基于SRD的梳狀譜發生器設計

張艷妮 高云 孫學君

摘 要： 本文介紹了利用階躍恢復二極管（SRD）倍頻原理設計的梳普產生器。梳普產生器的結構簡單、性能穩定可靠，相位噪聲逼近理論計算值。輸出譜線功率：當輸入信號為200MHz、10dBm時，8GHz下輸出功率大于-15dBm。與國外同類產品水平相當。

關鍵詞： 階躍恢復二極管 梳譜發生器

中圖分類號：TN702 文獻標識碼：A 文章編號：1003-9082（2016）07-0275-01

一、引言

隨著雷達系統中的信號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。通常采用間接頻率合成器來提高最終輸出頻率，并同時滿足相位噪聲以及頻率穩定性要求。梳狀譜發生器做為固態信號源，是用來產生含有以輸入信號頻率為基波頻率的高次諧波的寬頻帶信號源。它具有輸入駐波小、噪聲低、頻帶寬、頻率穩度高、超小型等固態源所需要具備的優點，是一種可將低頻、高穩定度的信號， 延伸到高頻、寬頻帶、高穩定度的微波信號的功能塊。解決了制作高頻信號源的困難， 可以很好的滿足雷達及測試系統對固態源的應用要求。

二、SRD特性分析

SRD是具有很強非線性特性的器件，利用它的強非線性導電特性來產生窄電流脈沖。它產生諧波的效率可以接近1/n，這里n代表諧波次數。階躍恢復二極管倍頻器無需空閑電路，使得電路具有十分簡單、緊湊的優點。因此，階躍恢復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構特點：在高阻抗狀態下具有低的電容，而在低阻抗狀態下具有大的電容。階躍恢復二極管在高頻或者突變電壓的激勵下，正向導通時儲存大量的電荷，呈現非常低的阻抗狀態；當轉到反向偏置，這些儲存的電荷返回原處，形成了很大的反向電流。等到儲存的電荷接近耗盡時，反向電流迅速減小，并立刻以很陡峭的速度趨于截止狀，即階躍恢復。正是因為這種反向電流的突變，形成了一個反向窄脈沖電壓。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GHz甚至到幾十GHz，形成一個包括基波頻率整數倍的高次諧波頻譜，因此它具有高次高效的優點。

三、梳狀譜發生器設計

梳狀譜發生器電路框圖如圖1所示，為了獲得豐富的諧波輸出，就要使階躍恢復二極管能產生較大的窄電流脈沖，需要先將輸入信號放大到一定的功率來推動階躍恢復二極管。并且該放大器是梳狀譜信號發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，則會對二極管激勵過度，則附加相位噪聲嚴重變壞。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，能最大限度地產生更強烈的極窄電流脈沖，同時使二極管產生的諧波能量不能反竄到放大器中。

四、SRD的選擇

階躍恢復二極管的主要參數為：階躍時間tt，反偏電容Cj，串聯傳導電阻Rs，少數載流子壽命τ，擊穿電壓VB。

階躍時間tt滿足以下條件：

為了避免傳輸線對脈沖信號發生器產生過載，在50Ω系統中對階躍管阻抗的要求為：

由上式可以得出Cj數值。

少數載流子壽命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，應保證 。

串聯傳導電阻Rs 應盡可能小。

擊穿電壓VB 應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，該階躍管的參數值如表1所示。

五、電路元件值設計

因為調諧電容的作用，階躍二極管輸入阻抗成為純電阻Rs，它與信號源內阻不相匹配。設計輸入匹配電路是用來匹配脈沖信號發生器的輸入阻抗和信號源阻抗的。它可以用一個串聯的電感和并聯的電容Cm組成。可由下面公式進行估算：

激勵電感L和調諧電容Ct同樣按下面公式給出

按照以上公式對脈沖發生器的各個參數進行計算，所得元件值列于表2中。

六、電路設計考慮

根據不同工程應用的要求，總體可分為有源梳譜發生器和無源梳譜發生器。通常SRD所需的激勵電平約為+28dBm左右，當輸入功率為0dBm或10dBm時，必須在匹配網絡前加功率放大。？梳譜信號發生器的技術難點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，并且通過調整放大電路的直流偏置電路以及諧波部分的匹配網絡，可以很好解決這個問題。

七、結果測試

該梳譜發生器通過高溫、低溫和常溫測試，當輸入信號為200MHz、10dBm時，在4GHz-8GHz頻段內梳譜發生器的輸出均大于-15dBm。達到了設計要求，具有較高的工程實用價值。

八、結束語

梳狀譜發生器能夠簡單和高效地產生一種寬帶、高次倍頻的信號，解決了制作高頻信號源的困難， 可以很好的滿足雷達及測試系統對固態源的應用要求。

參考文獻

[1]薛正輝 楊仕明 李偉明 等.《微波固態電路》.北京.北京理工大學出版社 2004

[2]王蘊儀 《微波器件與電路》南京 江蘇科學技術出版社 1983

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