毫米波元器件发展动态

Gunn Diode 耿氏二极管/体效应二极管/转移电子器件
•Gunn在1962年发现GaAs的转移电子效应 •和IMPATT器件不同，Gunn二极管是纯粹体效应器件， 它没有一般固态器件里的半导体掺杂形成结的概念，而 是基于多数载流子在半导体内的运动特性，即利用电子 转移特性来产生微波振荡的 •GaAs(砷化镓)材料(常用的半导体材料)： 工作频段一般小于 60GHz •InP(磷化铟)材料(更优越的毫米波性能)： 工作频段达到100GHz以上
矩形波 导
柱形波导
• 芯片级合成技术——扩展单片器件的功率容量
• 电路级合成技术——突破单元器件功率容量
• 矩形波导腔功率合成技术实例
1980年左右，Kai Chang在单腔矩形波导电路中分别实 现了三毫米波脉冲IMPATT两管和4管功率合成 两管合成功率：20.5W 四管合成功率：40W 合成效率达到80％以上
• 毫米波注入锁定放大技术
——一种实现毫米波功率提升的实用技术
将一个稳定度高的小功率振荡源（频率为fi）通过环形器 向一个功率较大的振荡器（频率为fo）注入一定的功率， 当fi和fo接近时，可强迫后者工作于fi，使fo具有稳定度高 的输出信号频率
fi Pi 注入信号源 f0 环形器 隔离器 1 2 雪崩振荡器 3 输出 fi P0
•相参功率合成技术实例 ——合成的多个振荡器输出信号是频率相参的 在93GHz，四个IMPATT二极管合成输出功率250mW， 效率达80％
振荡器-1 振荡器-3
P1
输入
P3
H面T 型接头 H面T 型接头
输出
P4 P2
振荡器-2 振荡器-4
• 脉冲级联注锁功率合成放大技术 ——超越器件额定振荡输出功率的大功率脉冲级联注锁放大技术 在94.5GHz，五级脉冲IMPATT二极管级联注锁合成放大
Gunn器件
• 电子科大对毫米提取技术研究作出重要贡献，
完成一系列三毫米波谐波振荡器研发
我校研制的各种三毫米波谐波振荡器
三毫米波谐波VCO
三毫米波高Q腔 稳频谐波振荡器
三毫米波宽带机 调谐波振荡器
毫米波双端口、双频段基波/谐波振荡器 ——在三毫米波系统应用中具有重要价值
Vcc
6mm输出
3mm输出
毫米波固态电路
Millimeter Wave Solid-State Circuits
推动毫米波技术发展的关键 振荡器—Oscillators 混频器—Mixers 放大器—Amplifiers 功率合成器—Power Combiner 倍频器—Frequency Multipliers 检波器—Detectors 开 关—Switches 移相器—Phase Shifters 。。。。。。。。。。。
毫米波GUNN振荡器产品
Ireland FARRAN公司
毫米波GUNN振荡器产品
Ireland FARRAN公司
毫米波GUNN振荡器产品
毫米波GUNN振荡器产品
美国Alpha产品： ～140GHz系列
美国Hughes产品： 26.5~100GHz系列 250～10mW
毫米波IMPATT振荡器产品
• 网络结构功率合成技术实例 1981年Huanchun Yen, Kai Chang报道的W波段脉冲固态 发射机输出功率达到了63W，采用三级注入锁定放大，其 中末级是4个两管IMPATT功率合成器通过4个混合耦合器 实现8管功率合成，工作频率92.6GHz，脉冲宽度为100ns， 工作比0.5%。
毫米波IMPATT和GUNN器件主要来源
美国hughes公司 美国alpha公司 美国Millitech公司
乌克兰Orion研究所
俄罗斯依斯托克公司 中国南京55研究所 。。。。。。。。。
毫米波固态源技术水平现状
几种常用毫米波固态振荡器结构
吸收负载的位置，腔体尺寸，输出负载以及短路活 塞的位置都是获得较高功率的关键性参数
输出功率21W
21W 15mW
70mW 调制器1
1.3W 调制器2
8W 调制器3
13W 调制器4 调制器5
毫米波固态放大器
两端器件
