（通信与信息系统专业论文）w波段毫米波振荡器及siw基谐振腔设计.pdf

摘要 摘要 毫米波振荡源是毫米波系统的核心，是雷达、通信、电子对抗等毫米波系统 的关键部件。在毫米波系统r 益追求小型化、轻量化的今天，毫米波振荡器的体 积、重量面临新的要求，同时又需要保证较大的输出功率、较宽的调谐频带、良 好的相位噪声以及利于系统集成。根据国内现有的工艺和器件条件，在w 频段， 采用s i w 基的平面混合集成振荡器是一种良好的电路形式。 基片集成波导( s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ，简称s l w ) 是一种近年内出现 的新型微波传输结构，可以广泛地应用于微波及毫米波电路中它综合了矩形波导 和微带线的一系列优点：和传统的矩形波导一样集成波导具有较高的品质因数和 很小的辐射损耗；而它又和微带线一样具有体积小、重量轻、容易加工和集成等 优点。基片集成波导的基本概念是利用基片的上下金属板和两排间隔一定距离的 金属孔构成波导的金属壁，由于每排金属孔孔间距远小于波长，因此由缝隙泄漏 的能量很小，这相当于内部填充了介质的矩形波导，所以能够用矩形普通波导实 现的结构也都可以用基片集成波导来实现，比如功分器、滤波器、天线、耦合器、 振荡器等。 本文首先综述了国内外w 频段平面集成振荡器的发展动态，对可用的有源 器件进行分析，结合国内目前的工艺水平，选择耿氏管作为振荡器的半导体有源 器件，设计了一个微带线谐振器平面结构式w 波段毫米波振荡器，数值仿真了振 荡器各电路单元及系统性能，制作出w 波段毫米波振荡器，对其进行了实验研究， 测量得到振荡器输出频率9 4 3 5 g h z ，输出功率9 d b m 。 针对微带谐振器q 值低的缺点，提出了基于s l w 实现低损耗高q 值毫米波 振荡器的思想，在全面分析了s l w 中电磁传播特性等基本理论后，设计出一个高 q 值的w 波段毫米波s l w 圆形谐振器结构，进一步设计出一种新型的基于s l w 的w 波段毫米波振荡器，并仿真出振荡器的电气性能。 关键字：基片集成波导、w 频段、毫米波振荡器、谐振器 a b s t r a c t a b s t r a c t m i l l i m e t e r - w a v eo s c i l l a t o r sa r eh e a r t so fm i l l i m e t e r - w a v es y s t e m s ，a n dk e y c o m p o n e n t so fm i l l i m e t e r - w a v es y s t e m sf o rr a d a r s ，c o m m u n i c a t i o n s ，e l e c t r o n i c - w a r s a n ds oo n t o d a y , m i l l i m e t e r - w a v e s y s t e m sa r ee x p e c t e dt ob em o r ea n dm o r ec o m p a c t a n dl i g h t ，s or e d u c t i o n o fb o t hd i m e n s i o n sa n dw e i g h to ft h ec i r c u i t si sn e e d e d w h a t s m o r e ，e x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei sa l s oe x p e c t e d ，i n c l u d i n gh i g ho u t p u tp o w e rl e v e l s ，b r o a d t u n i n gb a n d s ，l o wn o i s ef i g u r ea n dp r o p e rs t r u c t u r e sf o re a s i l ya s s e m b l i n g b e c a u s eo f t h ec u r r e n tt e c h n o l o g yi nc h i n a , p l a n a rh y b r i di n t e g r a t e do s ca r eg o o df o rd e s i g n s u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d e ( s mi san e wk i n do fm i c r o w a v et r a n s m i s s i o n l i n ei nt h e s ey e a r sw h i c hc a nb ew i d e l yu s e di nm i c r o w a v ea n dm i l l i m e t e rw a v ec i r c u i t t h es