База знаний студента. Реферат, курсовая, контрольная, диплом на заказ

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию

Саратовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. Н.Г.Чернышевского

Кафедра физики твёрдого тела

ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТИРОВАНИЯ В МНОГОКОНТУРНОМ ГЕНЕРАТОРЕ НА ДИОДЕ ГАННА

ДИПЛОМНАЯ РАБОТА

студента 511 группы физического факультета

Каца Ефима Ильича

                                                                                        Научные руководители

                                                                                        к.ф.-м.н., доцент

                                                                                        Скрипаль А.В.,

                                                                                        аспирант

                                                                                        Бабаян А.В.

                                                                                        Зав. кафедрой ФТТ

                                                                                        профессор, академик МАН ВШ

                                                                                        Усанов Д.А.

г.Саратов - 1996 г.

Содержание.

	Стр.
Введение	3
1. Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.	5
2. Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.	12
3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.	20
Заключение.	24
Список литературы.	25
Приложение. Текст программы для моделирования процессов в многоконтурном генераторе на диоде Ганна	28

Введение.

В связи с развитием современных технологий, требующих непрерывного контроля за многими параметрами технологического процесса, состоянием оборудования и параметрами материалов и сред становится всё более актуальной задача создания неразрушающих бесконтактных методов измерения и контроля параметров материалов и сред. Измерения на СВЧ позволяют определить электропроводность, толщину, диэлектрическую проницаемость и другие параметры материалов и сред без разрушения поверхности образца, дают возможность автоматизировать контроль параметров материалов. Для этого в настоящее время широко используются методы, основанные на использовании эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых приборах.

Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и структур основано на установлении зависимости величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: толщины, диэлектрической проницаемости, проводимости [1-6].

Однако, прежде чем создавать конкретный прибор на основе данного эффекта, необходимо провести моделирование его работы. Для этого необходимо рассмотреть принципы действия таких устройств.

При изменении уровня мощности СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение режима их работы по постоянному току, что можно понимать как проявление эффекта детектирования. В случае, если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора наблюдается эффект автодинного детектирования.

Одним из методов, позволяющих провести расчёт величины эффекта автодинного детектирования при реальных параметрах активного элемента и нагрузки, определить области значений контролируемых параметров материалов, в которых чувствительность автодина к их изменению максимальна, наметить пути оптимизации конструкции генератора, является метод, основанный на рассмотрении эквивалентной схемы СВЧ-генератора, в которой комплексная проводимость нагрузки определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы [7,9].

Целью дипломной работы являлось исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурных СВЧ-генераторах на диоде Ганна для создания измерителей параметров материалов, вибрации и выявления особенностей их работы.

1. Анализ возможности использования автодинов на полупроводниковых активных СВЧ-элементах для контроля параметров материалов и сред.

При изменении уровня СВЧ-излучения, воздействующего на полупроводниковые элементы с отрицательным сопротивлением, наблюдается изменение постоянного тока, протекающего через них, что можно понимать как проявление эффекта детектирования [2,7]. Если прибор с отрицательным сопротивлением является активным элементом СВЧ-генератора, этот эффект называют эффектом автодинного детектирования.

Исследование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах позволило создать устройства, совмещающие несколько радиотехнических функций в одном элементе (например, излучение и приём электромагнитных колебаний). Автодины на полупроводниковых генераторах, получившие к настоящему времени достаточно широкое применение, используются в основном для обнаружения движущихся объектов.

Важной областью применения автодинов является контроль параметров материалов и сред. Применение эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред основано на установлении зависимостей величины продетектированного СВЧ-сигнала от параметров контролируемых величин: диэлектрической проницаемости и проводимости. Измерения с помощью приборов основаны на сравнение с эталонами, а точность измерения в основном определяется точностью эталонирования.

Теоретическое обоснование возможности использования эффекта автодинного детектирования в диодных СВЧ-генераторах для контроля параметров материалов и сред проведено на основе численного анализа. Описание отклика диодного СВЧ-автодина может быть сделано на основе рассмотрения эквивалентной схемы генератора (Рис. 1.1), в которой комплексная проводимость Y_n определяется параметрами исследуемого материала и характеристиками электродинамической системы, а Y_d - средняя проводимость полупроводникового прибора.

                                                 Y_d                                Y_n

Рис. 1.1. Эквивалентная схема автодина на полупроводниковом диоде.

Эта эквивалентная схема может быть описана соотношением (1.1), согласно первому закону Кирхгофа.

                                         (1.1)

                                       (1.2)

I₁, U₁ - комплексные амплитуды тока и напряжения первой гармоники на полупроводниковом элементе. Т.к. к обеим проводимостям приложено одно и то же напряжение U₁, можно записать баланс мощностей:

                                 (1.3)

Активная мощность на нагрузке (1.4) положительна  

                                  (1.4)

отсюда вытекает, что 

                               (1.5)

т.е. Y_d должна иметь отрицательную действительную часть при существовании в системе колебаний с ненулевой амплитудой. Наличие отрицательной проводимости характеризует трансформацию энергии: полупроводниковый элемент потребляет энергию постоянного тока и является источником колебаний ненулевой частоты.

Возникновение СВЧ-колебаний в электрической схеме с нелинейным элементом вследствие его детектирующего действия приводит к появлению дополнительной составляющей постоянного тока  определяется из выражения

                                    (1.6)

Детекторный эффект наблюдается в СВЧ-усилителях на биполярных транзисторах, СВЧ-генераторах на лавинно-пролётных диодах (ЛПД), инжекционно-пролётных диодах (ИПД), туннельных диодах (ТД) и диодах Ганна (ДГ). В данной работе мы рассмотрим использование полупроводниковых диодов в качестве СВЧ-автодинов. Сравнительные характеристики полупроводниковых СВЧ-диодов приведены в  таблице 1.

Таблица 1.

