Исследование нелинейных режимов работы полупроводниковых приборов СВЧ тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

РГ5 ОД

ГОСУДАРСТВЕНШЛ КОМИТЕТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

САРАТОВСКИ! ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

На правах рукописи СЕМЕНОВ АНДРЕЯ АНДРЕЕВИЧ

уда 621.373

ИССЛЕДОВАНИЕ НЕЛИНЕЙНЫХ РЕШЮВ РАБОТЫ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПРИБОРОВ ст

01.04.03 - радаофязнка

01.04.10 - физика нолупрсводЕгшюв и даэльктрагоа

ГОСУДАРСТВЕНШЛ КОМИТЕТ Р0ССИЯСК1 1 О ИЮН 1994 ПО ВЫСШЕМУ ОБРАЗОВАННО

Автореферат диссертации аа соискание ученой стсшспз кандкдата фсзнио-изтематическнх наук

САРАТОВ - 1954

Работа выполнена на кафедре фиянки твердого тела Саратовского Государственного университета

Научный руководитель * профессор» доктор фвсзико—иатеиатических наук Д.А.Усанов

0<1ициальные оппоненты: профессор Саратовского Государственного технического университета, дсктор фкаико-иатеыатических наук Байбурнн В.Б.;

замдиректора научно-производственного отделения "Микрозлзх-трогзжа СВЧ" Государственного научно-производственного предприятия "Ализа", лауреат Государственной иреиин, кандидат технических наук Посадский В.Н. .

Ведущая организация : Саратовский филиал института радиотехники и электроники РАН .

Защита диссертации состоится 30 ипня в 12 часов на заседании специализированного совета Д.063.74.01 по специальности 01.04.03 радиофизика, 01.04.10 физика полупроводников и диэлектриков в Саратовской Государственной университете :

410600, г.Саратов, Астраханская, 83.

(^диссертацией можно озаакощпъОя в научной библиотеке СП' .

Автореферат разослан ива 1994 г.

Ученый секретарь специализированного совета кандидат фязико-ыатеыати-ческих наук, доцент

Аникин В.М.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность тешг г

Для соареь'ешгой радиофизики ¿арактереп сущастпвккий инто->ас к нелинейнш мгатамш, я кссл-эдова:гоэ слоеного( а той чис-ia и хаотического поведения электродалаигшсгаи: систоы, ¡аюг>-гп. в своей состава полупроводниковое элементы. Йзучевне о;::со-гоызрностай нелинейного взаимодействия злектроиапштних колоба-мй, г? частности, диапазона СЗЧ с твердотельной пляэноЯ в дкод-щг полупроводниковых структурах является актуальный для развито! физики полупроводников. Проведение таких асслодовакий поэ-юляет совершенствовать известные тшш полутгроводогиповых yov-юйств CS4, расширять области их применения, создавать новно хтрсйства из основе эффектов, пзблэдагкзмся в результате ке-ячейного'характера взаимодействия.

Значительный трудности в проведение такого рода исследозз-шй вносит тот факт, что в силу гталикейноста процесса не гтр>зд-юлагается зддятганого отклика на зддитйиша воздействия (т.а. ЕвазшинейЕый подход неприменим ), я для строгого таоротичееко-'О описания 4ЯЭЯЧ8С1ЯЗ. ПрСЦЕССОВ, IipOTGIWKSIX В ПОДОСНЫХ СНСТ0-шх, необходимо peaeste слеянсЗ системы пеликейннх дафферан-щаяьшх' уравнений. Подобная- скстеаа нз етгеет строгого анз.тата-[еского репепня, н для ее анализа пеобходкио испольасээть чис-шише методы.

Отказ от упрсъашгих моделей полупроводниковых структур я (оле г полнкй учат свойств электродгшзмпеишз: систем кокет псэ-юлнть выявить особенности нелинейного взаимодействия СБЧ геншг о плззис?! твердотельной структуры,. неизвестные ранее вва-1У использования ряда упрощенцах прадаолскеппй . прз ,анализа. 1сследоваш£в болео строгой коделл аолукрспсдшкоооЯ структуру я »держащей ее электредгшзмяяагаей сноте;и, а такта акспорпмсЕ-гальное исследование особенностей работы СГЛ устройств ебус-товленных-. нелинейнки взаицодейстакеи. о СВЧ кзлученяеи больного гровыя мощности, представляется актуальшм о точки зрэшя анализа процесс сп ко&иутзща, Еззяочастсткой га карами:, • возбуаде-ягс субг&рыоник и шуыоа.

Следует отиятить, что обуеяевлектйге. ¡ЯЯШёйгазда процессами эффекты модуляции, езшхрон&зацпя, xaoTiissisin в лазерах теореет-мски а акспзримвктгльяо нпеледоваш. достаточно', яирокс, з го к. »реня в диапазоне СВЧ. их спадифшеа пржзнитвлько к. тзердс-гельным генераторам сравнительно иалсязучеьа.

Особое внимание привлекают реализуешь в твкях генераторах,

npii соответствующей выборе управляоднх параметров, колеба-тьлыые рагиьа: от с л ои :оп в ри одич о с ких и квазкперйодических до хаотических. Изучение таые. реюшов и характера переходов генераторной систеиа нэ одного реяимэ в другой представляет интерес с течки зрения физической общности предполагаемых результатов к аоамоззюста создания систем с управляеиыми характеристикой»: .

