W波段注入锁定放大器研究.pdf

电子科技大学 硕士学位论文 w波段注入锁定放大器研究 姓名：刘琨 申请学位级别：硕士 专业：电磁场与微波技术 指导教师：张勇 20100501 摘要 摘要 近年来，毫米波技术发展十分迅速。由于在元器件及工艺水平上有大的进展， 在通信、遥感、雷达、导弹制导和射电天文学等方面都了广泛的应用。 在毫米波系统中，具有高稳定的频率源不可缺少。通常情况下得到高稳定的 频率源的方法有三种：( 1 ) 利用高q 稳频腔。( 2 ) 采用环路锁相。( 3 ) 采用注入 锁定。波导腔，同轴腔和介质谐振腔常常用于高q 稳频源，但他们都存在温度稳 定性差的问题。采用环路锁相的方法稳频较为流行，这种电路往往比较复杂，尤 其是在毫米波频段，成本很高。注入锁定作为稳频和放大技术在微波频段具有结 构简单，成本低，容易实现等良好优点，尤其是在毫米波频段相比于其他几种技 术有很大优势。 本文首先对毫米波固态源的现状做了概述，介绍了g u n n 管和雪崩管的工作 特性，进而利用其经典工作模型和主要参数对二极管的阻抗进行了计算。电路选 用腔体结构，再利用其等效电路实现与二极管的匹配。 本文根据注入锁定的基本原理，寻求理想的方案，实现结构简单，成本低廉， 可靠性强的连续波及脉冲注入锁定放大器。最后调试出的连续波注入锁定放大器， 在频率9 7 g h z 上输入1 d b m ，输出6 d b m 的功率；脉冲振荡器输出脉宽1 2 0 n s ，上 升下降沿1 0 n s ，在中心频率8 4 g h z 上，峰值功率为5 0 0 m w 。 关键字：w 波段、脉冲调制器、耿氏管、雪崩管、注入锁定、放大器 a b s l r a c t a b s t r a c t i nr e c e n ty e a r , t h ed e v e l o p i n go fm i u i m e t e rw a v ei sv e r yf a s t b e c a u s eo f t h eh u g e d e v e l o p m e n to f d e v i c e sa n dt e c h n o l o g y , m i l l i m e t e rw a v ed e v i c e sa r ea p p l i e db r o a d l yi n m a n ya r e a ss u c ha sc o m m u n i c a t i o n , r e m o t es e n s i n g ，r a d a rs y s t e m ，g u i d i n go f m i s s i l e a n dr a d i a t i o na s t r o n o m y i nm i l l i m e t e rw a v es y s t e m ，o n ef r e q u e n c ys o u r c ei si n d i s p e n s a b l e i nc o r a l i o n s i t u a t i o n s ，t h e r ea r et h r e em a i nm e t h o d st og e tf r e q u e n c ys o u r c e 研mk 曲s t a b i l i t y ：( 1 ) u s i n gh i 班qc a v i t y ；( 2 ) u s i n gp h a s e l o c k e dl o o pc i r c u i t ( 3 ) u s i n gi n j e c t i o n - l o c k e d c i r c u i t w a v e g u i d ec a v i t y , c o a x i a lc a v i t y , a n ds u b s t r a t er e s o n a n tc a v i t yw i t hh i g hq a r e u s e dt os t a b i l i z et h es o u r c ef r e q u e n t l y , b u ta l la b o v eh a v ep r o b l e mo fb a dt e m p e r a t u r e s t a b i l i t y t h em e t h o du s i n gp h a s e - l o c k e dl o o pc i r c u i ti sm o r ep o p u l a r t h e r e f o r e ，t h i s k i n do fc i r c u i ti so f f e rc o m p l i c a t e d ，e s p e c i a l l yi nm i l l i m e t e rw a v e ，w h i c hi sh i g ha n d m a yc a u s et h ed e t e r i o r a t i o no fs p u r i o u sr e s p o n s e