ПРИМЕНЕНИЕ АВТОДИННОГО ЭФФЕКТА В СВЧ-ГЕНЕРАТОРАХ ДЛЯ ИЗУЧЕНИЯ ИХ РАДИОФИЗИЧЕСКИХ СВОЙСТВ

January 13, 2013 by admin Комментировать »

*Воторопин с. Д., **Носков В. Я.

*0А0 «НИИПП» г. Томск, Россия e-mail: votoropin@mail. tomsknet.ru **УПУ-УПИ г. Екатеринбург, Россия e-mail: noskov@oko-ek.ru

Аннотация – Рассмотрено применение автодинного эффекта в СВЧ генераторах для исследования автоколебатель^ ных свойств автономных генераторов и контроля их технических характеристик путем реализации работы генераторов в автодинном режиме. В докладе представлен анализ режимов работы активных нелинейных элементов (диодов Ганна) по ав- тодинному эффекту имеющий большое значение при изучении и разработке автогенераторов и, в частности, при исследовании полной электронной проводимости активной области диода. Это связано, в первую очередь, с возможностью определения по автодинному отклику её зависимости от амплитуды, частоты СВЧ колебаний и автосмещения.

I.                                       Введение

Большое значение при изучении и разработке автогенераторов имеет анализ нелинейного активного элемента. Предложен и опробован метод измерения по автодинному отклику угла запаздывания и внешней добротности генераторов; описан метод изучения характера зависимости электронной проводимости от амплитуды и частоты СВЧ колебаний и автосмещения.

II.                              Основная часть

Исследование электронной проводимости диодов Ганна по автодинному эффекту. При проектировании устройств на диодах Ганна (ДГ) как в волноводном, так и в гибридно-интегральном исполнениях необходимо знать комплексную восприимчивость активных элементов, которую для резонансных КВЧ приборов удобно выразить через электронную проводимость Ye. Вычисление на основе уравнений электродинамики выражения для Ye ДГ, которую представляют функцией амплитуды А колебаний и частоты ω и постоянной составляющей тока I, является в настоящее время весьма сложной задачей. Однако, разработка математической модели физических процессов в устройствах на ДГ может быть упрощена, если оценить степень зависимости Ye (Л) по отношению к зависимостям Ϋe(ω) и Ye(/). Сравнение Ye (Л) иΫe(ω) имеет смысл в пределах полосы резонансной системы приборов КВЧ, а соотношение Ye (Л) nYe(/). определяется величинами дУе/дА и dYeldl в рабочей точке прибора. Такую оценку можно осуществить экспериментально по автодинному эффекту в генераторах КВЧ. Как известно, в любом автогенераторе изменения амплитуды А, частоты ω и рабочего тока / под воздействием слабого отраженного излучения взаимосвязаны и описываются следующей системой уравнений: где ΔΘη’ и Δ Вн’ – трансформированные активная и реактивная проводимости нагрузки соответственно, которыми представляется в эквивалентной схеме ав- тодина отражённая электромагнитная волна; Δ G„ =

–   2ΥοΓοο5δ; ЛВн = – 2ΥοΓ sin6; δ = 2ωί/ο; Υο- характеристическая проводимость, Г – коэффициент отражения, учитывающий все потери при распространении ЭМ волны до отражающего объекта и обратно; ί – расстояние до отражателя, Вр проводимость резонатора.

В докпаде представлена упрощенная математическая модель физических процессов в устройствах на ДГ. Такая оценка подтверждена экспериментально по автодинному эффекту в генераторах КВЧ.

Решая систему уравнений (1-3) для оценки фазовых соотношений, получаем:

где ΔΡ – изменение мощности в нагрузке; Л/\т, Аыт, Δ/m, АРт – амплитуды соответствующих автодинных откпиков; коэффициенты di-d4 определяются только производными, входящими в полученные уравнения. Таким образом, между изменениями Δ/\, Δω, Δ/, ΔΡ существуют сдвиги фаз, зависящие от коэффициентов di- d4. Анализ этих выражений показывает, что изменения Δ/\, Δ/, ΔΡ в зависимости от расстояния ί происходят в фазе только в таких генераторах, у которых зависимости Ye (ω) и Ye (/) значительно слабее Ye (Л) и коэффициент дИдш =0. Так как сдвиги фаз между автодинными откликами определяются видом функции Ye (Λ,ω, /), а их экспериментальные значения позволяют оценить степень зависимости Ye {А) по сравнению с Ye (ω) и Ye (/) и измерить параметр неизохронности по сдвигам фаз между Δ/, Δ Р, и Δω, то, следовательно, они являются критерием выбора математической модели автогенераторов на диодах Ганна.

