Diode gunn – varactoren
Principe de travail de la diode Gunn:
Un principe de fonctionnement de la diode Gunn pratique se compose d’une tranche comme celle illustrée à la figure 12-24, parfois avec une couche tampon entre la couche active et le substrat, monté dans l’un des nombreux packages, selon le fabricant, la fréquence et le niveau de puissance.
Encapsulation identique à celle montrée pour les diodes varactor en commun. La puissance qui doit être dissipée est assez comparable.
Le principe de fonctionnement de la diode Gunn est cultivé épitaxiant à partir de GaAs ou inp dopé au silicium, au tellurium ou au sélénium. Le substrat, utilisé ici comme contact ohmique, est fortement dopé pour une bonne conductivité, tandis que la couche active mince est moins fortement dopée.
Les contacts en alliage d’or sont électrodéposés et utilisés pour un bon contact ohmique et un transfert de chaleur pour la dissipation ultérieure. Des diodes ont été faites avec des couches actives variant en épaisseur de 40 à environ 1 μm aux fréquences les plus élevées. La structure réelle est normalement carrée, et jusqu’à présent, les diodes GaAS prédominent commercialement.
Performance de la diode Gunn:
En tant que bonne approximation, le circuit équivalent d’un principe de fonctionnement de la diode GAAS en bande X Gunn se compose d’une résistance négative d’environ 100 ohms (100 Ω) en parallèle avec une capacité d’environ 0,6 pf.
Une telle diode commerciale nécessitera un biais CC de 9 V et, avec un courant de fonctionnement de 950 mA, la dissipation dans son dissipateur de chaleur (cathode) sera de 8,55 W. Étant donné que la sortie (n’importe où dans la plage de 8 à 12,4 GHz) est de 300 MW, l’efficacité est considérée comme de 3,5%.
Une diode Gunn à plus haute fréquence, opérant sur la plage de 26,5 à 40 GHz, pourrait produire une production de 250 MW avec une efficacité de 2,5%.
Dans l’ensemble, les diodes GAAS Gunn sont disponibles dans le commerce pour les fréquences de 4 GHz (1 à 2 W CW maximum) à environ 100 GHz (50 MW CW maximum). Sur cette plage, l’efficacité maximale revendiquée passe de 20 à environ 1%, mais pour la plupart des diodes commerciales de 2,5 à 5%, est normale.
Les diodes InP, pas encore aussi avancées commercialement, ont une performance qui varie de 500 MW CW à 45 GHz (efficacité de 6%) à 100 MW CW à 90 GHz (efficacité de 4,5%); Des pouvoirs et des fréquences de fonctionnement plus élevés sont attendus.
Les autres options disponibles incluent deux diodes ou plus dans un package d’oscillateur pour les sorties CW plus élevées et les diodes pour les sorties pulsées.
Dans ce dernier cas, les diodes commerciales produisent jusqu’à quelques dizaines de watts pulsés, avec 1% de cycles de service et d’efficacité un peu mieux que pour les diodes CW.
Oscillateurs Gunn:
Étant donné que le principe de fonctionnement de la diode Gunn se compose essentiellement d’une résistance négative, tout ce qui est requis en principe pour en faire un oscillateur est une inductance pour régler la capacité, et une résistance à la charge de shunt non supérieure à la résistance négative.
Cela a déjà été discuté en conjonction avec la diode tunnel. En pratique, une cavité coaxiale fonctionnant en mode TEM a été trouvée la plus pratique pour la fréquence fixe (mais avec un certain réglage mécanique).
Un oscillateur Gunn coaxial typique est illustré à la figure 12-26. Si un réglage électrique est également nécessaire, un varactor peut être placé dans la cavité, à l’extrémité opposée à la diode gunn.
Les dimensions illustrées à la figure 12-26 sont sélectionnées pour fournir un montage et une dissipation de diodes appropriées, ainsi que des oscillations en mode parasites.
Les VCO Gunn à réglage Yig sont disponibles pour les applications d’instruments, avec des gammes de fréquences aussi grandes que 2 octaves, beaucoup plus importantes que possible avec les varacteurs. Une sélection de ces oscillateurs est illustrée à la figure 12-27.
L’ensemble de 300 g, 50 x 50 mm contient une tranche de gunn sur un dissipateur thermique et une cavité avec une petite sphère Yig. Il y a un radiateur pour la sphère Yig, pour le garder à une température constante et une bobine pour modifier le champ magnétique.
La fréquence instantanée de l’oscillation est régie par la fréquence de la cavité, qui à son tour dépend de la sphère Yig et du champ magnétique par lequel il est entouré. C’est la diode Gunn, plutôt que le mécanisme de réglage, qui détermine les limites de fréquence.
Lorsque la fréquence du résonateur est modifiée, la diode elle-même réagit en générant son domaine à une distance de l’anode de telle sorte que le temps de transit du domaine correspond à un cycle d’oscillations.
