Некоммерческое акционерное общество
Алматинский университет энергетики и связи
Кафедра радиотехники

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
для студентов специальности
5В074600 - Космическая техника и технологии

Алматы 2013

СОСТАВИТЕЛИ: А.А. Куликов, М.В. Лановенко. Радиотехнические цепи. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии. - Алматы: АУЭС, 2013. - 25с.

Данные методические указания предназначены для студентов 3-го курса специальности 5В074600 - Космическая техника и технологии, по дисциплине «Радиотехнические цепи».

Методические указания содержат материалы по подготовке к проведению лабораторных работ, в них приведены описание каждой лабораторной работы, экспериментальных установок, дана методика проведения и обработки опытных данных, перечень рекомендуемой литературы и контрольные вопросы.

Все лабораторные работы составлены с использованием элементов НИРС.

Табл. 5; ил. 12; библиогр. – 8 назв.

Рецензент: доц. М.В. Башкиров, АУЭС.

Печатается по плану издания некоммерческого акционерного общества «Алматинский университет энергетики и связи» на 2013г.

Лабораторная работа №1. Квадратурно-фазовая манипуляция QPSK (Quaternary Phase Shift Keying), квадратурно-амплитудная модуляция 16QAM и 64QAM (Quadrature Amplitude modulator)

Цель работы: изучение структурной схемы и принципа работы квадратурно-фазового манипулятора и квадратурно-амплитудного модулятора и их отдельных узлов.

1.1 Описание виртуального лабораторного стенда

На рисунке 1 изображено окно программы моделирующей работу квадратурно-фазового манипулятора и квадратурно-амплитудного модулятора и их отдельных узлов.

Рисунок 1.1 - Виртуальный лабораторный стенд

Цифрами на рисунке 1.1 обозначены следующие элементы окна программы:

1) меню Файл, позволяет выбрать нужный вариант модуляции, а также выход из программы;

2) меню Помощь(?), содержит сведения о данной работе, подсказки и краткую информацию о квадратурной модуляции;

3) структурная схема модулятора;

4) окно сигнального пространства, поясняющее формирование модуляционных символов;

5) частотомеры, позволяющие измерить частоту на выходах двух модуляторов и сумматора;

6) фазометры, позволяющие измерить фазу на выходах двух модуляторов и сумматора;

7) вольтметры, позволяющие измерить амплитуду на выходах двух модуляторов и сумматора;

8) включатель/выключатель, позволяющий включить/выключить генератор случайных чисел;

9) график, отображающий кодовую последовательность на входе формирователя кодовых символов (М);

10) график, отображающий кодовую последовательность на входе первого модулятора (А);

11) график, отображающий кодовую последовательность на входе второго модулятора (В);

12) график выходного единого модулированного колебания (Z);

13) маркер, позволяющий просмотреть в определенный момент времени кодовую комбинацию, позицию на фазовой плоскости и модулированный сигнал на выходе устройства.

Данная лабораторная работа предназначена для изучения студентами квадратурно-амплитудной модуляции (16QAM, 64QAM) и квадратурно-фазовой манипуляции (QPSK). Выбор одного из типов модуляции осуществляется в меню Файл. Входной сигнал D задается генератором случайных чисел в виде последовательности состоящей из логических единиц и нулей.

Компьютерная программа имеет возможность отображать работу узлов модуляторов, а именно:

- временные графики на входе и выходе каждого блока модулятора; измерить частоту;

- фазу и напряжение на каждом входе и выходе сумматора;

- рисунок сигнального пространства, иллюстрирующий формирования модуляционных символов.

1.2 Порядок выполнения работы

1.2.1 Запустить программу. Выбрать вариант работы QPSK в меню Файл.

1.2.2 После необходимо включить процесс модуляции, нажав на значок включателя/выключателя 8. В результате чего появятся сигналы на графиках 9, 10, 11, 12 и 13, а также кодовая комбинация сигнала в окне сигнального пространства 4. Появятся показания измерительных приборов частотомеров, фазометров и вольтметров 5, 6, 7.