Разработана экспериментальная установка и проведены измерения указанных сдвигов фаз на ме- запланарных ДГ АА768, работающих в диапазоне 33- 55 ГГц (АДБК. 432.130. 343 ТУ) и автодинных модулей М55314 (бш2.000.138ТУ). Установлено, что сдвиг фаз между Δ/, и ΔΡ достигает значения π/2 и сильно зависит от режима работы по постоянному току, а также величины связи генератора с нагрузкой. Значительно изменяются от режима работы и сдвиги фаз между Δ/, Δ Р, и Δ ω.

Экспериментальные исследования проведены на установках [1, 2], предназначенных для настройки и измерения параметров автодинов. В их состав входит как электромеханический имитатор доплеровско- го отражённого сигнала [3], так и фазовый модулятор

на p-i-n диоде соответствующих диапазонов. Показано, что степень зависимости электронной проводимости ДГ от амплитуды Ye (А), частоты Ye (ω) одного порядка. Сравнимы также Ye (Л) и Ye (/). Так как существенной оказывается связь между автодетектированием, проявляющимся в зависимости Δ/ (Α,ω), и изменениями параметров автоколебаний, то это обстоятельство необходимо учитывать при анализе автономных генераторов на ДГ, а также их модуляционных и флукгационных характеристик.

Применение автодиннозо эффекта для контроля технических характеристик автоколебательной системы. Физика явлений в автодинах на диодах Ганна (ДГ) достаточно хорошо изучена в квазистатическом приближении, когда отражающий объект перемещается настолько медленно, что переходными процессами в генераторе можно пренебречь. Представляет интерес рассмотреть физические процессы в автодине на ДГ с учетом инерционности автоколебательной системы или другими словами исследовать частотную зависимость дисперсии автодинного сигнала.

Для анализа автоколебаний в автодине положим, что колебательная система генератора одноконтурная, цепь автосмещения отсутствует, вольтамперная характеристика ДГ с петлёй гистерезиса и время релаксации активного элемента существенно меньше характеристического времени изменения амплитуды колебаний, а отраженный сигнал представим в виде источника, зависящего от предыстории системы. В такой модели автодин описывается системой линеаризованных дифференциальных уравнений с запаздывающим аргументом, решение которой позволило найти основные выражения для установившихся значений автодинных изменений амплитуды и частоты автоколебаний [4]. Из анализа выражений, приведённых в [4] получены следующие результаты..

1.         Нормированная характеристика частотной зависимости коэффициента автодинного усиления Ка (Ω„) = (1+Ωη) где Ωη = Qti – нормированная частота; Ω

–    частота автодинного сигнала; ti – характеристическая постоянная времени автодинного отклика, является симметричной функцией относительно Ω„ = 0.

2.         Нормированная характеристика частотной зависимости величины автодинной девиации генерируемой частоты

не является симметричной функцией относительно Ω„ = 0. Вид этой функции в сильной степени определяется величиной и знаком параметра неизохронности у. Наибольшая крутизна дисперсионной зависимости L (Ωη) в окрестности Ωη= о имеет место при у+1. При других значениях параметра неизохронности автодинного генератора эффект частотной дисперсии проявляется в меньшей степени, и в случае изохронного генератора, при у = О, он полностью отсутствует.

3.         Фазовый угол смещения автодинной девиации генерируемой частоты относительно изменений амплитуды колебаний (Ω„) = arctg [у / (1+ γΩ„ + Ωη^)] также зависит от величин и знаков у и Ω„.

Выявленные особенности зависимостей Ка (Ω„), L (Ωη и δ(Ω„) автодинного генератора на ДГ указывают на различия формы и величины искажений автодинных откпиков как для приближающихся и удаляющихся отражающих объектов, так и от скорости их перемещения. Физический смысл асимметрии девиации частоты автодина на ДГ связан с увеличением углов фазового смещении автодинных изменений амплитуды автоколебаний при возрастании 6(Ωη). При этом модуляция частоты за счет изменения амплитуды автоколебаний вследствие неизохронности генератора на ДГ усиливается при одном знаке δ(Ω„) (собственные автодинные изменения частоты и модулирующие с увеличением δ(Ω„) приближаются к синфазным) и ослабляется при другом знаке δ(Ω„) (указанные изменения частоты в этом случае приближаются к противофазным).