i n j e c t i o n l o c k e dt e c h n o l o g yu t i l i z e d a ss t a b i l i z i n gf r e q u e n c ya n da m p l i f y i n gi nm i c r o w a v ef r e q u e n c yh a ss o m em e r i t ss u c h a ss i m p l ys t r u c t u r e ，l o wc o s ta n dr e a l i z i n ge a s i l y , e s p e c i a l l yi nt h em i l l i m e t e rw a v e c o m p a r i n gt oo t h e rt e c h n o l o g i e s t h i sd i s s e r t a t i o ng e n e r a l l yp r e s e n t st h ea c t u a l i t yo fm i l l i m e t e rw a v es o l i d _ s t a t e s o u r c ef i r s t l y t h ew o r ke h a r a c t e r i s t i c so fg u n nd i o d ea n di m p a t td i o d ea r e i n t r o d u c e d t h e n , t h ei m p e d a n c eo fd i o d ei se l e m e n t a r i l yc a l c u l a t e du s i n gt h ed i o d e s c l a s s i cm o d e la n dp r i m a r yp a r a m e t e r w ec h o o s ec a v i t ys t r u c t u r ea p p l i e di nt h i sc i r c u i t a n dt h e ne q u i v a l e n tc i r c u i ti su s e dt or e a l i z et h em a t c ho fd i o d e u t i l i z i n gt h ec h a r g ea n d d i s c h a r g ec h a r a c t e r i s t i co fl cc i r c u i ta n dt h es w i t c h i n gt r a i to f f i e l de f f e c t i v et r a n s i s t o r , i m p u l s eb i a sc i r c u i tw i t hh u n d r e d - n sl e v e li m p u l s ei sd e s i g n e d t h r o u g ht e s t i n gw i t h3 o h ml o a d ，t h ed e l a yo f r i s i n go rd e s c e n d i n gi sl o w e rt h a n2 0n s ，t h ep e a kv o l t a g ec a n b e m o d u l a t e db e t w e e n10 v - 2 5 v b a s e do nt h ef u n d a m e n t a lp r i n c i p l eo fi n j e e f i o n l o c k e dt h e o r y , t h i sd i s s e r t a t i o nh a s f o u n dai d e a lm e t h o dt or e a l i z eai n j e c t i o n - l o c k e da m p l i f i e rw i t hs i m p l es t r u c t u r e ，l o w n a b s t r a c t c o s ta n ds t r o n gs t a b i l i t y a tl a s t , w em o d u l a t et h ea m p l i f i e r t h ei n p u tp o w e ri sx xd b m i n9 8 g h z ，a n dax xd b ms i g n a l 谢t l li m p u l s ew i d t h l o w e rt h a nlo o n si sg o t k e y w o r d s ：wb a n d , p u l s em o d u l a t o r , g u n n ，i m p a t t , i n j e e t i o n l o c k e d ，a m p l i f i e r i n 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：剖诅 日期：2 口f o 年石月3 日 论文使用授权 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) 签名宁慨翩虢迸 日期：沙b 年6 月多日 第一章引言 第一章引言 1 1 毫米波固态源特点及其应用 毫米波在通信、雷达、制导、遥感技术、射电天文学和波谱学方面都有重大 的意义。