1.2.3 Примерно через 15-16 секунд приостанавливаем работу генератора, нажав на значок 8. Щелкнув левой кнопкой мыши на одном из графиков 9, 10, 11, 12 или 13 появляется маркер, который показывает все сигналы в данный отрезок времени (интервал одного тактового импульса).

1.2.4 Далее необходимо просмотреть кодовую комбинацию потока битов на входе формирователя кодовых символов М, проследить разделение потока по каналам А и В. Также необходимо определить какие биты (четные/нечетные) одного такта поступают на канал А, а какие на канал В и проследить влияние кодовой комбинации на выходной сигнал Z. Проверить показания с частотомеров 5, фазометров 6 и вольтметров 7. С помощью фазометра необходимо определить фазовый сдвиг и сравнить с графиком 12, а также с фазовой плоскостью 4. Сравнить изменение амплитуды на вольтметре, графике 12 и фазовой плоскости.

1.2.3 Записать все показания приборов, зарисовать полученные графики в графу Z(t) и заполнить таблицу 1.1.

Т а б л и ц а 1.1

Сигнал на входе/выходе	Биты
	1	2	3	4	5	6	7	8
М
А
В
Фазометр I, (Град)
Частотомер I, (кГц)
Вольтметр I, (В)
Фазометр Q, (Град)
Частотомер Q, (кГц)
Вольтметр Q, (В)
Фазометр Z, (Град)
Частотомер Z, (кГц)
Вольтмер Z, (В)
График, Z(t)

1.2.4 Необходимо проделать пункты 1.2.3-1.2.4 для разных отрезков времени. Если в разные моменты времени использовались кодовые символы только в одной четверти плоскости 4, то сдвига фазы может не наблюдаться. Если в разных четвертях, то возможен сдвиг на ±45º, ±90º или ±180º. Проследите изменение амплитуды выходного сигнала в зависимости от того, где находится передаваемая последовательность (красная точка) на плоскости сигнального пространства.

1.2.5 Далее необходимо выбрать поочередно варианты работы 16QAM и 64QAM в меню Файл и проделать пункты 1.2.2-1.2.8, но для этих вариантов необходимо заполнить таблицу 1.2 и таблицу 1.3 соответственно.

Примечание: Выбирать кодовые комбинации следует таким способом, чтобы ни одна из них не повторялась, то есть не лежала в одной и той же точке сигнального пространства 4 (см. пункт 1.2.6).

Т а б л и ц а 1.2

Сигнал на входе/выходе	Бит
Сигнал на входе/выходе	1…4	5…8	9…12	13…16	17…20	21…24	25…28	29…32
М
А
В
Фазометр I, (Град)
Частотомер I, (кГц)
Вольтметр I, (В)
Фазометр Q, (Град)
Частотомер Q, (кГц)
Вольтметр Q, (В)
Фазометр Z, (Град)
Частотомер Z, (кГц)
Вольтметр Z, (В)
График Z(t)

Т а б л и ц а 1.3

Сигнал на входе/выходе	Бит
Сигнал на входе/выходе	1…6	7…12	13…18	19…24	25…30	31…36	37…42	43…48
М
А
В
Фазометр I, (Град)
Частотомер I, (кГц)
Вольтметр I, (В)
Фазометр Q, (Град)
Частотомер Q, (кГц)
Вольтметр Q, (В)
Фазометр Z, (Град)

Продолжение таблицы 3

Частотомер Z, (кГц)
Вольтметр Z, (В)
График Z(t)

1.2.6 Сделать общий вывод по работе модуляторов QPSK, 16QAM, 64QAM. В чем их сходство и различие. В чем их преимущества и недостатки.

1.3 Содержание отчета

Отчет должен содержать цель работы, таблицу 1.1, таблицу 1.2, таблицу 1.3 с результатами измерений согласно пункту 1.2.4, записанные показания приборов согласно пункту 1.2.6, графики, основанные на показаниях, вывод о проделанной работе.

1.4 Контрольные вопросы

1.4.1 Что такое QAM, и каким образом ее добиваются?

