Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Саратовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет

им. Н.Г.Чернышевского

Кафедра физики твёрдого тела

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МНОГОКОНТУРНОМ ГЕНЕРАТОРЕ

НА ДИОДЕ ГАННА

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

студента 511 группы физического факультета

Каца Ефима Ильича

Научные руководители

к.ф.-м.н., доцент

Скрипаль А.В.,

аспирант

Бабаян А.В.

Зав. кафедрой ФТТ

профессор, академик МАН ВШ

Усанов Д.А.

г.Саратов - 1996 г.

Содержание.

| |Стр. |

|Введение |3 |

|1. Анализ возможности использования автодинов на |5 |

|полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля | |

|параметров материалов и сред. | |

|2. Теоретическое исследование эффекта автодинного |12 |

|детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.| |

| | |

|3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного |20 |

|детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.| |

| | |

|Заключение. |24 |

|Список литературы. |25 |

|Приложение. Текст программы для моделирования процессов в |28 |

|многоконтурном генераторе на диоде Ганна | |

Введение.

В связи с развитием современных технологий, требующих непрерывного

контроля за многими параметрами технологического процесса, состоянием

оборудования и параметрами материалов и сред становится всё более

актуальной задача создания неразрушающих бесконтактных методов измерения и

контроля параметров материалов и сред. Измерения на СВЧ позволяют

определить электропроводность, толщину, диэлектрическую проницаемость и

другие параметры материалов и сред без разрушения поверхности образца, дают

возможность автоматизировать контроль параметров материалов. Для этого в

настоящее время широко используются методы, основанные на использовании

эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых приборах.

Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-

генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на

установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от

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

рассмотреть принципы действия таких устройств.

При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, 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 СВЧ-генератора наблюдается

эффект автодинного детектирования.

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 СВЧ-генератора, в которой комплексная

проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и

характеристиками электродинамической системы [7,9].

Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного

детектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для создания

измерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их

работы.

1. Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных

СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.

При изменении уровня СВЧ-излучения, воздействующего на

полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается

изменение постоянного тока, протекающего через них, что можно понимать как

проявление эффекта детектирования [2,7]. Если прибор с отрицательным

сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора, этот эффект

называют эффектом автодинного детектирования.

Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых

СВЧ-генераторах позволило создать устройства, совмещающие несколько

радиотехнических функций в одном элементе (например, излучение и приём

электромагнитных колебаний). Автодины на полупроводниковых генераторах,

получившие к настоящему времени достаточно широкое применение, используются

в основном для обнаружения движущихся объектов.

Важной областью применения автодинов является контроль параметров

материалов и сред. Применение эффекта автодинного детектирования в

полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред

основано на установлении зависимостей величины продетектированного СВЧ-

сигнала от параметров контролируемых величин: диэлектрической проницаемости

и проводимости. Измерения с помощью приборов основаны на сравнение с

эталонами, а точность измерения в основном определяется точностью

эталонирования.

Теоретическое обоснование возможности использования эффекта

автодинного детектирования в диодных СВЧ-генераторах для контроля

параметров материалов и сред проведено на основе численного анализа.

Описание отклика диодного СВЧ-автодина может быть сделано на основе

рассмотрения эквивалентной схемы генератора (Рис. 1.1), в которой

комплексная проводимость Yn определяется параметрами исследуемого материала

и характеристиками электродинамической системы, а Yd - средняя проводимость

полупроводникового прибора.

Yd Yn

Рис. 1.1. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде.

Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением (1.1),

согласно первому закону Кирхгофа.

[pic] (1.1)

[pic] (1.2)

I1, U1 - комплексные амплитуды тока и напряжения первой гармоники на

полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим проводимостям приложено одно и то

же напряжение U1, можно записать баланс мощностей:

[pic] (1.3)

Активная мощность на нагрузке (1.4) положительна

[pic] (1.4)

отсюда вытекает, что

[pic] (1.5)

т.е. Yd должна иметь отрицательную действительную часть при существовании в

системе колебаний с ненулевой амплитудой. Наличие отрицательной

проводимости характеризует трансформацию энергии: полупроводниковый элемент

потребляет энергию постоянного тока и является источником колебаний

ненулевой частоты.

Возникновение СВЧ-колебаний в электрической схеме с нелинейным

элементом вследствие его детектирующего действия приводит к появлению

дополнительной составляющей постоянного тока [pic], то есть возникает так

называемый эффект автодинного детектирования [18]. Величина [pic]

определяется из выражения

[pic] (1.6)

Детекторный эффект наблюдается в СВЧ-усилителях на биполярных

транзисторах, 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 качестве СВЧ-автодинов. Сравнительные характеристики полупроводниковых

СВЧ-диодов приведены в таблице 1.

Таблица 1.

|Диод |Мощность |КПД |Смещение |Шумы |

|ЛПД |десятки | | | |

| |ватт |до 15% |десятки Вольт |25 дБ |

|ИПД |десятки | |сотни | |

| |милливатт |единицы % |милливольт |около 5 дБ |

|ДГ |десятки |зависит от | | |

| |милливатт - |режима |4.5-11 Вольт |10-12 дБ |

| |единицы Ватт |работы | | |

|ТД |единицы и | |сотни | |

| |десятки |единицы % |милливольт |около 5 дБ |

| |микроватт | | | |

Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя основными

уравнениями в частных производных [10]: уравнением плотности тока,

характеризующим образование направленных потоков заряда; уравнением

непрерывности, 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 виде

затруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить анализ вводят эквивалентные

схемы полупроводниковых приборов.

ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для анализа, т.к. их

эквивалентная схема более проста и точна, чем схемы других

полупроводниковых приборов. С практической точки зрения ТД представляет

собой интерес при создании маломощных автодинов в коротковолновой части

сантиметрового диапазона.

ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [11], но из-за

низкого уровня шумов и малого напряжения питания являются перспективными

для допплеровских автодинов.

В работе [12] исследована возможность измерения диэлектрической

проницаемости материалов по величине продетектированного работающем в

режиме генерации ЛПД сигнала. Использовался генератор волноводной

конструкции (канал волновода 23*10 мм.) с ЛПД типа АА707, установленным в

разрыве стержневого держателя. Измерения продетектированного сигнала

проводилось компенсационным методом. Исследуемые диэлектрики, с

предварительно определёнными значениями диэлектрической проницаемости на

СВЧ, прикладывались к отверстию на выходном фланце генератора.

Результаты проведённых исследований показали, что ход зависимости

величины продетектированного сигнала от диэлектрической проницаемости

зависит от конструкции измерительного генератора, в частности, от

расстояния от плоскости расположения ЛПД до открытого конца волновода, к

которому прикладывается исследуемых диэлектрик.

ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний. Однако,, в

качестве недостатка можно отметить относительно высокий уровень шумов,

обусловленный, в первую очередь, шумами лавинообразования.

В ряде работ [2,3,17,18] рассматривается возможность применения СВЧ-

генераторов на диоде Ганна для измерения параметров материалов и сред.

Отмечается преимущество данного способа измерения: исследуемый образец

находится под воздействием СВЧ-мощности, а регистрация измерений

производится на низкочастотной аппаратуре, имеющей высокую точность и

отличающейся простой в эксплуатации.

В настоящее время разработаны и изготовлены устройства для

Страницы: 1, 2, 3, 4