Исследование влияния магнитного поля и оптического излучения на режим работы синхронизированного генератора на диоде Ганна тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Ульянов, Дмитрий Викторович

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Ульянов, Дмитрий Викторович

1. АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ ИССЛЕДОВАНИЙ ПРОЦЕССОВ СИНХРОНИЗАЦИИ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СВЧ-ГЕНЕРАТОРОВ.

1.1. Характеристики СВЧ-устройств на диодах Ганна.

1.2. Синхронизация СВЧ-генератора на диоде Еанна.

1.2.1. Анализ работы автогенераторов на приборах с отрицательным сопротивлением в режиме синхронизации.

1.2.2. Квазистатическая теория внешней синхронизации СВЧ-генераторов.

1.3. Анализ результатов экспериментальных работ по синхронизации твердотельных СВЧ-генераторов

2. МАТЕМАТИЧЕСКОЕ МОДЕЛИРОВАНИЕ РАБОТЫ ГЕНЕРАТОРА

НА ДИОДЕ ГАННА В РЕЖИМЕ ВНЕШНЕЙ СИНХРОНИЗАЦИИ

2.1. Модель синхронизированного генератора на диоде Ганна.

2.2. Исследование режимов работы синхронизированного генератора на диоде Ганна на основе математической модели

3. ВЛИЯНИЕ НАГРУЗКИ В ВИДЕ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ОБРАЗЦОВ НА РАБОТУ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ДИОДЕ ГАННА.

3.1. Экспериментальное исследование характеристик СГДГ при фиксированной нагрузке.

3.2. Расчет параметров нагрузки СГДГ в виде диэлектрических образцов.

3.3. Экспериментальное исследование влияния нагрузки на работу сгдг.

4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗДЕЙСТВИЯ МАГНИТНОГО ПОЛЯ НА СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ДИОДЕ ГАННА.

4.1. Влияние магнитного поля на характеристики генераторов на диодах Ганна.

4.2. Теоретическое исследование влияния магнитного поля на работу синхронизированного генератора на диоде Ганна.

4.3. Экспериментальное исследование влияния магнитного поля на работу СВЧ-генераторов на диодах Ганна в режиме синхронизации.

5. ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ ОПТИЧЕСКОГО ИЗЛУЧЕНИЯ НА СИНХРОНИЗИРОВАННЫЙ ГЕНЕРАТОР НА ДИОДЕ ГАННА.

5.1. Анализ влияния оптического излучения на характеристики СВЧ-генераторов на диодах Ганна.

5.2. Теоретическое исследование влияния оптического излучения на работу диода Ганна в режиме внешней синхронизации.

5.3. Экспериментальное исследование воздействия оптического излучения на генератор на диоде Ганна в режиме внешней синхронизации.

Рекомендованный список диссертаций по специальности «Радиофизика», 01.04.03 шифр ВАК

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование влияния магнитного поля и оптического излучения на режим работы синхронизированного генератора на диоде Ганна»

К наиболее широко применяемым в настоящее время приборам, используемым в качестве активных элементов полупроводниковых СВЧ-генераторов, относятся биполярные транзисторы, полевые транзисторы с барьером Шоттки (ПТШ), лавинно-пролетные диоды (ЛПД) и диоды Ганна (ДГ) [1-5]. К достоинствам полупроводниковых приборов СВЧ-диапазона следует отнести их долговечность, надежность, низковольтное питание, малые размеры. Это открывает путь к широкому применению данных приборов в аппаратуре СВЧ для создания усилителей малой и средней мощности, автогенераторов, преобразователей частоты и других устройств. В то же время данный класс устройств обладает и рядом недостатков, наиболее существенные из которых - низкая частотная стабильность, низкая выходная мощность и другие.

С целью решения этой и ряда других проблем, возникающих при эксплуатации полупроводниковых СВЧ-приборов, в последние годы проводятся активные исследования комбинированных режимов работы данных устройств, в которых полупроводниковые устройства находятся под различного рода воздействиями, либо являются активными элементами более сложных радиофизических систем. Одним из наиболее эффективных способов улучшения эксплуатационных характеристик является использование твердотельных генераторов СВЧ-диапазона в качестве активных элементов в системах с внешней синхронизацией [6-11].

