WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 |

Частота генерации измерялась с помощью анализатора спектра С4-27. Для измерений мощности использовался термоэлектронный измеритель мощности М4-3. Магнитные поля и прикладывались в направлении, перпендикулярном широкой стенке волновода, так, как это показано на рис.1. Частота генерации в отсутствии магнитного поля составляла 8.5 ГГц, мощность генерации при этом составляла мВт.

Рис.1 Рис.2

Результаты измерений, приведенные на рис.2, свидетельствуют о том, что при изменении величины индукции магнитного поля в пределах от 0 до 3 кГс максимальное изменение частоты в рассматриваемой конструкции генератора составляло 75 МГц (кривая 1 — смещение на диоде 8.0 В, кривая 2 — 9.0 В). Аналогичные измерения были проведены при изменении направления магнитного поля на противоположное (). Кривая 3 соответствует смещению на диоде 8.0 В, кривая 4 — 9.0 В. Изменение частоты генерации для напряжений смещения 8.0 и 9 В сопровождалось изменением мощности генерации (кривая 5 — смещение на диоде 8.0 В, кривая 6 — 9.0 В). Зависимость изменения мощности генерации при направлении магнитного поля представлена кривыми 7 — смещение на диоде 8.0 В и 8 — смещение на диоде 9.0 В. Отметим, что при направлении магнитного поля его увеличение до значения индукции ~ 300 Гс (кривая 3), ~500 Гс (кривая 4) происходило уменьшение частоты генерации. Величина невзаимности достигала 15 МГц. При напряжении смещения на диоде 8.0 В в интервале значений индукции магнитного поля 1.252.5 кГс наблюдалась перестройка частоты генерации на 42 МГц при практически неизменной мощности генерации.

Для теоретического обоснования полученных экспериментальных результатов использовалось выражение для поверхностного импеданса штыря, которое может быть записано в виде

. (1)

Изменение Zn в результате воздействия магнитного поля происходит вследствие эффекта магнетосопротивления. Здесь и - соответственно, магнитная проницаемость вакуума и проводимость материала штыря, - круговая частота, j-мнимая единица.

Соотношение (1) при воздействии постоянного магнитного поля принимает вид

,

где,

где - угол Холла, который зависит от величины напряженности магнитного поля H следующим образом:

.

Это соотношение справедливо для металлов и для полупроводников n-типа.

Для расчета мы использовали методику, основанную на применении метода вторичных волн с элементами теории цепей. Расчеты проводили для устройства со штырем постоянной ширины, схематическое изображение которого приведено на рис. 3. При расчете определена частотная зависимость коэффициента стоячей волны KстU, в исследуемой конструкции.

Значения KстU определяли из соотношения

.

где, импеданс, определенный в плоскости штыря и содержащий параллельно соединенные импеданс штыря с зазором и входной импеданс отрезка волновода с поршнем,, где - сумма активной и индуктивной составляющих импеданса штыря, емкостная составляющая полной проводимости штыря с зазором имеет вид

.

Здесь,,,,,,,.

В третьей главе приведено описание конструкции резонаторов на основе систем “штырь с зазором – короткозамыкатель с цилиндрической выемкой” с высокими значениями кривизны частотных характеристик.

Рис. 3. Схематическое изображение системы «короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь с зазором».

Рис. 4. Резонансы в системе “короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь с зазором”, зависимости коэффициента отражения от частоты соответствуют следующим параметрам: s=2w=2.3 мм, g=0.5 мм, d=0.8 мм; для кривых 1, 2 – h=5.5мм, для кривых 3, 4, 5 – h=6мм. Расстояния между короткозамыкателем и штырем составляли: 1 – 0.0625 мм; 2 – 0.125 мм; 3 – 0.1875 мм; 4 – 0.25 мм; 5 – 0.5 мм.

Исследовано изменение резонансных кривых в зависимости от изменения параметров исследуемых систем [2].

Схематическое изображение системы «короткозамыкатель с цилиндрической выемкой – штырь» приведено на рис. 3, на котором a=23 мм, b=10 мм – размеры волновода; h – расстояние от широкой стенки волновода до нижнего края зазора, g – ширина зазора; s – ширина выемки; w – глубина выемки, d – диаметр штыря. Цилиндрическая форма поверхности выемки выбиралась из соображения ее соответствия форме поверхности штыря.

На рис. 4, 5 представлены результаты измерений частотных характеристик коэффициента отражения при различных значениях расстояния между короткозамыкателем и цилиндрическим штырем различных размеров.

Результаты измерений, приведенные на рис. 4, свидетельствуют о том, что при увеличении расстояния между штырем и короткозамыкателем от 62.5 мкм до 187.5 мкм частота, соответствующая минимуму отражения, увеличивается от 11.33 ГГц до 11.478 ГГц (кривые 1, 2, 3), а при изменении расстояния между короткозамыкателем и штырем от 250 мкм до 500 мкм, частота увеличивается от 10.289 ГГц до 11.372 ГГц (кривые 4, 5), что характерно для подобного рода систем.

