2. Исследовать ДГ в качестве активного элемента генератора.
2.1. Исследовать электрическую перестройку генератора. При фиксированном положении плунжера 
снять зависимость выходной мощности 
и частоты колебаний 
от напряжения питания диода 
.
2.2. Исследовать механическую перестройку. При фиксированном напряжении питания диода 
снять зависимости выходной мощности и частоты генерируемых колебаний от положения короткоэамыкающего плунжера .
3. Исследовать ДГ в качестве активного элемента усилителя. При фиксированном напряжении на диоде перемещением плунжера добиться усиления в полосе частот 
. В качестве прибора, регистрирующего выходной сигнал, использовать индикаторный блок панорамного измерителя КСВ. Коэффициент усиления определять с помощью прецизионного аттенюатора, включенного между измерительным генератором и диодом Ганна. Исследовать зависимость коэффициента усиления 
от положения настроечного плунжера и напряжения смещения .
4.6. Содержание отчета
1. Цель работы, схема измерительной установки.
2. Графики всех экспериментальных зависимостей с отмеченными на них расчетными точками.
3. Значение активной проводимости диода 
, рассчитанное с использованием (4.6), на частоте, соответствующей максимуму усиления. При этом считать, что реактивности в системе диод–цепь полностью скомпенсированы и сопротивление нагрузки 
.
4. Оценка длины диода 
:
4.1. исходя из экспериментального значения пролетной частоты 
.
4.2. исходя из значения порогового напряжения 
.
4.7. Контрольные вопросы
1. В чем заключается физический принцип действия ДГ как активного элемента СВЧ-схем?
2. Может ли статическая вольтамперная характеристика ДГ иметь падающий участок?
3. Объясните смысл условий самовозбуждения ДГ (4.4) и (4.5).
4. К числу каких диодов следует отнести исследованный прибор: суб- или суперкритически легированный?
5. С каким физическим эффектом связан использованный в работе способ стабилизации?
6. От каких факторов зависит коэффициент усиления отражательного усилителя?
7. Чем определяется полоса усиливаемых частот усилителя?
5. ИССЛЕДОВАНИЕ УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ
НА ВАРАКТОРНОМ ДИОДЕ
Целью данной работы является исследование свойств варакторного диода, используемого в умножителе СВЧ-диапазона и его характеристик.
5.1. Основные теоретические сведения
5.1.1. Устройство и принцип действия варактора
Варакторным диодом (или просто варактором) называют двухэлектродную полупроводниковую структуру с p- n-переходом, реактивными сопротивлением которой можно управлять с помощью напряжения смещения. Вольтфарадная характеристика (зависимость емкости от напряжения) – определяется профилем легирования p- n-перехода. На рис. 5.1 показаны профили легирования двух видов, использование которых наиболее целесообразно в диодах данного типа. Сверхрезкий профиль (кривая 1) – обеспечивает большую крутизну изменения емкости под действием напряжения по сравнению с резким профилем легирования (кривая 2). Это обусловлено спадом уровня леги 
рования в 
-области, приводящему к большему расширению обедненного слоя, а следовательно, и к более значительному изменению емкости при заданном изменении напряжения.
Области применения варакторов – это приборы и устройства с нелинейной вольтфарадной характеристикой. В основе принципа действия этих устройств лежит зависимость емкости обратно смещенного p- n-перехода от напряжения. Подчеркнем: основным режимом работы варакторного диода является режим обратного смещения, так как именно в этом режиме в широком диапазоне напряжений существует обедненный слой. При отрицательных напряжениях отсутствует инерционная диффузионная емкость, связанная с наличием свободных (подвижных) неосновных носителей заряда.
