книги / Сигналы и устройства ближней радиолокации. Автодины
.pdfРио. 21 (окончание)
U.,HB
Рио. 22
Рио. 23
2 . 2 . Диод Ганна
Диод Пиша - это кристалл арсенида галлия или фосфида нндия о двумя омическими контактами на противоположных гранях*
Он не |
содержит р - п |
перехода. Типичные |
значения диаметра кри |
||
сталла |
€ з 5 0 ...2 5 0 |
мкм [9 ]. Название |
диодов |
связано |
о физи |
ческим эффектом» открытым Ганном Дх. в |
1963 г . |
Эфф тг |
состоит |
||
в том» что при подаче на электроды диода напряжения» превышаю щего некоторое пороговое значение» возникают периодические ко лебания. Чаотота этих колебаний определяется длиной активной
части диода» которая |
ооотавляет I . . . I 00 мкм» |
|
||
|
J |
= |
ю о / е > |
|
где J |
- частота» 1Гц; |
С - длина активной чаоти диода» |
мкм. |
|
Диапазон частот генерируемых сигналов составляет |
|
|||
I . . .150 |
Ш и При этом мощности сигналов могут достигать |
значе |
||
ний от десятков милливольт до неоколысих ватт» а КЦД - |
от I |
|||
до 10 % [10]. Диоды Ганна выпускаются как в бескорпуоном вари анте» так и керамических корпусах. Отечественные серийные ДГ’ гене рируют электромагнитные колебания в диапазоне частот 5»2...53»57 ГГЦ при выходной мощности 1 0 ...3 0 0 мВт [10]. Рабо чее напряжение различных типов оерийных ДГ лежит в пределах
102
от 2,4 до 12 В, а рабочего тока - в диапазоне от 0,19 до 2 А. Автодины на ДГ нашли применение в преобразователях часто
ты о самонакачкой и устройствах ближней радиолокации, работа которых основана на эффекте Доплера. Автодин на ДГ может Иметь коаксиальную, волноводную и полосковую конструкции.
Физические процессы, протекающие в диоде Ганна, можно описать уравнением Пуассона
где Е - напряженность электрического поля; JD - плотнооть объемного заряда; £ £ 0 - диэлектрическая проницаемость полупроводникового материала ( <5 = 12,5 для арсенида галлия), а также уравнением плотности полного тока
|
« Ч / г |
ш ° , |
|
|
|
- |
плотнооть тока проводимости, |
V№^'Z ~ Jnpi’Jgu<p *(/см ^ ^ / |
- плотнооть тока смещения). |
||
плотнооть диффузионного топ ; J |
|||
Объемная плотность заряда |
|
|
|
где |
п - концентрация электронов; |
n Q - концентрация доноров; |
|
£ - |
зардд электрона. |
|
|
|
Плотнооть тока проводимости |
|
|
|
= ? п |
* (Е \ |
|
хда ■б(Е) - оредняя дрейфовая окорооть электронов. Плотнооть диффузионного тока
где IX Е ) - коэффициент диффузии (часто принимает D - c o n s t )• Плотнооть тока смещения
/, f ж
*см |
Л d t |
С учетом приведенных соотношений уравнения Пуаооона я плотноотн полного тока принимает вид [91
ае 9 ,
t n S № > |
- |
7 * ' |
где |
LQ - ток, |
протекающий черва диод. |
|
|
|
|||||||||
|
Объединяя а п |
два уравнения, получаем ДЗГ о. чаотннмя дроив- |
||||||||||||
воднымя |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
а |
|
которое решается при начахьвэм условии |
чвновеоня |
|
||||||||||||
где |
</V ~ теипературшй потенциах ( |
|
J* % r } ' |
(m ) |
||||||||||
tfr |
* 0,025 В при Т * 300 К) |
|||||||||||||
