《微波電路基礎(chǔ)》課件第10章

第10章微波負(fù)阻振蕩器

10.1常用的半導(dǎo)體負(fù)阻器件

10.2負(fù)阻振蕩器和功率合成技術(shù)

10.1常用的半導(dǎo)體負(fù)阻器件

10.1.1碰撞雪崩渡越時間器件(Impatt器件)

這種器件簡稱為雪崩管。1958年，里德提出利用P+NIN+和N+PIP+結(jié)構(gòu)模型可以產(chǎn)生微波頻率振蕩，后來發(fā)展為雪崩管。里德模型可清楚地說明雪崩管產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)的機(jī)理。圖10-1-1所示為里德結(jié)構(gòu)模型及產(chǎn)生雪崩效應(yīng)的原理。

圖(a)為P+NIN+模型；圖(b)為摻雜濃度分布；圖(c)是耗盡層電荷分布；圖(d)表示的是加負(fù)直流偏壓情況下的內(nèi)部電場分布，P+N結(jié)交界面處的電場最強(qiáng)，接近擊穿打火臨界值；圖(e)所示為再加交流電壓正半周時P+N界面超過打火電壓臨

界值而發(fā)生擊穿打火；圖(f)表示交流負(fù)半周電壓降低，打火停止。在交流正半周，P+N界面超過擊穿電壓而發(fā)生打火時，高速高能電子碰撞，原來的束縛電子被電離而產(chǎn)生一個空穴電子對，由于電場極強(qiáng)，因此新的電子又立即獲得足夠的能量以高速碰撞別的原子使其電離，從而又產(chǎn)生新的空穴電子對，這種現(xiàn)象就是雪崩擊穿現(xiàn)象。由于雪崩擊穿在P+N界面附近瞬間產(chǎn)生大量空穴電子對，因此空穴被負(fù)極電子迅速中和，電子在電場加速下從N區(qū)注入I區(qū)而形成注入電流。注入電流與電子數(shù)和電子速度成正比。在交流電壓由正半周轉(zhuǎn)為負(fù)半周時刻，電子數(shù)達(dá)到極大值，注入電流脈沖也達(dá)到峰值(見圖10-1-2(b))。此后由于電壓下降，打火停止，因此剩余電子在電場加速下仍向I區(qū)注入，直到完全注入為止。圖10-1-2(b)清楚地表明，注入電流的脈沖基波分量滯后交流電壓90°。此后注入到I區(qū)的電子團(tuán)在內(nèi)部電場的作用下向N+區(qū)運動并在外電路產(chǎn)生感應(yīng)電流脈沖(見圖10-1-2(c))。這群電子到達(dá)正極后，感應(yīng)電流停止直到下一次雪崩打火發(fā)生。圖10-1-2(c)表明，調(diào)整交流周期與渡越區(qū)長度的關(guān)系，可使感應(yīng)電流基波比注入電流基波滯后90°。這樣就使電流和電壓相差180°，正好反相呈負(fù)阻特性。實際上只要電流總滯后角θ滿足其等效阻抗就有負(fù)電阻分量，也可輸出微波功率。θ=180°時，等效純負(fù)電阻的效率最高。圖10-1-1里德模壓及雪崩產(chǎn)生機(jī)理圖10-1-2交流電壓與交流電流反相原理設(shè)I區(qū)的長度為W，電子飽合漂移速度為vs，渡越時間

稱為渡越頻率。例如，W=2.5μ，vs=107cm/s，fd=20GHz，雪崩管的最高工作頻率可達(dá)300GHz。

實際的雪崩管為P+NN+和N+PP+結(jié)構(gòu)，其負(fù)阻機(jī)理與里德結(jié)構(gòu)類似，雪崩擊穿發(fā)生在P+N交界面(或N+P交界面)，渡越區(qū)為N(或P)區(qū)。分析基波iH和u的關(guān)系，可計算出雪崩管的等效導(dǎo)納為YD=－|GD|+jBD。jBD

一般呈容性。大功率雙漂移雪崩管為P+PNN+結(jié)構(gòu)，如圖10-1-3所示。雪崩擊穿發(fā)生在PN交界面附近，空穴和電子從中間同時向相反方向渡越，二者都對負(fù)阻電流有貢獻(xiàn)。圖10-1-3雙漂移管及摻雜濃度10.1.2轉(zhuǎn)移電子器件——體效應(yīng)管(GUNN器件)