Суммарная емкость перехода определяется по формуле
Инерционная диффузионная емкость p- n-перехода является нежелательной. Ее формируют подвижные неосновные заряды 
и 
. Распределение концентраций неосновных носителей заряда определяется их диффузионными длинами 
и 
. При увеличении прямого напряжения смещения увеличивается концентрация подвижных носителей заряда и, следовательно, диффузионная емкость так же увеличивается:
Вполне естественно, что при отрицательном смещении эта емкость равна нулю. Асимптотический характер роста диффузионной емкости определяется тем, что при достижении напряжением смещения уровня контактной разности потенциалов диод открывается. Это означает, что концентрации свободных носителей заряда в области перехода становятся значительными. В этом случае переход представляет собой короткое замыкание, что эквивалентно бесконечной емкости. Использование диффузионной емкости для конструирования диодов СВЧ-диапазона нежелательно. Процессы ее перезарядки связаны с накоплением и релаксацией свободных носителей заряда и имеют инерционный характер. Заметим, что диффузионная емкость отсутствует в диодах с барьером Шоттки, так как в этом случае при образовании перехода участвует только один тип подвижных носителей.
Рассмотрим процессы, относящиеся к формированию и модуляции барьерной емкости p- n-перехода. Как уже говорилось, барьерная емкость образуется неподвижными зарядами в обедненном слое. При увеличении обратного напряжения смещения происходит увеличение ширины обедненного слоя диода. Это приводит к уменьшению барьерной емкости, формируемой неподвижными зарядами доноров и акцепторов. Этот факт можно понять, если для описания поведения барьерной емкости применить модель плоского конденсатора. Емкость, вычисленная по формуле плоского конденсатора, тем меньше, чем больше расстояние между пластинами конденсатора, в роли которого и выступает обедненный слой.
Емкость, обусловленная изменением толщины обедненной области (изменением заряда, связанным с ионизированной примесью), носит название барьерной (или зарядовой). Интегрирование уравнения Пуассона при некотором заданном профиле легирования (рис. 5.1) дает выражение для барьерной емкости 
, как функции напряжения смещения :
где 
– емкость при нулевом смещении; 
– отрицательное напряжение смещения; 
– контактная разность потенциалов; 
– коэффициент профиля легирования ( 
для резкого, 
для плавного, 
для сверхрезкого перехода и 
для линейного профиля).
Для случая резкого перехода выражение для емкости при нулевом смещении имеет вид:
где 
– полная диэлектрическая проницаемость полупроводника, 
– концентрации донорной и акцепторной примесей, 
– площадь поперечного сечения перехода.
К параметрам варакторного диода, помимо обычных параметров для 
СВЧ-диодов, добавляются параметры, характеризующие варактор как электрически управляемую емкость:
–вольтамперная характеристика;
– вольтфарадная характеристика;
– емкость перехода при 
;
– коэффициент перекрытия;
– добротность и частота отсечки.
Вольтамперная характеристика варактора аналогична характеристике любого диода с p- n-переходом. Вольтфарадные характеристики для различных типов перехода представлены на рис. 5.2. Из выражения (5.2) следует, что сверхрезкий переход обеспечивает наибольшую крутизну вольтфарадной характеристики (наивысшую чувствительность). Величина емкости является одним из немаловажных параметров варактора и не зависит от типа перехода и для промышленных образцов колеблется от 1 до 20 пФ.
Коэффициент перекрытия представляет собой отношение к минимальному значению емкости при предельном об 
ратном смещении. Очевидно, что последнее ограничено напряжением пробоя, зависящим как от уровня легирования, так и от геометрии диода. Обычно при напряжении более 45 В минимальное значение емкости в три раза меньше . Для варактора с сверхрезким переходом коэффициент перекрытия возрастает до пяти.
Рассмотрим основные параметры варактора,
характеризующие его поведение на высоких частотах. Эквивалентная схема варакторного диода аналогична схемам полупроводниковых диодов. В силу конструктивных особенностей варакторов можно несколько упростить схему (рис. 5.3). Для анализа достаточно ограничится 
– барьерной емкостью, зависящей от напряжения обратно смещенного диода, 
– сопротивлением толщи полупроводника, 
– емкостью корпуса и 
– индуктивностью выводов.