Диод	Мощность	КПД	Смещение	Шумы
ЛПД	десятки ватт	до 15%	десятки Вольт	25 дБ
ИПД	десятки милливатт	единицы %	сотни милливольт	около 5 дБ
ДГ	десятки милливатт - единицы Ватт	зависит от режима работы	4.5-11 Вольт	10-12 дБ
ТД	единицы и десятки микроватт	единицы %	сотни милливольт	около 5 дБ

Процессы в полупроводниковых приборах описываются тремя основными уравнениями в частных производных [10]: уравнением плотности тока, характеризующим образование направленных потоков заряда; уравнением непрерывности, отражающим накопление и рассасывание подвижных носителей заряда, и уравнением Пуассона, описывающим электрические поля в полупроводнике.

Точное решение этих уравнений с учетом граничных условий в общем виде затруднительно даже на ЭВМ. Чтобы упростить анализ вводят эквивалентные схемы полупроводниковых приборов.

ТД представляют собой приборы, наиболее удобные для анализа, т.к. их эквивалентная схема более проста и точна, чем схемы других полупроводниковых приборов. С практической точки зрения ТД представляет собой интерес при создании маломощных автодинов в коротковолновой части сантиметрового диапазона.

ИПД (BARITT) обладает малой генерируемой мощностью [11], но из-за низкого уровня шумов и малого напряжения питания являются перспективными для допплеровских автодинов.

В работе [12] исследована возможность измерения диэлектрической проницаемости материалов по величине продетектированного работающем в режиме генерации ЛПД сигнала. Использовался генератор волноводной конструкции (канал волновода 23*10 мм.) с ЛПД типа АА707, установленным в разрыве стержневого держателя. Измерения продетектированного сигнала проводилось компенсационным методом. Исследуемые диэлектрики, с предварительно определёнными значениями диэлектрической проницаемости на СВЧ, прикладывались к отверстию на выходном фланце генератора.

Результаты проведённых исследований показали, что ход зависимости величины продетектированного сигнала от диэлектрической проницаемости зависит от конструкции измерительного генератора, в частности, от расстояния от плоскости расположения ЛПД до открытого конца волновода, к которому прикладывается исследуемых диэлектрик.

ЛПД обеспечивает наибольшие КПД и мощность колебаний. Однако,, в качестве недостатка можно отметить относительно высокий уровень шумов, обусловленный, в первую очередь, шумами лавинообразования.

В ряде работ [2,3,17,18] рассматривается возможность применения СВЧ-генераторов на диоде Ганна для измерения параметров материалов и сред. Отмечается преимущество данного способа измерения: исследуемый образец находится под воздействием СВЧ-мощности, а регистрация измерений производится на низкочастотной аппаратуре, имеющей высокую точность и отличающейся простой в эксплуатации.

В настоящее время разработаны и изготовлены  устройства для неразрушающего контроля, принцип действия которых основан на эффекте автодинного детектирования: измерители толщины металлодиэлектрических структур и диэлектрической проницаемости [19,20]. Наибольшее практическое применение из разработанных приборов нашёл СВЧ толщиномер типа СИТ-40. На рисунке 1.2 приведена его блок-схема.

4

                                                                4

	1		2		5
			3

Рис. 1.2. Блок-схема СВЧ измерителя толщины.

В состав СВЧ толщиномера СИТ-40, предназначенного для измерения тонких плёнок из любого металла на изолирующей подложке и непроводящих покрытиях, в том числе разнообразных лакокрасочных, нанесённых на металлические поверхности, входит: 1 - СВЧ-датчик, представляющий собой СВЧ-генератор в микрополосковом исполнении и использующий в качестве активного элемента диод Ганна или СВЧ биполярный транзистор; 2 - предварительный усилитель; 3 - блок питания; 4 - система корректировки нуля; 5 - блок индикации.

Для уменьшения влияния дрейфа нуля на результат измерений предложены схемные решения, основанные на компенсации дрейфа его параметров в промежутках между измерениями и использовании напряжения в момент, предшествующий измерению, в качестве опорного в момент измерения [21].

С целью повышения чувствительности и существенного уменьшения веса и потребляемой мощности измерителей исследовалась возможность применения туннельных диодов в качестве активных элементов СВЧ-автодинов [22]. Исследования проводились в экспериментальных измерительных СВЧ-устройствах на серийных диодах типа ГИ 103Б, работавших на частоте 1.3 Ггц. В качестве детекторных диодов использовались диоды типа Д405. Конструктивно датчики измерительных устройств представляли собой отрезки полосковых линий передачи, выполненных на основе фольгированного фторопласта, в которых размещались генераторные и детекторные диоды, фильтры, НЧ и подстроечные элементы.

Разработаны устройства измерения толщины и электропроводности проводящих покрытий, а также толщины и диэлектрической проницаемости для изолирующих материалов. Принцип действия автодинного генератора на полупроводниковом СВЧ-элементе был использован при разработке нового способа контроля толщины плёнок в процессе вакуумного напыления. Для повышения точности измерения в датчике применён СВЧ-выключатель, обеспечивающий кратковременное отклонение генератора от измеряемого объекта [23].

Разработан новый способ радиоволнового контроля вибраций, основанный на использовании двух полупроводниковых СВЧ-генераторов, работающих в режиме автодинного детектирования и обеспечивающих возможность определения не только амплитуды, но и частоты вибраций [24]. Источники зондирующего СВЧ-излучения и одновременно приёмники провзаимодействующего с вибрирующим объектом сигналов представляют собой отрезки стандартных прямоугольных волноводов, которые с одного конца закорочены и имеют регулируемые подстроечные поршни, а другие концы соединены с камерами, изготовленными из металлической ленты, свёрнутой в кольцо. Связь по СВЧ-полю отрезков волновода с каждой камерой осуществляется через прямоугольное волноводное окно. В камерах помещается цилиндрический металлический стержень, перемещение которого внутри этих камер вызывает изменение продетектированного автодинами зондирующего СВЧ-сигнала.

Применение в автодинных генераторах диодов Ганна по сравнению с генераторами, использующими другие полупроводниковые активные элементы, позволяет обеспечить преимущества по совокупности таких параметров, как максимальная рабочая частота, выходная мощность, стабильность частоты, потребляемая мощность питания [13].

2. Теоретическое исследование эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

В данной работе проводилось математическое моделирование процессов, происходящих в многоконтурном автодине на диоде Ганна. Для этого была составлена эквивалентная схема автодина (Рис. 2.1).

Теоретическое описание характеристик выходного сигнала СВЧ- генератора на диоде Ганна основывалось на математическом описании процессов в многоконтурной эквивалентной схеме, элементы которой моделируют полупроводниковую структуру диода Ганна в виде параллельно соединённых ёмкости С₃ и активного нелинейного сопротивления, определяемого по ВАХ диода I(U), элементы корпуса диода L₃ , C₄ , СВЧ-резонатор в виде последовательного C₂ , L₂ и параллельного L₁ , Y₁ , C₁ контуров, низкочастотную часть схемы, состоящую из последовательного  L₇ , C₆  и параллельного C₇ , R₅ , L₆ контуров, дросселя L₅ в цепи питания, шунтирующей ёмкости С₅ и индуктивности связи L₄ диода с НЧ-схемой.

Эквивалентная схема описывается системой из четырнадцати дифференциальных уравнений (2.1-2.14), составленных на основе законов Кирхгофа.

                 (2.1-2.4)

Эквивалентная схема автодина на диоде Ганна.

Рис. 2.1.

                                              

                         (2.4-2.14)

                                              

Эта система нелинейна и решалась численно методом Рунге-Кутта четвёртого порядка с автоматическим выбором шага [16]. При расчёте использовалась типичная ВАХ диода Ганна [15], которая аппроксимировалась выражением вида:

                           (2.15)                                                                 

где D=0, при U£U_n , D=2, при U>U_n , m₀ =6000 см²/Вс, V_S=8.5 *10⁶ см/с. Выражение (2.15) было программно модифицировано для случая ВАХ с гистерезисом. График использованной ВАХ диода Ганна приведён на рисунке 2.2.

Вольт-амперная характеристика диода Ганна.

Рис. 2.2.

При решении системы учитывалась частотная зависимость СВЧ- нагрузки. По результатам решения системы (2.1-2.14) вычислялись мощности сигналов P_свч , P_нч и величины продетектированных сигналов DU_fg и DU_kg  в СВЧ- и НЧ-цепях соответственно:

                             (2.16)

                                 (2.17)

                           (2.18)

                                     (2.19)

где I₇₀ - постоянный ток через диод Ганна в отсутствии генерации.

Нагрузка с волноводной системой была представлена в виде линии, нагруженной на комплексную проводимость отражающей поверхности (Рис.2.3).

                                                                                    

Рис. 2.3. Представление нагрузки в виде нагруженной линии.

Комплексная проводимость нагрузки  была выражена через коэффициент отражения волны от объекта (нагрузки). Для этого была решена система уравнений:

                                  (2.20)

                                    (2.21)

где _ПАД и _ПАД - комплексные напряжение и ток падающей волны, _ОТР и _ОТР - комплексные напряжение и ток отражённой волны. Коэффициент отражения представляет собой отношение амплитуд отражённой и падающей волн

                                         (2.22)

В результате решения системы уравнений (2.20-2.21) было получено выражение для комплексной проводимости нагрузки

                              (2.23)

где Z₀ - волновое сопротивление пустого волновода,

                                    (2.24)

где l - расстояние до объекта.

Для подстановки в систему (2.1-2.14) комплексная проводимость нагрузки (2.23) была представлена в виде действительной и мнимой компонент.

                     (2.25)

                     (2.26)

С учётом (2.25) и (2.26) параметры эквивалентной схемы СВЧ-нагрузки рассчитывались из соотношений:

                                 (2.27)

                                   (2.28)

                           (2.29)                             

где

При расчёте величины продетектированного сигнала не учитывался вклад гармонических составляющих СВЧ-сигнала, с частотами равными 4f₀, 5f₀ и т.д., мощность которых составляла менее 1% мощности выходного сигнала СВЧ-генератора. Здесь f₀ - частота основной гармоники выходного сигнала. Результаты теоретического расчёта величин продетектированных сигналов DU_fg и DU_kg в СВЧ- и НЧ- цепях соответственно представлены на рисунке 2.4.

Теоретический расчёт показал, что изменение положения короткозамыкающего поршня в СВЧ-тракте наряду с изменением мощности СВЧ-колебаний приводит к изменению амплитуды колебаний в низкочастотном контуре, что позволяет регистрировать наряду с сигналом автодетектирования в цепи питания по постоянному току сигнал внешнего детектирования как на  частотах СВЧ-диапазона, так и в низкочастотном диапазоне. Как следует из результатов расчёта, на представленных зависимостях наблюдаются локальные максимумы и минимумы, которые  обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

Математическое моделирование процессов в генераторе на диоде Ганна позволило установить, что существование областей значений входных сопротивлений СВЧ-нагрузки, в которых их изменение вызывает изменение продетектированных в СВЧ- и НЧ-цепях сигналов одинакового знака, и областей, в которых изменения продетектированных сигналов имеют противоположные знаки, обусловлено наличием значительной реактивной составляющей СВЧ-тока в полупроводниковой структуре диода Ганна. В то же время отметим, что изменение реактивных элементов НЧ-контура более, чем на два порядка приводит лишь к незначительному (не более 5%) смещению границ этих областей.

Теоретические зависимости величин продетектированных сигналов в    СВЧ DU_fg (1) и НЧ DU_kg (2) цепях.

Рис. 2.4.

