этого может достичь 32 Гц. Для уменьшения погрешности следует воспользоваться «вилочным» отсчетом: запоминают на слух некоторый тон биений, например соответствующий частоте fоп1 . Затем отмечают частоту fоп2 , при которой в телефоне прослушивается тот же тон биений. Искомая частота fх есть среднее арифметическое отмеченных частот.
В реальных условиях в смесителе вырабатываются одновременно и гармонические составляющие основных сигналов, поэтому нулевые биения отмечают при равенстве частот гармоник nfх =m fоп , где n, т=1,2,3 … Чтобы исключить в этом случае погрешность в выборе гармоники, нужно предварительно каким-либо способом, например резонансным, ориентировочно измерить неизвестную частоту.
fх<<fоп
Отсюда
.
Если fx1>>fоа, то настраивают опорный генератор на такие две частоты fоп1 и fоп2, чтобы fx=m fоп1 и fx=(m±1)fоп2. Тогда
Схема. 2.
Поскольку трудно сделать опорный генератор с плавной перестройкой и высокой стабильностью частоты, то прибегают к интерполяционному методу. В этом случае в схему 1 наряду с интертюляционным генератором, частоту которого можно плавно менять, вводят образцовый генератор с фиксированной сеткой частот. Процедура измерений состоит в следующем. Последовательно настраивают интерполяционный генератор на нулевые биения с измеряемым сигналом частоты fx и с соседними гармоническими составляющими опорной частоты образцового генератора тfx и (m+1)fоп по обе стороны от частоты fx. Отсчеты по шкале интерполяционного генератора будут соответственно αх, α1, α2. В этом случае
Точность измерений тем выше, чем меньше разность частот между соседними гармониками образцового генератора, линейнее шкала настройки интерполяционного генератора и выше его разрешающая способность.
Погрешности гетеродинных частотомеров определяются, прежде всего, погрешностями СВЧ генераторов. Интерполяционный генератор вносит дополнительную погрешность, обусловленную изменением частоты генератора за время измерений, неточностью градуировки шкалы и погрешностью отсчета. В результате погрешность таких частотомеров составляет ±5•10-6. Следует заметить, что указанное значение погрешности получается лишь после продолжительного прогрева прибора (до 1–1,5 ч).
4. Литература
[Электронный ресурс]//URL: https://inzhpro.ru/referat/vch-generatoryi/
1. Советов сверхвысоких частот. М., Высшая школа, 1976
2. Метрология, и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов /Под ред. . – М.: Радио и связь, 2006.
3. Специальный практикум по полупроводникам и полупроводниковым приборам / под ред. , – М.: Госэнергоиздат, 1962.
4. Теория электронных полупроводников, – М.: изд-во иностр. лит., 1953.
5. Лебедев и приборы СВЧ. М., Высшая школа, т. I, 1970, т, II, 1972.
