ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 12.12.2023
Просмотров: 14
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
Лабораторная работа №1
ГЕНЕРАТОР НА ДИОДЕ ГАННА
Цель работы: познакомиться с теорией, принципом действия, конструкцией и характеристиками автогенератора на арсенид-галлиевом диоде Ганна.
1.2. Основные результаты теории
Приборы на диодах Ганна - наиболее распространенные полупроводниковые маломощные СВЧ генераторы. Они работают в диапазоне рабочих частот от 1 ГГц до 100 ГГц и более, обеспечивая мощность генерации в непрерывном режиме до нескольких ватт и КПД до 10 %. Генераторы имеют широкую полосу перестройки, малые шумы, высокую скорость включения в импульсном режиме, ожидаемый срок службы порядка 10 лет. Их отличают простота конструкции и низкая стоимость.
Принцип действия прибора основан на возникновении в объеме некоторых полупроводников отрицательного дифференциального сопротивления. Этот объемный эффект, являющийся свойством материала, основан на том, что при приложении к образцу электрического поля, большего некоторой пороговой величины, дрейфовая скорость электронов и ток через прибор уменьшаются с увеличением напряженности поля. Возможность существования такого эффекта была теоретически показана Ридли, Уоткинсом в 1961 г. и Хилсумом в 1962 г. В 1963 г. Дж. Ганн, исследуя высокочастотные шумы в однородных образцах из арсенида галлия GaAs и фосфида индия InP, наблюдал самопроизвольные периодические колебания тока i, возникающие при напряжениях на полупроводнике Uo, больших порогового значения Ut (рис. 1.1). Период колебаний равнялся времени движения электронов в образце
, где L - длина образца;
- дрейфовая скорость электронов. В экспериментах Ганна L = 0,01 - 0,001 см, = 107 см/с, что соответствует частоте колебаний 
= 109 - 1010 Гц. Кремер (1964 г.) показал, что
наблюдавшиеся Ганном колебания тока объясняются описанным Ридли, Уоткинсом и Хилсумом механизмом возникновения объемного отрицательного дифференциального сопротивления. Эффект получил название эффекта Ганна, а диоды, принцип действия которых основан на этом эффекте, называются диодами Ганна.
1.3. Описание лабораторной установки
Схема установки для исследования характеристик генератора на диоде Ганна изображена на рис. 1.27.
Напряжение питания на генератор Ганна 7 поступает с источника постоянного напряжения 1 и регулируется потенциометром 2. Постоянное напряжение смещения на варактор подается с этого же источника и изменяется с помощью потенциометра 3. Выходной сигнал генератора поступает в волноводный измерительный тракт, который заканчивается детекторной секцией 12. Выходной сигнал детектора поступает на измерительный прибор 5, показания которого пропорциональны мощности, подводимой к детектору. Часть сигнала отбирается из волноводного тракта направленным ответвителем 10 и через коаксиально-волноводный переход 11 подается на частотомер 6 для измерения частоты выходного сигнала генератора Ганна. Частотомер подсоединен к осциллографу 4, с помощью которого фиксируются нулевые биения в нем. Напряжение на диоде Ганна не должно превышать 9,5 В, ток не более 500 мА. Напряжение на варакторе не более 35 В.
1.4. Лабораторное задание
1.4.1. Измерить зависимость тока через диод, мощности и частоты выходного сигнала от поданного на него напряжения при подъеме напряжения до максимального значения и при снижении от максимального до нуля. Изменение напряжения на диоде Ганна производить с шагом 0,25 В при трех различных значениях напряжения на варакторе. Построить семейство зависимостей тока (i1 = f(UПИТ), i2 = f(UПИТ),i3 = f(UПИТ)), мощности (P1 = f(UПИТ), P2 = f(UПИТ),P3 = f(UПИТ)), частоты (f1 = g(UПИТ), f2 = g(UПИТ), f13= g(UПИТ)), КПД (1 = f(UПИТ), 2 = f(UПИТ), 3 = f(UПИТ)) и крутизны электронной перестройки (S01 = df1/dUПИТ, S02 = df2/dUПИТ, S03 = df3/dUПИТ)) от напряжения на диоде. Объяснить полученные результаты.
1.4.2. Измерить зависимость выходной мощности и частоты от поданного напряжения на варактор при трех различных напряжениях питания на диоде Ганна. Изменение напряжения на варакторе производить с шагом 1 В. Построить семейство зависимостей частоты (
f1 = g(UВ), f2 = g(UВ), f3 = g(UВ)), выходной мощности (P1 = f(UВ), P2 = f(UВ),P3 = f(UВ)) и крутизны электронной перестройки (SС1 = df1/dUВ, SС2 = df2/dUВ, SС3 = df3/dUВ)) от напряжения на варакторе для трех различных напряжений питания на диоде Ганна. Объяснить полученные результаты.
