Τι είναι ένας ταλαντωτής Gunn Diode;

Τι είναι ένας Gunn Diode Oscillator;

Gunn Diode Oscillator

Ένας Gunn Diode Oscillator (επίσης γνωστός ως Gunn oscillator ή transferred electron device oscillator) είναι μια φθηνή πηγή μικροκυματικής ισχύος και αποτελείται κυρίως από έναν Gunn diode ή transferred electron device (TED). Εκτελούν την ίδια λειτουργία με τους Reflex Klystron Oscillators.

Στους Gunn oscillators, ο Gunn diode τοποθετείται σε μια επαναφορική καμπή. Ένας Gunn oscillator αποτελείται από δύο βασικά συστατικά μέρη: (i) Μια DC προκατάσταση και (ii) ένα κύκλωμα συντονισμού.

Πώς λειτουργεί ο Gunn Diode ως oscillator με DC προκατάσταση

Σε έναν Gunn diode, όταν αυξάνεται η εφαρμοσμένη DC προκατάσταση, ο ρευστής αρχικά αυξάνεται μέχρι να φτάσει στην θραύση τάση. Πέρα από αυτό το σημείο, ο ρευστής μειώνεται καθώς η τάση συνεχίζει να αυξάνεται μέχρι την τάση κατάρρευσης. Το διάστημα από το κορύφωμα έως το λεκάνι σε αυτή τη συμπεριφορά σχηματίζει αυτό που γνωστοποιείται ως περιοχή αρνητικής αντίστασης.

Η δυνατότητα του Gunn diode να εμφανίζει αρνητική αντίσταση, σε συνδυασμό με τις χρονικές του ιδιότητες, του επιτρέπει να λειτουργεί ως oscillator. Αυτό συμβαίνει επειδή η αρνητική αντίσταση αντισταθμίζει οποιαδήποτε πραγματική αντίσταση μέσα στο κύκλωμα, επιτρέποντας την βέλτιστη ροή ρευστού.

Αυτό οδηγεί στην παραγωγή συνεχών ταλαντώσεων, εφ' όσον διατηρείται η DC προκατάσταση, αν και η εξάπλωση αυτών των ταλαντώσεων περιορίζεται μέσα στα όρια της περιοχής αρνητικής αντίστασης. 

Κύκλωμα συντονισμού

Στην περίπτωση των Gunn oscillators, η συχνότητα ταλάντωσης εξαρτάται κυρίως από το μεσαίο ενεργό επίπεδο του Gunn diode. Ωστόσο, η συχνότητα συντονισμού μπορεί να προσαρμοστεί εξωτερικά είτε μηχανικά είτε ηλεκτρικά. Στην περίπτωση του ηλεκτρονικού κυκλώματος συντονισμού, η ελεγχόμενη μπορεί να προκύψει μέσω της χρήσης ενός waveguide ή microwave cavity ή varactor diode ή YIG sphere.

Εδώ, ο diode εγκαταστάται μέσα στην καμπή με τέτοιο τρόπο ώστε να ακυρώνει την αντίσταση απώλειας του συντονιστή, παράγοντας ταλαντώσεις. Από την άλλη, στην περίπτωση της μηχανικής προσαρμογής, το μέγεθος της καμπής ή το μαγνητικό πεδίο (για YIG spheres) μπορεί να παραλλαχτεί μηχανικά, π.χ., μέσω ενός πινάκιου προσαρμογής, προκειμένου να συντονιστεί η συχνότητα συντονισμού.

Αυτοί οι τύποι oscillators χρησιμοποιούνται για την παραγωγή μικροκυματικών συχνοτήτων από 10 GHz έως μερικά THz, όπως αποφασίζεται από τις διαστάσεις της επαναφορικής καμπής. Συνήθως, τα σχεδιασμένα oscillators με co-axial και microstrip/planar έχουν χαμηλό παράγοντα ισχύος και είναι λιγότερο σταθερά ως προς τη θερμοκρασία.

Από την άλλη, τα waveguide και dielectric resonator stabilized circuit designs έχουν μεγαλύτερο παράγοντα ισχύος και μπορούν να γίνουν θερμικά σταθερά, πολύ εύκολα.Ο Σχήμα 2 δείχνει έναν Gunn oscillator με βάση co-axial resonator που χρησιμοποιείται για την παραγωγή συχνοτήτων από 5 έως 65 GHz. Εδώ, καθώς αλλάζει η εφαρμοσμένη τάση Vb, οι ταλαντώσεις που προκαλούνται από τον Gunn diode ταξιδεύουν μέσα στην καμπή για να αντανακληθούν από την άλλη άκρη και να φτάσουν ξανά στο σημείο έναρξής τους μετά από χρόνο t δεδομένο από

Όπου, l είναι το μήκος της καμπής και c είναι η ταχύτητα του φωτός. Από αυτό, μπορεί να προσδιοριστεί η εξίσωση για τη συχνότητα συντονισμού του Gunn oscillator ως

όπου, n είναι το πλήθος των μισών κύματων που μπορούν να ενσωματωθούν στην καμπή για μια δεδομένη συχνότητα. Αυτό το n είναι από 1 έως l/ct d όπου td είναι ο χρόνος που χρειάζεται ο Gunn diode για να ανταποκριθεί στις αλλαγές της εφαρμοσμένης τάσης.

Εδώ, οι ταλαντώσεις ξεκινούν όταν η φόρτωση του συντονιστή είναι ελαφρώς μεγαλύτερη από τη μέγιστη αρνητική αντίσταση της συσκευής. Στη συνέχεια, αυτές οι ταλαντώσεις αυξάνονται σε όρους εξάπλωσης μέχρι να γίνει η μέση αρνητική αντίσταση του Gunn diode ίση με την αντίσταση του συντονιστή, μετά το οποίο μπορεί να προκύψει σταθερή ταλάντωση. 

Επιπλέον, αυτοί οι τύποι relaxation oscillators έχουν ένα μεγάλο καταναλωτή συνδεδεμένο με τον Gunn diode, προκειμένου να αποφευχθεί η καύση της συσκευής λόγω των μεγάλων εξαπλώσεων των σημάτων.Τέλος, θα πρέπει να σημειωθεί ότι οι Gunn diode oscillators χρησιμοποιούνται εκτεταμένα ως ραδιοεκπομπείς και υποδοχείς, αισθητήρες ανίχνευσης ταχύτητας, παραμετρικοί ενισχυτές, πηγές radar, αισθητήρες εποπτείας κυκλοφορίας, αισθητήρες κίνησης, αισθητήρες απομακρυσμένης διέγερσης, ταχομετρικά μέτρημα περιστροφής, αισθητήρες περιεχομένου υγρασίας, microwave transceivers (Gunnplexers) και στην περίπτωση αυτόματων θυρών, συστήματα ασφαλείας, πολιτικών radar, wireless LANs, συστήματα αποφυγής συγκρούσεων, αντισύρσια συστήματα, συστήματα πεζονικής ασφάλειας, κ.λπ.