Добротность 
характеризует эффективность варактора и определяет отношение запасенной энергии к рассеиваемой мощности за период и для приведенной эквивалентной схемы вычисляется по формуле, полученной в пренебрежении индуктивностью выводов и емкостью корпуса:
Значение частоты, при которой добротность 
, называется частотой отсечки варактора 
. Как следует из (5.4), при работе на высоких частотах для получения приемлемых значений добротности ( 
), необходимо стремиться к уменьшению сопротивления . Поэтому в диапазоне СВЧ используются диоды не из кремния, а из арсенида галлия, поскольку в последнем подвижность в несколько раз выше. Это при прочих равных условиях (геометрии, уровне легирования, температуре) приводит к уменьшению в несколько раз сопротивления толщи полупроводника .
5.1.2. Устройство и принцип действия умножителя частоты
Перейдем к анализу принципа действия умножителя частоты (генератора гармоник) на варакторном диоде, схема которого показана на рис. 5.5. В ее состав входят: источник постоянного 
смещения , генератор входного переменного сигнала 
, варакторный диод (нелинейная емкость) и полосовые фильтры с соответствующими нагрузками. Фильтры настроены на первую, вторую и третью гармоники входного сигнала. С выхода такой схемы снимается сигнал утроенной частоты. Используя выражение для вольтфарадной зависимости (5.2), представим емкость как функцию переменного напряжения 
в следующем виде, предполагая 
:
где 
, 
, 
, 
определяется из (5.2). Выражение (5.5) получено путем разложения в ряд по степеням до квадратичного слагаемого включительно, что вполне достаточно для объяснения принципа действия генератора третьей гармоники, исследуемого в данной работе. Изменение во времени реактивного параметра (емкости варактора) и вызывает параметрический эффект — генерацию гармоник. Для заданной схемы можно ограничиться тремя гармониками тока:
Наличие гармоник в спектре тока приводит к появлению напряжения, как по второй гармонике, так и по третьей. Причем, существование цепи, настроенной на вторую гармонику, обеспечивает возникновение соответствующего напряжения на диоде, которое складывается с напряжением первой гармоники и порождает дополнительный сигнал на комбинационной частоте (суммарной, т. е. третьей гармонике). Коэффициент преобразования для такого устройства может быть весьма большим, поскольку вся мощность, подводимая по первой гармонике (в предположении идеальных емкости диода и фильтров, а также отсутствия потерь в дополнительной цепи второй гармоники) преобразуется в мощность высших гармоник:
Естественно, что в реальной цепи всегда присутствуют потери, которые уменьшают значение коэффициента преобразования 
, поэтому даже при оптимально настроенном дополнительном контуре второй гармоники он не может превышать 60…80 %.
Поскольку значение емкости зависит от напряжения, то и коэффициент преобразования проявляет такую зависимость. Коэффициент преобразования зависит, как от напряжения смещения (при постоянной мощности на входе), так и от входной мощности (при постоянном смещении). Обе зависимости имеют максимум. Первоначальный рост связан с уменьшением обратного тока через диод, т. е. при уменьшении омических потерь. Максимум достигается при равенстве смещения и амплитуды СВЧ-сигнала. Дальнейший спад обусловлен уменьшением крутизны вольтфарадной зависимости.
5.2. Описание объекта исследований
Реально структуры варакторов имеют некоторые особенности. Прежде всего, они связаны с профилями легирования полупроводников. Структура варакторного диода показана на рис. 5.6, на котором отмечено: 1 – омические контакты; 2 – диффузионный 
-слой; 3 – обедненная область; 4 – эпитаксиальный -слой; 5 – подложка из сильнолегированного полупроводника.
В качестве объекта исследований используется арсенидгаллиевый диод 2А602В, помещенный в корпус. Его основные характеристики:
– частота отсечки fC = 35 ГГц;
– общая емкость С = 1,7…2,7 пФ 
при VОБР = 6 В и f = 10 МГц;
– пробивное напряжение VПР = 45 В при обратном токе IОБР = 100 мкА;
– диапазон допустимых рабочих температур Т = 213…373 К;
– емкость корпуса СКОРП = 0,5…0,7 пФ;
– предельная непрерывная СВЧ-мощность – 1 Вт.