1.4.3. Измерить зависимость выходной мощности, частоты и КПД от глубины погружения диэлектрического стержня в резонатор при максимальном напряжении питания на диоде Ганна при трех значениях напряжения на варакторе. Стержень погружать (вынимать через пол-оборота винта). Построить семейство зависимостей выходной мощности (P1 = f(хСТ), P2 = f(хСТ),P3 = f(хСТ)), частоты (f1 = g(хСТ), f2 = g(хСТ), f13= g(хСТ)), КПД (1 = f(хСТ), 2 = f(хСТ), 3 = f(хСТ)) от глубины погружения диэлектрического стержня в резонатор. Объяснить полученные результаты.
1.4.5. Измерить зависимость выходной мощности, частоты и КПД от глубины погружения диэлектрического стержня в резонатор при максимальном напряжении на варакторе при трех значениях напряжения на диоде Ганна. Стержень погружать (вынимать через пол-оборота винта). Построить семейство зависимостей выходной мощности (P1 = f(хСТ), P2 = f(хСТ),P3 = f(хСТ)), частоты (f1 = g(хСТ), f2 = g(хСТ), f13= g(хСТ)), КПД (1 = f(хСТ), 2 = f(хСТ), 3 = f(хСТ)) от глубины погружения диэлектрического стержня в резонатор. Объяснить полученные результаты.
1.5. Выполнение работы
-
Изучили правила техники безопасности при работе с приборами СВЧ диапазона и ознакомиться с особенностями работы в лаборатории. Подготовили прибор к работе, проверили правильность собранной схемы. -
Рассчитали номер гармоники сигнала по формуле:
f1=187.1, f
2=183.9
Установили этот номер на переключателе “ номер гармоники”. Переведите переключатель “время счета s” в положение 10-5
Частотомер готов к работе.
-
Измерили зависимость тока через диод, мощности и частоты выходного сигнала от поданного на него напряжения при подъеме напряжения до максимального значения и при снижении от максимального до нуля. Изменения напряжения на диоде Ганна производить с шагом 0,3 В, Uдг=9.5 Напряжение на варакторе Uв=25. Все измерения занесли в таблицу 1.
Таблица 1
| Uдг, В | I,A | P,мВт | F,мГц |
| 9,5 | 0,289 | 310 | 10481,6 |
| 9,2 | 0,276 | 300 | 10296,4 |
| 8,9 | 0,267 | 290 | 10118,5 |
| 8,6 | 0,250 | 280 | 9947,0 |
| 8,3 | 0,241 | 260 | 9779,5 |
| 8,0 | 0,235 | 240 | 9515,0 |
| 7,7 | 0,232 | 230 | 9458,6 |
| 7,4 | 0,230 | 210 | 9379,8 |
| 7,1 | 0,229 | 200 | 9376,9 |
| 6,8 | 0,228 | 200 | 9372,8 |
4, Построили семейство зависимостей тока, мощности, частоты от напряжения на диоде:
-
Измерили зависимость выходной мощности и частоты от поданного напряжения на варакторе при напряжении питания на диоде Ганна равному Uдг=9,5, Изменение напряжения на варакторе производить с шагом 2 В, Все измерения занесли в таблицу 2,
Таблица 2
| Uв, В | P, мВт | F, Гц |
| 25 | 290 | 10478,9 |
| 23 | 300 | 9945,8 |
| 21 | 290 | 9780,5 |
| 19 | 300 | 9618,1 |
| 17 | 300 | 9460,1 |
| 15 | 290 | 9308,5 |
| 13 | 300 | 9231,2 |
| 11 | 280 | 9224,8 |
| 9 | 280 | 9220,2 |
| 7 | 260 | 9218 |
-
Построили семейство зависимостей частоты, выходной мощности от напряжения на варакторе:
Вывод
В ходе выполнения данной работы мы познакомились с теорией, принципом действия, конструкцией и характеристиками автогенератора на арсенид-галлиевом диоде Ганна. Изучить режимы работы генератора и способы перестройки частоты колебаний. Измерили зависимость тока через диод, мощности и частоты выходного сигнала от поданного на него напряжения при подъеме напряжения до максимального значения и при снижении от максимального до нуля. Измерили зависимость выходной мощности и частоты от поданного напряжения на варакторе. Согласно построенным графикам зависимостей, видно, что с увеличением напряжения на диоде увеличиваются ток, мощность и частота, также с увеличением напряжения на варакторе увеличивается частота, а по мощность происходят не значительные изменения.