利用大气窗口的毫米波频率可实现大容量的卫星地面通信或地面中继通 信。利用毫米波天线的窄波束和低旁瓣性能可实现低仰角精密跟踪雷达和成像雷 达。在远程导弹或航天器重返大气层时，需采用能顺利穿透等离子体的毫米波实 现通信和制导。高分辨率的毫米波辐射计适用于气象参数的遥感。用毫米波和亚 毫米波的射电天文望远镜探测宇宙空间的辐射波谱可以推断星际物质的成分【1 1 。 近年来，毫米波技术发展取得了很大进展。主要还因为元件及工艺水平的提 高，毫米波在通信、遥感、导弹制导和射电天文学等方面都了非常广泛的应用。 在众多毫米波系统里面，一个非常关键性的模块就是毫米波信号源，毫米波信号 源质量优劣是直接决定系统质量的好坏。毫米波频率源可分为固态源与电真空源 ( 电子管) 。电真空源的输出功率极大，但是它的确定也很明显，比如，体积庞大、 寿命短、性能不稳定、需要很高的供电电压等等。这些劣势都制约了其应用和发 展。毫米波固态源因体积小、重量轻、电源电压低、寿命长等优点，被应用于雷 达、精确制导和通信系统。 随着军事电子技术的发展，对3 m m 波固态发射源的输出功率的需求却越来越 高，而单个固态器件的输出功率却往往不满足系统要求。在毫米波频段的高端， 半导体材料的特性导致单器件固态毫米波源的输出功率与其工作频率的平方成反 比。3 m m 波段( 7 5 g 1 1 0 g h z ) 常用的耿氏管和三端器件的输出功率都较小，单个 i m p a t t 器件也常常难以满足大功率固态毫米波雷达对发射功率的要求，因此提高 毫米波源的输出功率常常是毫米波固态雷达系统的一个基本要求。 1 2 国内外发展现状 在大功率3 m m 固态功率器件的研究中西方国家起步很早，早在上世纪7 0 年 代就掀起过一场研究3 r a m 固态大功率器件的热潮。g u n n 管和雪崩管振荡器发展 迅速。 1 9 8 1 年h b a r t h 发表了一篇关于w 波段二次谐波雪崩管振荡器的文彰2 1 。 电子科技大学硕士学位论文 在基波f - - - - - - 4 5 g h z 和二次谐波2 f = - 9 0 g h z 上输出功率分别为1 8 d b m 和1 2 5 d b m 。但 是其电路q 嘣。4 5 ，。1 0 0 0 0 由于在二次谐波频率点上，电路具有极高的外 部q 值，所以使得作为注入锁定的锁定带宽很窄；如果用作功率合成，几个二极管 之间的相互耦合效果也不太好，只能在基波厶上的耦合可以达到不错的结果 1 9 8 7 年d h e v a n s 和r n b a t e s 设计了一种注入锁定放大器，在输出期望的 功率基础上它能实现宽的调谐范围和较好的噪声性能。由于二次谐波振荡器极高 的外部q 值使得它可以直接与雪崩管相连而不需要环流器和隔离器。单独的g t m n 和i m p a t t 振荡器在9 2 8 g h z 输出功率分别为1 0m w 和2 1 0 m w 。而当两种耦合 在一起的时候功率输出却为1 4 0 r o w 。 1 9 9 1 年，h e l m u tb a r t h 设计了一种9 4 g h z 的g u n n 管振荡器【3 】。其设计采用了 高q 腔稳频，使其噪声减小了4 0 d b 。最后输出功率达到4 0 m w , 足以驱动低噪声混 频器或用作雷达系统的参考源。采用高q 腔稳频，其结构从偏置到二极管依次是 一个偏置滤波器，短路传输线部分和帽结构。二极管安装在一个帽结构下，谐振 频率主要有帽结构的直径决定。帽结构在二次谐波回路中等效为一个变压器( 阻 抗变换) 。输出波导采用的w r 1 0 波导对基波频率截止，基波完全反射。主振腔 与高q 稳频腔之间的挡板可以放基波通过，而二次谐波在这点也完全反射。 从上世纪9 0 年代开始，由于毫米波单片电路，器件工艺以及c a d 技术的发 展，另一方面由于军事电子系统的朝着更高频率发展的推动了3 m m 固态大功率的 发展，此时的固态振荡器朝着高可靠性，高功率，高频段以及高效率的方向发展。 2 0 0 6 年，h e r i b e r te i s e l e 等发表了一篇关于g u n n 二次谐波振荡器的文章【4 】。 该文中采用的是以i n p 为材料的g u r m 管，其工作的频率范围为：2 6 0 3 3 0 g h z 。然 后利用功率合成输出，其中几个频率点上输出较大。分别是：在2 7 5g h z 的上输 出功率为3 9 m w ，在2 8 2g h z 上输出4 8 m w 和在2 9 7 g h z 上输出3 7 r o w 。他们 的直流射频转换效率分别为：o 2 4 ，0 3 1 和o 3 2 。 