（电磁场与微波技术专业论文）阶跃恢复二极管高次倍频器的研究.pdf

摘要 摘要 倍频器是电子领域中常用的一类非线性电路，它的使用遍及空间探索、卫星、 雷达、通讯、频率合成、仪器等许多方面，是微波信号源中的常用部件。倍频器有 许多突出的优点，包括能够降低电子设备的主振荡频率；扩展工作频率；对于调相 或调频发射机可以加深调制度等等。本文将介绍如何使用阶跃恢复二极管设计微波 高次倍频器。 在本论文中，首先阐述了阶跃恢复二极管特性，介绍了高次倍频器的基本工作 原理及电路类型，获得根据输入输出频率选择合适的器件参数的工程设计依据，结 合时域仿真( 软件p s p i c e ) 对输入频率为i o o m h z 、输出频率为2 g h z 的集总参数高 次倍频器电路进行了详细的分析，获得了阶跃恢复二极管在大信号激励下的输入阻 抗及最佳激励电感等基本的设计要素。论文对具有强非线性特性的阶跃恢复二极管 模型进行了比较选择，以保证用谐波平衡法分析时的收敛性。理论分析和计算机仿 真结果对工程样机的研制具有指导作用。 关键字：倍频器阶跃恢复二极管 非线性模型谐波平衡法 东南大学硕士学位论文 a b s t r a c t m u l t i p l i e ri sak i n do fw i d e l yu s e dn o n l i n e a rc i r c u i ti nm i c r o w a v ea p p l i c a t i o n i ti s u s e di n s p a c ee x p l o r i n g ，s a t e l l i t e ，r a d a r , t e l e c o m m t m i c a t i o n , f r e q u e n c ys y n t h e s i z e ， a p p a r a t u sa n ds oo n m u l t i p l i e rh a sal o to fe x c e l l e n c ec h a r a c t e r s ：i tc a nr e d u c et h e f r e q u e n c yo fm a i no s c i l l a t o r ；i tc a ne n l a r g et h eo p e r a t i o nf i e q u e n c y ；i ta l s oc a ne n h a n c e t h em o d u l a t i o n d e p t h o ff r e q u e n c y - - m o d u l a t i o nt r a n s m i t t e ra n dp h a s e - m o d u l a t e d t r a n s m i t t e r t h ed e s i g no fah i 曲o r d e rf r e q u e n c ym u l t i p l i e ru s i n gs t e pr e c o v e r yd i o d ew i l l b ep r e s e n t e di nt h i sp a p e r f i r s t ，t h eb a s i ct h e o r yo fs t e pr e c o v e r yd i o d ew i l lb ei n t r o d u c e di n t h i sp a p e r , a n d t h e nt h ed e s i g nt h e o r yo fh i g ho r d e rm u l t i p l i e ru s i n gs r da n dt h ec i r c u i ts a m p l ew i l la l s o b ep r e s e n t e d t h ed e v i c ep a r a m e t e rf o re n g i n e e r i n gd e s i g na c c o r d i n gt ot h ei n p u ta n dt h e o u t p u tf r e q u e n c yw i l lb eg o t t e n w i t ht h eh e l po fs o f t w a r ep s p i c ei nt i m ed o m a i n s i m u l a t i o n ，w ew i l la n a l y s i sah i g ho r d e rf r e q u e n c ym u l t i p l i e ru s i n gs r dw i t h10 0 m h z i n p u tf r e q u e n c yv e r yp a r t i c u l a r l y a n dt h ee s s e n t i a ld e s i g n i n gp a r a m e t e r ss u c ha st h ei n p u t i m p e d a n c ea n dt h eo p t i m i z e dp o w e r i n gi n d u c t a