Низкочастотные флуктуации в генераторах Ганна миллиметрового диапазона тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.03 ВАК РФ

СШГГ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕ!ОШЛ ТЕХНИЧЕСКИ УШВЕРШТ.Т

Ня прппих рукописи

КРАВЦОВ Игорь Алексеевич

УДК 621.382.029.64

НИЗКОЧАСТОТНЫЕ ФЛУКТУАЦИИ В ГЕНЕРАТОРАХ ГАННА ШЛШЕТРОВОГО

ДИАПАЗОНА

Специальность 01.04.03 - Рядио^изпк*

Автореферат диссортяиии ня соискяние ученой степени кпндидчтя ^иэико-мятемятических нчук

СпНХТ-11'!ТирбурГ

{'«бота выполнена в Спнкт-Петербургском государственном технической университете.

Ппучний руководитель: кандидат технических наук, старший научный сотрудник Усиченко В.Г.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Корнилов С.А. кандидат физико-математических наук, научный сотрудник Румянцев С.Л.

Ведущая организация: НПО "Исток" (г.Москва)

Защита состоится "/¿7" рос^А-О^С 199с?г. в часов на заседании специализированного совета К.063.38.II в Санкт-Петербургском техническом университете по адресу: 1952Ы, Санкт-Петербург, Политехническая ул., д.29, учебный корпус Ж , ауд._

С диссертацией можно ознакомиться в фундаментальной библиотеке технического университета.

Автореферат разослан 199 ^г.

Учешй секретарь специализированного совета K.063.38.II кандидат физико-

-иатематических наук Загрядский C.B.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРЕН!!« РЛБО'Ш

Актуальность теми. В связи с интенсимшм освоением мил-пттрово-го диапазона длин волн растет потребность в твердотельных источниках СЗЧ-колебаний. В диапазоне частот до 200 ГГц широко используотся генераторы нч диодах Гашп (ГДГ). По срэзненпю с коротковолновый »«р-дотельныки генераторами других типов (генератора на лпвчяно-прллстии< диодах, на полевых транзисторах) ГДГ имеют низкий уровень *1у»'ту.-н!кя частоты и амплитуды выходного колебания. Данное прекпутчлйо ГДГ обусловило их приоритетное использование и гетеродинах приемных ус:' -ройств, в генераторах накачки параметрических усилителей, в связн.ч и радиолокационных системах, к которкм предъявляются высокие трв^ОА» -ния по уровню Флуктуаиий в диапазоне допплеровских отстроек частот. Однако практика требует дальнейшего улучшения ^луктуационных пар'.!.::.т-ров ГДГ.

3 длинноволновой части .'¿.¡-диапазона (на частотах )Г < СО ¡Г:;) применяются одноконтурные генераторы на основе диодов из арсенида галлия ( йаАв ) и гЬос^эда индия ( I пР ), работающие - с использованием мощности первой гармоники колебания. При повышении частоты го-нерации снижается коэффициент полезного действия генератора н« основном тоне. Поэтому в коротковолновой части !"л-диапазена применяется двухконтурнке ГДГ, обычно работающие с использованием »г ¡поста с горой гармоники колебания. Использование в генераторах Фос1пд'.индиевых диодов Гатт (ДГ) позволяет получить более высокие мощности и частот:,! колебания.

Механизмы самообразования в н»с?0я1сс время исслеДО!«-» ни лкг:ь пр.:--менптельно к генератора.! Ганнч СМ-длапазс.ча. С:,.:-с ьг.,;"-,•>■■>,-.,. (НЧ) сумпх генераторов .'.'^-дирп^зона крайне ограничены и ь'.сг? .!••>•-■цестренно экспериментальный характер. Сбзоприлптсй тос,««: 'Тлуктуаыпй в этих приборах не существует. Необходим разработка рукопой .уодсли коротковолновых ГДГ. .'.'¡одель, с на.Еей точки зрения, должна содор:к»ть данные о Физической природе НЧ-источников кума, об их локализации в диоде, о коэффициентах модуляционного воздсЛ'.?!»»" источников хума ¡"1 амплитуду и частоту колебания, о зависимости этих иог>**кгконтсв от -я» т работы диода и параметров контурной системы. Модель до тчг- к к •:.•>• чать в себя таг^е методику экспериментального оир.яоягнкя спькграл! -ной интенсивности основных источников 1:Ч-'щума, теоретическая опенка которой невозможна. Шумовая модель пг.обхоли':" к->к длт расчета

