КОАКСИАЛЬНЫЙ ИСТОЧНИК ШУМА

Техническое решение относится к области радиотехники, а именно к коаксиальным широкополосным источникам белого гауссово шума и может быть использовано для измерения и калибровки радиоэлектронной аппаратуры, испытаний радиоприемных устройств, тестирования аналого-цифровых преобразователей (АЦП), в системах измерения коэффициентов шума и других применениях требующих использования широкополосного шума.
Из существующего уровня техники известен коаксиальный источник шума (КИШ) NC 3201K имеющий параметры: диапазон частот от 10 кГц до 1,0 ГГц, коэффициент выходного шума 23-27 дБ, равномерность ±1,0 дБ, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 3:1, входная мощность 560 мВт (+28 В постоянного тока 20 мА). Источник информации (WWW.noisecom.com).
Недостатками данного устройства являются:
Сравнительно узкий диапазон частот в области высоких частот.
Сравнительно низкий коэффициент выходного шума.
Из существующего уровня техники известен коаксиальный источник шума NW2G-30-CS имеющий параметры: диапазон частот от 10 кГц до 2,0 ГГц, коэффициент выходного шума 30 дБ, равномерность ±1,5 дБ, коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) 3:1, входная мощность 560 мВт (+28 В постоянного тока 20 мА). Источник информации (WWW.noisewave.com).
Недостатками данного устройства являются:
Сравнительно узкий диапазон частот в области высоких частот.
Сравнительно не высокий коэффициент выходного шума.
Сравнительно большая входная мощность.
Эти недостатки обусловлены тем, что в известном устройстве использован лавинно-пролетный диод с зоной генерации шума не позволяющей обеспечить высокое значение частотного диапазона в области высоких частот.
Задачей, на решение которой направлено заявляемое техническое решение является устранение недостатков и осуществление возможности расширить диапазон частот в область высоких частот с сохранением нижнего предела частоты, увеличить значение коэффициента выходного шума, уменьшить значение входной мощности. В основу настоящего технического решения положена задача создание нового коаксиального источника шума, обладающего лучшими техническими характеристиками при меньшей входной мощности.
Поставленная задача решается благодаря тому, что коаксиальный источник шума, представляющий собой широкополосный источник белого гауссово шума в широком диапазоне частот, выполненный на основе лавинно-пролетного диода (ЛПД), конструктивно исполненный в металлическом корпусе, характеризующийся тем, что КИШ содержит печатную плату, в состав которой входит источник шума, разделительные конденсаторы, широкополосный усилитель, высокочастотный разъем, причем источник шума через первый разделительный конденсатор присоединен к входу широкополосного усилителя, выход которого через второй разделительный конденсатор присоединен к высокочастотному разъему, печатная плата размещена в металлическом герметичном корпусе, на торцевых частях корпуса с одной стороны расположен высокочастотный разъем, с другой стороны контакты электропитания;в качестве источника шума использован ЛПД, причем расширение диапазон частот в область высоких частот с сохранением нижнего предела частоты обеспечивают подбором тока смещения ЛПД.
Коаксиальный источник шума может содержать резистор в цепи электропитания широкополосного усилителя, обеспечивая другое напряжение питания.
Коаксиальный источник шума может содержать в качестве источника шумового сигнала двухпролетный ЛПД.
В схему КИШ дополнительно включен широкополосный усилитель обеспечивающий увеличение значения коэффициента выходного шума, выбор элементов их связей и разработка конструкции КИШ позволило снизить значение входной мощности, причем конструкция коаксиального источника шума позволяет использовать его в жестких условиях эксплуатации.
Сущность предлагаемого устройства заключается в том, что методом экспериментального подбора тока смещения лавинно-пролетного диода, выбора его типа и характеристик, расширен диапазон частот источника шума в область высоких частот, использование широкополосного усилителя позволило получить высокий коэффициент шума, определение характеристик и выбор элементов коаксиального источник шума и разработка его конструкции позволило снизить значение входной мощности, а в совокупности позволило выполнить поставленную задачу.
Технический результат достигается за счет того что, в разработанной конструкции коаксиального источника шума используют лавинно-пролетный диод с соответствующей зоной генерации шума, широкополосный усилитель, металлический герметичный корпус.