2 0 0 7 年，m o u m i t a 等发研制了一种用于t - h z 高功率源的g a n 单漂雪崩二级 管。这种雪崩管在1 4 5 t h z 的频率上输出功率至少能达到2 5 w ，其效率范围是： 1 7 2 0 。这是采用普通的s i ，g a n 雪崩管不能达到的。 国内从上世纪八十年代也开始研究毫米波振荡器和注入锁定放大器。但是在 我国国内起步较晚，较之西方国家水平很低，人才匮乏，差距很大。 1 9 8 4 年，中国科学院半导体研究所的杨玉芬和刘衍芳设计了一种二毫米雪崩 二极管毫米波振荡器【1 1 1 ，在1 2 0 g h z - - 1 4 0 g h z 的频率范围内给出了2 0 m w 的峰值输 出功率，其效率在1 左右。主腔采用径向线结构，有利于阻抗匹配和获得较高的 2 第一章引言 输出功率。为了减小功率损失而又能达到降低噪声的要求，在主腔末端接反射式 高q 腔，其功率损失小，采用适当的耦合方式，在降低噪声方面可以获得不错的结 果。 1 9 9 2 年，南京电子研究所章国豪设计了一种8 毫米雪崩注人锁定放大器。采用 在同轴偏置杆与器件接触的部位加一个变形帽的形式，实现雪崩器件和波导电路 的匹配，短路活塞选用不同于主腔的材料，进行温度补偿，进一步增加有效带宽。 其工作频率为3 3 g h z ，输出峰值功率为5 0 0 r o w 。 2 0 0 5 年，电子科技大学硕士吴涛设计了三种w 波段脉冲源 1 0 】：分别为自由振 荡w 波段脉冲源技术，注入锁定w 波段脉冲源技术和连续波斩波w 波段脉冲 源技术。在9 2 8 g h z ，输出脉冲峰值功率6 5 w , 脉宽3 5 n s 重复周期2 0us ，脉内调频小 于5 0 0 m h z 将多级w 波段i m p a t t 脉冲振荡器利用环行器级联连接，隔离器是为 了提高各级振荡器的抗负载能力，避免级间干扰。利用此方案不但可以实现功率 的放大，还可以实现功率合成。高q 稳频谐振腔输出9 3 7 g h z ，峰值功率3 0 r o w ，重 复周期2 01 ts ，脉宽2 0 0 5 0 0 n s 。 1 3 研究意义 从目前国外发展来看，连续波，脉冲振荡器的工艺水平和理论模型以及振荡 器电路都已经相当成熟了。目前向着集成电路，更高频段和更高功率的脉冲振荡 器方向发展。国内由于器件水平等种种原因限制，固态源发展缓慢，尤其是在毫 米波高频段，如果采用集成电路的形式，成本很高，而且工艺水平也达不到要求。 因此，从低成本，可靠性上来说，采用注锁放大的形式来得到固态源是可取的。 本文研究并设计连续波注入锁定放大器及其脉冲的振荡器。第一，二，三章 主要讨论有源器件和固态器件的基本理论；第四，五章主要设计连续波，脉冲振 荡器；第六章主要对调试与测试进行了分析与陈述。 电子科技大学硕士学位论文 第二章固态器件基本原理 在整个毫米波波段真空管可以提供所有功率的射频信号，但是，其缺点很明 显，比如制造工艺繁复，聚焦磁场和阳极电压需要很高的值，加上体积大使得成 本昂贵且使用不便。相对于真空管固态器件需要的工作电压很低，而且体积小， 重量轻，只是功率电平比真空管低，但是应用也可以涉及很多方面，而且还可以 通过功率合成技术提高其输出功率，因此关于固态器件的研究很多，不断取得进 展。本文就目前使用范围较广的产生毫米波信号的g u u n 和i m p a t r 二极管进行简 单介绍。 2 1g u n n 二极管 g u n n 二极管是最常见的体效应器件，它利用的是半导体材料体内物理效应的 固态微波器件。基于多数的载流子在半导体内的运动这个特性，其产生产生微波 的振荡是依靠电子转移特性来实现的。 它是1 9 6 3 年由i b m 研究所的j b g u n n 发明的，1 9 6 7 年出现了可以实际运用 的样管，以后很快发展成为一种比较成熟的半导体器件。因为其电子可以在各个 能谷间的跃迁，转移电子器件也就得名于此。i 1 2 0 g h z 是其的工作的典型频率， 而它输出功率不太高，一般仅仅为十至几百毫瓦，而它工作效率大多数都低于 1 0 ，最多为3 0 。相比于雪崩管，g u n n 二极管最大的优势在于噪声非常小，因 此它还可作为本振源使用。 最常见的g u n n 器件是均匀掺杂的n 型g a a s 半导体，它的两端采用的是欧姆 接触。具有电子转移器件的还有其他几种，如：磷化铟( i n p ) ，碲化镉( c d t c ) 和 硒化锌( z n s e ) 等。近年来，对i n p 的研究发现，它比g a a s 高低能谷能量比有更 高的比值，而且转移时间也更加短，所以i n p 具有更加大的负阻，可以用于更高的 频率工作。现在人们研究i n p 的比较多，3 g h z 9 6 g h z 的l a p 电子转移器件系列商 品已经生产出来。当然，g a a s 仍然是目前最佳的转移电子器件应用材料。下面以 n 型g a a s 为例进行讨论。 4 第二章固态器件基本原理 2 1 1 负微分迁移率和负微分电导率 n 型g a a s 的具有比较特别的能带结构，在其的导带里，中心能谷( 称为为低 能谷) 位于能量的最低点，而且在中心能谷旁边有着六个子能谷( 称为高能谷) 。 