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幹數量級的功率處理能力和可調諧性。當超出Ka波(bo)段(duan)及(ji)一(yi)定(ding)功(gong)率(lv)閾(yu)值(zhi)時(shi)，三(san)端(duan)器(qi)件(jian)的(de)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)顯(xian)著(zhu)降(jiang)低(di)。在(zai)製(zhi)造(zao)技(ji)術(shu)方(fang)麵(mian)
，其(qi)不(bu)采(cai)用(yong)更(geng)加(jia)成(cheng)熟(shu)且(qie)易(yi)於(yu)製(zhi)造(zao)的(de)矽(gui)技(ji)術(shu)
，而(er)是(shi)通(tong)常(chang)使(shi)用(yong)具(ju)有(you)氮(dan)化(hua)镓(jia)（GaN）等特殊襯底的HEMT等複雜晶體管結構。

 

表2：壓控振蕩器中采用的有源器件

 

作為接收信號鏈基礎器件的混頻器最終需要依靠振蕩器進行所有的頻率轉換。如今
，越來越多的人發現，工作於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的各種不斷增長的毫米波（mmWave）應用極富使用價值。耿氏二極管振蕩器具有優異的AM和FM噪聲特性
，因此可用於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於混頻器的本地振蕩器端口

，或者可作為毫米波應用的倍頻級。

 

與製造過程中需涉及複雜精密的銑床、組(zu)裝(zhuang)及(ji)調(tiao)諧(xie)的(de)波(bo)導(dao)腔(qiang)體(ti)相(xiang)比(bi)，晶(jing)體(ti)管(guan)類(lei)振(zhen)蕩(dang)器(qi)采(cai)用(yong)具(ju)有(you)簡(jian)單(dan)製(zhi)造(zao)能(neng)力(li)的(de)取(qu)放(fang)機(ji)械(xie)，因(yin)此(ci)極(ji)易(yi)大(da)量(liang)製(zhi)造(zao)。然(ran)而(er)，對(dui)於(yu)僅(jin)需(xu)少(shao)量(liang)製(zhi)造(zao)且(qie)不(bu)考(kao)慮(lv)製(zhi)造(zao)難(nan)易(yi)程(cheng)度(du)的(de)毫(hao)米(mi)波(bo)樣(yang)機(ji)製(zhi)作(zuo)及(ji)開(kai)發(fa)而(er)言(yan)，采(cai)用(yong)波(bo)導(dao)腔(qiang)體(ti)的(de)耿(geng)氏(shi)二(er)極(ji)管(guan)不(bu)失(shi)為(wei)一(yi)種(zhong)簡(jian)單(dan)且(qie)高(gao)成(cheng)本(ben)效(xiao)益(yi)的(de)解(jie)決(jue)方(fang)案(an)。

 

其主要優點在於：

 

· 結構相對簡單

 

· 所產生的噪聲含量較低

 

· 外形小巧

 

· 輕量

 

· 對於早期樣機設計階段
，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構中的二極管結結構
，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de材cai料liao構gou成cheng。因yin此ci，耿geng氏shi二er極ji管guan的de製zhi造zao極ji為wei簡jian單dan，僅jin需xu對dui其qi負fu阻zu區qu域yu施shi加jia偏pian壓ya即ji可ke。一yi般ban情qing況kuang下xia，具ju有you正zheng反fan饋kui構gou型xing的de晶jing體ti管guan可ke實shi現xian負fu阻zu。舉ju例li而er言yan，考kao畢bi茲zi（Colpitts）振蕩器采用上述構型以及槽路或某種其他諧振器件。這種結構的缺點在於
，在極限頻率（fmax）下，振蕩頻率更大程度取決於晶體管
，而非諧振器件^[2]。耿氏二極管通常由N型砷化镓（GaAs）或磷化銦（InP）材料製成，這兩種材料均含有由一個較小能差分割開來的兩個導帶能穀，其中，電子在此兩能穀中具有不同的有效質量。

 