•.„яийиишх хпрпктцадсгик конкретных типов ГДГ', так и для их оптимизации, ь том числе, в системах автоматического проектирования. Такая моя- ■ •• л*яояче« время е.цо не создана. В ее основу мошю полонии раи-о' Клр^еьа С. Д., Румянцева С.Л., !,!е церякова А.В. (Электронная том-.,:•т.Сер Л Олектроннкп СБЧ.-1986.-Вып.9(323).-С.36-39), ь которой кетод м численного моделирования рассчитаны коэффициенты I одултг.юнного Бездействия НЧ-^луктуяций конценгратш электронов на рш:1:>7й и реактивную состявляюцие ядаитянса Со./^ ДГ 1! предложи пехпниэм гйлуктуяпий пдыитанса ДГ СМ-диапозона. Расчеты проводились в приближении гармонического напряжения на диоде, что делает их пригодными для использования в шумовой модели одноконтурного генератора. Однако строгря экспериментальная проверка этих расчетов не проводилась. Сложнее обстоит дело с шумовой моделью двухконтурного I оператора, поскольку до настоящего времени расчет модуляционных ко-з.т.'ициоптоп при полигярмоиическом напряжении на диоде отсутствует. Кроме того, практически не изучены механизмы образования Флуктуации колебаний первой и второй гармоник, их взаимное влияние, а также зависимость от параметров контурных систем ня частотах гармоник. Статистические характеристики источников фликкериого и генерапионно-ре-комбинационного (Г'Р) шумя в коротковолновых б а/4 5 диодах изучены слабо и практически не изучены в диодях из 1 п Р .Не проведено сопоставление ЙаДз и IК1Р диодов по шумяы, что важно при выборе активного элемента для мялошумяпшх генераторов. Недостаточно изучено влияние температуры окружяюцей среды на устойчивость работы коротковолновых ГДГ.

На сказанного следует, что для прогнозирования (^луктуяпионных характеристик и пелена правленных; действий по снижению шумов в ГДГ Ы!-дияпязоня необходимы дальнейшие теоретические и экспериментальные исследования.

Цель на стогцей работы - построение модели низкочастотных шумов в генераторах Гпннч М-'.-диагтзона и разработка на ее основе методов снижения Флуктуации колебания.

Загпчи 1'пбпт»

I. Прогс гмалп:.) нЧ-'лумоп в двухконтурном генераторе на двух-с пап, они г второй гармоники колебания. Получить

■ ч, "чппи.т дяп с:..-¡-троп 114-*луктуппий частоты и амплитуды кяждой из

:ар'- ник. ;"■'"! '.'о и ,

■'('ьнгапонтные параметры сложной колебательной

и, г"тг,цц их 1\";:првипр.

2. Экспериментально исследовать НЧ-п;умц CulAS и InP ,V

1м-ди«' чзонп {-выяснить природу НЧ-источников Огум.Ч 1¡ KOpOTKOnOWOPtM ДГ и • годом шумовой спектроскопии определить ипрлистры П-нснт; ив и клинкерного шумя. Провести срявнение по шумам диодов различных диа« пязонов.

3. Экспериментально исследовать Флуктуаниошгые характеристики одно- и двухконтурных ГДГ; на основе проведенного анализа и результатов экспериментов разработать рекомендации по снш;ени» уровня ;.;у>:оп

в генераторах.

4. Сравнить расчетные уровни ^луктуапий колебания одноконтурных ГДГ с экспериментальными и оценить пригодность механизма ^луктуяпиП йдмитачся коротковолновых ДГ для использования в шумовой модели генератора. Завершить разработку НЧ-шумовой модели одно- и двухконтурных ГДГ ММ-диапазона.

5. Экспериментально исследовать влияние температуры окруЧчиадЯ среды на стабильность выходного колебания и разработать рекомендации по повышению устойчивости работы ГДГ (¿.¡-диапазона при изменении внешних условий.

Научная новизна работы

1. Проведен анализ блуктучиий в двухконтурном автогенераторе на ДГ ; доказана практическая пригодность механизма ."-луктуп-иД лгуит* «>ч коротковолновых ДГ и завершена разр^ботк" аумовой модели Г)Т ,",.'„'-•;,п-ппзона.

2. Установлена зависимость добротностей контуров от рог-як« работы двухконтурного' ГДГ ; показана некорректность традиционных »/етодс!» их измерения ; получены '"-ормулы, которые могут сгу:-пть разра -ботки методики адекватного измерения внсаних до^отнсюй.