Как следует из результатов измерений, приведенных на рис. 4, при расстояниях между короткозамыкателем и штырем менее 0.25 мм (кривые 1, 2, 3) KR=3·10-3 нс2, где KR – кривизна частотных характеристик в окрестности резонанса. При расстоянии между поршнем и короткозамыкателем более 0.25 мм KR изменялось от 0.03 нс2 (кривая 4) до 0.33 нс2 (кривая 5).

Рис. 5. Резонансы в системе «короткозамыкатель с выемкой – штырь с зазором», зависимости коэффициента отражения от частоты соответствуют следующим параметрам:

1 – s=2w=1 мм, h=8 мм, g=0.5 мм, k=0.25 мм, d=0.5 мм;

2 – s=8.3 мм, w=2.4 мм, h=6.5 мм, g=3.5 мм, k=0.5 мм, d=0.8 мм;

3 – s=8.3 мм, w=2.4 мм, h=0.6 мм, g=0.1 мм, k=0.5 мм, d=1 мм;

4 – s=2w=2.3 мм, h=6 мм, g=0.5 мм, k=0.45 мм, d=0.8 мм;

5 – s=2w=2.3 мм, h=6 мм, g=1 мм, k=0.6 мм, d=0.8 мм.

Анализ результатов эксперимента, приведенных на рис. 5, свидетельствует о том, что fрез=10146 МГц, KR=0.33 нс2 достигается при параметрах резонансной системы, соответствующих кривой 2.

При значениях параметров системы, соответствующих глубине выемки (w) 1.15 мм, ширине выемки (s) 2.3 мм, расстоянию от широкой стенки волновода до нижнего края зазора (h) 6 мм, ширине зазора (g) 0.5 мм, расстоянию между короткозамыкателем и штырем (k) 0.45 мм, диаметру штыря (d) 0.8 мм, наибольшее полученное нами для рассматриваемой системы значение KR=0.59 нс2 наблюдалось на кривой 4, fрез=11354.5 МГц при Rрез=0.0021.

Рис.6. Схематическое изображение системы «короткозамыкатель с прямоугольной выемкой – штырь с зазором».

Рис.7. Резонансы в системе «короткозамыкатель с прямоугольной выемкой – штырь с зазором», зависимости коэффициента отражения от частоты соответствуют следующим параметрам: s=6 мм, w=3 мм, d=0.8 мм; для кривых 1, 2, 5 – h=4.2 мм, g=1 мм, для кривых 3, 6 - g=1.5 мм, h=4.2 мм, 4 – g=2.4 мм h=3.5мм. Расстояния между короткозамыкателем и штырем составляли: 1, 5 – 0.75 мм; 2 – 0.9 мм; 3, 6 – 0.9 мм; 4 – 1.2 мм.

При значениях параметров, соответствующих кривым 1, 2, 5 (рис. 5), KR было менее 0.5 нс2.

Исследовалась также аналогичная система с выемкой прямоугольной формы в короткозамыкателе (рис. 6). Результаты измерений для такой системы приведены на рис. 7. Данные, приведенные на рис.7, свидетельствуют о том, что максимальное экспериментально достигнутое нами для такой системы значение KR составляло ~0.4 нс2 (кривые 2, 4).

Теоретическая оценка кривизны частотных характеристик для системы «штырь с зазором - короткозамыкатель с прямоугольной выемкой» проведена нами с использованием методики, приведенной в [3,4].

Различия теоретически рассчитанной и экспериментально определенных величин кривизны можно объяснить тем, что конечная проводимость металла хотя и учитывалась при записи выражения для плотности возбуждающего резонатор тока в металлическом стержне, но набор собственных функций для резонансной полости определялся в предположении бесконечной проводимости ее стенок.

Таким образом, экспериментально установлено и теоретически подтверждено, что предложенная резонансная система при наличии выемки в короткозамыкателе, позволяет значительно уменьшить ширину резонансной кривой f возникающих резонансов, что, в свою очередь, открывает возможность повышения эффективности работы управляющих и измерительных устройств на ее основе.

Параметры частотных характеристик низкоразмерных резонансных систем чрезвычайно чувствительны к внешним воздействиям. Их высокая избирательность по частоте может быть использована для уменьшения уровня амплитудно-модулированных шумов полупроводниковых диодов СВЧ, работающих в режиме СВЧ-генерации.

Рис.8 Рис.9

Для проверки высказанного предположения была использована электродинамическая структура, схематическое изображение которой приведено на рис.8. В качестве активного элемента использовался лавинно-пролетный диод типа 2А707Б. Обратная ветвь его вольтамперной характеристики приведена на рис.9. Величина балластного сопротивления составляла 1 кОм.

Сечение прямоугольного волновода 1 составляло 23x10 мм. Диод 2 устанавливался между металлическим полоской 3 и короткозамыкателем 4 так, как это показано на рис.8. Ширина полоски составляла 5 мм. Минимальное расстояние между полоской и короткозамыкателем составляло 0,8 мм, что значительно меньше, чем длина волны на частоте генерации (8.6 ГГц).

