УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ЭФФЕКТИВНОЙ ДИНАМИЧЕСКОЙ ЕМКОСТИ ДИОДОВ ГАННА Советский патент 2006 года по МПК G01R31/00 

Изобретение относится к технике измерения эффективной динамической емкости диодов Ганна, являющихся перспективными полупроводниковыми приборами для использования в СВЧ и вычислительной технике, особенно в качестве генераторов СВЧ-диапазона.

В последние несколько лет диоды Ганна усиленно исследуется с точки зрения использования их в качестве различных элементов радиотехнической аппаратуры (см., напр., B.C.Андреев, В.А.Борисов. "Диоды Ганна и их применение в СВЧ-технике", Радиотехника, т.24 №5, 1969 г.).

Особенно перспективно их применение в качестве генераторных приборов СВЧ-диапазона.

Почти во всех случаях для расчета схем, содержащих диоды Ганна, необходимо знать величину их динамического реактивного сопротивления. Теоретически (см., напр., G.S.Hobson, Electronics Letters, 1966, vol.2, №6, р.207-208) и экспериментально (см. напр. Матино, Куру, ТИИЭР, №2, 1966, стр.211) установлено, что динамическое реактивное сопротивление диодов Ганна имеет емкостный характер, причем величина емкости для диодов разного диапазона колеблется от десятых долей пикофарады до нескольких пикофарад. Трудность непосредственного измерения динамической емкости диодов Ганна заключается в том, что она существует только в течение времени движения между анодом и катодом особых периодически возникающих в диоде, дипольных электрических слоев, так называемых доменов сильного поля (см., напр., Дж.Коупленд, сборник статей под редакцией В.И.Стафеева, "Новые методы полупроводниковой электроники. Эффект Ганна и его применение", М.: Мир, 1968, стр.169-193). Кроме того, домен, в зависимости от установившегося в схеме типа колебаний (см. напр. Дж.Ганн, сборник статей под редакцией В.И.Стафеева, "Новые методы полупроводниковой электроники. Эффект Ганна и его применение", М.: Мир, 1968, стр.344-374) может присутствовать в диаде, как в течение одного периода частоты колебаний, так и в течение части периода или нескольких периодов, т.е. при частотах генерации порядка 1 ГГц домен существует в течение отрезка времени от десятых долей до единиц наносекунд. Измерить на этом промежутке времени динамическую емкость диода обычными способами невозможно. Поэтому измеряют динамическую емкость, усредненную за период в.ч. колебания, т.е. эффективную динамическую емкость.

При изменении генерируемой частоты, напряжения питания диода, сопротивления нагрузки, параметров внешней цепи, подключенной к диоду, будет изменяться соотношение между периодом колебаний, установившихся в схеме, и временем существования домена сильного поля. Это приведет к тому, что эффективная динамическая емкость одного и того же диода Ганна будет изменяться в зависимости от условий его работы. Таким образом, измерять эффективную динамическую емкость диодов Ганна имеет смысл только при заданной амплитуде питающего напряжения, при конкретных параметрах внешней цепи, подключенной к диоду, при заданном сопротивлении нагрузки и т.д.

Известный способ и устройство (см., напр., Матине, Куру, ТИИЭР, 1966, №2, стр.211) измерения эффективной динамической емкости диодов Ганна базируется на том, что при выполнении условий генерации в замкнутой цепи сумма импеданса резонатора и импеданса диода равна нулю:

где - импеданс резонатора в точках включения диода,

- импеданс диода.

Или отдельно для мнимой части этой суммы, т.е. для суммы реактивных сопротивлений,

где - реактивная часть полного сопротивления резонатора в точках подключения диода.

- реактивная часть полного сопротивления диода.

Из выражения (II), измерив частоту генерации и зная параметры резонатора, можно с помощью расчета определить эффективную динамическую емкость диода Ганна.

Из приведенного в указанной статье краткого описания видно, что устройство для измерения эффективной динамической емкости диодов Ганна представляет собой коаксиальный резонатор, связанный петлей с измерительной схемой. Недостатки этого устройства заключаются в следующем.

1. При каждом измерении необходимо вычислять реактивные сопротивление резонатора в точках подключения диода. Вычисления получаются достаточно громоздкими и отнимают много времени.

2. Достаточно точно рассчитать реактивное сопротивление резонатора в точках подключения диода можно только в том случае, если он имеет простую форму. В общем случае в резонатор вносятся реактивности из внешних целей, учесть которые затруднительно. Кроме того, в самом резонаторе из-за различного рода неоднородностей (изгибов, выступов, фланцев и т.д.) возникают дополнительные реактивности не поддающиеся точному расчету. Эти обстоятельства приводят к существенному снижению точности расчета и, соответственно, измерений.