3. Показано, что спектры НЧ-зумоа тока короуксром-™-/ Д1' практически полностью раск.тпдь'па'-л'ся на отдельные лпг-»ч«-п.". ¡»кг»:; с?*» vi • ного *ликк"рноп •:!>••••> н» пр'т-! -"»гт 10—i'O" , а его :л'.на i; 'íiki!-внопть не зависит от юг/.и^лтуры.

Практическая неHfiость работы

I. Обследопаны и обоб jphh ^луктумгоонн- • х^рач:"рготикн Г/,Г' -ДИ»ПаЗОПа. СбН^ру'ЧШОО С^0Т1>«Т?7ВКе (.••;•'• Д}' уропмти * -утучпи,! 'ПСК/-тн колебпния и тока mtraiM'- по.ччо-Г'.т пробродить :*Т"ЛМ1,ую сг-

брпковиу диодов по сумам тока в чог:срегор*>м Р": им'"-.

'•i. П" ос,. р"зрабеТ">!'1Г!:' гумсаой мидели п;.•■'-лп,- м• - ""<> г-мгнкп <т",7"туаш:П wf:■-;■!! и ^уп-игуди i" •"• í*ai';v ¡'ДТ : '

о. Усншогмзно, что нагруженные добротности контуров 0„| и 0иг входят ц оксивалентнуа добротность 0Э колебательно!; сис-т.нч; с рг.зп':;.!и знаками, в результате чего увеличение 0И4 ■ во многих

от[:$п1»'1г:.ч1.но влияет ■ на ^луктуаиионную стабильность частоты в м-у-лкон':;,','./^..; IДГ.

•1. П^£,,;ш.енл »ьтоцика измерения внсишей добротности контура и.-риоК 1-лр::он1и:и в дьухконтурном ГДГ.

Предложена практические рекомендации по сшшеньы уровня сукн 1Д1' и по обозначении стабильной р.'<боаы генератора при изменении темпер;, ту;;: ци!': средн.

¿1 -"¡."пзапия разули«топ работы

Диссертация является составной частью научно-исследовательских р,,оот по 1,-тк .'Г- £ОЬЬ01, ООоЬОй, выполнявшихся по плану ва>.;-

г £:^их рнбог отраслевой научно-исследовательской лаборатории радиотехники при СПбПУ в интересах ШЮ "Исток" и Л0511 "Светлана". Основные ь.юодц, гекокевдчции, методы расчетов и обобаенные результаты измерений пегедиш этим предприятиям и использованы иая в няучно-исследсвя-гуяьсккх и опитшх разработках, что подтверждено соответствующими актами.

Апрсб'-п'ля работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на И-й Всесоюзной конференции "Ол- > гроникп СБЧ" (г.Орджоникидзе, сентябрь 1Шог.), о-й и б-Р Всесоюзных научных конференциях "Глуктуационные явления с Физических системах" (г.Паланга, сентябрь

г., сентябрь 1991 г.), на Всесоюзной координационно» совещании "НЧ-'лумп в полупроводниковых приборах и устройствах" (г.Черноголовка, июнь 1991 г.), па Всесоюзном совещании "¡галоиумяадое Генераторы СВЧ. Состо/ние разработок и перспективы применения в метрологии" (г.Иркутск, сентябрь 1991 г.).

Публикации. Основные результаты исследований по теме диссертации отражены в 3-х статьях, опубликованных в иурналах "Изв.вузов.Радиофизика" , "Электронная техника. Серия Полупроводниковые приборы", б тезисах 4-х докладов на научно-технических конференциях.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. Основной текст содержит НО машинописных страниц, VI стр.иллюстраций, 10 таблиц. Список литературы включает 109 наименований.

Основное 1юяо;/';нин, выносимые на зпещту •5 I. П' хани;-:.! гЧ.туктушшй пдмитансп ДГ объясняет флуктушшонпые

характеристики одноконтурных ГДГ 8-мм диапазона и может быть использован в шумовой модели коротковолнового генератора.

2. Флуктуапионные характеристики двухконтурных ГДГ могут быть объяснены на основе разработанной шумовой {¿одели генератора ММ-дияпа-зоня, учитывающей взаимное влияние гармоник на адмитянс ДГ и эквивалентные параметры сложной контурной системы.