在3 0 0 k 时，价带顶点和底点之间的禁带宽度约为= 1 4 3 电子伏特( e v ) ，而一 般高能谷的能量比中心能谷高a w = 0 3 6 e v 。 室温下，如果加在二极管两端的电场很小( 小于e ) ，那么中心能谷则包含了 几乎所有的电子。令子能谷电子密度为，低能谷电子密度为吃，总电子密度就 为n o = n v + n l ，则有： n o = 他，n v = 0 ，0 e e o ( 2 - 1 ) 根据分析，我们可以发现这个时候的电子平均漂移速度u = d e = l a l e = 吮。而与 其对应的的电流密度j = n o g 。u = n l g # t t e 。从上面分析可以看出，在外加电场很小 的时候，u 和j 与e 呈线性关系， 当外加的电场继续变强，直到e e 的时候，电子就会发生跃迁，方向是从 中心能谷指向子能谷，跃迁会一直持续到所有电子转移到子能谷为止。在e 和e 之间，电子的跃迁的平均速度与相应的电流密度是随着电场的变化而变化的，这 时 n o = n v + n l ( 0 心，e 的变强必然会导致逐渐降低，而使得心却变强，直到 e = t ，吃= o ，= n o 为止。所以我们可以断定u 和j 的极大和极小值是在e 和 毛之间。很显然，在极大和极小值之间的曲线上任意点的斜率为负。即 ，= d u 0 的出现 在曲线极大值的左侧。我们将在微分迁移率由正至负在过横坐标轴时，与其对应 电子科技大学硕士学位论文 的电场邑，称作阀值电场，当然那时的电压吃就叫阀值电压。我们知道 j = 仃e = n o q 。u ( 仃为材料电导率) ，所以微分电导率为： ，d j d u 2 面= n o q c 面2 刀。g e 心刘 ( 2 6 ) 式( 2 6 ) 说明微分电导率为负。因为外加电压v o o e ，所以也说明n 型g a a s 的i v 特性在峰点和谷点之间为其负阻区域。 所以在外加的电场大于最的时候，电子已经全部的跃迁到高能谷，即 吃= o ，劭= n o ( e 毛) ( 2 7 ) 这个时候u = e = 砌e = ，j = n o q , u = 吼y , e ，即u 和j 与e 又呈线性关系。 从前面的分析，我们可以得到一些启示，要出现电子转移效应并还要有负微 分电导率的半导体材料，下面的条件是必不可少的： 1 导带结构要有多个能谷，而且低能谷的迁移率肼必须远大于高能谷的迁移 率以。 2 低能谷的能量要比高能谷低几个k t ( k 为伯尔曼常数，t 为其电子热运动的 绝对温度) ，也就是说电子在低能谷的动能要远远小于高低能谷能量的差a w ，只 有这样，在没有外加电场的时候电子才能一直在低能谷之中。 3 禁带宽度比高低能谷能量之差形宽，不然的话谷间电子转移会被击穿 带来电流所掩盖 2 1 2 偶极畴 l 图2 1 偶极畴的形成 ( a ) 产生畴之前转移电子器件的电场分布 ( b ) 畴“核”在阴极附近产生 从上面的讨论我们可以看出当n 型g a a s 要产生负阻效应，就必须外加上电 场，而且这个电场还要超过阀值电场瓦。下面我们再来分析微波振荡是怎么因为 6 第二章固态器件基本原理 负微分迁移率出现的。 当外加的电压矿 r n 时，口 0 ，随着时间的推移，振幅一直在减小；而当吃 r l ，这就是所谓的负阻振荡器的起振条 件。 3 1 2 振荡器平衡条件 振荡器在初始振荡发生以后，电路中的振荡就会慢慢地变强。上- - ：b 节中， 式( 3 6 ) 仅仅是实用于判别起振。根据上一章的理论，二极管的负阻是随着振幅 的变化而变化的，因此，在电路起振以后式( 3 2 ) 所表示的线性微分方程不再成 立，当然，振幅也不会一直变强，最后会趋于某一定值。 负阻振荡器可以简化成为如图( 3 2 ) 中所表示的电路。在该电路图中负阻由 一乙( i ) = 一如( ，) + 鹏( ，) 表示。前面已经说过，它是随着振幅i 和频率c o 的变化 而变化。r ，表示的是负载电阻。 电子科技大学硕士学位论文 也 1 谐振 吗r j 回路 竹 ( 叫l z 踢 i i 图3 2 振荡器的等效电路 谐振回路的电路形式的多样的，它既可以采用单调谐电路，也可以采用多调 谐电路。我们把从器件往电路看过去的部分统一成为一个整体，其阻抗为： z ( ) = 尺( 缈) + ( 缈) 。 因为谐振回路的存在滤波的效果，因此经过二极管的电流，我们对其高次谐 波忽略不计而只分析其基波，当振荡达到稳态时，电流表示成： i ( t ) = i e o s ( o t + o ) ( 3 - 7 ) 也可以表示为复数形式乃“卅引。