Техническая задача состоит в разработке конструкции коаксиального источника шума, необходимых соединений элементов устройства, которое содержит: печатную плату с элементами схемы, на которой расположены источник шума на основе ЛПД, разделительные конденсаторы, широкополосный усилитель, высокочастотный разъем, плата размещена в металлическом герметичном корпусе.
Наличие причинно-следственной связи между совокупностью существенных признаков заявляемого объекта и достигаемым техническим результатом показано в таблице 1.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков является: расширение диапазона частот в область высоких частот от 10 кГц до 6 ГГц, увеличение значения коэффициента выходного шума до 40 дБ, уменьшение значения входной мощности до 300 мВт. Сущность изобретения поясняется чертежами, на которых изображено:
На фиг. 1 - Вольт-амперная характеристика лавинно-пролетного диода.
На фиг. 2 - Осциллограмма экспериментальных измерений ЛПД.
На фиг. 3 - Схема соединений элементов.
На фиг. 4 - Чертеж внешнего вида.
Для понимания принципа действия лавинно-пролетных электронных приборов сверхвысоких частот (СВЧ), протекающие в них процессы удобно рассматривать со следующих позиций. Носители заряда, движущиеся в ускоряющем их электрическом поле, приобретают дополнительную энергию за счет источника этого поля. Если движение происходит в постоянном ускоряющем поле и действующем в том же пространстве переменном электрическом поле, то во время тормозящих полупериодов переменного поля носители будут отдавать во внешнюю цепь энергию, полученную от источника постоянного поля и из цепи переменного поля во время ускоряющих полупериодов. При постоянном количестве носителей, движущихся как во время ускоряющего, так и тормозящего полупериодов, в цепи сигнала ими будет попеременно выделяться и отбираться практически равное количество энергии, то есть в среднем за период переменного поля энергообмен с ним равен нулю. Можно изменить эту ситуацию, если каким-то способом сделать поток носителей неравномерным во времени: в течение тормозящего полупериода переменного поля носителей движется больше, в течение ускоряющего - меньше. Тогда в среднем за период они будут преимущественно отдавать энергию в цепь переменного сигнала, получая ее от источника постоянного ускоряющего поля. Это и есть случай образования отрицательной активной проводимости.
Лавинно-пролетный диод - это одно из тех полупроводниковых устройств, принцип действия которых связан с использованием соизмеримости времени прохождения ("пролета") носителей заряда через рабочий объем прибора и периода приложенного к этому объему переменного напряжения. Реальные значения скоростей движения носителей зарядов и геометрических размеров областей, в которых происходит их взаимодействие с электрическим полем сигнала, таковы, что эта соизмеримость достигается особенно в диапазоне сверхвысоких частот.
В настоящее время генераторы и усилители на ЛПД являются наиболее мощными и коротковолновыми среди полупроводниковых устройств СВЧ диапазона.
Для детального изучения особенностей лавинно-пролетных режимов в полупроводниковых структурах и применения этих режимов для создания различных генераторов и усилителей СВЧ диапазона может быть рекомендована литература: "Электронные приборы сверхвысоких частот" под ред. В.Н. Шевчика, М.А. Григорьева, изд. Саратовского ун., 1980.
"СВЧ-полупроводниковые приборы и их применение", под ред. Г. Уотсона, Мир, М., 1972. "СВЧ-генераторы на горячих электронах", Дж. Керолл, Мир, М., 1972.
Выполнение же настоящей задачи предполагает наличие лишь основных физических представлений о лавинно-пролетном режиме. Задача посвящена знакомству с генератором, построенном на наиболее простом, но в то же время и наиболее распространенном диоде с p-n переходом, работающем в режиме IMPATT (IMPact Avalanche and Transit Time - ударная лавина и пролетное время).
В лавинно-пролетном диоде само рождение носителей зарядов не непрерывно, а может происходить, например, только в определенные интервалы времени, повторяющиеся с периодичностью переменного поля. Это обеспечивается периодическим переходом диода в режим лавинного пробоя.
