详解耿氏二极管波导振荡器

微波振荡器用于上至移动电话及GPS导航系统，下至无线电和测试设备的各种领域。振荡器的目的在于通过各种方式生成具有特定频率的连续谐波输出。振荡器一般由有源器件（如晶体管，二极管或微波管）和用于确定频率的无源谐振元件（见表1）组成。在射频振荡器（RFO）这一复杂领域中，固态振荡器因其轻量、小巧、高性能及高可靠性等优点逐渐占据主导地位。

表1：各类型谐振器件

三端有源器件与两端有源器件

表2列出了压控振荡器（VCO）中采用的部分有源器件，其中，耿氏二极管及崩越二极管（IMPATT）等两端器件具有高出若干数量级的功率处理能力和可调谐性。当超出Ka波段及一定功率阈值时，三端器件的成本效益显著降低。在制造技术方面，其不采用更加成熟且易于制造的硅技术，而是通常使用具有氮化镓（GaN）等特殊衬底的HEMT等复杂晶体管结构。

表2：压控振荡器中采用的有源器件

作为接收信号链基础器件的混频器最终需要依靠振荡器进行所有的频率转换。如今，越来越多的人发现，工作于Ka波段以上的振荡器对包括5G、WiGig、军事及商用雷达以及成像在内的各种不断增长的毫米波（mmWave）应用极富使用价值。耿氏二极管振荡器具有优异的AM和FM噪声特性，因此可用于低噪声毫米波接收机的本地振荡器（LO）中^[1]。二极管的射频输出可直接施加于混频器的本地振荡器端口，或者可作为毫米波应用的倍频级。

与制造过程中需涉及复杂精密的铣床、组装及调谐的波导腔体相比，晶体管类振荡器采用具有简单制造能力的取放机械，因此极易大量制造。然而，对于仅需少量制造且不考虑制造难易程度的毫米波样机制作及开发而言，采用波导腔体的耿氏二极管不失为一种简单且高成本效益的解决方案。

其主要优点在于：

· 结构相对简单
· 所产生的噪声含量较低
· 外形小巧
· 轻量
· 对于早期样机设计阶段，成本效益较高

耿氏二极管：器件物理特征概述

耿氏二极管不含普通二极管结构中的二极管结结构，相反，其主要由具有渐进式负阻特性（一种器件电流随所施加电压的增大而减小的特性）的材料构成。因此，耿氏二极管的制造极为简单，仅需对其负阻区域施加偏压即可。一般情况下，具有正反馈构型的晶体管可实现负阻。举例而言，考毕兹（Colpitts）振荡器采用上述构型以及槽路或某种其他谐振器件。这种结构的缺点在于，在极限频率（fmax）下，振荡频率更大程度取决于晶体管，而非谐振器件^[2]。耿氏二极管通常由N型砷化镓（GaAs）或磷化铟（InP）材料制成，这两种材料均含有由一个较小能差分割开来的两个导带能谷，其中，电子在此两能谷中具有不同的有效质量。

虽然在有些材料中电子和空穴具有恒定的有效质量，然而也有些材料并非如此，而且其内的电子和空穴与自由空间（或真空）条件下的情形表现出不同的行为。其原因很大程度上在于电子和空穴与固体材料中其他电荷的相互作用，这些电荷包括来自所施加电场的电荷。对于GaAs和InP材料而言，其具有的额外导带（或称亚能带）使得其具有负阻特性，从而与大多数半导体材料区分开来。当施加电场或偏压时，有效质量较低的电子首先充斥低能导带，当场强达到一定阈值时，有效质量较高的电子开始填充高能导带。亚能带内的高有效质量电子使得漂移速度（与电流密度成正比的参数）降低，而且该漂移速度与电流密度随电场的增大而降低，从而产生负阻特性。

实质上，此类器件内的电子速度差异使得电子沿其长度方向在某些区域内发生聚集（聚积区域），并在其他区域分散分布（耗尽区域）。器件内部的电势差形成与外部电场方向相反的内部电场，而且该电场在达到一定阈值时崩溃，然后重新开始建立。只要存在外部偏压，这一过程一直反复重演，从而产生振荡。

耿氏二极管: InP与GaAs

当用作振荡器时，相位噪声、接通电压及温度性能均为耿氏二极管的关键参数。举例而言，77GHz汽车应用中使用的振荡器必须能够在-40°C~+85°C这一较宽环境温度范围内运行^[7]。此外，频率调制连续波（FMCW）雷达等雷达用途不仅要求振荡器具有温度和频率稳定性，而且还要求各温度下的电压调谐具有可预测性，以保证雷达距离分辨率的完整性^[3]。InP耿氏二极管的衬底材料具有较高的固有电子迁移率，因此其可在毫米波波段实现更高的功率，而且其与波导腔体组合形成的振荡器在W波段具有良好性能。GaAs类耿氏二极管一般运行于V波段。注入电子（或称热电子）比平衡态电子具有更高的能量。这种电子能量的提高极大地增加了热电子直接进入高能导带或负阻区域的可能性。一般情况下，二极管只有在足够高的接通偏压下才能发生振荡，从而使得其振荡频率取决于温度。这一问题可通过能够绕过低能区域的热注入法得到有效解决。

耿氏二极管器件的结构主要分为以下三种：倒装芯片器件（C~W频带）；一体化散热器件（Ka~W频段）；低功率器件器件（C~K频带）^[4]。梯度能隙热注入技术仅能应用于GaAs一体化散热结构。此外，还需要注意的一点是，耿氏二极管的封装寄生参数对相应波导腔体的正确设计非常重要。