1.4.2 Что такое QPSK, и каким образом она работает?

1.4.3 Нарисовать схему работы модулятора и объяснить принцип действия.

1.4.4 Что происходит с фазой для QPSK, 16QAM, 64QAM, если в разные моменты времени использовались кодовые символы только в одном четверти плоскости 4?

1.4.5 В чем различие 16QAM и 64QAM?

1.4.6 В чем различие QAM и QPSK?

1.4.7 Какой вид модуляции QPSK, 16QAM, 64QAM имеет большую вероятность символьной ошибки и почему?

1.4.8 Какой вид модуляции QPSK, 16QAM, 64QAM имеет большую вероятность битовой ошибки и почему?

1.4.9 Нарисовать спектр сигнала для QPSK, 16QAM, 64QAM.

2 Лабораторная работа №2 Исследование магнитронного генератора

Цель работы: изучение принципиальной схемы, конструкции и физических процессов, происходящих в магнетронном генераторе. Исследование энергетических и частотных характеристик магнетрона постоянного генерирования. Приобретение навыков в исследовании СВЧ приборов магнетронного типа.

2.2 Описание лабораторной установки

Магнетронный СВЧ генератор изготовлен на базе портативного аппарата «Луч-2». Лабораторная установка состоит из четырех основных блоков:

а) магнетронный СВЧ генератор в состав, которого входит блок питания, магнетронного генератора;

б) встроен ваттметр и микроамперметр для измерения тока, реле времени;

в) измерительная линия Р1-3 с микроамперметром;

г) поглощающая нагрузка.

2.3 Порядок выполнения работы

2.3.1 Изучить устройство и принцип действия магнетрона.

2.3.2 Изучить описание работы и инструкции по эксплуатации приборов. Собрать лабораторную установку согласно рисунку 2.1.

1– магнетронный генератор,

2 – измерительная линия Р1-3, 3 – поглощающая нагрузка,

4 – микроамперметр, подключенный к измерительной линии

Рисунок 2.1 - Схема лабораторной установки

2.3.3 Рассчитать и построить зависимость выходной мощности магнетрона от анодного напряжения .

, (1)

где – к.п.д. магнетрона (см. таблицу 2.1); Е_а – анодное напряжение, значения которого приведены в таблице 2.2.

, (2)

где c – скорость света, 3·10⁸ м/с;

m – масса электрона, 9,1·10^{-31 кг;}

е – заряд электрона, 1,6·10^-19 Кл;

n – номер зоны генерации;

К₁, К₂, К₃, К₄ - коэффициенты, значения которых приведены в таблице 2.1;

R_э –эквивалентное сопротивление резонатора с учетом всех потерь,

где – волновое сопротивление колебательной системы;

Q – добротность нагруженного резонатора.

Т а б л и ц а 2.1

Наименование	Вариант 1	Вариант 2	Вариант 3
Коэффициент К₁	6,01	4,09	2,05
Коэффициент К₂	0,87	0,86	0,605
Коэффициент К₃	65,14	45,79	32,57
Коэффициент К₄	0,2	0,258	0,39
Добротность нагруженного резонатора, Q	120	120	120
Волновое сопротивление,	6,5	6,5	6,5
Номер зоны генерации, n	4	6	8
– к.п.д. магнетрона,	0,9	0,9	0,9

2.3.4 Снять вольт-амперную характеристику магнетрона . Значения Е_а выставляются ступенчато переключателем «Напряжение». Каждому положению переключателя соответствует определенное значение анодного напряжения, которое указано в таблице 2.2.

Т а б л и ц а 2.2

Положение переключателя	1	2	3	4	5	6	7
Анодное напряжение, В	930	950	956	960	963	967	970

2.3.5 Значение анодного тока I_a₀ снять с вынесенного на корпус генератора микроамперметра при этом расположенный справа от микроамперметра тумблер должен находится в положении «Сеть».