反射型放大器或负阻型放大器 （如Gunn、IMPATT diodes） 传输型放大器（双极晶体管
三端器件
或MESFET、HEMT等）
MMIC——8mm波段：100mW～10W(连续波) 3mm波段：100mW～1W（脉冲）
微波技术新进展
毫米波元器件技术发展动态
毫米波固态电路
2008年
电磁波频谱表
音频 视频 射频 超 长 波 长 波 中 波 无线电波 短 超 波 短 波 米 波 5.6um 亚毫 米波 红外线 1.5um 0.76～0.4um
微波
可 见 光 紫外线
X射线
射线
远 中近 分 厘 毫 红 红红 米 米 米 外 外外 波 波 波 30Hz 3kHz 300kHz 30MHz 3GHz 300GHz 30THz 300Hz 30kHz 3MHz 300MHz 30GHz 3THz 10000km 100km 1km 10m 10cm 1mm 10um 0. 1um 10 Å 0.1Å 0.001Å 1000km 10km 100m 1m 1cm 0.1mm 1um 0. 01um 1Å 0.01 Å
FET器件可以用到80GHz 目前在毫米波频率高端（如3mm波段以上）应用最广 泛的还是IMPATT和Gunn这两种负阻器件
负阻器件振荡器的工作原理
I -Z(A) Z( )
负阻振荡器起振后，振荡幅度不可能一直增长，由于负阻 器件的非线性特性，随着振荡幅度增长，负阻|RD|下降。 直到|RD|=r（外接回路损耗电阻）时，达到平衡，实现稳 幅振荡 振荡平衡的幅度条件：[R()-RD(I)]=0 振荡平衡的相位条件：[X()-XD(I)]=0
• 按传统方法，一般被注锁的振荡器自由工作时，希 望它功率最大，频率在同步带中心附近。 • 注入信号越强，同步带宽越宽，功率起伏越大
• 改善毫米波注入锁定放大输出功率平坦度措施
•让被注锁振荡器不工作在
最佳状态！ •方法：在注入锁定状态下
调试振荡器
毫米波两级注入锁定放大器实例
工作频率(GHz) 93.0 93.1 输入功率(mW)
毫米波固态电路
50GHz以下频段，基本采用MMIC器件实现 50GHz以上频段，多采用分离元件的波导电路 国外毫米波部件主要厂商： 爱尔兰Farran公司：26.5～325GHz 美国Hughes公司：26.5～140GHz 美国Millitech公司：18～300GHz 美国Agilent公司：26.5～325GHz 美国Alpha公司：26.5～140GHz
IMPATT Diode（IMPact Avalanche and Transit Time Diode) 碰撞雪崩及渡越时间二极管（简称雪崩二极管）
利用半导体内的雪崩现象和渡越时间效应来获得动态负 阻，从而产生振荡。
W. T. Read在1958年提出IMPATT工作原理
1965年首次报道在简单的Si PN结二极管上获得了微波振 荡 在整个毫米波频段甚至亚毫米波频段低端，IMPATT器 件都可以用作产生毫米波功率 目前，Si材料的IMPATT二极管在毫米波器件中几乎处 于垄断地位，这是因为它具有有效散热所需的良好热传 导特性
毫米波混频器产品
Ireland FARRAN公司
毫米波混频器产品
毫米波混频器产品
微带电路结构 f=92~96GHz IF=0~2GHz L=7~9dB
电子科技大学研发的 W波段平衡混频器
波导电路结构 f=92~96GHz IF=50MHz~1.5GHz L=9~11dB
毫米波频率：30～300GHz 毫米波波长：10～1mm
毫米波波导频段划分
EIA waveguide Ka Q U V E W F D G WR-28 WR-22 WR-19 WR-15 WR-12 WR-10 WR-8 WR-6 WR-5 Frequency (GHz) 26.5~40 33~50 40~60 50~75 60~90 75~110 90~140 110~170 140~220 TE10 mode cutoff Inside waveguide (GHz) dimensions(mm) 21.10 26.35 31.41 39.90 48.40 59.05 73.84 90.85 115.75 7.112x3.556 5.690x2.845 4.775x2.388 3.760x1.880 3.100x1.550 2.540x1.270 2.032x1.016 1.651x0.826 1.295x0.648
