Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

[pic]

Эта система нелинейна и решалась численно методом Рунге-Кутта

четвёртого порядка с автоматическим выбором шага [16]. При расчёте

использовалась типичная ВАХ диода Ганна [15], которая аппроксимировалась

выражением вида:

[pic], (2.15)

где D=0, при UЈUn , D=2, при U>Un , m0 =6000 см2/Вс, VS=8.5 *106 см/с.

Выражение (2.15) было программно модифицировано для случая ВАХ с

гистерезисом. График использованной ВАХ диода Ганна приведён на рисунке

2.2.

Вольт-амперная характеристика диода Ганна.

[pic]

Рис. 2.2.

При решении системы учитывалась частотная зависимость СВЧ- нагрузки. По

результатам решения системы (2.1-2.14) вычислялись мощности сигналов Pсвч ,

Pнч и величины продетектированных сигналов DUfg и DUkg в СВЧ- и НЧ-цепях

соответственно:

[pic] (2.16)

[pic] (2.17)

[pic] (2.18)

[pic], (2.19)

где I70 - постоянный ток через диод Ганна в отсутствии генерации.

Нагрузка с волноводной системой была представлена в виде линии,

нагруженной на комплексную проводимость отражающей поверхности (Рис.2.3).

[pic] [pic]

Рис. 2.3. Представление нагрузки в виде нагруженной линии.

Комплексная проводимость нагрузки [pic] была выражена через

коэффициент отражения волны от объекта (нагрузки). Для этого была решена

система уравнений:

[pic] (2.20)

[pic] (2.21)

где [pic]ПАД и [pic]ПАД - комплексные напряжение и ток падающей волны,

[pic]ОТР и [pic]ОТР - комплексные напряжение и ток отражённой волны.

Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд отражённой и

падающей волн

[pic] (2.22)

В результате решения системы уравнений (2.20-2.21) было получено

выражение для комплексной проводимости нагрузки

[pic], (2.23)

где Z0 - волновое сопротивление пустого волновода,

[pic], (2.24)

где [pic]-частота генератора, [pic]-магнитная проницаемость, [pic]-

магнитная постоянная, [pic]-фазовая постоянная, l - расстояние до объекта.

Для подстановки в систему (2.1-2.14) комплексная проводимость

нагрузки (2.23) была представлена в виде действительной и мнимой компонент.

[pic] (2.25)

[pic] (2.26)

С учётом (2.25) и (2.26) параметры эквивалентной схемы СВЧ-нагрузки

рассчитывались из соотношений:

[pic] (2.27)

[pic] (2.28)

[pic] (2.29)

где [pic], если Im(Z)0.

При расчёте величины продетектированного сигнала не учитывался вклад

гармонических составляющих СВЧ-сигнала, с частотами равными 4f0, 5f0 и

т.д., мощность которых составляла менее 1% мощности выходного сигнала СВЧ-

генератора. Здесь f0 - частота основной гармоники выходного сигнала.

Результаты теоретического расчёта величин продетектированных сигналов DUfg

и DUkg в СВЧ- и НЧ- цепях соответственно представлены на рисунке 2.4.

Теоретический расчёт показал, что изменение положения

короткозамыкающего поршня в СВЧ-тракте наряду с изменением мощности СВЧ-

колебаний приводит к изменению амплитуды колебаний в низкочастотном

контуре, что позволяет регистрировать наряду с сигналом автодетектирования

в цепи питания по постоянному току сигнал внешнего детектирования как на

частотах СВЧ-диапазона, так и в низкочастотном диапазоне. Как следует из

результатов расчёта, на представленных зависимостях наблюдаются локальные

максимумы и минимумы, которые обусловлены наличием в спектре выходного

сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

Математическое моделирование процессов в генераторе на диоде Ганна

позволило установить, что существование областей значений входных

сопротивлений СВЧ-нагрузки, в которых их изменение вызывает изменение

продетектированных в СВЧ- и НЧ-цепях сигналов одинакового знака, и

областей, в которых изменения продетектированных сигналов имеют

противоположные знаки, обусловлено наличием значительной реактивной

составляющей СВЧ-тока в полупроводниковой структуре диода Ганна. В то же

время отметим, что изменение реактивных элементов НЧ-контура более, чем на

два порядка приводит лишь к незначительному (не более 5%) смещению границ

этих областей.

