Анализ и синтез СВЧ генераторов стабилотронного типа на ЛПД тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

МОСКОВСКИЙ ОРДЕНА ЛЕНИНА II ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ ПЕДАГОГИЧЕСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ имени В. И. ЛЕНИНА

Диссертационный сонет К 053.01.(13

На правах рукописи

ПОНОМАРЕВ Александр Федорович

ЛИЛЛИЗ и СИНТЕЗ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ СТАИНЛО'ГРОШЮГО ТИПА ИА ЛИД

Снеци;|.1Ы1ост1. 01.04.0.*? — р.чдпофпиика

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на еонсклпне ученой степени кандидата фпиико-матсматичсекнх паук

Москва 1994

Работа ныполпепа и Московском педагогическом государственном университете имени Г>. II. Ленина.

11 а у ч н ы е р у к о и о д ц г е л и:

докю)| фпзпко-математических па у к, профессор П£ГЛ1К!1:Ю11 М.,

кандидат фи п:ко-ма тема тпчес кил наук, старший научный сотрудник ЛКН1ПТХ", А. А.

О ф и ц и а л 1> п 1л о оппоненты:

доктор фшлко-'математических наук, старший научный сотрудник МППАКОНА II. П.,

диктор технических паук, старшин научный сотрудник ПАЛ I>Д-111Л'Л< И> I'. 1\[.

Педущан организация; Московский технический университет СиНХЦ II ЛНфурЛ1<>ТШ«"Л.

Зашита состоится 25 ноиоря 1Л)'.11 года г. IV час. на заседании Диссертационного сонета К |,1>,'> но присуждению ученой степени кандидата физико-математических паук и Московском педагогическом государственном университете имени И. П. Ленина (I ИМ.ЧГ), Москва, М. I 1проговская ул., д. 29. ау.т. 31)).

С диссертацией можно ознакомиться г. библиотеке университета (Москва, М. Пироговская ул., л,ом I. МИГУ имени В. Л. .......па).

Автореферат разослан «. и. .»...........10......! 'д'д I г.

Учслый секретарь Диссертационного сонета ЛИТНАК-ГОРСКЛ/Ч Л. Б.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ.

..Актуальность;. В настоящее время генераторы на лавинно-про-летных диодах СГЛПДЭ являются наиболее мощными и эффективными твердотельными источниками СВЧ колебаний короткой части сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Так,генераторы на выпускаемых серийно отечественных ЛПД отдают в нагрузку в непрерывном режиме более полутора и четырех ватт с КПД порядка 15% на частотах 18-24 ГГц и 8-12 ГГц соответственно. Столь высокая выходная мощность генераторов является результатом того, что в них использованы многомезовые диоды с оптимизированной полупроводниковой структурой.Мощность близка к предельному уровню, определяемому электрофизическими параметрами материала, из которого изготовлен диод, и его геометрическими размерами. Поэтому развитие схемных методов увеличения мощности генераторов на ЛПД приобретает все большую актуальность. Широкое распространение на практике получили резонаторные сумматоры мощности.

Резонаторный сумматор мощности, или многодиодный генератор стабияотронного типа, идея которого принадлежит К.Курокаве, состоит из призматического или цилиндрического резонатора и присоединенных к нему коаксиальных модулей. Каждый модуль - это отрезок коаксиальной линии, нагруженной с одной стороны на диод, а с другой - на согласованную нагрузку. Использование согласованных нагрузок позволяет обеспечить устойчивую работу стабило-тронного многодиодного генератора на частоте, близкой к резонансной частоте резонатора.

В большей части известных публикаций,посвященных многодиодным генераторам,приводятся различные конструкции стабилотрон-ных генераторов,их выходные характеристики и отдельные рекомендации по настройке генераторов на нескольких ЛПД, т. е. обширная литература по данной тематике носит, в основном, рекламный характер. Работ с изложением результатов теоретического и экспериментального исследования характеристик многодиодных генераторов, а тем более с сопоставлением этих результатов крайне мало,слабо освещаются вопросы моделирования и прогнозирования характеристик стабилотронных генераторов. К настоящему времени имеется ряд работ, в которых предприняты попытки с помощью аналитических или численных методов разработать рекомендации, необходимые как при оптимизации конструкции стабилотронного генератора, так и

- £-

при создании методики его настройки.