2.3.6 Снять зависимость выходной мощности от анодного напряжения магнетрона . Значения анодного напряжения выставляются ступенчато переключателем «Мощность» в соответствии с таблицей 2.2. Измерение мощности произвести на встроенном ваттметре, тумблер должен находится в положении «Мощность». При P_вых>10 Вт рекомендуется работать минимальное время.

2.3.7 Снять зависимость выходной мощности магнетрона от анодного тока . Значения анодного тока выставляются ступенчато переключателем «Напряжение» в соответствии со снятыми данными в пункте 2.3.4. Измерение мощности произвести по встроенному ваттметру.

2.3.8 Построить зависимость к.п.д. магнетрона от анодного тока, на основании результатов, снятых в пп. 2.3.4, 2.3.5 рабочего задания и таблицы 2.2, построить зависимость:

где ; .

2.3.9 Снять экспериментальную характеристику электронного смещения частоты .

Настройку измерительной линии проводите таким образом, чтобы показание микроамперметра было максимальным. Передвигая зонд вдоль линии, определите длину волны, как удвоенное расстояние между двумя максимумами (минимумами) поля.

Вычислите частоту СВЧ колебаний по формуле:

, (3)

где c – скорость света (м/с);

– критическая длина волны в волноводе, равная 0.3 м.

Значение тока на аноде I_a₀ выставляются ступенчато переключателем «Напряжение» в соответствии со снятыми данными в пункте 2.3.4.

2.4 Содержание отчета

В отчете представить блок-схемы проведенных измерений, графики и таблицы снятых и рассчитанных частотных и энергетических зависимостей магнетрона. В выводах по работе сопоставить экспериментально смятые зависимости с теоретическими.

2.5 Контрольные вопросы

2.5.1 Каков принцип работы и особенности лабораторного макета?

2.5.2 Какова траектория движения электрона, движущегося под различными углами к силовым линиям электрического поля?

2.5.3 Какие факторы влияют на траектории электрона, движущегося в стационарном магнитном поле?

2.5.4 Какова траектория электрона в плоском диоде, помещенном в магнитное поле?

2.5.5 Каковы конструктивные особенности многорезонаторных магнетронов?

2.5.6 Какие факторы определяют высокий к.п.д. магнетронов?

2.5.7 Каковы причины ограничения выходной мощности магнетронов?

2.5.8 Какие отличительные особенности магнетронов непрерывного и импульсного действия?

2.5.9 Каков механизм электронного смещения частоты магнетрона?

2.5.10 Каковы пути повышения стабильности частоты магнетрона?

2.5.11 Какие факторы ограничивают предельные рабочие частоты магнетрона?

2.5.12 Каковы основные достоинства и недостатки магнетронов?

3 Лабораторная работа №3. Исследование работы диодов Ганна

Цель работы: изучение принципа действия диода Ганна, исследование основных характеристик генератора на диоде Ганна, измерение основных параметров генератора.

3.1 Описание лабораторной работы

На рисунке 3.1 изображено окно программы моделирующей работу диодов Ганна.

Рисунок 3.1- Общий вид лабораторного стенда

Цифрами на рисунке 3.1 обозначены следующие элементы окна программы:

1) меню пуск;

2) меню помощь;

3) тумблер включения/выключения стенда;

4) индикаторная лампа;

5) индикатор режима работы;

6) панель выбора диода;

7) поле вывода схемы включения диода;

8) поле вывода осциллограмм;

9) регулятор изменения напряжения питания;

10) поле вывода значения тока;

11) регулятор изменения амплитуды входного сигнала;

12) поле вывода значения питающего напряжения;

13) поле вывода значения амплитуды входного сигнала.

В меню пуск выбор режима осуществляется нажатием на выбранный пункт режима работы диода Ганнна, после этого возле него появляется индикатор 1 – индикатор выбора (см. рисунок 3.2).