5.3 Описание измерительной установки
Электрическая схема измерительной установки представлена на рис. 5.7. Она состоит из двух частей (на рисунке части обозначены цифрами I и II). Часть I, предназначенная для исследования вольтфарадной характеристики варактора, содержит автоматический LCR-измеритель 1 и колодку с измеряе 
мым варактором 2. Часть II схемы предназначена для исследования варакторного умножителя частоты (утроителя) и собранного по принципу, показанному на рис. 5.5. Она содержит умножитель 3, частотомер 4 и измеритель мощности 5, мультиметр 6 для измерения тока через диод и СВЧ-генератор 7 с комбинированным выходом. Блок питания 8 является общим для обеих частей схемы и обеспечивает калиброванное напряжение смещения варактора. Фильтрация переменного сигнала обеспечивается конструкцией умножителя.
Конструкция умножителя показана на рис. 5.8. Диод помещен в резонатор, имеющий механические элементы настройки. Входной сигнал по коаксиальной линии 1 подается на варактор 2, помещенный в прямоугольный 
волновод 3. Цилиндрический резонатор 4, настроенный на третью гармонику сигнала, образует фильтр, препятствующий просачиванию выходного сигнала во входную цепь. Контур, образованный емкостью между штырем 5 и подстроечным винтом 6, а также индуктивностью штыря, настраивается на холостую частоту (частоту второй гармоники), а контур, образованный короткозамкнутым отрезком волновода 7 и варактором на утроенную частоту входного сигнала. На выходе умножителя установлен коаксиально-волноводный переход 8. Так как волновод является запредельным для первой и второй гармоник входного сигнала, то на выход умножителя поступает только сигнал с утроенной частотой 3w.
5.3. Предварительное задание
1. Изучить описания лабораторной работы. При необходимости обратиться к рекомендованной литературе.
2. Провести предварительные расчеты. Оценить значение добротности на частоте 
ГГц, используя (5.4) и основные характеристики исследованного варактора: 
2 Ом; 
= 6 В; 
= 2,2 пФ.
3. Подготовить таблицы для снятия экспериментальных зависимостей.
5.4. Основное задание
1. Исследовать прямую и обратную ветви вольтамперной характеристики варакторного диода. При этом прямое напряжение не должно превышать 0,8 В.
2. Снять вольтфарадную характеристику варактора с помощью автоматического LCR-измерителя B7-12 при прямом и обратном смещении.
3. Снять зависимость проводимости варактора с помощью автоматического LCR-измерителя B7-12 при прямом и обратном смещении.
4. Подключить генератор к умножителю частоты. Установив на генераторе частоту 1 ГГц, настроить контуры умножителя и коаксиально-волноводный переход на максимальную выходную мощность.
5. Исследовать зависимости выходной мощности, коэффициента преобразования, выходной частоты и тока варактора от напряжения смещения и уровня входной мощности.
5. Исследовать зависимости выходной мощности, выходной частоты и коэффициента преобразования от частоты входного сигнала при фиксированной настройке умножителя (напряжение смещения и уровень входной мощности).
5.5. Содержание отчета
1. Цель работы, схема измерительной установки.
2. Данные предварительных расчетов.
2. Графики всех экспериментальных зависимостей.
3. Определение значения величин 
или и по совпадению расчетной и экспериментальной вольтфарадных характеристик, считая, что при максимальном обратном смещении 
.
4. Определение частоты отсечки варактора, с применением (5.4) при усредненном значении экспериментальной емкости.
5. Выводы по работе.
5.6. Контрольные вопросы
1. В чем заключается физический принцип действия варактора как элемента умножителя частоты?
2. Чем определяется значение частоты отсечки варактора? Каковы пути увеличения ее значения?
3. Какой профиль легирования является оптимальным для варактора?
4. Как следует изменить схему, чтобы на выходе получить четвертую гармонику входной частоты?
6. ИССЛЕДОВАНИЕ ПАРАМЕТРОВ