Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

Исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Саратовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет

им. Н.Г.Чернышевского

Кафедра физики твёрдого тела

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МНОГОКОНТУРНОМ ГЕНЕРАТОРЕ

НА ДИОДЕ ГАННА

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

студента 511 группы физического факультета

Каца Ефима Ильича

Научные руководители

к.ф.-м.н., доцент

Скрипаль А.В.,

аспирант

Бабаян А.В.

Зав. кафедрой ФТТ

профессор, академик МАН ВШ

Усанов Д.А.

г.Саратов - 1996 г.

Содержание.

| |Стр. |

|Введение |3 |

|1. Анализ возможности использования автодинов на |5 |

|полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля | |

|параметров материалов и сред. | |

|2. Теоретическое исследование эффекта автодинного |12 |

|детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.| |

| | |

|3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного |20 |

|детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.| |

| | |

|Заключение. |24 |

|Список литературы. |25 |

|Приложение. Текст программы для моделирования процессов в |28 |

|многоконтурном генераторе на диоде Ганна | |

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.

[pic] (1.1)

[pic] (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:

[pic] (1.3)

Активная мощность на нагрузке (1.4) положительна

[pic] (1.4)

отсюда вытекает, что

[pic] (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 [pic], то есть возникает так

называемый эффект автодинного детектирования [18]. Величина [pic]

определяется из выражения

[pic] (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.

|Диод |Мощность |КПД |Смещение |Шумы |

|ЛПД |десятки | | | |

| |ватт |до 15% |десятки Вольт |25 дБ |

|ИПД |десятки | |сотни | |

| |милливатт |единицы % |милливольт |около 5 дБ |

|ДГ |десятки |зависит от | | |

| |милливатт - |режима |4.5-11 Вольт |10-12 дБ |

| |единицы Ватт |работы | | |

|ТД |единицы и | |сотни | |

| |десятки |единицы % |милливольт |около 5 дБ |

| |микроватт | | | |

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.

4

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.

[pic] (2.1-2.4)

Эквивалентная схема автодина на диоде Ганна.

[pic]

Рис. 2.1.

[pic]

[pic] (2.4-2.14)

[pic]

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:

[pic], (2.15)

где D=0, при UЈUn , 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.

[pic]

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:

[pic] (2.16)

[pic] (2.17)

[pic] (2.18)

[pic], (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).

[pic] [pic]

Рис. 2.3. Представление нагрузки в виде нагруженной линии.

Комплексная проводимость нагрузки [pic] была выражена через

коэффициент отражения волны от объекта (нагрузки). Для этого была решена

система уравнений:

[pic] (2.20)

[pic] (2.21)

где [pic]ПАД и [pic]ПАД - комплексные напряжение и ток падающей волны,

[pic]ОТР и [pic]ОТР - комплексные напряжение и ток отражённой волны.

Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд отражённой и

падающей волн

[pic] (2.22)

В результате решения системы уравнений (2.20-2.21) было получено

выражение для комплексной проводимости нагрузки

[pic], (2.23)

где Z0 - волновое сопротивление пустого волновода,

[pic], (2.24)

где [pic]-частота генератора, [pic]-магнитная проницаемость, [pic]-

магнитная постоянная, [pic]-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.

[pic] (2.25)

[pic] (2.26)

С учётом (2.25) и (2.26) параметры эквивалентной схемы СВЧ-нагрузки

рассчитывались из соотношений:

[pic] (2.27)

[pic] (2.28)

[pic] (2.29)

где [pic], 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

Страницы: 1, 2