u b s t r a t ei n t e g r a t e dw a v e g u i d eb o r r o wa d v a n t a g e so fb o t ho ft h er e c t a n g u l a r w a v e g u i d ea n dt h em i c r o s t r i p ，s u c ha s ：h i g hq ，l o wl o s sj u s t l i k er e c t a n g u l a r w a v e g u i d e ：s m a l ls i z e ，l o wp r o f i l e ，l o wc o s t ，e a s yt ob ei n t e g r a t e dl i k em i c r o s t r i p t h e b a s i cc o n c e p to fs i wi st h a ti tu s et h et o pa n db o t t o ml a y e r so fm e t a lt o g e t h e rw i t ht w o r o wo fv i a si sv e r ys m a l lc o m p a r e dw i t hw a v e l e n g t h ，t h ed i s s i p a t i o nl o s so fr a d i a t i o ni s v e r ys m a l l i ta c t sl i k e ar e c t a n g u l a rw a v e g u i d ef i l l e dw i t hs o m ed i e l e c t r i c s ，s o c o m p o n e n t sw h i c hc a nb ec o m p o s e db yr e c t a n g u l a rw a v e g u i d ec a na l s oc o m p o s e db y s i ws u c ha sa n t e n n a , f i l t e r , p o w e rd i v i d e r ，c o u p l e r ，r e s o n a t o r a tt h e b e g i n n i n g ，t h ed e v e l o p m e n t so fw b a n dp l a n a rh y b r i di n t e g r a t e d m i l l i m e t e r - w a v eo s ca r er e v i e w e d ，a n dag u n nd i o d ei ss e l e c t e da st h ea c t i v ed e v i c e d u et ot h ec u r r e n tt e c h n o l o g yo fs e m i c o n d u c t o r ap l a n a rw b a n do s cw i t hr e s o n a n t s t r i pi sd e s i g n e da n dt h ep e r f o r m a n c eo ft h eo s ca n di t sm o d u l e sh a v eb e e ns i m u l a t e d aw - b a n do s ci sf a b r i c a t e da n dt e s ta t9 4 3 5 g h zw i t hp o w e ro f 一9 d b m v e r s u sl o wqf a c t o ro fr e s o n a n ts t r i p ，as i wm i l l i m e t e r - w a v eo s cw i t hh i g hq f a c t o ri s p r e s e n t a f t e ra n a l y z i n gt h ee l e c t r o m a g n e t i s mo ft h es i w ，aw - b a n d m i l l i m e t e r - w a v es i wc i r c u l a rr e s o n a n t o ri s d e s i g n e d ，a n dm o r eas i ww - b a n d m i l l i m e t e r - w a v eo s ci sd e s i g n e da n di t sp e r f o r m a n c eh a v eb e e ns i m u l a t e d k e yw o r d s ：s i w ，w - b a n d ，m i l l i m e t e r - w a v eo s c i l l a t o r s ，r e s o n a n tc a v i t y 目录 