千兆赫体效 应振 荡器

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1、一 九八一年南京工学院学报第二 期JO 口 只闪 ALO厂 NA阴ING闪 S T下UTEO厂 TEC月四OLOGV1981凡294千兆赫体效应振荡器孙忠良沈楚玉要本文介绍一种具有二次 谐波输出的体效 应振荡器。它利用体效应振荡的非线性特 性,在谐波须率上输出功率。因此只需一个体效应管,就可同时实现基波振 荡和“倍须”功能。根 据这个原 理,采用六毫米波段的管子研 制了9 4千兆赫振荡器。当基波须率为4 7 千兆赫时,在9 4千兆赫频率上振荡器的输出功率为加毫瓦。这种新型振荡器已用作实验室测试信号源和整机的本振源。一、引言9 4千兆赫是毫米波高频端大气吸收最小的窗口频率。研制此频率的振荡源,对

2、今后发展高容量卫 星通讯、毫米波雷达、遥 感传感器 以及射电天文望远镜等 整机设备具有重要的意义。目前,国外在这个频率范围的体效应振荡器的研制工作进展较快,已有可 用作本振源 和小功率发射源的商品广告一。我们因器件条件所限,还不能用常规的基波振荡方法获得这样高的频率。本文介绍一种具有二次谐波输出的振荡电路。这种电路包含有基波回路和谐波回路,利用体效应振荡的非线性特性,在谐波回路上输出功率。它 不 同于那些 利用谐波回路改善基波输出特性(如增大基波功率、减小噪声和提高稳定性等)的振荡器一 。;也不同于需要有外加基波激励 功率的体效应倍频器“一3。这种新型 振荡器只需一个体效应管,就可同时实现基波

3、振荡和“倍频”功能。从 而可利用低波段 的体效应管获得比器件标称 工作频率高一倍或数倍的谐波信号。本文目的在于说明这种振荡器的工作原理,以及毫米波电路结构上的实现方法。实验结果表明,采用国产六毫米体效应管,当基波频率为4 7千兆赫时,在9 4千兆赫上已获得2 0毫瓦 的输出功率,基本上可满足某些整机对本振源和小功率发射源的要求。本文于198工年1月7日收到4了,二、工作原理并联谐振电路的体效应振荡器中,由于器件内部产生周期性偶极畴的形成、渡越和消失过程,反映在振荡电路中是一个周期性的 电流脉冲序列。此电流除基波分量外,还含有各次谐波分量。通常,电路仅对基波提供一 个合适 的阻抗,而谐波电压 因

4、失谐而彼短路,所以振荡器输出单一的基波信号。如果电路除基波阻抗外再考虑一个 二 次谐波阻抗,如图1所示,则振荡器的性能就会发生重 大变化。f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f f尸。尹二尺尺本效应器件 Z二“2子=无二七七七七七七七七七七七。于、无今九九 V tIV .L L L一_ 图1具有 基波和谐波回路的 体效应振 荡器为便于讨论,设器件的材料浓度,、源层长度L和频率j满足nL21 0二食请曦叱禽沟勺国下|l翅,上 卜有和n/ fZ功的条件,即完全成熟的偶极畴一生长时间为射频周期 的很小部分,拌灭时间,可忽略不计“;并将器件的伏一安特性简图2振

5、荡器波形图化为图2所示。将这样的器件接入图1所示 的 电路,在器件两端建立的射频电压和流过器件的电流波形设如图2所示。此电压是基波和二次谐波的合成电压,形状与R,和RZ的大小有关。图中的 电流波形已作了简化,根据傅立 叶分析,其N次谐波分量为一爵S【毕(才2一:,)1。 S(旱卜,)(1)其中功N2汀Nt,+t。T2式 中,I二一I,一I。(参考图2);tZ一t,一:,是器件在射频周期中处于低场状态 的时间。当t=t,时,偶极畴消失;t一tZ时,在阴极附近重新形成偶极畴。作为近似考虑,可以认为畴维持电压F,和阂值电压犷,之差相对于工作电压犷。是很小的,因此为使电路能按图2所示波形工作,R,和R

