3mm波雪崩管集成振荡器设计

　　描述了一种3mm雪崩管集成振荡器。该振荡器由雪崩二极管,微带谐振装置,鳍线过渡段组成。通过对雪崩管振荡器的理论分析,利用电路设计软件ADS与三维仿真软件HFSS仿真优化,设计出了频率为95 GHz 的雪崩管集成振荡器。

　　毫米波通常是指频率范围为30～300GHz的电磁波。毫米波技术经过几十年的发展,特别是最近的二十年来取得了令人瞩目的突破,已在通讯,精确制导,雷达方面广泛使用。但是,目前在3 mm 波段,国内所用的振荡器多是波导结构,其体积大,重量大,在弹载、星载和机载平台上有很多局限,因此,发展体积更小,重量更轻,易于集成的微带集成振荡器很有必要。本文使用雪崩二极管,采取混合集成的方式设计出频率为95 GHz 的微带集成振荡器。

1、雪崩管振荡器振荡的基本原理

　　雪崩二极管是碰撞雪崩渡越时间(impact ava-lanche and t ransit time , IMPA TT) 二极管的简称。当连接适当的外电路时,可以利用管内雪崩电流滞后效应和渡越时间效应使其呈现负阻而获得微波振荡。图1 是雪崩二极管振荡器等效电路图,图中,

　　Yd = Gd + jBd ,为二极管的输入导纳;
　　Yl = Gl + jBl ,为负载的输入导纳;
　　Гd 为二极管的反射系数;
　　Гl 为负载的反射系数。

　　雪崩二极管振荡器是单端口负阻振荡器,在稳定振荡状态下,应满足振幅平衡条件和相位平衡条件:

Gd + Gl = 0 ,Bd + Bl = 0

图1 　IMPATT 二极管振荡器原理图

　　由于振荡器通常工作在大信号状态,振荡器负导Gd 在起振后有所降低,因此设计时一般取- Gd≥1.2Gl ,以保证振荡器易于起振。

2、雪崩二极管阻抗计算

　　本文所采用的雪崩二极管除了与本身阻抗有关外还与其封装参数有关,根据图1 提供的雪崩管一阶非线性模型用ADS计算得到管芯阻抗 。

图2 　雪崩管一阶非线性电路模型

　　厂家提供的各部分封装参数为:管芯电容Cd = 0.2 PF ; 封装电感LS = 0.08nH ;封装电容CP = 0.1 p F 。采用并联形式的封装电路通过c 语言编程计算得到雪崩二极管的阻抗。计算得雪崩二极管阻抗在频率为95 GHz 时实部约为- 12 Ω ,虚部大约为- 70 Ω。

3、外电路的设计与仿真优化

3.1、谐振器及隔直装置的设计

　　本文选取半波长的开路微带线作为谐振器,根据负阻振荡器振荡理论,要求设计的外电路的阻抗满足振幅平衡条件和相位平衡条件。HFSS 三维仿真图形及仿真优化结果如图3 所示。

图3 　半波长矩形微带谐振器