Цельи диссертационной работы являлось исследование особенностей келтю&ных рехпшов работа полупроьодпикоьщ: СЕЧ приборов , в частности, нелинейного взаимодействия СВЧ излучения с твердотельной плазмой в диодах Гаква , евкзан-них с появленнеи иодудяцик, ыногочастоткой генерации к хао-ткзащш, с воздействие« внеанего СВЧ ил;: НЧ сигнала, .описание па этой основе кояых физических аффектов в этих, пркос- • pax и их практического использования для улучшении характерис-тш: существущкх приборов и создам:," оригинальных устройств.

Научнак новизна работа ;

- впервые теоретически описаны и обраругек» вкопорниеитально эффекта синхронизации иод к модуляция вьаодного сигнала б твердотельной СБЧ генераторе на диоде Ганна, синхронизируемом СВЧ сигналом на частоте субгарыонкки высокой кратности; шюгочестотной генерации, диодом Ганна сигналов, не связанных целочисленными соотнонавшаги с сигЕалоы основной частоты;

- на основе обнаруженного эффекта кодуляцаи выходного сигнала в синхронизируеьщх СВЧ генераторах на диодах Ганка предложен способ формирования хашуяьсов СВЧ'короткой длительности;

- показано, что мскет кзиснятьск знак , нелинейной составляющей реактивности в СБЧ генераторе на диоде Гацна;

- установлена форыа сигналов, управлявших р-Х-п-даодкаы приборам;: , при которой kdsbo повысить биэтродействие указанных устройств к избегать искажений фордафуелгых юж игрульсов СВЧ ысщности,

Достоверность получеддах результатов обеспечивается применением стандартной измерительной аппаратура, метрологической проверкой оборудована; я методик измере1С£я, соврокакшдш мзто-даыи обработки эшявергкаимльнах дакках с помощью ЭШ. Достоверность получзЕних теорагачосаах результатов достигается такав корректностью сделанных . допусекий, достаточной строгостью математических ыододай, сходимость» ыъгодт-тл&х. процессов х кошем рзшзннлм, хороша корр&шпгтгй ре&у^-гатоз рзеготь с экспериментов.

Практическая значимость полупетшл результатов гзаклвчгштся в следующем:

- ксследоввпа модель иногксоптурнсй СПЗЧ цега с вклвчекнкм о пеа диодсы Taima, соотвотствукд&я генераторном плоктродшоиичос-К5Ш системам, учатшзазпцая как осо^лшссп; фнэшсг работы по-лупроцодинксзого прибора, так а элементы ого конструкция, позволяющая оперативно иссладовать особенн&стк колсблтоль;ддх рвхяиов гекераториах устройств; • "

- разработан СЕЧ гекзратор, работавший в родима сширонизадаа субгармотапсоЯ иасоксЯ кратности, обяад&пцшЛ широкой аолосоЯ перестройка рабочих частот;

- разработан усилите пь СЕЧ с рассирешшм э сторону верхней гра-¡асцц данаикчесЕнм диапааонет. отлитзьсзсйся арш'сношгии и конструкции долосис-пропускягкдш фильтром на субгнрмежпсу рабочей частоты;

- предлежи способ управления р~1-я-якодзкл и реадизунцзя его едена, ка осяоиа потерях бклэ создано бистродзЯстаугЕМ» устройство управления р-1-п-длод1лапг прнберзиа СЕЧ,

В оаг^гпаьтся сдедугг^'з осноетдгэ цолцга1Егы:

;.П СБЧ-г;пгерзтсра яз ,5яодз Гаит, работала;: я розпма уясго--астетпс' гепрраглги. ссстазллг~'е спзгстрз зыходаого • сигнала *:сгтт 'иг:. сяяпшга ттодз'П'сдозаглс! ссоткегегс-я^п с сгпгалсм-оопоэксЗ частота. 5.S СГЛ-г ~г?ратсре на да ода Га ншз, а спокгре ^¡¿годного сигнала г.стсрего осс73пдякт,ш "а СТЗД33131 цздотгслеиглдп! ссот"сг'л~1гг.п; с с;тгл~.:;м осксзпгЛ частсти, ""í-тлда'П'ся еехлхпйззейп!

"а гепзрзтер катале-» лз ".ас-го-

та одпсл д*з

саактрп.

!.Кзлппйппл с-остчвлэтт?я рооэттпзяоето з С2Ч геиаратсра па

Ганга мстзг :г.;ать разный апа:: • .3 СЗЧ -чутдтера па p-i-n-дяодзх проасходат задорска перад-того фронта СЕЧ п^пудьоа а затасзмоста от амплитуда управлгга-цаго гедтуль^з сбратлего смевдпзя .

Кз петиту ешгосэтся таете группа sek-íí тппез устройств па о^упроэодкигевйз: приборах, созданных а результате 'презе-спссс ясследсяахйЛ : '

- Г'ктавкыв фяльтЪч -йа даодэ Гденз и СЕЧ транзисторе С71;

- генератор, сянхрсяяонрозонзкй на оубгармспикв 113];

- генератор короткая импульсов СВЧ ;

- СЕЧ уаалатель С14 3 s

G

- схема управления p-i~n - диодными устройствами СЕЧ [33.

Личный вклад автора выразился в самостоятельном выводе расчетных соотношений, позволяющих описать эксперииевтальиые результаты, шборе математической модели, проведении теоретических расчетов, участки в формулировании научных выводов.Экспериментальные данные получены авторов диссертации лично. Представленные в диссертации устройства изготовлена непосредственно авторов .