Теоретические зависимости величин продетектированных сигналов в СВЧ DUfg

(1) и НЧ DUkg (2) цепях.

[pic]

Рис. 2.4.

3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в

многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых

СВЧ-генераторах позволяет создавать простые в эксплуатации малогабаритные

измерители толщины и диэлектрической проницаемости [17,18]. Для их

нахождения используют результаты измерений на нескольких частотах.

Осуществление многопараметрового контроля упрощается, если удаётся

проводить измерения в условиях, когда на результаты измерений определяющим

образом влияет только один из искомых параметров. Такая ситуация, в

частности реализуется, если для измерения толщины и диэлектрической

проницаемости диэлектриков в этом случае применяются измерители, работающие

на различных частотных диапазонах, например СВЧ и НЧ. При проведении

измерений на СВЧ результат зависит как от толщины, так и от диэлектрической

проницаемости диэлектрика. Если измерения на НЧ проводить используя схему,

в которой диэлектрик помещается в зазор между излучателем и металлическим

основанием, то результат измерений будет определяться только толщиной

диэлектрика и не будет зависеть от его диэлектрической проницаемости.

Определив таким образом толщину диэлектрика, по её значению и показателям

преобразователя на СВЧ можно определить диэлектрическую проницаемость.

Было проведено экспериментальное исследование зависимости величины

продетектированного сигнала в автодинном генераторе на диоде Ганна,

работающем в различных частотных диапазонах от положения СВЧ

короткозамыкающего поршня. Использовался генератор волноводной конструкции

с диодом типа АА703[1], помещённым в разрыв металлического стержневого

держателя. К цепи питания диода Ганна через разделительный конденсатор

параллельно диоду был подключен низкочастотный контур. Частота СВЧ-

колебаний составляла ~10 ГГц, частота низкочастотных колебаний ~10 МГц. Для

детектирования низкочастотных колебаний

Схема экспериментальной установки.

Рис. 3.1.

использовался диод типа КД503А[2]. Для контроля СВЧ-колебаний использовался

измеритель мощности типа Я2М-66. Кроме того, в ходе экспериментальных

исследований регистрировался постоянный ток, протекающий через диод Ганна,

по падению напряжения на резисторе с сопротивлением порядка 1 Ом,

включённом в цепь питания диода Ганна.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.1. Она

включает в себя источник питания СВЧ-выключателя 1 для раздельного

воздействия сигналами СВЧ и НЧ, источник питания диода Ганна 2, схему

обработки информации и индикации 3, детекторный диод 4, разделительный

конденсатор 5, СВЧ-выключатель 6, диод Ганна 7, конденсатор низкочастотного

колебательного контура 8 и катушку индуктивности 9, располагающейся на

поверхности выходного фланца волновода.

В результате экспериментальных исследований было обнаружено, что в

режиме многочастотной генерации изменение нагрузки в СВЧ-цепи (т.е.

изменение положения короткозамыкающего поршня) приводит к изменению

сигнала, продетектированному в НЧ-цепи, а изменение нагрузки в НЧ-цепи

(т.е. изменение индуктивности или ёмкости) приводит к изменению сигнала в

СВЧ-цепи. При этом изменения продетектированных в этих цепях сигналов

могут быть как одинакового, так и противоположного знаков. Как следует из

результатов, приведённых на Pис. 3.2, зависимости величины

продетектированных в НЧ- и СВЧ-цепях сигналов DUнч и DIсвч от перемещения

короткозамыкающего поршня периодичны и имеют локальные максимумы и

минимумы. На этом же рисунке приведена зависимость мощности выходного

сигнала РCВЧ СВЧ- генератора на диоде Ганна от перемещения

короткозамыкающего поршня.

Зависимости величины продетектированных в НЧ (1) и СВЧ (2) цепях сигналов

и зависимость мощности выходного сигнала (3) от положения

короткозамыкающего поршня.

[pic]

Рис 3.2.

Заключение.

При выполнении дипломной работы были получены следующие результаты:

1. Проведен анализ современного состояния проблемы измерения

параметров материалов и структур с помощью эффекта автодинного

детектирования.

2. Построена теоретическая модель многоконтурного автодинного

генератора на диоде Ганна, разработана и описана эквивалентная схема.

3. На основе построенной модели составлена программа для расчета

параметров многоконтурного генератора на диоде Ганна.