图目录 图2 - 1体效应管的负阻效应7 图2 - 2 偶极子畴模式工作示意图1 0 图2 - 3 体效应器件置于并联谐振电路中两端电压1 1 图2 - 4 体效应器件的稳定渡越电流一电压特性1 1 图2 - 5 体效应管管芯等效电路1 2 图2 - 6 带封装参数的体效应管等效电路1 2 图2 7 反馈振荡器示意图1 4 图2 8 反馈振荡器增益原理图1 4 图2 - 9 负阻振荡电路原理简图1 5 图2 - 1 0 负阻振荡电路1 6 图2 - 1 1 器件阻抗线与外电路阻抗轨迹1 9 图3 1 振荡器原理图2 1 图3 2 微带传输线谐振器2 2 图3 - 3 微带集成电路示意图2 3 图3 4 扇形偏置电路2 4 图3 - 5 探针转换结构图2 6 图3 - 6 仿真的探针转换插入损耗2 6 图3 7 仿真的探针转换回波损耗2 7 图3 8 振荡电路仿真电路图2 7 图3 - 9 仿真的振荡器起振条件2 8 图3 - 1 0 仿真的振荡器输出频谱特性2 8 图3 - 1 1 仿真的振荡器相位噪声特性2 8 图4 1p c b 版图2 9 图4 2 设计腔体的结构图3 0 图4 - 3 加工制作的w 波段振荡器实物照片3 1 图4 - 4w 波段振荡器性能测试系统3 2 图4 - 5 测量的振荡器输出信号幅频特性3 3 v 目录 图5 1基片集成波导结构图3 6 图5 - 2 窄边开缝的矩形波导中t e l o 模表面电流分布3 6 图5 3s i w 结构及其周期单元3 8 图5 - 4t e i o 模和t e 2 0 模的截止频率与s i r w 的结构参数w 和d 的关系 曲线4 0 图5 5( a ) s i w 与微带线的渐变过渡( b ) 矩形波导与微带线的场型分 布4 3 图5 - 6s i w 与微带线的过渡响应曲线“ 图5 7 ( a ) g c p w - s i w 间的电流探针转换( b ) 电流探针耦合机制4 5 图5 8 共面波导电压激励4 5 图5 - 9 谐振腔体的微带激励4 5 图5 - 1 0 微带与s i w 问的背靠背转换结构4 6 图6 - 1s l w 谐振器结构图5 4 图6 - 2 仿真的s l w 谐振器谐振模式图5 5 图6 - 3 仿真的s i w 谐振器端口接5 0 q 的s 1 1 5 5 图7 - 1设计的s l w 谐振器w 波段毫米波振荡器5 6 图7 - 2 设计的s i w 谐振器w 波段毫米波振荡器5 7 图7 - 3 仿真的振荡器起振条件5 7 图7 - 4 仿真的振荡器输出频谱特性5 7 图7 5 仿真的s i w 振荡器相位噪声特性5 8 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作 及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为 获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与 我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的 说明并表示谢意。 签名： 关札瓠 日期：砂叨够年多月多日 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘， 允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全 部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描 等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名： 爱国f l 讼 导师签名：盔蛰乏量： 日期：w 汐留年乡月石日 第一章引言 1 1毫米波的特点 第一章引言 毫米波一般是指3 0 g h z - 3 0 0 g h z 的电磁波，其相应的波长为1 m m l c m 。 毫米波的特点是波长短、频带宽，大气传播| 生能独特【l 】： ( 1 ) 波长短。毫米波频谱处于微波高端，靠近光波频谱，具有类似于光波 的特性。该特性优点在于利于射频设备的小型化和获得强方向性。微波元件与电 路尺寸与波长成正比关系，与频率成反比关系。比如8 m m 波导口径为7 1 1 2 m m x 3 5 5 6 m m ，6 m m 波导口径为4 8 m m 2 4 m m ，相应的微带电路尺寸也大大缩小。 正如光波可以通过小尺寸的透镜、抛物面反射镜的聚焦作用，形成强的定向照射； 毫米波也可以采用几何光学的原理，构成各种天线，形成强定向辐射。就反射面 天线而言，其尺寸与工作波长关系密切。比如，工作于4 4 g h z 的3 米天线，可获 得6 0 d b i 的增益，半功率波束宽度为0 1 6 0 ，而工作于8 g h z 时为获得相同的增 益及半功率波束宽度，天线口径需增加到1 6 8 米。