3. Экспериментальные исследования эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

Использование эффекта автодинного детектирования в полупроводниковых СВЧ-генераторах позволяет создавать простые в эксплуатации малогабаритные измерители толщины и диэлектрической проницаемости [17,18]. Для их нахождения используют результаты измерений на нескольких частотах. Осуществление многопараметрового контроля упрощается, если удаётся проводить измерения в условиях, когда на результаты измерений определяющим образом влияет только один из искомых параметров. Такая ситуация, в частности реализуется, если  для измерения толщины и диэлектрической проницаемости диэлектриков в этом случае применяются измерители, работающие на различных частотных диапазонах, например СВЧ и НЧ. При проведении измерений на СВЧ результат зависит как от толщины, так и от диэлектрической проницаемости диэлектрика. Если измерения на НЧ проводить используя схему, в которой диэлектрик помещается в зазор между излучателем и металлическим основанием, то результат измерений будет определяться только толщиной диэлектрика и не будет зависеть от его диэлектрической проницаемости. Определив таким образом толщину диэлектрика, по её значению и показателям преобразователя на СВЧ можно определить диэлектрическую проницаемость.

Было проведено экспериментальное исследование зависимости величины продетектированного сигнала в автодинном генераторе на диоде Ганна, работающем в различных частотных диапазонах от положения СВЧ короткозамыкающего поршня. Использовался генератор волноводной конструкции с диодом типа АА703[1], помещённым в разрыв металлического стержневого держателя. К цепи питания диода Ганна через разделительный конденсатор параллельно диоду был подключен низкочастотный контур. Частота СВЧ-колебаний составляла ~10 ГГц, частота низкочастотных колебаний ~10 МГц. Для детектирования низкочастотных колебаний

Схема экспериментальной установки.

1

2

3

4

5

6

7

8

9

Рис. 3.1.

использовался диод типа КД503А[2]. Для контроля СВЧ-колебаний использовался измеритель мощности типа Я₂М-66. Кроме того, в ходе экспериментальных исследований регистрировался постоянный ток, протекающий через диод Ганна, по падению напряжения на резисторе с сопротивлением порядка 1 Ом, включённом в цепь питания диода Ганна.

Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 3.1. Она включает в себя источник питания СВЧ-выключателя 1 для раздельного воздействия сигналами СВЧ и НЧ, источник питания диода Ганна 2, схему обработки информации и индикации 3, детекторный диод 4, разделительный конденсатор 5, СВЧ-выключатель 6, диод Ганна 7, конденсатор низкочастотного колебательного контура 8 и катушку индуктивности 9, располагающейся на поверхности выходного фланца волновода.

В результате экспериментальных исследований было обнаружено, что в режиме многочастотной генерации изменение нагрузки в СВЧ-цепи (т.е. изменение положения короткозамыкающего поршня) приводит к изменению сигнала, продетектированному в НЧ-цепи, а изменение нагрузки в НЧ-цепи (т.е. изменение индуктивности или ёмкости) приводит к изменению сигнала в СВЧ-цепи. При этом изменения  продетектированных в этих цепях сигналов могут быть как одинакового, так и противоположного знаков. Как следует из результатов, приведённых на Pис. 3.2, зависимости величины продетектированных  в НЧ- и СВЧ-цепях сигналов DU_нч и DI_свч от перемещения короткозамыкающего поршня периодичны и имеют локальные максимумы и минимумы. На этом же рисунке приведена зависимость мощности выходного сигнала Р_CВЧ СВЧ- генератора на диоде Ганна от перемещения короткозамыкающего поршня.

Зависимости величины продетектированных  в НЧ (1) и СВЧ (2) цепях сигналов и зависимость мощности выходного сигнала (3) от положения короткозамыкающего поршня.

Рис 3.2.

Заключение.

При выполнении дипломной работы были получены следующие результаты:

1. Проведен анализ современного состояния проблемы измерения параметров  материалов и структур с помощью эффекта автодинного детектирования.

2. Построена теоретическая модель многоконтурного автодинного генератора на диоде Ганна, разработана и описана эквивалентная схема.

3. На основе построенной модели составлена программа для расчета параметров многоконтурного генератора на диоде Ганна.

4. Проведено  компьютерное   моделирование   работы многоконтурного автодина на диоде Ганна.

5. Теоретически и экспериментально исследованы особенности проявления эффекта автодинного детектирования в многоконтурном генераторе на диоде Ганна с низкочастотным колебательным контуром в цепи питания. Обнаружено, что изменение нагрузки в СВЧ- и НЧ-цепях могут вызывать изменение продетектированных в этих цепях сигналов как одинакового, так и противоположного знаков.

Установлено, что наблюдавшиеся экспериментально локальные максимумы и минимумы на зависимостях продетектированного сигнала от изменения нагрузки в СВЧ-цепи обусловлены наличием в спектре выходного сигнала СВЧ-генератора на диоде Ганна высших гармоник.

Литература.

1. 

2. 

3. 

4. 

5. 

6. 

7. 

8. 

9.    1982. - 240 с.

10.

11.

12.

13.

14.

15.  1973.  V.12. №12.  P.1931.

16.

17.

18.

19.

20.

21.

22.

23.

24.

25.

26.

27.

Приложение. Текст программы для моделирования процессов в многоконтурном генераторе на диоде Ганна.

{$A+,B-,D-,E-,F-,G-,I+,L+,N+,O-,P-,Q-,R-,S+,T-,V+,X+}

program gist_f3;

uses  crt,graph,AN;

      label 1,2;

const

        n=15;

        q1=1.6e-19;

        n123=1e21;     c2=0.03e-12;

        s123=1e-8;     c3=0.3e-12;

        mm1=0.6;       c4=0.8e-12;

        Lg=1e-5;       c5=10e-12; { отсечение НЧ цепи }

        Eb=4e5;        c6=1e-6;

        T10=300.0;     c7=15e-12;

        r1=0.01;       l2=0.2e-9;

        r3=1;          l3=0.6e-9;

        r4=0.0005;     l4=0.01e-9; { крутим }

        r5=100;        l5=100e-9;

        Eds=3.8;       l6=35e-9;

                       l7=0.12e-9;

        ll0=0.03; {sm}

        llk=0.046;     maxpoint=1000000000;

        z0=39.43e3;

Type     FL=EXTENDED;

Type     ry=array[1..1100]of  FL;

Type     tt=array[1..N]of FL;

var sign,g1,sign1,sign2,sign3:ry;

    oldy1,oldy:array[1..10] of integer;

    K1,y,f,w:tt;

    delta_i,frequency,old_f,old_cur,di,oldc1,oldc2,c1,l1,      sign0,d_visir,bn,iv1,iv11,iv12,x,h,vp1,smax,f0,s0,Vs,Vs1,      y1,s1,ppp:FL;

    mark,count,fcount,point,deltax,fsign,gd,oldx,oldx1,dh,dj,

     visir_1,visir_2,visir_3,visir_4,k,aaa,i,ii,iii,phas_x,      phas_y:integer;

    round,fpoint,iii1,loop:longint;

     visir_f,visir_f1,visir_s,power,size_x,size_y:real;

    c:char;

    P: Pointer;

    Size: Word;

    s:string;

Procedure current;

var U:real;       { BAX }

begin

     Vs:=eds/(Eb*Lg);

     Vs1:=Vs*Vs*Vs;

     Vs:=(1+0.265*Vs1/(1-T10*5.3E-4))/(1+Vs1*Vs);

     Vs:=1.3E7*Eds*Vs/T10;

     if y[3]<3.3 then u:=y[3];

     if y[3]>3.6 then u:=y[3]+2

     else begin

        if f[3]>0 then u:=y[3]

         else u:=y[3]+2;

     end;

     iv12:=sqr(sqr(u/eb/Lg));

     iv11:=mm1*u/Lg+vs*iv12;

    iv1:=q1*n123*s123*iv11/(1+iv12);

end;

procedure kzp;           { КЗП }

var ll2:FL;

begin

    l1:=0.2e-9;

    c1:=0.1e-12;

    llv:=ll0/sqrt(1-sqr(ll0/llk));

    z:=z0*Sin(6.28*lll/llv)/Cos(6.28*lll/llv);

    if z<0 then begin

        ll2:=abs(z)/6.28e10;

        l1:=l1*ll2/(l1+ll2);

    end

    else c1:=c1+1/(z*6.28e10);

}

end;

Procedure anna(y:tt; var f1:tt);

begin

    current;

    f[1]:=(y[6]-y[7]-y[12])/c5;      { Uag }

    f[2]:=(y[7]-y[8]-y[9])/c4;      { Ubg }

    f[3]:=(y[8]-iv1)/c3;                  { Ucc'}

    f[4]:=(y[9]-y[4]*r1-y[10])/c1;        { Udg }

    f[5]:=0;                              { Ueg }

    f[6]:=(eds-y[1]-y[6]*r4)/l1;          { i1  }

    f[7]:=(y[1]-y[2])/l4;                 { i2  }

    f[8]:=(y[2]-y[3]-y[8]*r3)/l3;         { i7  }

    f[9]:=(y[2]-y[11]-y[4])/l2;           { i6  }

    f[10]:=y[4]/l1;                    { iL1 }

    f[11]:=y[9]/c2;                    { Uc2 }

    f[12]:=(y[1]-y[13]-y[14])/L7;      { i3' }

    f[13]:=y[12]/c6;                   { Uc6 }

    f[14]:=(y[12]-y[15]-y[14]/r5)/c7;  { Ukg }

    f[15]:=y[14]/L6;                   { iL6 }

end;

procedure an2;   { spector }

begin

    XMIN:=0;XMAX:=40;YMIN:=0;YMAX:=100;

    YGMIN:=25;YGMAX:=200;XGMIN:=350;XGMAX:=630;

    nx:=4;ny:=5;

    setcolor(7);

    OutTextxy(XGMIN,YGMIN-10,'Спектр тока на диоде');

    OutTextxy(XGMAX-50,YGMAX+20,'f,GHz.');

    setcolor(15);

    moveto(xgmin,ygmax);

end;

procedure an3;   { u,i }

begin

    XMIN:=0;XMAX:=4;YMIN:=-4;YMAX:=10;

    YGMIN:=240;YGMAX:=420;XGMIN:=50;XGMAX:=630;

    nx:=8;ny:=7;

    setcolor(7);

    OutTextxy(XGMIN,YGMIN-10,'i7-green, Uag-magenta');

    OutTextxy(XGMAX-50,YGMAX+20,'t, ns.');

    setcolor(15);

end;

procedure an4;    { phasa i7 }

begin

    XMIN:=-4;XMAX:=8;YMIN:=-15;YMAX:=5;

    YGMIN:=25;YGMAX:=200;XGMIN:=50;XGMAX:=320;

    nx:=1;ny:=1;

    setcolor(7);

    OutTextxy(XGMIN,YGMIN-10,'di7/dt Фаз.портрет тока на    диоде');

    OutTextxy(XGMAX-50,YGMAX+20,'i7');

    setcolor(15);

end;

procedure Result; { вычисление и вывод отношения частот }

begin

     if (visir_f>=visir_f1) then

     begin

        if (visir_f1<>0) then

          begin

               setcolor(0);

              outtextxy(540,75,'___________');

                   setcolor(13);

               line(540,70,620,70);

             str((visir_f/visir_f1):5:3,s);

              outtextxy(540,75,s);

           end;

      end

      else begin

              if (visir_f<>0) then

               begin

                   setcolor(0);

                   outtextxy(540,75,'___________');

                   setcolor(13);

                   str((visir_f1/visir_f):5:3,s);

                   outtextxy(540,75,s);

                end;

       end;

end;

procedure v12; { вывод информации физиров 1 и 2 }

begin

     d_visir:=1e-9*abs(visir_2-visir_1)*(xmax-xmin)/(xgmax-  xgmin);

     setcolor(0);

     outtextxy(540,255,'___________');

     outtextxy(540,35,'___________');

     setcolor(15);

     if(d_visir<>0) then begin

         an2;

         line(trunc(visir_s),ygmin,trunc(visir_s),ygmax);

          visir_s:=xgmax-trunc((xmax-1/(d_visir*1e9))*(xgmax-          xgmin)/(xmax-xmin));

         line(trunc(visir_s),ygmin,trunc(visir_s),ygmax);

         str((1e-9/d_visir):5:3,s);

        outtextxy(540,35,s+' GHz');

     end;

     str(d_visir*1e9:5:4,s);

     outtextxy(540,255,s+' ns');

end;