Апробация работа .

Осноаше положения и достигнутые в хода выполнения диссертационной роботы результаты докладывались п обсукдздись ка V Всесоюзной пколе-сеюшаре студентов радиотехнических специальностей по разделу "СБЧ устройств® к узлы" в 1S85 году : Уоокво; па XI Всесоюзной научно-технической конференции ''Нзраз pycascuc £дзичесшю itarpjsi к средства контроля" в 1937 году : г .Ноская: ка ошпаарэ "НелпньйЕае Еусопочастоткые явления в по лугфоводпзках « пЬлулроводзшлшх структурах е ифоблема vjî применения в электронике СЕЧ" Научного совете по проблеме "Casnr-к хшпя оолупроводакксз" ДК СССР в 1991 году в г. Навои ; на родоуствспной нзучко-техакчеокой коп}ероюта "Прибора, увявш. и распространенна iek^ïscsïtjceux п суttoauEyoïposax ваш" ; 1S93 году в г.Жзрьксз.

' Публикации »

По материалам всслодовагаЗ, вшблаошт при работа код д-;.-.-сертацней, опубликовано 9 статей к кратких сообщений :> i, ч трзльвах к отраслевых нзучко-техшчаскпх »урнзлгх, чотчт-с v.v засов- докладов на научао-ггехначзсхш* поЕ?срг*:цзях. На çcxn--- . кйе решения, полученные в хода прозедекшг ксследовзпл« :>. ;:./. гвагтае кообротвшякз, выданы два авторских свидетель.-.— J2 1479976 к Jî 1807552 . Приборы,, в • хотсрих балл кспальздо-:.-отдельные -технические достижения из диссертационной работ:: экспонировались-на ВДНХ СССР в 1987 в 1989 годах в ходе п;:г: • дения ваставок "Слзпко-техжческие сродства диагностик;:" ; "Учанке Поволжья - народному хозяйству".

Структура ' и объем диссертации.

Диссертация состоит : '^ведения, пяти .разделов, имеюца: подразделы, заклзйчакгя ¿и сдрска литература. Общий, объем диссер . трцик, составляет 126 стролха дазиншисного текста, в той чиса основной текст занимает 116 страниц , ыижчвя 37 рисунков Список литература содержи 102 ' назкенования и излоаен на и страницах. ....

ОПИСАНИЕ РАБОТЫ

Ео введении обоснована актуальность выбргнной теиы диссертации, сформулирована цель рз'о-ш, приводвв» есновкыо полсго-нл, ЕШ50сн1Ч!в па защиту, описаны СГ.Г/КТУрЯ л объем ряботи.

3 нервоы разделе диссертации пров-.тен критический аншяи ¡оврекешшх исследования, поовякэнках ;:зучгннп нолшгейзозх ре^га-¡ов работы "■вердотелы'чл устройств СЕЧ, ыоделировэни'э иротекзэ-в них физических процессов, изучает их хпрактзристпк кз:: гри работа в автономней реясмч, так ц при всадойзтзк» визпяюго "Егяала. Здесь хс ои ределош ссповга« прсблпиу, пзутошз.-о гадоот5точно н требукс^о дзлькейпях ксслсдоезний.

Зо втором раздела приведено мэтлчзттпест'.^.ч СП" гпт -

:птстл иг! дчодо Гачнэ, пррдотзвл.-^аг?я со?оЯ слет'л.'т поляпчсга-лД-зрчшгалылг уравдоикй оля кяфяяскяЛ 'л тсчсп, ссстьалозпг/п :атодоп порвиекпк ссстоксгя .

МОЗЗЛЬ ПОВПОЯЛ«»"» НргТ^СТП гспср?тср! ПЗ ЗрО-

•<?шсч 5оз т кслгСтуД г: аз откспош-?

спзозптсд я кзсходур.^о* "т псгпс," .

^тгг'т.глт'гтт";,! схя^ч г'г^р'тгрз из

этг2:.тг*псг»сЛ члгто пх^птою'-кЗ пр-д '-.спструпясвз-

:гт' ган-рэторо^, и уекятоячЗ дпстзпсня СГЛ , ¿етпнай гдо-оп? схош продотяшкга параялольмга сооджюгпси гаштсоЛксЛ роЕсдтгг'остп г, екпсстя 'С^тг,) л зледеятж-х, дгргхтсризугадаш квиводантку» схему ксрзгусп

Пел^тГнея хаозптпртгсткпа гог?б1лто~ч 1(С.) пппсолсл-

зрсвядось вкрзявшсп

(О,) - Бсч(ио<Т7.+ п)/ь + У.ГШ,«- Т>)/7г)Ъ/(1-КЬ*Л Б)/'-'„3Д/ ,

5в И = 0' при и, 3 » 2 й ар-; И, > у, СОСГ; -г,;2/2-о;

, = 8,5-см/с; V 4 В; 1,=Ю ккм - дгапч дасдз: 3»1СГ',сй£ -тощадь поперечного сечения диода; п = 10*5сц"~3 - :;с-'Л"с."тг..н;:гя »визированных доноров, q - заряд олектвоая,

Гистерозиспкй характер дакамяческой зольт-зшюрнсй гзрмкге-гстики учитывался различижн значениями порогового зшрпжпвга зи возрастании и уычкыпеют потенциала У.. Кспользуеиаи при галине аппроксимация зависимости С , (1,г1) представлена в виде г=лш постоянней составляю-дю* Со - емкости "холодного" диода и иншейной составяяГм^й - веаснотокпой Функция напряжения и .

