Gunn-Dioden-Oszillator: Was ist das? (Theorie & Arbeitsprinzip)

Was ist ein Gunn-Dioden-Oszillator?

Ein Gunn-Dioden-Oszillator (auch bekannt als Gunn-Oszillator oder Übertragelektronengerät-Oszillator) ist eine kostengünstige Quelle für Mikrowellenleistung und besteht hauptsächlich aus einer Gunn-Diode oder einem Übertragelektronengerät (TED). Sie erfüllen eine ähnliche Funktion wie Reflexklystron-Oszillatoren. In Gunn-Oszillatoren wird die Gunn-Diode in einer Resonanzkammer platziert. Ein Gunn-Oszillator besteht aus zwei Hauptkomponenten: (i) Eine Gleichstromversorgung und (ii) Ein Abstimmkreis.

Wie funktioniert eine Gunn-Diode als Oszillator?

Gleichstrom-Vorspannung

Im Fall der Gunn-Diode beginnt der Strom, wenn die angewendete Gleichstrom-Vorspannung zunimmt, anfangs zu steigen, was bis zur Schwellenspannung andauert. Danach fällt der Strom weiter, während die Spannung zunimmt, bis die Zerstörungsspannung erreicht ist. Diese Region, die vom Maximum bis zum Minimum reicht, wird als negativer Widerstandsbereich (Abbildung 1) bezeichnet.

Diese Eigenschaft der Gunn-Diode zusammen mit ihren zeitlichen Eigenschaften veranlasst sie, sich wie ein Oszillator zu verhalten, sofern ein optimaler Strom durch sie fließt. Dies liegt daran, dass die negative Widerstandseigenschaft des Geräts den Effekt eines realen Widerstands im Schaltkreis aufhebt.

Dies führt zur Erzeugung von anhaltenden Oszillationen, solange die Gleichstrom-Vorspannung vorhanden ist, während das Wachstum der Oszillationen verhindert wird. Darüber hinaus wird die Amplitude der resultierenden Oszillationen durch die Grenzen des negativen Widerstandsbereichs begrenzt, wie in Abbildung 1 ersichtlich ist.

Abstimmkreis

Im Fall von Gunn-Oszillatoren hängt die Oszillationsfrequenz hauptsächlich von der mittleren aktiven Schicht der Gunn-Diode ab. Die Resonanzfrequenz kann jedoch extern entweder mechanisch oder elektrisch eingestellt werden. Im Falle eines elektronischen Abstimmkreises kann die Steuerung durch Verwendung eines Wellenleiters, einer Mikrowellenkammer oder einer Varikap-Diode oder einer YIG-Kugel erfolgen.

Hier wird die Diode innerhalb der Kammer montiert, sodass sie den Verlustwiderstand des Resonators aufhebt und Oszillationen erzeugt. Andererseits wird bei mechanischer Abstimmung die Größe der Kammer oder das Magnetfeld (für YIG-Kugeln) mechanisch durch Mittel wie einen Einstellschraubenzieher variiert, um die Resonanzfrequenz einzustellen.

Diese Arten von Oszillatoren werden verwendet, um Mikrowellenfrequenzen von 10 GHz bis wenige THz zu erzeugen, wie durch die Abmessungen der Resonanzkammer bestimmt. Gewöhnlich haben koaxiale und mikrostreifen/planarbasierte Oszillatordesigns einen geringen Leistungsgrad und sind weniger temperaturstabil. Andererseits haben wellenleiter- und dielektrische Resonator-stabilisierte Schaltungsentwürfe einen größeren Leistungsgrad und können leicht thermisch stabilisiert werden.

Abbildung 2 zeigt einen koaxialen Resonator-basierten Gunn-Oszillator, der zur Erzeugung von Frequenzen im Bereich von 5 bis 65 GHz verwendet wird. Hier, wenn die angewendete Spannung Vb variiert wird, reisen die durch die Gunn-Diode induzierten Fluktuationen entlang der Kammer, werden von ihrem anderen Ende reflektiert und erreichen nach der Zeit t ihren Ausgangspunkt, gegeben durch

Wobei l die Länge der Kammer und c die Lichtgeschwindigkeit ist. Daraus kann die Gleichung für die Resonanzfrequenz des Gunn-Oszillators abgeleitet werden als

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

Hier werden die Oszillationen initiiert, wenn die Belastung des Resonators leicht höher als der maximale negative Widerstand des Geräts ist. Anschließend wachsen diese Oszillationen in Bezug auf die 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 über der Gunn-Diode, um das Gerät vor dem Ausfall durch große Amplituden signale zu schützen.

Zuletzt ist zu beachten, dass Gunn-Dioden-Oszillatoren weit verbreitet als Radiosender und -empfänger, Geschwindigkeitserfassungssensoren, parametrische Verstärker, Radargeräte, Verkehrsüberwachungssensoren, Bewegungsmelder, Fernvibrationssensoren, Rotationsgeschwindigkeits-Tachometer, Feuchtigkeitsgehaltsmonitore, Mikrowellen-Transceiver (Gunnplexer) und in automatischen Türenöffnern, Einbruchsalarmen, Polizeiradaren, drahtlosen LANs, Kollisionsvermeidungssystemen, Antiblockiersystemen, Fußgängersicherheitssystemen usw. eingesetzt werden.

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