Спосіб живлення лавинно-пролітного діода

Запропонована корисна модель відноситься до електроніки, зокрема електроніки НВЧ і може бути використана в генераторах шуму з високим рівнем шумів. У техніці НВЧ достатньо широко використовуються шумові сигнали: для калі бровки хвильових трактів, в якості еталонів температур, з метою радіопротистояння, а також як широкосмугові зондуючі сигнали. Шумові сигнали НВЧ діапазону довжини хвиль утворюються генераторами шумів на лавинно-пролітних діодах (ЛПД), які забезпечують серед напівпровідникових пристроїв самий високий рівень шумів [А.С.Та гер, В.М.ВальдПерлов. Лавинно-пролетные диоды и их применение в технике СВЧ. - М. Сов. радио., 1968, 480с.]. Генератор шуму являє собою високочастотну схему включення та узгодження імпедансу ЛПД та хвильовидного навантаження. На ЛПД подається зворотна напруга, яка перевищує пробивну Uпр та струм живлення, величина якого визначається як необхідною величиною рівня шумів (спектральна щільність потужності шуму (СЩПШ)), так і необхідністю зірвати можливу генерацію, тобто не дати системі можливості перейти з режиму генератора шуму до режиму генератора регулярного сигналу великої потужності. Електричні характеристики генераторів шуму, що виробляються серійно, наведені в таблиці: Таблиця Пристрій Робочий діапазон частот, ГГц NSS-42 США NSS-28 США NSS-22 США NSS-19 США NSS-15CIIIA NSS-10 США М333-4 Украина М31313-12 Украина К (18-26.5) Ка (26.5-40) Q (33-50) U (40-60) V (50-75) W (75-110) К (18-24) W (75-90) Спектральна щільність потужності шуму, дБ (СЩПШ) 15,5 15,5 15,5 15 15 15 25 15 Нерівномірність СЩПШ в смузі, ±дБ 1 1 1,5 1,5 2,5 2,0 1,5 1,5 Основні недоліки наведених пристроїв полягають у порівняно низькому рівні СЩПШ (не більше ніж 25дБ/кТо), та високій робочій температурі активного елемента. Робоча температура діода пропорційна потужності, що виділяється при проходженні постійного струму через нього. Низький рівень СПЩШ пов'язаний з шумами лавини, котрі при великих струмах зменшуються об'ємним зарядом носіїв. Виділення потужності на ЛПД призводить до розігріву корпусу пристрою. Найбільш близьким до заявленого способу живлення ЛПД є спосіб живлення імпульсних генераторів потужності, при якому на контакти ЛПД подаються імпульси зворотної напруги, які забезпечують проходження великого струму через діод. Для отримання значної вихідної потужності цей струм повинен бути максимальним, який витримує ЛПД, не виходячи з ладу в результаті теплового пробою. Параметри імпульсного живлення при цьому наступні: амплітуда імпульсів U @ 1,5 Uпр, тривалість імпульсів 50-150 не, скважність ³ 100. Головним недоліком наведеного способу живлення є те що, при отриманні максимально можливої потужності (Р » 10 Вт) на одному ЛПД, виникає значне підвищення температури DT » 70-90°С, що потребує додаткових засобів відведення тепла, в результаті чого неможливо реалізувати режим генератора шуму. Рішення поставленої задачі - отримання високих рівнів СЩПШ генераторів шуму при малих зростаннях робочих температур пристроїв лягло в основу запропонованої корисної моделі. Запропонований спосіб живлення ЛПД перевищує по ефективності відомі способи, зокрема імпульсне живлення генераторів регулярних вихідних сигналів, та може бути використаний для отримання підвищеного рівня шумів (більше ніж на 25-30 дБ), при цьому відсутнє нагрівання корпусу пристрою. Поставлена задача вирішується тим, що у способі живлення ЛПД, що включає прикладання постійної зворотної напруги до контактів діоду, який відрізняється тим, що ви щевказана напруга менше на ОД В ніж напруга пробою діода (Uпр), при цьому на неї накладаються імпульси тривалістю 2-4 не, а амплітуду та скважність яких регулюють в межах