Gunn-dioder är halvledarenheter som används för att generera lågeffekts mikrovågssignaler på ett enkelt och billigt sätt. Dessa har använts i mer än 60 år nu. Gunn-dioder kan arbeta med frekvenser som sträcker sig från några gigahertz till över 100 GHz. Det upptäcktes först av J. B. Gunn från IBM i början av 1960-talet.
Idag används Gunn-dioder kommersiellt i ett brett spektrum av applikationer, inklusive mikrovågsdatalinjer, lågeffekts FM- och CW-radar, inbrottslarm, etc. Under stabila temperatur- och spänningsparametrar kan kretsar som använder dessa dioder generera 15 mW till 1 watt effekt och har lågt brus och utmärkt frekvensstabilitet. Pistoldioder är särskilt omtyckta av entusiaster för användning i amatörradio som arbetar på 10 GHz.
Konstruktion
En Gunn-diod är tillverkad av ett enda stycke kisel av N-typ. Detta är uppdelat i tre primära sektioner, som ses i fig. 1.
Enhetens övre och nedre områden inkluderar N+-material som har dopats i stor omfattning, vilket resulterar i stark ledningsförmåga för gränssnitt med de externa parametrarna.
En trådanslutning är ansluten till den ledande basen på vilken enheten är installerad. Basen på enheten fungerar också som en kylfläns för att absorbera överskottsvärmen.
En guldlänk är placerad på den övre ytan som ansluter till diodens motsatta terminal. För att säkerställa exceptionell ledningsförmåga och relativ stabilitet, blir guld väsentligt.
Enhetens aktiva område är beläget i mitten, som är mindre extensivt dopat och har lägre konduktivitet. Detta är i allmänhet runt 0,5 ohm per kubikcentimeter, vilket indikerar att nästan all spänning som appliceras över enheten passerar genom detta lager av dioden.
Den genomsnittliga tjockleken på diodens aktiva skikt är tio mikron (0,001 cm). Dess tjocklek skulle uppenbarligen skilja sig från en diod till en annan eftersom detta i första hand påverkar diodens övergripande funktion. Detta innebär att driftfrekvensen för denna enhet är en kritisk del av dess datablad.
Gunn-dioden har en unik design eftersom den är helt gjord av material av N-typ och inte har en P-N-övergång. I huvudsak är det inte en konventionell typ av diod, utan fungerar på helt olika principer.
Hur en Gunn Diode fungerar
Även om en Gunn-diods funktion kan verka komplex, kan det vara möjligt att förstå det på en grundläggande nivå.
Anordningens aktiva mittområde utsätts för majoriteten av potentialen som skapas av en pålagd spänning. Denna region är extremt tunn, och även en liten spänningsförskjutning visar en betydande potentialgradient eller spänningsfluktuation över ett visst avstånd.
Såsom visas i fig. 2 börjar en strömpuls att flyta genom den aktiva zonen när den pålagda spänningen över den når en specifik nivå.
Som ett resultat minskar resten av den aktiva regionens potentialgradient, vilket stoppar genereringen av ytterligare strömpulser. Först efter att strömpulsen passerar över till den motsatta änden av den aktiva zonen återgår högpotentialgradienten, vilket möjliggör generering av en annan strömpuls.
Om spännings- och strömkurvan ritas ut är det möjligt att se den märkliga strömpulsaktiviteten från en annan vinkel.
Skillnaden mellan en likriktardiod och Gunn-diod
- Kurvorna för en konventionell likriktardiod och en Gunn-diod visas i diagrammet i figur 3 ovan.
- En konventionell likriktardiods ström ökar med spänningen, men detta förhållande är inte alltid linjärt.
- Å andra sidan börjar en Gunn-diods ström att stiga och, efter att ha nått en specifik spänning, börjar den sjunka innan den ökar igen.
- Dess oscillationsegenskaper orsakas av denna region där den sjunker, vilket kallas för en 'negativ motståndsregion'.
Ställa in frekvensen
Även om den aktiva regionens tjocklek bestämmer den allmänna driftfrekvensen, är det fortfarande möjligt att ändra frekvensen över ett specifikt område. Eftersom Gunn-dioden är en mikrovågsenhet, installeras den vanligtvis i en vågledarkavitet för att generera en avstämd krets. Dess driftfrekvens bestäms av resonansfrekvensen för hela enheten.
Trimningsprocessen kan utföras på en mängd olika metoder. Genom att sätta in en justerbar skruv i vågledarhåligheten kunde mekaniska förändringar göras, vilket möjliggör en grundläggande avstämningsindikator.
Ändå är elektrisk inställning vanligtvis också nödvändig, och en av två olika metoder kan användas. Den första metoden går ut på att koppla en varaktordiod till Gunn-oscillatorkretsen.
När spänningen på varaktordioden ändras ändras kapacitansen, vilket gör att frekvensen vid vilken hela kretsen resonerar ändras.
Även om detta tillvägagångssätt är billigt och enkelt att använda, har det många nackdelar. För det första har den ett begränsat arbetsområde. För det andra producerar denna teknik mycket fasbrus, vilket kanske inte är lämpligt för många tillämpningar.
Använda YIG för effektiv frekvensjustering
Att använda ett YIG-material verkar vara en mer effektiv stämningsteknik. Denna innehåller Yttrium Iron Granat, ett ferromagnetiskt ämne.
När Gunn-dioden och YIG sätts in i kaviteten minskar kavitetens effektiva storlek. En spole är placerad utanför vågledaren för att göra detta.
När en ström flyter genom spolen har den effekten att den expanderar YIG:s magnetiska volym och drar ihop kavitetens elektriska dimension. Som ett resultat ökar operationsfrekvensen. Fasbrus reduceras avsevärt med YIG-inställning, och ett stort frekvensområde kan uppnås.
Använder Gunnplexer för amatörradio
Gunn diodoscillator är en komponent i en kommersiell transceiver som erbjuds av Advanced Receiver Research för amatörradioanvändning. Enheten, som kallas en 'Gunnplexer', används för att producera och nedkonvertera nominella amatörsignaler från 10 GHz till amatörbandet på 2 meter (144 MHz), eller andra lägre mellanfrekvenser (IF).
Gunnplexern består av en Gunn-diod ansluten till en rektangulär hornantenn med hög förstärkning tillsammans med Schottky-mixerdioder inneslutna i ett 10 GHz-hålrum.
Frekvensvariationer på upp till 60 MHz från den normala resonansfrekvensen kan uppnås med hjälp av varaktoravstämning. Gunn-dioden fungerar som både en sändare och en lokaloscillator för den nedkonverterade 2-meters IF.
