描述了一種3mm雪崩管集成振蕩器。該振蕩器由雪崩二極管,微帶諧振裝置,鰭線過渡段組成。通過對雪崩管振蕩器的理論分析,利用電路設計軟件ADS與三維仿真軟件HFSS仿真優化,設計出了頻率為95 GHz 的雪崩管集成振蕩器。

　　毫米波通常是指頻率范圍為30～300GHz的電磁波。毫米波技術經過幾十年的發展,特別是最近的二十年來取得了令人矚目的突破,已在通訊,精確制導,雷達方面廣泛使用。但是,目前在3 mm 波段,國內所用的振蕩器多是波導結構,其體積大,重量大,在彈載、星載和機載平臺上有很多局限,因此,發展體積更小,重量更輕,易于集成的微帶集成振蕩器很有必要。本文使用雪崩二極管,采取混合集成的方式設計出頻率為95 GHz 的微帶集成振蕩器。

1、雪崩管振蕩器振蕩的基本原理

　　雪崩二極管是碰撞雪崩渡越時間(impact ava-lanche and t ransit time , IMPA TT) 二極管的簡稱。當連接適當的外電路時,可以利用管內雪崩電流滯后效應和渡越時間效應使其呈現負阻而獲得微波振蕩。圖1 是雪崩二極管振蕩器等效電路圖,圖中,

　　Yd = Gd + jBd ,為二極管的輸入導納;
　　Yl = Gl + jBl ,為負載的輸入導納;
　　Гd 為二極管的反射系數;
　　Гl 為負載的反射系數。

　　雪崩二極管振蕩器是單端口負阻振蕩器,在穩定振蕩狀態下,應滿足振幅平衡條件和相位平衡條件:

Gd + Gl = 0 ,Bd + Bl = 0

圖1 　IMPATT 二極管振蕩器原理圖

　　由于振蕩器通常工作在大信號狀態,振蕩器負導Gd 在起振后有所降低,因此設計時一般取- Gd≥1.2Gl ,以保證振蕩器易于起振。

2、雪崩二極管阻抗計算

　　本文所采用的雪崩二極管除了與本身阻抗有關外還與其封裝參數有關,根據圖1 提供的雪崩管一階非線性模型用ADS計算得到管芯阻抗 。

圖2 　雪崩管一階非線性電路模型

　　廠家提供的各部分封裝參數為:管芯電容Cd = 0.2 PF ; 封裝電感LS = 0.08nH ;封裝電容CP = 0.1 p F 。采用并聯形式的封裝電路通過c 語言編程計算得到雪崩二極管的阻抗。計算得雪崩二極管阻抗在頻率為95 GHz 時實部約為- 12 Ω ,虛部大約為- 70 Ω。

3、外電路的設計與仿真優化

3.1、諧振器及隔直裝置的設計

　　本文選取半波長的開路微帶線作為諧振器,根據負阻振蕩器振蕩理論,要求設計的外電路的阻抗滿足振幅平衡條件和相位平衡條件。HFSS 三維仿真圖形及仿真優化結果如圖3 所示。

圖3 　半波長矩形微帶諧振器