Что такое генератор на диоде Ганна?

Что такое генератор на диоде Ганна?

Генератор на диоде Ганна

Генератор на диоде Ганна (также известный как генератор на передающем электронном устройстве) является дешевым источником микроволновой мощности и состоит из диода Ганна или передающего электронного устройства (TED) в качестве основного компонента. Они выполняют функцию, аналогичную функции рефлексных килотронов.

В генераторах на диоде Ганна, диод Ганна размещается в резонансной полости. Генератор на диоде Ганна состоит из двух основных компонентов: (i) постоянное смещение (DC bias) и (ii) цепь настройки.

Как работает диод Ганна в качестве генератора при постоянном смещении

В диоде Ганна, по мере увеличения приложенного постоянного смещения, ток первоначально возрастает до достижения порогового напряжения. За этой точкой, ток уменьшается, когда напряжение продолжает расти до напряжения пробоя. Промежуток от пика до впадины в этом поведении образует то, что называется областью отрицательного сопротивления.

Способность диода Ганна демонстрировать отрицательное сопротивление, в сочетании с его временными свойствами, позволяет ему функционировать как генератор. Это происходит потому, что отрицательное сопротивление противодействует любому фактическому сопротивлению в цепи, обеспечивая оптимальный поток тока.

Это приводит к генерации непрерывных колебаний, пока поддерживается постоянное смещение, хотя амплитуда этих колебаний ограничивается границами области отрицательного сопротивления. 

Цепь настройки

В случае генераторов на диоде Ганна, частота колебаний в основном зависит от среднего активного слоя диода Ганна. Однако резонансная частота может быть настроена внешним образом либо механическим, либо электрическим способом. В случае электронной цепи настройки, управление может осуществляться с помощью волновода или микроволновой полости, варикапа или YIG-сферы.

Здесь диод установлен внутри полости таким образом, чтобы он компенсировал потерю сопротивления резонатора, создавая колебания. С другой стороны, в случае механической настройки, размер полости или магнитное поле (для YIG-сфер) изменяется механически, например, с помощью регулировочного винта, чтобы настроить резонансную частоту.

Эти типы генераторов используются для генерации микроволновых частот от 10 ГГц до нескольких ТГц, в зависимости от размеров резонансной полости. Обычно коаксиальные и микрополосковые/планарные конструкции генераторов имеют низкий коэффициент мощности и менее стабильны в терминах температуры.

С другой стороны, конструкции, стабилизированные волноводом и диэлектрическим резонатором, имеют больший коэффициент мощности и могут быть легко термостабилизированы. На рисунке 2 показан генератор на диоде Ганна, основанный на коаксиальном резонаторе, который используется для генерации частот от 5 до 65 ГГц. Здесь, при изменении приложенного напряжения Vb, флуктуации, вызванные диодом Ганна, распространяются вдоль полости, отражаются от другого конца и возвращаются к исходной точке через время t, заданное формулой

где l — длина полости, а c — скорость света. Из этого можно вывести формулу для резонансной частоты генератора на диоде Ганна:

где n — количество полуволн, которые могут поместиться в полость для данной частоты. Этот n варьируется от 1 до l/ct d, где td — время, необходимое диоду Ганна для реакции на изменения приложенного напряжения.

Здесь колебания начинаются, когда нагрузка резонатора немного выше максимального отрицательного сопротивления устройства. Затем эти колебания растут по амплитуде, пока среднее отрицательное сопротивление диода Ганна не станет равным сопротивлению резонатора, после чего можно получить устойчивые колебания. 

Кроме того, такие релаксационные генераторы имеют большой конденсатор, подключенный параллельно диоду Ганна, чтобы предотвратить перегорание устройства из-за сигналов большой амплитуды. Наконец, следует отметить, что генераторы на диоде Ганна широко используются в качестве радиопередатчиков и приемников, датчиков скорости, параметрических усилителей, источников радара, датчиков контроля движения, дистанционных датчиков вибрации, тахометров для измерения скорости вращения, датчиков влажности, микроволновых трансиверов (Gunnplexers) и в случае автоматических дверных открывателей, охранных сигнализаций, полицейских радаров, беспроводных локальных сетей, систем предотвращения столкновений, антиблокировочных тормозных систем, систем безопасности пешеходов и т. д.