4. Проведено компьютерное моделирование работы многоконтурного

автодина на диоде Ганна.

5. Теоретически и экспериментально исследованы особенности проявления

эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде

Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания. Обнаружено,

что изменение нагрузки в СВЧ- и НЧ-цепях могут вызывать изменение

продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и

противоположного знаков.

Установлено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и

минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки

в СВЧ-цепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора

на диоде Ганна высших гармоник.

Литература.

1. Альтшулер Ю. Г., Сосунов В. А., Усов Н. В. Измерение малых амплитуд

механических перемещений с применением открытого СВЧ резонатора //

Известия ВУЗов. - Радиоэлектроника. - 1975. - Т.18. - №10. - С.93-98.

2. Усанов Д.А., Авдеев А.А. Использование эффекта автодинного

детектирования в генераторах на диодах Ганна для двухпараметрового

измерения диэлектриков // Дефектоскопия.- 1995. - №4. - С.42-45.

3. Усанов Д.А., Тупикин В.Д., Скрипаль А.В., Коротин Б.Н. Использование

эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ генераторах

для создания устройств радиоволнового контроля // Дефектоскопия. - 1995.

- №5. - С.16-20.

4. Зак Е. Когерентные световые методы измерения параметров механических

колебаний // Зарубежная радиоэлектроника. - 1975. - №12. - С. 70-76.

5. Викторов В. А., Лункин Б. В., Совлуков А. С. Радиоволновые измерения

параметров технологических процессов, - М.: Энергоиздат. - 1989.

6. Коломойцев Ф. Н., Быстряков Н. П., Снежко Е. М., Налча Г. И., Харагай А.

С. СВЧ установка для измерения вибраций // Измерительная техника. - 1971.

- №11. - С. 45-46.

7. Коган И. М., Тамарчак Д. Я., Хотунцев Ю. Л. Автодины // Итоги науки и

техники. - Радиоэлектроника. - 1984. - Т.33. - С. 3-175.

8. Коротов В. И., Хотунцев Ю. Л. Энергетические характеристики

допплеровских автодинов на полупроводниковых приборах // Радиотехника и

электроника. - 1990. - Т.35. - №7. - С. 1514-1517.

9. Хотунцев Ю.Л., Тамарчак Д.Я. Синхронизированные генераторы и автодины на

полупроводниковых приборах. М.: Радио и связь, - 1982. - 240 с.

10. Шокли В. Теория электронных полупроводников. Пер. с англ. / под ред.

Жузе. - М.: Иностранная литература. - 1953. -С. 558.

11. Еленский В. Г. Инжекционно - пролетные диоды с проколом базы, BARITT -

диоды // Зарубежная радиоэлектроника. - 1977. - №11. - С.98-103.

12. Усанов Д.А., Вагарин А.Ю., Безменов А.А. Об использовании детекторного

эффекта в генераторах на ЛДД для измерения диэлектричекой проницаемости

материалов // Дефектоскопия. - 1981. - №11. - С.106-107.

13. Усанов Д. А., Горбатов С. С., Семенов А. А. Изменение вида вольт -

амперной характеристики диода Ганна в зависимости от режима его работы на

СВЧ // Известия ВУЗов. - Радиоэлектроника. - 1991. - Т.34. - №5. - С.107-

108.

14. Васильев Д. В., Витель М. Р., Горшенков Ю. Н. и др. Радиотехнические

цепи и сигналы / под ред. Самойло К. А. - М.: Радио и связь. - 1982.

15. Murayama K., Ohmi T. Static Negative Resistance in Highly Doper Qunn

Diodes and Application for Switching and Amplification // Japan. J. Appl.

Phys. 1973. V.12. №12. P.1931.

16. Эберт К., Эдерер Х. Компьютеры. Применение в химии. Пер. с нем. - М.:

Мир, - 1988. - 416 с.

17. Усанов Д.А., Вагарин А.Ю., Вениг С.Б. Использование детекторного

эффекта в СВЧ генераторе на диоде Ганна для измерения параметров

диэлектриков // Дефектоскопия. - 1985. - №6. - С.78-82.

18. Усанов Д.А., Скрипаль А.В. Эффект автодинного детектирования в

генераторах на диодах Ганна и его использование для контроля толщины и

диэлектрической проницаемости материалов / Изв. ВУЗов. -

Радиоэлектроника. - 1987. - Т.30. - №10. - С.76-77.