Система дифференциальных уравнений для напряжений и токов, составляющая математическую модель генератора, имеет вад

<ИЬ

. -1- ( _ 1(1) ) ) ;

«и сг<и1> "

аиг _ 1 (П " с

( 1а - 13 - > 1

_сШз_ = _1_ г Но - Пз

йг с

О

ЙШ

<14 Ск

(1)

- 4- < - - Vй* > :

= ; и„ . п - и - ) ; <11; " е ~ 3 ^

(Ш 1

1м

( и2 - из ) ,

где ио напряжение смещения, и1 - напряжение на впитзк-сиальиоЗ структуре, и_ - напряжение на выводах корпуса диода,

- реактивность элемента настройки, Со, Р_о - элемента эквивалентной схема цепи питания.

Результаты машшного-моделирования свидетельствует, что в исследуемой схекз колебания имеют близкий к гармсютескоиу характер при напряжениях смещения ио - 8 ± 0,05 Б. При из интервала 9 4 9,5 В колебательный процесс приобретает релаксационный характер, прн шборе и > 9,5 В и до 10 В паблзздавтся колебания, соответствующие реашу многочастотной генерации.

- В интервале значений Т1о от 10,1 до 10,3 В возникал слоз-ный динамический режим, по характеру напоьашагтэдй хаотический, причем в окрестности внесения 10,1 В наблвдался рекиы пересекающейся хаотизацин. Наблядеккя показала, что апериодичность возникает в. результате сложного азсшгодейотвия колзбгагй тока в диода с колебаншак во вкзгкей, г.о огнозгнгет к полупроводниковой структуре, цепи.

Теоретический анализ рохккоа генерации ¿.над-

ставляет интерес в связи с возыоггаестьв м ">гч9ского

нения, с этой целью било проведано нселедовскае на ОШ системы уравнений (1) . выбранные , параметры позволили прокаблддагь • ыногочастотный резни в Солее сдаро^оы диапазона значений напряжения смещения.

Яри анализа был учтен гистерезпснкй характер яеланайноЗ емкости способом, аналогичном примененному для зависимости: i{Ut), ко, как показали расчеты, выраженного влияния на характер временных зависимостей да;гяое уточнение недели да оказало.

Анализ спектрального состава сипи ла, полученного в результате численного анализа система уравнений (1)»показывает, что в рассматриваемой схеме пра выбранных япачеяикх ее параметров и нагрялегаш смешения 7*р,2 В спектр сигнала близок к одночао-тотнсыу, при увеличении напряжения сметания реализуетел слоя-лй динамический режим цногочзстотной генерация.

При значениях напряжения сыес&шгя U . > 1С В в сиокгре оплачено присутствие субгармонической коапопонти СВЧ сигнала с частотой f /2.

Другой характерной особенность» полученных спет:трон является то, что в рабочей полосе частот (G-12 1Тг;> киевтея спектральные компоненты, us связо1тыб целочиолетшми соотношениями-с сигналом основной частоты.

Таким образом, на основа расчета вларвыз продемонстрирована воэусзяость существования режима иногочастотной генерация в диода Гз>шз, отличавшегося тек, что в рабочей яолоиа частот возникают спектралыме ;:о5шоие:ггы, р.а связанные цвло-Ч5?слэшшии состнозенияго! с сигналом ооиовноЗ частота.

Теоретически подтверзденэ возиотссп, иер&хода колеба--тельЕоа систеык, содерлачей днод Гшша, в реязш хаотических колебаний при напряжениях сиещевая, в несколько раз превтаа-гггих пороговое.

В третьем разделе приведена результаты экспериментального исследования кэлинейшх явлений' в твердотельных СЕЧ устройствах. Пскавану особенности двухчзстотного резина работы усилителя ка диода Гэинэ, саклвчакстеся в появлении субгармокичеи-ких состазллщих а пумсвой генерации я спектре выходного сигнала при воздействии нв диод дополнительного сигнала СВЧ евьлао определенного-уровня мощности.

Ксследуезягй усилитель обладал следуг^-ыи характеристиками s центральная частота полоса усиления Х- составляла 10,2 ГГц, пя-рииз полосы на-уровне 3 дЕ - 800 МНя. коэффициент усилзния ю дБ при напряжении смещения 9 В. При подзче на вход уешп-теля основного сигнала с мозгностьа F до 8 мВт на его выходе на<5лн>-

дался усялеший сигнал той ей частоты. При увелэтепки урсвш мощности Рг>3. в спектре выгодного сигнала наблЕдэлось появление субгармо1&1чоских" составляющих к их к.ои5кяэций, соответствен!« при с 8 мВт появлялась составляющая 172, при --15 мВт -Т/4 . Рпх = 17 мВт - 1/8. Амшштуды составляющих 1/2 в */£ были ueio.no амплитуды субгармоники 1/4 примерно на 10 дБ. При Р...- 17 мВт наряду с возникновением субгармоники Х/В, в окрестности спектральной составляющей 1/4 била отмечена областг, пуио-вой генерации.