雖然在有些材料中電子和空穴具有恒定的有效質量
，然而也有些材料並非如此
，而且其內的電子和空穴與自由空間（或真空）tiaojianxiadeqingxingbiaoxianchubutongdexingwei。qiyuanyinhendachengdushangzaiyudianzihekongxueyuguticailiaozhongqitadianhedexianghuzuoyong
，zhexiedianhebaokuolaizisuoshijiadianchangdedianhe。duiyuGaAs和InP材料而言
，其具有的額外導帶（或稱亞能帶）使shi得de其qi具ju有you負fu阻zu特te性xing
，從cong而er與yu大da多duo數shu半ban導dao體ti材cai料liao區qu分fen開kai來lai。當dang施shi加jia電dian場chang或huo偏pian壓ya時shi，有you效xiao質zhi量liang較jiao低di的de電dian子zi首shou先xian充chong斥chi低di能neng導dao帶dai，當dang場chang強qiang達da到dao一yi定ding閾yu值zhi時shi，有you效xiao質zhi量liang較jiao高gao的de電dian子zi開kai始shi填tian充chong高gao能neng導dao帶dai。亞ya能neng帶dai內nei的de高gao有you效xiao質zhi量liang電dian子zi使shi得de漂piao移yi速su度du（與電流密度成正比的參數）降低，而且該漂移速度與電流密度隨電場的增大而降低，從而產生負阻特性。

 

實質上，此類器件內的電子速度差異使得電子沿其長度方向在某些區域內發生聚集（聚積區域）


，並在其他區域分散分布（耗盡區域）。器qi件jian內nei部bu的de電dian勢shi差cha形xing成cheng與yu外wai部bu電dian場chang方fang向xiang相xiang反fan的de內nei部bu電dian場chang，而er且qie該gai電dian場chang在zai達da到dao一yi定ding閾yu值zhi時shi崩beng潰kui，然ran後hou重zhong新xin開kai始shi建jian立li。隻zhi要yao存cun在zai外wai部bu偏pian壓ya，這zhe一yi過guo程cheng一yi直zhi反fan複fu重zhong演yan
，從cong而er產chan生sheng振zhen蕩dang。

 

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鍵參數。舉例而言，77GHz汽車應用中使用的振蕩器必須能夠在-40°C~+85°C這一較寬環境溫度範圍內運行^[7]。此外，頻率調製連續波（FMCW）雷(lei)達(da)等(deng)雷(lei)達(da)用(yong)途(tu)不(bu)僅(jin)要(yao)求(qiu)振(zhen)蕩(dang)器(qi)具(ju)有(you)溫(wen)度(du)和(he)頻(pin)率(lv)穩(wen)定(ding)性(xing)，而(er)且(qie)還(hai)要(yao)求(qiu)各(ge)溫(wen)度(du)下(xia)的(de)電(dian)壓(ya)調(tiao)諧(xie)具(ju)有(you)可(ke)預(yu)測(ce)性(xing)，以(yi)保(bao)證(zheng)雷(lei)達(da)距(ju)離(li)分(fen)辨(bian)率(lv)的(de)完(wan)整(zheng)性(xing)^[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更高的功率
，而且其與波導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於V波段。注入電子（或稱熱電子）比bi平ping衡heng態tai電dian子zi具ju有you更geng高gao的de能neng量liang。這zhe種zhong電dian子zi能neng量liang的de提ti高gao極ji大da地di增zeng加jia了le熱re電dian子zi直zhi接jie進jin入ru高gao能neng導dao帶dai或huo負fu阻zu區qu域yu的de可ke能neng性xing。一yi般ban情qing況kuang下xia，二er極ji管guan隻zhi有you在zai足zu夠gou高gao的de接jie通tong偏pian壓ya下xia才cai能neng發fa生sheng振zhen蕩dang
，從cong而er使shi得de其qi振zhen蕩dang頻pin率lv取qu決jue於yu溫wen度du。這zhe一yi問wen題ti可ke通tong過guo能neng夠gou繞rao過guo低di能neng區qu域yu的de熱re注zhu入ru法fa得de到dao有you效xiao解jie決jue。

 

耿氏二極管器件的結構主要分為以下三種：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僅能應用於GaAs一體化散熱結構。此外，還需要注意的一點是
，耿氏二極管的封裝寄生參數對相應波導腔體的正確設計非常重要。

 

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

 

耿氏二極管波導振蕩器結構概述

 

