張艷妮 高云 孫學(xué)君

摘 要： 本文介紹了利用階躍恢復(fù)二極管（SRD）倍頻原理設(shè)計(jì)的梳普產(chǎn)生器。梳普產(chǎn)生器的結(jié)構(gòu)簡單、性能穩(wěn)定可靠，相位噪聲逼近理論計(jì)算值。輸出譜線功率：當(dāng)輸入信號(hào)為200MHz、10dBm時(shí)，8GHz下輸出功率大于-15dBm。與國外同類產(chǎn)品水平相當(dāng)。

關(guān)鍵詞： 階躍恢復(fù)二極管 梳譜發(fā)生器

中圖分類號(hào)：TN702 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-9082（2016）07-0275-01

一、引言

隨著雷達(dá)系統(tǒng)中的信號(hào)頻率不斷的提高及工作帶寬的更高要求，各種寬帶、超倍頻程帶寬的微波頻率源相繼出現(xiàn)。通常采用間接頻率合成器來提高最終輸出頻率，并同時(shí)滿足相位噪聲以及頻率穩(wěn)定性要求。梳狀譜發(fā)生器做為固態(tài)信號(hào)源，是用來產(chǎn)生含有以輸入信號(hào)頻率為基波頻率的高次諧波的寬頻帶信號(hào)源。它具有輸入駐波小、噪聲低、頻帶寬、頻率穩(wěn)度高、超小型等固態(tài)源所需要具備的優(yōu)點(diǎn)，是一種可將低頻、高穩(wěn)定度的信號(hào)， 延伸到高頻、寬頻帶、高穩(wěn)定度的微波信號(hào)的功能塊。解決了制作高頻信號(hào)源的困難， 可以很好的滿足雷達(dá)及測試系統(tǒng)對(duì)固態(tài)源的應(yīng)用要求。

二、SRD特性分析

SRD是具有很強(qiáng)非線性特性的器件，利用它的強(qiáng)非線性導(dǎo)電特性來產(chǎn)生窄電流脈沖。它產(chǎn)生諧波的效率可以接近1/n，這里n代表諧波次數(shù)。階躍恢復(fù)二極管倍頻器無需空閑電路，使得電路具有十分簡單、緊湊的優(yōu)點(diǎn)。因此，階躍恢復(fù)二極管常常適用于需要高效率、高階倍頻的場合。由于階躍二極管本身的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：在高阻抗?fàn)顟B(tài)下具有低的電容，而在低阻抗?fàn)顟B(tài)下具有大的電容。階躍恢復(fù)二極管在高頻或者突變電壓的激勵(lì)下，正向?qū)〞r(shí)儲(chǔ)存大量的電荷，呈現(xiàn)非常低的阻抗?fàn)顟B(tài)；當(dāng)轉(zhuǎn)到反向偏置，這些儲(chǔ)存的電荷返回原處，形成了很大的反向電流。等到儲(chǔ)存的電荷接近耗盡時(shí)，反向電流迅速減小，并立刻以很陡峭的速度趨于截止?fàn)?，即階躍恢復(fù)。正是因?yàn)檫@種反向電流的突變，形成了一個(gè)反向窄脈沖電壓。這種反向脈沖越窄，它所含有的諧波就越豐富，它能從幾十MHz到幾個(gè)GHz甚至到幾十GHz，形成一個(gè)包括基波頻率整數(shù)倍的高次諧波頻譜，因此它具有高次高效的優(yōu)點(diǎn)。

三、梳狀譜發(fā)生器設(shè)計(jì)

梳狀譜發(fā)生器電路框圖如圖1所示，為了獲得豐富的諧波輸出，就要使階躍恢復(fù)二極管能產(chǎn)生較大的窄電流脈沖，需要先將輸入信號(hào)放大到一定的功率來推動(dòng)階躍恢復(fù)二極管。并且該放大器是梳狀譜信號(hào)發(fā)生器附加相位噪生的主要來源。如果放大器的輸出功率太大，則會(huì)對(duì)二極管激勵(lì)過度，則附加相位噪聲嚴(yán)重變壞。輸入匹配電路的作用是為了把功率放大器的功率有效地加到二極管上，能最大限度地產(chǎn)生更強(qiáng)烈的極窄電流脈沖，同時(shí)使二極管產(chǎn)生的諧波能量不能反竄到放大器中。

四、SRD的選擇

階躍恢復(fù)二極管的主要參數(shù)為：階躍時(shí)間tt，反偏電容Cj，串聯(lián)傳導(dǎo)電阻Rs，少數(shù)載流子壽命τ，擊穿電壓VB。

階躍時(shí)間tt滿足以下條件：

為了避免傳輸線對(duì)脈沖信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生過載，在50Ω系統(tǒng)中對(duì)階躍管阻抗的要求為：

由上式可以得出Cj數(shù)值。

少數(shù)載流子壽命τ決定了階躍二極管的最小輸入頻率fin。為使階躍二極管工作正常，應(yīng)保證 。

串聯(lián)傳導(dǎo)電阻Rs 應(yīng)盡可能小。

擊穿電壓VB 應(yīng)大于輸入脈沖的能量和幅度的最大值。

因此，選擇M-pulse公司研制的MP4042的階躍二極管，該階躍管的參數(shù)值如表1所示。

五、電路元件值設(shè)計(jì)

因?yàn)檎{(diào)諧電容的作用，階躍二極管輸入阻抗成為純電阻Rs，它與信號(hào)源內(nèi)阻不相匹配。設(shè)計(jì)輸入匹配電路是用來匹配脈沖信號(hào)發(fā)生器的輸入阻抗和信號(hào)源阻抗的。它可以用一個(gè)串聯(lián)的電感和并聯(lián)的電容Cm組成。可由下面公式進(jìn)行估算：

激勵(lì)電感L和調(diào)諧電容Ct同樣按下面公式給出

按照以上公式對(duì)脈沖發(fā)生器的各個(gè)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，所得元件值列于表2中。

六、電路設(shè)計(jì)考慮

根據(jù)不同工程應(yīng)用的要求，總體可分為有源梳譜發(fā)生器和無源梳譜發(fā)生器。通常SRD所需的激勵(lì)電平約為+28dBm左右，當(dāng)輸入功率為0dBm或10dBm時(shí)，必須在匹配網(wǎng)絡(luò)前加功率放大。？梳譜信號(hào)發(fā)生器的技術(shù)難點(diǎn)是消除寄生振蕩和雜波以保證相位噪聲要求。要選擇具有噪聲低的功率放大器件或電路芯片，并且通過調(diào)整放大電路的直流偏置電路以及諧波部分的匹配網(wǎng)絡(luò)，可以很好解決這個(gè)問題。

七、結(jié)果測試

該梳譜發(fā)生器通過高溫、低溫和常溫測試，當(dāng)輸入信號(hào)為200MHz、10dBm時(shí)，在4GHz-8GHz頻段內(nèi)梳譜發(fā)生器的輸出均大于-15dBm。達(dá)到了設(shè)計(jì)要求，具有較高的工程實(shí)用價(jià)值。

八、結(jié)束語

梳狀譜發(fā)生器能夠簡單和高效地產(chǎn)生一種寬帶、高次倍頻的信號(hào)，解決了制作高頻信號(hào)源的困難， 可以很好的滿足雷達(dá)及測試系統(tǒng)對(duì)固態(tài)源的應(yīng)用要求。

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