19. Усанов Д.А., Безменов А.А., Коротин Б.Н. Устройство для измерения

толщины диэлектрических плёнок, напыляемых на металл / ПТЭ. - 1986. - №4.

- С.227-228.

20. Усанов Д.А., Коротин Б.Н. Устройство для измерения толщины

металлических плёнок, нанесённых на диэлектрическую основу / ПТЭ. - 1985.

- №1.- С.254.

21. Усанов Д.А., Вагврин А.Ю., Коротин Б.Н. Устройство для измерения

параметров диэлектрических материалов. Авт. свид. №1161898. - Бюл. изобр.

- 1985. - №22. - С.184-185.

22. Усанов Д.А., Тупикин В.Д., Скрипаль А.В., Коротин Б.Н. Радиоволновые

измерители на основе эффекта автодинного детектирования в

полупроводниковых СВЧ генераторах / Тез. докл. Всесоюзной научно-

технической конференции “Оптические, радиоволновые и тепловые методы и

средства неразрушающего контроля качества промышленной продукции”. -

Саратов: Изд. СГУ. - 1991. - С.4-6.

23. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Коротин Б.Н., Лицов А.А., Гришин В.К.,

Свирщевский С.Б., Струков А.З. Устройство для измерения параметров

диэлектрических материалов. Авт. свид. №1264109. - Бюлл. изобр. - 1986. -

№38. - С.138.

24. Усанов Д.А., Скрипаль А.В., Орлов В.Е, Гришин В.К., Левин М.Н., Ефимов

В.П. Способ измерения амплитуды вибраций осе симметричных объектов. Авт.

свид. №1585692. - Бюлл. изобр. - 1990. - №30. - С.204.

25. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и

инженеров. Пер. с амер. / под ред. Арамаковича И. Г. - М.:Наука. - 1973.

- 831 с.

26. Будак Б. М., Фомин С. В. Кратные интегралы и ряды. - М.:Наука. - 1965.

- 608 с.

27. Маккракен Д., Дорн У. Численные методы и программирование на ФОРТРАНе.

Пер. с англ. / под ред. Наймарка Б. М. - М.:Мир. - 1977. - 584 с.

Приложение. Текст программы для моделирования процессов в многоконтурном

генераторе на диоде Ганна.

{$A+,B-,D-,E-,F-,G-,I+,L+,N+,O-,P-,Q-,R-,S+,T-,V+,X+}

program gist_f3;

uses crt,graph,AN;

label 1,2;

const

n=15;

q1=1.6e-19;

n123=1e21; c2=0.03e-12;

s123=1e-8; c3=0.3e-12;

mm1=0.6; c4=0.8e-12;

Lg=1e-5; c5=10e-12; { отсечение НЧ цепи }

Eb=4e5; c6=1e-6;

T10=300.0; c7=15e-12;

r1=0.01; l2=0.2e-9;

r3=1; l3=0.6e-9;

r4=0.0005; l4=0.01e-9; { крутим }

r5=100; l5=100e-9;

Eds=3.8; l6=35e-9;

l7=0.12e-9;

ll0=0.03; {sm}

llk=0.046; maxpoint=1000000000;

z0=39.43e3;

Type FL=EXTENDED;

Type ry=array[1..1100]of FL;

Type tt=array[1..N]of FL;

var sign,g1,sign1,sign2,sign3:ry;

oldy1,oldy:array[1..10] of integer;

K1,y,f,w:tt;

delta_i,frequency,old_f,old_cur,di,oldc1,oldc2,c1,l1,

sign0,d_visir,bn,iv1,iv11,iv12,x,h,vp1,smax,f0,s0,Vs,Vs1, y1,s1,ppp:FL;

mark,count,fcount,point,deltax,fsign,gd,oldx,oldx1,dh,dj,

visir_1,visir_2,visir_3,visir_4,k,aaa,i,ii,iii,phas_x,

phas_y:integer;

round,fpoint,iii1,loop:longint;

visir_f,visir_f1,visir_s,power,size_x,size_y:real;

c:char;

P: Pointer;

Size: Word;

s:string;

Procedure current;

var U:real; { BAX }

begin

Vs:=eds/(Eb*Lg);

Vs1:=Vs*Vs*Vs;

Страницы: 1, 2, 3