Главной причиной, сдерживающей проведение исследований, на базе которых можно было бы выполнить анализ или синтез стабилотронного генератора, является отсутствие модели, связывающей его выходные характеристики с параметрами активных элементов и геометрическими размерами колебательной системы. Создание модели стабилотронного генератора осложнено тем, что до сих пор нет эквивалентных схем, описывающих адекватно активные элементы и отдельные узлы контурной системы. Чаще всего используются эквивалентные схемы генератора.представляющие собой различные варианты известной "схемы Курокавы", причем, амплитудная и частотная зависимость импеданса полупроводниковой структуры ЛПД и параметры его корпуса определяются экспериментально, а -элементы пассивной части эквивалентной схемы генератора рассчитываются по измеренным в СВЧ диапазоне характеристикам контурной системы. Недостаточная корректность методик измерения или расчета элементов, так же как и самой эквивалентной схемы стабилотронного генератора ограничивает точность расчета его характеристик.Видимо поэтому обычно не проводится сопоставление рассчитанных и измеренных характеристик многодиодного генератора ни на фиксированной частоте, ни в диапазоне его частотной перестройки.

Итак, проведенные до настоящего времени исследования позволяют установить лишь качественную зависимость мощности и частоты генерации от размеров и положения различных элементов конструкции многодиодного генератора. Проблемы прогнозирования характеристик и синтеза многодиодных генераторов стабилотронного типа, отходившие раньше на второй план, в последнее время приобрели большую актуальность в связи с появлением мощных высокоэффективных ЛПД сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. Из оценки состояния работ по моделированию генераторов стабилотронного типа следует, что пока лишь начинаются поиски путей решения этой проблемы.

й§лью_аиссеЕтациднной работы является

- разработка модели, позволяющей связать характеристики стабилотронного генератора с параметрами конкретных ЛПД и геометрическими размерами его конструкции;

- разработка методик определения амплитудной и частотной зависимости импеданса полупроводниковой структуры ЛПД, элементов схемы замещения его корпуса и эквивалентной схемы контурной

системы генератора;

- оценка пригодности предложенной модели и методик определения элементов эквивалентной схемы для анализа и синтеза генератора стабилотронного типа на одном и двух ЛПД;

- выявление и обоснование закономерностей работы стабилот-ронных генераторов, позволяющих сформулировать требования к параметрам контурной системы и ЛПД, необходимым для решения вопросов прогнозирования характеристик, а также настройки и оптимизации конструкции генератора;

- разработка оптимизированных конструкций стабилотронных генераторов на одном и двух ЛПД типа АА707, АА73Э и АА748.

Н§Хчнм_Цо?изна_2айоты заключается в том, тгго

- предложена модель генератора стабилотронного типа, оригинальность которой заключается з учете реактивной составляющей импеданса полупроводниковой структуры ЛПД, зависящей от амплитуды СВЧ колебаний, замене Г-образной схемы замещения корпуса диода на Т-образную и введении дополнительной индуктивности, характеризующей зазор между дном коаксиального модуля и торцом трансформатора, а также в выборе плоскости расчета;

- предложены и обоснованы методики определения амплитудной и частотной зависимостей импеданса полупроводниковой структуры ЛПД, элементов схемы замещения его корпуса и элементов эквивалентной схемы контурной системы с точностью порядка 5%.

- впервые пригодность модели для анализа и синтеза генераторов стабилотронного типа доказана получением количественного соответствия рассчитанных и измеренных характеристик генераторов на одном и двух ЛПД;

- впервые показано, что рост отношения реактивной к активной составляющей импеданса полупроводниковой структуры диода приводит к уменьшению электронной мощности и КПД контурной системы генератора, чем объясняется уменьшение эффективности работы многомезовых мощных диодов в генераторах стабилотронного типа;

- выявлен ряд особенностей работы, положенных в основу предложенных методик настройки и оптимизации генераторов стабилотронного типа.

Овактическая_ценность_работы заключается в том, что

- предложена модель, позволяющая прогнозировать характеристики генератора стабилотронного типа по известным паспортным

-ч-

данным ЛПД и геометрическим размерам контурной системы, рассчитывать размеры контурной системы, необходимые для получения требуемых выходных характеристик генератора на конкретных диодах и т. д. ;

- разработаны оригинальные методики измерения амплитудной к частотной зависимостей импеданса полупроводниковой структуры и элементов схемы замещения корпуса ЛПД с резким р-н переходом;

- предложены методики настройки и оптимизации генераторов стабилотронного типа;

- выявлены причины уменьшения эффективности работы много-мезовых мощных диодов в генераторах стабилотронного типа;

- предложено использовать коаксиальные трансформаторы, центральный проводник которых представляет собой конус высотой порядка ЗХ/4, благодаря чему облегчается настройка генератора и увеличивается диапазон частотной перестройки;

- разработаны генераторы стабилотронного типа на одном и двух ЛПД АА707, АА739 и АА748 со следующими характеристиками: мощность в нагрузке 0,53 и 1.2 Вт, 3 и 6.3 Вт, 1,6 й 4 Вт с перестройкой по частоте порядка 8% и 10%, 20% и 25'/,, 10% и 15Н соответственно.