3. Установлено (см. напр. Дж.Ганн, сборник статей под редакцией В.И.Стафеева, "Новые методы полупроводниковой электроники, эффект Ганна и его применение", изд. "Мир", Москва, 1968, стр.344-374), что для изменения режимов работы диода необходимо изменять мгновенный импеданс резонатора, т.е. для резонатора, образованного отрезком линии с распределенными параметрами, необходимо изменять волновое сопротивление отрезка линии. При использовании в качестве резонатора отрезка линии коаксиального типа изменять его волновое сопротивление трудно, так как необходимо изменять соотношение диаметров внешнего и внутреннего проводников. Это сопряжено со значительными конструктивными и технологическими трудностями.

Целью настоящего изобретения является устранение указанных недостатков, т.е. разработка устройства для измерения эффективней динамической емкости диодов Ганна, использование которого позволяет исключить вычисления, сократить время измерений, повысить точность и облегчить процесс измерений, проводить измерения при любом режиме работы диода и в широком диапазоне частот.

Согласно изобретению поставленная цель достигается использованием в качестве измерительного устройства широкодиапазонного, перестраиваемого по частоте резонансного контура, образованного отрезком несимметричной полосковой линии с распределенными постоянными. Устройство сконструировано таким образом, что позволяет подавать на измеряемый диод напряжение питания, измерять частоту возникающих при этом колебаний, заменять измеряемый диод Ганна полупроводниковым диодом с предварительно прокалиброванной на низкой частоте, управляемой постоянным напряжением емкостью р-n перехода, на который включается обратное смещение, подбираемое таким образом, чтобы резонансная частота контура стала равной измеренной частоте генерации. В качестве перестраиваемой индуктивности контура применяется отрезок несимметричной полосковой линии с распределенными постоянными. Такое выполнение индуктивности контура позволяет легко и в широких пределах изменять волновое сопротивление линии, что необходимо для возбуждения разных режимов работы диода.

Сущность изобретения поясняется чертежом, на котором схематически изображено устройство для измерения эффективной динамической емкости диодов Ганна.

Диод Ганна 1 включается в резонансный контур, образованный отрезком несимметричной полосковой линии, состоящей из полоска 2, заземленной пластины 5, диэлектрической опоры 4 и экрана 5. Скользящий контакт между диодом Ганна 1 и полоском 2 осуществляется с помощью пружинящих ламелей 6. Короткое замыкание между полоском 2 и заземленной пластиной 5 осуществляется с помощью плунжера 7, имеющего пружинящие контакты 8. Напряжение питания на диод подается через фильтр нижних частот, состоящий из индуктивности 9 и емкостей 10 и 11. Фильтр заключен в экран 12. Связь контура с внешними цепями осуществляется с помощью петли связи 15 и емкости 14.

При включении напряжения, подаваемого на диод Ганна 1 через фильтр нижних частот 9, 10, 11, в резонансном контуре 2, 3, 4, 5 возникают колебания. Их частота измеряется волномером, связанным с резонансным контуром с помощью петли связи 15.

При этом фиксируется положение плунжера 7. Затем диод Ганна 1 заменяется диодом с p-n переходом, и на него через фильтр нижних частот 9, 10, 11 подается постоянное напряжение, величина которого подбирается таким образом, чтобы резонансная частота контура при зафиксированном ранее положении плунжера 7 стала равной измеренной перед этим частоте генерации. Связь контура с внешним генератором и индикатором резонанса осуществляется через петлю связи 15 и емкость связи 14. Затем, имея предварительно снятую зависимость емкости p-n перехода от постоянного напряжения, с помощью этой зависимости определяется эффективная динамическая емкость диода Ганна.

Элементы фильтра нижних частот 9, 10, 11 для исключения возможности возникновения в нем паразитных резонансов выполняются из отрезков линий с распределенными постоянными: индуктивность фильтра 9 выполнена из отрезка линии с высоким волновым сопротивлением, емкости фильтра 10, 11 выполнены из отрезков линий с низким волновым сопротивлением.

Изобретение относится к технике измерений. Технический результат заключается в повышении точности измерений. Сущность изобретения состоит в том, что введен источник постоянного смещения диода с р-n переходом, фильтр нижних частот (ФНЧ) и генератор стандартных сигналов (ГСС). Выходы источника питания диода Ганна и источника постоянного смещения диода с р-n переходом через переключатель и ФНЧ соединены со входом измерительного резонатора, а выход ГСС соединен со входом измерителя частоты через измерительный резонатор. 1 ил.

Устройство для измерения эффективной динамической емкости диодов Ганна, содержащее измерительный резонатор, источник питания диодов Ганна и измеритель частоты, отличающееся тем, что, с целью повышения точности измерений, оно снабжено источником постоянного смещения диода с p-n переходом, фильтром нижних частот (ФНЧ), генератором стандартных сигналов (ГСС), при этом выходы источников питания диода Ганна и смещения диода с p-n переходом через переключатель и ФНЧ соединены со входом измерительного резонатора, а выход ГСС соединен со входом измерителя частоты через указанный измерительный резонатор.