Рисунок 3.2 - Состав меню пуск

В меню «Помощь» выбор режима осуществляется нажатием на выбранный пункт меню (см. рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Состав меню помощь

3.2 Теоретический материал

Проблема создания многофункциональной, высоконадежной, экономичной и малогабаритной аппаратуры решается в настоящее время путем миниатюризации применяемых активных приборов и колебательных систем на основе использования полупроводниковых приборов и интегральных схем. До недавнего времени прогресс в указанном направлении целиком и полностью определялся уровнем развития технологии изготовления транзисторов. В последние годы здесь получены большие достижения: современные биполярные СВЧ транзисторы обладают максимальной частотой генерации порядка 10 ГГц, обеспечивая на частотах 4-5 ГГц выходную мощность в непрерывном режиме порядка 5 и 100 Вт на частотах около 1 ГГц. Полевые транзисторы могут работать на частотах выше 10-17 ГГц с выходной мощностью несколько ватт и коэффициентом усиления около 3 дБ. Однако появившиеся в конце 60-х годов полупроводниковые генераторные диоды СВЧ составили серьезную конкуренцию транзисторам, и в настоящее время, благодаря успехам современной технологии, значительно превзошли их по ряду важнейших показателей.

По сравнению с транзисторами генераторные диоды СВЧ обладают существенными преимуществами по максимальной частоте генерации, выходной мощности на частотах выше 5 ГГц, надежности, технологичности и массогабаритным характеристикам. Новые приборы выделены в отдельный класс электронных приборов – полупроводниковые генераторные диоды СВЧ.

Генераторы на диодах Ганна имеют малые размеры и массу, низковольтное питание, низкий уровень амплитудных и частотных шумов, большой срок службы и высокую надежность. Генераторы этого типа успешно применяются вместо отражательных клистронов в аппаратуре связи, доплеровских и импульсных портативных и переносных РЛС, приемоответчиках, системах охранной сигнализации и во многих других видах аппаратуры. Они используются в качестве генераторов передающих устройств непрерывного и импульсного режимов, свип-генераторов в панорамных измерительных приборах, гетеродинов в приемных устройствах и генераторов накачки.

В настоящее время выпускается более 250 типов генераторов на диодах Ганна.

Генераторы на диодах Ганна созданы на f=0,3…300 ГГц. По своему конструктивному выполнению подразделяются на коаксиально-волноводные и полосковые.

Промышленные типы генераторов на диодах Ганна по механической прочности и климатической устойчивости отвечают жестким эксплуатационным требованиям наземной и бортовой аппаратуры. Прогнозируемый срок службы этих генераторов 100 тыс.ч.

Работа генераторов СВЧ на полупроводниковых приборах с междолинным электронным переходом основана на физическом явлении, называемом эффектом Ганна, а созданные на его основе источники СВЧ колебаний – генераторами на диодах Ганна. Конструктивно диод Ганна представляет собой тонкую пластинку однородного полупроводника размером примерно 100´100 мкм с нанесенными на нее с двух сторон омическими контактами (см. рисунок 3.5).

Рисунок 3.5 - Устройство диода Ганна.

Основным материалом для диодов Ганна является арсенид галлия (GaAs), в котором донорная примесь придает проводимости электронный характер. Используется также фосфид индия (InP).

Принцип работы диодов Ганна состоит в следующем. При подведении к диоду постоянного напряжения, превышающего пороговое значение, в его катодной части образуются домены пространственного заряда. Эти домены под воздействием электрического поля проходят через область дрейфа к аноду. При этом в материале полупроводника возникают колебания с частотой, определяемой отношением средней скорости электронов к длине области дрейфа (толщине полупроводника).

3.2.1 Режимы работы диода Ганна в генераторе.

Моделирование на ЭВМ привело к обнаружению нескольких режимов работы диодов, возникающих при определенном сочетании параметров диода и внешней цепи и отличающихся друг от друга формой тока и напряжения, и энергетическими характеристиками.

В соответствии с устанавливающимся распределением электрического поля можно различать следующие режимы работы диодов Ганна: доменный, ОНОЗ (ограниченного накопления объемного заряда), гибридный, усилительный.

Различают три модификации доменного режима: пролетный, режим с задержкой образования домена и режим с подавлением (гашением) домена.