3. Методика определения внешней добротности колебательной системы генератора по затягиванию частоты нагрузкой не применима к генератору, работающему в бигармоническом режиме. Для корректного определения значений внешних добротностей 0ВН) г необходимо измерять не только полосу затягивания частоты генератора нагрузкой, но и происходящее при этом изменение амплитуд гармоник и разности Фаз между ними.

4. Уменьшение длины активного слоя диода приводит к снижению уровня фликкерного шума. Спектры шумов тока коротковолновых ДГ практически полностью раскладываются на ГР-составляюдие.

На защиту также выносятся: результаты экспериментального исследования шумов тока арсенидгяллиевых И ФосФидоиндиевых ДГ Смм-дияпязс-на ; результаты экспериментального исследования Флуктуаний в одно- и двухконтурных ГДГ ; методика измерения внешней добротности кснтуря первой гармоники двухконтурного ГДГ ; результаты исследования влияния температуры окружающей среды на стабильность частоты ГДГ ММ-диаияэона.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении осведено состояние проблемы, обоснован'», актуальность темы, определены цели и задачи работы.

В первой главе рассмотрев объекты исследования - ДГ и ГДГ Ш--дияпязоня. Обсуждены особенности эффекта Гяння в коротких диодах, а также особенности конструкции коротковолновых ГДГ. Сделен вывод о том, что разработка шумовой модели ГДГ ММ-дняпазоня долгая вестись с учетом этих особенностей, не имею тих места в генераторах СМ-диапазоня. Обсуждены механизмы образования Флуктуапий частоты и "мплитуды колебания в одноконтурном генераторе на двухполюснике и механизм модуляционного воздействия Флуктуация концентрации электронов на адмитянс ДГ. Указано ня необходимость экспериментальной пповерки этих механизмов с целью их использования в разрабатываемой шумовой модели ГДГ ¡.Г.!-дия-пазона. Обоснована необходимость пр1г.°дениг теоретических исследований '•лутуаинЯ в друхконтурном автогенераторе. Обзор литературы по рогу.-; тат«1/ исследования источников ЬЧ-!|.ума в ДГ показал, что для рязра-л«г»и иу».">вой модели ГДГ необходимы дополнительные исследования ис-

точников шума и СаДз и ЬгР диодных структурах Ш-диапазона, Сделан обзор экспериментальных исследований флуктуаций в одно- и дьухконтурных ГДГ '¿«-диапазона. Обсуждены используемые методы снике-1ши (тлуктуаций частоты в генераторах гармоник на ДГ. Показано, что ¡ил:^лпста и зачастую противоречивость литературных данных не позволяют выявить закономерности флуктуаиионного поведения генераторов. Рассмотрены причины паразитного ВД-возбуждения в цепи питания ГДГ и его влияние на вид спектра выходного СЕЧ-колебания. Сформулированы конкретнее задачи исследования.

Ьч второй главе развита теория флуктуаций в двухконтурном генераторе на двухполюснике с учетом напряжения второй гармоники колебания.

Теоретический анализ базируется нь модели бигармонического генератора, учитывавшей взаимное влияние амплитуд V, а гармоник на вдмитпнец диода упг на частотах г первой и второй гармоник. Анализ устойчивости решения уравнений стационарных колебаний при характерном для ГДГ соотношении амплитуд гармоник У1 < V) показал, что для устойчивой работы генератора требуется выполнение у

> 0 , , (I)

где - углы пересечения на комплексной плоскости годографов

адмитансов контуров - У, 4 ( со) и диода 4 (V) на частотах первой и второй гармоник, соответственно. -•»

Анализ флуктуаций в генераторе проведен в предположении, что переменное напряжение на диоде содержит первую и вторую гармоники. В качестве источников возмущения рассмотрены йлуктуании активных ¿"Зи.г и реактивных ¿¿11,г составляющих полных адмитансов диода Уц г на частотах гармоник. Получены выражения для энергетических спектров НЧ-флуктуаиий частоты первой и второй гармоники:

1Р) + 2 N

5"{П-т о» —:

= 4 , О)

где

0Э= 0Н| Лп р, + N (3Н2 (4)

