Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна
Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию
Саратовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет
им. Н.Г.Чернышевского
Кафедра физики твёрдого тела
ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МНОГОКОНТУРНОМ ГЕНЕРАТОРЕ
НА ДИОДЕ ГАННА
ДИПЛОМНАЯ РАБОТА
студента 511 группы физического факультета
Каца Ефима Ильича
Научные руководители
к.ф.-м.н., доцент
Скрипаль А.В.,
аспирант
Бабаян А.В.
Зав. кафедрой ФТТ
профессор, академик МАН ВШ
Усанов Д.А.
г.Саратов - 1996 г.
Содержание.
| |Стр. |
|Введение |3 |
|1. Анализ возможности использования автодинов на |5 |
|полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля | |
|параметров материалов и сред. | |
|2. Теоретическое исследование эффекта автодинного |12 |
|детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.| |
| | |
|3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного |20 |
|детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.| |
| | |
|Заключение. |24 |
|Список литературы. |25 |
|Приложение. Текст программы для моделирования процессов в |28 |
|многоконтурном генераторе на диоде Ганна | |
Введение.
В связи с развитием современных технологий, требующих непрерывного
контроля за многими параметрами технологического процесса, состоянием
оборудования и параметрами материалов и сред становится всё более
актуальной задача создания неразрушающих бесконтактных методов измерения и
контроля параметров материалов и сред. Измерения на СВЧ позволяют
определить электропроводность, толщину, диэлектрическую проницаемость и
другие параметры материалов и сред без разрушения поверхности образца, дают
возможность автоматизировать контроль параметров материалов. Для этого в
настоящее время широко используются методы, основанные на использовании
эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых приборах.
Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-
генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на
установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от
параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости,
проводимости [1-6].
Однако, прежде чем создавать конкретный прибор на основе данного
эффекта, необходимо провести моделирование его работы. Для этого необходимо
рассмотреть принципы действия таких устройств.
При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на
полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается
изменение режима их работы по постоянному току, что можно понимать как
проявление эффекта детектирования. В случае, если прибор с отрицательным
сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора наблюдается
эффект автодинного детектирования.
Одним из методов, позволяющих провести расчёт величины эффекта
автодинного детектирования при реальных параметрах активного элемента и
нагрузки, определить области значений контролируемых параметров материалов,
в которых чувствительность автодина к их изменению максимальна, наметить
пути оптимизации конструкции генератора, является метод, основанный на
рассмотрении эквивалентной схемы СВЧ-генератора, в которой комплексная
проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и
характеристиками электродинамической системы [7,9].
Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного
детектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для создания
измерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их
работы.
1. Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных
СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.
При изменении уровня СВЧ-излучения, воздействующего на
полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается
изменение постоянного тока, протекающего через них, что можно понимать как
проявление эффекта детектирования [2,7]. Если прибор с отрицательным
сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора, этот эффект
называют эффектом автодинного детектирования.
Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых
СВЧ-генераторах позволило создать устройства, совмещающие несколько
радиотехнических функций в одном элементе (например, излучение и приём
электромагнитных колебаний). Автодины на полупроводниковых генераторах,
получившие к настоящему времени достаточно широкое применение, используются
в основном для обнаружения движущихся объектов.
Важной областью применения автодинов является контроль параметров
материалов и сред. Применение эффекта автодинного детектирования в
полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред
основано на установлении зависимостей величины продетектированного СВЧ-
сигнала от параметров контролируемых величин: диэлектрической проницаемости
и проводимости. Измерения с помощью приборов основаны на сравнение с
эталонами, а точность измерения в основном определяется точностью
эталонирования.
Теоретическое обоснование возможности использования эффекта
автодинного детектирования в диодных СВЧ-генераторах для контроля
параметров материалов и сред проведено на основе численного анализа.
Описание отклика диодного СВЧ-автодина может быть сделано на основе
рассмотрения эквивалентной схемы генератора (Рис. 1.1), в которой
комплексная проводимость Yn определяется параметрами исследуемого материала
и характеристиками электродинамической системы, а Yd - средняя проводимость
полупроводникового прибора.
Yd Yn
Рис. 1.1. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде.
Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением (1.1),
согласно первому закону Кирхгофа.
