描述了一種3mm雪崩管集成振蕩器。該振蕩器由雪崩二極管,微帶諧振裝置,鰭線過渡段組成。通過對雪崩管振蕩器的理論分析,利用電路設(shè)計(jì)軟件ADS與三維仿真軟件HFSS仿真優(yōu)化,設(shè)計(jì)出了頻率為95 GHz 的雪崩管集成振蕩器。

　　毫米波通常是指頻率范圍為30～300GHz的電磁波。毫米波技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展,特別是最近的二十年來取得了令人矚目的突破,已在通訊,精確制導(dǎo),雷達(dá)方面廣泛使用。但是,目前在3 mm 波段,國內(nèi)所用的振蕩器多是波導(dǎo)結(jié)構(gòu),其體積大,重量大,在彈載、星載和機(jī)載平臺上有很多局限,因此,發(fā)展體積更小,重量更輕,易于集成的微帶集成振蕩器很有必要。本文使用雪崩二極管,采取混合集成的方式設(shè)計(jì)出頻率為95 GHz 的微帶集成振蕩器。

1、雪崩管振蕩器振蕩的基本原理

　　雪崩二極管是碰撞雪崩渡越時(shí)間(impact ava-lanche and t ransit time , IMPA TT) 二極管的簡稱。當(dāng)連接適當(dāng)?shù)耐怆娐窌r(shí),可以利用管內(nèi)雪崩電流滯后效應(yīng)和渡越時(shí)間效應(yīng)使其呈現(xiàn)負(fù)阻而獲得微波振蕩。圖1 是雪崩二極管振蕩器等效電路圖,圖中,

　　Yd = Gd + jBd ,為二極管的輸入導(dǎo)納;
　　Yl = Gl + jBl ,為負(fù)載的輸入導(dǎo)納;
　　Гd 為二極管的反射系數(shù);
　　Гl 為負(fù)載的反射系數(shù)。

　　雪崩二極管振蕩器是單端口負(fù)阻振蕩器,在穩(wěn)定振蕩狀態(tài)下,應(yīng)滿足振幅平衡條件和相位平衡條件:

Gd + Gl = 0 ,Bd + Bl = 0

圖1 　IMPATT 二極管振蕩器原理圖

　　由于振蕩器通常工作在大信號狀態(tài),振蕩器負(fù)導(dǎo)Gd 在起振后有所降低,因此設(shè)計(jì)時(shí)一般取- Gd≥1.2Gl ,以保證振蕩器易于起振。

2、雪崩二極管阻抗計(jì)算

　　本文所采用的雪崩二極管除了與本身阻抗有關(guān)外還與其封裝參數(shù)有關(guān),根據(jù)圖1 提供的雪崩管一階非線性模型用ADS計(jì)算得到管芯阻抗 。

圖2 　雪崩管一階非線性電路模型

　　廠家提供的各部分封裝參數(shù)為:管芯電容Cd = 0.2 PF ; 封裝電感LS = 0.08nH ;封裝電容CP = 0.1 p F 。采用并聯(lián)形式的封裝電路通過c 語言編程計(jì)算得到雪崩二極管的阻抗。計(jì)算得雪崩二極管阻抗在頻率為95 GHz 時(shí)實(shí)部約為- 12 Ω ,虛部大約為- 70 Ω。

3、外電路的設(shè)計(jì)與仿真優(yōu)化

3.1、諧振器及隔直裝置的設(shè)計(jì)

　　本文選取半波長的開路微帶線作為諧振器,根據(jù)負(fù)阻振蕩器振蕩理論,要求設(shè)計(jì)的外電路的阻抗?jié)M足振幅平衡條件和相位平衡條件。HFSS 三維仿真圖形及仿真優(yōu)化結(jié)果如圖3 所示。

圖3 　半波長矩形微帶諧振器