Анализ спектра автодинного сигнала показал, что при изменении знака радиальной скорости движения отражателя и прочих равных условиях спектральные компоненты автодинного откпика генератора на ДГ изменяют не только углы относительного фазового смещения, но также и свои амплитудные значения.

Экспериментальные исследования авто-динных откпиков, регистрируемых с внешнего детектора автодина на ДГ типа АА768В в случае приближающегося и удаляющегося отражателя, качественно подтвердили полученные теоретические результаты. Подтверждением дисперсионной зависимости автодинной девиации частоты генератора на ДГ также является известное явление асимметрии спектра частотных шумов неизохронного генератора, имеющего корреляцию между амплитудными и фазовыми флуктуациями. В докладе приведён анализ указанных выражений и представлены его результаты.

III.                                  Заключение

Проведено исследования полной электронной проводимости активной области диода по автодин- ному эффекту. Показано, что наличие существенной связи между автодетектированием, проявляющимся в зависимости Δ/(Α,ω), и изменениями параметров автоколебаний, её необходимо учитывать при анализе автономных генераторов на ДГ, их модуляционных и флуктационных характеристик. Рассмотрены также вопросы применения автодинного эффекта для контроля технических характеристик автоколебательной системы. Экспериментальные исследования автодинных откликов, регистрируемых с внешнего детектора автодина на ДГ КВЧ диапазона, в случае приближающегося и удаляющегося отражателя, качественно подтвердили полученные теоретические результаты. Подтверждением дисперсионной зависимости автодинной девиации частоты генератора на ДГ также является также известное явление асимметрии спектра частотных шумов неизохронного генератора, имеющего корреляцию между амплитудными и фазовыми флуктуациями.

IV.                           Список литературы

[1]  Воторопин С. Д. Разработка автодинных датчиков 5 мм диапазона длин волн для транспортной электроники: Отчёт НИИПП по ОКР «Тигель» – Томск, 1991. – 75 с.

[2]  Установка настройки и измерения параметров автоди- нов в диапазоне 26-78 ГГц КЯЛЮ. 411242.001.01-03. – НИИПП, Томск, 1991.

[3]  А. С. № 1659933 СССР IVIKH G01S 7/40. Имитатор доп- леровского сигнала / В. Т. Бузыкин, С. Д. Воторопин,

Ю. Л. Красильников, В. Я. Носков (СССР). – 4424241 / 09; Заявлено 15.05.88; Зарег. Б. И. № 2 1991 г. – Зс.: ил.1.

[4]  С. Д. Воторопин, В. Я. Носков. Обобщённая модель и основные уравнения автодинной ГИС КВЧ на основе ме- запланарных ганновских структур. Изв. Вузов. Физика. – Томск – 2001. – С. 23-30.

APPLICATION OF AUTODYNE EFFECT OF UHF OSCILLATORS FOR STUDYING THEIR RADIO PHYSICAL PROPERTIES

*Votoropin s. D., **NoskovV. Ya.

*«NIIPP»

Tomsk, Russia e-mail: votoropin@mail. tomsknet. ru **State Technical Univ. UPl Ekaterinburg, Russia e-mail: noskov@oko-ek.ru

An autodyne effect in UHF oscillators is presented for autonomous features investigation and checking its performance by means of the autodyne mode implementation. In this report operation modes analysis of active non-linear Gunn diodes is discussed on the base of autodyne effect which has an essential importance at studying and developing of oscillators, particularly, at research of the total electronic conductivity of diode active region. This relates mainly to the determination possibility of dependence on UHF oscillation amplitude and frequency, as well as a bias.

Theoretical investigations of total electronic conductivity of diode active region are fulfilled under autodyne effect. It is shown that the essential relation presence between autodetection occurring in Δ/ (Α,ω) function and oscillation parameters variations have to take into consideration at autonomous Gunn diodes oscillators analysis and their modulation and fluctuations properties. Some aspects of autodyne effect applications are considered for technical characteristics checking of oscillations system. Experimental researches of autodyne traces registered by the external detector for millimeter Gunn diode in cases of approaching and recessive reflector confirmed theoretical results. The well-known phenomenon of frequency noise spectrum asymmetry of anisochronous oscillator has the correlation between amplitude and phase fluctuations and can also serve as additional confirmation of dispersed dependence of the autodyne frequency deviation of Gunn diode oscillator.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты