Диоды Ганна представляют собой полупроводниковые устройства, которые используются для генерации маломощных микроволновых сигналов простым и недорогим способом. Они используются уже более 60 лет. Диоды Ганна могут работать с частотами от нескольких гигагерц до более 100 ГГц. Впервые он был обнаружен Дж. Б. Ганном из IBM в начале 1960-х годов.
Сегодня диоды Ганна находят коммерческое применение в широком спектре приложений, включая микроволновые линии передачи данных, маломощные радары FM и CW, охранную сигнализацию и т. д. При стабильных параметрах температуры и напряжения схемы, использующие эти диоды, могут генерировать мощность от 15 мВт до 1 Вт мощности и имеют низкий уровень шума и отличную стабильность частоты. Оружейные диоды особенно нравятся энтузиастам для использования в радиолюбительских радиостанциях, работающих на частоте 10 ГГц.
Строительство
Диод Ганна изготавливается из цельного куска кремния N-типа. Он разделен на три основных раздела, как показано на рис. 1.
Верхняя и нижняя части устройства включают материал N+, который был сильно легирован, что обеспечивает сильную проводимость для сопряжения с внешними параметрами.
Проводное соединение крепится к токопроводящему основанию, на котором установлено устройство. Основание устройства также служит радиатором для поглощения избыточного тепла.
На верхней поверхности размещена золотая перемычка, которая соединяется с противоположным выводом диода. Для обеспечения исключительной проводимости и относительной стабильности необходимо золото.
Активная область устройства расположена в средней части, она менее легирована и имеет меньшую проводимость. Обычно это около 0,5 Ом на кубический сантиметр, что указывает на то, что почти все напряжение, приложенное к устройству, проходит через этот слой диода.
Средняя толщина активного слоя диода составляет десять микрон (0,001 см). Его толщина, очевидно, будет отличаться от одного диода к другому, потому что это в первую очередь влияет на общую работу диода. Это означает, что рабочая частота этого устройства является критическим элементом его спецификации.
Диод Ганна имеет уникальную конструкцию, поскольку он полностью изготовлен из материала N-типа и не имеет PN-перехода. По сути, это не обычный диод, а работающий на совершенно другом принципе.
Как работает диод Ганна
Хотя работа диода Ганна может показаться сложной, ее можно понять на фундаментальном уровне.
Активная центральная область устройства подвергается большей части потенциала, создаваемого приложенным напряжением. Эта область очень тонкая, и даже небольшой сдвиг напряжения показывает значительный градиент потенциала или колебания напряжения на определенном расстоянии.
Как показано на рис. 2, импульс тока начинает протекать через активную зону, когда приложенное к ней напряжение достигает определенного уровня.
В результате градиент потенциала остальной части активной области уменьшается, что прекращает генерацию дополнительных импульсов тока. Только после того, как импульс тока пересекает противоположный конец активной зоны, возвращается высокий градиент потенциала, что позволяет генерировать другой импульс тока.
Если построить кривую напряжения и тока, можно увидеть своеобразную активность импульса тока под другим углом.
Разница между выпрямительным диодом и диодом Ганна
- Кривые обычного выпрямительного диода и диода Ганна изображены на диаграмме на рисунке 3 выше.
- Ток обычного выпрямительного диода увеличивается с напряжением, однако эта зависимость не всегда линейна.
- С другой стороны, ток диода Ганна начинает расти и после достижения определенного напряжения начинает падать, а затем снова увеличивается.
- Его колебательные свойства вызваны этой областью, где он падает, которая называется областью «отрицательного сопротивления».
Настройка частоты
Несмотря на то, что толщина активной области определяет общую рабочую частоту, все же возможно изменить частоту в определенном диапазоне. Поскольку диод Ганна является микроволновым устройством, его обычно устанавливают в резонаторе волновода для создания настроенной цепи. Частота его работы определяется резонансной частотой всего узла.
Процесс настройки может быть выполнен различными методами. Вставив регулируемый винт в полость волновода, можно было внести механические изменения, что позволило использовать базовый индикатор настройки.
Тем не менее, электрическая настройка обычно также необходима, и можно использовать один из двух различных методов. Первый метод включает подключение варакторного диода к цепи генератора Ганна.
Когда напряжение на варакторном диоде изменяется, емкость изменяется, вызывая изменение частоты, на которой резонирует вся цепь.
Хотя этот подход недорогой и простой в использовании, он имеет много недостатков. Во-первых, у него ограниченный радиус действия. Во-вторых, этот метод создает много фазового шума, который может не подходить для многих приложений.
Использование ЖИГ для эффективной регулировки частоты
Использование материала ЖИГ кажется более эффективным методом настройки. Он включает иттрий-железный гранат, ферромагнитное вещество.
Когда диод Ганна и ЖИГ вставляются в резонатор, эффективный размер резонатора уменьшается. Для этого снаружи волновода расположена катушка.
Когда ток течет через катушку, это приводит к увеличению магнитного объема ЖИГ и уменьшению электрического размера резонатора. В результате увеличивается частота операций. Фазовый шум значительно снижается при настройке ЖИГ, и может быть достигнут большой частотный диапазон.
Использование Gunnplexer для радиолюбителей
Генератор на диоде Ганна является компонентом коммерческого трансивера, предлагаемого Advanced Receiver Research для радиолюбительского использования. Устройство, называемое «Gunnplexer», используется для создания и преобразования с понижением частоты номинальных любительских сигналов от 10 ГГц до любительского диапазона на 2 метра (144 МГц) или других более низких промежуточных частот (ПЧ).
Gunnplexer состоит из диода Ганна, прикрепленного к прямоугольной рупорной антенне с высоким коэффициентом усиления, вместе со смесительными диодами Шоттки, заключенными внутри резонатора 10 ГГц.
Изменения частоты до 60 МГц от нормальной резонансной частоты могут быть достигнуты с помощью настройки варактора. Диод Ганна работает и как передатчик, и как гетеродин для преобразованной с понижением частоты 2-метровой ПЧ.
