Введение к работе
Актуальность проблемы
Широкое применение полупроводниковых приборов, в том числе в
диапазоне СВЧ, обусловлено целым рядом присущих им достоинств, таких как
долговечность, надежность, низковольтное питание, малые размеры. В то же
время полупроводниковые СВЧ-приборы обладают и целым рядом
недостатков, наиболее существенные из которых - сравнительно малая
выходная мощность и низкая частотная стабильность. С целью расширения
области их практического применения проводятся активные исследования
комбинированных режимов работы, в которых полупроводниковые элементы
находятся под различного рода воздействиями, либо являются активными
элементами более сложных радиофизических систем. Одним из наиболее
эффективных способов улучшения эксплуатационных характеристик
полупроводниковых СВЧ-генераторов является использование
полупроводниковых приборов 8 качестве активных элементов в системах с внешней синхронизацией.
Широкие возможности управления автоколебательной системой, находящейся в условиях внешней синхронизации, а также ряд существенных особенностей выходных мощностных и фазовых характеристик данной системы открывают путь к созданию новых классов устройств на основе синхронизированных генераторов (СГ). Однако теоретические исследования в области синхронизации полупроводниковых СВЧ-генераторов сдерживаются целым рядом факторов. Нелинейный характер взаимодействия в подобной автоколебательной системе в условиях внешней синхронизации вызывает необходимость решения сложной системы нелинейных дифференциальных уравнений, описывающих колебательные процессы в СВЧ-схеме. В СВЧ-диапазоне задача усложняется в связи с тем, что существенную роль начинают играть реактивные свойства конструктивных элементов схемы. Поэтому в существующих работах теоретическое исследование происходящих в такого типа СВЧ-генераторах процессов проводится с целым рядом существенных ограничений. Большинство авторов при создании математической модели используют малосигнальное приближение. Широко применяемым на практике является метод представления синхронизированного полупроводникового
СВЧ-генератора в виде схемы с сосредоточенными параметрами и ее аналитического решения. Однако, учитывая сложность исходной системы уравнений, авторы обычно ограничиваются рассмотрением схем с малым количеством контуров и получают решение путем использования различного рода упрощающих предположений.
Отказ от подобного упрощенного подхода, создание более достоверной модели синхронизированного полупроводникового СВЧ-генератора позволит проводить теоретический и экспериментальный анализ работы СГ, выявить новые особенности режимов его работы, изучить возможность расширения областей практического применения подобных устройств.
Цель диссертационной работы: экспериментальное и теоретическое исследование различных режимов работы синхронизированного СВЧ-генератора на примере генератора на диоде Ганна, включающее построение математической модели изучаемой системы, изучение влияния воздействия магнитного поля и оптического излучения на исследуемую систему.
Для достижения поставленной цели выполнен критический анализ теоретических методов исследования генераторов на диодах Ганна, работающих в режиме синхронизации, построена модель синхронизированного генератора на диоде Ганна (СГДГ), выполнена серия расчетов и экспериментов, проведено обсуждение полученных экспериментальных и теоретических результатов.
Научная новизна проведенных в ходе диссертационной работы исследований состоит в следующем:
построена математическая модель синхронизированного генератора на диоде Ганна, включающая многоконтурную СВЧ-схему с сосредоточенными параметрами, отражающая основные особенности экспериментально исследуемого режима гашения выходного сигнала;
экспериментально обнаружено и теоретически описано явление гашения мощности в синхронизированном СВЧ-генераторе на диоде
Ганна, возникающее вследствие достижения противофазное сигналов;
экспериментально исследовано и математически смоделировано
воздействие поперечного магнитного поля и оптического излучения с
энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны, на
полупроводниковую структуру активного элемента
синхронизированного генератора.
Достоверность полученных в ходе выполнения работы экспериментальных результатов достигается применением стандартной измерительной аппаратуры, применением хорошо апробированных на практике методик измерения. Достоверность теоретических результатов обеспечивается корректностью выбранных математических моделей и сделанных допущений, использованием современных компьютерных методов расчета и моделирования, хорошим качественным совпадением расчетных и экспериментальных результатов.
Практическая значимость полученных результатов заключается в следующем:
построена и исследована модель синхронизированного генератора на диоде Ганна, включающая многоконтурную СВЧ-цепь, учитывающая как особенности физики работы полупроводникового прибора, так и элементы его внешней схемы и позволяющая описывать различные колебательные режимы СҐДГ, что может быть основой для проектирования устройств СВЧ;
показано, что генератор на диоде Ганна в режиме внешней синхронизации представляет собой СВЧ-схаму, обладающую высокой чувствительностью как к изменению параметров активного элемента, так и к изменению характеристик внешней схемы;
предложены способы высокоточного контроля параметров диэлектрических материалов, магнитного поля и оптического излучения с помощью синхронизированного генератора на диоде Ганна.
Апробация работы
Основные положения диссертационной работы и достигнутые в ходе ее выполнения результаты докладывались и обсуждались На VII международной научно-технической конференции "Оптические, радиоволновые, тепловые методы и средства контроля природной среды, материалов и промышленных изделий" (г. Череповец 1997 г.), XV Российской научно-технической конференции "Неразрушающий контроль и диагностика" (г. Москва, 1999 г.), международной конференции "MIKON-2000" (г. Вроцлав, Польша, 2000 г.), Седьмой международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы твердотельной электроники и микроэлектроники ПЭМ-2000" (пос. Дивноморское, 2000 г.), Международной научно-технической конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения АПЭП-2000" (г. Саратов, 2000), Третьей международной научно-технической конференции "Электроника и информатика - XXI век" (г. Зеленоград, 2000 г.), а также на объединенном научном семинаре кафедры физики твердого тела и кафедры радиофизики и нелинейной динамики СГУ.
Публикации
По материалам исследований, выполненных при работе над диссертацией, опубликовано 7 научных работ, список которых приведен в конце автореферата,
Личный вклад автора выразился в самостоятельном выборе математической модели, выводе расчетных соотношений, проведении теоретических расчетоз, участии в проведении экспериментальных исследований и формулировании научных выводов.
Структура н объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти разделов, имеющих подразделы, заключения, списка литературы и приложения. Общий объем диссертации составляет 113 страниц машинописного текста, в том числе основной текст занимает 96 страниц, включая 32 рисунка. Список литературы содержит 103 наименования и изложен на 10 страницах.
Основные положения, выносимые на защиту:
-
При воздействии на генератор на диоде Ганна внешнего синхронизирующего сигнала, мощность которого сравнима с мощностью автоколебаний генератора, в полосе синхронизации можно обеспечить подавление выходного сигнала до 40 дБ, возникающее вследствие достижения противофазное сигналов.
-
Зависимость значения выходной мощности в минимуме мощностно-частотной характеристики синхронизированного генератора на диоде Ганна (СГДГ) от мощности синхросигнала носит немонотонный характер. Режим максимального подавления выходного сигнала (режим гашения мощности) устанавливается путем выбора значения мощности источника синхросигнала.
-
Максимальное изменение выходной мощности СГДГ при изменении параметров электродинамической системы и при воздействии поперечного магнитного поля или оптического излучения с энергией кванта, большей ширины запрещенной зоны, на полупроводниковую структуру диода Ганна определяется величиной изменения выходной мощности СГДГ в полосе синхронизации при постоянном уровне мощности синхросигнала и достигает 40 дБ.
-
В зависимости от расстройки между частотой синхросигнала и частотой собственных колебаний зависимость выходной мощности от величины воздействующего магнитного поля либо оптического излучения может носить как монотонный, так и немонотонный характер.
