|
| |
|
Слаботочка Книги вования полупроводниковых приборов СВЧ создаю/ и применяют полностьк) твердотельные ГН, более 3KOH0)iH4-ные, надежные и долговечные и имеющие меньший вес [8]. При использовании клистронного ГН одним из/мето-дов его термостабилизации является метод авторгули-руемого обдува, при котором интенсивность рабо-л вентилятора обдува клистрона (ток двигателя) авк>мати-чеоки регулируется транзисторной схемой упршления, датчиком которой является терморезистор, установленный на корпусе клистрона. 3.3. Усилители на туннельных диодах (УТД) УТД, как и ППУ, являются усилителями регенеративного типа - усилителями с отрицательным сопротивлением. Возможность усиления (регенерации) обусловливается отрицательным знаком активной составляющей им-митанса (т. е. импеданса или полной проводимости) туннельного диода (ТД) при работе на падающем участке а-г еговольтамперной характеристики (рис. 3.12) [3, 8, 9, 19, 20,26,27]. Параметры элементов эквивалентной схемы усилительных СВЧ ТД обычно лежат в пределах: модуль минимального отрицательного сопротивления (в точке б рис. 3.12,а) Л=40-100 ом, емкость перехода С= =0,2-г-2 пф, сопротивление потерь rs=l,5-v-7 ом, индуктивность выводов Lg =0,05-0,3 нгн, емкость корпуса Ск=0,30,5 пф. Корпус диода выполняется обычно в виде таблетки диаметром 1-3 мм и высотой около 1,5 мм [3, 8, 9, 19, 20, 26, 27]. Активная составляющая иммитанса ТД отрицательна на всех частотах от О до так называемой предельной частоты (3.30) Где R и Га выражены в омах, а С в пикофарадах. Для ТД см диапазона величина /пр составляет десятки гигагерц (обычно /пр в 2,5-3,5 раза выше рабочей частоты). Проявление активных свойств ТД в столь широкой полосе означает возможность создания весьма широкополосных УТД. С другой стороны, это свойство ТД требует принятия специальных мер по предотвращению паразитной генерации, которая может возникнуть на какой-либо частоте от О до /пр, в том числе и на частотах, да-208  -fOO/ -во Рис. 3.12. Вид вольтампериой характеристики (а), эквивалентная схема (б) и годографы импедансов (в) туннельного диода: / -ТД с параметрами: /?-75 ом, С-.П,25 пф, r-S ом, 1,-0,1 нгн, С--0,35 пф; - то же, но /-,-0,j нгн. Вопле точек годографов указаны частоты в Ггц. Леко отстоящих от рабочего диапазона. Вопросы расчета и проектирования УТД .имеют поэтому свою специфику, связанную с необходимостью анализа устойчивости усилителя и ее обеспечения. Этим вопросам посвящено значительное число работ, в частности [28-40]. Здесь дается лишь краткая характеристика УТД и рассматриваются некоторые специфические вопросы их расчета и проектирования. Основные параметры УТД. Область частот, в которой целесообразно использовать УТД, охватывает, главныл образом, см диапазон волн. На более низких частотах перспективно использовать СВЧ транзисторы, а на более высоких (в мм диапазоне) УТД не используют из-за трудности создания ТД с весьма малой площадью перехода (необходимой для повышения /пр) и достаточной устойчивостью к климатическим и электрическим воздействиям. Коэффициент усиления /Сутд в принципе может быть сделан сколь угодно большим. Однако, чем больше /Сутд, тем больше относительная нестабильность УТД (при тех же дестабилизирующих факторах) и уже полоса пропускания. Поэтому практически номинальное значение /Сутд на средней частоте/о рабочего диапазона выбирают обычно в пределах /(оутд = 1017 дб на один каскад. Для сравнительно узкополосных УТД, используемых в РЛС, типовым значением является /Соутд= 14- 16 дб. Коэффициент шума Рутд собственно УТД в см диапазоне при использовании германиевых ТД обычно находится в пределах 4-7 дб, причем большие значения соответствуют более высоким частотам. Так, например, для 3-см диапазона волн типовыми являются значения /утд = 5-6 дб. Более низкие значения утд могут быть получены при использовании ТД из антимонйда галлия, но эти ТД более чувствительны «изменению температуры и требуют термостабилизации. При исггользоваини ТД из арсенида галлия /утд на 1-2 дб хуже, чем для германиевых ТД [9, 20, 26, 27]. Полоса пропускания Л/утд составляет единицы, а при принятии специальных мер и десятки процентов от /о. Для УТД, используемых в РЛС см диапазона, во многих случаях достаточны значения 1Л/утд= 100-500 Мгц. Мощность насыщения УТД (Рнас), определяемая по уменьшению усиления на 1 дб составляет для германиевых ТД (1-3,5)-10- вт. Специальными мерами (при- менением ТД из GaAs, выбором смещения и др.) Рнас моет быть примерно на порядок увеличена. Потребление энергии УТД весьма мало. Сам ТД потребляет0,5- 1,5 ма при напряжении 0,1-0,2 в. Потребление всего УТД со стабилизатором напряжения и друпими вспомогательными цепями не превышает обычно 20-30 ма при напряжении 