6.3 Параметры и характеристики генераторов и усилителей на ЛПД в пролетном режиме Режимы генерации и усиления. На основе ЛПД можно создать СВЧ генераторы (ГЛПД) и усилители (УЛПД). В обоих случаях ЛПД включен в колебательную систему. Генерацию или усиление объясняют наличием при определенном режиме работа ЛПД отрицательного сопротивления R (см. pис. 6.10). Отрицательное сопротивление зависит от тока ЛПД, поэтов в ГЛПД с заданным сопротивлением потерь (сопротивления нагрузки, резонатора и областей диода) существует минимальный пусковой ток, начиная с которого возможна генерация. При токе менее пускового обеспечивается усилительный режим. Простейшая схема ГЛПД показала на рис. 6.11. Схема содержит коаксиальный резонатор 1, перестраиваемый с помощью поршня 2 (плунжера), и ЛПД, помещенного между центральным проводником резонатора и его торцом (ЛПД находится в пучности напряжения). Простейшим вариантом УЛПД является регенеративный усилитель отражательного типа (рис. 6.12). Источник сигнала и нагрузка включены в два плеча волноводного циркулятора. К третьему плечу присоединена колебательная система с ЛПД. Усиление сигнала происходят в результате его взаимодействия с колебательной системой, имеющей отрицательную добротность, и может рассматриваться как поступление в нагрузку через циркулятор отраженного усиленного сигнала. Рис. 6.11 Рис. 6.12 Выходная мощность и электронный КПД ГЛПД. Будем считать, что напряжение на ЛПД синусоидальной, импульсы лавинного тока короткие и сдвинуты относительно максимумов СВЧ напряжения на четверть периода (см. рис. 6.7б), а угол пролета в слое дрейфа оптимальный (180°), как показано на рис. 6.6. В этом случае импульсы наведенного тока гнав практически можно считать прямоугольными с длительностью, равной полупериоду. Если I0 — среднее значение наведенного тока, то амплитуда импульсов наведенного тока составит примерно 2I0, а амплитуда его первой гармоники при разложении в ряд Фурье I1 ≈ 4I0/π. Мощность СВЧ колебаний в дрейфовом слое P=0.5 I1Uдр1(6.56) гае Uдр1 — амплитуда синусоидального напряжения на слое дрейфа. Для грубой оценки обычно считают, что Uдр1 не превышает половины постоянного напряжения U0 на диоде (Uдр1 ≈ U0/2), чтобы мгновенное напряжение на диоде не стало прямым (положительным). Тогда из (6.56) P ≈ I0U0/π = P0/π, ΰ электронный КПД ηэ=P/P0≈1/π (6.67) составит примерно 30%, что весьма близко к лучшим экспериментальным результатам, полученным для ЛПД из арсенида галлия. Выходная мощность не может превышать потребляемой. Поэтому обычно для оценки максимальной выходной мощности определяют максимальную потребляемую диодом мощность Р0mах, где U0mах и I0mах — максимальное допустимое напряжение на диоде и соответствующий ему максимальный ток. Очевидно, что самое большое значение U0mах будет в том случае, когда по всей длине перехода w поле будет одинаковым и равным критическому, т. е. U0mах = Eкрw. По теореме Гаусса заряд в переходе q=εSEкр, а максимальный ток при времени пролета τдр=w/vн составит I0mах = q/τдр = εSEкрvн/w. Следовательно, Р0mах = εSvнЕ2кр (6.58) Обычно это условие записывают в ином виде, вводя емкостное сопротивление прибора Хс = l/ωC=w/ωεS. С учетом этого (7.58) приводится к виду Р0mах f2= v2нЕ2кр/8πXc. (6.59) Условие (7.59) означает, что при постоянном емкостном сопротивлении прибора Xc потребляемая мощность обратно пропорциональна квадрату частоты: Р0mах f2 = const. (6.60) На более низких частотах ограничение связано не с процессами в переходе, а с теплоотводом, и вместо (7.60) получено условие Р0mах f = const. (6.61) На рис. 6.13 показаны расчетные зависимости мощности от частоты, соответствующие (6.60) и (6.61). Ограничение полезной мощности связано также с влиянием объемного заряда при больших плотностях тока, необходимых для получения значительной мощности. Учет объемного заряда приводит к тому, что перед движущимся электронным сгустком поле увеличивается, а за ним уменьшается по сравнению с полем, котoрoе было до появления электронов. Снижение поля за сгустком вызовет уменьшение коэффициентов умножения, а следовательно и лавинного тока, который пройдет через максимальное значение ранее, чем показано на рис. 6.6. С ростом объемного заряда отставание импульса тока от СВЧ напряжения уменьшается. Последнее приведет к уменьшению амплитуды СВЧ колебаний, так как образовавшийся сгусток, войдя в слой дрейфа, некоторое время двигается в ускоряющем поле и отбирает энергию от СВЧ поля. Кроме того, чем больше исходный ток I0, тем меньший коэффициент лавинного умножения требуется для получения заданного лавинного тока и меньшее время необходимо для достижения максимума лавинного тока. Это также уменьшает запаздывание лавинного тока относительно максимума переменного напряжения. Рис. 6.13 У самых высокочастотных ЛПД с малой шириной обедненной области w для получения ударной ионизации необходима напряженность поля Е>106 В/см. Однако при таком поле уже возможен туннельный пробой. Появляющийся туннельный ток синфазен с переменным напряжением, поэтому исчезает запаздывание, необходимое для получения отрицательного сопротивления. Кроме того, при Е>106 В/см коэффициенты ионизации слабо зависят от поля. Это приводит к расширению лавинного импульса, изменению формы наведенного тока уменьшению полезной мощности и КПД. Шумы. Уровень шумов в ЛПД в основном определяется флуктуациями лавинного тока, выходящего из слоя умножения. Эти флуктуации объясняются, во-первых, статистическим разбросом моментов поступления неосновных носителей в слой умножения, а во-вторых, флуктуацией числа частиц в лавинах, образованных каждым пришедшим носителем заряда. Флуктуации, связанные с первой причиной, подобны дробовому шуму и растут с увеличением тока. Исследования показывают, что флуктуации тока, вызванные второй причиной, значительно больше дробовых флуктуации исходного тока и растут с увеличением среднего числа носителей в лавине. При приближении к лавинной частоте уровень шума резко возрастает. Установлено также, что шум возрастает при увеличении амплитуды СВЧ напряжения или выходной мощности. Расчетно и экспериментально найдено, что в пролетном режиме работы минимальные шумы у ЛПД из арсенида галлия, а максимальные — у ЛПД из кремния. Меньший коэффициент шума в случае, арсенида галлия объясняют равенством коэффициентов ионизации электронов и дырок (αn=αp). Коэффициент, шума ЛПД по сравнению с другими полупроводниковыми и электровакуумными, приборами высок, что является существенным недостатком. Минимальный коэффициент шума усилителей на ЛПД составляет около 20дБ. назад | оглавление | вперёд