Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

                                                                4

	1		2		5
			3

Рис. 1.2. Блок-схема СВЧ измерителя толщины.

В состав СВЧ толщиномера СИТ-40, предназначенного для измерения тонких плёнок из любого металла на изолирующей подложке и непроводящих покрытиях, в том числе разнообразных лакокрасочных, нанесённых на металлические поверхности, входит: 1 - СВЧ-датчик, представляющий собой СВЧ-генератор в микрополосковом исполнении и использующий в качестве активного элемента диод Ганна или СВЧ биполярный транзистор; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок питания; 4 - система корректировки нуля; 5 - блок индикации.

Для уменьшения влияния дрейфа нуля на результат измерений предложены схемные решения, основанные на компенсации дрейфа его параметров в промежутках между измерениями и использовании напряжения в момент, предшествующий измерению, в качестве опорного в момент измерения [21].

С целью повышения чувствительности и существенного уменьшения веса и потребляемой мощности измерителей исследовалась возможность применения туннельных диодов в качестве активных элементов СВЧ-автодинов [22]. Исследования проводились в экспериментальных измерительных СВЧ-устройствах на серийных диодах типа ГИ 103Б, работавших на частоте 1.3 Ггц. В качестве детекторных диодов использовались диоды типа Д405. Конструктивно датчики измерительных устройств представляли собой отрезки полосковых линий передачи, выполненных на основе фольгированного фторопласта, в которых размещались генераторные и детекторные диоды, фильтры, НЧ и подстроечные элементы.

Разработаны устройства измерения толщины и электропроводности проводящих покрытий, а также толщины и диэлектрической проницаемости для изолирующих материалов. Принцип действия автодинного генератора на полупроводниковом СВЧ-элементе был использован при разработке нового способа контроля толщины плёнок в процессе вакуумного напыления. Для повышения точности измерения в датчике применён СВЧ-выключатель, обеспечивающий кратковременное отклонение генератора от измеряемого объекта [23].

Разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный на использовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в режиме автодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения не только амплитуды, но и частоты вибраций [24]. Источники зондирующего СВЧ-излучения и одновременно приёмники провзаимодействующего с вибрирующим объектом сигналов представляют собой отрезки стандартных прямоугольных волноводов, которые с одного конца закорочены и имеют регулируемые подстроечные поршни, а другие концы соединены с камерами, изготовленными из металлической ленты, свёрнутой в кольцо. Связь по СВЧ-полю отрезков волновода с каждой камерой осуществляется через прямоугольное волноводное окно. В камерах помещается цилиндрический металлический стержень, перемещение которого внутри этих камер вызывает изменение продетектированного автодинами зондирующего СВЧ-сигнала.

Применение в автодинных генераторах диодов Ганна по сравнению с генераторами, использующими другие полупроводниковые активные элементы, позволяет обеспечить преимущества по совокупности таких параметров, как максимальная рабочая частота, выходная мощность, стабильность частоты, потребляемая мощность питания [13].

2. Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

В данной работе проводилось математическое моделирование процессов, происходящих в многоконтурном автодине на диоде Ганна. Для этого была составлена эквивалентная схема автодина (Рис. 2.1).

Теоретическое описание характеристик выходного сигнала СВЧ- генератора на диоде Ганна основывалось на математическом описании процессов в многоконтурной эквивалентной схеме, элементы которой моделируют полупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединённых ёмкости С3 и активного нелинейного сопротивления, определяемого по ВАХ диода I(U), элементы корпуса диода L3 , C4 , СВЧ-резонатор в виде последовательного C2 , L2 и параллельного L1 , Y1 , C1 контуров, низкочастотную часть схемы, состоящую из последовательного  L7 , C6  и параллельного C7 , R5 , L6 контуров, дросселя L5 в цепи питания, шунтирующей ёмкости С5 и индуктивности связи L4 диода с НЧ-схемой.

Эквивалентная схема описывается системой из четырнадцати дифференциальных уравнений (2.1-2.14), составленных на основе законов Кирхгофа.

                 (2.1-2.4)

Эквивалентная схема автодина на диоде Ганна.

Рис. 2.1.

                         (2.4-2.14)

Эта система нелинейна и решалась численно методом Рунге-Кутта четвёртого порядка с автоматическим выбором шага [16]. При расчёте использовалась типичная ВАХ диода Ганна [15], которая аппроксимировалась выражением вида:

,                           (2.15)                                                                 

где D=0, при U£Un , D=2, при U>Un , m0 =6000 см2/Вс, VS=8.5 *106 см/с. Выражение (2.15) было программно модифицировано для случая ВАХ с гистерезисом. График использованной ВАХ диода Ганна приведён на рисунке 2.2.

Вольт-амперная характеристика диода Ганна.

Рис. 2.2.

При решении системы учитывалась частотная зависимость СВЧ- нагрузки. По результатам решения системы (2.1-2.14) вычислялись мощности сигналов Pсвч , Pнч и величины продетектированных сигналов DUfg и DUkg  в СВЧ- и НЧ-цепях соответственно:

                             (2.16)

                                 (2.17)

                           (2.18)

,                                     (2.19)

где I70 - постоянный ток через диод Ганна в отсутствии генерации.