n c ew h e n t h em p u ts i g n a lg e t t i n gt h r o u g h s r dw i l la l s ob ec o n c l u d e d t w on o n l i n e a rm o d e l so fs r dw i l lb ec o m p a r ei nt h i sp a p e r i no r d e rt oc o n v e r g ei nh a r m o n i cb a l a n c ea n a l y s i n g k e y w o r d s ：m u l t i p l i e r ，s t e pr e c o v e r yd i o d e ， n o n l i n e a rm o d e l ，h a r m o n i cb a l a n c e i i 学位论文独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，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，也不包含为获得东南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了谢意。 签名： 关于学位论文使用授权的说明 东南大学、中国科学技术信息研究所、国家图书馆有权保留本人所送交学位论 文的复印件和电子文档，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。本人电子 文档的内容和纸质论文的内容相一致。除在保密期内的保密论文外，允许论文被查 阅和借阅，可以公布( 包括刊登) 论文的全部或部分内容。论文的公布( 包括刊登) 授权东南大学研究生院办理。 签名：猃抠聋导师签名：业日 期： 硼or 、妒纱 第一章绪论 第一章绪论 1 1 倍频器的应用与发展【1 】 2 1 倍频器是电子领域中常用的一类非线性电路，它的使用遍及空间探索、卫星、外弹道的测 量、雷达、导航、通讯、频率合成、仪器等许多方面。在现代通信、雷达、温控遥测等领域中， 工作频段不断向更高的频率扩展，对微波固态源和频率合成器的频率稳定度提出了更高的要求。 鉴于微波有源器件技术及工艺水平的限制，直接利用微波有源器件设计生成高频信号源，不仅 成本较高技术上也不易实现，因此，利用非线性器件设计制作曲微波高次倍频器得到了广泛 应用。人们利用倍频技术，不仅降低了电子设备的主振倍频提高了设备的稳定性和可靠性， 而且将可使用频率段扩展到了毫米波、亚毫米波领域。目前，二极管倍频器的应用主要在毫米 波领域。许多毫米波系统是在最近二十年才出现的。由于成熟的器件和电路技术，现在的毫米 波系统正处于发展的前沿。几个毫米波领域已经成为毫米波系统的最重要的部分。 从无线通讯和广播开始应用之时，信号的发生就是一个主要的技术问题。通过利用基波信 号的谐波频率，倍频很早就被认为是一种有效的信号发生技术。二战时期，以硅和锗为材料点 连接的二极管已经在实验上被认为能够制作微波倍频器，不过这个领域最重要的进步是在1 9 5 0 年至1 9 7 0 年期间获得的。在此期间，器件工艺的发展和大量的理论研究奠定了使用半导体二极 管的高效的微波毫米波信号源的坚同基础。最近十年来同态倍频器的发展十分迅速，在现代微 波领域，工作频率不断向高频率扩展，对微波固态频率和频率合成器的频率稳定度提出了新的 要求。鉴于微波有源器件的技术和工艺水平的限制，直接利用微波有源器件设计生成高频信号 源，不仅成本高，技术上也不易实现，因此，利用非线性器件设计制作的微波高次倍频器得到 了广泛的应用。倍频器的发展从器件看，由早期的非线性变阻二极管倍频器发展到变容二极管、 阶跃恢复二极管、隧道二极管和雪崩二极管倍频器，又由双极晶体管倍频器发展到单栅和双栅 微波场效应管( f e t ) 倍频器。从波段看，由短波、超短波发展到厘米波乃至毫米波、亚毫米波。 目前，随着新型器件的不断发展和研制成功，h a v ( h e t e r o s t r u c t u r e b a r r i e r - v a r a c t o r ) - 极管倍 频器、a t l ( a r t i f i c i a l t r a n s m i s s i o n l i n e ) 倍频器、平面肖特基二极管倍频器和h e m t ( 高电子迁移 率晶体管) 倍频器等不断涌现。现在利用商品化单片集成放大器加少量外围器件就可以获得满意 的效果，其调试简单，更换容易，因此现代微波倍频器多运用微波集成技术，采用商品化的小 型单片放大器进行功率放大，同时综合运用c a d 技术，优化设计微波倍频器的微带带通滤波器。 最后加入微带隔离器，减少负载对微波倍频器的影响。 1 2 倍频器的主要特点囝 倍频器本身有许多特点使它在各种领域中获得了广泛的应用。其特点如下： 1 ) 能够降低电子设备的主振荡频率。这对于那些工作频率较高，而且对稳定性要求又较严 格的通讯机和高频设备极为重要。因为晶体的振荡频率越高，相对频率稳定度就越低。为了解 决高稳定度和高输出频率之间的矛盾，常在主振级和输出级之间采取多次倍频的方法。 