[pic] (1.1)
[pic] (1.2)
I1, U1 - комплексные амплитуды тока и напряжения первой гармоники на
полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим проводимостям приложено одно и то
же напряжение U1, можно записать баланс мощностей:
[pic] (1.3)
Активная мощность на нагрузке (1.4) положительна
[pic] (1.4)
отсюда вытекает, что
[pic] (1.5)
т.е. Yd должна иметь отрицательную действительную часть при существовании в
системе колебаний с ненулевой амплитудой. Наличие отрицательной
проводимости характеризует трансформацию энергии: полупроводниковый элемент
потребляет энергию постоянного тока и является источником колебаний
ненулевой частоты.
Возникновение СВЧ-колебаний в электрической схеме с нелинейным
элементом вследствие его детектирующего действия приводит к появлению
дополнительной составляющей постоянного тока [pic], то есть возникает так
называемый эффект автодинного детектирования [18]. Величина [pic]
определяется из выражения
[pic] (1.6)
Детекторный эффект наблюдается в СВЧ-усилителях на биполярных
транзисторах, СВЧ-генераторах на лавинно-пролётных диодах (ЛПД),
инжекционно-пролётных диодах (ИПД), туннельных диодах (ТД) и диодах Ганна
(ДГ). В данной работе мы рассмотрим использование полупроводниковых диодов
в качестве СВЧ-автодинов. Сравнительные характеристики полупроводниковых
СВЧ-диодов приведены в таблице 1.
Таблица 1.
|Диод |Мощность |КПД |Смещение |Шумы |
|ЛПД |десятки | | | |
| |ватт |до 15% |десятки Вольт |25 дБ |
|ИПД |десятки | |сотни | |
| |милливатт |единицы % |милливольт |около 5 дБ |
|ДГ |десятки |зависит от | | |
| |милливатт - |режима |4.5-11 Вольт |10-12 дБ |
| |единицы Ватт |работы | | |
|ТД |единицы и | |сотни | |
| |десятки |единицы % |милливольт |около 5 дБ |
| |микроватт | | | |
Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя основными
уравнениями в частных производных [10]: уравнением плотности тока,
характеризующим образование направленных потоков заряда; уравнением
непрерывности, отражающим накопление и рассасывание подвижных носителей
заряда, и уравнением Пуассона, описывающим электрические поля в
полупроводнике.
Точное решение этих уравнений с учетом граничных условий в общем виде
затруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить анализ вводят эквивалентные
схемы полупроводниковых приборов.
ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для анализа, т.к. их
эквивалентная схема более проста и точна, чем схемы других
полупроводниковых приборов. С практической точки зрения ТД представляет
собой интерес при создании маломощных автодинов в коротковолновой части
сантиметрового диапазона.
ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [11], но из-за
низкого уровня шумов и малого напряжения питания являются перспективными
для допплеровских автодинов.
В работе [12] исследована возможность измерения диэлектрической
проницаемости материалов по величине продетектированного работающем в
режиме генерации ЛПД сигнала. Использовался генератор волноводной
конструкции (канал волновода 23*10 мм.) с ЛПД типа АА707, установленным в
разрыве стержневого держателя. Измерения продетектированного сигнала
проводилось компенсационным методом. Исследуемые диэлектрики, с
предварительно определёнными значениями диэлектрической проницаемости на
СВЧ, прикладывались к отверстию на выходном фланце генератора.
Результаты проведённых исследований показали, что ход зависимости
величины продетектированного сигнала от диэлектрической проницаемости
зависит от конструкции измерительного генератора, в частности, от
расстояния от плоскости расположения ЛПД до открытого конца волновода, к
которому прикладывается исследуемых диэлектрик.
ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний. Однако,, в
качестве недостатка можно отметить относительно высокий уровень шумов,
обусловленный, в первую очередь, шумами лавинообразования.
В ряде работ [2,3,17,18] рассматривается возможность применения СВЧ-
генераторов на диоде Ганна для измерения параметров материалов и сред.
Отмечается преимущество данного способа измерения: исследуемый образец
находится под воздействием СВЧ-мощности, а регистрация измерений
производится на низкочастотной аппаратуре, имеющей высокую точность и
отличающейся простой в эксплуатации.
В настоящее время разработаны и изготовлены устройства для
неразрушающего контроля, принцип действия которых основан на эффекте
автодинного детектирования: измерители толщины металлодиэлектрических
структур и диэлектрической проницаемости [19,20]. Наибольшее практическое
применение из разработанных приборов нашёл СВЧ толщиномер типа СИТ-40. На
рисунке 1.2 приведена его блок-схема.