и граничных условиях |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
E(O t)= £(€t i ) |
= О. |
|
|
|
(20°) |
|||||
Здесь |
С - |
длина диода. |
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Дня значений |
т5(Е) и D |
иоиольаую* аавиоимооп |
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
? У [ ‘*<Фп >*] |
|
|||
|
|
x > |
~ M |
T > t.szs |
i ‘ |
, |
|
|
|
|
||||
|
|
|
|
|
|
7 7 |
| |
- |
подвижность |
электронов в ела- |
||||
бом поле; |
j u |
. - подвижнооть |
электронов в идеальном беопрнмео- |
|||||||||||
вам полупроводнике; |
- |
пороговая напряженность поля; |
||||||||||||
гГ = г$(Е ) - |
оредняя дрейфовая скорооть |
электронов, |
соответст |
|||||||||||
вующая пороговой напряженности поля; |
- |
время релаксации |
||||||||||||
анергии в |
полупроводнике; |
|
т$н |
- |
оредняя дрейфовая окорость на |
|||||||||
сыщения. |
|
|
в j u n |
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
|
Параметры |
эавиоят от температуры: |
|
||||||||||
|
|
|
|
tin (T )~ S H(300/T) ’ |
; |
|
|
|
||||||
|
|
|
|
J* n <r ) - j i n (J O O /r); |
|
|
|
|
||||||
Дня арсенида галлия |
|
ж 8000 <шг/(В*о); |
» 3,5 вВ/оы; |
|||||||||||
^ |
- |
1 , 5 . . . 2 ,0 |
Ю7 |
<я^о; |
|
|
» Ю"и |
о. |
|
|
||||
|
|
Раочеты о юпольэованвем модели < 198)...(200) |
являются |
|||||||||||
достаточно оложпымж. Повтому мировое применение нашла упрощен ная модель, в оонову которой положено опирайте роота домена г скорости его перестройки.
Динамика роота домена характеризуется уравнениями
|
|
Z(£ )*(Efy |
a0) ( d € ( E ) j d £ ) 1 |
(202) |
||
где u ( t ) - напряжение |
на контактах диода. |
* |
||||
|
Напряженность Е |
связана с напряжением на домене |
соотно |
|||
шением |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
(203) |
vm |
Е6 я |
|
|
|
|
|
|
Полный ток, |
протекающий чорез диод, определяется |
соотно |
|||
шением |
|
|
|
|
|
|
|
|
4 = £t ( u j +Со |
d i |
( 2 0 4 ) |
||
|
Са * £А f С |
|
|
|
||
где |
- емкость "холодного" образца; А - |
площадь |
||||
контакта. |
|
|
|
|
||
|
С помощью модели (201)...(203) можно определить усреднен |
|||||
ные по первой гармонике активную и реактивную составляющие |
||||||
проводимости ДГ, |
а также постоянную составляющую тока диода |
|||||
{ ( ( / '£ ) |
при условии гармонического изменения напряжения и(6). |
|||||
|
На рис. 24 |
представлены зависимости усредненных актив |
||||
ной |
(а) |
$ ( Ц Е ) |
и реактивной (б) 6(0]Е) проводимостей ДГ, а |
|||
на рис. |
25 - постоянной составляющей тока, протекающего через |
|||||
диод 10(Ц Е ). Расчет проводился для ДГ АА703 о параметрами
n Q= 10*® см- 3 ; |
А |
» 2 •ИГ4 |
€ = 10”^ см, j u H |
* |
=» 7500 оь?/(В*с), |
Т |
= 300 К. |
На рис. 26 представлены |
зависи- |
мости мощности колебаний от нормированной активной проводимо сти ДГ О = fin
В режиме малого сигнала доплеровский АД характеризуется следующими параметрами: радиочувствительностью 3 , коэффициен том потерь на преобразование L , потенциалом П ,
о
Рио. 24
Рио. 25
Рио. 26
Радиочувствительность доплеровского автодина
а .