耿氏二極管可通過微帶線、鰭線及矩形和圓形波導器件等各種諧振器件實現。一般而言，金屬矩形波導振蕩器具有較高的Q值

，因此可實現最高的連續波（CW）gonglvyijizuijiadezaoshengtexing。suiranmuqianyijingshixianlegengshierjiguanyuanxingbodaoqijian
，ranerjuxingbodaoqijianqiangtizaigezhongyongtuzhongdeshiyonggengjiaguangfan，erqieduiyuzhendangqieryan，juxingxiangyuanxingdezhuanhuanzaisunhaofangmianbingbuyidingkexinghuobuyidingyouli。yibaneryan，qiangtikedingyiweiyizhongyidaodianwaikewanquanhuanraozhendangqijiandejiegou，gaijiegoukejiangdiancichangjuxianyuqizhong，bingyunxudianliuzaigengdadebiaomianjishangliudong，ciwai
，youyuQ值為腔體內能量與每一振蕩周期內分散於腔體壁上的能量的比值，金屬波導器件成為固有Q值極高（約4000）的一類器件。

 

在zai過guo去qu的de數shu十shi年nian中zhong，耿geng氏shi二er極ji管guan波bo導dao振zhen蕩dang器qi因yin其qi相xiang對dui簡jian單dan的de結jie構gou及ji可ke靠kao的de性xing能neng而er獲huo得de大da量liang應ying用yong。雖sui然ran此ci類lei振zhen蕩dang器qi的de結jie構gou非fei常chang簡jian單dan，但dan是shi其qi背bei後hou的de電dian磁ci機ji理li卻que十shi分fen複fu雜za。功gong率lv水shui平ping
、有效調諧、xiangweizaoshengjiwendupinlvwendingxingdenggezhongyinsudoukeshoudaobaokuozhendangqiwanzhengxingzaineidegezhongfeixianxingxianxiangdeyingxiang。ciwai，rushangjiesuoshu，yushangshuxianxiangxiangguandesuoyousunshijunkehuoduohuoshaoshoudaozuoweichixuzhendangyuandeerjiguanfuzudebuchang。

 

在(zai)耿(geng)氏(shi)二(er)極(ji)管(guan)波(bo)導(dao)振(zhen)蕩(dang)器(qi)中(zhong)，耿(geng)氏(shi)二(er)極(ji)管(guan)通(tong)常(chang)由(you)設(she)於(yu)矩(ju)形(xing)波(bo)導(dao)腔(qiang)體(ti)較(jiao)寬(kuan)一(yi)麵(mian)上(shang)的(de)圓(yuan)柱(zhu)形(xing)安(an)裝(zhuang)柱(zhu)設(she)置(zhi)於(yu)腔(qiang)體(ti)的(de)正(zheng)中(zhong)心(xin)。該(gai)耿(geng)氏(shi)二(er)極(ji)管(guan)安(an)裝(zhuang)有(you)偏(pian)置(zhi)扼(e)流(liu)圈(quan)，用(yong)於(yu)防(fang)止(zhi)發(fa)生(sheng)偏(pian)置(zhi)電(dian)路(lu)振(zhen)蕩(dang)或(huo)任(ren)何(he)雜(za)散(san)模(mo)。波(bo)導(dao)腔(qiang)體(ti)通(tong)常(chang)優(you)化(hua)為(wei)可(ke)在(zai)最(zui)主(zhu)要(yao)的(de)TE11moshixiafashengxiezhen

，erqieqichangyongyushuchugonglvouhehuofuzaidianluzuijiagonglvchuanshudeyiduansheyouduanluhuosaihuokeyidongbeixiangduanluqi。ciwai，haikezaierjiguanyugemozhongjianshezhilanbaoshidengzhichengdeyuanzhuxingdisunhaodianjiezhicailiaohuojinshutanzhen
，yiduigaizhendangqijinxinggengweijingxidejixieshitiaoxie。qizhong，gaitiaoxiedefanweisuisuoshuyuanzhuxingzhijingdezengdaerzengda。

 

波導腔體的阻抗匹配技術

 

實shi質zhi上shang
，為wei了le實shi現xian最zui佳jia操cao作zuo，波bo導dao腔qiang體ti的de阻zu抗kang必bi需xu在zai整zheng個ge帶dai寬kuan內nei與yu耿geng氏shi二er極ji管guan振zhen蕩dang器qi的de阻zu抗kang相xiang匹pi配pei。這zhe一yi目mu的de可ke在zai波bo導dao腔qiang體ti內nei通tong過guo多duo種zhong方fang式shi實shi現xian，即ji通tong過guo使shi用yong背bei向xiang短duan路lu器qi實shi現xian。此ci外wai

