книги / Радиопередающие устройства

а)

Е

>100 кВ/см в полупроводнике возникает ударная лавинная ио­ низация, в результате чего ток через диод резко возрастает. Это явление используется для созда­ ния электронных сгустков. При­ чем оказывается удобным исполь­ зовать не однородный полупро­ водник, а р—/i-переход, потому что он имеет малую напряжен­ ность и в нем легко обеспечить условие пробоя.

Принцип действия ЛПД ос­ нован на взаимодействии лави­ ны носителей зарядов с электро­ магнитным полем СВЧ.

Если к диоду приложено пос­

ное значение, близкое к пробив­ ному Uпроб. В пролетном прост­

ранстве П (3—4 на рис. 4.32,6) напряженность поля значительно меньше, но все же достаточна для обеспечения насыщения дрей­ фовой скорости электронов.

Если к диоду приложить еще и переменное напряжение СВЧ u=U s\n($tf то при отрицательном значении этого напряжения (рис. 4.32,а) происходит пробой и равномерный электронный поток небольшой плотности превращается в электронные сгустки. Про­ цесс образования сгустков происходит с задержкой, так как ла­ винный ток нарастает постепенно. Отставание по фазе момента образования сгустков от поля СВЧ составляет примерно я/2, т. е. <о£«я/2. Поэтому сгусток образуется в момент со/=я. Этот сгус­ ток инжектируется в пролетное пространство Я, создавая ток кон­ векции (Iк на рис. 4.32,г). Далее сгусток дрейфует в пролетном пространстве дрейфа. Причем так как напряженность поля здесь мала (участок 3—4 на рис. 4.32,6), то ионизации не происходит, электроны дрейфуют с одинаковой скоростью 1>др и имеют одина­ ковое время пролета тПр. Наилучшие условия передачи энергии электронов полю СВЧ будут, когда угол пролета 0 = coTnp= (oS/yAp =

= я . В этом случае электроны дрейфуют в пространство П при тормозящей фазе напряжения СВЧ и отдают свою энергию полю СВЧ. Такой режим работы лавинно-пролетного диода называется пролетным. Но можно получить и другие режимы работы.

Автоколебательный режим работы ЛПД можно получить, под­ ключив к диоду резонансную систему LC (рис. 4.33) и подобрав^ конструкцию диода, т. е. длину пролетного пространства.

Лавинный ток, как было показано, нарастает постепенно. По­ этому ток в лавинной области отстает (опаздывает) относительно моментов превышения пробивного напряжения на некоторое вре­ мя тз. Время запаздывания т3 зависит от напряженности электри­ ческого поля в лавинном слое. Длительность импульсов тока / н, наведенного во внешней цепи, определяется временем пролета электронов tn в области дрейфа, т. е. в пролетном пространстве. Таким образом, в результате образования лавинного тока во внешней цепи диода появляется последовательность импульсов наведенного тока / н, запаздывающих относительно моментов пре­ вышения пробивного напряжения на время т3 и имеющих длитель­ ность т„. Первая гармоника тока во внешней цепи / а1 может ока­ заться в противофазе с переменным напряжением на диоде, имею­ щимся на нем в результате флуктуаций.

Это означает, что ЛПД для внешней цепи обладает отрицатель­ ным сопротивлением. При достаточной величине отрицательного сопротивления все потери компенсируются и в схеме поддержива­

Но генераторы на ЛПД могут работать и в широком диапазоне частот и с более высоким КПД — до 60%. Режим работы ЛПД подбирается напряжением пробоя, которое составляет десятки вольт. Диапазон рабочих частот генераторов на ЛПД составляет единицы и сотни гигагерц. В пролетном режиме работы в диапа­ зоне 8,2... 12,4 ГГц мощность генерируемых колебаний достигает 2,7 Вт в непрерывном режиме и 10 Вт в импульсном режиме.

4.16. ГЕНЕРАТОРЫ СВЧ НА ДИОДЕ ГАННА

Диод Ганна представляет собой кристалл однородного полупро­ водника типа п, чаще всего арсенида галлия (GaAs) с металличес­ кими контактами на краях.

Диод Ганна обладает объемной отрицательной дифференциаль­ ной проводимостью. Поэтому применяется для построения автоге­ нераторов и усилителей колебаний СВЧ.