Синхронизация полупроводниковых СВЧ-генераторов позволяет создать устройства, обладающие большей частотной стабильностью и позволяющие полнее использовать энергетические возможности активного элемента. В результате генератор с внешней синхронизацией оказывается способным не только генерировать сигнал фиксированной частоты, но и выполнять различные функции: преобразование частоты, усиление, детектирование сигналов с частотной и фазовой модуляцией [12]. Ввиду резко нелинейного характера взаимодействия в автоколебательной системе, находящейся в условиях внешней синхронизации, а также широких возможностей управления данной системой путем изменения различных внешних параметров, выходные мощностные и фазовые характеристики данной системы обладают рядом существенных особенностей, открывающих путь к созданию новых классов устройств на основе синхронизированных генераторов.

Исследования процессов синхронизации в применении к устройствам СВЧ проведены достаточно широко [6-8, 13, 14]. Однако в существующих работах теоретическое исследование происходящих в синхронизированных генераторах (СГ) процессов проводится с целым рядом ограничений. Так, большинство авторов при создании математической модели СГ предлагают либо использовать малосигнальное приближение, либо полагать гармонические составляющие, помимо основной частоты, малыми [15]. Широко применяемым является метод представления синхронизированного СВЧ-генератора в виде схемы с сосредоточенными параметрами и аналитического решения соответствующих уравнений [14, 16]. Однако, учитывая нелинейный характер входящих в данную схему элементов, авторы обычно ограничиваются рассмотрением одноконтурных схем и получают решение путем различного рода упрощающих предположений.

С учетом вышеприведенных замечаний была сформулирована цель диссертационного исследования: экспериментальное и теоретическое исследование различных режимов работы синхронизированного СВЧ-генератора на примере генератора на диоде Ганна, включающее построение математической модели изучаемой системы, изучение влияния воздействия магнитного поля и оптического излучения на исследуемую систему.

Для достижения поставленной цели выполнен критический анализ теоретических методов исследования генераторов на диодах Ганна, работающих в режиме синхронизации, построена модель синхронизированного генератора на диоде Ганна (СГДГ), выполнена серия расчетов и экспериментов, проведено обсуждение полученных экспериментальных и теоретических результатов.

Научная новизна проведенных в ходе диссертационной работы исследований состоит в следующем: построена математическая модель синхронизированного генератора на диоде Ганна, включающая многоконтурную СВЧ-схему с сосредоточенными параметрами, отражающая основные особенности экспериментально исследуемого режима гашения выходного сигнала; экспериментально обнаружено и теоретически описано явление гашения мощности в синхронизированном СВЧ-генераторе на диоде Ганна, возникающее вследствие достижения противофазности сигналов; экспериментально исследовано и математически смоделировано воздействие поперечного магнитного поля и оптического излучения с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны, на полупроводниковую структуру активного элемента синхронизированного генератора.

Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем: построена и исследована модель синхронизированного генератора на диоде Ганна, включающая многоконтурную СВЧ-цепь, учитывающая как особенности физики работы полупроводникового прибора, так и элементы его внешней схемы и позволяющая моделировать различные колебательные режимы СГДГ, что может быть основой для проектирования устройств СВЧ; показано, что генератор на диоде Ганна в режиме внешней синхронизации представляет собой СВЧ-схему, обладающую высокой чувствительностью как к изменению параметров активного элемента, так и к изменению характеристик внешней схемы; предложены способы высокоточного контроля параметров диэлектрических материалов, магнитного поля и оптического излучения с помощью синхронизированного генератора на диоде Ганна.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. При воздействии на генератор на диоде Ганна внешнего синхронизирующего сигнала, мощность которого сравнима с мощностью автоколебаний генератора, в полосе синхронизации можно обеспечить подавление выходного сигнала до 40 дБ, возникающее вследствие достижения противофазности сигналов.

2. Зависимость значения выходной мощности в минимуме мощностно-частотной характеристики синхронизированного генератора на диоде Ганна (СГДГ) от мощности синхросигнала носит немонотонный характер. Режим максимального подавления выходного сигнала (режим гашения мощности) устанавливается путем выбора значения мощности источника синхросигнала.

3. Максимальное изменение выходной мощности СГДГ при изменении параметров электродинамической системы и при воздействии поперечного магнитного поля или оптического излучения с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны на полупроводниковую структуру диода Ганна определяется величиной изменения выходной мощности СГДГ в полосе синхронизации при постоянном уровне мощности синхросигнала и достигает 40 дБ.

4. В зависимости от расстройки между частотой синхросигнала и частотой собственных колебаний зависимость выходной мощности от величины воздействующего магнитного поля либо оптического излучения может носить как монотонный, так и немонотонный характер.

Диссертация состоит из введения, пяти разделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 113 страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 96 страниц, включая 32 рисунка. Список литературы содержит 103 наименования и изложен на 10 страницах.