Известно, что генераторы на диодах Ганна можно использовать в доплеровских локаторах системы ближней радиолокации, а также в автодинных смесителях приемников сантиметрового и миллиметрового диапазонов длин волн. При этом наличие падающего участка на дрейфовой характеристике диода Ганна позволяет осуществить усиление преобразованного сигнала.
При теоретическом и экспериментальном анализе характеристик доплеровских локаторов сантиметрового диапазона на диодах Ганна в отраженный от движущегося объекта сигнал учитывается как изменение нагрузки генератора, влекущее за собой изменения тока и напряжения смещения, так и генерируемой им мощности и частоты. Ниже приведены результаты экспериментального исследования автодинного смесителя на диоде Ганна в верхней части миллиметрового диапазона длин волн при внешнем источнике входного сигнала (что обычно для таких исследований).
Схема электрическая принципиальная исследуемого устройства, предоставлена на (рис. 1). Конструктивно автодинный преобразователь выполнен следующим образом: диод Ганна включен в волноводный резонатор с короткозамыкающим поршнем на конце, позволяющим механически перестраивать частоту генерируемых СВЧ колебаний в диапазоне частот г = 27 35 ГГц. Постоянное напряжение U0 от высокостабильного источника питания подается на диод через дроссель Lб = 3 * 10-3 Г, служащий для блокировки источника питания по промежуточной частоте (ПЧ). Конструктивная емкость Сб 5 * 10-12 Ф предотвращает попадание СВЧ сигнала и в цепи питания, и в цепь сигнала ПЧ. Сигнал ПЧ развязан от источника питания емкостью Ср = 200 пФ и подается на LC-контур, включенный параллельно диоду и настроенный на частоту преобразованного сигнала. С контура ПЧ сигнал через емкость Ср подается на вход измерительного приемника с полосой пропускания п = 10 МГц и уже продетектированный — на вход осциллографа. В качестве активного элемента использован диод Ганна, имеющий омические контакты, длину активной области d = 5 * 10-6 м, концентрацию свободных носителей n = 1015 1/см3, подвижность носителей = 0.6 м2/В * с, пороговые напряжения Uп = 1.5 В и ток Iп = 0.585 А.
При напряжении питания U0 Uп в цепи сигнала ПЧ наблюдались НЧ автоколебания достаточно большой амплитуды, частота которых превышала резонансную частоту контура ПЧ. При изменении значения U0 от 2Uп до 4Uп НЧ колебания отсутствовали и на выходе генератора наблюдались СВЧ колебания одной частоты. Характер изменения генерируемой мощности Рг в этом интервале напряжений показан на (рис. 2) Как видим, с увеличением U0 генерируемая мощность возрастает, достигает примерно 35 мВт при U0 / Uр 3 и затем уменьшается. Хотя кривая Рг = (Uo) была снята на частоте г = 30 ГГц, измерения на других частотах, которые осуществлялись при механической перестройке резонансной системы с помощью короткозамыкающего поршня (г = 27 ГГц, 33 ГГц и 35 ГГц) показали, что ход ее аналогичен. Крутизна электронной перестройки диода в интервале рабочих напряжений составляла примерно 50 МГц/В, причем, с увеличением напряжения питания частота генерируемых колебаний увеличивалась.
Рисунок 1. Схема электрическая принципиальная автодиннго преобразователя частоты на диоде Ганна
Для оценки потерь автодинного преобразователя снята зависимость коэффициента передачи Кп от напряжения питания U0 кривая 1 на (рис. 15). Входной сигнал, мощность которого Рс равна 10-6 Вт, промодулированный «меандром», поступал от внешнего источника СВЧ колебаний на вход преобразователя через калиброванный аттенюатор. При этом на пч = 30 МГц частота входного сигнала была выше или ниже частоты генератора.
Мощность сигнала промежуточной частоты Рпч измерялась с помощью НЧ генератора методом сравнения. Коэффициент передачи определялся по формуле
Kп = 10 lg Pпч / Pc
Величина Рпч зависела не только от уровня Рс , но и от параметров контура ПЧ.
Вследствие наличия отрицательной дифференциальной проводимости диода сравнительно легко реализуется преобразование частоты с усилением. Усиление было достигнуто подбором параметров контура ПЧ. Из (рис. 3, кривая 1) видно, что Кп 0 при таких напряжениях питания, когда U0 / Uп изменяется от 2.2 до 2.8. Усиление достигало более 10 дБ при U0 / Uп 2.3; при U0 / Uп >2.7 значение Кп резко уменьшалось по мере увеличения напряжения.
Зависимость коэффициента передачи от уровня Рс при U0 / Uп = 2.3 представлена на (рис. 4) Как видим, с изменением, уровня входной мощности значения Кп оставалось неизменным вплоть до Рс = 10-4 Вт, а при Рс 10-6 Вт - заметно уменьшалось с увеличением Рс. Объясняется это влиянием входного сигнала на работу генератора, что проявляется, с одной стороны, в изменении его мощности, с другой — в затягивании частоты генерации и изменении сгнала ПЧ. При Рс 10-5 Вт происходил захват частоты генератора внешним сигналом.
Синхронизация колебаний генератора и предшествующие ей изменения частоты генерации и мощности являются факторами, ограничивающими сверху динамический диапазон смесителя по входному сигналу в пределах 60-70 дБ.
Зависимость тангенциальной чувствительности Р, автодинного преобразователя от Uu приведена на (рис.3, кривая 2): Р определялась с помощью измерительного приемника по значению Рс, при котором отношение сигнал/шум на выходе смесителя (фиксируемое на экране осциллографа) равно двум. Наибольшая чувствительность Р достигалась при U0 / Uп 2.3 и равнялась примерно -95 дБмВт в пересчете на = 100 кГц. С учетом этого, в рассматриваемом случае коэффициент шума ранен примерно 30 дБ; это типично для автодинных преобразователей на диодах Ганна рассматриваемого диапазона частот. При этом следует отметить, что коэффициент шума сильно зависит от рабочего тока. Например, у диодов Ганна, работающих в режиме преобразования частоты с рабочим током 0.1 А коэффициент шума равен 16 дБ.
Рисунок 2. Зависимость генерируемой мощности преобразователя от напряжения питания на диоде
Рисунок 3. Зависимость потерь и коэффициента передачи автодиного преобразователя от напряжения питания на диоде
Рисунок 4. Зависимость коэффициента передачи от уровня входного сигнала при U0 / Uп = 2.3
Результаты исследования автодинного преобразователя показывают, что по некоторым параметрам он уступает преобразователям на диодах с барьером Шоттки (ДБШ). Так, коэффициент шума в диапазоне частот 20-50 ГГц у лучших смесителей на ДБШ равен примерно 3 дБ, а согласно у лучших автодинных преобразователей на диодах Ганна, при соответствующей оптимизации, он достигает 12 дБ. Однако, последние можно применять без внешнего гетеродина и они имеют существенное преимущество по коэффициенту преобразования: потери преобразования смесителей на ДБШ составляют примерно 5 дБ на частотах 30-0 ГГц, в то время как в проведенных исследованиях усиление при преобразовании достигало 10 дБ.
Таким образом, поскольку при частотах выше 30 ГГц преобразование с усилением остается важной проблемой, автодинные преобразователи на диодах Ганна, несмотря на высокий коэффициент шума, в этом диапазоне, в ряде случаев, предпочтительнее преобразователей на приборах других типов.