- эквивалентная добротность сложной колебательной системы, М 9хг Уг

Ssi(F) , 5SJ(F) , Ssa(F) - спектральные плотности относительных флуктуация адмитансов диода у1( , у1г и их взаимная спектральная плотность ; QH| г - нагруженные добротности контурных систем гармоник ; K|(î - коэффициенты, определяющие степень влияния напряжения второй гармоники на ток первой и, соответственно, наоборот. Как видно из (3), 114- флуктуации частоты второй гармоники на сдБ превосходят Флуктуации частоты первой гармоники и полностью с ними корре-лированы. Выражение (2), описываюдее частотные флуктуации генератора с бигармоническим напряжением, по форме аналогично выражении для флуктуация в одноконтурном генераторе и сводится к последнему при Vt— 0 • ^ отличие от одноконтурного генератора в нашем случае частотный шум зависит от относительных флуктуаиий адмитансов диода lia частоте как первой, так и второй гармоники. Кроме того, частотный оум и первой и второй гармоники определяется одной эквивалентной добротностью Оэ , зависящей от нагруженных добротностеЛ контуров Q„, и Q„j . Так же как и для одноконтурного генератора частотные Флуктуации зависят от величины углов пересечения годографов адмитансов контура и диода. Из Формулы (I) видно, что в ряде практических случаев SiitjS) и имеют разные знаки. Это означает, что в эквивалентную добротность (4) нчгруненные добротности контуров От и QHJ. входят с разными знаками. Поэтому увеличение Q„2 часто приводит к уменьшению эквивалентной добротности (4) и, тем самым, к увеличению уровней шума >$f<,î

Получены выражения Д1я Флуктуаиий амплитуд гармоник. Они определяются значениями адмитансов диода уг (>г на частотах первой и второй гармоник и их Флуктуапигми. Соотношение мегцу уровней ^луктуаний амплитуд гармоник является более сложным, чем для Флуктуация частот, и зависит от режима работы ГДГ.

Проанализирована реакция бигашсиического генератора на из»'<;г!.~ ние Фал нтрузок по гармоникам. Но-ук-ны выражения для внешних доСрот-ностей контуров с учетом взаимного влияния гармоник:

10)

— Q-Sinf

Здесь ди), = (и),-Ы0)) , ьЧ^г-^г-Ун.г) , Д ЕМ В " О0)

- отклонения от стационарных значений частоты, амплитуд гармоник, разности фаз ыеоду гармониками, вызываемые изменением фаз наг-

рузок по гармоникам ; Г, г - коэффициенты отражения от нагрузок ; С, г , 0, г ~ коэффициенты, зависящие от внутренних параметров генератора. Из выражений (6),(7) видно, что при наличии второй гармоники для определения внешних добротностей Оьщ.а необходимо ;.<мть не только коэффициенты Г1>г и полосу затягивания частоты Д и), , но также девиации амплитуд гармоник Д V, , дУг и изменение разности фаз между ними дО . Кроме того, для расчета требуйся значения коэффициентов С,,г , , сценку которых мойшо провести только с привлечением экспериментальных данных. Поэтому традиционная методика определения внешней добротности колебательной системы по затягиванию частоты нагрузкой является некорректной применительно к генератору, работаюцеыу в бигарь;онпческом ре пиле.

Третья глава посвящена экспериментальному исследованию НЧ-шумов '1'скк. СаАь и 114 Р диодов Ганна Ш-диапазона в допороговом режиме.

Для уточнения физической природы первичных источников шума были обследованы шуми гскя С а Л Б ДГ 8мм-диапазона с различным диаметром активного слоя, п тнкке шуми ОаАз и 1мРДГ омм-диапазо-н«. Объяснение измеренных зависимостей флуктуаций тока ДГ с помощью „у.цествую-оих моделей шума позволяет полагать, что источниками шума ь обследованных образцах являются флуктуации концентрации электронов в объеме активного слоя, ото соответствует посыпкам о природе источников шума, заложенным в механизм образования флуктуаций адмитанса ДГ, используемый в разрабатываемой шумовой модели ГДГ ¡¿¿¡-диапазона.

Проведено сравнение по шумам диодоб различных волновых диапазонов: Зсм, Бмм, Смм. Установлено, что по мере уменьшения длины активного слоя СдАб ДГ снижается коэффициент Хоуге фликкерного сума , пони&яется верхняя граничная частота (Фликкерных участ-

ков спектра, ГР-составляюцио продвигаются в область низких частот. Уровень шумов тока ОиАь ДГ ¡¿'¡-диапазона из-за увеличения числа носителей и уменьшения коэффициента в среднем на 10дБ ниже,

чем у диодов 3-см диапазона. Вместе с тем, концентрация дефектов,-отве" ,1'иешшх за ГР-:иум в диодах Ьмм- и Зам-диапазонов примерно одинакова.