2 ) 扩展工作频率。在电子对抗中需要宽频带的干扰和反干扰收发设备，若用一个振荡器难 以使它覆盖一个倍频程的频段。而采用倍频方式可以获得一个或多个倍频程的工作频段。在许 多通讯设备中，利用倍频器也易于扩展发射机输出级的工作频段。许多通讯设备在主振器工作 波段不扩展的条件下，利用倍频器易于扩展发射机输出级的工作波段。图1 1 为通讯发射机倍 频链方框图。 东南大学硕士学位论文 3 ) 对于调相或调频发射机可以加深调制度，以获得大的相移或者频移。 4 ) 由于倍频器容易产生激励信号的各次谐波频率，所以倍频器成为频率合成器中不可缺少 的一部分。通过频率合成可以获得步进间隔很小但点数很多的稳定频率输出，这为精密测量、 卫星通信、遥控遥测等提供了高纯度、高稳定度的信号。 5 ) 利用倍频，可以制造毫米波、亚毫米波的同态源，它们在射电天文学、等离子诊断学、 光谱学、毫米波通讯、雷达、军事侦察、监视、制导等方面得到广泛的应用。 图1 1 通讯发射机倍频链方框图 1 3 倍频器的主要性能指标 倍频器得主要性能指标包括： 1 ) 倍频次数： 2 ) 输出频率及带宽； 3 ) 输出功率； 4 ) 倍频效率； 5 ) 频谱纯度等。 当倍频器用于频率合成时，频谱纯度是一项重要的性能指标，通常用杂散电平、谐波电平( d b ) 及偏离载频的单边带相位噪声功率谱密度来表示，在某些场合，还提出了幅度稳定度的指标。 1 4 倍频器设计时的注意要点 由于上文所述的这些重要特点，由振荡器和微波二极管倍频器构成的固态源目前是一种非 常常用的微波固态源，与其他固态源相比，使用它能获得稳定度很高的微波固态源。目前无论 是体效应管或雪崩二极管负阻振荡器，还是三极管振荡器都无法完全替代它。 倍频器的实现是以电路的非线性现象为基础的。许多器件都有这种特性，如p n 结在射频频 段上就呈现这种特性，双极晶体管和砷化镓场效应晶体管均具有非线性电阻的特性，而变容二 极管和阶跃恢复二极管则具有非线性电抗特性。 设计倍频器时首先应当注意倍频器所引起的相位噪声的变坏和附加噪声的增加。一般来说， 当给定一个倍频次数和与之相关的功率效率后，应当合理设计输入频率的射频功率，使倍频器 的输出信号的信噪比不变坏，不影响输出的相位噪声。为了做到这一点，要求输入功率不能太 大。 2 第一章绪论 其次，还需要合理设计输出频带宽度。对一个单级的n 次微波倍频器，带宽不能大于1 n 。 若带宽较大，则n - 1 次和n + 1 次的倍频信号将落于通带范围内。对于频带相对较宽的高次微波 倍频器，若采用阶跃管直接倍频到所需频率，将使频率低端的旷1 次谐波和频率高端的n + 1 次 谐波落在所需频段内，使谐波抑制度受到很大的限制。 再次，滤波器也是微波倍频器设计中一个重要的因素，它直接影响微波倍频器中的谐波抑 制度与功率起伏。一般选用结构简单、体积较小、加工方便的微带耦合线滤波器作为滤波器的 主要形式。 最后是进行精确细致的调试。微波倍频器调试是微波倍领器设计中十分重要且相当麻烦的 过程。虽然已经通过了计算机辅助设计，制成所需频率和输出功率的微波倍频器，但还是必须 经过仔细的调试，使功率起伏和谐波抑制度与设计的指标相符。 1 5 常见的几种倍频器 1 ) 参量倍频器 参量倍频器一般是利用非线性电容，即电荷与电压的非线性关系来实现的，常用的器件有 变容二极管和阶跃恢复二极管。变容管和阶跃恢复二极管的电路模型和参数将在下面的章节中 详细讨论。 2 ) 三极管倍频器 三极管倍频器是利用p n 结的非线性电阻产生谐波，即c 类放大器输出调谐到n 倍的输入 频率上。这种倍频器单向性、隔离度很好，并且有增益。三极管倍频器一般由双极晶体管和场 效应三极管构成，倍频次数不能太高，一般倍频次数n 在2 0 左右，3 0 倍以上不太可能。使用 双极晶体管的倍频器产生c 波段以下的输出频率是非常简单的，成本低，是频率源中常用的电 路。在工程中，对于低次、高效率的倍频器，使用三极管实现较好，其常用电路如图1 2 所示： 图1 2 三极管5 倍频器 l 洲h 暑 3 ) 宽带倍频器 现代频率源中，常常要求宽频带的倍频，参量倍频器是很难实现宽带倍频。变电阻倍频器 往往受输入输出匹配电路的带宽限制，带宽不会很宽。在工程研制中，发现用目前常用的单片 放大器做宽带倍频器效果很好，成本低，带宽很大，可达倍频程。用单片宽带放大器做宽带倍 频器的主要机理是非线性电阻产生谐波，使输出信号调谐到谐波上，由于输入输出电路都是宽 带的，所以实现了宽带倍频。单片放大器做倍频器，电路如图1 3 所示，由图1 3 可看出，调 整输出匹配电路，使输出频率匹配。这种倍频器可实现2 5 次倍颇。频率可到x 波段。输出加 窄带滤波器可实现窄带倍频，不加滤波器或加宽带滤波器可实现宽带倍频。 3 东南大学硕士学位论文 图1 3 ：单片放大器倍频器 另外，还有宽带巴伦倍频器。它是使用寄生参数小的肖特基变阻二极管芯片来研制的。宽 带巴伦倍频器用宽带巴伦耦合二极管对或二极管桥构成。在不同波段内有不同结构形状的巴伦。 在v h f 和u h f 波段内用传输线变压器巴伦，一般工作的输入频率为1 0 一1 0 0 0 i i - l z 输出频率为 2 0 - 2 0 0 0 m n z ) ，特殊的可达2 0 0 0 m n z 。