Лавинный пробой возникает в p-n переходе при определенном значении напряжения обратного смещения. На фиг. 1 показана типичная вольт-амперная характеристика диода с p-n переходом, обратному смещению соответствует левая полуплоскость. При малых напряжениях обратного смещения ток через диод составляет малую величину Is, но при достижении определенного значения Uпроб. начинает резко возрастать, что в принципе может привести к разрушению диода.
Процесс пробоя связан с тем, что при достаточных напряжениях обратного смещения напряженность электрического поля в окрестности контакта n- и p- полупроводников оказывается настолько большой, что на длине свободного пробега носителей они могут приобрести энергию, достаточную для ударной ионизации атомов кристаллической решетки и образования, тем самым, новых носителей заряда. Они, в свою очередь, так же вовлекаются в процесс ударной ионизации, и в результате развивается лавинная генерация свободных зарядов, которая и приводит к резкому нарастанию тока, к пробою области p-n перехода. Если внешняя цепь позволяет ограничивать величину тока, то режим пробоя может быть устойчивым и не сопровождаться необратимыми изменениями. При этом рассмотренный механизм оказывается просто удобным способом генерации значительного количества носителей заряда непосредственно в области p-n перехода, к тому же генерации, управляемой электрическим полем (полевая инжекция зарядов).
Не вдаваясь в детали механизма лавинного пробоя, анализ которого достаточно сложен, ограничимся тем, что связь лавинного тока и напряжения на диоде для U≤Uпроб. аппроксимируем функцией
i лав.=is(1+ΔUN)
где is - начальный ток), ΔU=U-Uпроб., N-параметр, характеризующий эффективность умножения тока. (см. фиг. 1)
Учитывая тот факт, что ЛПД имеют большой уровень собственных шумов, они незаменимы как активные элементы генераторов шума, подробно изложено в работах Лошицкий П.П., Павлюченко А.В. Генерация шума двухпролетными лавинно-пролетными диодами в аномальном режиме. // Электроника и связь. Тематический выпуск «Проблемы электроники». - 2007. - ч. 1. - С. 28-32., Ван-дер-Зил А. Шумы в твердотельных приборах и лазерах. // ТИИЭР. - 1971. - Т. 61, №8. - С. 5-34. В настоящее время для получения максимальных мощностей в непрерывном и импульсном режимах работы используются двухпролетные ЛПД, в работе которых носители зарядов - электроны и дырки играют примерно одинаковую роль. Технология изготовления таких приборов является достаточно сложной и, несмотря на определенный прогресс в этой области, многие технологические процессы трудно контролировать и выполнять с точностью, необходимой для получения заданной геометрии приборов СВЧ диапазона. Неконтролируемая погрешность технологических процессов может изменить такие параметры диодов как: длины пролетных пространств, концентрации примесей в дрейфовых участках, резкость p-n - перехода. Такие «незначительные ошибки» могут кардинальным образом изменить режимы работы диодов.
В процессе изготовления структур и при отборе диодов, в основном, контролируются такие параметры как пробивное напряжение, вольт-амперная и вольт-фарадная характеристики. Эти характеристики позволяют установить наличие симметрии пролетных областей. Однако установление точной структуры двухпролетного ЛПД такими методами не проводится. Подбором тока смещения, в зоне подбора тока (фиг. 1) может быть определен оптимальный ток, обеспечивающий широкополосность выходного сигнала в больших пределах.
Проведенные исследования зависимости тока смещения ЛПД и ширины полосы частот выходного сигнала показали что, с уменьшением тока смещения расширяется полоса частот выходного сигнала. Экспериментальные измерения серии образцов ЛПД показали что, при токе смещения 1 мА полоса частоты составила 18 ГГц и более. На фиг. 2 представлена осциллограмма экспериментальных измерений ЛПД с анализатора спектра Agilent N9030A на которой отмечены маркерами значения частот для трейса 1 (желтый цвет) - собственные шумы анализатора спектра и системы измерений, трейс 2 (черный цвет) - выходной сигнал ЛПД, а также приведена таблица с указанием нумерации маркеров (МКР), (MODE), (ТРС) - трейс 1 или 2, значение частот (X), их уровней (Y) и разница их значений (Δ).