Использовалась методика измерения амплитудного шума сводящаяся к прямому детектированию СВЧ-колебаний и выделению его амплитудной модуляции с помощью узкополосного перестраиваемого приемного устройства.

Зависимости коэффициента стоячей волны от частоты для различных расстояний между штырем и короткозамыкателем при величине обратного напряжения смещения на диоде, равном 15 В (в отсутствие генерации), приведены на рис.10.

Частота генерации измерялась с помощью анализатора спектра С4-27. Для измерений мощности использовался термоэлектронный измеритель мощности М4-3. На частоте генерации 8.6 ГГц мощность генерации составляла мВт.

Рис.10. Зависимость коэффициента стоячей волны от частоты для различных расстояний между штырем и короткозамыкателем (d) при напряжении смещения на диоде 15В: 1 – 2 мм, 2 - d=1.8мм; 3– d=1.7мм; 4– d=1,6мм; 5– d=1,5мм; 6– d=1мм.

Напряжение амплитудно-модулированных шумов измерялось с помощью низкочастотного измерительного усилителя типа У4-28 с внутренним встроенным фильтром 2 Гц – 200 кГц. Коэффициент усиления изменялся ступенями в диапазоне от 10 до 100 дБ.

Результаты измерений, приведенные на рис.11, свидетельствуют о том, что при уменьшении расстояния между короткозамыкателем и штырем от 2 мм до 1 мм (кривые 1-6) максимальное уменьшение напряжения шумов наблюдается при расстоянии между короткозамыкателем и штырем 1.5 мм (кривая 5). При дальнейшем уменьшении расстояния напряжение шумов увеличивается. Следует отметить, что наибольшая величина подавления шума соответствует кривой 5 на рис.10. Мощность генерации при изменении расстояния между короткозамыкателем и штырем изменялась менее чем в 1.5 раза, т.е. в пределах от 45 мВт до 55 мВт. Отметим также, что измерения шума находятся в соответствии с измерениями зависимости коэффициента стоячей волны от частоты для различных расстояний между штырем и короткозамыкателем (d), приведенными на рис. 10, т.е. наибольшей величине подавления шума соответствует кривая 5 с максимальной кривизной в точке резонанса.

Рис.11. Зависимость шумового напряжения Uш от величины смещения частоты от резонанса при напряжении смещения на диоде 55В и расстояниях d: 1 – d=2 мм, 2 - d=1.8мм; 3– d=1.7мм; 4– d=1.6мм; 5– d=1.5мм; 6– d=1мм.

Таким образом, установлено, что в полупроводниковых генераторах на основе низкоразмерных резонансных систем можно наблюдать существенное изменение величины амплитудно-модулированных шумов, причем существует интервал расстояний между индуктивным штырем и короткозамыкателем, когда имеет место подавление шумов.

Показана возможность использования низкоразмерного СВЧ-резонатора с повышенной кривизной для управления частотными характеристиками с помощью полупроводникового диода с переменной емкостью. Исследованы частотные характеристики данного резонатора [5].

Исследовалась резонансная система, в которой повышение кривизны частотных характеристик обеспечивалось введением в систему цилиндрической выемки, расположенной параллельно штырю в центральной части короткозамыкателя.

Рис.12. Рис.13

Схематическое изображение конструкции резонатора приведено на рис.12. Сечение волновода 23х10мм2. Серийный диод 2А709В устанавливался внутри технологического отверстия в выемке короткозамыкателя, а активная часть диода соприкасалась с емкостным зазором штыря, как это показано на рис. 12. Расстояние от широкой стенки волновода до середины емкостного зазора 5.75мм. Высота зазора — 0.5мм.

На рис. 13 приведены частотные зависимости коэффициента отражения системы. Для подачи электрического смещения на диод использовался источник постоянного тока (ИПТ), напряжение смещения изменялось в диапазоне от 0 до 9В (кривая 1 — 0В; кривая 2 — 1В; кривая 3 — 5В; кривая 4 — 7В; кривая 5 — 9В).

В интервале частот 10 — 11 ГГц (кривые 1 — 5) наблюдалось монотонное увеличение резонансной частоты от 10.545ГГц до 10.625ГГц при увеличении напряжения смещения на диоде 0 — 9В.

Приведено описание и принцип действия ближнеполевого СВЧ-микроскопа на основе системы «штырь с зазором – короткозамыкатель с выемкой», с помощью которого можно с повышенной локальностью производить измерение величины диэлектрической проницаемости и проводимости материалов.

Рис.14. Зондовая часть ближнеполевого СВЧ-микроскопа и зависимость частоты (ГГц) от перемещения зонда над структурой (мкм), где 1 – волновод; 2 – короткозамыкатель; 3 – штырь; 4 – выемка; 5 – отверстие в короткозамыкателе, 6 – игла; 7 – петля связи; а – размер широкой стенки волновода; b -.размер узкой стенки волновода, h – высота штыря; d - диаметр штыря; k – расстояние между штырём и короткозамыкателем; s - ширина выемки; w – глубина выемки.

На рис. 14 приведено схематическое изображение зондовой части ближнеполевого СВЧ-микроскопа.

Pages:     | 1 || 3 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»