在超高频波段内用带线巴伦，可以覆盖整个波段。 4 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工 作原理 2 1 阶跃恢复二极管的物理特性 在设计阶跃管倍频器之前，首先必须了解阶跃恢复二极管的物理特性。阶跃恢复二极管的 物理结构与普通的p n 结二极管有许多类似的地方，不过它本身也有其特有的结构，这种特有的 物理结构使它具有了其独特的物理特性，即阶跃恢复二极管非常强的非线性。这个特性将在下 文中详细叙述。 2 1 1 物理结构嘲 阶跃恢复二极管是一种特殊的变容管，也称作电荷储存二极管，简称阶跃管，它具有高度 非线性的电抗，应用于倍频器时代独有的特点，利用其反向恢复电流的快速突变中所包含的丰 富谐波，可获得高效率的高次倍频，它是微波领域中优良的倍频元件。 阶跃恢复二极管与普通的p n 结二级管的结构稍有不同，采用了p + n n + 的结构，即在p + 和n + 之间有一层低掺杂的n 层，接近于i 层( 本征层) ，而且该层很薄，不同于p i n 管。阶跃恢复二极 管的管芯结构如图2 1 所示： 阶跃恢复二极管的图形符号： 钝 金属接触 h 图2 1介于恢复二极管的管芯结构 图2 2 阶跃恢复二极管的图形符号 在n n + 结中，由于浓度差，产生了一个内建电场，它阻止n 中的空穴跑到n + 层中，这样增 加了n 层中的电荷量。在n 层的两边，杂质分布近于突变，有很强的减速场，能充分阻挡少子 离开n 层，所以n 层的作用是少数载流子有效存储的地方。 一般情况下，”层和n + 层的浓度相同，n 区大约厚0 7 p m 。阶跃恢复二极管的掺杂浓度情 况如图2 3 所示： 5 东南大学硕士学位论文 p + nn + 图2 3 阶跃恢复二极管的掺杂浓度情况 2 1 2 阶跃管的几个重要参数h 1 a 结电容c o p n 结的特性中，势垒电容与外加电压的关系为： 咿塑d v 2 酉c j ( o ) ( 2 1 ) 其中缈是内建电位差，c ，( o ) 是零偏压时的结电容，1 ，是外加电压。 玎表征p n 结电容随电压变化的非线性程度，z 愈大，非线性程度愈显著。当厅= 2 时，相 当于超突变结的特性，一般栉= 2 。当n = l 2 时，相当于突变结的特性。刀= 1 3 时，相当于 线性缓变结的特性。刀= 1 1 5 1 3 0 时，相当于阶跃恢复二极管结的特性。因此，对于阶跃恢 复二极管，式( 2 1 ) 可以近似写成： | c ，( v ) = c ( o ) ( 1 - l ) o = c ，( o ) = c o ( 2 2 ) 可见，结电容再反偏时几乎没有变化。式中c o 为势垒电容。阶跃管正偏时，有电荷存储效应， 二级管具有很大的扩散电容，此时器件等效一个大电容，呈现低阻，近似短路。因此在大信号 交流电压的激励下，这种二级管呈现两种阻抗状态，具有电容开关的特性。阶跃恢复二极管的 电压电容特性如图2 4 所示： 6 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 c 、 c j c d 一 c 0 ， 、 图2 4 阶跃恢复二极管的电压电容特性 b 少数载流子寿命f 正偏时，p + 大量空穴注入到n 区，由于n 区掺杂浓度低，空穴与n 区中电子复合的机会少， 从而降低了复合速度，提高了少数载流子寿命。 c 截至频率z 或者品质因数q 品质凶双彰阴疋义： d ：坐堕： ! r s 2 兀f c r s 定义q = 1 时的频率为截至频率z 五= 赢1 画 o 反向击穿电压圪 ( 2 3 ) ( 2 4 ) 一般定义为反向电流达到1 衅时的反偏电压值。它限制了二极管的激励电平，一般适用 范围在v 织。 e 自谐振频率 阶跃管的封装形式和混频器所用的肖特基势垒二极管类似，有同轴型、微带型和梁式引线 二级管等。其封装的等效电路如图2 5 。图中丘引线电感，c 口为管壳电容，虚线框中为管芯等 效电路，墨为串联电阻，q 为结电容。由于一般工作在反向偏压状态，结电阻弓很大，可以 忽略。 7 东南大学硕士学位论文 丘i = r - | q 二 图2 5 封装的等效电路 i i i 3 定义阶跃管的串联自谐振频率厶l 和并联自谐振频率厶2 分别为： 厶。= 厶：= 厶。 ( 2 5 ) ( 2 6 ) 2 1 3 阶跃管的工作原理慢1 当阶跃管在大信号交流电压激励下，正是由于阶跃管在正偏下有大量的电荷存储，使其实 际电容的开关状态转换并不发生在外电压由正半周到负半周的转换时刻。 a 当大信号交流电压正半周加到阶跃管。 阶跃恢复二极管处于正向导通状态，p + 层空穴将注入n 层，阶跃管此时相当于一个低阻， 这时管子的端压v 箍位于p n 结的接触电势差矽，管子中有电流f 流过。此时阶跃管相当于一个 大的扩散电容，交流信号将对其充电，由于空穴在n 层的复合率很低，而且n n + 界的内建电场由 n + 层指向n 层，使空穴不易经过n n + 结流向n + 层，因而有大量的空穴电荷载n 层堆积下来。 b 信号电压进入负半周。 当少子寿命大于外加交流电压的周期t 时，则信号电压从正向转为反向。阶跃管内部的势 垒电场把n 层内存储而仍未复合的空穴抽回p + 层，产生很大的反向电流。