固態(tài)源跳頻缺陷分析

高山， 徐晟

（1.中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 200233；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海 200090）

固態(tài)源跳頻缺陷分析

高山1， 徐晟2

（1.中國人民解放軍海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海 200233；2.上海無線電設(shè)備研究所，上海 200090）

通過分析體效應(yīng)管內(nèi)部高場疇的運(yùn)動(dòng)方式和具有負(fù)阻特性的電流-電壓曲線，提出固態(tài)源跳頻缺陷產(chǎn)生的原因，是由于固態(tài)源振蕩回路中，跳頻頻率的電場強(qiáng)度占據(jù)主導(dǎo)地位，控制體效應(yīng)管內(nèi)部高場疇在由陰極向陽極渡越過程中半途猝滅，體效應(yīng)管作為能量轉(zhuǎn)換器件輸出跳頻頻率。

體效應(yīng)管；固態(tài)源；跳頻

0 引言

固態(tài)源，又稱體效應(yīng)管振蕩器，也稱耿氏管振蕩器，具有噪聲低、穩(wěn)定性高、可靠性高、電源電壓低等優(yōu)點(diǎn)，是應(yīng)用較廣的一種有源微波器件，經(jīng)常作為雷達(dá)和收發(fā)機(jī)中的本振源和中等功率發(fā)射源。

體效應(yīng)管作為負(fù)阻器件，配合適當(dāng)?shù)恼袷幓芈罚梢栽谖⒉l率范圍形成負(fù)阻振蕩。一般體效應(yīng)管振蕩器工作在高場疇渡越時(shí)間模式，具有較低的調(diào)頻調(diào)幅噪聲。為了進(jìn)一步提高頻率輸出穩(wěn)定度，通常在主振腔外側(cè)加上一個(gè)穩(wěn)頻腔，組成反射式腔穩(wěn)振蕩器，但是反射式腔穩(wěn)振蕩器具有跳頻固有缺點(diǎn)，即輸出頻率穩(wěn)定在高于正常頻率的一個(gè)頻點(diǎn)上。

為理解固態(tài)源跳頻缺陷產(chǎn)生的原因，本文從體效應(yīng)管高場疇的運(yùn)動(dòng)方式和存在時(shí)間進(jìn)行分析。

1 固態(tài)源工作方式

利用體效應(yīng)管作為有源器件（能量轉(zhuǎn)換器件）和外部諧振回路結(jié)合，構(gòu)成體效應(yīng)管負(fù)阻振蕩器，即固態(tài)源，其交流等效電路如圖1（a）所示。圖中：Gd和Cd為體效應(yīng)管的等效參數(shù)；L和C為振蕩回路的等效參數(shù)；G為并聯(lián)在回路兩端的電導(dǎo)。

圖1 負(fù)阻振蕩器等效電路

圖1（b）是將電容和電導(dǎo)合并起來的等效電路，總電容CT=C＋Cd，總電導(dǎo)GT=G-Gd，組成的振蕩回路諧振頻率為

當(dāng)總電導(dǎo)GT=0時(shí)，振蕩回路中的能量供給和消耗達(dá)到平衡，回路一旦建立起振蕩就會一直維持下去，達(dá)到微波信號穩(wěn)定輸出的目的。

從式（1）中可以看出，振蕩條件由電抗元件L、C和Cd決定。但是外部因素（如溫度、電壓、負(fù)載等）的變化會影響到振蕩頻率的輸出，特別是體效應(yīng)管參數(shù)Cd，受外部因素的影響很大。為了提高振蕩器的輸出頻率穩(wěn)定度，減少外部因素的干擾，需要增加諧振腔體的品質(zhì)因數(shù)Q值，以增加振蕩回路的總儲能。

通常是在振蕩回路中外接一個(gè)高Q腔穩(wěn)頻[1]，可以使頻率穩(wěn)定度提高兩個(gè)數(shù)量級，如圖2所示，這是一種典型的電路結(jié)構(gòu)。其主要優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、穩(wěn)頻效果好、損耗小、輸出功率大。缺點(diǎn)是頻帶窄，存在跳頻現(xiàn)象[2，3]。主振腔自身的諧振頻率為f1，穩(wěn)頻腔自身的諧振頻率為f2，可以通過調(diào)諧螺釘進(jìn)行調(diào)諧。當(dāng)通過耦合孔相互耦合后，振蕩器的輸出頻率既不是f1，也不是f2，而是由兩個(gè)頻率互為耦合產(chǎn)生的頻率f0。