图1：具有一体化散热结构及热注入功能的GaAs类耿氏二极管（来源：^[3]）

耿氏二极管波导振荡器结构概述

耿氏二极管可通过微带线、鳍线及矩形和圆形波导器件等各种谐振器件实现。一般而言，金属矩形波导振荡器具有较高的Q值，因此可实现最高的连续波（CW）功率以及最佳的噪声特性。虽然目前已经实现了耿氏二极管圆形波导器件，然而矩形波导器件腔体在各种用途中的使用更加广泛，而且对于振荡器而言，矩形向圆形的转换在损耗方面并不一定可行或不一定有利。一般而言，腔体可定义为一种以导电外壳完全环绕振荡器件的结构，该结构可将电磁场局限于其中，并允许电流在更大的表面积上流动，此外，由于Q值为腔体内能量与每一振荡周期内分散于腔体壁上的能量的比值，金属波导器件成为固有Q值极高（约4000）的一类器件。

在过去的数十年中，耿氏二极管波导振荡器因其相对简单的结构及可靠的性能而获得大量应用。虽然此类振荡器的结构非常简单，但是其背后的电磁机理却十分复杂。功率水平、有效调谐、相位噪声及温度频率稳定性等各种因素都可受到包括振荡器完整性在内的各种非线性现象的影响。此外，如上节所述，与上述现象相关的所有损失均可或多或少受到作为持续振荡源的二极管负阻的补偿。

在耿氏二极管波导振荡器中，耿氏二极管通常由设于矩形波导腔体较宽一面上的圆柱形安装柱设置于腔体的正中心。该耿氏二极管安装有偏置扼流圈，用于防止发生偏置电路振荡或任何杂散模。波导腔体通常优化为可在最主要的TE11模式下发生谐振，而且其常用于输出功率耦合或负载电路最佳功率传输的一端设有短路活塞或可移动背向短路器。此外，还可在二极管与隔膜中间设置蓝宝石等制成的圆柱形低损耗电介质材料或金属探针，以对该振荡器进行更为精细的机械式调谐。其中，该调谐的范围随所述圆柱形直径的增大而增大。

波导腔体的阻抗匹配技术

实质上，为了实现最佳操作，波导腔体的阻抗必需在整个带宽内与耿氏二极管振荡器的阻抗相匹配。这一目的可在波导腔体内通过多种方式实现，即通过使用背向短路器实现。此外，通过使波导腔体与调谐螺钉及输出端的金属框相匹配，以生成适于射频能量释放的最理想隔膜尺寸，或通过在扁形波导结构中使用分级变压器，可实现更为精细的阻抗匹配调谐^[4]。在另一种扁形波导结构中，采用脊状波导腔体^[6]。其中，工作频率由隔膜与耿氏二极管之间的λg/2（λg为该波导器件的波长）距离确定，同时为了实现相干振荡，短路活塞与耿氏二极管之间的距离需设为λg/4的倍数。此外，当耿氏二极管上设置的圆柱形偏置柱的直径增大时，振荡器的接通性能将受到影响，而且波导腔体的Q值将会下降。另外，调谐螺钉的插入深度也会对Q值产生负面影响，因此有时完全不设该调谐螺钉。

图2：带用于输出功率耦合的背向短路器及用于额外阻抗匹配的调谐螺钉的耿氏二极管波导振荡器示意图

当腔体受热膨胀时，将发生阻抗失配导致的失真，从而对谐振器的频率特性造成影响。温度变化的原因可能在于环境温度变化，电阻性功耗及热辐射。为了减轻此类负面影响，可在波导器件中使用低热膨胀系数（CTE）材料，背向短路器及调谐柱。此外，温度补偿型铝或陶瓷材料可限制材料的热膨胀，从而提高谐振器的频率稳定性，带宽及使用寿命。

结论

在过去的几十年中，耿氏二极管波导振荡器因其高功率、低噪声、小尺寸及高频率性能而获得广泛应用。从耿氏二极管的主要材料到波导腔体，其看似简单的结构之下为了实现最佳性能而采用的极其复杂及精细调节的几何形状和材料。虽然易于批量生产的晶体管类VCO的应用更为广泛，但耿氏二极管波导振荡器更能符合日益增长的毫米波测试测量专用领域的需求。

参考文献

1. Arora, R. S., and N. V. G. Sarma. “Experimental Investigation of Millimeter Wave Gunn Oscillator Circuits in Circular Waveguides.” International Journal of Infrared and Millimeter Waves, vol. 6, no. 10, 1985, pp. 951–971., doi:10.1007/bf01010674.
2. Lee, Thomas H. Planar Microwave Engineering: a Practical Guide to Theory, Measurement, and Circuits. Cambridge University Press, 2004.
3. https://www.armms.org/media/uploads/1326114401.pdf
4. Ishii, Thomas Koryu. Components and Devices. Acad. Press, 1995.
5. Poole, Clive, and Izzat Darwazeh. Microwave Active Circuit Analysis and Design. Academic Press, an Imprint of Elsevier, 2016.
6. Rakshit, P. C., et al. “8 GHz Tunable Gunn Oscillator in WR-137 Waveguide.” Defence Science Journal, vol. 33, no. 1, 1983, pp. 1–5., doi:10.14429/dsj.33.6093.
7. http://www.microwavejournal.com/articles/3476-a-graded-gap-gunn-diode-voltage-controlled-oscillator-for-adaptive-cruise-control

本文由Pasternack公司提供，英文版原载于Microwave Product Digest。