强方向性意味着发射功率一定 的情况下可以获得更高的等效全向辐射功率( e i r p ) ，从而提高通信有效性，并有利 于系统内与系统问电磁兼容性( e m c ) ，采用毫米波通信，同样的空间可以分布更多 的通信卫星。同样因为其波长极短，其具有良好的角度分辨率，这是毫米波雷达 较微波雷达的优势之一，这个优势被运用于精确制导系统的最后几公里，我们称 之为末制导，通过用毫米波取代微波制导实现对敌对目标的精确打击。毫米波的 强方向性对提高通信系统抗干扰，抗截获能力也非常有效。 ( 2 ) 频带宽。按照3 0 3 0 0 g h z 这一范围计算，整个毫米波带宽高达2 7 0 g h z ， 大大超过微波及更低频段频谱资源总和。常用的毫米波频谱资源非常丰富，可用 于“信息高速公路 满足信息化时代人们对高速数据，宽带图像业务等大容量信 息传输与处理的需要。例如3 5 g h z 附近的“大气窗口 ，可传送3 0 0 0 路符合 m p e f g 2 标准的彩色广播电视信号，或者2 5 0 0 0 0 路双向a d p c m 数字电话， 若加上利用空分，正交极化等频率复用技术，可支持的通信容量可以大大增加。 在军事通信中，丰富的频率资源提供了抗干扰，抗截获的另一条有效途径。采用 宽带，超宽带扩频技术，可以获得极高的处理增益，再辅以调零天线技术，可以 电子科技大学硕士学位论文 产生出令干扰者望而却步的系统干扰容量。另外，与较低的射频相比，毫米波频 率具有强的抗闪烁能力，电波在核爆炸后能较快恢复f 常。 ( 3 ) 在空间传播与大气环境关系密切。在毫米波频段，电磁能量在大气中 传播时与大气中气体、浮悬微粒及含水物质的相互作用要比它们与微波能量的相 互作用强得多。影响毫米波传播的主要气体是氧分子和水蒸气，这些气体的谐振 会对毫米波频率产生选择性吸收和散射。由氧分子谐振引起的吸收峰出现在6 0 、 1 2 0g h z 附近，由水蒸气谐振引起的吸收峰则出现在2 2 和1 8 3 g h z 附近。在整个 毫米波频段有四个传播衰减相对较小的大气“窗口 ，它们的中心频率在3 5 、9 4 、 1 4 0 和2 2 0 g h z 附近，这些“窗口的对应带宽分别为1 6 、2 3 、2 6 和7 0 g h z 。任 何一个毫米波“窗口 的可用带宽几乎都可以把包括微波波段在内的所有低频频 段容纳在内。毫米波的宽带特性应用在通信系统中能够传送更多的信息，大大拓 宽现在已经十分拥挤的通信频谱，为更多用户提供互不干扰的通道。 与微波相比，毫米波设备体积小、重量轻、波束窄、频谱资源丰富、抗干扰、 抗截听、抗多径效应能力强；比红外或激光传感器气象适应性好，可穿透雨、雾、 战场浓烟、尘埃进行探测，所以它是继激光、红外之后电磁频谱利用中的又一枝 新秀。以前毫米波雷达的应用受到器件，尤其是有源器件功率不高的限制，使它 难以在末制导以外的领域发挥作用。然而，从8 0 年代中期开始实施，9 0 年代进入 第二阶段的微波毫米波集成电路设计取得了重大突破后，新型高效、大功率毫米 波功率源、介质天线、集成天线、低噪声接收机芯片等相继问世【，使毫米波技术 发生了更新换代的变革，大大拓宽了它的应用领域。目前，毫米波技术已经在雷 达、精确制导、通信、电子对抗、遥控遥测、辐射测量、隐身与反隐身、射电天 文及生物医学等多种领域中得到日益广泛的应用。而其中的w 频段( 7 5 g h z - - 1 1 0 g h z ) 电磁波更是充分体现了这些优点。 ” 1 2毫米波信号源 要得到w 频段的电磁波，最关键的是要有能产生w 频段电磁波的振荡源。 振荡源的性能即决定了w 频段电磁波系统的性能，因而振荡源的理论研究与技 术革新成为提高其性能的决定性步骤。 振荡源大致有电真空管和固态器件两大类。电真空管器件有速调管，磁控管， 返波管和回旋管等，虽然它们有工作频率高，输出功率大，效率高，稳定性好等 优点，但其高昂的成本，复杂的供电，庞大的体积和较短的寿命使其不能适应微 2 第一章引言 型化和军用的要求。现在的振荡源多采用固态器件，包括微波晶体管，渡越时间 器件，转移电子器件，量子电子器件等，随着近年来电路工艺的不断改进，此类 振荡源的性能已有很大提高。 在毫米波高端，多采用渡越时间器件和转移电子器件。其中渡越时间器件可 工作在1 5 0g h z 的频率，但由于工作时噪声较大，现一般使用转移电子器件( g u n n 氏管) 。国内的g u n n 器件性能最好的当属g a a sg u n n 器件，其在6 m m 频段输出 功率可达1 0 0m w 左右，但将频率提高到w 频段，尤其是军用的9 4 g h z 时其输出 功率非常小，目前国外有磷化铟( i n p ) 材料制成的g u n n 器件能直接以基波状态 工作在w 频段上，工作在9 4g h z 时可获得5 0 - - - 7 5m w 的输出功率，但这种i n p g u n n 器件受禁运限制，我们目前无法使用。 雪崩管作为毫米波波段常用的固态功率器件，得到了广泛的研究，已可以 在整个3 0 - - 3 0 0 g h z 频率范围内工作，并且具有效率高、输出功率大的特点。