圖2 反射式腔穩(wěn)振蕩器

2 跳頻缺陷分析

2.1 體效應(yīng)管特性

體效應(yīng)管是無結(jié)器件，其工作原理是基于多數(shù)載流子在單一半導(dǎo)體材料內(nèi)的運(yùn)動(dòng)而產(chǎn)生微波振蕩。目前，體效應(yīng)管器件的半導(dǎo)體材料主要采用砷化鎵（GaAs）。砷化稼材料具有多能谷能帶結(jié)構(gòu)，低能谷與高能谷間的能量差遠(yuǎn)大于熱激發(fā)能量，當(dāng)沒有外加電場時(shí)，電子幾乎全部處于低能谷中。電子在外電場作用下由低能谷躍遷到高能谷的過程中，低能谷電子遷移率遠(yuǎn)大于高能谷電子遷移率，微分遷移率為負(fù)，負(fù)微分遷移率對應(yīng)著砷化稼材料的伏安特性有負(fù)阻區(qū)域[4，5]。

2.1.1 高場疇

在具有電場控制的負(fù)微分遷移率的介質(zhì)中，比如砷化鎵材料，當(dāng)平衡電子密度n0與器件的有效長度L的乘積大于1012cm-2時(shí)，器件陰極接觸面有較大接觸電阻，介質(zhì)不均勻性成為擾亂原因。從這里開始生長的空間電荷，在其周圍電場的作用下產(chǎn)生高場疇，向陽極渡越并在陽極消失，再從擾亂中心重新生成空間電荷，這種周而復(fù)始的過程稱為耿效應(yīng)。其前提條件是，只有在電場超過閾值時(shí)才會出現(xiàn)上述現(xiàn)象。高場疇的變化過程，圖3所示。

圖3 負(fù)阻振蕩器等效電路

從圖3中可以看出，一旦外加電場，陰極處的電場就高于別處，隨著外加電場的增加，如圖3（a）所示，靠近陰極x0處電場首先超過閾值Eth進(jìn)入負(fù)阻區(qū)，該處遷移率為負(fù)。因此，x0處左側(cè)的電子比右側(cè)的電子有大得多的漂移速度，使得x0處左側(cè)出現(xiàn)電子積累，形成負(fù)離子區(qū)；x0處右側(cè)出現(xiàn)“空穴”，形成正離子區(qū)，如圖3（b）所示，這種正負(fù)離子區(qū)類似一個(gè)偶極子，稱為偶極疇。由于疇內(nèi)正負(fù)電荷所產(chǎn)生的電場與外加電場方向一致，于是疇內(nèi)總電場高于疇外電場，所以稱此疇為高疇場。在外加電場一定，體效應(yīng)管長度L一定時(shí)，疇內(nèi)電場升高，疇外電場必然相應(yīng)地下降，疇外場一般不可能超過閾值，所以在體效應(yīng)管內(nèi)一般只形成一個(gè)高疇場。當(dāng)疇內(nèi)電子平均漂移速度與疇外電子平均漂移速度相等時(shí)，形成成熟疇，如圖3（c）所示。當(dāng)成熟疇到達(dá)陽極后，被陽極吸收而消失，如圖3（d）所示。

2.1.2 砷化鎵的電流-電壓特性

砷化鎵的電流-電壓特性如圖4所示，當(dāng)體效應(yīng)管兩端電壓從零上升時(shí)，電流開始按直線A→B增加，電流大致與電壓成正比，器件相當(dāng)于正電阻。當(dāng)電壓上升到B點(diǎn)，電壓達(dá)到閾值Vth時(shí)，高場疇形成，電場集中在疇內(nèi)，疇外電場徒然下降，電流急劇下降，移至C點(diǎn)。下降的程度依賴于器件的遷移率，遷移率越大，電流下降的程度越大。在C點(diǎn)以上再增加電壓時(shí)，電流便沿C→D曲線變化。

圖4 Ga As的電流-電壓特性

反之，當(dāng)端電壓由較高電壓狀態(tài)下降時(shí)，電壓還未到達(dá)C點(diǎn)之前，電流沿D→C曲線變化。然而，當(dāng)電壓降低到C點(diǎn)以下時(shí)，卻不再按C→B移動(dòng)，而是沿C→E曲線變化。即在疇渡越期間，端電壓即使在閾值以下，疇內(nèi)電場仍高于閾值，疇外電場無大變化，疇不會消失，直至到達(dá)陽極后，特性便落在AB線上的一點(diǎn)。若端電壓降至Vs以下，不能維持疇的存在，振蕩停止，故稱Vs為疇維持電壓。

2.2 正常工作振蕩模式

對于反射式腔穩(wěn)振蕩器，外加高頻電場由穩(wěn)頻腔和主振腔共同決定，但是穩(wěn)頻腔起到主導(dǎo)作用。外加高頻電場疊加在體效應(yīng)管端電壓上，控制高場疇發(fā)生和消失的時(shí)間，即控制作為能量轉(zhuǎn)換器件的體效應(yīng)管的輸出頻率。