BEGIN

    oldc1:=0;

    oldc2:=0;

    gd:=0;

    InitGraph(gd,gm,'E:tp-7bgi');

    an2; scal;

    an4; scal;

    an3; scal;

        setcolor(11);

        current;

        kzp;

{ Начальные условия }

        dh:=4;

        dj:=2;

        x:=0;

        h:=8e-13;

        y[1]:=eds;

        w[1]:=eds;

        y[3]:=eds;    y[6]:=iv1;

        w[3]:=eds;    w[6]:=iv1;

        y[2]:=eds;    y[7]:=iv1;

        w[2]:=eds;    w[7]:=iv1;

        y[5]:=eds;    y[8]:=iv1;

        w[5]:=eds;    w[8]:=iv1;

        y[4]:=eds;    y[6]:=iv1;

        w[4]:=eds;    w[6]:=iv1;

        y[11]:=eds;   y[10]:=0;

        y[9]:=iv1;    w[9]:=iv1;

        w[11]:=eds;   w[10]:=0;

        y[12]:=0;     w[12]:=y[12];

        y[13]:=eds;   w[13]:=y[13];

        y[14]:=0;     w[14]:=y[14];

        y[15]:=0;     w[15]:=y[15];

        loop:=1;         { номеp pазвеpтки тока      }

        phas_x:=0; phas_y:=0; { сдвиг фазового поpтpета   }

        size_x:=1;size_y:=1;  { масштаб фазового портрета }

     an2;

     visir_s:=800;  

     visir_3:=xgmin;

     visir_f:=0;

     visir_4:=xgmin;

     visir_f1:=0;

     an3;

     visir_1:=xgmin;

     visir_2:=xgmin; { визиры }

     count:=1;

     mark:=0;  

     round:=0;

     old_cur:=iv1;

     fcount:=0;

     fsign:=1;

     fpoint:=1;

     frequency:=1e10;

     old_f:=1e10;

     Smax:=0;

     power:=0;

     oldx:=xgmax-trunc((xmax-0)*(xgmax-xgmin)/(xmax-xmin));

     for aaa:=1 to 10 do

          oldy[aaa]:=ygmin-trunc((ymax-y[8]*10)*(ygmin-           ygmax)/(ymax-ymin));

{ Рунге-Кутт }

        for iii1:=-249 to maxpoint do begin

              for iii:=0 to 4 do begin

                   anna(y,f);

                   for k:=1 to n do begin

                       K1[k]:=f[k]*h;

                       y[k]:=w[k]+h*f[k]/2;

                   end;

                   x:=x+h/2;

                   anna(y,f);

                   for k:=1 to n do  begin

                       K1[k]:=K1[k]+2*f[k]*h;

                       y[k]:=w[k]+f[k]*h/2;

                   end;

                   anna(y,f);

                   for k:=1 to n do begin

                       K1[k]:=K1[k]+2*f[k]*h;

                       y[k]:=w[k]+f[k]*h;

                   end;

                   x:=x+h/2;

                   anna(y,f);

                   for k:=1 to n do begin

                       y[k]:=w[k]+(K1[k]+f[k]*h)/6;

                       w[k]:=y[k];

                   end;

        end;

{ вычисление мощности }

     power:=power+y[8]*y[2];

{ вычисление частоты по изменению знака производной }

        if fsign > 0 then begin

              if y[8]-old_cur <= 0 then begin

                   if fcount = 0 then fpoint:=iii1;

                   fcount:=fcount+1;

                   fsign:=-1;

              end;

        end

         else begin

               if y[8]-old_cur >= 0 then begin

                   if fcount = 0 then fpoint:=iii1;

                   fcount:=fcount+1;

                    fsign:=1;

                end;

        end;

        old_cur:=y[8];

         if fcount = 15 then begin { Частота сигнала }

               fcount:=1;

               mark:=1;

                   old_f:=frequency;

                   frequency:=(iii1-fpoint)/(h*4.2e3 * 5);

               fpoint:=iii1;

               power:=power *h*frequency/5;

               str(power:5:4,s);

               power:=0;

               setcolor(0);                                             outtextxy(250,460,'                     ');

               setcolor(11);

               outtextxy(250,460,'Puhf = '+s+' W');

        end;

{ вывод графиков токов и напряжений }

       if(iii1>0) then begin

                an3;

                if(iii1=loop*1000) then begin

                   loop:=loop+1;

                   setfillstyle(0,0);

                    bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                    scal;

                   setwritemode(XORput);

                    setcolor(15);

                    line(visir_1,ygmin,visir_1,ygmax);

                    line(visir_2,ygmin,visir_2,ygmax);

                    setwritemode(COPYput);

                   str(d_visir*1e9:5:4,s);

                   outtextxy(540,255,s+' ns');

                    round:=round+1;

                    setcolor(0);

                   outtextxy(50,460,'                 ');

                   str(round*4:6,s);

                    setcolor(11);

                   outtextxy(50,460,'time = '+s+' ns+');

                 oldx:=xgmax-trunc((xmax-0)*(xgmax-                           xgmin)/(xmax-xmin));

                 for aaa:=1 to 10 do

                        oldy[aaa]:=ygmin-trunc((ymax-                                y[8]*10)*(ygmin-ygmax)/(ymax-ymin));

               end;

               bn:=x*1e9;

               y1:=y[1]-1;

               xg:=xgmax-trunc((xmax-bn)*(xgmax-xgmin)/(xmax-               xmin));

               xg:=xg-145-580*(loop-1);

               yg:=ygmin-trunc((ymax-y[8]*10)*(ygmin-                       ygmax)/(ymax-ymin));

               setcolor(10);

               line(oldx,oldy[1],xg,yg);

               oldy[1]:=ygmin-trunc((ymax-y[8]*10)*(ygmin-                  ygmax)/(ymax-ymin));