À mesure que la fréquence est augmentée, le point de formation du domaine se rapproche de l’anode. Les oscillations s’arrêtent finalement lorsque ce point est plus que à mi-chemin de la tranche.
Les oscillateurs Avantek du type illustré à la figure 12-27 couvrent la plage de 1 à 12,4 GHz, avec des gammes de réglage (ou de balayage) généralement de l’octave pour chacun. Une modulation de fréquence est également possible, via les bornes fournies, et dans toutes les modifications de fréquence très rapides peuvent être apportées.
Ces VCO sont conçus comme des remplacements d’oscillateurs à ondes arrière, certainement à l’extrémité inférieure du spectre de fonctionnement du BWO. Les sorties de puissance typiques varient jusqu’à 50 MW, et la consommation d’énergie totale peut être de 5 W, y compris la puissance pour la sphère YIG.
Enfin, il convient de mentionner que les performances de bruit des oscillateurs Gunn sont tout à fait acceptables. Le bruit AM parasites est à égalité avec celui du Klystron (qui est lui-même très bon), tandis que le bruit FM parasites est pire, mais pas trop élevé pour les applications normales.
Le verrouillage d’injection avec un signal à faible amplitude et à haute stabilité aide à réduire considérablement le bruit FM.
Amplificateurs de diodes Gunn:
Comme cela a été montré dans le cadre de la diode du tunnel, un dispositif présentant une résistance négative peut être utilisé comme amplificateur, et bien sûr la diode Gunn se qualifie à cet égard. Cependant, les amplificateurs de diodes Gunn ne sont pas utilisés presque autant que les oscillateurs Gunn. Les raisons sont nombreuses.
D’une part, les amplificateurs de diodes Gunn ne peuvent pas rivaliser pour la puissance de sortie et le bruit faible avec les amplificateurs FET GaAs à des fréquences inférieures à environ 30 GHz, et à des fréquences plus élevées, elles ne peuvent pas rivaliser avec la puissance de sortie ou l’efficacité du tube électronique ou des amplificateurs Impatt (voir la section suivante).
En conséquence, la niche qui leur est laissée est aussi faible à un bruit moyen-bruit de faible puissance dans la gamme de fréquences de 30 à 100 GHz.
Sur cette plage, ils sont capables d’amplifier avec des chiffres de bruit de l’ordre de 20 à 30 dB, une efficacité relativement faible et un gain de puissance par étape, et une puissance de sortie qui est peut-être deux à quatre fois plus élevée serait attendue d’un oscillateur à diode à un seul diode (cela est réalisé en combinant la sortie de plusieurs diodes dans l’étape finale).
Une avenue d’approche pour l’amélioration consiste à utiliser un amplificateur à diode diode-gunn de tunnel hybride, dans lequel les étapes d’entrée de diode du tunnel réduisent considérablement la figure de bruit.
Notant que ce qui précède s’applique aux diodes d’arséniure de gallium, une autre avenue d’approche consiste à utiliser des dispositifs de phosphure d’indium.
Les premiers résultats avec le principe de fonctionnement de la diode GUNN INP sont les plus encourageants, avec des chiffres de bruit aussi bas que 12 dB rapportés pour les amplificateurs dans la gamme de 50 à 60 GHz.
Pour des raisons identiques à ceux qui s’appliquent aux oscillateurs Gunn au réglage de Yig, les amplificateurs Gunn, qu’ils soient GAAS ou INP, sont capables d’opérer en bande, des gammes de bande passante 2: 1 n’étant pas inhabituelles. Ils sont très supérieurs aux amplificateurs d’Impatt à cet égard.
Application de la diode Gunn:
Les applications de diodes Gunn ayant pris plus ou moins le monde des micro-ondes, les oscillateurs de diode Gunn sont largement utilisés et également recherchés et développés. Ils sont fréquemment utilisés en tant qu’oscillateurs de faible et moyenne puissance dans les récepteurs et instruments micro-ondes.
La majorité des amplificateurs paramétriques utilisent désormais les diodes Gunn comme sources de pompe. Ils ont l’avantage sur les diodes Impatt d’avoir un bruit beaucoup plus faible, ce qui est un critère important dans la sélection d’un oscillateur de pompe.
Lorsque des fréquences de pompe très élevées sont nécessaires, la technique d’utilisation d’un oscillateur Gunn à basse fréquence et de doubler la fréquence avec un multiplicateur de varactor est souvent utilisée.
Les oscillateurs GUNN de plus grande puissance (250 à 2000 MW) sont utilisés comme oscillateurs de puissance, généralement modulés en fréquence, dans une grande variété d’applications d’émetteur à faible puissance.
Ceux-ci incluent actuellement le radar de police, le radar CW Doppler, les alarmes de cambrioleurs et les indicateurs de taux de réduction des avions.