Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

Содержание.

Введение.

В связи с развитием современных технологий, требующих непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса, состоянием оборудования и параметрами материалов и сред становится всё более актуальной задача создания неразрушающих бесконтактных методов измерения и контроля параметров материалов и сред. Измерения на СВЧ позволяют определить электропроводность, толщину, диэлектрическую проницаемость и другие параметры материалов и сред без разрушения поверхности образца, дают возможность автоматизировать контроль параметров материалов. Для этого в настоящее время широко используются методы, основанные на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых приборах.

Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости, проводимости [1-6].

Однако, прежде чем создавать конкретный прибор на основе данного эффекта, необходимо провести моделирование его работы. Для этого необходимо рассмотреть принципы действия таких устройств.

При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение режима их работы по постоянному току, что можно понимать как проявление эффекта детектирования. В случае, если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора наблюдается эффект автодинного детектирования.

Одним из методов, позволяющих провести расчёт величины эффекта автодинного детектирования при реальных параметрах активного элемента и нагрузки, определить области значений контролируемых параметров материалов, в которых чувствительность автодина к их изменению максимальна, наметить пути оптимизации конструкции генератора, является метод, основанный на рассмотрении эквивалентной схемы СВЧ-генератора, в которой комплексная проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы [7,9].

Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для создания измерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их работы.

1. Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.

При изменении уровня СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение постоянного тока, протекающего через них, что можно понимать как проявление эффекта детектирования [2,7]. Если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора, этот эффект называют эффектом автодинного детектирования.

Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах позволило создать устройства, совмещающие несколько радиотехнических функций в одном элементе (например, излучение и приём электромагнитных колебаний). Автодины на полупроводниковых генераторах, получившие к настоящему времени достаточно широкое применение, используются в основном для обнаружения движущихся объектов.

Важной областью применения автодинов является контроль параметров материалов и сред. Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред основано на установлении зависимостей величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: диэлектрической проницаемости и проводимости. Измерения с помощью приборов основаны на сравнение с эталонами, а точность измерения в основном определяется точностью эталонирования.

Теоретическое обоснование возможности использования эффекта автодинного детектирования в диодных СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред проведено на основе численного анализа. Описание отклика диодного СВЧ-автодина может быть сделано на основе рассмотрения эквивалентной схемы генератора (Рис. 1.1), в которой комплексная проводимость Yn определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы, а Yd - средняя проводимость полупроводникового прибора.

                                                 Yd                                Yn

Рис. 1.1. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде.

Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением (1.1), согласно первому закону Кирхгофа.

                                         (1.1)

                                       (1.2)

I1, U1 - комплексные амплитуды тока и напряжения первой гармоники на полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим проводимостям приложено одно и то же напряжение U1, можно записать баланс мощностей:

                                 (1.3)

Активная мощность на нагрузке (1.4) положительна  

                                  (1.4)

отсюда вытекает, что 

                               (1.5)

т.е. Yd должна иметь отрицательную действительную часть при существовании в системе колебаний с ненулевой амплитудой. Наличие отрицательной проводимости характеризует трансформацию энергии: полупроводниковый элемент потребляет энергию постоянного тока и является источником колебаний ненулевой частоты.

Возникновение СВЧ-колебаний в электрической схеме с нелинейным элементом вследствие его детектирующего действия приводит к появлению дополнительной составляющей постоянного тока , то есть возникает так называемый эффект автодинного детектирования [18]. Величина  определяется из выражения

                                    (1.6)

Детекторный эффект наблюдается в СВЧ-усилителях на биполярных транзисторах, СВЧ-генераторах на лавинно-пролётных диодах (ЛПД), инжекционно-пролётных диодах (ИПД), туннельных диодах (ТД) и диодах Ганна (ДГ). В данной работе мы рассмотрим использование полупроводниковых диодов в качестве СВЧ-автодинов. Сравнительные характеристики полупроводниковых СВЧ-диодов приведены в  таблице 1.

Таблица 1.

Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя основными уравнениями в частных производных [10]: уравнением плотности тока, характеризующим образование направленных потоков заряда; уравнением непрерывности, отражающим накопление и рассасывание подвижных носителей заряда, и уравнением Пуассона, описывающим электрические поля в полупроводнике.

Точное решение этих уравнений с учетом граничных условий в общем виде затруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить анализ вводят эквивалентные схемы полупроводниковых приборов.

ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для анализа, т.к. их эквивалентная схема более проста и точна, чем схемы других полупроводниковых приборов. С практической точки зрения ТД представляет собой интерес при создании маломощных автодинов в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [11], но из-за низкого уровня шумов и малого напряжения питания являются перспективными для допплеровских автодинов.

В работе [12] исследована возможность измерения диэлектрической проницаемости материалов по величине продетектированного работающем в режиме генерации ЛПД сигнала. Использовался генератор волноводной конструкции (канал волновода 23*10 мм.) с ЛПД типа АА707, установленным в разрыве стержневого держателя. Измерения продетектированного сигнала проводилось компенсационным методом. Исследуемые диэлектрики, с предварительно определёнными значениями диэлектрической проницаемости на СВЧ, прикладывались к отверстию на выходном фланце генератора.

Результаты проведённых исследований показали, что ход зависимости величины продетектированного сигнала от диэлектрической проницаемости зависит от конструкции измерительного генератора, в частности, от расстояния от плоскости расположения ЛПД до открытого конца волновода, к которому прикладывается исследуемых диэлектрик.

ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний. Однако,, в качестве недостатка можно отметить относительно высокий уровень шумов, обусловленный, в первую очередь, шумами лавинообразования.

В ряде работ [2,3,17,18] рассматривается возможность применения СВЧ-генераторов на диоде Ганна для измерения параметров материалов и сред. Отмечается преимущество данного способа измерения: исследуемый образец находится под воздействием СВЧ-мощности, а регистрация измерений производится на низкочастотной аппаратуре, имеющей высокую точность и отличающейся простой в эксплуатации.

В настоящее время разработаны и изготовлены  устройства для неразрушающего контроля, принцип действия которых основан на эффекте автодинного детектирования: измерители толщины металлодиэлектрических структур и диэлектрической проницаемости [19,20]. Наибольшее практическое применение из разработанных приборов нашёл СВЧ толщиномер типа СИТ-40. На рисунке 1.2 приведена его блок-схема.

1	2	3	4	5	6	7