15-28 в. Габариты и вес УТД определяются, главным образом, циркуляторами и вентилями. Особенно малые габариты могут быть получены при использовании микрополосковых конструкций [8, 41, 42, 46]. Вход  Выход Рис. 3.13. Структурная схема УТД: УС -усилительная секция; Ци Ui, Дз - циркуляторы; Bi, Bj - вентили, образованные циркуляторами Д,, Ц2 с согласованными нагрузками СН, а СН. Структурная схема УТД. Наибольшее распространение получили схемы УТД с ферритовыми циркуляторами [3, 9, 12, 27, 33, 34]. Типовая схема (рис. 3.13) содержит обычно, кроме основного циркулятора (Дг на рис. 3.13) и усилительной секции с ТД, вентиль (Вг) на выходе, а иногда и на входе (Bi). Если защита УТД осуществляется с помощью РЗП, то на входе УТД обычно устанавливают дополнительное устройство защиты (например, полупроводниковый ограничитель, см. п. 1.3.2,6), так как мощность, просачивающаяся через РЗП, оказывается слишком большой для ТД. Усиливаемый сигнал через 5i и участок 1-2 циркулятора Яг проходит к секции с ТД. Отраженный от нее усиленный сигнал выходит из плеча 3 циркулятора Яг и через Вг поступает на выход. Вентили Bi и Вг в значительной степени ослабляют влияние на параметры УТД неидеально согласованных импедансов источника сигнала и нагрузки. Это влияние обусловлено недостаточностью развязок циркулятора, которая приводит к возвращению в усилительную секцию отраженной части усиленного сигнала, 14* 211 т. е. к явлению, аналогичному обратной связи в низкочастотных усилителях [34]. Вентиль Вг, «роме того, препятствует прохождению к ТД части мощности гетеродина, просачивающейся из смесителя в тракт сигнала. Эквивалентная схема УТД, используемая при расчетах, может быть представлена в виде соединения двухполюсника, имеющего тот же иммитанс, что и циркулятор со стороны усилительной секции, с эквивалентной схемой усилительной секции (рис. 3.14). Последняя, наряду с ТД, может содержать следующие элементы. to Ло/  Трансформирующая цепь  Рис. 3.14. Воаможиые аквивалентные схемы УТД и ик ушрощенные представления: а, б) схемы параллельного типа: в, г) схемы последовательного типа. 1. Элементы для трансформации иммитанса циркулятора (Уц или Zц) к требуемой величине в плоскости ТД (Ун, Zu). Такими элементами могут быть четвертьволно-, вые отрезки линий, идеальный трансформатор*) (Ftp, *) Формой исполь.зовяния идеального трансформатора является, например, боковое смещение ТД относительно оси волновода. Vxpi, Утрг, Тр на рис. 3.14) и совокупность реактивных элементов. 2. Элементы для подавления (предотвращения) паразитной генерации, образующие так называемую стабилизирующую цепь. Эта цепь должна содержать широкополосные резисторы (иногда в сочетании с дополнительными поглощающими элементами) и реактивные элементы или отрезки линий, короткозамыкающие эти резисторы в рабочей полосе частот. Стабилизирующее действие цепи заключается в том, что она шунтирует ТД активной проводимостью (поглотителем) в широком диапазоне частот, за исключением рабочей полосы, в пределах которой ТД связан не со стабилизирующими резисторами, а с полезной нагрузкой. Указанные реактивные элементы и отрезки линий делают незначительными потери в стабилизирующей цепи в рабочей полосе частот, что необходимо для получения достаточно низкого коэффициента шума.Нарис. 3.14 стабилизирующие цепи образованы элементами Уоь ог и Zo, Rc.LcCc (рис. 3.14,а и 3.14,0). 3. Элементы для компенсации реактивной составляющий иммитанса ТД на частоте fo - «настроечные» элементы: индуктивности, емкости и отрезки линий. К этой же группе следует отнести реактивности и отрезки линий, вводимые в схему для отображения соответствующих элементов реальной конструкции. Здесь следует особо выделить индуктивность вп внешних по отношению к керамике металлических деталей-ТД и его держателя (рис. 3.14,в), которая для СВЧ диодов таблеточной формы, расположенных в волноводе, может составлять 0,2-0,3 нгн. Специальные настроечные элементы могут отсутствовать, если их роль выполняют элементы трансформирующей или стабилизирующей цепи (например, при /о<Хо/4 в схеме рис. 3.14,а). 4. Элементы для расширения полосы пропускания УТД, образующие компенсирующую цепь. Компенсирующая цепь образуется контурами, настроенными на fo, или соответствующими им отрезками линий, включенными таким образом, что Ч131менение их реактивных сопротивлений (проводимостей) при отклонении частоты от fo компенсирует изменение реактивных составляющих им-митансов других цепей [26, 31, 37]. 5. Элементы цепи смещения (на рис. 3.14 не показаны), подводящие к ТД напряжение смещения, снижаю- 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 25 26 27 28 29 30 31 32 [33] 34 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 51 |