Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
удалении на 1 МГц, -160 дБ при удалении на .10 МГц. Достигнутые
результаты позволяют использовать генераторы Ганна в качестве
высококачественных гетеродинов СВЧ устройств.
Из выражения (8.46) видно, что для белого шума мощность частот-но-
модулированных шумов падает'обратно пропорционально квадрату удаления от
несущей (в логарифмическом масштабе это соответствует уменьшению мощности
шумов на 6 дБ на октаву [при увеличении До> в два раза)].
Среднеквадратичное отклонение частоты А/ск для белого шума не зависит от
удаления от несущей (8.47). Однако эксперименты (рис. 8.13,а) показывают,
что в генераторах Ганна при удалении частоты от несущей частотные шумы
падают быстрее.
Величина шумов генераторов Ганна и характер их частотной зависимости
могут сильно различаться от диода к диоду даже для приборов со сходными
параметрами при работе в одном и том же резонаторе. Величина шума зависит
от качества исходного материала, способа вплавления контактов и даже от
состояния поверхности данного диода. Например, травление в ряде случаев
уменьшало величину шума, а обработка протравленных поверхностей перекисью
водорода вновь ухудшала шумовые характеристики [24].
AfrMM
^ск'Ги>
Рис. 8.13. Зависимость ЧМ шума от удаления от несущей Дf для генератора
Ганна, работающего на частоте 6 ГГц (а) и зависимости ЧМ шума
несинхронизированного и синхронизированного генераторов Ганна (б): а) 1 -
Q*=I50, мощность на несущей Рвес =*10 дБм, 2 - Q=*470, Рнес = Н дБм.
Ширина полосы 1 кГц [36}\ б) 1 - для несинхронизированного генератора, 2-
для синхронизированного генератора, 3- для синхронизирующего генератора
(клистрона Х26Д). Частота генерации 6 ГГц, синхронизирующая мощность на
20 дБ меньше выходной мощности генератора Ганна, ширина полосы - J кГц.
188
Рис. 8.14. Зависимость частоты генератора Ганна от времени [24].
С/о-14 В, /0-38 мЛ, /=9 ГГц, Р=6,4 мВт.
Адекватной теории шумов генератора Ганна в настоящее время не существует.
'В работе J41] был произведен расчет уровня шумов, связанных с разбросом
моментов времени формирования домена. Этот расчет предсказывает, однако,
частотную зависимость шума, не совпадающую с экспериментальной. 1В
'работе [42] было указано, что более важным источником частотно-
модулированного шума могут являться флуктуации скорости домена сильного
поля, хотя в этой работе и не приводится каких-либо конкретных численных
оценок. Анализ некоторых возможных механизмов шумов в ганновских диодах
содержится также в работах [43, 44].
В работах [45, 46] было обнаружено, что спектральная ширина линии
генерации обусловливается очень медленными флуктуациями частоты (главные
гармоники этих флуктуаций имеют частоту, меньшую 1 Гц).
Среднеквадратичное отклонение частоты составляет примерно 3 кГц для
диодов 3-см диапазона. (В [47] спектральная ширина линии генерации для
диодов с частотой генерации 2 ... 3 ГГц не превышала 1 кГц.) Оказалось,
что медленные флуктуации частоты генерации связаны с токовым шумом диода
Ганна, который очень слабо зависит от того, находится ли диод в режиме
генерации.
Из результатов, полученных в работах [45-47], понятно, что можно резко
уменьшить ширину линии и шумы с помощью стабилизации частоты от внешнего
источника. Стабилизировать частоту генерации можно, синхронизируя диод
Ганна, например, с помощью
маломощного малошумящего ОВЧ генератора на туннельном диоде. При этом,
как показано в [48], синхронизирующий генератор может отдавать только
0,001 часть мощности генератора Ганна. Естественно, что степень снижения
шума при синхронизации возрастает с увеличением мощности, потребляемой от
внешнего источника. Так, у генератора Ганна, частотный шум которого
приблизительно в 500 раз превосходил шум управляющего клистрона, при
синхронизации шум уменьшался приблизительно в 30 раз, когда мощность
синхронизации составляла -30 дБ от выходной мощности генератора, и в '300
раз, когда мощность синхронизации равнялась -'20 дБ [28]. Влияние
синхронизирующего сигнала на величину шумов иллюстрируется рис. 8.18,6.
Важной характеристикой генераторов является также стабильность частоты со
временем. На рис. 8.14 показана зависимость изменения частоты от времени
для диода, работающего в коаксиальном резонаторе без температурной
стабилизации [24]. Напряжение смещения на диоде равно !14 В. Как видно из
рисунка, в этих условиях стабильность частоты порядка 3 • 10~(r) в течение
10 мин и около 6 • 10~6 в течение 1,5 ч. При работе в высокодобротных
резонаторах при условии температурной стабилизации уход частоты
генераторов Ганна оказывается примерно таким же, как у отражательных
клистронов: 10~6 в течение 10 мин и 10~5 в течение нескольких часов [49].
Эти характеристики можно ещё более улучшить,
используя кварцевую стабилизацию.
Фазовая синхронизация. Помимо стабилизации частоты генератора на диоде
Ганна, фазовая синхронизация также необходима для обеспечения совместной
работы нескольких генераторов, например, в фазированной антенной решетке.