国 外h u g h e s 公司利用分子束外延和金刚石热沉技术制造的器件在1 0 0 g h z 输出 5 0 0 m w ，最大可达9 8 0 m w ( 接近烧毁) ；在2 2 0 g h z 输出5 0 i l ：1 w ；脉冲工作时，脉 冲宽度5 0 1 0 0 n s ，占空比1 4 0 0 的方式下，在9 4 g h z 输出峰值功率可达4 2 w 2 1 。 而能够引进的俄罗斯商品i m p a t t 器件在9 4 g h 连续波输出功率能达到1 5 0 m w ， 脉冲输出峰值功率达到1 5 w 。国内南京5 5 所研制的三毫米波i m p a t t 器件在重 复频率为1 0 k h z 的脉冲电源驱动下，能在8 9 - - 一9 5 g h z 范围内输出1 0 w 以上的脉 冲峰值功率，最大值超过1 8 w ，脉冲宽度一般为4 0 - - - , 6 0 n s t 3 1 。 上个世纪九十年代前后，国外有关毫米波g u n n 管和i m p a t r 管振荡器的 研究报道较多【4 】，研究重点主要集中在用腔体结构来实现低噪声和高的输出功率 上；但采用微带结构实现较高性能的集成振荡器报道却很少，其中1 9 8 9 年文献【5 】 报道了在石英基片上制作的g u n n 管微带集成振荡器，最大输出功率仅为 0 5 m w 。现阶段，在毫米波频段国外主要致力于单片集成振荡器的研制和开发。 根据使用工艺的不同，可以将单片集成振荡器简单分为h b t 、s i g e 双极、h e m t ( 包括p h e m t ) 以及c m o s ( 包括b i c m o s ) 这样几种基本类型，其中又以h b t 和h e m t 两种工艺实现方式居多。工艺的差异使得不同工艺制成的v c o 有着 各自特点：通常情况下，用h b t 实现的v c o 具有较低的相噪，但输出功率一般 不大；与之相反，h e m t 制作的v c o 由于闪烁噪声的影响，相噪较大，然而可 以获得较高的输出功率。同时，近几年来s i g eb i c m o s 工艺的发展值得大家关 注，其工作频率不断得到提升，且依靠制作成本低的优势，越来越受到世人所瞩 目。下列是关于利用h b t 、s i g e 双极、h e m t 以及c m o s 工艺技术实现的单 3 电子科技大学硕士学位论文 片v c o 的国外最新报道：2 0 0 4 年最新文献【6 】报道了采用i n p h b t 工艺制成了 8 0 g h z 单片v c o ，中心频率为8 0 g h z ，调谐带宽为5 ，单端输出功率为2 d b m ， 差分输出功率l d b m ，相位噪声为11 8 d b c h z 1 m h z ，功率损耗仅为9 5 m w ，芯 片尺寸为0 2 8 m m 2 。2 0 0 3 年文献【7 】利用微带作为传输线，采用考毕兹差分电路结 构实现了单片w 频端s i g eo s c ，这种v c o 输出中心频率达8 5 g h z ，调谐带宽 2 7 ，输出功率8 d b m ，单边带相位噪声为9 4 d b e h z 1 m h z 。2 0 0 3 年文献【8 】在带 有接地面的共面波导结构( g c p w ) 上实现了超低相位噪声的单片v c o ，并采用 0 1 u m a l g a a s i n g a a s g a a sp h e m t 工艺，将电路做在g a a s 基片上，中心频率 9 7 g h z ，调谐带宽2 g h z ，输出功率l d b m ，相位噪声为8 8 d b e h z 1 m h z 。2 0 0 3 文献【9 】利用c m o s 工艺制成的宽带调谐、低损耗单片v c o ，中心频率6 3 6 g h z 时，调谐带宽为9 8 g h z ，输出功率为1 7 d b m ，在最低频点处的相位噪声为 8 7 d b c h z 1 m h z ，最高频点处的相噪为8 4 d b e h z 1 m h z ，芯片 尺寸仅为7 5 0 4 0 0 u r n z 。 与国外相比，国内w 频段固态源更新较迟缓。腔体结构w 频段频率源已 近成熟【l o 】【1 1 】【1 2 1 ，但尚无较高指标的w 频段平面混合集成电路频率源的报道。文 献 1 3 利用i m p a t t 管进行了w 频段微带集成点频振荡器的设计，但尚未涉及 电压频率调谐；2 0 0 4 年【1 4 】报道了利用负阻原理，结合电压调谐变容管和螺杆型 g u n n 二极管，在微带上实现了w 频段集成频率源，中心工作频率9 6 6 7 3 g h z ， 调谐带宽3 9 4 m h z ，输出功率3 3 7 d b m 。三端器件实现的k a 频段频率源国 内已有较多报道【1 5 】【1 6 1 ，其中文献【1 6 】报道了用p h e m t 管在微带上实现了k a 频段 混合集成频率源且获得了较高的技术指标。 1 3本论文的主要工作 毫米波技术具有广泛的军事应用前景，目前在三毫米波单片功放尚处于研究 阶段，大功率的三毫米固态源主要还是波导电路为主。