4
Рис. 1.2. Блок-схема СВЧ измерителя толщины.
В состав СВЧ толщиномера СИТ-40, предназначенного для измерения
тонких плёнок из любого металла на изолирующей подложке и непроводящих
покрытиях, в том числе разнообразных лакокрасочных, нанесённых на
металлические поверхности, входит: 1 - СВЧ-датчик, представляющий собой СВЧ-
генератор в микрополосковом исполнении и использующий в качестве активного
элемента диод Ганна или СВЧ биполярный транзистор; 2 - предварительный
усилитель; 3 - блок питания; 4 - система корректировки нуля; 5 - блок
индикации.
Для уменьшения влияния дрейфа нуля на результат измерений предложены
схемные решения, основанные на компенсации дрейфа его параметров в
промежутках между измерениями и использовании напряжения в момент,
предшествующий измерению, в качестве опорного в момент измерения [21].
С целью повышения чувствительности и существенного уменьшения веса и
потребляемой мощности измерителей исследовалась возможность применения
туннельных диодов в качестве активных элементов СВЧ-автодинов [22].
Исследования проводились в экспериментальных измерительных СВЧ-устройствах
на серийных диодах типа ГИ 103Б, работавших на частоте 1.3 Ггц. В качестве
детекторных диодов использовались диоды типа Д405. Конструктивно датчики
измерительных устройств представляли собой отрезки полосковых линий
передачи, выполненных на основе фольгированного фторопласта, в которых
размещались генераторные и детекторные диоды, фильтры, НЧ и подстроечные
элементы.
Разработаны устройства измерения толщины и электропроводности
проводящих покрытий, а также толщины и диэлектрической проницаемости для
изолирующих материалов. Принцип действия автодинного генератора на
полупроводниковом СВЧ-элементе был использован при разработке нового
способа контроля толщины плёнок в процессе вакуумного напыления. Для
повышения точности измерения в датчике применён СВЧ-выключатель,
обеспечивающий кратковременное отклонение генератора от измеряемого объекта
[23].
Разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный
на использовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в
режиме автодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения
не только амплитуды, но и частоты вибраций [24]. Источники зондирующего СВЧ-
излучения и одновременно приёмники провзаимодействующего с вибрирующим
объектом сигналов представляют собой отрезки стандартных прямоугольных
волноводов, которые с одного конца закорочены и имеют регулируемые
подстроечные поршни, а другие концы соединены с камерами, изготовленными из
металлической ленты, свёрнутой в кольцо. Связь по СВЧ-полю отрезков
волновода с каждой камерой осуществляется через прямоугольное волноводное
окно. В камерах помещается цилиндрический металлический стержень,
перемещение которого внутри этих камер вызывает изменение
продетектированного автодинами зондирующего СВЧ-сигнала.
Применение в автодинных генераторах диодов Ганна по сравнению с
генераторами, использующими другие полупроводниковые активные элементы,
позволяет обеспечить преимущества по совокупности таких параметров, как
максимальная рабочая частота, выходная мощность, стабильность частоты,
потребляемая мощность питания [13].
2. Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в
многоконтурном генераторе на диоде Ганна.
В данной работе проводилось математическое моделирование процессов,
происходящих в многоконтурном автодине на диоде Ганна. Для этого была
составлена эквивалентная схема автодина (Рис. 2.1).
Теоретическое описание характеристик выходного сигнала СВЧ-
генератора на диоде Ганна основывалось на математическом описании процессов
в многоконтурной эквивалентной схеме, элементы которой моделируют
полупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединённых
ёмкости С3 и активного нелинейного сопротивления, определяемого по ВАХ
диода I(U), элементы корпуса диода L3 , C4 , СВЧ-резонатор в виде
последовательного C2 , L2 и параллельного L1 , Y1 , C1 контуров,
низкочастотную часть схемы, состоящую из последовательного L7 , C6 и
параллельного C7 , R5 , L6 контуров, дросселя L5 в цепи питания,
шунтирующей ёмкости С5 и индуктивности связи L4 диода с НЧ-схемой.
Эквивалентная схема описывается системой из четырнадцати
дифференциальных уравнений (2.1-2.14), составленных на основе законов
Кирхгофа.
[pic] (2.1-2.4)
Эквивалентная схема автодина на диоде Ганна.
[pic]
Рис. 2.1.
[pic]
[pic] (2.4-2.14)
Страницы: 1, 2, 3
|