При воздействии ка диод Гашха дополнитальшм сигналом СБЧ бияо обнаружено его влиякис пз уровень порога мопрюсти основного усиливаемого сигнала, при 1;зторса происходит возиикпо-ветае субгармонических составдяхагх.. Особенно сильно »тот с--]<-С-окт проявлялся в случае близости частоти дополнительного сиг-кала к 1/4.

Результаты измерот.глЗ .с^йдетельствуг/г, что воздействие дсйол-нительного сигнала более чаи в 1,5 рззз поникать порог о-

вай уровень иоаносго входного сигнала, при которой еозгсзжэт субгармонические составляггдаэ, причем вг»някз:ей9ш<> с?бгггк'о:г::: при изменения мозюатк дополнительного спгпала СВЧ тт'-сгт скачкообразный характер .

Полученные зксперкксЕтглыза-з ргзультаск сбш^мл: стг;-;™■ возможности появление всказзнгй, шз&ашяз. ксу^гг.р.-.-- • часках составляющих в спектре внходного скгааяе СЕЧ уст ка дяодах Гаяна, работакцях в даухчастотяои роягыа.

Спасав эффект захвата мод в генератора СВЧ лв I'

скнхропизяруеыоц внешний сигналом^

Известно, что пря многоходовой генерации в яазерз вс?.—. реализация рекнма еншрошзахра иод, что позволило предполо:...- • наличие- подобного региыа к в СВЧ генераторах на диодах Гак:;- -

Для ванилевая оссбышостей работы' СБЧ генератора на д:.с г.: Ганга в ыногоыодовом ресине генерации балл проведены эксг.вр--ыекталышо исследования при разлпчшх значениях цапр.сасш:;: патакая и ыогзностк сигнала синхронизации .

{Лногкдодовай рахзш генерации наблюдался в интервале капря-езней сыеззшш 7,5 - 0,5 В. В отсутствие синхронизяруюцего сигнала коды СВЧ генератора но обладали целочисленной краткостью.

При подаче сизхра'ггззружг^аго сигнала спектр генерации диода Гавна изменялся как по частотам, так и по аггплитудам его составляла, в при переходе в редки синхронизации какдая ыодз в спектре выходного сигнала занимала положение, характерное для Слксайшей к Еей гармоника синхронизирующей частоты. Частоте

синхронизирующего сигнала выбиралась равной частоте субгармошки основного сигнала в интервале от двадцать пятой до тридцать первой..

Результаты эксперимента свидетельствует о гахжвлакки эффекта захвата код соответствующий!! гаталонпкапи сшкроххют-рувщего сигнала.

Теоретические расчета и эксперименты псхазывггэт, что реактивность диодов Ганна гшевт емкостной характер н квадратичную зависимость от внпяитуды сигнала А

В (А) = и(Со - (ЗА2) .

Злак коеЗйэдзгита £ п кграяипш для реактквксЗ составлглхкй прсводхиостх определяет характер секгскиости резонансной частоты от сишпстуда сигнала, spa атси традиционно счя-TSGTC.i, что Баяпапг зтего зсэФЬщиента яабо пренеСрсгхуо пала, либо полсйсгтельна, то есть нелинейная сестзвлягцзя рсзптхЕпо-стл isíse? гащктшшнЗ xsporcrop. Сдпх' рпсецаяснсЛ чистог»! гг-з к частсте ввгсксдсбаЕхй призсд^т к

со?" :этр:п остлатудао-ЧЕСтоглсЗ хер ентернеяпа с:шхроппг-.фо-• • ":■:••::".:> генератора, •■•::•.,•-•:< Г:::-: с от:..", с иски: со инкспиуиа г. сЗлзсть кслкпятслькег к„тл стсзазте.'з.пс! с-на'-скгЛ рссетосйзи Сггаетгсг.акие тгкого кантона обгслзвлшост го.толоннг гистерс-глestero при уотсвсжжаш рекша еннхрекиззппл ' к выходе

х:з пзго.

Тра~п:""о;п-1оа Ередотйвлекие о хервктерв заляствюста реактивной прсго~тдаетл от г'шлатуда сигнала позволяет, таким образе«, сделать nur/o.-, tro в етжронзЕкроважза геверзтерзх па даогзх Гл-т'- »ибо ш а&блэдается, лггбо набявдвется в обдае

•гг. гтр-.пгЕГЕДмзг значений расстройка, то есть прз частотах сг-гпздз накггах чгстота собственной генерал:«.

Д-".л г";:влг.ктя оссбавпостеЗ работ» кггсхропикирспапдаго СБЧ гопер-терз на деодс Гяшхз, связанных о пелздасйгс»ц характером его рзоктгллюсти, би-тл теоводонн экспериментальные исследования от:' par личину. значениях штряззшя пнтакил, частоты собствсн-1'сЛ гбкерацза и иопрюстн мггиала сшпфонизсцк! в диапазоне ■частот 30 - 32 ГГц.

Rpn üorv'-остях сяихросягнзлз 150 и 100- цкВт кзбяадаяас» яэ-ленпя гистерезиса при входа п виходо из рягзмэ аахвзп;впгшл ■частоты па грзиицах полосы синхроиизаша, прячем при уровне 100 :с-с?т гистерезис возникал на верхнем ее кра». Геяйозтор раб рлглгчгых режимах, спектр его сигнала в обоза случаях

имел ыногсиодовнй характер. Гисчерезасше явлаяня в каядои отдельном случае наблюдал: в 7 % диапазоне изнонения напряжения смещения и мощности синхросигнала в пределах 1,5 - 2 дБ пра прочих фиксированных параметрах.