尚无采用使用s i w 结构的 平面混合集成结构的w 波段频率源。 本文首先综述了国内外w 频段平面集成振荡器的发展动态，对可用的有源 器件进行分析，结合国内目前的工艺水平，选择耿氏管作为振荡器的半导体有源 器件，设计了一个微带线谐振器平面结构式w 波段毫米波振荡器，数值仿真了振 荡器各电路单元及系统性能，制作出w 波段毫米波振荡器，对其进行了实验研究， 测量得到振荡器输出频率9 4 3 5 g h z ，输出功率9 d b m 。 4 第一章引言 针对微带谐振器q 值低的缺点，提出了基于s i w 实现低损耗高q 值毫米波 振荡器的思想，在全面分析了s l w 中电磁传播特性等基本理论后，设计出一个高 q 值的w 波段毫米波s i w 圆形谐振器结构，进一步设计出一种新型的基于s l w 的w 波段毫米波振荡器，并仿真出振荡器的电气性能。 5 电子科技大学硕士学位论文 第二章振荡器基本理论 如前所述，鉴于目前国外对w 频段平面结构频率源的研究已经进入单片阶 段，而国内毫米波单片集成电路尚不成熟，亦无适用的w 频段三端有源器件供 应，故本设计选用w 频段耿氏管芯片作频率源的负阻器件。本章将分别介绍振 荡器使用的有源器件耿氏管和振荡器基本理论。 2 1 g u n n 式二极管 耿氏管( g u n nd i o d e ) 又称体效应管，是以j b g u n n 的姓命名的。在1 9 6 3 年g u n n 在一块n 型g a a s 晶体管两端，安置欧姆接触电极，加上直流电压， 当外加电压超过某一临界值时，电流通过样品呈周期波动，首次获得了实验结果， 1 9 6 4 年有人从理论上说明产生这种现象的原因。尔后几十年，g u n n 效应器件发 展很快，与雪崩器件一样，是当今重要的毫米波固态源。由于它的噪声远比雪崩 二极管振荡器低，所以体效应管振荡器常被用作厘米波及毫米波本振信号源【l 。 2 1 1 负电子迁移率耿氏管工作原理 不同于结型元件，它是依靠电子从低能谷向高能谷转移，产生负微分迁移率， 从而实现微波振荡。所以主要是由于材料本身具有多能谷能带结构而产生的转移 电子效应引起的。如砷化镓( g a a s ) 、磷化铟( i n p ) 、碲化镉( c d t e ) 、硒化锌 ( z n s e ) 等材料的能带结构均具有多能谷的特点。图2 1 ( a ) 说明了电子的能量状 态与运动状态的关系，电子的运动状态以波数k 表示，它与电子以微粒性表示的 动量之间有确定的关系，由e k 关系可最终反映不同能量状态下电子的运动速 度。根据量子理论的分析和推导，可得到e k 关系呈能谷形状，沿不同波数矢量 方向上e k 关系不同。图中上下两能谷间具有能量差? e ，且下能谷l 中电子迁移 率比上能谷u 要高，这种特殊的结构导致了体效应器件特殊的v - e 关系，如2 1 m ) 所示【1 8 】。设n 型g a _ a s 处于室温下，外加电场较小，则导带中的电子几乎全部 集中在下能谷l 中，即 6 第二章振荡器基本理论 ( 2 1 ) ( 2 2 ) e e t hn = n l + n u n l 这种情况下迁移率为ul ，电子的平均漂移速度为 v = i j l e 当外加电场高于既时，下能谷中的部分电子将获得足够的能量，而转移到 上能谷中去，即 ( 2 3 ) e h e _ r l = n l + 门u ； 攀 奄 l 子 被数k e t t le b ( a ) 双能带结构 ( b ) 负电子迁移率 图2 - i 体效应管的负阻效应 上能谷中电子的迁移率为hu ，电子的平均漂移速度将为 v = ( n l pl n upu ) e n = i j e 在这个范围内，随着e 增加，v 反而下降。 所有电子都从下能谷转移到上能谷，即 ( 2 5 ) e b 厶= n l + r l u n u 7 ( 2 4 ) 如果外加电场大于e b ，则几乎 电子科技人学硕士学位论文 此时电子的平均漂移速度为 y = p ue ( 2 6 ) 如图2 1 ( b ) 所示，体效应器件的v - - e 关系是其基本特性，其中有一个区域的 微分迁移率是负的，产生的原因是由于体效应器件的材料具有双能谷结构的导带， 载流子在外加电场的作用下，会从下能谷转移到上能谷。因此，体效应器件又称 为“电子转移器件 。 由电流密度j = oe = n e v ，故当b h e e b 时，微分电导率 t 7 = d jid e = n ed v d e = d e l lt 2 7 、 由于电流强度i o c j ，外加电压vo ce ，这表明g a a s 的i v 特性在峰点 和谷点之间是负阻区域，这种负阻通常称为体内负阻。由上述讨论可以看出，具 有电子转移效应并出现负微分电导率的半导体材料，应当满足下列要求： 1 导带应具备多能谷结构，且上能谷的电子迁移率pu 应远小于下能谷的电 子迁移率ul ； 2 上下能谷能量差a w 要远小于下能谷的热运动动能，这样才能保证无外加 电压时电子基本处于低能谷； 3 禁带宽度应大于两能谷能量差a w ，否则会因为击穿引起的电流增大而掩 盖了谷间电子转移引起的负微分电导现象。 