Mis on Gunn Diode? Kuidas see töötab?

Proovige Meie Instrumenti Probleemide Kõrvaldamiseks





Gunn-dioodid on pooljuhtseadmed, mida kasutatakse väikese võimsusega mikrolainesignaalide genereerimiseks lihtsal ja odaval viisil. Need on olnud kasutusel juba üle 60 aasta. Gunni dioodid võivad töötada sagedustega, mis ulatuvad mõnest gigahertsist kuni üle 100 GHz. Selle avastas esmakordselt J. B. Gunn IBMist 1960. aastate alguses.

Tänapäeval kasutatakse Gunni dioode kaubanduslikult paljudes rakendustes, sealhulgas mikrolaine andmeliinides, väikese võimsusega FM- ja CW-radarites, sissetungijate sissetungimise signalisatsioonis jne. Stabiilsete temperatuuri- ja pingeparameetrite korral suudavad neid dioode kasutavad ahelad genereerida 15 mW 1 vatti võimsust ja madala müratasemega ning suurepärase sageduse stabiilsusega. Püstolidioodid on 10 GHz sagedusel töötavate amatöörraadiode jaoks eriti populaarsed entusiastidele.



Ehitus

Gunni diood on valmistatud ühest N-tüüpi räni tükist. See on jagatud kolmeks peamiseks osaks, nagu on näha joonisel 1.

Seadme ülemine ja alumine osa sisaldab N+ materjali, mis on ulatuslikult legeeritud, mille tulemuseks on väliste parameetritega liidestamisel tugev juhtivus.



Juhtivale alusele, millele seade on paigaldatud, on kinnitatud traatühendus. Seadme põhi toimib ka jahutusradiaatorina liigse soojuse neelamiseks.

Ülemisele pinnale asetatakse kuldne lüli, mis ühendub dioodi vastasklemmiga. Erakordse juhtivuse ja suhtelise stabiilsuse tagamiseks muutub kuld oluliseks.

Seadme aktiivne piirkond asub keskel, mis on vähem dopeeritud ja millel on madalam juhtivus. See on üldiselt umbes 0,5 oomi kuupsentimeetri kohta, mis näitab, et peaaegu kogu seadmele rakendatav pinge läbib seda dioodikihti.

Dioodi aktiivse kihi keskmine paksus on kümme mikronit (0,001 cm). Selle paksus erineb ilmselt diooditi, kuna see mõjutab peamiselt dioodi üldist tööd. See tähendab, et selle seadme töösagedus on selle andmelehe kriitiline element.

Gunni dioodil on ainulaadne disain, kuna see on täielikult valmistatud N-tüüpi materjalist ja sellel pole P-N-ühendust. Sisuliselt ei ole tegemist tavapärast tüüpi dioodiga, vaid toimib täiesti erinevatel põhimõtetel.

Kuidas Gunni diood töötab

Kuigi Gunni dioodi töö võib tunduda keeruline, võib sellest olla võimalik aru saada põhimõtteliselt.

Seadme aktiivne keskpiirkond on allutatud suuremale osale rakendatud pinge tekitatavast potentsiaalist. See piirkond on äärmiselt õhuke ja isegi väike pinge nihe näitab märkimisväärset potentsiaalset gradienti või pinge kõikumist teatud vahemaa jooksul.

Nagu on näidatud joonisel fig 2, hakkab vooluimpulss voolama läbi aktiivse tsooni, kui sellele rakendatud pinge saavutab teatud taseme.

Selle tulemusena väheneb ülejäänud aktiivse piirkonna potentsiaalne gradient, mis peatab täiendavate vooluimpulsside genereerimise. Alles pärast seda, kui vooluimpulss läheb üle aktiivse tsooni vastasotsa, naaseb kõrge potentsiaali gradient, võimaldades genereerida uut vooluimpulssi.

Kui pinge- ja voolukõver on joonistatud, on võimalik näha omapärast vooluimpulsi aktiivsust teise nurga alt.

Erinevus alaldi dioodi ja Gunn dioodi vahel

  • Tavalise alaldi dioodi ja Gunni dioodi kõverad on kujutatud ülaltoodud joonisel 3 oleval diagrammil.
  • Tavalise alaldi dioodi vool suureneb koos pingega, kuid see seos ei ole alati lineaarne.
  • Teisest küljest hakkab Gunni dioodi vool tõusma ja pärast teatud pinge saavutamist hakkab langema, enne kui see uuesti suureneb.
  • Selle võnkeomadused on põhjustatud sellest piirkonnast, kus see langeb, mida nimetatakse 'negatiivse takistuse' piirkonnaks.

Sageduse seadistamine

Kuigi aktiivse piirkonna paksus määrab üldise töösageduse, on siiski võimalik sagedust teatud vahemikus muuta. Kuna Gunni diood on mikrolaineseade, paigaldatakse see häälestatud vooluringi genereerimiseks tavaliselt lainejuhi õõnsusse. Selle töösageduse määrab kogu sõlme resonantssagedus.

Häälestusprotsessi saab läbi viia erinevate meetoditega. Reguleeritava kruvi sisestamisega lainejuhi õõnsusse saab teha mehaanilisi muudatusi, võimaldades põhihäälestuse indikaatorit.

Sellegipoolest on tavaliselt vajalik ka elektriline häälestamine ja kasutada võib ühte kahest erinevast meetodist. Esimene meetod hõlmab varaktordioodi ühendamist Gunni ostsillaatori ahelaga.

Kui varaktordioodi pinget muudetakse, muutub mahtuvus, mis põhjustab kogu vooluringi resoneerimise sageduse muutumise.

Kuigi see meetod on odav ja lihtne kasutada, on sellel palju puudusi. Esiteks on selle tööpiirkond piiratud. Teiseks tekitab see tehnika palju faasimüra, mis ei pruugi paljude rakenduste jaoks sobida.

YIG kasutamine tõhusaks sageduse reguleerimiseks

YIG materjali kasutamine tundub olevat tõhusam häälestustehnika. See sisaldab ütriumraudgranaati, ferromagnetilist ainet.

Kui Gunni diood ja YIG sisestatakse õõnsusse, väheneb õõnsuse efektiivne suurus. Selleks asetatakse lainejuhist väljapoole mähis.

Kui vool liigub läbi mähise, suurendab see YIG-i magnetilist mahtu ja kahandab õõnsuse elektrilist mõõdet. Selle tulemusena suureneb operatsioonide sagedus. Faasimüra väheneb YIG-häälestusega oluliselt ja on võimalik saavutada suur sagedusvahemik.

Gunnplexeri kasutamine amatöörraadio jaoks

Gunni dioodostsillaator on Advanced Receiver Researchi poolt pakutava kaubandusliku transiiveri komponent amatöörraadio kasutamiseks. Seadet, mida nimetatakse 'Gunnplexeriks', kasutatakse nominaalsete amatöörsignaalide tootmiseks ja teisendamiseks sageduselt 10 GHz amatöörsagedusalasse 2 meetri (144 MHz) või muudel madalamatel vahesagedustel (IF-id).

Gunnplexer koosneb Gunni dioodist, mis on kinnitatud suure võimendusega ristkülikukujulise sarvantenni külge, koos Schottky mikserdioodidega, mis on suletud 10 GHz õõnsusse.

Sagedusmuutused kuni 60 MHz tavapärasest resonantssagedusest on saavutatavad varaktori häälestamise abil. Gunni diood toimib allapoole teisendatud 2-meetrise IF jaoks nii saatja kui ka kohaliku ostsillaatorina.