Пролетный режим (открытый Ганном) наблюдается при малых амплитудах напряжения U₁@0, когда диод работает на согласованную нагрузку R_н=R_o. В этом случае имеет место полное формирование домена, пролет и рекомбинация его на аноде. Время пролета определяет частоту колебаний: f=f_пр=1/t_пр=v/L.

Ток в цепи диода имеет форму периодически узких импульсов (см. рисунок 3.6), длительность определяется временем формирования домена и временем рекомбинации. Частота колебаний может незначительно изменяться изменении постоянного напряжения вследствие зависимо-v(E). КПД режима чрезвычайно низок, поэтому практически не находит применения в генераторных схемах.

Рисунок 3.6 - Форма тока МДП в пролетном режиме

Режим с задержкой образования домена имеет место при больших амплитудах колебаний U₁³U_o (см. рисунок 3.7), когда в течение некоторого интервала времени Dt_з минимальное напряжение на диоде становится меньше порогового: u_min=(U_o – U₁)<U_пор. Этот режим реализуется при включении МПД в высокодобротный параллельный колебательный контур.

Рисунок 3.7 - Форма тока МДП в режиме с задержкой

образования домена

Особенностью режима является то, что частота колебаний и энергетические характеристики генератора определяются, главным образом, внешней цепью. При этом период колебаний Т должен быть больше времени пролета (T>t_пр) так, чтобы напряжение падало ниже порогового значения прежде, чем домен достигнет анода (см. рисунок 3.7). При этом, если домен достигает анода в момент, соответствующий точке 2 на рисунке 7,б, то образование следующего домена задерживается на время Dt_з=T - t_пр. Форма колебаний тока показана на рисунке 3.7. Меняя Dt_з путем перестройки контура в пределах 0 - Т/2, можно осуществить перестройку частоты генерации в интервале 0,5f_пр<f<f_пр т. е. в диапазоне частот порядка октавы, так как при изменении частоты Dt_з/T=const.

Режим с подавлением (гашением) домена возникает при очень больших амплитудах напряжения, так что в течение части периода колебаний напряжение на диоде становится меньше напряжения гашения U_гаш, как показано на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - Форма тока в режиме с подавлением домена

При u<U_гаш домен рассасывается, и далее ток меняется пропорционально напряжению. Импульсы тока имеют значительный провал, что приводит к значительному ухудшению энергетических характеристик из-за уменьшения амплитуды первой гармоники. Как и в режиме с задержкой образования домена, в этом режиме частота генераций определяется высокодобротным внешним контуром и может изменяться путем его перестройки в диапазоне 0,5f<f<(2-3)f_пр.

Режим ограниченного накопления объемного заряда (ОНОЗ) возникает в том случае, когда время формирования домена превышает период колебаний. При этом домен не успевает сформироваться, и электрическое поле остается однородным, что соответствует статистической ВАХ диода. Такой режим реализуется только при использовании специальных диодов, со строго однородным профилем легирования при включении в высокодобротный параллельный колебательный контур на больших частотах и больших постоянных напряжениях U_o и амплитудах колебаний U₁. Необходимо отметить, что неполное рассасывание заряда может привести к электрическому пробою образца из-за последовательного накопления заряда за несколько периодов и увеличения напряженности поля выше допустимого значения.

Частота генераций в режиме ОНОЗ определяется только внешней колебательной системой и ограничена инерционностью “электронного газа”, обусловленной конечным временем между столкновениями частиц в решетке кристалла. Максимальная выходная мощность в режиме ОНОЗ на несколько порядков превышает мощность в доменных режимах. Форма колебаний тока показана на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Форма тока в режиме ОНОЗ

Гибридный режим является промежуточным между доменным и режимом ОНОЗ. В отличие от режима ОНОЗ, он возникает в том случае, когда в течение большей части периода колебаний существует достаточно большой пространственный заряд в виде несформировавшегося домена, однако в отличие от доменного режима время формирования домена столь велико, что влияние его на ток проявляется только после того, как пройдена большая часть падающего участка ВАХ. Форма колебаний тока показана на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Форма тока в гибридном режиме

3.3 Порядок выполнения работы

3.3.1 Исследовать вольт – амперную характеристику.

