Co to jest oscylator diodowy Gunn?

Czym jest oscylator diodowy Gunn?

Oscylator diodowy Gunn

Oscylator diodowy Gunn (znany również jako oscylator Gunn lub urządzenie z przenoszonym elektronem) to tanie źródło mocy mikrofalowej, składające się głównie z diody Gunn lub urządzenia z przenoszonym elektronem (TED). Wypełniają one podobną funkcję co oscylatory klystronowe odbiciowe.

W oscylatorach Gunn, dioda Gunn jest umieszczona w rezonansowej komorze. Oscylator Gunn składa się z dwóch głównych elementów: (i) obciążenia DC i (ii) obwodu strojenia.

Jak działa dioda Gunn jako obciążenie DC w oscylatorze

W diodzie Gunn, gdy zwiększa się zastosowane obciążenie DC, prąd początkowo rośnie do momentu osiągnięcia napięcia progowego. Po tym punkcie, prąd maleje, podczas gdy napięcie nadal rośnie do napięcia przelomowego. Zakres od szczytu do doliny w tym zachowaniu tworzy tzw. obszar oporu ujemnego.

Możliwość diody Gunn pokazywania oporu ujemnego, połączona z jej właściwościami czasowymi, pozwala jej funkcjonować jako oscylator. To następuje dlatego, że opór ujemny przeciwstawia się rzeczywistemu oporowi w obwodzie, umożliwiając optymalny przepływ prądu.

To prowadzi do generowania ciągłych oscylacji, o ile utrzymywane jest obciążenie DC, choć amplituda tych oscylacji jest ograniczona granicami obszaru oporu ujemnego. 

Obwód strojenia

W przypadku oscylatorów Gunn, częstotliwość oscylacji zależy primarily od środkowej aktywnej warstwy diody Gunn. Jednak częstotliwość rezonansową można dostroić zewnętrznie, zarówno mechanicznie, jak i elektronicznie. W przypadku obwodu strojenia elektronicznego, kontrolę można uzyskać za pomocą falowodu, mikrofalowej komory, diody waraktorowej lub sfery YIG.

W tym przypadku dioda jest montowana wewnątrz komory w taki sposób, aby anulowała opór straty rezonatora, produkując oscylacje. Z drugiej strony, w przypadku strojenia mechanicznego, rozmiar komory lub pole magnetyczne (dla sfer YIG) jest zmieniany mechanicznie, np. za pomocą śruby regulacyjnej, aby dostroić częstotliwość rezonansową.

Te typy oscylatorów są używane do generowania częstotliwości mikrofalowych od 10 GHz do kilku THz, zależnie od wymiarów rezonującej komory. Zazwyczaj projekt oscylatorów opartych na koaksialnych i mikropasmowych/planarnych ma niski współczynnik mocy i jest mniej stabilny pod względem temperatury.

Z drugiej strony, projekty obwodów stabilizowanych falowodami i rezonatorami dielektrycznymi mają wyższy współczynnik mocy i mogą być łatwo termicznie stabilne. Rysunek 2 przedstawia oscylator Gunn oparty na koaksialnym rezonatorze, który służy do generowania częstotliwości od 5 do 65 GHz. Gdy zastosowane napięcie Vb jest zmieniane, fluktuacje wywołane przez diodę Gunn podróżują wzdłuż komory, odbijają się od jej drugiego końca i wracają do punktu początkowego po czasie t danym przez

Gdzie l to długość komory, a c to prędkość światła. Na podstawie tego, równanie dla częstotliwości rezonansowej oscylatora Gunn może być dedukowane jako

gdzie n to liczba półfal, które mogą zmieścić się w komorze dla danej częstotliwości. Ta n mieści się w zakresie od 1 do l/ct d, gdzie td to czas potrzebny diodzie Gunn na reakcję na zmiany zastosowanego napięcia.

Oscylacje rozpoczynają się, gdy obciążenie rezonatora jest nieco większe niż maksymalny opór ujemny urządzenia. Następnie, te oscylacje wzrastają w amplitudzie, aż średni opór ujemny diody Gunn staje się równy oporowi rezonatora, po czym można uzyskać trwałe oscylacje. 

Ponadto, tego typu oscylatory relaksacyjne mają duży kondensator połączony poprzecznie z diodą Gunn, aby zapobiec spaleniu się urządzenia z powodu sygnałów o dużej amplitudzie. W końcu należy zauważyć, że oscylatory diodowe Gunn są szeroko stosowane jako nadajniki i odbiorniki radiowe, czujniki detekcji prędkości, parametryczne wzmacniacze, źródła radarowe, czujniki monitorowania ruchu, czujniki ruchu, zdalne czujniki drgań, tachometry prędkości obrotowej, monitory zawartości wilgoci, mikrofalowe transceivery (Gunnplexery) oraz w przypadku automatycznych otwieraczy drzwi, alarmów antywłamaniowych, radarów policyjnych, bezprzewodowych LAN-ów, systemów unikania kolizji, systemów hamowania ABS, systemów bezpieczeństwa dla pieszych, itp.