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Kaboduanjiyidinggonglvyuzhishi，sanduanqijiandechengbenxiaoyixianzhujiangdi。zaizhizaojishufangmian，qibucaiyonggengjiachengshuqieyiyuzhizaodeguijishu
，ershitongchangshiyongjuyoudanhuajia（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）shideqijuyoufuzutexing，congeryudaduoshubandaoticailiaoqufenkailai。dangshijiadianchanghuopianyashi
，youxiaozhiliangjiaodidedianzishouxianchongchidinengdaodai
，dangchangqiangdadaoyidingyuzhishi
，youxiaozhiliangjiaogaodedianzikaishitianchonggaonengdaodai。yanengdaineidegaoyouxiaozhiliangdianzishidepiaoyisudu（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）bipinghengtaidianzijuyougenggaodenengliang。zhezhongdianzinengliangdetigaojidadizengjialeredianzizhijiejinrugaonengdaodaihuofuzuquyudekenengxing。yibanqingkuangxia，erjiguanzhiyouzaizugougaodejietongpianyaxiacainengfashengzhendang
，congershideqizhendangpinlvqujueyuwendu。zheyiwentiketongguonenggouraoguodinengquyuderezhurufadedaoyouxiaojiejue。

 

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。

 

zaiguoqudeshushinianzhong，gengshierjiguanbodaozhendangqiyinqixiangduijiandandejiegoujikekaodexingnengerhuodedaliangyingyong。suirancileizhendangqidejiegoufeichangjiandan，danshiqibeihoudediancijiliqueshifenfuza。gonglvshuiping、有效調諧、相(xiang)位(wei)噪(zao)聲(sheng)及(ji)溫(wen)度(du)頻(pin)率(lv)穩(wen)定(ding)性(xing)等(deng)各(ge)種(zhong)因(yin)素(su)都(dou)可(ke)受(shou)到(dao)包(bao)括(kuo)振(zhen)蕩(dang)器(qi)完(wan)整(zheng)性(xing)在(zai)內(nei)的(de)各(ge)種(zhong)非(fei)線(xian)性(xing)現(xian)象(xiang)的(de)影(ying)響(xiang)。此(ci)外(wai)
，如(ru)上(shang)節(jie)所(suo)述(shu)，與(yu)上(shang)述(shu)現(xian)象(xiang)相(xiang)關(guan)的(de)所(suo)有(you)損(sun)失(shi)均(jun)可(ke)或(huo)多(duo)或(huo)少(shao)受(shou)到(dao)作(zuo)為(wei)持(chi)續(xu)振(zhen)蕩(dang)源(yuan)的(de)二(er)極(ji)管(guan)負(fu)阻(zu)的(de)補(bu)償(chang)。

 

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deTE11模(mo)式(shi)下(xia)發(fa)生(sheng)諧(xie)振(zhen)，而(er)且(qie)其(qi)常(chang)用(yong)於(yu)輸(shu)出(chu)功(gong)率(lv)耦(ou)合(he)或(huo)負(fu)載(zai)電(dian)路(lu)最(zui)佳(jia)功(gong)率(lv)傳(chuan)輸(shu)的(de)一(yi)端(duan)設(she)有(you)短(duan)路(lu)活(huo)塞(sai)或(huo)可(ke)移(yi)動(dong)背(bei)向(xiang)短(duan)路(lu)器(qi)。此(ci)外(wai)，還(hai)可(ke)在(zai)二(er)極(ji)管(guan)與(yu)隔(ge)膜(mo)中(zhong)間(jian)設(she)置(zhi)藍(lan)寶(bao)石(shi)等(deng)製(zhi)成(cheng)的(de)圓(yuan)柱(zhu)形(xing)低(di)損(sun)耗(hao)電(dian)介(jie)質(zhi)材(cai)料(liao)或(huo)金(jin)屬(shu)探(tan)針(zhen)，以(yi)對(dui)該(gai)振(zhen)蕩(dang)器(qi)進(jin)行(xing)更(geng)為(wei)精(jing)細(xi)的(de)機(ji)械(xie)式(shi)調(tiao)諧(xie)。其(qi)中(zhong)
，該(gai)調(tiao)諧(xie)的(de)範(fan)圍(wei)隨(sui)所(suo)述(shu)圓(yuan)柱(zhu)形(xing)直(zhi)徑(jing)的(de)增(zeng)大(da)而(er)增(zeng)大(da)。

 

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leiVCO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

 

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