Hvad er en Gunn diode oscillator?

Hvad er en Gunn-diode oscillator?

Gunn-diode oscillator

En Gunn-diode oscillator (også kendt som Gunn-oscillator eller transferred electron device (TED) oscillator) er en billig kilde til mikrobølge effekt og består hovedsageligt af en Gunn-diode eller transferred electron device (TED). De udfører en lignende funktion som Reflex Klystron Oscillators.

I Gunn-oscillatoren placeres Gunn-dioden i en resonant kavitet. En Gunn-oscillator består af to hovedkomponenter: (i) en DC-bias og (ii) en justeringscirkuit.

Hvordan en Gunn-diode fungerer som en oscillator DC-bias

I en Gunn-diode stiger strømmen først, når den anvendte DC-bias øges, indtil den når tærskelspændingen. Ud over dette punkt falder strømmen, mens spændingen fortsætter med at stige op til breakdown-spændingen. Spannet fra toppunktet til dalepunktet i dette forhold danner det, der kaldes negativt resistansområde.

Gunn-diodens evne til at vise negativt resistans, kombineret med dens timingsegenskaber, gør, at den kan fungere som en oscillator. Dette sker, fordi det negative resistans modvirker enhver faktisk resistans i kredsløbet, hvilket giver optimal strømflow.

Dette føder til frembringelsen af kontinuerlige osciller, så længe DC-biasen vedbliver, selvom amplituden af disse osciller er begrænset inden for grænserne for det negative resistansområde. 

Justeringscirkuit

I tilfælde af Gunn-oscillatoren afhænger oscillationsfrekvensen primært af den midterste aktive lag i Gunn-dioden. Den resonerende frekvens kan dog justeres eksternt enten mekanisk eller elektronisk. I tilfælde af elektronisk justeringscirkuit kan kontrollen gennemføres ved hjælp af en bølgelæder, mikrobølge kavitet, varactor diode eller YIG-kugle.

Her monteres dioden i kavitten på en måde, så den neutraliserer tabets resistans i resonatoren, hvilket producerer osciller. På den anden side, i tilfælde af mekanisk justering, ændres størrelsen af kavitten eller magnetfeltet (for YIG-kugler) mekanisk, f.eks. ved hjælp af en justerings-skru, for at justere den resonerende frekvens.

Disse typer oscillatoren bruges til at generere mikrobølgefrequencer, der rækker fra 10 GHz til nogle THz, som bestemmes af dimensionerne af den resonerende kavitet. Normalt har coaxial- og mikrostrib/plane-baserede oscillator-designs lav effektfaktor og er mindre stabile i forhold til temperatur.

På den anden side har bølgelæder- og dielektriske resonator-stabiliserede cirkuitdesigns højere effektfaktor og kan let gøres termisk stabile.Figur 2 viser en coaxial resonator-baseret Gunn-oscillator, der bruges til at generere frekvenser fra 5 til 65 GHz. Når det anvendte spænding Vb varieres, bevæger Gunn-diode-induceret fluktuationer sig langs kavitten for at blive reflekteret fra den anden ende og nå tilbage til deres startpunkt efter tiden t givet ved

Hvor l er længden af kavitten, og c er lysets hastighed. Herfra kan ligningen for den resonerende frekvens af Gunn-oscillatoren deduceres som

hvor n er antallet af halv-bølger, der kan passe ind i kavitten for en given frekvens. Dette n rækker fra 1 til l/ct d, hvor td er tiden, det tager Gunn-dioden at reagere på ændringer i den anvendte spænding.

Her initieres osciller, når belastningen af resonatoren er let højere end den maksimale negative resistans af enheden. Herefter vokser disse osciller i amplitud, indtil den gennemsnitlige negative resistans af Gunn-dioden bliver lig med resistansen af resonatoren, hvorefter man kan få vedvarende osciller. 

Yderligere har disse slags relaxations-oscillatoren en stor kondensator forbundet tværs over Gunn-dioden for at undgå, at enheden brænder ud på grund af store amplitudes signaler.Til sidst skal det bemærkes, at Gunn-diode-oscillatoren anvendes meget som radioudsendere og -modtagere, fartdetekterende sensorer, parametrisk forstærkere, radar-kilder, trafikovervågnings-sensorer, bevaegelsesdetektorer, fjern-vibrationsdetektorer, rotationshastigheds-takometer, fugtighedsindholds-overvågninger, mikrobølge-transceivers (Gunnplexers) og i tilfælde af automatiske døråbnere, indbrudsalarm, politiradar, trådløse LAN, kollisionssikringssystemer, antibloksagebremsesystemer, fodgængersikringssystemer osv.