Gunn diode su poluvodički uređaji koji se koriste za generiranje mikrovalnih signala male snage na jednostavan i jeftin način. Oni su u upotrebi već više od 60 godina. Gunn diode mogu raditi s frekvencijama u rasponu od nekoliko gigaherca do preko 100 GHz. Prvi ga je otkrio J. B. Gunn iz IBM-a ranih 1960-ih.
Danas se Gunn diode komercijalno koriste u širokom rasponu aplikacija, uključujući mikrovalne podatkovne linije, FM i CW radare male snage, protuprovalne alarme itd. Pod stabilnim parametrima temperature i napona, krugovi koji koriste ove diode mogu generirati 15 mW za 1 watt snage i imaju nisku razinu buke i izvrsnu stabilnost frekvencije. Gun diode posebno su omiljene među entuzijastima za upotrebu u amaterskim radijima koji rade na 10 GHz.
Izgradnja
Gunnova dioda je proizvedena od jednog komada silicija N-tipa. Ovo je podijeljeno u tri primarna dijela, kao što se vidi na slici 1.
Gornja i donja regija uređaja uključuju N+ materijal koji je opsežno dopiran, što rezultira jakom vodljivošću za povezivanje s vanjskim parametrima.
Na vodljivu podlogu na koju se postavlja uređaj pričvršćen je žičani priključak. Baza uređaja služi i kao hladnjak koji apsorbira višak topline.
Zlatna karika postavljena je na gornju površinu koja se spaja sa suprotnim terminalom diode. Kako bi se osigurala iznimna vodljivost i relativna stabilnost, zlato postaje neophodno.
Aktivno područje uređaja nalazi se u sredini, koje je manje dopirano i ima manju vodljivost. To je općenito oko 0,5 ohma po kubičnom centimetru, što ukazuje da gotovo sav napon primijenjen preko uređaja prolazi kroz ovaj sloj diode.
Prosječna debljina aktivnog sloja diode je deset mikrona (0,001 cm). Njegova debljina bi se očito razlikovala od jedne do druge diode jer to prvenstveno utječe na ukupni rad diode. To implicira da je radna frekvencija ovog uređaja kritični element njegove podatkovne tablice.
Gunnova dioda ima jedinstven dizajn jer je u potpunosti napravljena od materijala N-tipa i nema P-N spoj. U biti, to nije konvencionalni tip diode, radije radi na potpuno drugačijim principima.
Kako radi Gunnova dioda
Iako se rad Gunnove diode može činiti složenim, možda ga je moguće razumjeti na temeljnoj razini.
Aktivno središnje područje uređaja podvrgnuto je većini potencijala stvorenog primijenjenim naponom. Ovo područje je izuzetno tanko, pa čak i mali pomak napona pokazuje značajan potencijalni gradijent ili fluktuaciju napona na određenoj udaljenosti.
Kao što je prikazano na slici 2, strujni impuls počinje teći kroz aktivnu zonu kada primijenjeni napon preko nje dosegne određenu razinu.
Kao rezultat toga, gradijent potencijala ostatka aktivnog područja se smanjuje, što zaustavlja generiranje dodatnih strujnih impulsa. Tek nakon što strujni impuls prijeđe na suprotni kraj aktivne zone, gradijent visokog potencijala se vraća, omogućujući generiranje drugog strujnog impulsa.
Ako se iscrtaju krivulje napona i struje, moguće je vidjeti osebujnu aktivnost pulsa struje iz drugog kuta.
Razlika između ispravljačke diode i Gunnove diode
- Krivulje konvencionalne ispravljačke diode i Gunnove diode prikazane su u dijagramu na slici 3 iznad.
- Struja konvencionalne ispravljačke diode raste s naponom, međutim taj odnos nije uvijek linearan.
- S druge strane, struja Gunnove diode počinje rasti i, nakon što postigne određeni napon, počinje padati prije nego što ponovno poraste.
- Njegova oscilirajuća svojstva uzrokovana su područjem u kojem pada, a koje se naziva područje 'negativnog otpora'.
Postavljanje frekvencije
Iako debljina aktivnog područja određuje opću radnu frekvenciju, ipak je moguće promijeniti frekvenciju u određenom rasponu. Budući da je Gunnova dioda mikrovalni uređaj, obično se ugrađuje u šupljinu valovoda za generiranje podešenog kruga. Njegova frekvencija rada određena je rezonantnom frekvencijom cijelog sklopa.
Proces ugađanja može se izvršiti na različite načine. Umetanjem podesivog vijka u šupljinu valovoda mogu se napraviti mehaničke promjene, omogućujući osnovni indikator ugađanja.
Unatoč tome, obično je potrebno i električno ugađanje, a može se koristiti jedna od dvije različite metode. Prva metoda uključuje spajanje varaktorske diode u Gunnov oscilatorski krug.
Kada se napon na varaktor diodi promijeni, kapacitivnost se mijenja, uzrokujući promjenu frekvencije na kojoj cijeli krug rezonira.
Iako je ovaj pristup jeftin i jednostavan za korištenje, ima mnogo nedostataka. Prvo, ima ograničen radni raspon. Drugo, ova tehnika proizvodi puno faznog šuma, što možda nije prikladno za mnoge primjene.
Korištenje YIG-a za učinkovito podešavanje frekvencije
Čini se da je korištenje YIG materijala učinkovitija tehnika ugađanja. Ovo uključuje itrijevo željezo granat, feromagnetsku tvar.
Kada se Gunnova dioda i YIG umetnu u šupljinu, efektivna veličina šupljine se smanjuje. Zavojnica je postavljena izvan valovoda da bi se to učinilo.
Kada struja teče kroz zavojnicu, ona ima učinak širenja magnetskog volumena YIG-a i skupljanja električne dimenzije šupljine. Kao rezultat toga, učestalost rada raste. Fazni šum je značajno smanjen s YIG ugađanjem i može se postići veliki frekvencijski raspon.
Korištenje Gunnplexera za amaterski radio
Gunn diodni oscilator je komponenta komercijalnog primopredajnika koji nudi Advanced Receiver Research za amatersku radio-upotrebu. Uređaj, koji se naziva 'Gunnplexer', koristi se za proizvodnju i konverziju nominalnih amaterskih signala od 10 GHz do amaterskog pojasa na 2 metra (144 MHz) ili drugih nižih međufrekvencija (IF).
Gunnplexer se sastoji od Gunn diode pričvršćene na pravokutnu hornu antenu visokog pojačanja zajedno sa Schottky mikser diodama zatvorenim unutar šupljine od 10 GHz.
Frekvencijske varijacije do 60 MHz od normalne rezonantne frekvencije mogu se postići ugađanjem varaktora. Gunnova dioda radi i kao odašiljač i kao lokalni oscilator za 2-metarsku međufrekventnu frekvenciju pretvorenu prema dolje.
