37. Генераторы на лавинно-пролетном диоде (глпд)

Принцип действия ГЛПД во многом аналогичен принципу действия других СВЧ генераторов. Он состоит в том, что в одной части прибора (в области p+-n перехода ЛПД) происходит модуляция электронного потока по плотности (образования электронных сгустков), а в другой (в области дрейфа) -осуществляется передача энергии от этого сгустка электромагнитному полю резонатора, в который включен ЛПД.

Конструкция ГЛПД определяется в основном диапазоном рабочих частот. Устройства ГЛПД радиальноволноводной конструкции, получили широкое применение в миллиметровом диапазоне. В такой конструкции частота генерируемых колебаний ГЛПД определяется в основном диаметром диска D и его расстоянием h от нижней стенки волновода. Перемещение короткозамыкающего поршня (изменение L) существенно сказывается на выходной мощности генератора и меньше на частоте (рис.3.12).

П ри перемещении короткозамыкающего поршня на расстояние ϪL = Х_в/2, где Х_в - длина волны в волноводе, нагрузка на контактах ЛПД не изменяется, поэтому мощность и частота остаются прежними.

Н а рис.3.13 изображена эквивалентная схема генератора, в которой ЛПД характеризуется средним по первой гармонике комплексным сопротивлением Zср, = r_ср + jXср, а нагрузка последовательным соединением активного и реактивного сопротивления Z_н = r_н + jX_н. Параметры нелинейной части схемы - диода сильно зависят от режима его работы (от тока питания I_o и первой гармоники т.е r_ср(I0,I1) и Xср(I0,I1) и значительно слабее от частоты w, а параметры нагрузки, составляющей линейную часть схемы, сильно зависят от частоты колебаний: r_н(w), Хн(w).

Стационарный режим колебаний можно определить из условия баланса активных и реактивных сопротивлений

r_ср(I0,I1) + r_н(w) = 0, (3.13)

Xср(I0,I1)+ Xср(w)= 0. (3.14)

Условие (3.14) эквивалентно условие баланса фаз генератора и определяет частоту генерируемых колебаний. Из него следует, что всякое изменение режима работы диода (изменение тока питания I_o или амплитуды I1 первой гармоники тока) изменяет Х_ср; условие (3.14) выполняется теперь при другом значении Хср, а значит и при другой частоте колебаний, автоматически устанавливающейся в генераторе. Обращаясь к условию (3.13) баланса активных сопротивлений, отметим, что поскольку г_н > 0, в стационарном режиме обязательно должно быть г_ср < 0. Мощность первой гармоники, отдаваемой нелинейным элементом, определяется выражением P1 = 0,5|r_ср|I₁².

Из условия (3.13) следует, что при изменении г_н автоматически изменяются I₁ (при постоянстве I_o), а значит и Р₁. При некоторой оптимальной нагрузке г_опт достигается максимальная мощность Р_1макс. Изменение I_o также приводит к изменению амплитуды I₁ и мощности Р₁: обычно при увеличении I_o возрастает U1 и I1 (рис.3.9), причем U1 возрастает значительнее, поэтому величины г_ср=U₁/I₁ и Р₁ также увеличиваются. На рис.3.14,а показаны зависимости Р₁(г_н), а на рис.3.14,б зависимость Р₁(I₀).

В элементах схемы генератора (диоде, резонаторе, нагрузке) имеются потери энергии. Самовозбуждение колебаний в таком генераторе может происходить только в том случае, если при малых амплитудах колебаний энергия, отдаваемая отрицательным сопротивлением, больше энергии, потребляемой положительным сопротивлением г_н, т.е. если |r_д(I0,I1 ~ 0)| > r_н.

М инимальный ток I_o, при котором происходит возбуждение колебаний в генераторе, называется пусковым током I_пуск (рис.3.14,б). Очевидно, при изменении нагрузки г_н изменяется величина I_пуск.

ЛПД могут быть использованы и в регенеративных усилителях отражательного типа при токах диода меньших пускового. Вследствие относительно высокого уровня шумов, ЛПД используют в основном в усилителях мощности. Коэффициент усиления обычно составляет 8..15 дБ при полосе 1...10 % на один каскад. Максимальная выходная мощность усилителя примерно соответствует максимальной выходной мощности генератора на том же диоде.

ЛПД обеспечивают получение мощностей в широком диапазоне частот (0,5...200 ГГц). На их основе реализуется генераторы с выходными мощностями до 5... 10 Вт на 10 ГГц, до 0,5... 1 Вт на 100 ГГц с высоким КПД, достигающим 10…30 % на 10 ГГц. ЛПД являются наиболее мощными полупроводниковыми приборами СВЧ.