二极管上的电压是基波和谐波分量的总和， 但是因为谐波的弱与强不能分辨，所以二极管电压表示为： ( f ) = r e - z o ( i ) i e 7 ( 斛o 】+ 谐波分量 = r e 卜如( j ) + 忍( ，) ，c o s ( 研+ ) + s i n ( 耐+ ) 】) + 谐波分量 = 一如( ，) ，c 0 s ( 耐+ ) 一k ( ) s i n ( r o t + o ) + 谐波分量 ( 3 - 8 ) 电路两端的电压为： v ( t ) = r e z ( c o ) i e “饼+ o 】+ 谐波分量 = r e 陋( 国) + 弘( 功) 】 ，c o s ( 研+ ) + s i n ( 刎+ ) ) + 谐波分量 = r ( ) j c o s ( 研+ ) 一x ( ) j 叫耐+ 西) + 谐波分量 ( 3 9 ) 由于振荡回路中并没有外加上交变电压，所以图( 3 2 ) 中分界面上的总电压 等于零。 把式( 3 - 8 ) 和( 3 9 ) 代入v d ( f ) + 1 ，( f ) = 0 ，得到： r ( c o ) - r o ( i ) ic o s ( o t + ( i ) ) - x ( o j ) + x o ( ) s i n ( c o t + ( i ) ) + 谐波分量= o( 3 1 0 ) 用c o s ( c o t + ) 去乘式( 3 1 0 ) ，同样在基波的一个周期积分，利用三角函数的 正交性，得到： r ( ) 一( i ) = 0( 3 1 1 a ) 第四章振荡器和注入锁定的基本理论 再用s i n ( c o t + 1 去乘式( 3 1 0 ) ，同样在基波的一个周期积分，利用三角函数 的正交性，得n - x ( 功) + ( j ) = 0 ( 3 1 1 b ) 从式( 3 一l l a ) ，( 3 1 l b ) 我们可以看出，负阻振荡器电路要达到平衡必须应该 满足的条件。从式( 3 1 1 a ) ，我们可以看出，当振荡处于稳态的时侯，外电路电阻的 绝对值应该与二极管的负阻是相等的。 这个就是所谓的振荡器的平衡条件。另外，从( 3 1 l b ) 我们还可以看出，当 振荡处于稳态的时侯，二极管的电抗和电路电抗绝对值相等，但是他们的符号相 反，假设其中一个是感抗，那么另外一个必然是容抗。这就是相位平衡条件。 综合式( 3 一l l a ) 和( 3 1 l b ) ，平衡条件用复数阻抗表示为： z ( 国) 一z d ( i ) = 0 ( 3 - 1 2 ) 3 2 注入锁定理论 注锁放大具有稳频，放大，调制等优点，在小信号同步，频率合成等方面有 广泛应用。在毫米波系统中，具有高稳定的频率源不可缺少。通常情况下得到高 稳定的频率源的方法有两种：( 1 ) 利用高q 稳频腔。( 2 ) 采用环路锁相。( 3 ) 采 用注入锁定。波导腔，同轴腔和介质谐振腔常常用于高q 稳频源，但他们都有温 度稳定性差的问题。采用环路锁相的方法稳频较为流行，但是这种电路往往比较 复杂，尤其是在毫米波频段，成本很高，另外还有可能会出现杂散恶化等问题。 所谓注入锁定是指当一个和自由振荡频率很接近的信号输入到振荡器，则振 荡器输出信号将被锁定在注入信号频率上，又称注入锁相。如图3 3 ，所示： ( a ) g d c o + 急括时 c 3 乏6 ， 其中表示注锁输出信号角频率，c o 表示振荡器在自由工作状态下的中心角 频率，m 输入信号角频率。 另外，通过如图3 4 所示，可以分析注入锁定的原理。z ( a 1 表示器件阻抗线， 它是随着幅度的减小而增加，z ( c 0 1 表示电路阻抗线，它是随着频率的增加而变大。 在二者相交的时候，自由振荡发生。当振荡器注入一个小信号时，振荡状态发生 变化，信号的注入是在模拟负载阻抗的变化，在这里可以看成引入了一个注入矢 第四章振荡器和注入锁定的基本理论 图3 4 注入锁定原理图 量驯4 。其中e 表示的是注入信号的幅度，厶表示自由振荡幅度。由于注入矢量 的引入，相当于将原来在相交点的振荡状态牵引到了z ( 啦) 这一点。图中虚线所示 的注入矢量是一种不稳定的状态【1 6 】。 上面的推导基于输入信号电平远远小于振荡器自由工作状态下的输出，即小 信号注入的工作状态。 当输入电平比较大，如图3 5 所示，如果仍然按照上面的分析可以发现，要牵 z ( a ) 图3 5 注锁输出电平随输入电平变化示意图 引到电路阻抗线的同一点上，如果注入信号电平越来越大，那么从器件线上可以 看出输出电平会越来越小，即4 x ( a + b ) ( 4 - 2 6 ) 其中a 和b 分别表示同轴线内外导体半径。同时为了使同轴线对传输波t e m 模 的衰减最小，也必须使内外导体半径取合适的尺寸，当( b a ) = 3 5 9 1 时，衰减最小 经修正计算得到低通滤波器各参数值如表4 2 ： 3 3 电子科技大学硕士学位论文 围41 0 低通阻抗变换嚣示意图 表4 _ 2 低通滤波阻抗变换器尺寸 利用a n s o f f 公司的三维场仿真软件h f s s 对阻抗变换器进行仿真，其结果如 下：结果表明，在3 0 g h z 以上的频率范围，具有2 0 d b 抑制。 图41 1 低通阻抗变换滤波器仿真结果 第五章雪崩管脉冲振荡器 的硼宝于要霎嘉耋妻竺竺詈竺詈銎定，脉冲雪崩振荡器在脉冲内会出现频率变化 鬈嚣莩7 萎黧竺耋銎：譬苎耄挈竺器件的脉内工作磊鑫蕃荟：。兰主亲耄羞葛蓑薹 慧譬二雪霎管竺竺竺尝苎竺会随之蟪对于平i 荔苫蒜翥_ 蕃蚕裂篡 喜警譬雾急烹作竺竺雪崩管的结温度赫。