Результаты проведенных эксперимент альню. исследований свидетельствуют о возио-пюстз возникновения явтекиг: гистерезиса в синхронизированном СБЧ генераторе на-диоде Ганна как на ннзг-чгы, так и нг верхней чястотном краю полосы синхронизации• Такой характер гистерезисяых явлений позволяет сделать заклйчеиав о той, что при различных реккыах работы нелинейная составлявшая реактивности, зависящая от амплитуда сигнала, кжет разные знаки и, следовательно, ыожэт иметь не только индуктигниЗ, но я еикостйой характер .

В четвертом разделе исследованы особенности управления ыощ-гостью СЕЧ сигнала с помощь« полупроводниковых диодгшх структур. СЛнаружано, что в импульсных СБЧ устройствах на р-1-п-диодах имеет место искакениа форшл СВЧ импульса, причина которого зг.клхчаетсп в той, что посла окончания процесса рассасн-ваяия заряда, накопленного в базе диода, происходит зарядка барьерной емкости обратносмедеккого диода и еыкостпих алеиен-тов схема и конструкции до-значешл иобр. При посладувцей подача кдаульса прямого тока процесс наксплеячя. заряда в база задерживается до окончания разряда суздарнзЗ смкостн диода и г.ок-структивнах олемзнтов, что отрицательно сказывается вз длительности прямого переходного процесса,

Применение сигналов управления' специальной формы позволяет 1 избежать аозхгйкнсвония указанного аффекта и повысить бистро-действие р-1-п - -диодных СЕЧ приборов. -

Компромиссное реиеаие состоят в выборе длительности вульса обратного сыечвшя, равней вреи?ни воистановлавля обратного сопротивления, после чего, во избйЕзнне перезаряда барьерной емкости, .диод _обесточивается. Применение такого способа управления оправдано с точки зрения отсутствия искэкетия в,:-р*здяего »фронта СВЧ кмпулъся и эноргетичекск выгодно, но отсутствий ■ зипяравкого сивданяя на диоде нри высоких уровнях коьвд -тчруамой мощности СЕЧ нсагет прньбртн к автооыеданив и даже пробои диода. К тому же такой режим приводит п увеличению затухать« я в состоянии "вшиатчано" на СВЧ.

А^ьтарнаткьоЗ в втоц случав являзтея уменьшение аышитуды зип>дьс8 обрезного сиэвмиия да до нулевого уровня, а до наи-торлгз срадштолько иадего уровня, действующего до прихода ишуяьоа зрелого тока .

Проведенные исследования показали возксяность повышения 'быстродействия р-1-п-диодных устройств СЕЧ и создания эффективных управляющих схем, реализующих предложенный способ управлении сигналом специальной ферма.

Рассмотрен альтернативный способ модуляции, характерный для синхронизируемого СВЧ генератора на диоде Ганнз, работавшего в режиме биений, при подаче на него сигнала с частотой, близкой к собственной частоте генерации . Для проверки возможности существования рапида модуляции такого типа и его конкретных особенностей было проведено, исследование зависимости характеристик выходного сигнала генератора на диоде Гая -па от частоты и ашзлитуды внешнего СВЧ сигнала.

При воздействии па СБЧ генератор внешнего сигнала с частотой, близкой к собственной частоте генерации, в спектре выходного сигнала наблюдались комбинационные составляйте. Такой спектр имеет специфические особенности, а именно : комбинационные составляющие располагаются по одну сторону от частота генератора, вшлитуда ссстазллкцнг. убивают по закону геометрической прогрссс.н! с ростом номера п, а их частота определялись соотЕопениеы

а> ^ со + да-п ,

по

где и - частота п-й комбинационной составляющей, у - ч-стотз генератора, Дм = ш - и - расстройка кеяду частотами генератора и внешнего сипгала, п - положительное целое число.

Из результатов исследования зашсииоатоЗ харгкторз спектр:! выходного сигнала от величии расстройки к мощности вкепкзх'с сипгала следует, что. эта величины сузсствопно в-ч;гх»т на спектр выходного сигнала. При постоянной ыощнссти высшего сигнала укэкызение величины расстройся приводит к увеличен:® числа и амплитуд вомбииациошак составлялась нэблюдаеыих на экране анализатора спектра. При приближении частота бноекзго сигнала к границе полосы синхронизации число наблюдаемых комбинациошо« зоставляхетх стремится к бесконечности, велич!ша расстройки зтремится к нулю и часть спектра в области частот коыбиняцион-тах составляющих приобретает шуиоподобнкй характер. Ападогач-ше изменения спектра выходного сигнала происходят при увалнчо-пш иогшости внешнего сигнала при фиксированном значении его ¡астоты. Благодаря этим особсшюстям спектра выходного сигнала -БЧ генератора, находящегося под воздействием внесшего сигнала ¡лиской частоты, амплитуда виходного сигнала периодически

изменяется ео времени, то есть происходит его модуляция.

Из вырезания для амплитуд комбинационных составллицнх

■ A = Aoq/(l-qE)

видео, что при изменении велич»:л расстройки п моцкости внесшего сигнала амплитуда огабас-дей выходного сигнала исяет изменяться более чем на порядок. Следует отметить, что в зависимости от величин расстройки и мокщсс-тн впегшего сигнала изменяемся не только ^яплитуда низкочастотной огибающей. но и ее форма. При налах значениях q Скорма огибающей является близкой >'. гарноничзской. Этот случай мохет быть реализован при больших значениях расстройки или малых уровнях моцкости внап-него сигнала.