{              yg:=ygmin-trunc((ymax-frequency/1e10)*(ygmin-           ygmax)/(ymax-ymin));

               setcolor(14);

               line(oldx,oldy[2],xg,yg);

               oldy[2]:=ygmin-trunc((ymax-                             frequency/1e10)*(ygmin-ygmax)/(ymax-ymin));

}

               yg:=ygmin-trunc((ymax-y1)*(ygmin-ygmax)/(ymax-               ymin));

               setcolor(13);

               line(oldx,oldy[3],xg,yg);

               oldy[3]:=ygmin-trunc((ymax-y1)*(ygmin-                       ygmax)/(ymax-ymin));

               oldx:=xg;

     end;

{ phas. portret }

        if(iii1>0) then begin

                   an4;

                   di:=(y[8]-oldc1)*50*size_y;

                   yg:=ygmax-trunc((ymax-di)*(ygmax-ygmin)/(ymax-           ymin));

               xg:=xgmin-trunc((xmax-y[8]*15*size_x)*(xgmin-           xgmax)/(xmax-xmin));

               putpixel(xg+phas_x,yg+phas_y,10);

               oldc1:=y[8];

               if(iii1<=500) then begin

                        Smax:=Smax+y[8];

                       sign[iii1]:=y[8];

               end

               else begin

                        Smax:=Smax-sign[1]+y[8];

                        for i:=1 to 499 do begin

                            sign[i]:=sign[i+1];

               end;

               sign[500]:=y[8];

            end;

        end;

     if(iii1>249) then begin

{ control circle }

                   if (mark=1) then begin

                        mark:=0;

                        setcolor(14);

                        circle(xg+phas_x,yg+phas_y,3);

                        setcolor(10);

                   end;

     end;

{ управление экраном }

     if keypressed=true then begin

         c:=readkey;

         case c of

{ пеpемещение фаз. поpepета }

                   '1': begin

                            an4;

                        setfillstyle(0,0);

                        bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                   end;

                    '4': begin

                            phas_x:=phas_x-10;

                         an4;

                        Size := ImageSize(xgmin+1, ygmin+1,                     xgmax-1, ygmax-1);

                        GetMem(P, Size);

                        GetImage(xgmin+1, ygmin+1, xgmax-1,                     ygmax-1, P^);

                        setfillstyle(0,0);

                         bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                        PutImage(xgmin+1-10, ygmin+1, P^,                            NormalPut);

                         FreeMem(P, Size);

                         scal;

                    end;

                    '6': begin

                         phas_x:=phas_x+10;

                         an4;

                        Size := ImageSize(xgmin+1, ygmin+1,                     xgmax-1, ygmax-1);

                        GetMem(P, Size);

                        GetImage(xgmin+1, ygmin+1, xgmax-1,                     ygmax-1, P^);

                        setfillstyle(0,0);

                         bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                        PutImage(xgmin+1+10, ygmin+1, P^,                            NormalPut);

                         FreeMem(P, Size);

                         scal;

                    end;

                    '2': begin

                         phas_y:=phas_y+10;

                         an4;

                        Size := ImageSize(xgmin+1, ygmin+1,                     xgmax-1, ygmax-1);

                        GetMem(P, Size);

                        GetImage(xgmin+1, ygmin+1, xgmax-1,                     ygmax-1, P^);

                        setfillstyle(0,0);

                         bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                        PutImage(xgmin+1, ygmin+1+10, P^,                            NormalPut);

                         FreeMem(P, Size);

                         scal;

                   end;

                   '8': begin

                         phas_y:=phas_y-10;

                         an4;

                        Size := ImageSize(xgmin+1, ygmin+1,                     xgmax-1, ygmax-1);

                        GetMem(P, Size);

                        GetImage(xgmin+1, ygmin+1, xgmax-1,                     ygmax-1, P^);

                        setfillstyle(0,0);

                         bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                        PutImage(xgmin+1, ygmin+1-10, P^,                            NormalPut);

                         FreeMem(P, Size);

                         scal;

                   end;

{ пеpеход на вычисление спектpа }

                   's': begin

                            goto 1;

                   end;

{ масштаб фаз. поpтpета }

                   '+': begin

                            an4;

                        setfillstyle(0,0);

                         bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                         size_x:=size_x+0.1;

                         size_y:=size_y+0.1;

                    end;

                   '-': begin

                            an4;

                        setfillstyle(0,0);

                             bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

                            size_x:=size_x-0.1;

                            size_y:=size_y-0.1;

                    end;

               end;

2:       end;

end;

{ спектр }

1:   SETCOLOR(15);

        an2;

        f0:=0;

        Smax:=0;

        sign0:=0;

        setcolor(15);

        for k:=1 to 200 do begin

            s0:=0;s1:=0;

            FOR   i:=1 to 500  do begin

                  s0:=s0+(sign[i]-sign0)*cos(f0*i*6.28e-9/250);

                  s1:=s1+(sign[i]-sign0)*sin(f0*i*6.28e-9/250);

            end;

            if k=1 then begin  sign0:=s0/500; s0:=0;  end;

            f0:=f0+2e8;

            g1[k]:=s0*s0+s1*s1;

            if g1[k]>Smax then Smax:=g1[k];

        end;

        ppp:=s0*s0+s1*s1;

        f0:=0;

{ очистка поля и перерисовка визиров и цифр }

     setfillstyle(0,0);

     bar(xgmin+1,ygmin+1,xgmax-1,ygmax-1);

     scal;

     setwritemode(XORput);

     if(d_visir<>0) then begin

         line(trunc(visir_s),ygmin,trunc(visir_s),ygmax);

         str((1e-9/d_visir):5:3,s);

         outtextxy(540,35,s+' GHz');

     end;

        line(visir_3,ygmin,visir_3,ygmax);

         setcolor(14);

        line(visir_4,ygmin,visir_4,ygmax);

        setwritemode(COPYput);

         setcolor(11);

         str(visir_f:5:3,s);

         outtextxy(540,50,s+' GHz');

         setcolor(14);

         str(visir_f1:5:3,s);

         outtextxy(540,60,s+' GHz');

        Result;