Методом куполоС! спектроскопии в диапазоне частот анализа

Ь

0,1Гц ^ р < бООкГц и температур 77К<Т44ЮК обследованы Г.аАй и Гп.Р ДГ бмм-диапазона. Установлено, что при одинаковой геометрии и концентрации носителей уровень шумов тока у фосФидоиндиевых диодов на 10-20дБ выше, чем у арсенидогаллиевых. Анализ спектров показал, что это вызвано как большей кО!Щентрацией ГР-пентров, так и большим уровнем фликкерного пума в 1пР образцах. В диодах обоих типов обнаружены глубокие электронные ловушки с энергиями активации 0,2* 40,65ЭВ.

Проведен анализ на ЭВМ тонкой структуры спектров ДГ бмм-диапазона. Измеренные спектры раскладывались на су-.му ФликкерноЙ и нескольких ГР-составлякщих:

МП А- "т ^ Ш)

Г = ^ * I тгжгт/

Параметры аппроксимации л , о , В] , ^ рассчитывались на ОВЛ, исходя из критерия наименьших квадратов. На первом этапе окспор.-.ментальный спектр аппроксимировался фликкерным законом. Если отклонение расчетных точек от экспериментальных превышало погрешность измерений, то на следующем этапе в аппроксимирующую функцию добавлялась одна ГР--составлявчая. Число ГР-составляюцих увеличивалось до тех пор, пока не удавалось уменьшить расхождение меуду расчетом и экспериментом до уровня погрешности измерений. В результате такого рязлзу.онпя установлено,

что спектры шумов пр«ктическп полностью раскладываются на отдель-1п,1е лоренпиаи.!. Вклад остатка, не поддающегося разложению из-за ко,кучней 1СЧЮ1-И1 измерений и и1„е.м;его бдиккериый спекц), не полагает 10-20^' н.) всем диапазоне частот анализа. При повышении точности и:"!й-рений слезет ожидать выделения новых ГР-состпвляидих и, соответственно, дальнейшего снижения уровня остаточного фликкерпого сума. Интересно отметить, что этот остаточный Фликкерный шум обладает всеми свойствами, характерными для обычного Флнккерного шума: степенной показатель частотной зависимости близок к единице, параметры •) и о<и практически не зависят от температуры. Значения коэффициента Хоу'ге остаточного фликкерного пума ФосФидоиндиевого диода составляет <><н = 1,5»-4-2,5-Ю-^, арсенидогаллиевого - =

В четвертой главе приведены результаты экспериментального и .'следования флуктуаций в одноконтурных ГДГ 8мм-дпяпязопа, отражаю:!!«

О

флуктуашюнное поведение таких генераторов в различных режимах.

Обнаружено, что уровень частотного шума Sf существенно зависит от KGB и фазы нагрузки и монет изменяться в пределах 10-12дБ. Это позволяет оптимизировать шумовые характеристики генераторов подбором этих параметров. '

На основании экспериментальных данных обнаружено соответствие между уровнями Флуктуаций частоты и токя: в генераторах на диодах с меньшим уровнем токовых шумов Флуктуации частоты ниже. Предложены рекомендации по предварительному отбору ДГ для генераторов с низким уровнем флуктуаций частоты по шумам тока в допороговом режиме .

Проведено сравнение шумовых характеристик ГДГ 8мм- и Зсм-диапа-зонов. При пересчете на одну частоту генерации уровни флуктуаций частоты в ГДГ двух диапазонов оказываются примерно одинаковыми, в то время как Флуктуации амплитуды S^ и тока -Si/l' в генераторах 8мм-дпапасона на 10-15дБ ;.:еньг;е. Экспериментальные данные сопоставле-нн с результатами численного моделирования по температурной модели. При этом показано, что Физической причиной такого флуктуационного поведения является возникновение в коротковолновых диодах нового модуляционного механизма, не имеющего места в ДГ см-диапазона. Механизм связан с обратным воздействием флуктуаций концентрации электронов на форму и динамику волны объемного заряда, в результате чего вклад объемного источника флуктуаций in. оказывается больше, чем прикатодного Snt. Используя этот механизм, удается объяснить различие уровней и вида спектров Флуктуаций в генераторах см- и мм-диапазона, правильно определить знак коэффициента корреляции между флуктуациями частоты и тока. Сопоставление рассчитанных коэффициентов корреляции >*if с измеренными даст качественное и количественное соответствие. Сравнение расчетных уровней Флуктуаций частоты и амплитуды с экспериментальными дает соответствие в пределах СдБ. Результаты этих сравнений свидетельствуют о том, что механизм ^луктуаипй адмитянса верно отрави от Физическую сущность явлений применительно к одноконтурным ГДГ мм-волн.