АпЕобаиия_результатов!, Основные результаты проведенных исследований доложены на 12 Всесоюзной научно-технической конференции Сг.Клев - 1990г.) и на XIV!II Всеросийской научной сессии, посвященной Дню радио СМосква - 1993г.).

Публикации., По теме диссертации опубликовано 4 печатные работа.

ОтЕУКХХВа.и.объем.ЕаботЫ;. Диссертационная работа состоит из введения, пяти глав, заключения и приложения. Работа имеет объем 149 страниц, включает в себя 63 рисунка, 6 таблиц, библиографический раздел содержит список литературы из 50 наименований, в приложении приведена программа расчета выходных характеристик двухдиодного генератора.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ.

Во_ввеаении дано обоснование актуальности поставленной задачи и сформулирована цель работы, указаны новизна и практическая ценность полученных результатов, приведено краткое изложение содержания глав диссертации.

1Г-

В_певвой_главе дан аналитический обзор литературы. В разделе 1.2. проведен анализ литературы, посвященной методам расчета многодиодных стабилотронных генераторов.Наиболее часто используется метод разделения нагрузки, предложенный К. Курокавой, в котором И-диодный генератор представляется в виде суммы N од-нодиодных идентичных генераторов, т.е. применение этого метода ограничено только случаем генератора на идентичных диодах. Кроме этого вводится еще одно серьезное допущение: проводимость диода на зажимах корпуса имеет только активную составляющую. Модель Курокавы используется как для установления связи между мощностными и шумовыми характеристиками многодиодного генератора и параметрами его контурной системы,так и при разработке методов настройки и оптимизации таких генераторов. Проведенное в разделе 1.2. на примере генератора трехсантиметрового диапазона длин волн сравнение различных вариантов настройки стабилотрон-ного генератора показало, что для генераторов со сравнительно малым числом диодов оптимизация только режима работы диодов предпочтительнее, т. к. при незначительном уменьшении выходной мощности существенно упрощается настройка генератора и ее регистрация. В одной из работ предложена основанная на "модели Курокавы" модель генератора на N идентичных диодах, позволяющая по известным параметрам ЛИД и минимальному количеству измерений, выполненных в исследуемой конструкции генератора,прогнозировать выходные характеристики и разработать методику- его оптимизации. Эквивалентная схема 1-го генератора представлена в виде последовательного контура, амплитуда тока в котором не зависит от числа диодов и равна току в оптимизированном однодиодном генераторе. Все элементы контура определяются в плоскости включения полупроводниковой структуры диода по измеряемым характеристикам однодиодного генератора, реализованного в этой же конструкции Спусковой ток 1п, пусковой ток слабой связи I и внешняя добротность резонатора 0ВН ), величине 1пс генератора с N>2 и паспортным данным ЛПД, что позволило избежать определения элементов схемы замещения корпуса диода и эквивалентной схемы контурной системы генератора по ее геометрическим размерам. Количественное соответствие расчетных и измеренных характеристик автономного и синхронизированного генераторов на 2^6 ЛПД КА706 показало пригодность данной модели для анализа таких генераторов, если разброс параметров используемых в них диодов составляет

менее 5%. Установление связи между характеристиками многодиодного генератора и геометрическими размерами его узлов требует существенного усложнения эквивалентной схемы генератора. Но и при этом вводятся допущения: параметры активных элементов генератора идентичны, реактивная составляющая импеданса полупровод-нкковой структуры диодов не зависит от амплитуды СВЧ колебаний, а активная составляющая - от частоты и т. д., что, естественно, приводит к снижении точности результатов. Отсутствие модели, адекватной многодиодному генератору, и методик, позволяющих с достаточной точностью определять амплитудную зависимость импеданса полупроводниковой структуры диода, параметров его корпуса и эквивалентной схемы контурной системы является причиной того, что в известных публикациях совместный анализ результатов расчета и эксперимента не проводится. Лишь в одной работе дано сравнение расчетных и измеренных значений мощности и частоты генератора на двух ЛПД миллиметрового диапазона длин волн, однако введенная авторами нормировка затрудняет оценку степени соответствия полученных результатов. В разделе 1.3. изложен используемый в диссертации метод расчета импеданса полупроводниковой структуры ЛПД с резким р-п переходом, исходными данными в котором являются параметры, измеряемые на готовом приборе С емкость полупроводниковой структуры, пробивное напряжение, рабочий ток), и характеристики материала (зависимость козффициентов ударной ионизации от напряженности электрического поля и дрейфовая скорость насыщения носителей). Задачи диссертационной работы сформулированы в разделе 1.4.

