В книге приводятся основы теории и методы проектирования устройств на полупроводниковых диодах в диапазоне сверхвысоких частот. Анализируются схемы усилителей и генераторов на туннельных диодах, смесителей и преобразователей частоты на туннельных и на обращенных диодах, параметрических усилителей. Рассматриваются схемы переключателей, модуляторов и фазовращателей с р-п и p-i-n диодами, а также коммутационных устройств, использующих изменения объемных свойств полупроводниковых кристаллов под действием электрических полей.
В книге приводятся материалы, позволяющие произвести выбор типов и инженерный расчет СВЧ устройств с полупроводниковыми диодами.
Книга предназначена для научных работников, инженеров и студентов радиотехнических специальностей.
Табл. 16, рис. 326, библ. 262 назв.
ПРЕДИСЛОВИЕ
Книга «СВЧ устройства на полупроводниковых диодах» является одним из изданий серии «Проектирование и расчет радиоэлектронных схем на полупроводниковых приборах», выпускаемой издательством «Советское радио».
Целью данной книги, как и всей серии, является изложение основ теории и методов проектирования СВЧ устройств на полупроводниковых приборах.
В одном томе практически невозможно рассмотреть все радиотехнические устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. В книге приводятся материалы, относящиеся только к тем новым перспективным устройствам, которые в настоящее время уже достаточно широко применяются на практике. Не рассматриваются устройства, ранее детально освещенные в литературе (преобразователи частоты и детекторы на точечно-контактных диодах и т. п.)
В настоящем томе рассматриваются три типа новых радиотехнических устройств, работающих в диапазоне сверхвысоких частот: усилители, генераторы и преобразователи частоты на туннельных и обращенных диодах; усилители и преобразователи частоты на параметрических диодах; устройства для управления амплитудой и фазой СВЧ сигналов на р-п и p-i-n диодах.
В книге приводятся ссылки только на те литературные источники, которые непосредственно относятся к излагаемому материалу и были опубликованы до 1968 г.
Часть I написана: гл. 1 — А. С. Дроздовым, гл. 2, 3 — Л. А. Биргером, гл. 4 — Ю.К. Гарусовым и И. В. Маль-ским, гл. 5—8 — М. А. Абдюхановым и И. В. Мальским, гл. 9—11 —И. В. Мальским и Е. А. Свистовым, гл. 12 — К. А. Самойло, Т. С. Федосовой, Ю. И. Горшенковым; часть II написана И. А. Волошиным, И. П. Боровиковым, М. Е. Герценштейном; часть III — Б. В. Сестрорецким.
Авторский коллектив будет благодарен за все критические замечания и пожелания, которые следует направлять в издательство «Советское радио» по адресу г. Москва, Главпочтамт, п/я 693.
ВВЕДЕНИЕ
Полупроводниковые диоды все более широко применяются в радиотехнической аппаратуре диапазона сверхвысоких частот. Это обусловлено тем, что использование полупроводниковых приборов вместо электровакуумных, ферритовых и газоразрядных позволяет существенно уменьшить вес, габариты и потребляемую мощность, повысить надежность и увеличить срок службы аппаратуры. Кроме того, диоды относительно дешевы при серийном производстве.
За последние годы разработаны и внедряются в радиотехническую СВЧ аппаратуру туннельные, параметрические и переключательные диоды. Эти приборы используются для усиления, преобразования частоты, генерирования, а также для управления амплитудой и фазой СВЧ колебаний.
Хотя в настоящее время опубликовано большое число работ, посвященных анализу и вопросам применения перечисленных выше устройств в радиотехнической аппаратуре, теория их работы, методы оптимального проектирования и инженерная методика расчета разработаны недостаточно. Авторы данной книги ставили своей задачей восполнить в какой-то мере указанный пробел.
В книге даются основные теоретические соотношения, формулируются критерии оптимальных режимов работы устройств и устанавливаются предельно достижимые характеристики устройств с данными диодами.
Как правило, промежуточные выкладки при выводе формул опускаются; основное внимание уделяется анализу полученных результатов и обсуждению их физического смысла. Основные теоретические результаты представлены в виде нормализованных графиков или таблиц, упрощающих проведение инженерных расчетов. По каждому виду устройств дается пример расчета, рекомендуемые схемы и примеры типовых конструкций.
В ряде разделов (туннельные генераторы с фиксированной настройкой, СВЧ коммутирующие устройства с сосредо-
5
ОГЛАВЛЕНИЕ
Стр.
