книги из ГПНТБ / Богатырев Ю.К. Импульсные устройства с нелинейными распределенными параметрами

на рис. 3.11. На рис. 3.11,а напряжение смещения для туннельного диода снимается с резистора R1 делителя R1—R2, включенного в каждое звено линии-резонато­ ра. Величина сопротивления Ri выбирается обычно много меньшей, чем внутреннее сопротивление тун­ нельного диода в рабочей точке, а величина R2 — мно­ го большей волнового сопротивления линии ро. В схе­ ме рис. 3.11,6 напряжение смещения берется с рези­ стора R1, включенного последовательно с индуктив­ ностью каждого звена.

В обоих случаях резистор смещения R1 вносит дополнительные высокочастотные (рис. 3.11,о) или низкочастотные (рис. 3.11,6) потери в резонатор. Это приводит к различному распределению энергии между спектральными составляющими генерируемых колеба­ ний и, следовательно, к изменению формы этих коле­ баний по сравнению с формой колебаний генератора с аналогичным резонатором, но с иной схемой вклю­ чения туннельных диодов (например, схемой включе­ ния туннельного диода параллельно емкости звена,

вкоторой резисторы делителя напряжения смещения отсутствуют (рис. 3.11,б).

Однако наибольшее влияние па форму колебаний

вэтих схемах оказывает не резистор R1, а способ включения самого активного элемента. При переходе

от одной схемы включения нелинейных элементов к другой вид дисперсионной характеристики волновой системы заметно изменяется. В результате меняется и форма колебаний одной и той же моды.

Так, в исследованной экспериментально [78] кольце­ вой автоколебательной системе, выполненной по схеме рис. 3.11,о, возбуждались и устойчиво существовали релаксационные колебания в виде стационарных бегу­ щих волн пилообразной формы. При этом среди воз­

160

граммы рис. 3.10,а, б). С практически высокой сте­ пенью точности форма колебаний в этом случае для всех типов волн совпадала с формой, получаемой от сложения бегущих навстречу друг другу волн пило-

образной формы, характерных для системы с анало­ гичной геометрией и структурой, но замкнутой в коль­ цо. Картина распределения импульсного напряжения вдоль линии повторялась число раз, совпадающее

сномером возбуждаемой моды (рис. 3.13) [79].

Втом случае, когда нелинейные активные элемен­ ты включены параллельно емкости ззена линии-резо­ натора, схема подачи напряжения смещения упроща­ ется. Напряжение смещения подается одновременно на все диоды через развязывающий высокочастотный

дроссель от источника постоянного тока, подключен­ ного, как правило, в одной точке к линии. Индуктив­ ное сопротивление звеньев обычно при постоянном токе весьма мало, поэтому напряжение на всех нели­ нейных элементах практически одинаково,

162

Надежность работы генератора, собранного по та­ кой схеме, хуже, чем надежность работы генераторов с нелинейными элементами, включенными параллель­ но катушке индуктивности. Здесь выход из строя (ча­ ще всего из-за электрического пробоя) хотя бы одного нелинейного элемента может вывести из нормального режима работы весь генератор, тогда как в ранее рас­ смотренных схемах выход из строя одного или даже нескольких нелинейных элементов лишь незначитель­ но скажется па работе генератора в целом. Это влия­ ние будет тем меньшим, чем большее число нелиней­ ных элементов будет включено в систему.

В волновых генераторах с нелинейными элемента­ ми, включенными параллельно емкости звеньев, фор­ ма генерируемых колебаний существенно другая. Так, в кольцевой системе с туннельными диодами колеба­ ния практически всех возбуждаемых типов имели фор­ му импульсов, близкую к прямоугольной [111].

Практически важным свойством такого генератора оказалась предсказанная теоретически возможность плавной регулировки длительности генерируемых им­ пульсов путем изменения величины напряжения сме­ щения на туннельных диодах. Диапазон регулировки длительности весьма широк. Например, длительность импульсов первой моды колебаний может быть изме­

Характер изменения длительности импульсов на­ глядно показывает график зависимости отношения пе­ риода следования импульсов Т к длительности импуль­ са tu от напряжения смещения (/см (рис. 3.14). Из этой зависимости следует, что минимальная длитель­

163

неодинаковы. Наиболее легко, как правило, возбуж­ дается и устойчиво существует первая мода, затем вторая, третья и т. д. Для выравнивания условий са­ мовозбуждения для всех мод необходимо применять специальные меры, которые обычно сводятся к вклю­ чению дополнительных элементов в звенья линии. Эти элементы (например, малые сопротивления R, вклю­ ченные последовательно с индуктивностью звеньев) должны изменять вид дисперсионной характеристики системы (вносить дополнительные частотнозависимые потери) таким образом, чтобы области параметров, при которых возможно возбуждение тех или иных мод, были близки.