Й2_2Т2Р2Й_ЕВаве приведены модифицированная модель многодиодного стабилотронного генератора и основные расчетные соотношения. В разделе 2.2. дано подробное описание конструкции генераторов на одном и двух ЛПД АА707,АА739, АА748. Во всех генераторах использован прямоугольный волноводный резонатор с регулируемой длиной. В генераторе предусмотрена возможность плавного изменения положения диодов в коаксиальных модулях и связи резонатора с волноводной нагрузкой, а также замены'согласующих коаксиальных трансформаторов. В разделе 2.3. вводится эквивалентная схема генератора стабилотронного типа на одном или двух ЛПД, которая не зависит от конструктивных особенностей рассматриваемых генераторов, тогда как параметры схемы могут быть определены только для конкретного генератора. Она отличается от своих

прототипов следующим: введением дополнительной индуктивности, представлением корпуса диода Т-образной схемой замещения и учетом реактивной составляющей импеданса структуры диода, зависящей от амплитуды СВЧ колебаний. Дополнительная индуктивность описывает объем между нижним тордом коаксиального трансформатора и дном коаксиального модуля, возникающий из-за различия диаметров корпуса диода и согласующего трансформатора. Корпус ЛПД представлен в виде Т - образной, а не обычно используемой Г-об-разной, схемы замещения, благодаря чему удается избежать частотной зависимости эквивалентных параметров корпуса в рассматриваемом диапазоне частот и ввести раздельно сопротивление потерь в самом корпусе и сопротивление потерь в полупроводниковой структуре диода, не зависящее от амплитуды СВЧ напряжения на структуре. Отсутствие в схеме потерь в корпусе диода приводит к завышению величины рассчитанной мощности на выходе генератора. Учет реактивной составляющей импеданса структуры диода, зависящей от амплитуды СВЧ колебаний, существенно повышает точность расчета, т.к. в диапазоне рабочих амплитуд она составляет от 15 до 30% реактивного сопротивления полупроводниковой структуры ЛПД. Соотношения для расчета выходных характеристик одно- и двухдиодного генераторов получены из условия выполнения баланса фаз и амплитуд в плоскости резонатора. Выбор этой плоскости расчета позволяет учесть неидентичность активных элементов.

- ё_т2§тьей_главе диссертации предложены методики определения параметров эквивалентной схемы генератора стабилотронного типа. В разделе 3.2 изложена методика измерения емкостей полупроводниковой структуры Спс при различных напряжениях смещения Ц_ и корпуса С'. диода по его вольтфарадной характеристике, имеющая элементы новизны. Разработаны держатель ЛПД к измерителю 1,0,2 Е7-12,обладающий малой паразитной емкостью,и методика обработки результатов измерений, что позволило повысить на порядок точность определения емкостей полупроводниковой структуры и корпуса по измеренной вольтфарадной характеристике диода. Оригинальные варианты метода четырехполюсника для измерения импеданса полупроводниковой структуры ЛПД и элементов Т-образной схемы замещения его корпуса приведены в разделах 3.3 и 3.4. Предложенная модификация метода четырехполюсника для измерения зависимости активной и реактивной составляющих импеданса полупроводниковой структуры ЛПД от амплитуды и частоты СВЧ колеба-