Предисловие ................... 4
Введение ..................... 5
I. ПРИБОРЫ СВЧ НА ТУННЕЛЬНЫХ ДИОДАХ........ 7
1. Общие сведения о туннельных и обращенных диодах 7
1.1. Эквивалентная схема и основные характеристики туннельного диода .............. 7
1.2. Режимы работы туннельного диода в схеме ... 15 Литература....................... 19
2. Основные теоретические соотношения для усилителей
на туннельных диодах .................. 20
2.1. Общая характеристика усилителей на туннельных диодах.................... 20
2.2. Входная проводимость туннельного диода ... 21
2.3. Усилитель отражательного типа ....... 25
2.4. Усилитель проходного типа.......... 32
2.5. Балансный усилитель (усилитель с гибридным соединением) ................. 37
2.6. Устойчивость усилителя ........... 41
Литература....................... 65
3. Проектирование одноконтурных усилителей на туннельных диодах..................... 67
3.1. Схемы и конструкции одноконтурных усилителей отражательного типа............. 67
3.2. Отражательный усилитель в реальном тракте 71
3.3. Амплитудная и фазовая нестабильность туннельного усилителя ............... 74
3.4. Динамический диапазон туннельного усилителя 77 Литература....................... 78
4. Широкополосные усилители на туннельных диодах 79
4.1. Предельная широкополосность усилителей на туннельных диодах ............. 80
4.2. Синтез многорезонаторных отражательных усилителей на туннельных диодах ........ 83
4.3. Полоса пропускания и коэффициент шума широкополосных усилителей............ 91
4.4. Устойчивость широкополосных усилителей ... 95
4.5. Методика расчета широкополосных усилителей 103
4.6. Широкополосные усилители с цепью стабилизации 113 Литература....................... 119
5. Основные теоретические соотношения для генераторов на туннельных диодах ..,,.,,,,,.,,.,, 120
576
5.1. Анализ параллельно-последовательной схемы генератора на туннельном диоде ....... 121
5.2. Выходная мощность генератора и ее зависимость
от частоты.................. 128
5.3. Параллельная схема генератора. Частота и мощ-
ность колебаний............... 137
5.4. Зависимость частоты и формы колебаний от напряжения смещения ............ 141
5.5. Зависимость мощности колебаний от напряжения смещения. Мягкий и жесткий режимы возбуждения 146
5.6. Частота и форма колебаний в генераторах с низкой добротностью колебательной системы . . . 150
5.7. Стабильность частоты генераторов СВЧ на тун-
нельных диодах................ 152
Литература...................-> . . . . 155
6. Анализ и проектирование сложных схем генераторов
на туннельных диодах...................157
6.1. Квазилинейный метод анализа сложных схем генераторов .................... 157
6.2. Выходная мощность генераторов ....... 160
6.3. Генераторы с параллельным включением эле--ментов внешней цепи диода .......... 163
6.4. Схема с индуктивностью во внешней цепи диода 167
6.5. Схема с емкостью во внешней цепи диода . . . 172
6.6. Схема с двумя реактивными элементами во внешней цепи диода................. 175
6.7. Генераторы на туннельных диодах с повышенной стабильностью частоты............. 180
Литература........................ 184
7. Генераторы на туннельных диодах с перестройкой частоты ......................... 185
7.1. Методика расчета перестраиваемых генераторов
на туннельных диодах ............. 185
7.2. Электрическая перестройка частоты генераторов СВЧ на туннельных диодах........... 191
Литература........................ 194
8. Методы повышения выходной мощности генераторов
на туннельных диодах .................. 195
8.1. Генераторы с несколькими туннельными диодами 195
8.2. Генераторы с распределенным отрицательным сопротивлением ................. 200
Литература ....................... 204
9. Основные соотношения для смесителей на туннельных диодах .......................... 205
9.1. Матрица преобразования. Входная и выходная проводимости. Активность и устойчивость смесителей ...................... 207
9.2. Коэффициенты передачи мощности смесителей 213
9.3. Коэффициент шума смесителей на туннельных диодах..................... 217
9.4. Влияние паразитных параметров диода на работу смесителя ................... 223
Литература . . ,..................... 227
10. Смесители на обращенных туннельных диодах . . . 229 10.1. Основные характеристики смесителей на ОД 230 10 2 Вопросы расчета и проектирования смесителей
на ОД..................... 256
Литература........................ 261
11. Смесители на туннельных диодах......... 263