Если к кристаллу арсенида галлия приложить постоянное на­ пряжение и изменять его значение, то ток через кристалл будет измениться по сложному закону, представленному на рис. 4.34.

Такая характеристика диода Ганна является следствием появ­ ления неустойчивости в распределении пространственного заряда в объеме кристалла при некотором значении внешнего напряже­ ния Еу превышающем так называемое пороговое значение его:

Еп = 2 ... 5 K B I/ C M .

Сначала, при малых значениях напряженности поля £, распре­ деление поля внутри полупроводника однородное, так как полу­ проводник однородный. Подвижность электронов при этом боль­ шая. По мере увеличения постоянного напряжения скорости элект­ ронов и ток нарастают по линейному закону (см. рис. 4.34). Но когда напряженность поля Е достигает значения, превышающего пороговое Е п, распределение пространственного заряда и поля оказывается неустойчивым. При Е = Е Пскорость электронов макси­ мальна. Из-за наличия в полупроводнике примеси в каком-то мес­ те его объема (или на грани контакт— кристалл) появляется не­ однородность, действие которой приводит к увеличению напряжен­ ности поля Е. Скорости электронов в этом месте уменьшаются. Те электроны, которые ближе к аноду, с большей скоростью уходят к нему. А те, которые ближе к катоду, догоняют замедленные. В результате нарушается равномерное распределение пространст­ венного заряда, появляются слои с отрицательным (1) и положи­ тельным (2) зарядами (рис. 4.35).

Процесс образования слоев пространственного заряда происхо­ дит лавинообразно. В результате в полупроводнике образуется область сильного электрического поля, называемая доменом. Уве­ личение напряженности поля в домене при неизменном внешнем напряжении приводит к снижению напряженности поля за преде­ лами домена. При дальнейшем увеличении внешнего напряжения

меняется до некотого значения £*, при котором домен исчезает:

Е = Егъш-

Режим работы генератора на диоде Ганна зависит от парамет­ ров диода и схемы, а также от напряжения питания.

Домен перемещается от катода к аноду со скоростью оДР, при­ мерно равной дрейфовой скорости электронов. Во время движе­ ния домена от катода к аноду через полупроводник протекает ток

ление называется эффектом Ганна. Таким образом, при увеличе­ нии напряжения сверх порогового значения Е > Е П происходит уменьшение скорости электронов вследствие появления доменов, что соответствует объемной отрицательной дифференциальной проводимости. Это свойство диода Ганна и используется для по­ строения автогенераторов СВЧ. Для этого к диоду подключается резонансная система, как показано на рис. 4.36.

Различают режимы: доменные, ограниченного накопления объ­ емного заряда и гибридные. Доменные режимы бывают трех ви­ дов: пролетный, с задержкой образования доменов и с подавлени­ ем домена. Доменные режимы реализуются только в дециметро­ вом диапазоне длин волн на частотах порядка единиц гигагерц. Но из-за низкого КПД (т]'=4 ... 6%) практически не используются.

Для радиопередающих устройств перспективными являются гибридные режимы и режим ограниченного накопления объемного заряда.

Частота генерации в режиме ограниченного накопления зарядов определяется только внешней резонансной системой. Параметры схемы — амплитуда и частота колебаний, а также напряжение питания — подбираются так, чтобы домен не успевал сформиро­

Резонансная система в генераторах на диодах Ганна выполня­ ется на основе коаксиальных, микрополосковых или волноводных резонаторов. Конструкция коаксиального генератора на диоде Ганна показана на рис. 4.37. Диод 1 включен последовательно во внутренний проводник отрезка длинной линии. Перестройка час­ тоты осуществляется с помощью короткозамыкающего поршня 4. Вывод энергии производится посредством витка связи 3. В цепи питания по постоянному току предусмотрена диэлектрическая про­ кладка 2.

Модуляция в таких генераторах применяется чаще всего час­ тотная с помощью гиромагнитных резонаторов на основе железоиттриевого граната (ЖИГ-сфера). Генераторы на таких элементах перестраиваются по частоте в пределах октавы при небольшой со­ путствующей амплитудной модуляции.