{ рисование спектра }

        moveto(xgmin,ygmax);setcolor(10);

        for k:=1 to 200 do begin

          xg:=xgmax-trunc((xmax-f0/1e9)*(xgmax-xgmin)/(xmax-      xmin));

          yg:=ygmin-trunc((ymax-100*g1[k]/SMAX)*(ygmin-           ygmax)/(ymax-ymin));

          lineto(xg,yg);

          f0:=f0+2e8;

    end;

{ конец спектра }

     repeat

         c:=readkey;

                case c of

{ перемещение визиров }

                   '9': begin

                            an3;

                        setwritemode(XORput);

                            setcolor(15);

                                                                                line(visir_1,ygmin,visir_1,ygmax);

                        visir_1:=visir_1+1;

                                                                                line(visir_1,ygmin,visir_1,ygmax);

                         v12;

                         setwritemode(COPYput);

                   end;

                   '7': begin

                            an3;

                        setwritemode(XORput);

                         setcolor(15);

                                                                                line(visir_1,ygmin,visir_1,ygmax);

                        visir_1:=visir_1-1;

                                                                                line(visir_1,ygmin,visir_1,ygmax);

                         v12;

                         setwritemode(COPYput);

                   end;

                   '6': begin

                            an3;

                        setwritemode(XORput);

                         setcolor(15);

                                                                                line(visir_2,ygmin,visir_2,ygmax);

                        visir_2:=visir_2+1;

                                                                                line(visir_2,ygmin,visir_2,ygmax);

                         v12;

                         setwritemode(COPYput);

                   end;

                   '4': begin

                            an3;

                        setwritemode(XORput);

                         setcolor(15);

                                                                                line(visir_2,ygmin,visir_2,ygmax);

                        visir_2:=visir_2-1;

                                                                                line(visir_2,ygmin,visir_2,ygmax);

                         v12;

                         setwritemode(COPYput);

                   end;

                   '3': begin

                            an2;

                        setwritemode(XORput);

                         setcolor(11);

                                                                                line(visir_3,ygmin,visir_3,ygmax);

                        visir_3:=visir_3+1;

                                                                                line(visir_3,ygmin,visir_3,ygmax);

                      visir_f:=(visir_3-xgmin)*(xmax-                         xmin)/(xgmax-xgmin);

                        setcolor(0);

                        outtextxy(540,50,'___________');

                            setcolor(11);

                        str(visir_f:5:3,s);

                        outtextxy(540,50,s+' GHz');

                         setwritemode(COPYput);

                         Result;

                   end;

                   '1': begin

                            an2;

                        setwritemode(XORput);

                            setcolor(11);

                                                                                line(visir_3,ygmin,visir_3,ygmax);

                        visir_3:=visir_3-1;

                                                                               line(visir_3,ygmin,visir_3,ygmax);

                      visir_f:=(visir_3-xgmin)*(xmax-                         xmin)/(xgmax-xgmin);

                            setcolor(0);

                        outtextxy(540,50,'___________');

                            setcolor(11);

                        str(visir_f:5:3,s);

                        outtextxy(540,50,s+' GHz');

                         setwritemode(COPYput);

                         Result;

                   end;

                   '.': begin

                            an2;

                        setwritemode(XORput);

                            setcolor(14);

                                                                                line(visir_4,ygmin,visir_4,ygmax);

                        visir_4:=visir_4+1;

                                                                                line(visir_4,ygmin,visir_4,ygmax);

                      visir_f1:=(visir_4-xgmin)*(xmax-                        xmin)/(xgmax-xgmin);

                            setcolor(0);

                        outtextxy(540,60,'___________');

                        setcolor(14);

                        str(visir_f1:5:3,s);

                        outtextxy(540,60,s+' GHz');

                         setwritemode(COPYput);

                         Result;

                   end;

                   '0': begin

                            an2;

                        setwritemode(XORput);

                            setcolor(14);

                                                                                line(visir_4,ygmin,visir_4,ygmax);

                        visir_4:=visir_4-1;

                                                                                line(visir_4,ygmin,visir_4,ygmax);

                      visir_f1:=(visir_4-xgmin)*(xmax-                        xmin)/(xgmax-xgmin);

                        setcolor(0);

                        outtextxy(540,60,'___________');

                        setcolor(14);

                        str(visir_f1:5:3,s);

                        outtextxy(540,60,s+' GHz');

                         setwritemode(COPYput);

                         Result;

                   end;

                   ' ':begin

                                 goto 2;

                        end;

                end;

        until (c='q');

end. { -= EOF =- }

В заключении хочу выразить благодарность доценту кафедры физики твёрдого тела Саратовского госуниверситета Скрипалю Александру Владимировичу и аспиранту той же кафедры Бабаяну Андрею Владимировичу за оказанную помощь и внимательное отношение к выполнению дипломной работы.

---

[1] Справочная информация: P_ВЫХ=10 мВт, I_ПИК=270 мА, R_ПОТ=3-20 Ом., L=1.7 нГн., U_ПСТ=8.5 В., f=13 ГГц.

[2] Справочная информация: U_ОБР=30 В., I_ОБР=10 мкА., U_ПР=2.5 В., I_ПР/ИМП=0.02/0.2 А., f=350 МГц.

Государственный комитет Российской Федерации по высшему образованию Саратовский ордена Трудового Красного Знамени государственный университет им. Н.Г.Чернышевского Кафедра физики твёрдого тела ИССЛЕДОВАНИЕ ЭФФЕКТА АВТОДИННОГО ДЕТЕКТ

 

• 14:21 05 Июля 2016
  Российско-китайский медуниверситет откроет магистерскую программу по TCM
• 01:21 05 Июля 2016
  На форуме МГУ Россия и Китай обсудят научно-образовательное сотрудничество
• 11:00 04 Июля 2016
  Реморенко: "ЕГЭ-туризм" в России сходит на нет
• 10:52 04 Июля 2016
  Летняя российско-австрийская школа откроется в Москве
• 15:31 01 Июля 2016
  В СПбГУ могут воссоздать географический факультет

Заказать уникальную работу