由于这时阶跃管仍然 有很大的电容量，因此阶跃管的电压降不能发生突变，相当于电容的放电过程。这一过程中， 管子仍然有很大的电流，呈现导通和低阻状态，因此阶跃管的端压仍然正向且箍位于，直到 正向时存储的电荷基本清除完。一旦电荷耗尽，反向电流将迅速下降剑反向饱和电流，形成电 流阶跃，阶跃电流的波形如图2 6 所示。通过调整直流偏压等，可以使电流的阶跃发生在反向 电流最大值处，而且是交流电压负半周行将结束的时刻。在电流发生阶跃的同时，阶跃管两端 的电压将可能产生很大的脉冲电压。 8 扬。 一 一万一2 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 图2 6 阶跃电流波形 c 大信号交流激励电压的下一个重复周期。 上述过释重复发生。因此形成周期为交流激励电压周期的一个脉冲串序列波。 2 2 阶跃恢复二极管的等效电路1 3 i 当阶跃管正向偏置时由于在n 层中存储了很多电荷，n 层也很薄，所以扩散电容c d 很大。 考虑正向结电阻母和串联电阻足，所以正向偏置时的阶跃管等效电路如图2 7 所示。吩是少 子复合时形成电流时产生的损耗。理想情况下，少数载流子的寿命愈长，可认为吩很大，近似 开路；而r 很小，可以忽略。所以正偏时阶跃管的等效电路简化成一个等效恒压源和大电容c d 的串联等效电路。理想化可认为c d 很大，容抗很小，且当信号的幅度很大，理想化的等效电路 为“短路”状态。 ( 实际情况) ( 理想晦况) 图2 7 正向激励的阶跃管等效电路 当阶跃管反向偏置时，当进入反偏后，存储的少数载流予将返回，由于存储的电荷数量较 大，返回需要一定的时间。一旦存储的电荷全部返回，扩散电容消失，这时只存在二极管的势 垒电容。故其等效电路如图2 8 所示。理想情况下，r 为零，于是等效电路中只剩下c 0 ，其值 9 东南大学硕士学位论文 约等于。这是由于阶跃管的n 值很小的缘故。 1 q 士 l 毛o j ( 实际情况)( 理想情况) 图2 8 反向激励的阶跃管等效电路 这个模型通常在计算精度要求不高的情况下使用。 2 3 阶跃恢复二极管倍频器的设计方法 阶跃恢复二极管倍频器有两种电路模型：一种与变容二极管倍频器电路形式相同，但不采 用空闲同路。设计按输入输出匹配的原则，并用滤波器选通所需的频率，抑制无用的谐波。另 一种电路模型是利用阶跃恢复二极管的电抗开关特性。用一激励电感，在阶跃恢复二极管处于 反向高阻抗状态时，是电感在瞬时释放能量，形成一频普极宽的窄电压脉冲，并用谐振电路使 其能量集中于所需的谐波附近，以获得高效输出。 按照二极管的非线性特性，二极管倍频器可被分为变阻型和变容型。第一种类型是通过一 个非线性的电阻或者电导来实现倍频的。这种倍频器利用二极管的非线性电阻效应把大幅度正 弦波变成电流脉冲，再通过选频回路将它的某次谐波选出，来完成倍频。这种倍频器的转换效 率很低，但是其潜在的带宽很宽。第二种类型使用了一个非线性的电抗元件( 通常是一个非线 性电容) ，即参量倍频器。它是利用器件电容或者电感的非线性变化得到输出信号的谐波。这种 倍频器有很高的转换效率( 低频时的理论转换效率为1 0 0 ，也就是说根本没有转换损耗) ，但 是这种倍频器的固定可调节的带宽很窄，而且对操作条件有很高的灵敏度，同时有时还会有稳 定性的问题。实际工程中，用于倍频器的二极管同时具有非线性的电导和电抗，因此，对于这 种器件的分类取决于哪一种非线性的因素在倍频过程中占主导地位l l 。 按照倍频器的倍频次数，二极管倍频器可分为两类。一类用于低次倍频器。单级倍频次数 通常不超过5 ，这类倍频器是通过电容呈非线性变化的功率管变容二极管来实现的，这种倍频器 倍频的效率较高，输出功率较大。但是随着倍频次数的增加，倍频效率和输出功率将迅速降低。 如果需要高次倍频，必须做成多级倍频链。另一类是用于高次倍频的阶跃恢复二极管倍频器。 单级的倍频次数可以达到1 0 2 0 以上。这种倍频器输出功率较小，通常在几瓦以下。 2 3 1 阶跃恢复二极管倍频器第一种设计方法1 5 i 阶跃恢复二极管倍频器有两种电路模型：一种与变容二极管倍频器电路形式相同，但不采 用空闲同路。设计按输入输出匹配的原则，并用滤波器选通所需的频率，抑制无用的谐波。另 一种电路模型是利用阶跃恢复二极管的电抗开关特性。用一激励电感，在阶跃恢复二极管处于 反向高阻抗状态时，是电感在瞬时释放能量，形成一频普极宽的窄电压脉冲，并用谐振电路使 其能量集中于所需的谐波附近，以获得高效输出。 1 0 ，i上tj 岛 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 阶跃恢复二极管倍频器的第一种电路模型如图2 9 所示。图中b 和c ( 1 ，) 表示阶跃恢复二 极管的串联电阻和可变结电容，厶为引线电感，c ：为分布电容，咒为自偏电阻。在初步分析 时，为了简便起见，往往不考虑引线电感、分布电容和自偏电阻等元件，而将阶跃管仅仅看成 电容c ( v ) 和电阻r s 串联而成的理想模型。 输入匹 输出匹 配网络 配网络 和 和 滤波器 滤波器 图2 9 阶跃恢复二极管倍频器的第一种电路模型 假设少数载流子寿命为无限长，阶跃恢复二极管有理想的阶跃特性，在这个假设下引入下 面参数： 研：r c c - ( n 2 一- 1 ) ( 2 7 ) 2 织n 口：m - i - i - i - m 2 。 