磊毛蠡盂；兰袁善 管结温度的改变而改变，从而使整个振荡状态也随之夏妥：”屯阻睫召一似哥 频率 ? 一 、 c t 骞 f 点电激 先i i i 袁慧鬻擞竺置电流，那么我们可以通过脉冲电流波形来控制 雾言譬嚣鼍懋黧整变电流密度来补偿囡菇蒜磊凝 黧黔1 袅，兰慧望苎警平坦电流脉椭振荡器晶中忑茹嚣磊茹 霎霎尘二篓苎冀竺篓制喜雾曼寸，使其有一个合适的上升茹率吾，。未荔；蕞篡嚣 芸耄向下跳变的现象。当脉冲电流斜率超过最佳的值时：篡孬圣圣三呈赢萎磊 帘脉冲雪崩振荡器的振荡频率由温度、掺杂浓度和偏置电流密度等因素共同决 eo 5 1 2 脉冲调制器电路原理 勰堞誓黧? 竺磐磐中，我们可以看出脉冲振荡器对于偏置调制器要求 很氘斛蛳下黼躺忻l 同时由于雪崩管蠢裂靠菇蒜嚣 电子科技大学硕士学位论文 足够的驱动电流密度才能使其正常工作，假如器件要求的电流是1 5 a ，那么我们 的驱动电路应该达到2 0 a 以上。而且我们还需要合适的驱动电流波形，以补偿因 为热效应而引起的频率变化，减小脉内变化。 图5 2 脉冲调制器的一般原理框图 图5 2 是脉冲调制器的一般原理框图。触发脉冲输入到预调制器，变成具有 一定脉冲宽度和周期的脉冲，然后通过后面的电路形成符合要求的脉冲输出。调 制开关用来控制储能元件的充放电。 5 1 3 脉冲调制器电路设计 本文设计的预调器电路如图5 3 所示。 图5 3 预调器的电路结构 触发脉冲信号经串联电容，电阻输入到三极管$ 8 0 5 0 基极，$ 8 0 5 0 在这里起到 一个阻抗匹配的作用，脉冲从$ 8 0 5 0 集电极出来经过可调变阻器输入到可重触发 单稳多谐振荡器7 4 l s l 2 2 的1 ，2 两个端口( 变阻器可以适当改变输入的电平大小) ， 适当的外接电路可以使7 4 l s l 2 2 输出具有一定重复频率+ 5 v 的t t l 信号。至此， 前面的一系列电路可以被视为预调器。 第五章雪崩管脉冲振荡器 7 4 l s l 2 2 可由逻辑门有效高电平或低电平直接触发；输出脉冲很宽，占空比还 可以达到1 ；能够无条件清除终止脉冲输出；可以补偿吃和温度的变化；它输出 脉冲的宽度可以通过外接一定是定式电阻和电容来控制。 当c 嘲要1 0 0 0 p f 时，输出脉冲宽度与外接电容之间的关系如图5 4 所示： o 1 0 1 1 01 0 0 1 0 0 0 c 醢一h 翻啪lt i m h 崎幽科t 嗍一p f 图5 4 输出脉宽与外接电容关系 当c 嘲 1 0 0 0 p f 时，输出脉冲宽度瓦= k 足xc 嘲。式中，足是定时电阻，单 位为kq ，k 是对应的不同电容值情况下的系数。c 嘲是外接电容，单位为。乙 为输出脉冲宽度，单位为n s 。 在实际调试中我们发现了一些问题： ( 1 ) 我们选择的7 4 l s l 2 2v 。在8 v - 1 3 v 范围内能正常工作，其中最佳 值为i o v ，由于整个电路在三端口器件7 9 1 2 的稳压状态下工作，所 以对于分压电阻r 和咫的取值显得比较重要。 ( 2 )在7 4 l s l 2 2 和低电位之间的e 可以起到与后级开关电路匹配的作 用，如果没由c 6 的存在，会导致输入到后级电路的脉冲信号失真。 最后从预调器输出的脉冲信号如图5 5 所示： 3 7 。譬co；譬盘。_一，莒曩；o，l_ 电子科技大学硕士学位论文 ( 吣 ( b ) 圈5 5 预调制器输出的脉冲 值得一提的是，圈65 ( a ) 是空载时预调制的输出波形。在实际电路中，因为预 调制器后面还有后续电路，所以波形会有恶化，如图65 所示。 由于一般的竹l 信号驱动能力都比较弱，我们可以加上一级放大电路，用以 驱动后级的功率场效应管，如图5 6 所示。不过从7 4 l s l 2 2 出来的信号能够驱动 图56t t l 放大电路 后级开关场效应管，因此为了简化电路，不必加此放大电路。 第五章雪崩管脉冲振荡器 图5 7 第一级开关电路原理图 从预调器输出的脉冲输入到后面的开关充放电电路( 图5 7 ) 。在开关电路里 面i r f 5 4 0 ，和i r f 9 5 4 0 都是增强型功率场效应管。当第一级场效应管i r f 5 4 0 的输 入端为低电平时，场效应管截止，输出端为高电平。当输入端为高电平时，场效 应管导通，输出为低电平，线圈l 两端存在电压差，此时电源v 二给l 充电。当 t t l 电平又变为低电平时，由于线圈l 的电流不能跃变，线圈l 内储存的能量g 、 马所构成的回路逐渐放电。马与第二级i r f 5 4 0 并联从而利用局的分压为第二级 i r f 5 4 0 提供栅极电压。输入到第二级i r f 5 4 0 的脉宽由充放电时间控制，即电感感 值决定了输出脉宽。 在这一充放电路中，同电感l 并联的二极管可以防止大的反向电压的出现， 电容c 可以防止场效应管通断时产生的瞬间高压，因为在实验中我们发现电阻吒 很容易烧毁。 三端口器件7 9 1 2 在电路中也有举足轻重的地位。整个电路的高低电位差被控 制在1 2 v ，保证各器件的正常工作；再者，可以利用7 9 1 2 让输入到9 5 4 0 栅极的 电压为负脉冲。 