В меню пуск выбрать режим измерения вольт – амперной характеристики, изменяя регулятором 9 напряжение питания получить соответствующие значения тока. Полученные данные занести в таблицу. Построить зависимость I=f(U_o).

3.3.2 Исследовать работу диода Ганна в пролетном режиме.

В меню пуск выбрать пролетный режим, изменяя регулятором 11 амплитуду входного сигнала получить соответствующие осциллограммы тока. По осциллограммам определить амплитуду тока и частоту.

3.3.3 Исследовать работу диода Ганна в режиме с задержкой образования домена.

В меню пуск выбрать режим с задержкой образования домена, изменяя регулятором 11 амплитуду входного сигнала получить соответствующие осциллограммы тока. По осциллограммам определить амплитуду тока и частоту.

3.3.4 Исследовать работу диода Ганна в режиме с подавлением (гашением) домена.

В меню пуск выбрать режим с подавлением (гашением) домена, изменяя регулятором 11 амплитуду входного сигнала получить соответствующие осциллограммы тока. По осциллограммам определить амплитуду тока и частоту.

3.3.5 Исследовать работу диода Ганна в режиме ограниченного накопления объемного заряда.

В меню пуск выбрать режим ограничения накопления объемного заряда, изменяя регулятором 11 амплитуду входного сигнала получить соответствующие осциллограммы тока. По осциллограммам определить амплитуду тока и частоту.

3.3.6 Исследовать работу диода Ганна в гибридном режиме.

В меню пуск выбрать гибридный режим, изменяя регулятором 11 амплитуду входного сигнала получить соответствующие осциллограммы тока. По осциллограммам определить амплитуду тока и частоту.

3.4 Расчетное задание

3.4.1 Рассчитать выходную мощность и КПД в пролетном режиме.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

, (4)

где .

Сопротивление диода определяется по формуле:

. (5)

Значения U_пор и I_пор определяются по вольт – амперной характеристике. Методика определения приведена на рисунке 3.11.

Значение выходной мощности определяется по формуле:

. (6)

Значение КПД:

. (7)

Значения U_о и I_о определяются по вольт – амперной характеристике.

Рисунок 3.11 - Вольт – амперная характеристика диода Ганна

3.4.2 Рассчитать выходную мощность и КПД в режиме с задержкой образования домена.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

, (8)

где

Сопротивление диода определяется по формуле:

. (9)

Значения Uпор и Iпор определяются по вольт – амперной характеристике. Методика определения приведена на рисунке 3.11.

Значение выходной мощности определяется по формуле:

. (10)

Значение КПД:

. (11)

Значения U_о и I_о определяются по вольт – амперной характеристике.

3.4.3 Рассчитать выходную мощность и КПД в режиме с подавлением (гашением) домена.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

, (12)

где

Сопротивление диода определяется по формуле:

. (13)

Значение выходной мощности определяется по формуле:

. (14)

Значение КПД:

. (15)

Значения U_о и I_о определяются по вольт – амперной характеристике.

3.4.4 Рассчитать выходную мощность и КПД в режиме ограниченного накопления заряда.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

, (16)

где

Сопротивление диода определяется по формуле:

. (17)

Значение выходной мощности определяется по формуле:

. (18)

Значение КПД:

. (19)

Значения U_о и I_о определяются по вольт – амперной характеристике.

3.4.5 Рассчитать выходную мощность и КПД в гибридном режиме.

Выходное напряжение рассчитывается по формуле:

, (20)

где

Сопротивление диода определяется по формуле:

. (21)

Значение выходной мощности определяется по формуле:

. (22)

Значение КПД:

. (23)

Значения U_о и I_о определяются по вольт – амперной характеристике.

3.4 Содержание отчета

В отчете представить блок-схемы проведенных измерений, графики и таблицы, снятых при различных режимах работ диода Ганна, а также привести расчеты выходной мощности и КПД в различных режимах диода Ганна, вывод по проделанной работе.