Другой способ частотной модуляции в генераторах на диодах Ганна основан на включении варикапов и обеспечивает диапазон перестройки в трехсантиметровом диапазоне в пределах от 100...

...200 МГц до 1 1,5 ГГц.

Диапазон механической перестройки частоты генераторов на диодах Ганна определяется конструкцией и зависит от средней частоты. На сантиметровых волнах в волноводных конструкциях отношение крайних частот перестраиваемого диапазона составляei 1,5, на миллиметровых волнах — 1,2, в коаксиальной конст­ рукции — около 2.

Амплитудную модуляцию можно осуществить изменением на­ пряжения питания. Но из-за нелинейности модуляционной харак­ теристики амплитудная модуляция гармоническим сигналом не применяется. На практике применяется лишь импульсная ампли­ тудная модуляция.

Контрольные вопросы

1. Назовите диапазоны СВЧ.

2. В чем состоят особенности работы электронных приборов на СВЧ?

3.В чем состоит принцип динамического управления электронным потоком?

4.Что такое конвекционный и наведенный токи?

5.Назовите энергетические условия усиления колебаний.

6. Нарисуйте эквивалентную схему электронной лампы на СВЧ.

7.Как влияют междуэлектродные емкости и индуктивности выводов элек­ тродов на работу лампы на СВЧ.

8.Что такое граничная частота?

9.В чем состоит влияние инерции перемещения носителей зарядов в элек­ тронных приборах?

10. Назовите конструктивные особенности электронных приборов на СВЧ.

11.Нарисуйте схему генератора метровых волн и поясните принцип ее ра­

боты.

12.Нарисуйте схему генератора дециметровых волн и поясните ее работу.

13.Нарисуйте схему транзисторного генератора СВЧ и поясните его ра­

боту.

14.Нарисуйте схему устройства клистрона и поясните назначение ее де­

талей.

15.Поясните принцип работы клистрона.

16.Поясните особенности двухрезонаторных и многорезонаторных клис­

тронов.

17.Нарисуйте схему устройства отражательного клистрона.

18.Поясните принцип работы отражательного клистрона.

19.Как осуществляется настройка клистрона?

20.Нарисуйте схему устройства магнетрона.

21.В чем заключается работа магнетрона?

22. Нарисуйте траекторию движения электронов в магнетроне.

23.Назовите условия самовозбуждения магнетрона.

24.Где применяются магнетроны?

25.Что такое платинотроны?

26.Нарисуйте схему устройства ЛБВ.

27.Поясните работу ЛБВ.

28. Нарисуйте диаграмму образования сгустков электронов в ЛБВ.

29.Поясните особенности ЛБВ.

30.Чем отличается ЛОВ от ЛБВ?

31.Поясните принцип работы ЛОВ.

32.Что такое квантовые генераторы?

33.Поясните принцип получения колебаний в квантовых генераторах.

работы.

Ра з д е л II. УПРАВЛЕНИЕ КОЛЕБАНИЯМИ

Гл а в а 5. АМПЛИТУДНАЯ МОДУЛЯЦИЯ

5.1. ВИДЫ И АНАЛИЗ АМПЛИТУДНОЙ МОДУЛЯЦИИ

Общие сведения. Радиочастотные колебания, создаваемые радио­ передатчиком и излучаемые его антенной в виде электромагнит­ ных волн, используются для передачи информации потому, что они легко распространяются на большие расстояния.

Сообщения, которые необходимо передавать, чаще всего пред­ ставляют собой низкочастотные колебания. Так, механические ко­ лебания звука, преобразованные микрофоном в электрические, представляют собой колебания низкой частоты. Такие колебания не могут распространяться на большие расстояния. Поэтому спектр низкочастотного сигнала необходимо перенести в область радиочастот. Для этого необходимо осуществить управление ими.

Процесс управления колебаниями радиочастоты с помощью ко­ лебаний низкой частоты называется модуляцией.

Модуляция осуществляется с помощью специального устройст­ ва, называемого модулятором. На один вход модулятора подается напряжение радиочастоты, на другой — низкочастотный переда­ ваемый сигнал. На выходе модулятора получается модулирован­ ное колебание.

Радиочастотные колебания, осуществляя перенос сигнала, сох­ раняют его свойства. Они называются несущими.