Нагрузка с волноводной системой была представлена в виде линии, нагруженной на комплексную проводимость отражающей поверхности (Рис.2.3).

Рис. 2.3. Представление нагрузки в виде нагруженной линии.

Комплексная проводимость нагрузки  была выражена через коэффициент отражения волны от объекта (нагрузки). Для этого была решена система уравнений:

                                  (2.20)

                                    (2.21)

где ПАД и ПАД - комплексные напряжение и ток падающей волны, ОТР и ОТР - комплексные напряжение и ток отражённой волны. Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд отражённой и падающей волн

                                         (2.22)

В результате решения системы уравнений (2.20-2.21) было получено выражение для комплексной проводимости нагрузки

,                              (2.23)

где Z0 - волновое сопротивление пустого волновода,

,                                    (2.24)

где -частота генератора, -магнитная проницаемость, -магнитная постоянная, -фазовая постоянная, l - расстояние до объекта.

Для подстановки в систему (2.1-2.14) комплексная проводимость нагрузки (2.23) была представлена в виде действительной и мнимой компонент.

                     (2.25)

                     (2.26)

С учётом (2.25) и (2.26) параметры эквивалентной схемы СВЧ-нагрузки рассчитывались из соотношений:

                                 (2.27)

                                   (2.28)

                           (2.29)                             

где , если Im(Z)<0

, если Im(Z)>0.

При расчёте величины продетектированного сигнала не учитывался вклад гармонических составляющих СВЧ-сигнала, с частотами равными 4f0, 5f0 и т.д., мощность которых составляла менее 1% мощности выходного сигнала СВЧ-генератора. Здесь f0 - частота основной гармоники выходного сигнала. Результаты теоретического расчёта величин продетектированных сигналов DUfg и DUkg в СВЧ- и НЧ- цепях соответственно представлены на рисунке 2.4.

Теоретический расчёт показал, что изменение положения короткозамыкающего поршня в СВЧ-тракте наряду с изменением мощности СВЧ-колебаний приводит к изменению амплитуды колебаний в низкочастотном контуре, что позволяет регистрировать наряду с сигналом автодетектирования в цепи питания по постоянному току сигнал внешнего детектирования как на  частотах СВЧ-диапазона, так и в низкочастотном диапазоне. Как следует из результатов расчёта, на представленных зависимостях наблюдаются локальные максимумы и минимумы, которые  обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

Математическое моделирование процессов в генераторе на диоде Ганна позволило установить, что существование областей значений входных сопротивлений СВЧ-нагрузки, в которых их изменение вызывает изменение продетектированных в СВЧ- и НЧ-цепях сигналов одинакового знака, и областей, в которых изменения продетектированных сигналов имеют противоположные знаки, обусловлено наличием значительной реактивной составляющей СВЧ-тока в полупроводниковой структуре диода Ганна. В то же время отметим, что изменение реактивных элементов НЧ-контура более, чем на два порядка приводит лишь к незначительному (не более 5%) смещению границ этих областей.

Теоретические зависимости величин продетектированных сигналов в    СВЧ DUfg (1) и НЧ DUkg (2) цепях.

Рис. 2.4.

3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах позволяет создавать простые в эксплуатации малогабаритные измерители толщины и диэлектрической проницаемости [17,18]. Для их нахождения используют результаты измерений на нескольких частотах. Осуществление многопараметрового контроля упрощается, если удаётся проводить измерения в условиях, когда на результаты измерений определяющим образом влияет только один из искомых параметров. Такая ситуация, в частности реализуется, если  для измерения толщины и диэлектрической проницаемости диэлектриков в этом случае применяются измерители, работающие на различных частотных диапазонах, например СВЧ и НЧ. При проведении измерений на СВЧ результат зависит как от толщины, так и от диэлектрической проницаемости диэлектрика. Если измерения на НЧ проводить используя схему, в которой диэлектрик помещается в зазор между излучателем и металлическим основанием, то результат измерений будет определяться только толщиной диэлектрика и не будет зависеть от его диэлектрической проницаемости. Определив таким образом толщину диэлектрика, по её значению и показателям преобразователя на СВЧ можно определить диэлектрическую проницаемость.

Было проведено экспериментальное исследование зависимости величины продетектированного сигнала в автодинном генераторе на диоде Ганна, работающем в различных частотных диапазонах от положения СВЧ короткозамыкающего поршня. Использовался генератор волноводной конструкции с диодом типа АА703[1], помещённым в разрыв металлического стержневого держателя. К цепи питания диода Ганна через разделительный конденсатор параллельно диоду был подключен низкочастотный контур. Частота СВЧ-колебаний составляла ~10 ГГц, частота низкочастотных колебаний ~10 МГц. Для детектирования низкочастотных колебаний

Схема экспериментальной установки.

1	2	3	4	5	6	7