ний отличается от известных тем, что'вводится один четырехполюсник, который нагружен на измеряемую полупроводниковую структуру и включает в себя контурную систему генератора, корпус диода, элементы полупроводниковой структуры, не зависящие от амплитуды СВЧ колебаний, и : отрезок СБЧ линии между выходным фланцем камеры и плоскостью измерения; измерения импеданса полупроводниковой структуры диода и калибровка четырехполюсника проводятся при настройке генератора вблизи порога возбуждения; регистрация измеряемого сигнала - осуществляется супергетеродинным приемником, для чего детекторная секция в измерительной линии заменена отрезком коаксиала; выбрана конструкция генераторной камеры,в которой обеспечивается наиболее сильное влияние изменения емкости полупроводниковой структуры Спс на коэффициент отражения СВЧ сигнала от выхода генератора. Для измерения элементов схемы замещения корпуса ЛПД и раздельного определения сопротивления потерь в базе и корпусе предложен новый вариант метода четырехполюсника, в котором измерения конкретного серийного диода проводятся в СВЧ диапазоне. Для реализации этого метода разработана специальная конструкция коаксиальной камеры, в которую помещается исследуемый диод. Все эти изменениям также повышение .точности измерения емкости Спс дало возможность проводить измерения элементов схемы замещения корпуса ЛПД и импеданса полупроводниковой структуры в широком диапазоне амплитуд и частот с погрешностью, не превышающей 3%. В разделах 3.5. и 3.6. на базе проведенных теоретических и экспериментальных исследований предложены простые эмпирические соотношения для расчета краевой емкости, возникающей в месте стыка центральных проводников коаксиального модуля с раз'лчными диаметрами; реактивных параметров схемы замещения коаксиальноволноводного перехода; добротности и резонансной частоты волноводного'резонатора произвольной длины с учетом неоднородностей и дополнительных потерь, создаваемых в резонаторе отверстиями от коаксиальных модулей и элемента связи; зависимости коэффициента трансформации п[ и эквивалентного реактивного сопротивления узла связи волноводного резонатора с нагрузкой от ширины его окна связи а<1.

8_Н§твеЕтой_главе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования выходных характеристик однодио-дного генератора стабилотронного типа. Сопоставление расчета и эксперимента проводилось для генераторов на ЛПД АА707. Выбор

именно этого типа диодов обусловлен существованием в настоящее время достоверной методики расчета амплитудной зависимости активной и реактивной составляющих импеданса полупроводниковой структуры таких диодов при различных значениях частоты, температуры, рабочего тока и т. д. В разделе 4.2. благодаря уточнению эквивалентной схемы и высокой точности определения всех ее элементов впервые получено количественное соответствие результатов теоретического и экспериментального исследования характеристик однодиодного генератора. В этом же разделе показано, что для определения дополнительной индуктивности, достаточно провести расчет и измерение зависимости мощности от положения диода в ко-аксиале при одном произвольном наборе остальных элементов настройки генератора с ЛПД, для которого известны параметры полупроводниковой структуры и корпуса. С достаточной для практического применения точностью Сне хуже 10%) при анализе и синтезе стабилотронного генератора может быть использовано среднее для данного типа диодов значение дополнительной индуктивности. Справедливость введения Т-образной схемы замещения корпуса диода проверялась путем сопоставления мощностных и частотных характеристик ГЛПД, рассчитанных и измеренных при заданных геометрических размерах контурной системы и параметрах полупроводниковой структуры и корпуса диода (раздел 4.3.}.Расчет проводился с использованием как Т- образной, так и Г- образной схем замещения корпуса, элементы которых находятся по параметрам одного и того же четырехполюсника, характеризующего корпус диода. Зависимость мощности на выходе генератора от положения диода, рассчитанная с использованием Т-образной схемы замещения, практически совпадает с экспериментальной кривой,тогда как максимальное значение мощности, рассчитанное при тех же условиях, но с использованием Г- образной схемы замещения, вдвое меньше измерённой величины. В разделе 4.3. дается оценка влияния разброса параметров корпуса на мощностные и частотные характеристики ГЛПД и оптимальные размеры согласующих элементов, из которого следует,что для получения количественного соответствия измеренных и рассчитанных по предложенной модели характеристик генератора параметры корпуса используемого ЛПД должны быть известны с точностью до 5Х. Усреднение параметров корпуса приводит к ошибке в определении величины выходной мощности порядка 20°л-30%. В разделе 4.4. показано, что пренебрежение в расчете мощностных характеристик одкодтод-