，通tong過guo使shi波bo導dao腔qiang體ti與yu調tiao諧xie螺luo釘ding及ji輸shu出chu端duan的de金jin屬shu框kuang相xiang匹pi配pei，以yi生sheng成cheng適shi於yu射she頻pin能neng量liang釋shi放fang的de最zui理li想xiang隔ge膜mo尺chi寸cun
，或huo通tong過guo在zai扁bian形xing波bo導dao結jie構gou中zhong使shi用yong分fen級ji變bian壓ya器qi，可ke實shi現xian更geng為wei精jing細xi的de阻zu抗kang匹pi配pei調tiao諧xie^[4]。在另一種扁形波導結構中，采用脊狀波導腔體^[6]。其中，工作頻率由隔膜與耿氏二極管之間的λg/2（λg為該波導器件的波長）距離確定，同時為了實現相幹振蕩，短路活塞與耿氏二極管之間的距離需設為λg/4的倍數。此外，當耿氏二極管上設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，而且波導腔體的Q值將會下降。另外，調諧螺釘的插入深度也會對Q值產生負麵影響

，因此有時完全不設該調諧螺釘。

 

圖2：帶用於輸出功率耦合的背向短路器及用於額外阻抗匹配的調諧螺釘的耿氏二極管波導振蕩器示意圖

 

當(dang)腔(qiang)體(ti)受(shou)熱(re)膨(peng)脹(zhang)時(shi)，將(jiang)發(fa)生(sheng)阻(zu)抗(kang)失(shi)配(pei)導(dao)致(zhi)的(de)失(shi)真(zhen)，從(cong)而(er)對(dui)諧(xie)振(zhen)器(qi)的(de)頻(pin)率(lv)特(te)性(xing)造(zao)成(cheng)影(ying)響(xiang)。溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)的(de)原(yuan)因(yin)可(ke)能(neng)在(zai)於(yu)環(huan)境(jing)溫(wen)度(du)變(bian)化(hua)
，電(dian)阻(zu)性(xing)功(gong)耗(hao)及(ji)熱(re)輻(fu)射(she)。為(wei)了(le)減(jian)輕(qing)此(ci)類(lei)負(fu)麵(mian)影(ying)響(xiang)，可(ke)在(zai)波(bo)導(dao)器(qi)件(jian)中(zhong)使(shi)用(yong)低(di)熱(re)膨(peng)脹(zhang)係(xi)數(shu)（CTE）材料
，背向短路器及調諧柱。此外
，溫度補償型鋁或陶瓷材料可限製材料的熱膨脹，從而提高諧振器的頻率穩定性，帶寬及使用壽命。

 

結論

 

在過去的幾十年中，耿氏二極管波導振蕩器因其高功率、低噪聲、小(xiao)尺(chi)寸(cun)及(ji)高(gao)頻(pin)率(lv)性(xing)能(neng)而(er)獲(huo)得(de)廣(guang)泛(fan)應(ying)用(yong)。從(cong)耿(geng)氏(shi)二(er)極(ji)管(guan)的(de)主(zhu)要(yao)材(cai)料(liao)到(dao)波(bo)導(dao)腔(qiang)體(ti)，其(qi)看(kan)似(si)簡(jian)單(dan)的(de)結(jie)構(gou)之(zhi)下(xia)為(wei)了(le)實(shi)現(xian)最(zui)佳(jia)性(xing)能(neng)而(er)采(cai)用(yong)的(de)極(ji)其(qi)複(fu)雜(za)及(ji)精(jing)細(xi)調(tiao)節(jie)的(de)幾(ji)何(he)形(xing)狀(zhuang)和(he)材(cai)料(liao)。雖(sui)然(ran)易(yi)於(yu)批(pi)量(liang)生(sheng)產(chan)的(de)晶(jing)體(ti)管(guan)類(lei)VCO的應用更為廣泛，但耿氏二極管波導振蕩器更能符合日益增長的毫米波測試測量專用領域的需求。

 

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.

 

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

 

 

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