口= a n s i n c o l t 一s i n n c o l t ( 2 8 ) ( 2 9 ) 这里q 和分别是输入基波和次输出谐波的角频率；n 为倍频次数；c o c 是阶跃恢复管的 截止频率： 国，：= 一 ( 2 1 0 ) 吃2 z 互 坦 在阶跃恢复二极管倍频器的输入和输出电路都匹配、并且激励电压为最佳的情况下，倍频器设 计的计算公式如下： 东南大学硕士学位论文 最高效率： 最佳负载： 1 。面丽 l ， + v l 十朋一l 吃：生正i m 阶跃管的输入阻抗： = b ( 1 + 二) - 口，挖 阶跃管的输入输出平均电容：c = 2 最佳激励功率： 输出功率： 自偏电阻： p = 竺：竺匕：刍 锄一；r i g f 2 ( n 2 1 ) l 。一l l = 击印2 c 等， 也= ( 2 1 1 ) 这里，使阶跃恢复二极管的反向击穿电压；丁是少数载流子的实际寿命。上述式子除了最后 一个外，都是在少数载流子寿命为无限长的假设下得出的。而实际情况并非如此，然而只要输 入频率的倒数远小于少数载流子寿命f ，就可以认为这种假设近似成立。 阶跃恢复二极管倍频器的第一种电路模型，也可直接用表2 1 中的数据进行设计。此表是 在激励d = 2 的情况下算出的。在实际设计中，还需计及分布电容和引线电感。 倍频次数 1 - 41 七 l 一8 a1 1 81 7 62 1 7 p 0 0 1 1 40 0 0 6 30 0 0 3 4 o 只一 2 2 x 1 0 _ 44 1 1 0 。51 3 1 0 5 蕾呱| c 1 0 x1 0 。l1 0 x1 0 。l3 o 1 0 - 2 a0 0 4 1 5o 0 1 7 50 0 0 9 8 b0 0 4 3 00 0 1 8 90 0 1 0 6 s 0 5 00 5 00 5 0 忌n o 5 00 5 0o 5 0 圪。 0 2 7o 2 80 2 9 表2 1 阶跃恢复二极管倍频器的设计参数( + - - 0 ，d 一2 ) 接下来的设计与变容二极管倍频器的设计相同，包括设计输入输出电路，空闲回路，二极 管的接入位置以及偏置和稳定网络等。 集成倍频器的输入滤波和匹配网络，通常采用的是带阻抗变换的低通滤波器，设计是根据 1 2 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 源阻抗z g ( 一般为5 0 欧姆) 和阶跃管的输入阻抗的实部如在基频q 下匹配、以及对二次以上谐 波的反射特性的要求而进行的。倍频器的输出匹配和滤波电路一般是分开的，匹配电路可采用 四分之一波长阶梯阻抗变换器及各类阻抗变换器，使管子的输出阻抗的实部如在所需谐波( n 次) 频率髓k 下与负载阻抗也( 一般是5 0 欧姆) 匹配。带通滤波器可采用平行耦合线滤波器或者 发夹线滤波器等形式，而且就在输入、输出阻抗均为r ，的情况下设计。二极管接入电路的位置， 实际上是根据输入、输出均达到共轭匹配的要求来确定。在设计输入、输出匹配网络时一般只 考虑了二极管的阻抗的实部与外电路匹配，而对管子的容抗分量未予考虑。实际上只要二极管 接入倍频器电路中的位置适当，使外电路在该处于基波、输出谐波以及空闲频率上所呈现的感 抗，与阶跃管的容抗彼此抵消( 产生并联或者串联谐振) ，电路就共轭了。空闲电路一般就设在二 极管附近，为了充分利用空闲频率谐波的能量使其有效地转换成所需谐波的能量。偏置电路是 为了使管子具有适当的倍频效率并能稳定地工作。但接入偏置网络时一定要注意不破坏或者严 重影响射频信号的正常工作，也不能因此产生寄生振荡。 2 3 2 阶跃恢复二极管倍频器第二种设计方法1 3 i 1 5 l 阶跃恢复二极管倍频器第二种电路模型的基本结构如下： 低通匹配网络l - j 激励电感 阶跃管脉冲 发生器 图2 1 0 阶跃恢复二极管倍频器的基本结构 负载 阶跃管的作用是把每一个周期( t 1 ) 输入的信源能量转换为一个大幅度的窄脉冲。再利用此脉 冲的能量激励一个有载q 值为等的谐振电路，把脉冲变换为频率是厶= 坝的阻尼振荡波。 阻尼振荡波经过频率中心为厶的窄带滤波器获得纯的、频率为厶的等幅波加至负载。电压波 形的说明图如下： l 墨 i 图2 1 l 倍频器电压波形说明图 从频谱的角度来讲，窄脉冲是频谱极宽的信号，宽频谱信号的能量分散在各次谐波上，为 了提高输出谐波的能量和倍频效率，用一个谐振电路使信号的能量集中于所需谐波频率 1 3 东南大学硕士学位论文 厶= 坝附近，然后再用滤波器滤出所需频率并抑制旁频，获得基本上是单一谱线的等幅信号。 频谱的说明图如下： 0 矗 l l i | i趴 嘶观 图2 1 2 倍频器的频谱说明图 1 ) 阶跃管脉冲发生器 图2 1 3 是简化的阶跃管脉冲发生器的电路图，输入信号= v s i n ( c o l t + o ) ，通过一个激励 电感l 激励阶跃管，以便利用电感储能，使之得到大幅度的阶跃电流。k 为功率信号源，是 负偏压， 吃是脉冲发生器的等效负载。 y s l i 7 f 与s 助弋 一 广l i il 一 图2 1 3 简化的阶跃管脉冲发生器电路图 对脉冲发生器进行分析，阶跃管有导通和截至两种工作状态。