11.1. Основные режимы работы смесителей на туннельных диодах.................. 264
11.2. Работа смесителя в режиме большой амплитуды напряжения гетеродина ........... 270
11.3. Режим малой амплитуды напряжения гетеродина 279
11.4. Автодинные преобразователи частоты на туннельных диодах.................. 284
Литература........................ 297
12. Умножители и делители частоты на туннельных диодах ...................... 298
12.1. Умножители и делители частоты на базе синхронизируемых генераторов на туннельных диодах 299
12.2. Теория работы синхронизируемых генераторов (умножителей и делителей частоты) на туннельных диодах.................. 301
12.3. Резонансные умножители частоты на туннельных диодах .................... 310
12.4. Расчет делителя частоты ........... 315
Литература ....................... 317
II. ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ УСИЛИТЕЛИ СВЧ НА ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ДИОДАХ ..................... 318
1. Инженерная теория параметрического усиления . . 318
1.1. Принцип действия и классификация параметрических усилителей............... 318
1.2. Полупроводниковые диоды для параметрических усилителей .................. 328
1.3. Матрица проводимостей нелинейной емкости . . 334
1.4. Коэффициент включения диода в контур .... 342
1.5. Параметрические усилители с идеальным диодом 346
1.6. Оптимальные режимы параметрических усилителей ..................... 352
1.7. О пределах применимости двухчастотной теории
ПУ ...................... 367
1.8. Сверхрегенерация и сложная накачка параметрических усилителей ............. 372
1.9. Расширение полосы пропускания параметрических усилителей................... 374
Литература ......................„• 378
2. Типовые конструкции параметрических усилителей И/У
2.1. Требования к колебательной системе усилителя 379
2.2. Конструкции одноконтурных ПУ ....... 380
2.3. Конструктивные особенности двухконтурных ПУ 384
2.4. Балансная схема включения диодов...... 388
Литература........................ 390
3. Холодные измерения параметрических усилителей 391
3.1. Холодные измерения параметрического усилителя
па отражение.................. 392
3.2. Холодные измерения на резонансной частоте . . 397
3.3. Холодные измерения полос пропускания контуров 399 Литература........................ 401
4. Особенности применения параметрических усилителей 402
4.1. Искажения характеристик ПУ в реальном тракте 402
4.2. Стабильность характеристик ПУ........ 404
4.3. Резервирование и фильтровая защита ПУ . . . 409
4.4. Шумовые измерения параметрических усилителей 411 Литература........................ 413
III. ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЕ РЕГУЛИРУЮЩИЕ УСТРОЙСТВА СВЧ 414
1. Общая характеристика СВЧ регулирующих полупроводниковых устройств н используемых в них полупроводниковых элементов................ 414
1.1. Типы устройств ................ 415
1.2. Используемые физические эффекты....... 418
1.3. Типы полупроводниковых элементов...... 422
Литература........................ 428
2. Проектирование регулирующих устройств с сосредоточенными полупроводниковыми элементами .... 430
2.1. Этапы и методика синтеза........... 431
2.2. Выключатели с одним элементом........ 433
2.3. Выключатели с несколькими полупроводниковыми элементами................... 453
2.4. Аттенюаторы.................. 459
2.5. Плавные фазовращатели............ 462
2.6. Ступенчатые фазовращатели.......... 466
2.7. Многоканальные переключатели ........ 491
2.8. Сложные коммутационные цепи......... 497
2.9. Самоуправляемые выключатели и ограничители 504 Литература........................ 507
3. Конструирование СВЧ регулирующих устройств с сосредоточенными полупроводниковыми элементами 509
J.I. Качество сосредоточенных полупроводниковых
элементов ................... 509
3.2. Предельная СВЧ мощность сосредоточенных полупроводниковых элементов............ 525
3.3. Конструирование секций............ 532
3.4. Конструкции и параметры устройств [30] . . . 549 Литература........................ 552
4. Расчет и конструирование СВЧ регулирующих устройств с распределенными полупроводниковыми элементами ........................... °54
4.1. Затухание в высокоомном состоянии...... 554
4.2. Затухание в низкоомном состоянии....... 563
4.3. Проектирование секций ............ 565
4.4. Конструкции и параметры устройств ..... 568
Литература..............'......... 572
Основные обозначения................... 573
579
Цена: 150руб.