Исследования по определении предельных возисхзюстей рассматриваемого способа модулядих ( максимальной к минимальной возмогнах частот назх^счаототной огибам;эй выходного сигнала ) показали, что максимальная частота модуляции определяется величиной расстройка медду частотам! сигнала генератора и виешзго сигнала. при которой возникает рехздд биений. Ыхажмалыыя частота модуляции определяется чгстотаоп стабильность» работа как самого СЕЧ генератора на дкс>де Г?ниа, так п источника вньииего сигнала. Кзиэрепкя показали, что при кзмопзкии золичшш отно-вокиз моетостеа ьшспаго сагкала и осасзиого генератора от -40 дЕ до -5 дВ частота огибажнай гармонического вида мамани-ля'^ь от 3,5 ?дГц до 130 !.:Гц, а в вида импульсной последовательности - от 1 Ш?ц до 10 МГц.

Таким образом, из результатов проведэшиах исследований следует, что прч воздействии гармонического внэЕнаго сигнала на СЕ" генератор на даоде Гакаа возкякащий pesas биений исжет быть использован для сбеспояешш амплитудной модуляции еыходыо-гс сигнала. Причем форма огибавшей выходного сигнала Mosei' иметь вид, близкий,к гармонхчеснону, в моха? ы представлять собой периодическую последовательность импульсов. Частота модуля-Ы>*| з зависимости от мощности гшегпюго сигнала, 'ксмат камень гьоя от единиц мегагерц до значений .свыне 100 МГц для гармо-ытеской модуляции и 1С МГц для импульсной. Максимальные значения частот модуляции достигается при мок?асстях внесшего загнала, оразяиммх с мощность« собственной генерации СЕЧ генератора на дазде Ганка.

В пя"?ом раздела приведено описание новых полупроводниковых устройств СЕЧ, созданяих на основе эбнаруязпЕых з^фектов к фа-закономерностей t: использущпх СВЧ дпсда и траньисто-

ра в качестве актгож&к элементов. Конструкция СБЧ усилителя с фильтром на субгармонику входного сигнала и схема управления р-1-п - диодными устройства!« СВЧ замещены свто]тсккнн свидетельствами.

В заключении сформулирован! основные результаты, полученные в ходе выполнения диссертационной работы.

Основные результаты и выводы

1. йгервые теоретически обосноезна и экспериментально подтверждена воз5Ю,"зюсть появления частотных составляющих, но связанных целочисленными сооткошешг.чия с сигналом основной частоты, э спектре СВЧ генератора на диоде Гонна, работаетего в резгыа мнегочветотпей генерации.

2. Впервые обнаружен я экспериментально исследован аффект синхроннззцин мод в СБЧ генераторе ка диоде Гапна, в спектре выходного сигнал» которого составляпзке та связана целочисленными сооткопеняяуи с сигналом оепошой частоты, ври воздействии г;а генератор вввздтац сигнала:; па частота субгзрмокака г.нссжс-Д кратности одной кз составляйся* 'спектра.

3. Сбзгруггск к теоретически обоснован гКокт модуляция юн-ходкого сх£гязлэ в С15Ч генераторе ка дяоде Гоква, рвСотая-а« в реггдлз спахропязгют.

"стазовлэгто, что голзнейная ссстпзлггзая резятивиостн ,г?:еда Гглга имеет расшо онакя, то есть иезет ккзть не только 13йукт;тпка, но и емсостпоЯ характер.

5. СЗкарунеко, что в когыутатере ка р-1-п- диодах возможно яекзгеяке перадпого Срагта ¡пгпульез СБЧ шялости в зависимости ст сетдцтуда управлягскего импульса обратного сагч-акяя.

■5. Готапсвлспо, что упрсязшяо р-1-п- дкодплгя приборам сип-ала:; продлатошгс-Л специальной форма позволяет повысить быстродействие укззагпих устройств и избегать искажений фориируо-

»131 тплульсов СБЧ вегзостз.

7. Продгозон способ управления р-1-п- диодами и роолизутаая сто езляа, из основе которых создано быстродействующее устройство управления р-1-п-диодпкми приборами, с-баепе-тававдеэ неис-ксгеннуп передачу фронтов управляющего иггпульса в модулирование« сигнале СВЧ. Устройство зэздащано авторским свидетельством.

8. Предложен способ формирования СБЧ ккпульссв короткой длительности на основе обнаруженного вффактэ модуляция внходного сигнала в сикхроннзнруемих СВЧ генератора* нз диодах Твша.

9. Предложен твердотельный генератор СВЧ па диода Ганиа, рабствкжзяй в режше синхронизации субгэрноникой пасокой шаткости, обладающий, по сравнен!..-ч с устройствами такого класса.

б ass в пзроксЗ подоссЛ перестрсйгзг рабочие частот.

10. Предложен усплаталь СВЧ на диоде Гаына волноводно-коак-снальной конструвдш, обладзкцнЗ расгяреяжвг в сторону верхней грчшщи дяпзиическкм диапазоном, что достигается пркнананиеы в конструкция полосно-пропускающего Фильтра но субгармонику рабочей частота. Устройство ззщпцеко авторским свидетельством.

