Генераторы и усилители на лавинно-пролетных диодах

В качестве ЛПД обычно используют структуру типа p⁺- n-i-n⁺, предложенную Ридом (США) в 1958 году. Знаки «+» означают повышенную концентрацию соот-ветствующих носителей заряда. Однако эффект генерации СВЧ происходит и в обычном обратносмещенном р-п-переходе, что наблюдала впервые группа акаде-мика А.С.Тагера в СССР в 1959 году. Эффект Тагера–Рида зафиксирован как открытие.

Работа генератора на ЛПД (ГЛПД) основана на явлении лавинного пробоя обратносмещенного р-п-перехода с последующим дрейфом носителей заряда в нейтральном полупроводнике. Если такой диод поместить в резонатор, то при соответствующем подборе обратного напряжения в рабочей точке (р.т.) пробой с образованием сгустков электронов будет происходить с частотой колебаний в резонаторе, возникающих в нем за счет флюктуаций тока. Если образующиеся сгустки электронов будут двигаться от эквивалентного катода к аноду в тормозящей фазе электрической составляющей ЭМП в резонаторе, то будет происходить отдача энергии полю электронами, и колебания СВЧ при потерях в резонаторе и нагрузке, меньше выделяемой мощности, будут незатухающими.

Рабочая точка (р.т.) в ЛПД выбирается на перегибе обратной характеристики диода (рис. 6.1).

Для предотвращения теплового пробоя ЛПД последовательно с ним в цепь с источником питания включается ограничительное сопротивление R_огр. Оно долж-но быть значительно больше внутреннего сопротивления ЛПД в р.т. (R_огр> ). В цепь должен быть также включен резонатор на частоте f_р и блокировочные элементы для фильтрации f_г (L_бл, С_бл). Электрическая схема включения для ГЛПД приведена на рис. 6.2. Резонатор должен быть перестраиваемым. Частота генерации f_г≈ f_р.

Рис. 6.1. Выбор рабочей точки у ЛПД

Рис. 6.2. Электрическая схема включения для ГЛПД

Структура диода Рида показана на рис. 6.3. Наибольшая напряженность поля возникает в р⁺-п области, там и происходит переход «дырок» в область р⁺ и их рекомбинация с электронами. У электронов при переходе в область п за счет больших скоростей возникает лавинное умножение (эквивалентный катод К_э). Далее электроны движутся со скоростью V_др в нейтральном слое i в уже изменив-шейся, тормозящей фазе переменного СВЧ-напряжения на диоде, включенном в резонатор. Рекомбинация электронов с «дырками» происходит в другой части слоя п⁺ (эквивалентный анод А_э).

Рис. 6.3. Структура ЛПД, предложенная Ридом

Для режима генерации в ЛПД можно так же, как и для клистронов, изобра-зить пространственно-временную диаграмму в координатах «расстояние z (вдоль ЛПД) – время t» (рис. 6.4).

Рис. 6.4. Пространственно-временная диаграмма движения сгустков электронов в ЛПД

Очевидно, что оптимальный угол пролета сгустков в ЛПД Θ_опт = ωτ_пр = π, где τ_пр = . Именно тогда будет наибольшее их торможение и наибольшая мощ-ность генерации на оптимальной частоте f_{г опт} (рис. 6.5). Здесь речь идет об отри-цательном активном сопротивлении ЛПД.

Рис. 6.5. Зависимость генерируемой мощности Р_г ГЛПД от частоты настройки резонатора

На величину генерируемой мощности влияет также значение тока І_Д через диод (рис. 6.6). При малых токах генерация отсутствует ввиду недостаточности энергии сгустков для компенсации потерь в резонаторе и нагрузке. На этом участке можно осуществлять режим регенеративного усиления, используя для развязки входа и выхода сигнала ферритовый циркулятор (см. рис. 1.8, б). При токах, больше оптимального І_{Д опт}, ширина сгустков во времени увеличивается, часть электронов попадает в области малых амплитуд поля и даже в ускоряющую фазу, забирая энергию из резонатора. При токе І_Д ≥ І_{Д хар} (І_{Д хар} – характерис-тический ток) генерация прекращается ввиду практического отсутствия возмож-ности образования сгустков электронов (идет сплошной электронный поток).

Рис. 6.6. Рабочие характеристики ГЛПД

При изменении тока через ЛПД меняется и напряжение на нем, что незна-чительно изменяет и дрейфовую скорость носителей υ_др, уменьшая время пролета электронов. Это приводит к небольшому изменению частоты генерации f_г. При І_Д ≥ І_{Д опт} флюктуации тока возрастают, что даёт резкое увеличение шума в спектре f_г.

В режиме усиления при І_Д < І_{Д пуск} выходная мощность УЛПД становится весьма малой, однако можно получить К_ус = в десятки раз (10÷20 дБ) на частоте резонатора f_р в полосе ∆ f_ус, определяемой его нагруженной добротностью Q_н (∆ f_ус = ).

Конструктивно ЛПД может быть помещен в коаксиальный (рис. 6.7), волно-водный или полосковый резонатор. При необходимости такой резонатор можно перестраивать не только механически, но и электрически с введением в него варикапа.

Рис. 6.7. Пример ГЛПД на коаксиальном резонаторе с механической перестройкой частоты

При использовании в резонаторе бесконтактного поршня его длина l_п составляет четверть длины волны на верхней частоте генерации. На ней и на более низких частотах генерации поршень на входе будет иметь (как разомкнутая четвертьволновая линия) весьма малое емкостное сопротивление. Резонатор образуется между короткозамкнутым торцом и поршнем. Его длина l_р должна быть равна целому числу полуволн (l_р = п ). Обычно п = 1 или п = 2.

Рассмотренный режим работы ГЛПД называют пролетным (нормальным). В зарубежных публикациях он назван IMPATT-режимом (аббревиатура английских слов IMPact Avalanche Transit Time – ударная ионизация, пролетное время).

Генерируемые мощности у ГЛПД в диапазоне от единиц до десятков ГГц составляют соответственно от 10 до 0,1 Вт в непрерывном режиме при КПД 40÷50 %.

В ГЛПД возможен также так называемый аномальный режим (режим «с захваченной плазмой») при больших амплитудах СВЧ-колебаний, сравнимых с обратным пробивным напряжением U_проб. Тогда возникает процесс ударной ионизации с образованием электронно-дырочной плазмы. Проводимость диода резко возрастает, напряженность поля падает, скорость носителей заряда уменьшается, время пролета возрастает. Генерация колебаний будет происходить на существенно более низкой частоте настройки резонатора. При этом возрастают ток через диод, генерируемая мощность и КПД. В зарубежной литературе такой режим работы называется TRAPATT-режимом (англ. аббревиатура TRAPATT –TRApрed Plasma Avalanche Triggered Transit – захваченная плазма, время пуска лавины).

Работа ГЛПД возможна здесь только в импульсном режиме при длительности импульса порядка τ_и ≈ 1 мкс в диапазоне частот до единиц ГГц при Р_г > 100 Вт и КПД 25÷50 %. Для увеличения генерируемой мощности применяют параллельное включение диодов или суммирование мощностей с помощью мостовых схем (от 4 до 32 шт. диодов). Во столько же раз возрастает и выходная мощность. Недостаток всех ГЛПД – высокий уровень шумов, что дает возмож-ность применять специальные ГЛПД в качестве генераторов шума. Находят ГЛПД применение и в качестве активных элементов в фазированных антенных решётках (ФАР) с синхронизацией всех ГЛПД опорным сигналом. Такие ФАР способны конкурировать по мощности с передатчиками радиолокаторов на ЭП СВЧ.