Was ist ein Gunn-Dioden-Oszillator?

Was ist ein Gunn-Dioden-Oszillator?

Gunn-Dioden-Oszillator

Ein Gunn-Dioden-Oszillator (auch bekannt als Gunn-Oszillator oder Transferred-Electron-Device-Oszillator) ist eine kostengünstige Quelle für Mikrowellenleistung und besteht hauptsächlich aus einer Gunn-Diode oder einem Transferred-Electron-Device (TED). Sie erfüllen eine ähnliche Funktion wie Reflex-Klystron-Oszillatoren.

In Gunn-Oszillatoren wird die Gunn-Diode in einer resonanten Hohlraumkammer platziert. Ein Gunn-Oszillator besteht aus zwei Hauptkomponenten: (i) Eine Gleichstrom-Vorspannung und (ii) Ein Stimmkreis.

Wie funktioniert eine Gunn-Diode als Oszillator mit Gleichstrom-Vorspannung

Bei einer Gunn-Diode steigt der Strom zunächst, wenn die angewendete Gleichstrom-Vorspannung erhöht wird, bis sie die Schwellenspannung erreicht. Jenseits dieses Punkts fällt der Strom, während die Spannung weiter ansteigt, bis zur Zerstörungsspannung. Der Bereich vom Strommaximum zum Stromminimum bildet das sogenannte negativer Widerstandsbereich.

Die Fähigkeit der Gunn-Diode, einen negativen Widerstand zu zeigen, kombiniert mit ihren Zeitverhalten, ermöglicht es ihr, als Oszillator zu fungieren. Dies geschieht, weil der negative Widerstand jeden tatsächlichen Widerstand im Schaltkreis kompensiert und so den optimalen Stromfluss ermöglicht.

Dies führt zur Erzeugung kontinuierlicher Oszillationen, solange die Gleichstrom-Vorspannung aufrechterhalten wird, wobei die Amplitude dieser Oszillationen innerhalb der Grenzen des negativen Widerstandsbereichs begrenzt ist. 

Stimmkreis

Im Fall von Gunn-Oszillatoren hängt die Oszillationsfrequenz hauptsächlich von der mittleren aktiven Schicht der Gunn-Diode ab. Allerdings kann die Resonanzfrequenz extern durch mechanische oder elektrische Mittel eingestellt werden. Im Fall eines elektronischen Stimmkreises kann die Steuerung durch Verwendung eines Wellenleiters, einer Mikrowellenkammer, einer Varikapdioden oder einer YIG-Sphäre erfolgen.

Hierbei wird die Diode in der Kammer so montiert, dass sie den Verlustwiderstand des Resonators kompensiert und Oszillationen erzeugt. Andererseits, bei mechanischer Einstellung, wird die Größe der Kammer oder das Magnetfeld (für YIG-Sphären) durch mechanische Mittel, wie z.B. einen Justierschraubenzieher, variiert, um die Resonanzfrequenz einzustellen.

Diese Art von Oszillatoren wird verwendet, um Mikrowellenfrequenzen von 10 GHz bis zu wenigen THz zu erzeugen, je nach den Abmessungen der resonanten Kammer. In der Regel haben koaxiale und mikrostreifenbasierte Oszillator-Designs einen niedrigen Leistungsgrad und sind temperaturmäßig weniger stabil.

Andererseits haben Wellenleiter- und dielektrische Resonator-stabilisierte Schaltkreise einen höheren Leistungsgrad und können leicht thermisch stabilisiert werden. Abbildung 2 zeigt einen koaxialen Resonator-basierten Gunn-Oszillator, der Frequenzen von 5 bis 65 GHz erzeugt. Hierbei bewegen sich die durch die Gunn-Diode induzierten Fluktuationen, wenn die angelegte Spannung Vb variiert, entlang der Kammer, reflektieren sich am anderen Ende und erreichen ihren Ausgangspunkt nach der Zeit t, gegeben durch

Wobei l die Länge der Kammer und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Daraus lässt sich die Gleichung für die Resonanzfrequenz des Gunn-Oszillators ableiten:

Wobei n die Anzahl der Halbwellen ist, die in die Kammer passen, für eine bestimmte Frequenz. Dieses n reicht von 1 bis l/ct d, wobei td die Zeit ist, die die Gunn-Diode benötigt, um auf Änderungen der angelegten Spannung zu reagieren.

Hierbei beginnen die Oszillationen, wenn die Belastung des Resonators leicht höher als der maximale negative Widerstand des Geräts ist. Anschließend wachsen diese Oszillationen in Bezug auf ihre Amplitude, bis der durchschnittliche negative Widerstand der Gunn-Diode gleich dem Widerstand des Resonators wird, nachdem man dann anhaltende Oszillationen erhalten kann. 

Darüber hinaus haben diese Art von Relaxationsoszillatoren einen großen Kondensator, der über die Gunn-Diode geschaltet ist, um ein Verbrennen des Geräts durch große Amplituden zu vermeiden. Letztendlich ist zu beachten, dass Gunn-Dioden-Oszillatoren weit verbreitet als Radiosender und -empfänger, Geschwindigkeitsdetektorsensoren, parametrische Verstärker, Radarsignalsquellen, Verkehrsmesssensoren, Bewegungsdetektoren, Fernvibrationssensoren, Drehzahl-Tachometer, Feuchtigkeitsgehaltsmonitore, Mikrowellen-Transceiver (Gunnplexer) und in automatischen Türen, Einbruchalarmen, Polizeiradaren, drahtlosen LANs, Kollisionsvermeidungssystemen, Antiblockiersystemen, Fußgängersicherheitssystemen usw. eingesetzt werden.