ного генератора зависящей от амплитуды СВЧ колебаний частью реактивной составляющей импеданса полупроводниковой структуры диода приводит к завышению выходной мощности на 20 - 40%. Оценка влияния отношения реактивной и активной составляющих импеданса полупроводниковой структуры диода Х_/R на характеристики стабилотронного ГЛПД выполнена в этом же разделе. На базе ЛПД АА707 был смоделирован диод, имеющий все параметры конкретного диода, кроме Х_, которая варьировалась и составляла 0,3 - 2 от ее истинного значения. Рост отношения X /R приводит к уменьшению реализуемой электронной мощности и КПД контурной системы и может служить причиной низкой эффективности работы генераторов стабилотронного типа ка ЛПД АА739, АА748 и АА759. Так,генератор на ЛПД АА739 отдает в нагрузку не более 3,3 Вт вместо А Вт по паспорту. Этот вывод важен при оценке возможности использования в генераторе стабилотронного типа мощных многомезовых диодов. В разделе 4.S. установлено соответствие между параметрами конкретного ЛПД,оптимальными выходными характеристиками и необходимыми для их реализации геометрическими размерами контурной системы стабилотронного генератора. Показано, что для выбранного диода существует свой набор оптимальных размеров каждого узла конструкции генератора, которые могут быть рассчитаны с помощью предложенной модели.

В_пятой_главе приводятся результаты теоретического и экспериментального исследования выходных характеристик двухдиодного генератора стабилотронного типа.В разделе 5.2. показано влияние количества идентичных диодов на выходные характеристики и оптимальные размеры контурной системы генератора. Установлено, что увеличение числа диодов приводит к усилению влияния элементов настройки на мощностные и частотные характеристики; уменьшению оптимальных значений диаметра и длины трансформаторов; появлению величины диаметра трансформатора dt, определяемой конкретными параметрами диодов и коаксиальных модулей, начиная с которой потери в согласованной нагрузке для ■ каждого модуля двухдиодного генератора превышают потери в нагрузке однодиодного; увеличению наклона частотных кривых; снижению погрешности расчета выходных характеристик генератора с использованием усредненных параметров корпусов. Зависимость мощности и частоты генератора на двух идентичных ЛПД от положения диодов при их синхронном; перемещении, при фиксации положения одного и пере-

нещении другого, а также перемещении обоих диодов с постоянным сдвигом между ними рассмотрена в разделе S. 3. Как и следовало ожидать, различие в длинах трансформаторов приводит к снижении уровня выходной мощности генератора на двух идентичных ЛВД. Настройка двухдиодного генератора при фиксированных размерах волноводного резонатора и диаметра центрального проводника коаксиального трансформатора d требует меньшей точности при последовательной установке диодов в оптимальное положение, чем при одновременном их перемещении. Необходимо отметить, что в разделах 5.2. и 6. 3. анализировались только результаты расчета, поскольку невозможно реализовать как полное совпадение импедан-сов полупроводниковых структур и корпусов ЛПД, так и синхронное изменение параметров коаксиальных модулей. В разделе 5.4. впервые приведены результаты расчета мощностных и частотных характеристик генератора стабилотронного типа на двух ЛПД при различных параметрах полупроводниковой структуры диодов, их корпусов и контурной системы генератора. Полученное количественное соответствие расчетных и измеренных характеристик генератора на двух ЛПД АА707 подтвердило возможность использования модифицированной модели генератора и методик определения параметров его эквивалентной схемы для анализа и синтеза таких генераторов. В разделе 5.5. даются рекомендации по настройке и оптимизации генераторов на ЛПД с различающимися параметрами. Впервые показано, что компенсация разброса параметров ямпедансов структур к корпусов ЛПД с помощью изменения положения диодов в коаксиальных модулях имеет смысл только, когда различаются реактивные составляющие импеданса на выходных клеммах диодов. Из результатов экспериментального исследования генераторов на диодах АА739 и АА748, приведенных в разделе 5.6., следует, что основные закономерности работы стабилотронных генераторов, выявленные при анализе свойств генераторов на двух ЛПД АА707,справедливы и для генераторов на мощных высокоэффективных диодах. В этом же разделе рассмотрено влияние формы и размеров согласующих коаксиальных трансформаторов на выходные характеристики генераторов на одном и двух ЛПД указанных типов. Показаны преимущества каждого из рассмотренных видов трансформаторов при создании генераторов с заданными значениями мощности и диапазона перестройки частоты. На основе проведенного теоретического и экспериментального исследования сформулированы методика настройки и оптимизации ге-

-ге-

нераторов на двух ЛПД типов АА707, АА739 и АА748.

Й_2§К®чении обобщены результаты проведенных в диссертации исследований.

В приложении даны алгоритм и программа расчета выходных характеристик двухдиодного генератора в зависимости от параметров ЛПД и геометрических размеров конструкции генератора.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ.

I.Проведена систематизация литературы по методам и результатам исследования многодиодных генератов стабилотронного типа.