Основное содержание диссзртагыы изложено в следушдтх публикациях :

1. Прибора радоговолясвого контроля на эффекте автодишхого датектнрсЕйИИ в СВЧ генераторах / Д.А.Усанов, А.В.Скрппаль» А.А.Сгыокоз к др. // Тез. дом. XI Взссовзк. паучяо-теххычес-

" к.лд г.окфероядлн "Неразрухзамдиэ физичекзш нетодн и средства контроля".- Ч.: .Изд-во КМ Ш. 15ST.- Ч.З.- С.27,

2. ¿5ь£орматис:шо-азмер;:тель1;Кй ксыплекс для контроля параметров покрутай / Д.А.Усанпв, А.А.Аздзев, A.A.CcüSIiob, Б.Н.Коротан // Jar^opu. листок о наушо-тех. достижении.- Саратов.: Игд-во Сарат. ШШ1, 1588.- 1 с.

3. A.C. СССР, МЖИ II 0л Г 1/1С. УстрсГ.отьс унравдо-я,ш Р1В-даодсм / Усзноэ Д.А., Шниг С.Б, Сгиапсв A.A. (СССР),-4131032/24-09; Задекво 14.01.87. Сцубя. 15.0S.G3. Езл. Л 1В.~ 2 С.! Кл.

4. для кылрагг'л&р-.-кчтроа покрытий / Д.Л. Усаков, • '...В. Сирглсл, .-.Л. Ссяхкс-г.. S.U. коротки // Лппетагкп спзаспвгсв катаас: "У».»»:» Пгвсл;:... - народно^ хозяйству".- Саратов.: йзд-по СГУ, ii'39.- C.iJO

5. Уошюо Д.А., Горбзтс» С.С», Д.Л. Дь-у^-г^сгс...

рекам работы СЕЧ усилителя аз диода Галяа // Язв. БУЗоз pr.'z • 1У50.- Т.35, Я 12.- С. 1429-1420.

G. Усанов Д.А., Горбатов С.С., Семенов A.A. Изиаиотите ел:; ■ ' йляътаааарной характортстикк диода Ганвэ в завасжгостя от рз~ хтага а го работы на СВЧ // Иза. ВУЗов Радиоэлектроника.- 1931'.-•г.34, й б.- С.107-103.

7. Ахгнвйка СЕЧ-фяльтры на вол}прсводникоЕцх СЕЧ-генеоатс-рах, работ&вднх в реязои синхронизации / Д.А. Усансв, С.С.Горбатев . Л.А. Сеиацоэ в др. // ГП'5.- 1551, £ 5.- С. 121-122.

8. Схеиз управления • свэрхвыеокочастотпгыа устройствами на ЯК-дггодах / С.Б. Вгжпг, В.Н. Коротал, A.A. Сомэксв, Д.А. Уса-нов // ПТЭ.- 1991, & В.- С.131-132.

9. Усанов Д.А.', Семенов A.A., Гсрбзгов С.С. Иженвкне pesais гетторзцтэт в диодах Гапкэ о иккпэппем пппряташш сысцеккя // Тез. докл. соганзрз All СССР "Нелинейные высокочастотные явления в полупроводниках а подунропод-згкогзга: структурах и прсб-rrciru tîx применения в электронике СЕЧ"." И-ооя : ITsд-eo Hoboxî-îr.cTO филиала • Бухарского технологического института, 1591.53.

10. Усанов Д.А,, Горбзтсп С.С., A.A. Влзяпко папрл-

:з!пк СУй^эпкл на стогасткпзгтто хол^бпв диодах Гспп? в пюгс:10нтуг.лсй погебатсяшоЗ слтет-п // Радяс?ехта;а я ■рсгглг.э,- 1991.- T.3S, 12.- С.2-'.0«-МОЭ.

И, Склхренкзвнкн л СЗЧ готраторах пэ диодах Гапж» /

.А. Усзпов, С.С.Гсрбзтсз, П.В. т?зк:т, A.A. Colonen // Пксьтз ГТЗ,- 19?2.- ?.10,'Бет. 1С.- С.26-27.

12. Усгноз Д.А., Гсрбсгсз С.С., Ссгапса A.A. Особенности зогсчастотпоЗ гспор-птгп в днодах Гсглм // ПУЗ он Гадио-яегпрскикз. - 1993.- 7.36. 3,- С. 6-1-65.

13. СшпрошгопровашкЗ па субгорпотзгго сперхсиоокоччстоткиЯ шерзтор на детде Гоппа / Д.А. Усзяов, С.С.Горбатов, А.А.С-э-ÜI0B и др. // ПТЭ.- 1993.- Л. 3.- С. 135-137.

14. A.C. 1807552 СССР, ГГ"! H СЗ Г 3/55. СсархшсокочастотныЗ клитель / Усанов Д.А., Горбатов С.С., Сенекой A.A. (СССР).-38780/09; Заявлено 12.06.90. Опубл. 07.04.93. Ем. 1$ 13.-с.г I!л.

15. Усилитель СВЧ на диоде Ганна / С.Б. Векиг, С.С.Горбатов, А. Семенов, Д.А. Усанов // Тез. докл. ивжзедоыстввн. научно-кпическ. конференции "Приборы,техника п рзспрострзкэние ыял-*етровцх и субшшшыетровых волн".- Харьков- : 1'зд-по Яэрь-зского университета, 1993.- С. 47.