Волновой генератор, выполненный в виде отрезка линии с туннельными диодами, включенными парал­ лельно емкости звеньев, также имеет ряд особенностей в режимах работы по сравнению с аналогичным гене­ ратором па туннельных диодах, включенных парал­ лельно индуктивности звена при одинаковых коэффи­ циентах отражения от концов резонатора. Так, при короткозамкнутых концах импульсы второго генера­ тора, как уже отмечалось ранее, являются результа­ том «сложения» двух релаксационных колебаний пилообразной формы и противоположной полярности, бегущих навстречу друг другу. При этом длительность их не зависит от напряжения смещения, т. е. не под­ дается простой регулировке. В первом же генераторе возбуждаются стоячие волны релаксационного типа, представляющие собой суперпозицию двух последова­ тельностей бегущих навстречу импульсов противопо­ ложной полярности, близких по форме к прямоуголь­ ным, с плавно регулируемой длительностью.

Когда концы резонатора разомкнуты, результирую­ щее колебание есть результат «сложения» импульсов одной полярности, бегущих от одного конца линиирезонатора к другому. Во времени эти колебания име­ ют вид последовательностей пар импульсов, расстоя­

165

ратора. В жестком режиме колебания в системе воз­ никают только под действием внешней силы (импуль­ сов) определенной амплитуды и длительности. Харак­ терные параметры и зависимости импульсных колеба­ ний от режима работы генератора сохраняются таки­ ми же, как и в случае мягкого самовозбуждения.

Особо следует отметить, что переход с одного типа колебаний на другой устойчиво осуществляется при подаче внешнего (в том числе и синусоидального) сиг­ нала с периодом 7’к, близким пли равным периоду то­ го собственного типа колебаний, который необходимо возбудить в генераторе. После прекращения действия внешнего (управляющего) сигнала в системе продол­ жает устойчиво существовать тип колебаний, возбуж­ денный этим сигналом.

жения с длительностью фронтов (10-9 .. . 10“10) с, от­ личаются весьма незначительно. Поэтому в дальней­ шем будем описывать эти системы, не останавливаясь каждый раз на их функциональном назначении.

Наибольший интерес с точки зрения практического применения в СВЧ диапазоне вызывают активные си­ стемы двух видов: распределенный туннельный диод и полосковая линия, периодически нагруженная ди­ скретными туннельными диодами.

Распределенный туннельный диод. В соответствии с технологией изготовления различают эпитаксиаль­ ный и планарный распределенные диоды [60], основан­ ные на использовании туннельного р—«-перехода между двумя длинными и узкими пластинами вырож­ денного полупроводника. Эпитаксиальный диод полу­ чают на основе р—«-перехода большой площади, изго­ товленного методом эпитаксиального наращивания.

1G7

Иа пластины германия «-типа толщиной ~ 400...

... 450 мкм, легированного мышьяком, с удельным сопротивлением ~ (6 ... 8) 10-4 Ом-см наращивались

противление ~ 40-10-4 Ом-см, что соответствует кон­ центрации атомов галлия —'1,5 -1020 см-3. Для изготов­ ления омических контактов па поверхность полупро­

вается припоем на толщину порядка нескольких сотен микрометров. Далее, пластины разрезаются на длин­

150...250 мкм. В итоге получается волновая струк­ тура— линия полоскового типа с распределенным туннельным переходом (рис. 3.17).

Для изготовления планарного диода на пластине германия выращивается пленка окиси кремния, в кото­ рой методом фотолитографии вскрывается окно в виде полосы шириной 10. . .30 мкм. В открытое окно нано­ сится сплав олова с мышьяком. Затем проводят вплавление.

Кристалл германия с готовым р—«-переходом при­ паивается к керамическому держателю с контактными площадками и выводами. Затем выводы от «-области соединяются с контактными площадками. Длина та­ кого перехода может достигать 10 см (если он выпол­ нен в виде полукольца) или 1,5... 2 см (в виде по­ лоски), а ширина, по-видимому, может быть доведена до 2 ... 5 мкм. На частотах порядка 10ш Гц, соответ­ ствующих фронтам импульса длительностью 10-10 ...

. . К)-'11 с, глубина проникновения поля в такой полу­ проводник составляет примерно 15 мкм, поэтому тол­ щина исходной пластины германия не должна превы­

168

(г + г0)/„/£/2«0,35.

Эти оценки показывают, что линии с распределен­ ным туннельным р—«-переходом практически не обла­ дают заметным преимуществом по сравнению с ди-

талл.

скретным туннельным диодом, у которого плотность тока / также ~ 104 А/см2 и, следовательно, неэффек­ тивны для формирования импульсов с фронтами коро­ че 10~10 с. Однако их достоинством является лучшая форма импульса (в частности, более плоская верши­ на) и слабая зависимость формы от параметров за­ пускающего сигнала [63].

Этот неутешительный результат является следст­ вием большой величины г0— эквивалентного сопротив­ ления продольных потерь, связанных с протеканием токов вдоль диода в плоскости, параллельной р—п- переходу. Для уменьшения г0 (устранения продольных токов) целесообразно «разрезать» р—«-переход на от­ дельные куски, т. е. по существу перейти к дискретной