输出功率(mW)
93.2 2
142
93.3 2
140
93.4 2
141
93.5 2
141
2
145
2
144
输出功率非常平坦
毫米波注入锁定带宽展宽技术——VCO调谐跟踪
当VCO频率在锁定范围之外,混频器充当鉴频作用,输出中频 信号形成误差电压来控制VCO的频率,让其进入锁定范围
毫米波混频器
单端混频器 混频器可分为： 平衡混频器： 90度相移型 180度相移型 双平衡混频器 波导混频器 微带混频器 根据传输线的类型划分 鳍线混频器 。。。。。 根据信号频率与本振频率的关系 基波混频器 谐波混频器
美国Hughes公司
34~143GHz系列 连续波功率：1W～20mW 脉冲功率：12～1W
电子科技大学
92～94GHz 150mW(CW) 10W脉冲
GaAs Gunn谐波振荡器(Harmonic Oscillators) ——一种重要的毫米波固态振荡器
• 理论预言(1974年) ：GaAs Gunn器件的极限工作频
GaAs Gunn谐波振荡器种类
宽带机调谐波振荡器 电调谐波振荡器（VCO） 高Q腔稳频谐波振荡器 接不同的输出 双频段基波、谐波振荡器 波 导 实 现 基 波 或谐波输出 双端口输出谐波振荡器 基波注锁谐波振荡器 基波锁相谐波振荡器
我校在谐波振荡器提取技术方面的研究情况
• 毫米波产品尤其是毫米波高端频率受到国外严 格禁运 • 瞄准谐波提取技术进行开发研究意义重大 • 八十年代国内具备的条件：已生产出六毫米
Input T ermination 3dB Hybrid Coupler 2-Diode Combiner 2-Diode Combiner 3dB Hybrid Coupler T ermination Output
4-Way Adaptor
2-Diode Combiner 2-Diode Combiner
谐波振荡器频率稳定性分析
振荡器频率变化与基波和谐波的关系
1 1 v1 2 B1 B2 ( ) 2 v2
B Q 2G
对于第二次谐波振荡器,由于基频回路不加载,故基频回 路的Q值很高,并且v12>>2v22,所以第二次谐波振荡器的 频率稳定性远远高于基频振荡器的频率稳定性。 采用外部高Q腔进行稳频时,在基频回路进行稳频比在谐 波回路更好。 外部负载的变化主要引起谐波回路的电抗变化，因此， 谐波振荡器抗负载牵引能力强。
毫米波固态源
低电压，长寿，体积小，结构简单，重量轻 毫米波固态源实际上是一种换能器，把直流功率变换 为毫米波功率，利用器件固有的非线性特性与器件中 的电流作用来产生毫米波振荡 IMPATT器件可用于30GHz~300GHz的整个毫米波频 率范围，有很好的连续波和脉冲功率效率与可靠性
Gunn器件也可以用到140GHz
率约为60GHz
• 实践见证(1975年)：95GHz GaAs Gunn 振荡器问世 • 实验方法证实(直到八十年代初)：原来GaAs Gunn器 件是工作在谐波提取工作模式。也就是说，除了检 测到的实际输出频率外，还在其恰好二分之一的频
率点和二分之三的频率点上发现了振荡频率
• 理论和实验研究表明：谐波振荡器具有比一般基波 振荡器更好的抗负载牵引能力
耦合口
Gunn器件
特殊应用 基波注锁谐波振荡器 基波锁相谐波振荡器 为获得高质量3mm信号提
供了一种新颖的技术手段
毫米波功率合成技术-Power Combiners
采用一定的方法，将多个毫米波信号相互叠加， 得到满足要求的大功率信号的技术
功率合成
芯片级
电 路级
空间合成
混合 级
其它形式
谐振腔式
非谐Leabharlann Baidu腔式