表1：各類型諧振器件

 

三端有源器件與兩端有源器件

 

表2列出了壓控振蕩器（VCO）中采用的部分有源器件，其中，耿氏二極管及崩越二極管（IMPATT）等兩端器件具有高出若干數(shù)量級的功率處理能力和可調(diào)諧性。當超出Ka波段及一定功率閾值時，三端器件的成本效益顯著降低。在制造技術(shù)方面，其不采用更加成熟且易于制造的硅技術(shù)，而是通常使用具有氮化鎵（GaN）等特殊襯底的HEMT等復(fù)雜晶體管結(jié)構(gòu)。

 

表2：壓控振蕩器中采用的有源器件

 

作為接收信號鏈基礎(chǔ)器件的混頻器最終需要依靠振蕩器進行所有的頻率轉(zhuǎn)換。如今，越來越多的人發(fā)現(xiàn)，工作于Ka波段以上的振蕩器對包括5G、WiGig、軍事及商用雷達以及成像在內(nèi)的各種不斷增長的毫米波（mmWave）應(yīng)用極富使用價值。耿氏二極管振蕩器具有優(yōu)異的AM和FM噪聲特性，因此可用于低噪聲毫米波接收機的本地振蕩器（LO）中^[1]。二極管的射頻輸出可直接施加于混頻器的本地振蕩器端口，或者可作為毫米波應(yīng)用的倍頻級。

 

與制造過程中需涉及復(fù)雜精密的銑床、組裝及調(diào)諧的波導(dǎo)腔體相比，晶體管類振蕩器采用具有簡單制造能力的取放機械，因此極易大量制造。然而，對于僅需少量制造且不考慮制造難易程度的毫米波樣機制作及開發(fā)而言，采用波導(dǎo)腔體的耿氏二極管不失為一種簡單且高成本效益的解決方案。

 

其主要優(yōu)點在于：

 

· 結(jié)構(gòu)相對簡單

 

· 所產(chǎn)生的噪聲含量較低

 

· 外形小巧

 

· 輕量

 

· 對于早期樣機設(shè)計階段，成本效益較高

 

耿氏二極管：器件物理特征概述

 

耿氏二極管不含普通二極管結(jié)構(gòu)中的二極管結(jié)結(jié)構(gòu)，相反，其主要由具有漸進式負阻特性（一種器件電流隨所施加電壓的增大而減小的特性）的材料構(gòu)成。因此，耿氏二極管的制造極為簡單，僅需對其負阻區(qū)域施加偏壓即可。一般情況下，具有正反饋構(gòu)型的晶體管可實現(xiàn)負阻。舉例而言，考畢茲（Colpitts）振蕩器采用上述構(gòu)型以及槽路或某種其他諧振器件。這種結(jié)構(gòu)的缺點在于，在極限頻率（fmax）下，振蕩頻率更大程度取決于晶體管，而非諧振器件^[2]。耿氏二極管通常由N型砷化鎵（GaAs）或磷化銦（InP）材料制成，這兩種材料均含有由一個較小能差分割開來的兩個導(dǎo)帶能谷，其中，電子在此兩能谷中具有不同的有效質(zhì)量。

 

雖然在有些材料中電子和空穴具有恒定的有效質(zhì)量，然而也有些材料并非如此，而且其內(nèi)的電子和空穴與自由空間（或真空）條件下的情形表現(xiàn)出不同的行為。其原因很大程度上在于電子和空穴與固體材料中其他電荷的相互作用，這些電荷包括來自所施加電場的電荷。對于GaAs和InP材料而言，其具有的額外導(dǎo)帶（或稱亞能帶）使得其具有負阻特性，從而與大多數(shù)半導(dǎo)體材料區(qū)分開來。當施加電場或偏壓時，有效質(zhì)量較低的電子首先充斥低能導(dǎo)帶，當場強達到一定閾值時，有效質(zhì)量較高的電子開始填充高能導(dǎo)帶。亞能帶內(nèi)的高有效質(zhì)量電子使得漂移速度（與電流密度成正比的參數(shù)）降低，而且該漂移速度與電流密度隨電場的增大而降低，從而產(chǎn)生負阻特性。

 

實質(zhì)上，此類器件內(nèi)的電子速度差異使得電子沿其長度方向在某些區(qū)域內(nèi)發(fā)生聚集（聚積區(qū)域），并在其他區(qū)域分散分布（耗盡區(qū)域）。器件內(nèi)部的電勢差形成與外部電場方向相反的內(nèi)部電場，而且該電場在達到一定閾值時崩潰，然后重新開始建立。只要存在外部偏壓，這一過程一直反復(fù)重演，從而產(chǎn)生振蕩。