II. Предложена модификация известной ранее модели генератора стабилотронного типа на одном или двух ЛПД и разработаны методы определения импедансных характеристик полупроводниковой структуры дкода, параметров его корпуса и элементов эквивалентной схемы контурной системы генератора.

1. В эквивалентную схему генератора внесены следующие изменения:

- введена дополнительная индуктивность , описывающая реактивность зазора между дном коаксиального модуля и торцом согласующего коаксиального трансформатора;

- корпус диода представлен Т-образной схемой замещения вместо обычно используемой Г-образной;

- впервые учтена реактивная составляющая импеданса структуры диода, зависящая от амплитуды СВЧ колебаний.

2. В известные методики измерения параметров полупроводниковой структуры ЛПД и его корпуса введен ряд оригинальных изменений, позволивших значительно расширить возможности методик и повысить их точность.

13 Разработаны держатель ЛПД к измерителю Е7-12, об-

ладающий малой паразитной емкостью и методика обработки результатов измерений, что позволило повысить на порядок точность определения емкостей полупроводниковой структуры и корпуса по измеренной вольтфарадной характеристике диода.

23 Модифицирован метод четырехполюсника для измерения зависимости активной и реактивной составляющих импеданса полупроводниковой структуры ЛПД от амплитуды и частоты СВЧ колебаний, что дало возможность проводить измерения в широком диапазоне амплитуд и частот с точностью не хуже 3%. Достоверность этого

-П-

метода подтвервдена количественным соответствием между измеренными и рассчитанными амплитудными зависимостями активной и реактивной составляющих импеданса полупроводниковой структуры диода на различных частотах, причем при расчете и обработке результатов эксперимента используется лишь один общий параметр -емкость полупроводниковой структуры.

3) Разработан новый вариант метода четырехполюсника для измерения элементов схемы замещения корпуса ЛПД и раздельного определения сопротивления потерь в базе и корпусе конкретного диода с точностью порядка 5%.

3.Предложены простые эмпирические соотношения для расчета величин таких элементов эквивалентной схемы контурной системы генератора, как:

- краевой емкости, возникающей в месте стыка центральных проводников коаксиального модуля с различными диаметрами;

- реактивных параметров схемы замещения коаксиалько-волно-водного перехода;

- добротности и резонансной частоты волноводного резонатора произвольной длины, учитывающие наличие неоднородностей и дополнительных потерь, создаваемых в резонаторе отверстиями от коаксиальных модулей и элемента связи;

- зависимости коэффициента трансформации- п и эквивалентного реактивного сопротивления Xd узла связи волноводного резонатора с нагрузкой от ширины его окна связи а , которые могут быть использованы в диапазоне рабочих значений ad; пригодность этих соотношений подтверждена количественным соответствием расчета и эксперимента.

4. Показана возможность определения дополнительной индуктивности Ldo путем подбора ее величины до достижения количественного соответствия между рассчитанной и измеренной зависимостями выходной мощности от положения диода в коаксиале при одной произвольной настройке генератора.

5. При выводе соотношений для расчета выходных характеристик одно- и двухдиодного генераторов методом баланса фаз и амплитуд использована плоскость резонатора, а не плоскости активных элементов, как было принято ранее. Выбор именно этой плоскости более удобен при расчете характеристик многодиодных генераторов, т. к. позволяет учесть неидентичность активных элементов.

III. Основные результаты проведенного теоретического и эк-

- -

спериментального исследования генераторов стабилотронного типа на одном и двух ЛПД сводятся к следующим.

1. Впервые проведен расчет мощностных и частотных характеристик генератора стабилотронного типа на одном или двух ЛПД при различных параметрах полупроводниковой структуры диодов, их корпусов и контурной системы. Полученное количественное соответствие расчетных и измеренных характеристик генераторов на одном или двух ЛПД АА707 подтверждает возможность использования модифицированной модели генератора и методик определения параметров его эквивалентной схемы для анализа и синтеза таких генераторов, а также достоверность выводов, сделанных из анализа результатов исследования характеристик генераторов на двух активных элементах.

2. Доказано, что количественное соответствие между расчетом и экспериментом удалось получить благодаря введенным в эквивалентную схему генератора "элементам (дополнительной индуктивности, Т- образной схеме замещения корпуса диода и реактивной составляющей импеданса полупроводниковой структуры ЛГЩ, зависящей от амплитуды) и высокой точности определения всех элементов эквивалентной схемы ГЛПД.