Радиочастотные колебания характеризуются тремя параметра­ ми: амплитудой, частотой и фазой. Они связаны соотношением

i = / Hcos((o/ + <p).

Для осуществления модуляции необходимо изменять во вре­ мени один из параметров радиочастотного колебания в соответст­ вии с передаваемым сигналом. В зависимости от того, какой из параметров радиочастотного колебания изменяется, различают

амплитудную, частотную и фазовую модуляцию.

При работе передатчика в импульсном режиме для осуществ­ ления модуляции изменяется один из параметров импульсов. Та­ кая модуляция называется импульсной.

Для передачи телеграфных сигналов изменяют один из пара­ метров радиочастотных колебаний в соответствии с телеграфным кодом, радиотелеграфную модуляцию называют манипуляцией.

Различают соответственно манипуляцию амплитудную, частотную и фазовую.

Рис. 5.1. Временная диаграмма амплитудно-модулированных колебаний

Амплитудной модуляцией называется процесс изменения амп­ литуды колебаний радиочастоты в соответствии с изменением амп­ литуды колебаний низкой частоты передаваемого сигнала.

Передаваемое колебание, например речь, музыка, является сложным колебанием. И его можно рассматривать как сумму простых гармонических составляющих колебаний различных амп­ литуд, частот и фаз.

Для простоты анализа рассмотрим модуляцию одним тоном частоты £2, т. е. когда перед микрофоном звучит однотонное коле­ бание одной частоты. График его можно представить в виде гар­ монического (синусоидального или косинусоидального) колеба­ ния, как показано на рис. 5.1, а аналитически записать выражени­ ем Ма= t/Qcos £2/. При амплитудной модуляции по закону измене­ ния модулирующего колебания, в данном случае по закону cos £2/, должна изменяться амплитуда тока радиочастоты. Это означает, что во время положительного полупериода звукового колебания амплитуда радиочастотного тока возрастает (точки 2—4 на рис. 5.1), а во время отрицательного полупериода — уменьшается (точки 4—6 на рис. 5.1). Это изменение амплитуды радиочастот­ ных колебаний математически можно выразить следующим обра­ зом. Уравнение тока в антенне или в выходной цепи модулируе­ мого каскада до модуляции имеет вид i = /nec cos ©н/. Это колебание называется несущим. В процессе модуляции амплитуда тока /„ес

выражение тока радиочастоты при модуляции принимает вид

(/нес Ч" Д/нес COS Qf) C O S ©нес^-

Выполняя дальнейшее преобразование выражения тока моду­ лированных колебаний, получаем

i = /нас ( 1 + —/ иес COS £2 Л COS ©IIec t = /нвс (1 + ШCOS £2 /) COS ©,Iec t.

Отношение приращения амплитуды тока несущей частоты при модуляции Д/нес к его значению до модуляции / нес обозначают

буквой т и называют коэффициентом глубины модуляции или глу­ биной модуляции.

Значение коэффициента глубины модуляции m зависит только от амплитуды модулирующего колебания. Например, при передаче речи или музыки — от громкости звука. При линейной модуляции коэффициент m прямо пропорционален амплитуде напряжения мо­ дулирующего сигнала ni = aUn, где а — коэффициент пропорцио­ нальности. На рис. 5.2 приведены временные диаграммы ампли­ тудно-модулированных колебаний при различных коэффициентах модуляции тп. При т = 0 модуляции нет. При т = 0,5 (50%) ампли­ туда напряжения модулирующих колебаний такова, что вызывает

в 2 раза. В этих двух случаях огибающая амплитуд модулиро­ ванных колебаний точно (без искажений) воспроизводит форму сигнала. При дальнейшем увеличении амплитуды напряжения сиг­ нала m > 1 (UQ> U m) получается перемодуляция. Во время отри­ цательного полупериода сигнала часть колебаний радиочастоты срезается (точки 1—2 на рис. 5.2,6) и форма огибающей модули­ рованных колебаний искажается. Возникают нелинейные искаже­ ния формы передаваемого сигнала. Следовательно, для осуществ­ ления амплитудной модуляции без искажений коэффициент мо­ дуляции пг не должен превышать единицы.