1963年，GUNN發(fā)現(xiàn)砷化鎵具有負(fù)阻效應(yīng)，現(xiàn)在已發(fā)展成一類重要的半導(dǎo)體負(fù)阻器件——體效應(yīng)管。

1.砷化鎵的多能谷結(jié)構(gòu)與負(fù)微分遷移率

在砷化鎵、磷化銦等化合物半導(dǎo)體中，其導(dǎo)帶電子具有多能谷結(jié)構(gòu)(見圖10-1-4)，而且砷化鎵導(dǎo)帶的主谷和子谷的能級差約為0.36eV，遠(yuǎn)小于價帶和導(dǎo)帶主谷的能級差1.43eV。在常溫下，導(dǎo)帶電子集中在主谷的底部，遷移率很高(5000~

8000

)。當(dāng)電子能量增加到一定程度時就向子谷轉(zhuǎn)移，而子谷的遷移率很低(100~200

)。隨著電場的增加，電子的平均速度反而下降，而平均遷移率為

(10-1-1)

式中，n1為主谷電子數(shù)，n2為子谷電子數(shù)。由于μ1>>μ2，因此隨著n2的增加反而下降。當(dāng)電場很大時，n1=0，電子全部轉(zhuǎn)入子谷，平均速度vs=107cm/s，不再變化。v-E曲線(速度與電場關(guān)系)如圖10-1-5所示。在v-E曲線的下降段，

稱為負(fù)微分遷移率。由于電流密度μD為負(fù)，因此E增加時反而下降，這就是負(fù)電導(dǎo)率特性。圖10-1-4砷化鎵的多能谷結(jié)構(gòu)圖10-1-5砷化鎵電子的速度電場特性

負(fù)電導(dǎo)率必然會導(dǎo)致電荷積累現(xiàn)象發(fā)生，由所以

(10-1-2)

又因μD<0，所以

(10-1-3)

半導(dǎo)體內(nèi)存在的任何不均勻電荷必將導(dǎo)致其按指數(shù)率上升而迅速積累。

2.伏安特性與偶極疇產(chǎn)生

由于電壓U∝E，電流I∝，因此伏安特性曲線與速度-電場特性曲線類似，如圖10-1-6所示。給一段N型砷化鎵加上電壓，電子將在電場的作用下由陰極向陽極運動。如果在陰極附近人為制造一個不均勻高阻區(qū)，使電場集中，則負(fù)微分遷移率首先在這里發(fā)生，電荷積累使堆積在一起的電子一邊向陽極運動一邊長大，同時積累的電子層前面由于遷移率高必存在一電子抽空的正電荷區(qū)(耗盡層)(見圖10-1-7)。這個正負(fù)電荷共生層稱為偶極疇。偶極疇一邊渡越，一邊生長，直到疇內(nèi)外電子速度相等便不再長大。一個偶極疇出現(xiàn)后把電場集中在疇區(qū)，便不可能有第二個偶極疇出現(xiàn)。偶極疇渡越到陽極消失后才可能有第二個偶極疇出現(xiàn)。偶極疇產(chǎn)生于負(fù)阻區(qū)，渡越于飽和區(qū)，當(dāng)渡越過程中電場下降到不能維持疇存在時便會自動猝滅，這時對應(yīng)的電壓稱為維持電壓Us(見圖10-1-6)。圖10-1-6伏安特性曲線圖10-1-7偶極疇的生長和渡越

3.三種渡越模式及負(fù)阻特性

偶極疇的產(chǎn)生、渡越和消失的過程可能有以下三種情況。

1)渡越模

設(shè)砷化鎵的尺寸為L，渡越時間微波振蕩周期為

偏壓為U0。當(dāng)U0－U1>Uth且τ=T時，由于U0－U1

恰好位于負(fù)阻區(qū),前一個偶極疇渡越到陽極消失時,會立即在陰極產(chǎn)生第二個疇，這種產(chǎn)生—渡越—消失恰好與微波振蕩合拍。偶極疇消失時電流有一個躍升，產(chǎn)生時電流又有一個突降,每周期的電流脈沖恰在負(fù)電壓最大處形成(見圖10-1-8(a))。圖10-1-8三種偶極疇的渡越模式