|
|
|
|
/ р |
Т р |
|
|
2 пер |
2пр |
|
|
||
|
|
|
|
аа / |
и -t/t |
|
|
|
|
|
|
||
где |
и Q - |
|
|
• |
|
I) |
сигнала |
на выходе АД; |
- |
||||
напряжение доплеровского |
|||||||||||||
мощность излученного |
сигнала; |
Рпр |
- |
мощность |
принятого отра |
|
|||||||
женного оигнала; |
^ п |
£> |
|
- |
гСЛД антенны, |
работающей ооот- |
|
||||||
ветствонко на передачу и прием. |
|
|
|
|
|
|
|
||||||
|
Коэффициент |
потерь на |
преобразование |
|
|
|
|
||||||
|
|
/ |
= |
У1 рг |
( р |
|
/ |
о |
) |
|
|
|
|
где |
- |
мощность сигнала промежуточной частоты |
(доплеровского |
||||||||||
сигнала) |
на выходе АД. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
|
Потенциал АД |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||
где |
Р |
- минимальное .значение |
мощности сигнала |
на выходе |
|
||||||||
автодина, |
необходимое для |
обеспечения заданного |
отношена; сиг |
||||||||||
нал-шум на его еюсодо. |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
||||
|
Несмотря на большое число |
работ |
по автодинам, их теорети |
||||||||||
ческий анализ часто носит качественный анализ из-за сложностей, возникащих при описавши активного элемента. Поэтому в практике разработки и применения автодишкх устройств большую роль игра ют экспериментальные исследования.
Для экспериментального исследования АД на ДГ используют установки, э которых имитируются либо движущийся объект, либо сигнал, отраженный от движущегося объекта и имеющий изменение частоты, эквивалентное доплеровскому смещению. В та*~тх установ ках для имитации отраженного сигнала используются фазовращатели отражательного или проходного типа [II ].
Функциональная схема установки, использованной в [ l l ] f изображена на рис. 27.
Установка функционирует следующим образом. С регулируемого источника тока 6 через переменный резистор 5 подается напряже ние на ДГ генератора I . Для измерения мощности СВЧсигнала ге нератора I его выход подключается волноводным переключателем 2 к из?леритолю мощности 4 . В рабочем состоянии АД генератор I подключен к рупорной антенне 3, через которую зондирующий сиг нал излучается в направлении отражающего уголка I I .
ta
1 1 41 ■ » ■ ib
Рис. 27
ЫЛ
При перемещении имитатора пали отраженный от него сигнал полу чает доплеровское смещение частоты. Отраженный сигнал принима ется антенной 3 и поступает на ДГ генератора I , где осуществля ется преобразование сигнала. Доплеровский сигнал снимается о резистора 5 и усиливается усилителем 8. Усиленный доплеровокий сигнал можно визуально наблюдать на запоминающем осциллографе 9. Значение доплеровского сигнала измеряется милливольтметром 10. Напряжение смещения на ДГ контролируется о помощью вольтметра 7. По линейке 13 отсчитывают расстояние по рельсовой дороге 12 от автодина до уголкового отражателя.
Описанная установка позволяет определять следующие харак теристики доплеровского автодина: зависимости мощности излучае мого, доплеровского сигналов, уровня шумов от параметров охе- ш АД и дальности до отражающего объекта. Мощность принимаемого сигнала расочитывают с помощью уравнения дальности радиолока ции. Радиочувствительность автодина и его потенциал определяют расчетным путем.
Генератор на ДГ, иопользуемый в качестве узла автодина, представлен на рио. 28. Он состоит из волноводной секции I ,
в которой размещен ДГ 2 о элементами согласования 3, гальвани ческой развязки 4 и элемента настройки 5.
Для экспериментального последования доплеровских автодишв на ДГ применяют также установки, в которых имитируется не отра жающий объект, а отраженный оигнал. В качестве имитатора источ ника отраженного сигнала, имеющего эквивалентное доплеровскому НО