6、Z必须满足下列条件tt,时,犷,“。:(t,)+。2(tl)+犷。(2)tl十tZ2时,犷,“一(鱼梦2)十2护了今十犷。 (3)因为”,(t)=R,云:(t);故式 ( 2)和式(3 )分别可写成”:(t)=R21:(t)(4):厂21.fn厂r=压五i兀气Sn丁(2一工c o s于(2一1十居犷,一丝。2兀,T一 、T二一丁)c05势(,厂1,+ 厂 (5)f门兀, , 飞 丫,5”丁、之R,一t,)讨-一二一5 In Z宁(矛:一,1小犷n (6)、。2汀,了口一万气戈2一扩,则由式(5 )式(6 )可求出R,和尺:为R,汀(厂。一犷,) I二口 C OS不二十1 乙 0 S ln仃十5

7、11 1下二 乙(7)一1一一尸25in。(2。5号一卜1)(8)式(7 )中的负号表示振荡器在此工作状 态下基波电压与基波电流相位相 反。器件产生 的基波功率和二次谐 波功率分别为尸_I,(U。一配,)1一_0 511 1口十匕S ln, 石.乙(9)口一2 O sC,曰命,份幅叭杯自曰11尸(厂I。(。一厂,)2兀5in夕 205号。一1为了求出二次谐 波功率最大 的工作条件,我们将式(1 。)对O求导,并令其为零,可得0.J、.。. 口八粤eo so(2c 05言十 1)日一Sn65n言一O荃解此方程可得尸2具有最大值的条件为:口二1 11度。Rl、R,以及尸,、尸2与:/T的关 系如图

8、3所示,图中常数通和B与器件参数和工作状态有关,它们分别为_兀(厂。一U,) I。 厂一一 影影影影影/ / / / / / / / / / / / / / / / / /乙乙乙一创一一一 、李李 一一一一 洲洲洲、R浅浅浅浅浅取取取火火火火/ / /、 资资日之,洲洲洲 洲洲洲洲洲洲洲洲尸尸尸 产产产产一 图4( a )是这种振荡器的 电路原理图。路,回路工和五组成二次谐 波 的调谐电路。滤波器至负载。对于基波频率)高通滤波器是截止的,假设回路亚的祸合系数为零,则基波等效电路和二次谐波等效电路分别如图4(b)和( c )所示。基波频率决定于传输线等效长度l。二次谐波的调谐依靠反映电抗戏 来实

9、现。式 与祸合 系数K 及 回路五的电路参数有关。K值越大,电路能调谐的频率范围就越宽。当结构_L保证有大的祸合系数时,电路能在宽带范围内获得调谐。I。(U。一厂,)江回路工是基波调谐电二次谐波 功率经高通图3射频功率、射频电队与器件处于低场状 态时间公/T的关 系志通通于于遗. . .; ; ;炙炙 器器器兰 卫到日尽阵必习陈尤司乙占少(诊)图4具有二次谐波输出振 荡器的原理图三、电路设计考虑根据图3所示的,净比,二 次谐波功率较大的 工作区域要求电路提供的负载阻抗都比较低。这一结果 从一般半导体器件的功率阻抗积概念 出发也是完全可预期到 的。考虑到实际条件下低阻抗毫米波电路实现的可能性和

10、电路 的损耗情况,为了简化 电路结 构,在研制的振荡器中我们对基波电路没有加载,基波负载只是由电路和器件的损耗电阻组成。在这种情况下我们设计了两 种结构 的振荡器,一种是 矩形波 导腔结构,另一种是 径 向腔结构。1.矩 形波导腔 结构这种结构的振荡器如图5所示。体效应器件安装在矩形 波 导B内,此波导 的截止波长 大于 所需的基波波长,而 矩形波导H、抗阻变换器和工作在H。 ,尸模的 圆柱谐振腔(即调谐腔)的截止波长小于基波波长,但大于谐波波长,所以基波回路被限定在矩形波 导B内。谐波 回路由矩形波导月、B以及阻抗变换器和调谐腔三部分组成。,习早业月空二次;冷次 粉出-瑰瑰瑰瑰葬葬 , ,J

11、 J J 侧侧侧去去夺夺盼盼冬冬冬冬冬燕燕泛泛泛泛泛泛丈(t+j尽仪)公月宁呀,今J日,夕.(吧)J月、才图5决巨形波导腔结构图6基波等效电路振荡器的基波等效电路如图6所示。在器件二端看入 电路的总导纳为y,工=G,乙+jB,乙=y,(l)+Y,(l)一G,(l,)+G,(l) +jB:(l)+B,(l) (11)振荡器在稳态下满足Gl石一G,刀二 0(12)B,L十B,D二 0(13)式中G,D和B,D分别为体效应器件在基波频率上 的等效电导 和 电纳。1刀是振荡工作点的 函数,在基波电路空载的情况下,式(12)是容易满足 的。矢(13 )表示 电路 和器件达到谐振的条件。为便于讨论,设 图