2)延遲模

當(dāng)U0－U1<Uth且τ<T時，前一個偶極疇到達(dá)陽極消失，交流電壓恰在Uth以下，總電壓不在負(fù)阻區(qū)，新疇無法產(chǎn)生，只有當(dāng)交流電壓擺動到U0－U1≥Uth時才可能產(chǎn)生第二個偶極疇。每周期新疇都要在前一個偶極疇消失后推遲產(chǎn)生，所以稱為延遲模。其尖電流脈沖為頂部有一缺口的不對稱脈沖，也位于交流電壓負(fù)半軸的最大處(見圖10-1-8(b))。

3)猝滅模

當(dāng)U0－U1<Us且τ>T時，偶極疇渡越未到達(dá)陽極前，總電壓已小于Us，使疇無法維持而半途猝滅。等到交流電壓擺動到U0－U1>Uth時，新疇再產(chǎn)生。由于Ｔ較小，因此偶極疇實際渡越時間Δτ<τ。每周期產(chǎn)生的偶極疇都在中途猝滅，稱為猝滅模。猝滅尖電流脈沖前沿有一個小波動，它的位置也在交流電壓負(fù)半軸的最大值附近(見圖10-1-8(c))。這三種模式只是理論上分析得出的，實際上是無法區(qū)分的，它們的共同特點就是尖電流脈沖在一個周期內(nèi)只有一個且存在于電壓負(fù)半軸的最大值附近，電流基波分量與電壓反相，具有負(fù)阻特性。

體效應(yīng)管的最高工作頻率可達(dá)100GHz，其主要優(yōu)點是頻譜單一，純度高，噪聲小，它是混頻器本地振蕩器的理想器件。思考練習(xí)題

1.定性說明Ｐ+NN+和N+PP+結(jié)構(gòu)能夠產(chǎn)生負(fù)阻的機(jī)理。

2.為什么雪崩管發(fā)生打火擊穿而不會被燒毀？

3.雪崩管的工作頻率和尺寸有什么關(guān)系？

4.為什么多能谷結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生負(fù)阻效應(yīng)？

5.什么是偶極疇？它是怎樣產(chǎn)生、渡越并消失的？在外電路有什么反應(yīng)？

6.說明偶極疇渡越模、延遲模、猝滅模的產(chǎn)生條件及電流脈沖特點。10.2負(fù)阻振蕩器和功率合成技術(shù)

把負(fù)阻器件與波導(dǎo)、同軸線、微帶等傳輸線諧振器構(gòu)成的外電路耦合在一起，加上適當(dāng)?shù)钠珘?，就?gòu)成了微波負(fù)阻振蕩器。

10.2.1負(fù)阻振蕩器的分析模型與起振、穩(wěn)定和平衡條件

負(fù)阻振蕩器的兩種等效電路如圖10-2-1所示。

圖10-2-1所示的等效電路中，ZD=－|RD|+jXD和YD=－|GD|+

jBD代表器件參數(shù)，Zl=Rl+jXl和Yl=Gl+jBl

代表電路參數(shù)。圖10-2-1負(fù)阻振蕩器的等效電路

(1)負(fù)阻振蕩器的起振條件為

(10-2-1)

(2)負(fù)阻振蕩器的平衡條件為

(10-2-2(a))振幅平衡條件是

(10-2-2(b))

相位平衡條件是

(10-2-2(c))

振幅平衡條件決定振蕩器的輸出功率，相位平衡條件決定振蕩頻率。

(3)負(fù)阻振蕩器的穩(wěn)定工作條件。

振蕩器受外界微擾后，工作點不變，該工作點為穩(wěn)定工作點。反之，振蕩器受微擾后，振蕩頻率和輸出功率都發(fā)生變化，則原來的工作點稱為不穩(wěn)定工作點。經(jīng)分析，負(fù)阻振蕩器的穩(wěn)定條件為

(10-2-3)式中，I0、ω0為工作點的電流和頻率，θ為器件線正方向與阻抗平面上水平線的夾角，φ為阻抗線正方向與水平線的夾角。器件線和阻抗線都是繪制在阻抗平面上(R為實軸，x為虛軸)的有向曲線。器件線為ZD(I)曲線，阻抗線為Zl(ω)曲線。正方向為I↑、ω↑方向。顯然，穩(wěn)定條件式(10-2-3)在阻抗平面上就是(見圖10-2-2):