3 9 电子科技大学硕士学位论文 图5 8 第二摄开关电路原理图 如图5 8 ，当第二级5 4 0 输入高电平时，场效应管导通，输出端为低电平；反 之，当第二级5 4 0 输入低电平时，场效应管截止，输出端为高电平。而这里的高 低电平通过7 9 1 2 稳压，使得从第二级输出到9 5 4 0 栅极的脉冲为负脉冲。 当输入到9 5 4 0 栅极的负脉冲高电平达到其开启阀值便得到了我们最后的正 脉冲输出。可以根据需要调整，从而改变脉冲输出的高电平。 图5 , 9 第二级输出的负脉冲波形 第五章雪崩管脉冲振荡器 醚 o 弘衄 一f 一 “ 鬻 图51 0 整个电路输出的脉冲波形 图5 1 0 的输出不太理想，我们要得到的应该是矩形系数比较好的波形。因此 还要对电路中的具体元件做些调整： ( 1 )实验中我们的步骤通常是一级一级地调试，当前一级输出很好的 情况下再调试后续电路。这种实验方式会出现一个问题：在测试 前一级电路输出波形对，往往是在它空载的时候，这时再接上后 续电路，一般都会出现阻抗失配，输入到后续电路的并非理想波 形。 ( 2 )在开关电路中，功率场效应管的参数( 主要是上升下降沿) 差别 很大我们优先选择开启和关断速度快，输出电流大的三极管 表5 1i r f 5 4 0 上升f 降时延 s y m b o l p a r a m 咖rt e s lc o n d i f o n s m i n t y p m a x u n i t f o t f - v o l t a g er i s et i m e r o d 28 0 v i d = 3 0 2 2 3 dn 3 俐t i m e = 47 nv = 1 0v 2 53 5船 0 口3 3 _ o v 盯t i m e5 57 s舶 对于上述功率场效应管的开启与关断，我们注意到往往前级输出已经达到后 级开启阀值电压要求，然而我们发现后级的输出却不是很理想上升下降根慢， 才导致最后输出脉冲峰值不够平坦。根据分析，这是因为前级输出电流太小，驱 动能力有限，因此我们有必要对电路进行改进。 蔷磊霞 i；，1d 电子科技大学硕士学位论文 从这里出发，最简单的方案就是，更换充放电电路中的电感与电容，选用电 流大的电感以及高频效应好的电容；其次我们可以在充放电电路后加一级电流放 大电路，这里可以采用一对n p n 和p n p 晶体管的互勉推挽电路，或者可阻利用电 流放大芯片直接放大。 最后，通过更换充放电电感和电容，我们得到如下结果： 图51 1 改进后脉冲电路输出的脉冲波形 52 雪崩管脉冲振荡器腔体设计 和前面连续波振荡器腔体一样，雪崩管脉冲振荡器腔体的等效电路模型采用 ucr a y 文章中提供的一阶电路模型。因此等效电路的计算方法和步骤一致，不过 由于工作状态的不同，具体的腔体结构也有很多不同。 图5 - 1 2 雪崩管脉冲振荡器腔体结构 第五章雪崩管脉冲振荡器 整个电路分为主振腔和活塞调节两部分，采用w r 1 0 作为主振腔波导，在宽 边上开孔，脉冲电流通过激励探针馈到雪崩二极管，振荡器腔体选用标准3 m m 波 波导，即横截面为2 5 4 r a m x1 2 7 r a m 波导的工作模式选择t e l 0 模式。 封装雪崩器件固定在上下可移动的螺钉上，从而保证它始终能接触到偏置探 针的底端。偏置电压由一圆柱金属探针提供，该探针穿过同轴线内导体，顶部接 有一弹簧，使其能上下可调。波导后面的短路活塞使能量全部向输出口传输。 4 3 电子科技大学硕士学位论文 第六章调试与测试 前面的章节讨论振荡器以及注锁的原理与设计。下面对实物进行实验与测试 本调试系统使用的仪器如下： 表l 测试仪器 仪器名称 型号潞试范围 额谴仪目【5 。 电源0 1 3 v 谐波混嬲 7 5 g 丑= 1 1 0 g l z 功率计o 。1 0 0 m v 示、捩器 检波器 6 1 连续波振荡器测试 g u 皿连续波振荡器的输出信号质量对于注入锁定放大器来说至关重要。连续 波振荡器的主要指标是中心频率和输出功率。 通过波导谐波混频器，振荡器的信号输入到频谱仪，混频器与振荡器之间是 插损为1 0 d b 的3 m m 波导衰减器，如图6 2 所示。 图6 2 连续波振荡器测试系统 4 4 第六章调试与测试 因为使用的是谐波混频器，因此频谱仪上会有很多假信号。这里的谐波混 频器在n = 1 8 的时候输出的才是振荡器的真信号。 从连续波振荡器的基本原理我们可以发现，二极管的上下位置和短路活塞的 位置对振荡状态影响很大实验也证明了这一点。调试中我们首先是改变其偏置 电流。发现在39 v 的偏置下，振荡器是工作状态。然后再对几个敏感的地方进行 机械调试，固定阻抗变换器的位置，慢慢从下往上移动二极管底座，可咀发现中 心频率的变化，如图6 3 所示。 圈6 3 中心频率的变化 当中心频率接近我们的目标，再通过调整活塞的位置来调整输出功率，当然 活塞也会对中心频率有所影响，这时我们结合前面的经验，得到功率最大，中心 频率最接近的输出信号。最后钡4 试效果如图6 4 所示，输出中心频率为9 7 g h z ，输 出功率为53 d b m 。 图6 4 连续波振荡器输出频谱 电子科技大学硕士学位论文 通过实验测试发现，