3. Выявлены и обоснованы основные закономерности работы генераторов стабилотронного типа, не зависящие от типа активных элементов, используемых в генераторе, и их числа:

- оптимальная мощность Рор1 достигается при определенном значении диаметра ¿1ор1. зависящем как от параметров диода, так и контурной системы исследуемого генератора;

- длина трансформатора ^, соответствующая максимуму мощности, уменьшается с ростом диаметра коаксиального трансформатора с^ , в котором центральный проводник на низкоомном участке имеет форму цилиндра, и увеличивается, если этот участок имеет коническую форму;

- кривые РС^/Х) имеют экстремум;

- частота генерации при максимальной мощности на выходе генератора определяется собственной частотой резонатора;

- рост отношения реактивной к активной составляющей импеданса полупроводниковой структуры диода приводит к уменьшению электронной мощности и КПД контурной системы, а, следовательно, к ограничению возможности использования в генераторе стабилотронного типа мощных многомезовых диодов.

-лг-

4. Увеличение числа активных элементов в генераторе стаби-лотронного типа приводит к

- росту КПД контурной системы генератора, из-за чего оптимальная мощность на выходе двухдиодного генератора может превысить сумму мощностей двух оптимизированных однодиодных генераторов;

- усилении влияния элементов настройки на мощкостные и частотные характеристики;

- уменьшению оптимальных диаметра и длины трансформаторов;

- появлению величины диаметра трансформатора с! , определяемой параметрами диодов и коаксиальных модулей, начиная с которой потери в согласованной нагрузке для каждого модуля двухдиодного генератора превышают потери в нагрузке однодиодного;

- увеличению наклона частотных кривых;

- снижению погрешности расчета выходных характеристик генератора с использованием усредненных параметров корпусов.

IV. На базе результатов теоретического и экспериментального исследования характеристик генераторов на одном или двух ЛПД сформулированы требования к параметрам контурной системы, необходимым для реализации заданных выходных характеристик, а также предложены методы настройки стабилотронных генераторов. Так,использование коаксиальных трансформаторов, центральный проводник которых имеет коническую форму, облегчает настройку генератора и увеличивает диапазон частотной перестройки.

V. Разработаны алгоритмы и программы:

- расчета выходных характеристик генератора на одном или двух ЛПД при различных параметрах диодов и геометрических размерах конструкции;

- обработки результатов эксперимента при определении емкостей полупроводниковой структуры и корпуса ЛПД, активной и реактивной составляющих импеданса полупроводниковой структуры диода, а также элементов Т-образной схемы замещения корпуса.

VI. Разработаны генераторы стабилотронного типа на одном и двух ЛПД АА707, АА739 и АА748, в которых благодаря учету рекомендаций, сделанных на основе результатов проведенного в работе исследования, впервые удалось реализовать одновременно максимально возможную для выбранного типа диода мощность и широкий диапазон частотной перестройки. Оптимизированные генераторы на одном и двух ЛПД АА707 отдавали в нагрузку 0,53 и 1,2 Вт с пе-

- к -

рестройкой по частоте порядка 8% и 10% сответственно; максимальная мощность в генераторах на одном и двух ЛПД АА739 составляла 3 и 6,3 Вт с перестройкой по частоте порядка 20% и 25%, а в генераторах на одном и двух ЛПД АА748 - 1,6 и 4 Вт с перестройкой - 10% и 15% .

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ.

1. Л.А.Плохова. А.Ф.Пономарев. Влияние формы и размеров коаксиального трансформатора на характеристики генератора на нескольких ЛПД. Тезисы доклада на 12 Всесоюзной научно-технической конференции по твердотельной электронике СВЧ. Киев. 1990. с. 150.

2. A.A. Левитес, Е. И. Оплеснин, Л. А. Плохова, А.Ф.Пономарев, А. И. Сметанин. Зависимость импеданса полупроводниковой структуры ла-винно-пролетного диода от амплитуды и частоты СВЧ колебаний. 48 научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов. М. 1993. с. 117-119.

3. А.А.Левитес, Л.А.Плохова, А.Ф.Пономарев. Методика расчета геометрических размеров контурной системы оптимизированного од-нодиодного генератора стабилотронного типа. 48 научная сессия, посвященная дню радио. Тезисы докладов. М. 1S93. с. 116-117.

4. Е. М. Гершензон, А. А. Левитес, Е. И. Оплеснин, Л. А. Плохова, А. Ф. Пономарев, А. И.Сметанин. Измерение зависимости импеданса полупроводниковой структуры ЛПД от амплитуды СВЧ колебаний. Электронная техника. Сер. Электроника СВЧ. 1994. Вып. 2. . .