D пятой главе Ттредставлсны результаты экспериментального исследования флуктуаций в генераторах Ганна, работающих с одновременным выделением мощности на частотах первой и второй гармоник соответственно в 6-мм- и Змм- дипазонах.

Измерения показали, что во всех режимах работы значения на 5-7дЕ выше значений 5fi , что с учетом погрешности измерений хорошо согласуется о соотнои"нк»«< (3). Коэффициент корреляции r/сзду <*лук-10

туациями частот первой и второй гармоник равен единице. Обнаружена сильная корреляция между флуктуапиями частоты и тока генератора (коэффициент корреляции Г^ = -0,7-5- -I). Зто открывает практическую возможность подавления частотного шума с помочью противосвязн по цепи питания диода.

Исследована связь ыекду уровнем флуктуяций частоты колебания и параметрами нагрузок на частотах гармоник. Измерения показали, что в соответствии с результатами анализа уровень шума обратно пропорционален квадрату эквивалентной добротности 03 . Относительные_изменения 03 можно оценить по крутизне электронной перестройки частоты генератора. Показано, что в ГДГ мм-диипазона при Уг< уровень частотных флуктуаций в первую очередь зависит от параметров контурной системы первой гармоники. Контурная система второй гармоники влияет на Флуктуации частоты липь в том случае, если ее добротность на порядок и более превышает добротность по первой гармонике. Поэтому значения добротности контура второй гармоники сами по себе не мсгут характеризовать пумоБые свойства двухконтурного ГДГ. Эксперименты также подтвердили теоретический вывод об отрицательном влиянии второго контура на кратковременную стабильность частоты, сделанный в главе 2.

Экспериментальные результаты сопоставлены с расчетом , в основу которого положены флуктуации адмитанса диода при гармоническом напряжении на нем. Количественное соответствие в пределах 4-8дВ и хорошее качественное соответствие между теорией и экспериментом делают возможным использование разработанной иумовой модели двухконтурного ГДГ для практических оценок.

Предложена и апробирована методика оценки внешней добротности колебательной системы бигармонического генератора на частоте первой гармоники. На основе физических представлений, опирающихся на литературные данные и проведенные эксперименты, сделано предположение, что третье слагаемое в правой части выражения (б) мало. В диссертации показано, что в этом случае для корректного определения добротности необходимо измерять зависимости относительных отклонений частоты АШ\($<,г) /ш я и амплитуды Д V, (Ф,,г)/от фаз нагрузок

4 при поочередном введении рассогласований Г(,г в тракты гармоник. Использование предлагаемой методики для определения внешней добротности С1 внгневозможно, так как третье слагаемое в правой части (7) не может считаться малым. Оценки, сделанные по результатам экспериментов, показали, что при использовании традиционных мето-

II

дов измерения можно ошибиться в определении значения QlHI в несколько раз, а при определении QtHÎ на порядки.

Исследовано влияние напряжения питания и температуры окружающей среды на спектр выходного колебания ГДГ км-диапазона. Установлено, что возникновение многочастотного режима работы генератора при понижении температуры окружающей среды связано, как и в ГДГ см-диапазо-на, с возбуждением паразитных НЧ-колебэний в цепи питания ДГ к модуляцией ими выходного СВЧ-колебания. Изучена возможность подавления этих возбуждений с помощью антипаразитной цепочки. Показано, что применение антипаразитной цепочки в схеме питания ГДГ позволяет полностью подавить паразитные колебания на частотах F < 220 МГц. На частотах

F > 220 МГц НЧ-возбуждение устранить не удается. Эти колебания возникают в контуре, образованном непосредственно элементами генераторной каперы, и поэтому не могут быть подавлены без внесения изменений в ее конструкцию. Тем не менее, у генератора с антипаразитной цепочкой расширяется диапазон монохроматического режима как по питанию (на ЬО%), так и по температуре (на 15°+20°).

