Diody Gunna to urządzenia półprzewodnikowe, które służą do generowania sygnałów mikrofalowych o małej mocy w prosty i tani sposób. Są one używane od ponad 60 lat. Diody Gunn mogą pracować z częstotliwościami od kilku gigaherców do ponad 100 GHz. Po raz pierwszy został odkryty przez J. B. Gunna z IBM na początku lat sześćdziesiątych.
Obecnie diody Gunn są wykorzystywane komercyjnie w szerokim zakresie zastosowań, w tym w mikrofalowych liniach danych, radarach FM i CW o małej mocy, alarmach antywłamaniowych itp. Przy stabilnych parametrach temperatury i napięcia obwody wykorzystujące te diody mogą generować od 15 mW do 1 wat mocy, niski poziom hałasu i doskonała stabilność częstotliwości. Diody pistoletowe są szczególnie lubiane przez entuzjastów do stosowania w krótkofalówkach działających na częstotliwości 10 GHz.
Budowa
Dioda Gunna jest produkowana z jednego kawałka krzemu typu N. Jest on podzielony na trzy główne sekcje, jak widać na ryc. 1.
Górna i dolna część urządzenia zawierają materiał N+, który został silnie domieszkowany, co skutkuje silnym przewodnictwem dla interfejsu z parametrami zewnętrznymi.
Do przewodzącej podstawy, na której zainstalowane jest urządzenie, przymocowane jest połączenie przewodowe. Podstawa urządzenia służy również jako radiator do pochłaniania nadmiaru ciepła.
Na górnej powierzchni umieszczone jest złote ogniwo, które łączy się z przeciwległym zaciskiem diody. Aby zapewnić wyjątkową przewodność i względną stabilność, złoto staje się niezbędne.
W środku znajduje się obszar aktywny urządzenia, który jest mniej intensywnie domieszkowany i ma mniejszą przewodność. Zwykle jest to około 0,5 oma na centymetr sześcienny, co oznacza, że prawie całe napięcie przyłożone do urządzenia przechodzi przez tę warstwę diody.
Średnia grubość warstwy aktywnej diody wynosi dziesięć mikronów (0,001 cm). Jego grubość oczywiście różniłaby się w zależności od diody, ponieważ wpływa to przede wszystkim na ogólną pracę diody. Oznacza to, że częstotliwość pracy tego urządzenia jest krytycznym elementem jego arkusza danych.
Dioda Gunn ma unikalną konstrukcję, ponieważ jest wykonana w całości z materiału typu N i nie posiada złącza P-N. W istocie nie jest to konwencjonalny typ diody, ale działa na zupełnie innych zasadach.
Jak działa dioda Gunn
Chociaż działanie diody Gunna może wydawać się skomplikowane, możliwe jest zrozumienie jej na podstawowym poziomie.
Aktywny obszar środkowy urządzenia jest poddawany większości potencjału wytwarzanego przez przyłożone napięcie. Obszar ten jest niezwykle cienki i nawet niewielkie przesunięcie napięcia wykazuje znaczny gradient potencjału lub wahania napięcia na pewnej odległości.
Jak pokazano na rys. 2, impuls prądowy zaczyna płynąć przez aktywną strefę, gdy przyłożone do niej napięcie osiągnie określony poziom.
W rezultacie gradient potencjału pozostałego obszaru aktywnego maleje, co zatrzymuje generowanie dodatkowych impulsów prądowych. Dopiero po przejściu impulsu prądowego na przeciwległy koniec strefy aktywnej powraca gradient wysokiego potencjału, co pozwala na wygenerowanie kolejnego impulsu prądowego.
Wykreślając krzywą napięcia i prądu, można pod innym kątem zobaczyć osobliwą aktywność impulsu prądowego.
Różnica między diodą prostowniczą a diodą Gunna
- Krzywe konwencjonalnej diody prostowniczej i diody Gunna przedstawiono na schemacie na rysunku 3 powyżej.
- Prąd konwencjonalnej diody prostowniczej wzrasta wraz z napięciem, jednak zależność ta nie zawsze jest liniowa.
- Z drugiej strony prąd diody Gunna zaczyna rosnąć i po osiągnięciu określonego napięcia zaczyna spadać, zanim ponownie wzrośnie.
- Jego właściwości oscylacyjne są spowodowane przez ten obszar, w którym spada, który jest określany jako obszar „ujemnego oporu”.
Ustawianie częstotliwości
Chociaż grubość obszaru aktywnego określa ogólną częstotliwość roboczą, nadal możliwa jest zmiana częstotliwości w określonym zakresie. Ponieważ dioda Gunna jest urządzeniem mikrofalowym, jest zwykle instalowana we wnęce falowodu w celu wygenerowania obwodu strojonego. Jego częstotliwość działania jest określona przez częstotliwość rezonansową całego zespołu.
Proces strojenia można przeprowadzić różnymi metodami. Wkładając regulowaną śrubę do wnęki falowodu, można było dokonać zmian mechanicznych, umożliwiając podstawowy wskaźnik strojenia.
Niemniej jednak zwykle konieczne jest również dostrojenie elektryczne i można zastosować jedną z dwóch różnych metod. Pierwsza metoda obejmuje sprzężenie diody waraktora z obwodem oscylatora Gunna.
Gdy napięcie na diodzie varactora zmienia się, zmienia się pojemność, powodując zmianę częstotliwości rezonansu całego obwodu.
Chociaż to podejście jest niedrogie i proste w użyciu, ma wiele wad. Po pierwsze, ma ograniczony zasięg działania. Po drugie, ta technika generuje dużo szumu fazowego, który może nie być odpowiedni dla wielu zastosowań.
Używanie YIG do efektywnej regulacji częstotliwości
Użycie materiału YIG wydaje się być bardziej efektywną techniką strojenia. Zawiera on granat itru, substancję ferromagnetyczną.
Po włożeniu diody Gunna i YIG do wnęki, efektywny rozmiar wnęki ulega zmniejszeniu. W tym celu na zewnątrz falowodu znajduje się cewka.
Kiedy prąd przepływa przez cewkę, powoduje rozszerzenie objętości magnetycznej YIG i kurczenie elektrycznego wymiaru wnęki. W rezultacie wzrasta częstotliwość operacji. Szum fazowy jest znacznie zmniejszony dzięki strojeniu YIG i można osiągnąć duży zakres częstotliwości.
Używanie Gunnplexer dla krótkofalowców
Oscylator diodowy Gunna jest elementem komercyjnego nadajnika-odbiornika oferowanego przez Advanced Receiver Research do użytku w radioamatorstwie. Urządzenie, określane jako „Gunnplexer”, służy do wytwarzania i konwersji w dół nominalnych sygnałów amatorskich z 10 GHz na pasmo amatorskie na 2 metry (144 MHz) lub innych niższych częstotliwościach pośrednich (IF).
Gunnplexer składa się z diody Gunna przymocowanej do prostokątnej anteny tubowej o wysokim wzmocnieniu wraz z diodami miksera Schottky'ego zamkniętymi we wnęce 10 GHz.
Wahania częstotliwości do 60 MHz od normalnej częstotliwości rezonansowej można osiągnąć za pomocą strojenia varactor. Dioda Gunna działa zarówno jako nadajnik, jak i lokalny oscylator dla przekonwertowanego w dół 2-metrowego IF.
