【精品课件】毫米波第二六章毫米波固态电路

IMPATT二极管CW功率随频率变化
IMPATT二极管脉冲功率随频率变化
IMPATT二极管封装结构 （100GHz以下）
陶瓷环封装 f<50GHz
石英环封装 50GHz<f<100GHz
IMPATT二极管开放结构 （100GHz以上）
单石英支撑
双石英支撑
直接接触
毫米波二极管波导型振荡电路
频率稳定方法
腔稳法（不适合毫米波） 注入锁定 锁相环
§2.3 Gunn振荡器
1963年Gunn发现在外加电场作用下半导体能 级间电子转移产生负阻效应
RWH（ Radley, Watkins, Hilsum ）双谷理 论模型
1964年Kromer证明了二者是同一种效应
Gunn与IMPATT对比
与IMPATT对比，Gunn器件
vS 1 器器1 D
滤波器
nf1 RL
GS iS
D
f1
nf1 GL
滤波器 滤波器
滤波器 f1 滤波器 nf1
RS RS vS vS
滤L波1iwenku.baidu.com器Rf11
C1 D
滤L波n 器Rinnnf1CRnL
L1 R1 C1 Ln Rn Cn
i1 D
in RL
GS R1
iS
L1
Gg R1
Ig
L1 滤波器Cf11
D Rn
GL
C1 D
Ln Rn
Cn
GL
L滤n 波C器n nf1
二极管倍频电路两种形式的特点
并联型（电流激励型）
特点：二极管上只有f1和Nf1频率的电流 优点：二极管可接地，利于散热，适合大功率倍频
缺点：二极管与输入输出回路均为并联，使得输入 输出阻抗都较低
串联型（电压激励型）
特点：二极管上只有f1和Nf1频率的电压 优点：输入输出阻抗较高，且随谐波次数N的增加， 效率下降程度比并联型小，对N>3的场合较适合 缺点：散热不如并联型
鳍线串联双管合成振荡器
等效电路
Gunn二极管和串联双管合成振荡器的等效电 路
鳍线串联双Gunn管合成振荡器 的输出功率
鳍线串联双Gunn管合成振荡器 的输出功率稳定度和频率稳定度
D-band (110-140GHz) quasi-optical oscillator
Grooved mirror type Fabry-Perot quasi-optical oscillator
简单的鳍线振荡器
鳍线压控振荡器
平面柱鳍线振荡器
周期栅鳍线振荡器
单栅鳍线振荡器
鳍线FET振荡器
并联双管合成振荡器
P=P1+P2 理论合成效率可达100%
串联双管合成振荡器
P=2(P1+P2) 理论合成效率可达200%
这是因为串联可使Gunn管比单个时有更大的负阻， 也更容易与阻抗较高的传输线匹配 关键：等幅同相合成
不是结效应器件，而是体效应器件，也称电子转移 器件 优点：噪声低，适合作低噪声本振 缺点：输出功率较低
Gunn与IMPATT二极管CW功率
Gunn与IMPATT二极管脉冲功率
§6.1 鳍线振荡器
鳍线振荡器=鳍线谐振器+有源器件 鳍线谐振器用一段带有偏置电路和适当调谐电 路的鳍线制作
有源器件可以是Gunn、IMPATT等二端器件， 也可以是FET、HEMT FET等三端器件
§2.5 二端器件倍频源
倍频器将交流能量转换为其谐波频率的交流能 量，与振荡器将直流能量转换为交流能量不同。 倍频器与其说是信号源，不如说是频率变换电 路。
倍频器分类
按功能
信号倍频 功率倍频
按器件
二端
电抗性二极管 变容二极管 阶跃二极管
电阻性二极管
三端
变容二极管的管芯结构和等效电路
平面管芯结构和台面管芯结构
倍频附加电路
空闲回路（LmCm）
滤波器 f1
滤波器 nf1
RS
L1 R1 C1
i1 D
Cm Ln Lm
Rn Cn
in RL
vS
Rm
im
匹配电路
偏置电路
GS R1
iS
L1
滤波器 f1
D
Rn
C1 Cm
Ln
GL Cn
Lm
Rm 滤波器 nf1
W频段高功率二倍频电路
输出部分
二倍频器
HBV三倍频器
450GHz单管三倍频器和异质结势垒变容二极 管（HBV）器件 [M. Saglam 2002]
SiO2 Cr-Au
P+ N Au-Ge N+-GaAs
欧姆接触 C
A
P+
耗尽层 N
N+硅
B
等效电路
Rj Rs
Cj
(a) 管 芯 等 效 电 路
Ls
Rs
sps
Rj Cj
Cp
(b) 封 装 管 完 整 的 等 效 电 路
Ls
Rs Cj
Cp
(c) 封 装 管 的 简 化 等 效 电 路
变容二极管的非线性特性
二端器件
IMPATT Gunn
三端器件
MESFET HEMT FET PHEMT FET
倍频器
§2.1 固态振荡器的一般理论
振荡器
换能器：DC→AC 放大器：G→∞ 非线性电路
负阻振荡的基本原理
直流静态电阻永远为非负值 R=V/I ≥0 负阻是就动态电阻而言的，即器件V-A特性曲线上 某处的斜率 r=dv/di <0
毫米波理论与技术 第二章 毫米波固态源 第六章 毫米波固态电路
毫米波真空管分类
慢波型
正交场放大器（CFA） 磁控管（Magnetron） 速调管（Klystron） 行波管（TWT） 返波管（BWO）
快波型
回旋管（Gyrotron） 莱达管（Ledatron） 潘努管（Peniotron）
毫米波固态源分类
结电容 Cj
dq dv
C j0
1
vr VD
零偏压结电容 反向偏压绝对值
PN结的势垒电位差
Cj
结电容变化系数
γ=1/3 缓变结 γ=1/2 突变结 γ>1 超突变结
Cj(0)
VB
V
二极管倍频电路的基本形式
并联型（电流激励型）和串联型（电压激励型）
RSVg滤 波 器R滤f1 nfDgRL滤 波 器波Ig滤 波Ggf1滤 波器nfDGL f1
1958年Read提出模型 1965年Johnston首次从工作在雪崩区的p+n 二极管中观察到了微波振荡
单双漂结构对比
单漂区（SDR） 双漂区（DDR）
结构
p+-n-n+
p+-p-n-n+
漂移区数量
1
2
结面积
较小
较大
输出功率
较小
较大
工艺复杂性和成 较低 本
较高
毫米波IMPATT二极管 的封装结构和热模型
振荡的三种条件
只考虑稳态振荡时器件中的电流基波分量
i(t)=Acos(ωt+φ)
设器件的微分阻抗和电路阻抗分别为
Zd(A)=-Rd(A)+jXd(A) Zc(ω)=Rc(ω)+jXc(ω)
则
起振条件 Rd(A)>Rc(ω) 平衡条件 Zd(A)+Zc(ω)=0 稳定条件
振荡器噪声分析
注入锁定
§2.2 IMPATT振荡器