在导通期间，外加电压k 和 偏压一叠加，使加到二极管的电压超过势垒电位差缈时，二极管上的压降同定为伊，同时阶 跃管相当于一个大电容c d ( 扩散电容) ，由激励源对其充电，此时由于c d 很大，容抗很小，近 似短路，阶跃管等效为一个电势够的电压源，负载相对很大，在等效电路中可以将其忽略。 根据等效电路可建立电路的微分方程： 三豢= g s i n ( c o x t + 臼) 一g o 一缈 ( 2 1 2 ) “ 假设初始条件为f i = 厶，厶是电感中的起始电流，方程的解为： 1 4 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 讹m + 豪【c o s o s ( c o t t + 8 ) 】_ 竿f ( 2 1 3 ) 电流由三部分组成：直流分量、余弦分量和线性下降项，其波形如图2 1 4 所示。 l i o v 。 伊 锄 乞 飞一五 、 l i f 卫 亍 图2 1 4 阶跃管导通期间电流、电压波形 因为电流f 的相位落后于电压k ，故当，= t o 时，激励电压以摆动到负半周，当f 岛后，受 激励电压和负偏压的作用，阶跃管在正向导通期注入的少数载流子被外加电压吸出，故出现大 的反向电流，也就是将f 乞时刻，进 入阶跃区间。 分析阶跃期间，首先假定在f ( f ) 达到负的最大值，即堕d t = o 时，产生阶跃。在乞时刻，激 励电压正好等于偏压，阶跃管等效为一个小电容c o ( 势垒电容) ，而且此刻吃不能忽略。根据它 的等效电路，可以写出电路方程： 一 三罢= o 娟i n ( ( 1 ) l t a 训一v o 一缈 ( 2 1 4 ) u p y s i n ( q f + y ) 一= 缈0 ( 2 1 5 ) 解上述方程可得： 一 屯o ) = 一i l e v ( c o s c o n t 一一- l s i n 彩知f ) ( 2 1 6 ) 舯厶焖舭流y 2 去2 惫，2每壶后m 子， 由电路参数决定。选择适当的激励电感和r r ，对一定阶跃管使孝 1 ，则t o ) 为衰减振荡。负 1 5 东南大学硕士学位论文 载上的电压为： 匡 炒击肛叫e 卅嚣，器血吖， 泣 电压波也是一个衰减振荡。实际上振荡是不可能持续下去的，一旦进入正半周，阶跃二极管又 将导通，管子压降维持在够，脉冲发生器又将恢复到导通期间的等效电路。上述的脉冲衰减振 荡只是在缈的第一个负半周期发生。脉冲发生器中阶跃恢复二极管上的电压电流波形如图2 1 5 所示。虚线部分表示导通区间的波形，实现则是阶跃期间的波形。 脉冲的宽度f 。为： = 孚= 圭薏= 万 f 矗 吒 驴 l ，p 、白气|f|l f 2 l 、j 专 f 下一f 一望 l 一 ip - - 4fij i 7 v 负脉冲宽度。 o ， 气= 墨 图2 1 5 阶跃期间阶跃管上的电压、电流波形 ( 2 1 8 ) 在设计脉冲发生器是还要注意偏置电压的选择。根据式( 2 1 2 ) 可知，当电流阶跃发生在电 流一厶的瞬间时，上等= o ，可得到偏置电压为： v o - - v s i i l ( 一号肼咖珧i n ( 沙一旁 ( 2 1 9 ) 由上式可知，必须选择和调整合适的偏压，使相应的沙满足每个周期电流阶跃发生在电流最大 数值瞬间。 脉冲发生器的输入导纳的计算对电路的匹配非常重要，可将输入电流分解为与输入基波分量同 相的分量l 和正交的分量厶两部分。具体表示式如下： 1 6 第二章阶跃恢复二极管高次倍频器的工作原理 i厶a 昙r 詈r s i n ( o j i t + o ) d t c o s ( o ) l t + o ) d t 式中之是阶跃恢复二极管导通期间流过管子的电流。 如2 百1 碍两c o , l 叫r 瓦2 瓦1 碍瓦甭c o i l 2 q ( 2 2 0 ) ( 2 2 1 ) 式中l 为激励电感，r o 、x o 是阻抗倍乘系数，它是善和n 的关系函数，通常估算输入阻抗时 可近似认为r 1 ，x o 1 ，为此可用一个调谐电容将电感分量补偿，则最后输出阻抗为： z m c o , l ( 2 2 2 ) 实验表明，阶跃管在阶跃产生后比未产生阶跃之前的激励源的平均电流下降了。 2 ) 谐振电路 这种窄脉冲串具有很宽的频谱，仅适用于作梳状频谱发生器，而不宜作倍频器。在倍频器 的场合，窄脉冲发生器和后面接的是一个谐振网络。他把分散的能量集中到所需的谐波附近。 常用的谐振网络是由以4 或以2 的传输线节构成的谐振网络，除此之外还可以应用各种形式 的谐振腔，通过谐振腔把谐波的能量取出。 1 7 第三章阶跃恢复管倍频器的s p i c e 仿真和电路设计 第三章阶跃恢复管倍频器的s p i c e 仿真和 电路设计 3 1 输入信号为1 0 0 m h z 的阶跃管倍频器设计 在本论文的设计中，将设计一个1 0 0 m h z 输入信号的窄带倍频器和一个1 g f f z 输入信号的梳 状谱发生器。设计过程将主要使用软件p s p i s e 和a d s 进行仿真和优化。具体的设计过程将在下 文中详细介绍。 