 

耿氏二極管: InP與GaAs

 

當用作振蕩器時，相位噪聲、接通電壓及溫度性能均為耿氏二極管的關(guān)鍵參數(shù)。舉例而言，77GHz汽車應(yīng)用中使用的振蕩器必須能夠在-40°C~+85°C這一較寬環(huán)境溫度范圍內(nèi)運行^[7]。此外，頻率調(diào)制連續(xù)波（FMCW）雷達等雷達用途不僅要求振蕩器具有溫度和頻率穩(wěn)定性，而且還要求各溫度下的電壓調(diào)諧具有可預(yù)測性，以保證雷達距離分辨率的完整性^[3]。InP耿氏二極管的襯底材料具有較高的固有電子遷移率，因此其可在毫米波波段實現(xiàn)更高的功率，而且其與波導(dǎo)腔體組合形成的振蕩器在W波段具有良好性能。GaAs類耿氏二極管一般運行于V波段。注入電子（或稱熱電子）比平衡態(tài)電子具有更高的能量。這種電子能量的提高極大地增加了熱電子直接進入高能導(dǎo)帶或負阻區(qū)域的可能性。一般情況下，二極管只有在足夠高的接通偏壓下才能發(fā)生振蕩，從而使得其振蕩頻率取決于溫度。這一問題可通過能夠繞過低能區(qū)域的熱注入法得到有效解決。

 

耿氏二極管器件的結(jié)構(gòu)主要分為以下三種：倒裝芯片器件（C~W頻帶）；一體化散熱器件（Ka~W頻段）；低功率器件器件（C~K頻帶）^[4]。梯度能隙熱注入技術(shù)僅能應(yīng)用于GaAs一體化散熱結(jié)構(gòu)。此外，還需要注意的一點是，耿氏二極管的封裝寄生參數(shù)對相應(yīng)波導(dǎo)腔體的正確設(shè)計非常重要。

 

圖1：具有一體化散熱結(jié)構(gòu)及熱注入功能的GaAs類耿氏二極管（來源：^[3]）

 

耿氏二極管波導(dǎo)振蕩器結(jié)構(gòu)概述

 

耿氏二極管可通過微帶線、鰭線及矩形和圓形波導(dǎo)器件等各種諧振器件實現(xiàn)。一般而言，金屬矩形波導(dǎo)振蕩器具有較高的Q值，因此可實現(xiàn)最高的連續(xù)波（CW）功率以及最佳的噪聲特性。雖然目前已經(jīng)實現(xiàn)了耿氏二極管圓形波導(dǎo)器件，然而矩形波導(dǎo)器件腔體在各種用途中的使用更加廣泛，而且對于振蕩器而言，矩形向圓形的轉(zhuǎn)換在損耗方面并不一定可行或不一定有利。一般而言，腔體可定義為一種以導(dǎo)電外殼完全環(huán)繞振蕩器件的結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可將電磁場局限于其中，并允許電流在更大的表面積上流動，此外，由于Q值為腔體內(nèi)能量與每一振蕩周期內(nèi)分散于腔體壁上的能量的比值，金屬波導(dǎo)器件成為固有Q值極高（約4000）的一類器件。

 

在過去的數(shù)十年中，耿氏二極管波導(dǎo)振蕩器因其相對簡單的結(jié)構(gòu)及可靠的性能而獲得大量應(yīng)用。雖然此類振蕩器的結(jié)構(gòu)非常簡單，但是其背后的電磁機理卻十分復(fù)雜。功率水平、有效調(diào)諧、相位噪聲及溫度頻率穩(wěn)定性等各種因素都可受到包括振蕩器完整性在內(nèi)的各種非線性現(xiàn)象的影響。此外，如上節(jié)所述，與上述現(xiàn)象相關(guān)的所有損失均可或多或少受到作為持續(xù)振蕩源的二極管負阻的補償。

 

在耿氏二極管波導(dǎo)振蕩器中，耿氏二極管通常由設(shè)于矩形波導(dǎo)腔體較寬一面上的圓柱形安裝柱設(shè)置于腔體的正中心。該耿氏二極管安裝有偏置扼流圈，用于防止發(fā)生偏置電路振蕩或任何雜散模。波導(dǎo)腔體通常優(yōu)化為可在最主要的TE11模式下發(fā)生諧振，而且其常用于輸出功率耦合或負載電路最佳功率傳輸?shù)囊欢嗽O(shè)有短路活塞或可移動背向短路器。此外，還可在二極管與隔膜中間設(shè)置藍寶石等制成的圓柱形低損耗電介質(zhì)材料或金屬探針，以對該振蕩器進行更為精細的機械式調(diào)諧。其中，該調(diào)諧的范圍隨所述圓柱形直徑的增大而增大。

