A Gunn diódák olyan félvezető eszközök, amelyek kis teljesítményű mikrohullámú jelek egyszerű és alacsony költségű előállítására szolgálnak. Ezeket már több mint 60 éve használják. A Gunn diódák néhány gigahertztől 100 GHz-ig terjedő frekvenciákkal működhetnek. Először J. B. Gunn, az IBM munkatársa fedezte fel az 1960-as évek elején.
Napjainkban a Gunn diódákat a kereskedelemben számos alkalmazási területen használják, beleértve a mikrohullámú adatvonalakat, az alacsony teljesítményű FM és CW radarokat, a behatoló riasztókat stb. Stabil hőmérsékleti és feszültségi paraméterek mellett az ezeket a diódákat használó áramkörök 15 mW teljesítményt képesek generálni. 1 watt teljesítmény, alacsony zajszint és kiváló frekvenciastabilitás. A pisztolydiódákat különösen kedvelik a rajongók a 10 GHz-en működő amatőr rádiókban.
Építkezés
A Gunn dióda egyetlen darab N-típusú szilíciumból készül. Ez három fő részre oszlik, amint az 1. ábrán látható.
Az eszköz felső és alsó része N+ anyagot tartalmaz, amelyet alaposan adalékoltak, ami erős vezetőképességet eredményez a külső paraméterekkel való összekapcsoláshoz.
Egy vezetékcsatlakozás van a vezető alaphoz rögzítve, amelyre a készülék fel van szerelve. A készülék alja hűtőbordaként is szolgál a felesleges hő elnyelésére.
A felső felületen egy arany link található, amely a dióda ellentétes csatlakozójához kapcsolódik. A kivételes vezetőképesség és viszonylagos stabilitás biztosításához az arany elengedhetetlenné válik.
Az eszköz aktív tartománya középen helyezkedik el, amely kevésbé erősen adalékolt és alacsonyabb vezetőképességű. Ez általában körülbelül 0,5 ohm köbcentiméterenként, ami azt jelzi, hogy az eszközön alkalmazott feszültség szinte teljes egészében áthalad a dióda ezen a rétegén.
A dióda aktív rétegének átlagos vastagsága tíz mikron (0,001 cm). Vastagsága nyilván diódánként különbözik, mert ez elsősorban a dióda általános működését befolyásolja. Ez azt jelenti, hogy az eszköz működési frekvenciája kritikus eleme az adatlapnak.
A Gunn dióda egyedi kialakítású, mert teljes egészében N-típusú anyagból készült, és nincs P-N átmenete. Lényegében ez nem egy hagyományos típusú dióda, hanem teljesen más elven működik.
Hogyan működik a Gunn dióda
Bár a Gunn-dióda működése bonyolultnak tűnhet, alapvetően meg lehet érteni.
Az eszköz aktív középső tartománya ki van téve a rákapcsolt feszültség által keltett potenciál nagy részének. Ez a tartomány rendkívül vékony, és már egy kis feszültségeltolódás is jelentős potenciál gradienst vagy feszültségingadozást mutat egy bizonyos távolságon belül.
Ahogy a 2. ábrán látható, egy áramimpulzus kezd átfolyni az aktív zónán, amikor a rákapcsolt feszültség elér egy meghatározott szintet.
Ennek eredményeként az aktív régió többi részének potenciálgradiense csökken, ami leállítja a további áramimpulzusok generálását. Csak miután az áramimpulzus átmegy az aktív zóna másik végére, tér vissza a nagy potenciál gradiens, lehetővé téve egy újabb áramimpulzus generálását.
Ha a feszültség- és áramgörbét kirajzoljuk, akkor a sajátos áramimpulzus-tevékenység más szögből is látható.
Különbség az egyenirányító dióda és a Gunn dióda között
- Egy hagyományos egyenirányító dióda és egy Gunn dióda görbéit a fenti 3. ábra diagramja ábrázolja.
- A hagyományos egyenirányító dióda árama növekszik a feszültséggel, de ez az összefüggés nem mindig lineáris.
- Másrészt a Gunn-dióda árama emelkedni kezd, és egy meghatározott feszültség elérése után csökkenni kezd, mielőtt ismét növekedne.
- Oszcillációs tulajdonságait ez a tartomány okozza, ahol leesik, amelyet 'negatív ellenállás' régiónak neveznek.
A frekvencia beállítása
Bár az aktív tartomány vastagsága meghatározza az általános működési frekvenciát, mégis lehetséges a frekvencia egy adott tartományon belüli megváltoztatása. Mivel a Gunn dióda mikrohullámú készülék, általában egy hullámvezető üregbe van beépítve, hogy hangolt áramkört hozzon létre. Működési frekvenciáját a teljes szerelvény rezonanciafrekvenciája határozza meg.
A hangolási folyamat többféle módon is végrehajtható. Egy állítható csavar behelyezésével a hullámvezető üregébe mechanikai változtatások hajthatók végre, lehetővé téve az alapvető hangolásjelzőt.
Ennek ellenére általában szükség van elektromos hangolásra is, és két különböző módszer egyike használható. Az első módszer egy varaktordióda csatlakoztatását jelenti a Gunn oszcillátor áramkörhöz.
Amikor a varaktor diódán lévő feszültség megváltozik, a kapacitás megváltozik, ami megváltoztatja a frekvenciát, amelyen az egész áramkör rezonál.
Bár ez a módszer olcsó és egyszerűen használható, számos hátránya van. Először is, korlátozott működési tartománya van. Másodszor, ez a technika sok fáziszajt termel, ami sok alkalmazáshoz nem megfelelő.
A YIG használata a hatékony frekvenciabeállításhoz
A YIG anyag használata hatékonyabb hangolási technikának tűnik. Ez magában foglalja az ittrium-vasgránátot, egy ferromágneses anyagot.
Amikor a Gunn diódát és a YIG-t behelyezzük az üregbe, az üreg effektív mérete csökken. Ehhez egy tekercset helyeznek el a hullámvezetőn kívül.
Amikor áram folyik át a tekercsen, az megnöveli a YIG mágneses térfogatát és összehúzza az üreg elektromos dimenzióját. Ennek eredményeként a működés gyakorisága nő. YIG hangolással a fáziszaj jelentősen csökken, és nagy frekvenciatartomány érhető el.
A Gunnplexer használata rádióamatőrhöz
A Gunn dióda oszcillátor az Advanced Receiver Research által kínált kereskedelmi adó-vevő alkatrésze rádióamatőr használatra. A 'Gunnplexer' néven emlegetett eszköz névleges amatőr jelek 10 GHz-ről történő előállítására és lekonvertálására szolgál 2 méteren (144 MHz), vagy más alacsonyabb köztes frekvenciákon (IF).
A Gunnplexer egy Gunn-diódából áll, amely egy nagy nyereségű téglalap alakú kürtantennához csatlakozik, valamint Schottky keverődiódákból áll, amelyek egy 10 GHz-es üregbe vannak zárva.
A normál rezonanciafrekvenciától 60 MHz-ig terjedő frekvenciaváltozás érhető el varaktor hangolással. A Gunn dióda adóként és helyi oszcillátorként is működik a lefelé átalakított 2 méteres IF számára.