12、5中的 电感柱长度为零,并将基波电路 的总 电纳近似地表示为:,二一:,(,)+:,(,)一:。,(c:g乒卫z,+ctg*一 丝,)几gBI儿君Bi(14)其中y。刀,-la。厂丁了顶下甲 一_;二一气.11一几-二J Z 4U兀口B,、艺aB/(15)式中撅B,是基波在波导B中的相波长;。B和外分别是波导B的宽度和高度。通常BID一。,C,其中CJ为器件的等效电容,故式(13)可改 写成。,eJ一y。,(c:g一, 断z,、。;g几gBI几gBIl)0(16)因此,根据要求的基波频率,利用上式可确定波导B的长度。对于二次谐波频率,其电路包括图5的所有部分,它 的简化示意图如图7所示。其中,

13、yL是图5中从 波 导B左端看入阻抗变换器的等效导纳;B宝 是调谐腔与波导B连接处的 反映电纳,它是该 谐振 腔频率和祸合 系数的函数。如 同基波回路 的调谐原理一样,当 电路参数l和l根据基波频率要求确定后,谐波回路可利用y:和B益获得调谐。如果调谐所要求1厂L和B盆的数值在结构上难于实现时,则可适当修改波导B的宽度,以使二次谐波获得谐振。嚣仁一:一习匕图7二次谐波等效电路2.径向腔结构这种结构的振荡器与图5所示 的基本 相 同,是矩形 腔。为便于 振荡器的调配,图8所 示的腔体采用具有不同高度的两 径向线级联 组成。图中h,、,、和人2、:2分 别是两径向线的高度和半径;:为体效应管的半径

14、。显然,外径向线在:,半径 处的输入阻抗即为内径向线的负载阻抗。若设径向线的半径为:、高度为h,在:处只是基波电路采用图8所示 的径向腔,而不体效应管万子周,穿月空古,万J命么谈导的揭合子匕以以以杨合孔接负载导纳y:,则可 导得在。.处(:.咬:)的等效电导图8径向腔结构和等效电纳B,分 别为:。、I/、eos(叻,一0:)e s(口一功:)斗F。:I/:sin( 劝*一劝:)s土n(口:一0:) y。工2eosZ(0一劝乙)+y二2sin(8一6乙)(17)Y一f. . .L0y_2汀r,h飞.J)一Ln 口一。2兀r;、 二y D一一In子l一一一 八一L其中y。L-Y。-。:2eo s(

15、0,一劝:)sin(劝一功:)一I /:“e os(劝一日:)Sin(0 Yn:2eo sZ(0一功:)+Y:sinZ(01一0:)(18)G,L刀G。LG,叮口。s径向线在:处行波导纳的模;径向线在:处行波导 纳 的模;l|司 一一冲G。L一心。(K几),可在下列二 式 中代入小一377欧姆;召o。:一口。(K:,);右:二G,(Kr:),G,、,(K:,)。它们的值分别:一,:和:一:,求出,0乙=0(Kr乙),。(Kr,一丫了(K)、一N(“),(K)一丫了萝i天朽十N;(Kr了;0=0 ( K:);功:=以Kr :),功,一州K,)。它们的值可分别在以下二式中代入:一:和,=:求出月,二、N。(Kr )1 口(Kr)一aretgl带兴、若 气兰l,-一。LJ。(Kr )J,(Kr)1功(Kr)一a retgl卫长户牛苏二l; -一“t一N,(Kr)J入一琴一传输常数,几,、川;,二二J :(K动和J,(K:)第一类零阶和一阶贝塞尔 函数;刃。(K:)和N,(兀:)第二类零阶和一阶 贝塞尔函数;利 用式(1 7)和式(18 ),可求出图8所示径 向腔在:,处的等效输入 电导今和等效输入 电纳B怪。与矩 形波导结构的调 配方法 相类似,这里 可通 过选择:;、:2、h,、hZ和调谐腔的 反映 电抗,使振荡器在所需要 的频率_ L满足式(1