 

波導(dǎo)腔體的阻抗匹配技術(shù)

 

實質(zhì)上，為了實現(xiàn)最佳操作，波導(dǎo)腔體的阻抗必需在整個帶寬內(nèi)與耿氏二極管振蕩器的阻抗相匹配。這一目的可在波導(dǎo)腔體內(nèi)通過多種方式實現(xiàn)，即通過使用背向短路器實現(xiàn)。此外，通過使波導(dǎo)腔體與調(diào)諧螺釘及輸出端的金屬框相匹配，以生成適于射頻能量釋放的最理想隔膜尺寸，或通過在扁形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中使用分級變壓器，可實現(xiàn)更為精細的阻抗匹配調(diào)諧^[4]。在另一種扁形波導(dǎo)結(jié)構(gòu)中，采用脊狀波導(dǎo)腔體^[6]。其中，工作頻率由隔膜與耿氏二極管之間的λg/2（λg為該波導(dǎo)器件的波長）距離確定，同時為了實現(xiàn)相干振蕩，短路活塞與耿氏二極管之間的距離需設(shè)為λg/4的倍數(shù)。此外，當耿氏二極管上設(shè)置的圓柱形偏置柱的直徑增大時，振蕩器的接通性能將受到影響，而且波導(dǎo)腔體的Q值將會下降。另外，調(diào)諧螺釘?shù)牟迦肷疃纫矔值產(chǎn)生負面影響，因此有時完全不設(shè)該調(diào)諧螺釘。

 

圖2：帶用于輸出功率耦合的背向短路器及用于額外阻抗匹配的調(diào)諧螺釘?shù)墓⑹隙O管波導(dǎo)振蕩器示意圖

 

當腔體受熱膨脹時，將發(fā)生阻抗失配導(dǎo)致的失真，從而對諧振器的頻率特性造成影響。溫度變化的原因可能在于環(huán)境溫度變化，電阻性功耗及熱輻射。為了減輕此類負面影響，可在波導(dǎo)器件中使用低熱膨脹系數(shù)（CTE）材料，背向短路器及調(diào)諧柱。此外，溫度補償型鋁或陶瓷材料可限制材料的熱膨脹，從而提高諧振器的頻率穩(wěn)定性，帶寬及使用壽命。

 

結(jié)論

 

在過去的幾十年中，耿氏二極管波導(dǎo)振蕩器因其高功率、低噪聲、小尺寸及高頻率性能而獲得廣泛應(yīng)用。從耿氏二極管的主要材料到波導(dǎo)腔體，其看似簡單的結(jié)構(gòu)之下為了實現(xiàn)最佳性能而采用的極其復(fù)雜及精細調(diào)節(jié)的幾何形狀和材料。雖然易于批量生產(chǎn)的晶體管類VCO的應(yīng)用更為廣泛，但耿氏二極管波導(dǎo)振蕩器更能符合日益增長的毫米波測試測量專用領(lǐng)域的需求。

 

參考文獻

 

1. Arora, R. S., and N. V. G. Sarma. “Experimental Investigation of Millimeter Wave Gunn Oscillator Circuits in Circular Waveguides.” International Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol. 6, no. 10, 1985, pp. 951–971., doi:10.1007/bf01010674.

 

2. Lee, Thomas H. Planar Microwave Engineering: a Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits. Cambridge University Press, 2004.

 

3. https://www.armms.org/media/uploads/1326114401.pdf

 

4. Ishii, Thomas Koryu. Components and Devices. Acad. Press, 1995.

 

5. Poole, Clive, and Izzat Darwazeh. Microwave Active Circuit Analysis and Design. Academic Press, an Imprint of Elsevier, 2016.

 

6. Rakshit, P. C., et al. “8 GHz Tunable Gunn Oscillator in WR-137 Waveguide.” Defence Science Journal, vol. 33, no. 1, 1983, pp. 1–5., doi:10.14429/dsj.33.6093.

 

7. http://www.microwavejournal.com/articles/3476-a-graded-gap-gunn-diode-voltage-controlled-oscillator-for-adaptive-cruise-control.

 

 

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