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Разработана низкочастотная шумовая модель одно- и двухконтур-ных ГДГ мм-диапазона. В рамках этой модели предложены инженерные методики оценки НЧ-флуктуаций частоты и амплитуды колебания генераторов, объяснено различие формы спектров флуктуация генераторов см- и мм-ди-апазонов. Обоснованы пути снижения флуктуации в генераторах Ганна: отбор ДГ по шумам тока ; выбор оптимальных режимов работы ГДГ, параметров сложной контурной системы ; использование противосвязи по цепи питания диода.

2. Проведен анализ флуктуацпй в двухконтурном ГДГ. Получены выражения для спектров НЧ-флуктучиий частоты и амплитуды первой и второй гармоники колебания.Теоретически устанэ.-^.еп и экспериментально подтвержден вывод об отрицательном влиянии контура второй гармоники па кратковременную стабильность частоты.

3. Получены теоретические выражения для внешних добротностей контуров с учетом взаимного влияния гармоник. Доказана некорректность прикенени« метода затягивания частоты для измерения енопни/ п/.бротнэс-'тей контуров первой и второй гармоник и двухкогтурном гс:!.'| птг>(И . Предложена и апробирована ».ттодк»* измерения pkc~kv? добротности контура г.ервой гармоники в таком ri.h' ; «торс, ;»4invi>v.f.wmho» ч*1гна" гармоник.

12

4. Экспериментально установлено, что уровень токового ауыл у фосфидснпдиевых ДГ на 10г20дБ выыз, чем у арсснидогаллиевых, имевших Tai-j'iD vs геокетрив активного слоя и концентраций носителей в нем. По мере уменьшения длины .активного слоя ДГ снижается коэ>!-?-кцизнт Хо-уге е4и • Спектры ДГ бм-м-диапазена практически полностью расклады -л.»/гея на. отдельные лоренцианы.

Ь. На основании экспериментального исследования одно- и двух-контурного ГДГ мм-диапазона выработаны практические рекомендации по сничс-нию уровней флуктуаций в таких генераторах и обеспечению стабильно:*! работы генераторов при отрицательных температурах.

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. Кравцов И.А., Малышев В.М., Мечеряков A.B. Экспериментальное исследование низкочастотных шумов генераторов на диодах Ганна 6-мм диапазона // Известия вузов. Радиофизика- IS39.-T.32.!,"7.--С.С97-904.

2. Кравцов И.А., Малышев В..'.!., йезеряков A.B. Сравнительны;! анализ аумовых характеристик генераторов Ганна миллиметрового и сантиметрового диапазонов // Известия вуэов.РядисФизик'!- 1990.-Т.33. ."II .-С. 123 1-12ь7.

3. Кравцов "i.A., Мсчеряков A.B. Сравнение ¿умевпх свойств Г« а As и IilP диодов Ганна // Электронная техника. Cep.ii. Полупроводниковые приборы.-1991.-Вып.4(2I3)-C.103-105.

4. Кравцов К.А., Малышев В.;.!., йззеряков A.B. Злуктукиисны %• характеристики ГДГ 8-екллкметрсвого диапазона.// Тезисы 11-сй Всесоюзной kohTi."Электроника СЗЧ",Орджоникидзе.-I9C6.

3. Кравцов И.А., Лосев В.Л., Не 1еряков A.B. исследование пизке-«nCToTirx ыумов в Ca As и InP спитаксг.альпих структурах// Тс:-tu : b-ой БоессваноЯ конТч "'луктуаппопнге гвлпши в *•■:?■"<есмих гг.-; -Пала Hl"'. -19.';). -С.1'3.

->\ гл ВД. , Кравпов H.A., ."•> ¡•■р-'-^з А.З., Уг.-»и С.Д. , ;1;у..-:a:n B.i'. ■ .....!'!•-• ¡т-ген. Я дчС'ротноетя колебательной сиетс "ы генератора, ; 'i0i.;a:o.;!4'o п бигармоническом репг.'С // Тезисы Всесоюзного coro";. н,\!плс.\:умг'цш генераторы СЗЧ. Состояние разработок и перспективы применения в метрологии", Иркутск.-IS9I.-С.70-71.

7. Кравцов ИД., кечеряксв A.B. Низкочастотные сумы бигар,.:.,!..:-ческого генератора Ганна мм-диапазопя.// Труды ß-оЯ Научной ко::". "Ivij'KryaiuiOKsib" явления в <Ти:п«гс>сккх системах".Паланга.-1991.-С.201 --202.