在正常工作情況下，如圖3所示，高場疇完成從生成到消失的整個(gè)過程，完成一次振蕩，稱為純粹渡越時(shí)間模式。振蕩頻率由高場疇在從陰極渡越至陽極的時(shí)間決定，即振蕩器的工作頻率為

式中：υd為疇的穩(wěn)態(tài)漂移速度，近似等于電子在體效應(yīng)管內(nèi)飽和漂移速度，對N型砷化鎵，υd大約為1×107cm/s；L為體效應(yīng)管的有效長度。

在反射式腔穩(wěn)振蕩器中，穩(wěn)頻腔諧振頻率f2與f0接近，f2通過耦合孔與主振腔諧振頻率f1耦合后產(chǎn)生工作頻率f0，利用穩(wěn)頻腔的高Q值，保證振蕩器輸出頻率的穩(wěn)定性。

2.3 跳頻缺陷振蕩模式

根據(jù)圖4中砷化鎵的電流-電壓特性，以平均電子速度代替電流，電場代替端電壓，結(jié)合外電場作用下電子在低能谷與高能谷間遷移，而低能谷電子遷移率遠(yuǎn)大于高能谷電子遷移率，得出平均電子速度與電場關(guān)系曲線，如圖5所示。

圖5 平均電子速度與電場關(guān)系曲線

當(dāng)加在體效應(yīng)管上的高頻電場大幅度變化，電場幅度小于EA值時(shí)，體效應(yīng)管內(nèi)的高場疇完全消失，稱為疇猝滅模式。參考圖3（c）和圖4，當(dāng)高場疇運(yùn)動(dòng)到LT處時(shí)，體效應(yīng)管端電壓在疇維持電壓Vs以下，高場疇不能維持，在還沒有到達(dá)陽極時(shí)就猝滅，直至外加電場控制體效應(yīng)管端電壓再次高于閾值電壓Vth時(shí)，疇再次生成。

當(dāng)穩(wěn)頻腔與主振腔之間的匹配發(fā)生變化，導(dǎo)致耦合頻率發(fā)生變化，其加在體效應(yīng)管的高頻電場也發(fā)生變化，體效應(yīng)管作為能量轉(zhuǎn)換器件輸出跳頻頻率為

通過比較可以得出fT＞f0，與實(shí)際跳頻情況相符。

2.4 跳頻缺陷解決

從上述分析可知，為避免固態(tài)源的跳頻缺陷問題，需要將體效應(yīng)管的振蕩模式控制在正常的純粹渡越時(shí)間模式，而非產(chǎn)生跳頻的疇猝滅模式。因此需要控制穩(wěn)頻腔和主振腔耦合產(chǎn)生的頻率和高頻電場強(qiáng)度。

具體來說，參考圖2，應(yīng)該調(diào)整穩(wěn)頻腔與主振腔之間的耦合度，使得整個(gè)振蕩器輸出頻率穩(wěn)定在工作頻率。但是圖2中固態(tài)源的耦合孔是固定的，不能進(jìn)行調(diào)整。因此，只能通過調(diào)整穩(wěn)頻腔上的調(diào)諧活塞，以期達(dá)到固態(tài)源穩(wěn)定工作、不跳頻的目的。

3 結(jié)論

從體效應(yīng)管的工作特性著手，分析了體效應(yīng)管內(nèi)部高場疇的形成機(jī)理和運(yùn)動(dòng)方式，以及具有負(fù)阻特性的電流-電壓曲線。體效應(yīng)管配以合適的振蕩回路組成的固態(tài)源，具有跳頻的固有缺點(diǎn)。文章指出，跳頻是由于體效應(yīng)管在振蕩回路中受到跳頻頻率場強(qiáng)的控制，高場疇在運(yùn)動(dòng)半途猝滅產(chǎn)生。通過控制振蕩回路的工作頻率和高頻電場強(qiáng)度，保證振蕩器穩(wěn)定工作，避免跳頻缺陷。

[1] 鄭兆翁.腔穩(wěn)固體負(fù)阻振蕩器[J].通信學(xué)報(bào)，1984，（4）：54-57.

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Analysis of Frequency Hopping in Solid State Source

GAO Shan1， XU Sheng2
（1.The CPLA Navy Military Representative Office of Aerospace System in Shanghai，Shanghai 200233；2.Shanghai Radio Equipment Research Institute，Shanghai 200090，China）

Introduces the operational model of high-field domain and the volt-ampere curve with negative-resistance effect in body effect diode.Frequency hopping is one inherent flaw of solid state source.This mode is outputted through body effect diode by the main electric field strength of made hopping frequency in oscillation circuit，and achieved with high-field domain quenching.

body effect diode；solid state source；frequency hopping

TN753.1

A

1671-0576（2014）03-0047-04

2013-00-00

高 山（1965-），男，高級工程師，主要從事雷達(dá)與機(jī)電技術(shù)的研究。