(10-2-4)圖10-2-2阻抗平面上的器件線、阻抗線和工作點10.2.2負(fù)阻振蕩器的實際電路

由波導(dǎo)、同軸線和微帶線等傳輸線構(gòu)成的實際負(fù)阻振蕩器電路及其等效電路如圖10-2-3所示。

器件與負(fù)載阻抗匹配的目的是使負(fù)載變換成器件要求的最佳阻抗以輸出最大功率。圖10-2-3三種典型負(fù)阻振蕩器及其等效電路10.2.3負(fù)阻振蕩器的調(diào)諧與頻率穩(wěn)定

1.負(fù)阻振蕩器的頻率改變

負(fù)阻振蕩器改變振蕩頻率的方式有以下幾種：

(1)改變偏壓(流)可使振蕩頻率產(chǎn)生小范圍變化。

(2)給外電路并聯(lián)變?nèi)莨芑蛟诓▽?dǎo)電路中放置YIG(釔硒石榴石)小球可實現(xiàn)一定頻率范圍的電調(diào)諧。

(3)用短路活塞改變外電路的等效電抗(電納)可實現(xiàn)頻率在較大頻率范圍變化的機(jī)械調(diào)諧。

電調(diào)諧速度高，但頻率變化范圍不如機(jī)械式調(diào)諧寬。

2.負(fù)阻振蕩器的頻率穩(wěn)定

振蕩器的頻率穩(wěn)定度高意味著振蕩器的噪聲小，輸出頻率的頻譜純度高，這一點對某些用途的通信、探測設(shè)備的可靠工作十分重要。好的微波振蕩器對于長期、短期、瞬時的頻率穩(wěn)定度都有極嚴(yán)格的要求。引起振蕩器頻率不穩(wěn)定的主要因素有：機(jī)械振動與沖擊、電源波動、溫度變化及電路元器件老化導(dǎo)致參數(shù)變化等。相應(yīng)的穩(wěn)頻措施有減振、恒溫、使用穩(wěn)壓(流)偏置電源、使用穩(wěn)定振蕩源注入鎖定、鎖相環(huán)電路、諧振腔穩(wěn)頻等。前三種方法簡單，但效果有限，第四、五種方法效果好，但電路復(fù)雜且成本高，只有在要求極高的場合才值得使用。諧振腔穩(wěn)頻容易實現(xiàn)且效果較佳，因而被廣泛使用。把一個高Q諧振腔(如矩形腔TE101、圓柱腔TM010、TE011或介質(zhì)諧振器等)和負(fù)阻振蕩器以某種方式耦合，成為一個整體有載有源諧振系統(tǒng)，稱為腔穩(wěn)振蕩器。腔穩(wěn)振蕩器的

電抗斜率和Q值的關(guān)系為有

(10-2-5)若某種原因使器件參數(shù)由XD變?yōu)閄D+ΔXD，則振蕩頻率必須發(fā)生Δω的變化以調(diào)整外電路的Xl為Xl+ΔXl，從而滿足相位平衡條件式(10-2-2(c))。如果系統(tǒng)的Ql值很高，則由式(10-2-5)可知，同樣的ΔXl對應(yīng)的相對頻偏就小。好的腔穩(wěn)振蕩器可使穩(wěn)頻改善度達(dá)100倍或更高。

諧振腔與負(fù)阻振蕩器的耦合方式有諧振腔反射式、帶阻濾波式、傳輸通過式、頻帶反射式等，如圖10-2-4所示，尤以頻帶反射式的效果最好，也最為常用。一種介質(zhì)諧振器穩(wěn)頻的微帶負(fù)阻振蕩器的實際電路如圖10-2-5所示。圖10-2-4幾種諧振腔穩(wěn)頻的耦合方式及等效電路圖10-2-5一種頻帶反射式微帶腔穩(wěn)振蕩器的實際電路10.2.4功率合成技術(shù)簡介

負(fù)阻振蕩器的輸出功率從幾毫瓦到幾百毫瓦不等。隨著頻率升高，功率很快下降。為了提高輸出功率電平，人們把注意力集中在功率合成技術(shù)上。所謂功率合成技術(shù)，就是把若干個負(fù)阻器件產(chǎn)生的微波功率疊加在一起合成輸出，每個負(fù)阻振蕩器為一個基本合成單元。功率合成器的主要指標(biāo)有：工作頻率、單元個數(shù)、合成效率、輸出功率等。功率合成器的實現(xiàn)方法有以下幾種。

1.諧振腔式功率合成

這種方法是使多個負(fù)阻器件與同一個微波諧振腔耦合，所有