3.5 Список контрольных вопросов

3.5.1 В каком диапазоне частот работают генераторы на диодах Ганна?

3.5.2 Что является характерным для доменных режимов?

3.5.3 При каких условиях наблюдается пролетный режим?

3.5.4 При каких условиях наблюдается режим с задержкой образования домена?

3.5.5 При каких условиях наблюдается режим с подавлением домена?

3.5.6 При каких условиях наблюдается режим ОНОЗ?

3.5.7 Какой режим является промежуточным между доменным и режимом ОНОЗ?

3.5.8 Назовите главное достоинство режима ОНОЗ.

3.5.9 Кем открыт режим ОНОЗ?

3.5.10 Кем открыт пролетный режим?

3.5.11 Характер гибридного режима зависит?

3.5.12 Дайте качественное объяснение эффекта Ганна на основе двухдолинной модели полупроводника.

3.5.13 Особенности устройства диода Ганна.

3.5.14 Как зависит средняя скорость электронов в арсениде галлия от напряженности электрического поля?

3.5.15 Объяснить физическую картину образования домена.

3.5.16 Объяснить вольт – амперную характеристику диода Ганна.

3.5.17 Принцип действия генератора на диоде Ганна в пролетном режиме.

3.5.18 Принцип действия генератора на диоде Ганна в режиме с подавлением домена.

3.5.19 Принцип действия генератора на диоде Ганна в режиме с задержкой образования домена.

3.5.20 Принцип действия генератора на диоде Ганна в режиме ОНОЗ.

3.5.21 Принцип действия генератора на диоде Ганна в гибридном режиме.

3.5.22 Чем определяется верхняя рабочая частота генератора на диоде Ганна?

3.5.23 Каким образом можно осуществить перестройку частоты генератора на диоде Ганна?

3.5.24 Область применения диода Ганна.

Список литературы

1. Малорадский А.Г., Явич Л.Р. Проектирование и расчет СВЧ устройств. – М.: Радио и связь, 2003. – 232 с.

2. Электронные приборы СВЧ. Березин В. М., Буряк В. С., Гутцайт Э. М., Марин В. П. - М.: Радио и связь, 1989. – 296 с.

3. Уотсон Г. СВЧ полупроводниковые приборы и их применение. – М.: Связь, 2010. – 245с.

4. Вайнштейн Л.А., Вакман Д.Е. О движении электронов в магнетронных и гирорезонансных приборах. – М.: Радиотехника и электроника, 1979. - с.1608.

5. Лебедев А. И. Физика полупроводниковых приборов. — М.: Физматлит, 2008. – 225с.

6. Основы использования магнетронов / Под.ред. Ю.Н. Хлопова. - М.: Сов. радио, 1989. - 334 с.

7. Пасынков В. В., Чиркин Л. К. Полупроводниковые приборы: Учебник для вузов. — 8-е издание, исправленное.— М.: Лань, 2006. — 480 с.

8. Полупроводниковая схемотехника. Титце У., Шенк К. – М.: ДМК Пресс, 2008. – 396 с.

Содержание

Лабораторная работа №2. Исследование магнитронного генератора

Лабораторная работа №3. Исследование работы диодов Ганна

Список литературы

Св. план 2013 г., поз. 112

Куликов Андрей Александрович
Лановенко Марина Васильевна

РАДИОТЕХНИЧЕСКИЕ ЦЕПИ
Методические указания к выполнению лабораторных работ
для студентов специальности 5В074600 – Космическая техника и технологии

Редактор Н.М. Голева
Специалист по стандартизации Н.К. Молдабекова

Подписано в печать __.__.____.
Формат 60х84 1/16
Тираж 50 экз
Бумага типографская №1
Объем __1,6_ уч.-изд. л.
Заказ ___. Цена _160_т.

Копировально-множительное бюро
Некоммерческого акционерного общества
«Алматинский университет энергетики и связи»
050013, Алматы, Байтурсынова, 126