根据以上三点，能产生微波振荡材料除了g a a s 外，还有i n p 、c d t e 及 z n s e 等，例如n 型i n p 二极管基本上与g a a s 二极管有相似的工作方式，但 h i l s u m 提出i n p 二极管和一些锑镓铟合金材料应按三能级器件考虑，低能谷具有 轻电子，中谷和高谷具有重电子，低谷与中谷为弱耦合，而高谷与低谷和中谷之 间都是强耦合。i n p 能带结构的特点使在外电场达到某一强度时，电子从低能谷向 中谷转移，同时也向高谷转移，主要集中在中谷内。由于电子转移进行的较快。 所以i n p 二极管具有较大的峰一谷电流，所以i n p 振荡器比g a a s 振荡器能输 出更大的功率和具有更高的效率，并可在较宽的频带内调谐，因此i n p 工艺正受 到国内外的关注。但目前国内限于i n p 材料工艺尚不成熟，故多采用g a a s 体效 应管【1 9 1 。 8 第二二章振荡器基本理论 2 1 2 体效应器件的偶极畴与振荡原理 基于n 型g a a s 材料的这种负微分平均速度特性，就可以说明其产生电流 微波振荡的原理。假设器件是由截面均匀、长1 、平均掺杂浓度为i l o 的材料所构 成。其上施加使其内部平均电场等于阈值e t h 的端电压v t h 。假如器件某局部地 方的杂质浓度稍低于平均值1 1 0 ，此浓度随电场将超过e t h 。我们知道，器件中的 电子大体上是按2 1 ( b ) 所示的规律随电场不同而以速度“e ) 移动着，因浓度不均 匀部分的电子所在的电场超过e t h ，所以它们的速度低，开始滞后于其它电子。于 是使部分区域的电子密度比1 1 0 小，使体内电荷中性的条件破坏，出现正电荷；而 滞后的电子积聚在一起就呈负电荷，所以往前移动的电子经不均匀区域后形成图 2 2 ( a ) 所示的电偶极子层。且由于偶极子层内的电力线与自阳极至阴极的电力线 方向一致，两者彼此叠加，故移动着的偶极子层内的电场增至比原来低浓度处更 高的值。这就促使滞后的电子移动更滞缓，而其前面区域的电子耗尽越来越多( 这 是一种正反馈作用) 。在极短的时间内正电荷密度将变得更大，该区域内的电子 几乎耗尽；而负电荷区域由于电子的贮存量非常大，将形成窄脉冲状( 由于扩散 效应，故宽度仍是有限的) 。最终的电荷密度和相应的电场分布如图2 2 ( c ) $ 1 1 ( b ) 所示。这样形成的偶极子层称为高电场畴，简称“畴”。畴形成后，相当一部分 的偏置电压v b 吸收为畴内过剩电压v d ( 女n 图3 2 ( d ) ) ，而畴外的电场降至比畴产生 前的平均电场还低的e 0 ( v t h ，即使无外电路的作用也会产生电流微波振荡，只是 这种振荡不是简谐的，有丰富的谐波。若器件是在高q 谐振电路里工作，则谐振 回路不仅能将使振荡波形成为简谐波，而且还将控制体效应器件的振荡频率。因 为高q 谐振回路中只能建立起与固有频率相同的射频振荡，此时器件的端电压成 为 yf ，u = v b + s i n 细o t + 纠 ( 2 8 ) 如图2 3 所示。在射频电压的正半周器件中的畴肯定是存在的，而在负半周， 器件端电压只要不降至图2 4 中维持电压v s 以下，器件中的畴仍然存在，只不过 畴内电压也相应有所降低。如果端电压再降低，畴将淬熄。当器件的端电压回升 1 0 if tl， 第二章振荡器基本理论 到阈值v 。h 时，在阴极将重新产生一新的畴，并向阳极渡越。端电压继续上升至最 大值，然后降低，至畴再次淬熄、然后又产生的周期是与谐振回路的固有振荡周 期一致的。 乃 珞 图2 3 体效应器件置于并联 谐振电路中两端电压 图2 4 体效应器件的稳定渡越 电流一电压特性 这种工作模式称为淬熄畴模，常用的体效应振荡器多数是在这种模式下工作 的。它的振荡频率决定于谐振回路，自频率等于渡越时间频率的一半至几倍于渡 越时间频率，均能维持这种模式的振荡。它的效率在低于渡越频率的某一段频率 上最高，当频率比渡越时间频率高的多时效率就明显下斛2 0 1 。因此体效应管的工 作频率取决于管内渡越时间的长短。 2 1 3 耿氏管的等效电路 由以上分析我们知道，g a a s 样品内在畴区处于高电场，具有负微分迁移率， 呈现负阻效应；而畴外处于低电场，主谷迁移为正值，呈现正阻特性。因此体效 应管的管芯等效电路如图2 5 ( a ) 所示，偶极畴的作用等效为负阻一r d 和畴电容c d 并联，畴外部等效于低电场电阻r 0 和g a a s 外延层本身的介质电容c o 并联， 这些参数可以在低电场下通过测量求得。实际的负阻绝对值是正阻值的几十倍， 故可忽略r o 、c 0 的值，简化为一r d 和畴电容c d 的并联如图2 5 ( b ) 所示。它们 都是非线性元件，与振荡频率和工作电流有一定的关系 2 h 。 电子科技人学硕士学位论文 ( a ) 完整的等效电路( b ) 简化电路 图2 5 体效应管管芯等效电路 如果考虑器件封装的参数，则等效电路示于图2 6 ，模型外加了封装电容c p 和引线电感l s 。