设计要求： 输入 圪= + 1 7 d b厶= 1 0 0 m h z 宽频谱输出 l = 0 d b厶1 = 1 - 7 g h z 单一频率输出只埘2 = 6 d b五们= 2 g h z 3 1 1 阶跃恢复二极管的选择 首先要选择合适的阶跃恢复二极管，选择的条件如下： 阶跃时间： i 2 乙，截至频率z 足够高。( 乙是输出信号周期) ； 阻抗电平瓦：l o f f 2 k 1 。已足够) ； 阶跃管的引线电感厶：0 瓦( _ o n 。 承受功率：取决于最大的功率耗散，或反向击穿。 根据以上设计要求选择合适的阶跃恢复二极管，我们将在设计中选择使用m a c o m 公司的阶 跃恢复二极管，型号为m a 4 4 7 6 8 。然后在h s p i c e 软件中设置二极管的参数。由m a c o m 公司提供 的阶跃恢复二极管的具体参数如下： 1 9 东南大学硕士学位论文 反向击穿 结电容q “ 最大阶输入频率输出频率 电压b y 载流子寿跃时间的范围的范围 型号： f = l 槲i z 命【 厶= i o g az l 札j 叭 ( n s ) 巧2 6 v ( p s )( g h z ) ( g h z ) v i a 4 4 7 6 8 1 6 2 4 p f 3 0 v7 5 2 2 52 5 0o 1 10 5 2 5 表3 1 阶跃恢复二极管m a 4 4 7 6 8 的参数 随着电路技术和计算机的迅速发展，以电子计算机辅助设计( c o m p u t e ra i d e dd e s i g n ，即c a d ) 为基础的电子设计自动化( e l e c t r o n i cd e s i g na u t o m a t i o n ，即e d a ) 技术已渗透到电子系统和专 用电路设计的各个环节。电路c a d 技术和工具有着众多的优点，它设计效率高，设计周期短， 设计的质量很高，而成本较低，同时还能够充分发挥设计人员的创造性。这使电路技术的发展 上了一个新的台阶。 几乎所有具有一定复杂性的电路设计，在实用上将他们实现之前，必须模拟为计算机设计 程序的一部分，以定量的评估这些电路是否达到要求，在工业和学术研究上最常用的电路模拟 程序或许就是s p i c e ，其中已美国m e t as o f t w a r e 公司的h s p i c e 和m i c r o si m 公司的p s p i c e 较 为流行，p s p i c e 收敛性较好，适用做系统和电路级仿真。在本论文中将选择使用软件p s p i c e 。 p s p i c e 的6 个基本程序模块包括：电原理图输入程序s c h e m a t i c s ，它以电路原理图的形式 输入，比较直观；激励源编辑程序s t i m u l u se d i t o r ，用于帮助用户快速的建立输入信号的波形； 电路仿真程序p s p i c ea d ，电路仿真程序是p s p i c e 的核心部分，它的仿真功能包括：直流工 作点分析、直流转移特性分析、直流小信号传输函数计算、交流小信号分析、交流小信号噪声 分析、瞬态分析、傅里叶分析、直流灵敏度分析、温度分析、最坏情况分析等等；输出结果绘 图程序p r o b e ，它是p s p i c e 的输出图形后的处理软件包；模型参数提取程序p a r t s ，它是p s p i c e 中给出的一个直接从器件特性中提取模型参量的软件包；元器件模型参数库l i b ，他备有分立元 件参数库，而且提供了一些著名的器件和生产厂家的专有元器件参数库恤1 。 模拟程序p s p i c e 考虑到了非线性二极管模型，编入了一系列的物理模型参量。一些常用的 参量在下表中列出。 符号 s p i e e说明典型值 i s i s 饱和电流l f a 1 0 衅 nn 发射系数 1 渡越时间 勺 t t 5 p s 5 0 0 衅 载流子寿命 匙 r s 欧姆电阻 0 1q 2 0q 。 v j势垒电压0 6 w o 8 v ( p n 结) q 。 c j o 零偏置结电容 5 p f , - - - 5 0 p f ( p n 结) mm 渐变系数 0 2 0 5 第三章阶跃恢复管倍频器的s p i c e 仿真和电路设计 e g 带隙能 1 1 l e v ( s i ) c x t i饱和电流温度系数3 ( p n 结) 表3 2 二极管模型参量及对应的s p i c e 参量m 根据上面的参数，在p s p i c e 软件模拟中，我们可以设置二极管的模型如下： m o d e ld m o d xd ( b y = - 3 0m = o 5t t = 1 5 0 n sc j o = 6 6 p f ) 在这个模型中，阶跃恢复二极管的反向击穿电压彤为一3 0 v ，阶跃恢复二极管的反向结电容c ，- 6 栅和蛉_ 2 肼娘凇式q 2 毒一中巧舨麟蚯卅麟纯 势，其大小约为0 6 v ，m 是渐变系数，m = o 5 ，可以计算出c m = 6 6 p f 。少数载流子寿命1 v r 为1 5 0 n s ，其他的参数设置为软件的默认值。 首先，设计一个电路，用于测试阶跃恢复二极管( 型号：m a 4 4 7 6 8 ) 的阶跃性能，其电路图如 图3 1 所示，此电路的设计须根据前面所述的阶跃恢复二极管的物理特性。根据公式： o = xr