Эффект Ганна - Левинштейн М.Е.
Скачать (прямая ссылка):
со значением ti0/f, соответствующим режиму ОНОЗ (рис. 8.2, и гл. 9).
3. Напряжение смещения, приложенное к структуре, должно в несколько
раз превышать сумму пороговых напряжений отдельных диодов.
'В работе 161] на двух соединенных диодах с заметно отличающимися
параметрами (относительная разность пороговых токов диодов составляла
примерно 10%) была получена мощность
3,4 Вт при к. п. д. 28,2% на частоте
8,3 ГГц. Напряжение на структуре в шесть раз превышало пороговое
напряжение одного диода. При этом генерируемая мощность равнялась сумме
мощностей, генерируемых отдельными диодами при соответствующих
напряжениях смещения. '(Величина п0Ц для разных пар диодов лежала в
пределах (1,3 ... 3,2) -105 с/см-3.)
В работе [62] удалось получить генерацию от десяти последовательно
соединенных диодов, работавших в 3-см диапазоне. Напряжение на структуре
равнялось 160 (c) (что примерно в пять раз превышало сумму пороговых
напряжений). Была получена мощность 116 Вт. Величина no/f составляла
примерно 3-105 с/см-3.
В описанных выше способах последовательного соединения диоды Ганна
помещаются в одной точке резонатора, т. е. расстояние между ними мало по
сравнению с длиной волны X. Если расстояние между диодами составляет Х/2,
то поле СВЧ волны будет приложено к диодам в противофазе. Таким образом,
в данный момент времени при достаточно большой амплитуде СВЧ поля
напряжение может быть велико на одном диоде, в то время как оно мало на
соседнем. В этом случае условия последовательной работы неидентичных
диодов облегчаются. Этот режим работы был исследован в работе [63].
Четыре диода были помещены в коаксиальный резонатор на 'расстоянии в Х/2.
Выходная мощность равнялась сумме мощностей, которые могли быть получены
от каждого из диодов.
191
8.3.4. Влияние напряжения сложной формы, на работу генератора Ганна
В .работе [64] -было показано, что использование переменного напряжения
сложной формы, содержащей несколько гармоник с определенными амплитудными
и фазовыми соотношениями, существенно увеличивает к. п. д. и выходную
мощность в ганновских режимах работы. Такое напряжение прикладывается к
диоду при работе в резонаторе, обладающем заметным значением импеданса не
только на основной частоте, но и на ее гармониках.
Влияние напряжения сложной формы на к. п. д. генератора Ганна можно
оценить, исходя из соображений, аналогичных тем, которые были
использованы в § 8.2 при выводе формул (8.1), (8.2). В этих выражениях
форма напряжения и тока определяла только коэффициент формы для среднего
действующего значения (коэффициент 1/2). Этот коэффициент максимален и
равен единице в том случае, если переменное напряжение и ток имеют
прямоугольную форму. В этом случае к. п. д. максимален и равен 34% при
параметрах кривой v(E), использованных для оценок в § 8.2. Такая величина
к. п. д. соответствует использованию СВЧ мощности на всех гармониках.
Если выходная мощность отбирается только на первой гармонике, как это
имеет место в подавляющем большинстве случаев, то величину к. п. д. можно
получить, используя первую гармонику ряда Фурье для прямоугольной формы
напряжения и тока [65]:
Отсюда при /"//< = 0,5 получаем г)тах^27%.
Для получения прямоугольной формы напряжения на диоде резонатор должен
обладать заметным импедансом на большом числе гармоник основной частоты.
Практически такой резонатор сконструировать трудно. Однако заметного
повышения к. п. д. (до величины, достаточно близкой к максимально
возможному значению) можно добиться, используя напряжение, содержащее
только первую и вторую гармоники. Принципы конструкции соответствующих
резонаторов относительно просты и рассмотрены, например, в' [6].
Впервые расчет параметров генератора Ганна в условиях, когда к диоду
приложено напряжение первой и второй гармоник
был проделан в работе (65]. Здесь ei - амплитуда первой; е2 - амплитуда
второй гармоники, значение ф принималось равным'Зя/2. (Это значение
соответствует оптимальному режиму, см. ниже.) Результаты [65] указывали
на возможность существенного увеличения к. п. д. при наличии второй
гармоники. Однако, как отмечено в [66], в работе [65] ¦не учитывалось,
вводится ли мощность на второй гармонике от внешнего источника [режим с
внешней (параметрической) накачкой] или же напряжение на второй
гармонике, как и на первой, поддерживается в резонаторе благодаря
спонтанным колебаниям тока в ганновском диоде (режим с самоподкачкой).
Кроме того, в работе [65] пренебрегалось временем формирования домена, а
пороговое поле исчезновения домена принималось равным пороговому полю его
возникновения. Как следствие, к. п. д. генератора 192
(8.52)
Е (t) =E0 + ei sin (о/+е2 sin (2ю/+ф),
(8.53)
не зависел в модели, принятой в [65], ни от частоты, ни от концентрации
электронов в образце щ.
Расчет параметров ген-ератора с учетом этих факторов был проделан в
работах [67, 68] на основе модели, использованной в работах [13, 14] .и
описанной в § 8.2. Расчет -показывает, что в режиме с само-подкачкой к.