本课题采用的负阻器件为体效应管芯片，封装参数c p 和l s 影 响极小，可以忽略，因此我们在振荡器仿真设计时选用图2 5 ( b ) 等效 2 2振荡器的分类 岛 图2 - 6 带封装参数的体效应管等效电路 按照设计振荡源所选取的半导体有源器件的不同，振荡源可分为电真空器件 振荡器，固态二端器件振荡器，固态三端器件振荡器等。早期开发的电真空器件 如返波管、调速管等制成的振荡器虽然满足系统对源功率要求，但他们体积大， 电源电压高，且造价昂贵，因而不适合在很多实际系统中使用。固态振荡器因其 体积小，易于集成而且使用寿命较长，已成为许多系统的优选器件。其中，常用 于制作振荡器的二端固态器件包括：隧道二极管，限累二极管，耿氏二极管，雪 崩二极管等；三端器件振荡器主要包括双极性晶体管，场效应晶体管，高电子迁 移率晶体管，赝晶型高电子迁移率晶体管，异质结双极性晶体管，赝晶型异构场 1 2 第二章振荡器基本理论 效应晶体管等制成的振荡器。 固态振荡器的种类繁多，然而它们有着各自的特点和优越性，如限累二极管 一般使用在脉冲功率源中，雪崩管振荡器工作频率可达3 0 0 g h z 以上，输出连续 波功率可达几瓦，甚至几十瓦，双极性晶体管振荡器直流转换效率最高可达5 0 左右，因此根据不同的使用要求可选用不同形式的振荡源 1 7 】。此外，我们发现这 样一个规律：振荡器在注重应用频率向高端拓展的同时，正沿着电真空器件电路， 固态二端器件波导型电路，固态二端、固态三端混合集成电路，单片集成电路的 方向发展，这与其他器件的发展过程是一致的。 2 3振荡原理 振荡器实质上是将直流能量转换为射频能量的电路，狭义上可以这样理解， 即通过负阻器件与谐振回路的相互作用，把直流能量转换为射频功率；这种相互 作用，存在固有的非线性，形成振荡的基础是体效应、雪崩二极管等器件或者加 入正反馈的晶体管在直流偏置条件下，呈现的负阻特性，满足一定条件时便产生 负阻振荡。根据分析方法的不同，正弦振荡器分为反馈振荡器和负阻振荡器两类， 前者从系统的信号传递函数着眼，后者则直接关注由阻抗定义的功率输出能力。 实践中我们发现，振荡器频率较低时通常采取反馈的分析方法，频率较高特别是 微波毫米波频段时，作为负阻振荡器来分析更为简便。 2 3 1 反馈振荡器 如图2 7 所示，反馈振荡器由放大电路、反馈电路与调谐电路三部分组成。 振荡器在接通直流电源的瞬间，电路中产生微弱的电流扰动，其频带很宽。该扰 动作为放大电路的输入电流i i ( f ) ，经放大电路放大成为输出电流i o ( f ) 出现在输出 端。反馈电路耦合出输出电流i o ( f ) 的一部分，得到反馈电流i ( f ) ，经过调谐电路f 后得到新的输入电流h ( f ) 返回到输入端。当在某个频率f o ，满足i i ( 疡) 与i ( 而) 同 相，且n ( 们) 幅度大于i ( 内) 时，该频率的电流将得到加强，即频率为f o 的信号被 选取出来，而不满足该条件的频率的电流仍将以噪声形式存在。这样i o ( 岛) 即输出 信号的幅度不断增大，放大电路中的固态器件将很快由线性放大状态进入非线性 放大状态，最后达到饱和状态，此时整个电路各部分电流幅度保持稳定不变，输 出电流的幅度也就保持在某个值上，达到特定频率特定幅度的正弦振荡状态。 1 3 电子科技大学硕士学位论文 图2 7 反馈振荡器示意图 值得注意的是，满足振荡条件的f o 一般不止一个，但由于供给的直流能量是 有限的，当某频率的电流迅速经正反馈达到稳定振荡后，其它频率通常情况下不 会再起振。要将起振固定在某个频率上，可以通过设计合适的谐振电路来达到要 求。同时，在振荡过程中欲改变输出频率时，可以通过改变谐振电路关于频率的 传递函数，使目标频率满足振荡平衡条件。一般可以将调谐电路视作反馈电路的 一部分。 因此，反馈振荡器亦可以看作由自动限幅的放大器构成的放大网络和反馈网 络两部分首尾相连而成的闭合回路，如图2 8 所示。 图2 8 反馈振荡器增益原理图 由于晶体管的非线性特性，放大器的电压增益不仅是频率的函数，也是振幅 的函数，它随振幅的增大而下降。如果电路不满足条件，环路选频得到的信号只 能维持很低的幅度，将被噪声淹没，得不到振荡输出。反馈式振荡器必须同时满 足起振条件和平衡条件，才能产生振荡，这两个条件的满足意味着振荡器中存在 非线性放大环节。 1 4 第二章振荡器基本理论 2 3 2 负阻振荡器 当振荡频率较高特别是毫米波频段时，电路中各元件集总参数特性逐渐减 弱，分布参数特性逐渐加强，作为反馈振荡器来分析将相对困难。另外，一些二 端器件如雪崩管、耿氏管等在一定直流偏压下本身便具有负阻，不同于三端器件 如p h e m t 需要提取出一个双口的非线性放大网络，因而直接作为负阻振荡器来 分析更为方便。 负阻与正阻相反，被认为是能够提供能量的源。由于振荡器的作用是将直流 电能转变为交变电能，因此振荡器中器件负阻的概念是对交变电磁场能量而言的， 即负阻是指在一定频率下交流阻抗的实部，表征着提供该频率交变电磁