від 0 до Uпр і від 50 до 200 одиниць відповідно. Відмінною рисою запропонованого способу живлення ЛПД є те, що використовуються імпульси, які сумуються з постійною «підставкою» зворотної напруги. Параметри імпульсів вибираються такими, що дають змогу отримати значний рівень шумів та, одночасно, виділене тепло не підвищувало температуру корпусу пристрою, тобто легко розсіювалося. Спосіб ілюструється кресленнями, де на Фіг.1 зображена експериментально отримана залежність рівня СЩПШ генератора шуму на ЛПД у робочій смузі частот, а на Фіг.2 - часова залежність зміни температури діода для генератора регулярного сигналу в імпульсному режимі (1) та генератора шуму - (2). Показана експериментально отримана залежність рівня СЩПШ генератора шум у на ЛПД, на який подавалось живлення запропонованим способом, а саме постійна напруга U=13,4 В (Uпр=13,5 В), тривалість імпульсів 2,2 не, амплітуда - 3В, скважність 50. Постійна зворотна напруга вибиралася на 0,1 В менша ніж пробивна, щоб при змінах температури зовнішнього середовища (до 60°С) постійний струм через діод був відсутнім. При зворотній напрузі, меншій ніж пробивна на величину більшу за 0,1 В, для отримання достатнього рівня шуму необхідно буде підвищувати амплітуду імпульсів, в результаті чого буде виникати затримка розвитку області плазми. Амплітуда імпульсів регулюється від 0 В до Uпр, оскільки зворотна напруга не повинна перевищувати 2 Uпр, характерний рівень для TRAPATT та аномальних режимів роботи ЛПД. Тривалість імпульсу визначає максимальну температуру діода при заданій напрузі (струмі). Робоча температура пристрою повинна повністю розсіюватись при будь-якій заданій скважності імпульсів. Розрахунок показує, що тривалість імпульсу при цьому не повинна перевищувати 4 нc. Створення імпульсів коротших за 1 не технічно більш складне та вартісне. Оцінку величин тривалості імпульсів та скважності для температурного режиму можливо виконати із наступних міркувань. Потужність, що виділяється на діоді, визначається як: P = RT - Uпр(T)×I де RT - тепловий опір діода; Uпр (Т) = Uпр×(Т0)×[1 + b×(Т - Т0)] - пробивна напруга діода при температурі Т, яка лінійно змінюється з температурою; b » 10-3 - температурний коефіцієнт; Т0 - температура зовнішнього середовища; I - струм, що проходить через діод. Тоді температурний баланс визначається рівнянням: m×c×T + k×T = RT×Uпр(T 0)×[1 + b×(T-T0)]×I де m - маса діода; с - питома теплоємність; к - ньютонівський коефіцієнт тепловіддачі. При імпульсах струму на діоді ( I ¹ 0 ): M T = T0 × e -N× t + × (1 - e -N× t ). N При відсутності імпульсу (І = 0): t T = c ×e t, m×c t= k - константа часу температурної релаксації. де 1 N = - a × b ×I t М = а.І.(1-b.Т 0) RT × Uпр (T0 ) a= m ×c З підвищенням струму через діод коефіцієнт M/N збільшується лінійно, а сама температура збільшується по експоненті в залежності від тривалості імпульсу. На Фіг.2 зображено якісний хід температурної залежності пунктирною лінією для імпульсного генератора потужності (P » 10W), суцільною лінією для генератора шуму. При цьому одночасно вирішуються дві задачі: - температурна - рівень тепла що виділяється настільки незначний, що він розсіюється конструкцією генератора; - рівень СЩПШ за рахунок шумів плазми заповнюючої (весь пролітний простір діода) весь діод, значно перевищує лавинні шуми при проходженні постійного струму через діод. За результатами експериментальних досліджень встановлено, що у процесі використання запропонованого способу подачі живлення на ЛПД для отримання підвищеного рівня шумів вдалося отримати рівень СЩПШ на 30 дБ більший, ніж у відомих генераторів шуму, при цьому температура корпусу діода та генератора шуму не змінювалася, тобто прилад не нагрівався.