Wat is een Gunn-diode oscillator?

Wat is een Gunn-diode oscillator?

Gunn-diode oscillator

Een Gunn-diode oscillator (ook bekend als Gunn-oscillator of transferred electron device oscillator) is een goedkope bron van magnetronkracht en bestaat voornamelijk uit een Gunn-diode of transferred electron device (TED). Ze vervullen een vergelijkbare functie als Reflex Klystron Oscillators.

In Gunn-oscillatoren wordt de Gunn-diode geplaatst in een resonantieholte. Een Gunn-oscillator bestaat uit twee belangrijke componenten: (i) een DC-bias en (ii) een afstemcircuit.

Hoe werkt een Gunn-diode als een oscillator met DC-bias

Bij een Gunn-diode neemt de stroom toe naarmate de toegepaste DC-bias toeneemt, tot het bereikt de drempelspanning. Daarna neemt de stroom af terwijl de spanning verder toeneemt tot de doorbraakspanning. Het interval van het piek naar het dal in dit gedrag vormt wat bekend staat als de negatieve weerstandregio.

De mogelijkheid van de Gunn-diode om negatieve weerstand te tonen, gecombineerd met zijn timingeigenschappen, maakt dat het kan functioneren als een oscillator. Dit gebeurt omdat de negatieve weerstand elke echte weerstand in het circuit compenseert, waardoor optimale stroomstroom mogelijk is.

Dit leidt tot het genereren van continue oscillaties zolang de DC-bias gehandhaafd wordt, hoewel de amplitude van deze oscillaties beperkt blijft binnen de grenzen van de negatieve weerstandregio. 

Afstemcircuit

Bij Gunn-oscillatoren hangt de oscillatiefrequentie voornamelijk af van de middelste actieve laag van de Gunn-diode. Echter, de resonantiefrequentie kan extern worden afgestemd, zowel mechanisch als elektrisch. In het geval van een elektronisch afstemcircuit kan de bediening worden gedaan met behulp van een golflid, magnetronholte, varactor-diode of YIG-sfeer.

Hierbij wordt de diode in de holte gemonteerd op zo'n manier dat hij de verliesweerstand van de resonator compenseert, waardoor oscillaties ontstaan. Aan de andere kant, bij mechanische afstemming, wordt de grootte van de holte of het magnetisch veld (voor YIG-sferen) mechanisch gewijzigd, bijvoorbeeld door middel van een instellingsschroef, om de resonantiefrequentie af te stemmen.

Deze soort oscillatoren worden gebruikt om magnetronfrequenties te genereren variërend van 10 GHz tot enkele THz, afhankelijk van de afmetingen van de resonantieholte. Gewoonlijk hebben coaxiale en microstrip/planar gebaseerde oscillatorontwerpen een lage vermogensfactor en zijn ze minder stabiel qua temperatuur.

Aan de andere kant hebben de golflid en dielectric resonator gestabiliseerde schakelelementen een grotere vermogensfactor en kunnen ze gemakkelijk thermisch stabiel gemaakt worden. Figuur 2 toont een coaxiale resonator gebaseerde Gunn-oscillator die gebruikt wordt om frequenties te genereren van 5 tot 65 GHz. Hierbij reizen de fluctuaties veroorzaakt door de Gunn-diode langs de holte, worden weerspiegeld aan de andere kant en keren terug naar hun startpunt na een tijd t gegeven door

Waarbij l de lengte van de holte is en c de lichtsnelheid. Uit dit volgt de vergelijking voor de resonantiefrequentie van de Gunn-oscillator als

waarbij n het aantal halve golven is dat in de holte past voor een bepaalde frequentie. Deze n varieert van 1 tot l/ct d waarbij td de tijd is die de Gunn-diode nodig heeft om te reageren op veranderingen in de toegepaste spanning.

Hier beginnen de oscillaties wanneer de belasting van de resonator iets hoger is dan de maximale negatieve weerstand van het apparaat. Vervolgens nemen deze oscillaties in amplitude toe tot de gemiddelde negatieve weerstand van de Gunn-diode gelijk is aan de weerstand van de resonator, waarna er duurzame oscillaties verkregen kunnen worden. 

Verder hebben deze soort relaxatie-oscillatoren een grote condensator verbonden over de Gunn-diode om te voorkomen dat het apparaat doorbrandt door signalen met grote amplitude. Ten slotte moet opgemerkt worden dat Gunn-diode oscillatoren uitgebreid worden gebruikt als radiotransmitters en -ontvangers, snelheidsdetecterende sensoren, parametrische versterkers, radargeneratoren, verkeersbewakingssensoren, bewegingsdetectoren, draadloze trilningsdetectoren, rotatiesnelheidstachometers, vochtgehaltemonitors, magnetrontransceivers (Gunnplexers) en in het geval van automatische deuropeners, inbraakalarmen, politieradars, draadloze LAN's, botsingspreventiesystemen, antiblokkeersystemen, voetgangersveiligheidssystemen, enz.