階躍恢復(fù)二極管（以下簡稱階躍管或SRD）是對PN結(jié)材料和結(jié)構(gòu)采取特殊措施而設(shè)計的一種變?nèi)莨芑蚍Q電容開關(guān)。加大正偏時的電荷存儲效應(yīng)，使二極管在正偏時有很大的擴散電容，此時器件等效為一個大電容，呈現(xiàn)低阻態(tài)，近似短路；反偏時近似等效為一個小電容，呈現(xiàn)高阻態(tài)，近似開路。因此,在外加大信號交流電壓的激勵下，階躍二極管呈現(xiàn)兩種阻抗?fàn)顟B(tài)，具有電容開關(guān)特性[1]。由階躍二極管組成的電路可作為梳狀譜發(fā)生器，通過它的階躍倍頻作用可以很容易得到頻率范圍覆蓋P～Ku波段、具有高頻率穩(wěn)定度以及高頻譜純度的各種點頻頻率源，為低相噪、捷變頻直接式頻率源的設(shè)計提供通用化、小型化以及高可靠性的解決方案，因此在微波通信、電子雷達(dá)對抗以及軍事偵查等方面被廣泛應(yīng)用。

1 階躍管脈沖發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)
    如圖1所示，階躍管脈沖發(fā)生器的電路結(jié)構(gòu)主要包含脈沖發(fā)生器、偏置電路以及輸入阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)3部分。L為激勵電感，用于存儲和釋放能量，以得到大幅度的階躍電流；Ct為調(diào)諧電容，用來調(diào)諧脈沖發(fā)生器的輸入導(dǎo)納，調(diào)諧后脈沖發(fā)生器的輸入阻抗為純電阻，使激勵電感在輸入頻率上失諧，并對除輸出頻率以外的所有諧波構(gòu)成旁路，通過適當(dāng)選擇Ct的值，可使脈沖發(fā)生器的輸入阻抗成為純電阻性的；D1為SRD（即階躍恢復(fù)二極管），與L和Ct共同組成脈沖發(fā)生器。

    偏置電路為二極管提供一個合適的偏壓，使得SRD恰好在負(fù)電流最大的瞬間產(chǎn)生電流階躍，以便得到盡可能大的電流階躍值。圖1所示為自給偏壓，由階躍二極管的直流分量(整流分量)通過偏壓電阻Rb時產(chǎn)生電壓降而得。Lb為高頻扼流圈，用以防止Rb對高頻分流；Cb為隔直電容，用以防止或削弱偏置電路與信號源之間不必要的耦合[2]。
    輸入匹配網(wǎng)絡(luò)完成激勵源阻抗與脈沖發(fā)生器輸入阻抗的匹配，使輸入?yún)⒖夹盘柕墓β视行У丶虞d在SRD上，最大限度地產(chǎn)生極窄的電流脈沖，同時減少由階躍二極管產(chǎn)生并反串到參考放大器的諧波能量。鑒于此，必須求得階躍管脈沖發(fā)生器在脈沖工作情況下對基波呈現(xiàn)的輸入阻抗。
2 階躍管梳狀譜發(fā)生器的實現(xiàn)
    本例梳狀譜發(fā)生器的設(shè)計要求：輸入?yún)⒖技钚盘栴l率為720 MHz，信號功率為10 dBm；采用自偏壓的設(shè)計方式；輸出Ku波段頻率范圍為12 960 MHz～16 560 MHz，輸出功率要求為-15 dBm。
2.1 階躍管的選擇
    階躍管的主要參數(shù)為：反偏電容Cj，階躍時間tt，少數(shù)載流子壽命τ，串聯(lián)正向傳導(dǎo)電阻Rs，擊穿電壓VB。
    對這些參數(shù)的設(shè)計要求如下：
    (1)為避免傳輸線對脈沖發(fā)生器過載，在50 Ω系統(tǒng)中對階躍管阻抗的要求為：
  

    輸入匹配網(wǎng)絡(luò)的另外一種設(shè)計方法是利用ADS軟件自帶的工具史密斯圓圖或者設(shè)計向?qū)В―esign Guide）來進(jìn)行阻抗匹配。得到的L形匹配網(wǎng)絡(luò)的電感和電容值與理論計算的結(jié)果相差無幾，很好地驗證了梳狀譜發(fā)生器電路理論。電路拓?fù)淙鐖D3所示，具體設(shè)計方法以及仿真結(jié)果不再贅述。

3.2 梳狀譜發(fā)生器電路ADS仿真
    在ADS中建立如圖4所示的電路拓?fù)?，按照?中的元件值確定梳狀譜發(fā)生器電路拓?fù)涞母鱾€元件值，并參照廠家發(fā)布的階躍二極管MP4021的參數(shù)值對階躍二極管進(jìn)行建模。給梳狀譜發(fā)生器加上如圖4所示的激勵源，在電路原理圖中插入諧波平衡仿真控件對電路進(jìn)行諧波平衡仿真。仿真的結(jié)果如圖5所示，可以看到，需要輸出的各個頻率功率均大于-15 dBm，滿足既定的指標(biāo)要求。

    以表2中計算得出的元件值為初值，設(shè)定主要元器件參數(shù)值的優(yōu)化范圍，可對梳狀譜發(fā)生器電路進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。
3.3 實際電路的制作與測試
    實際電路所用基板材料為RT-6002，該材料介電常數(shù)εr=2.9，板材厚度h=10 mil。鑒于輸出頻率較高，且頻帶較寬，因此脈沖發(fā)生器的重要部分采用了芯片化的設(shè)計，以減少元器件寄生參數(shù)的影響。前級放大器選用了中電集團第十三研究所新研制的芯片放大器，在720 MHz處，增益為18 dB，P-1dB為28 dBm。高頻部分匹配電容和隔直電容采用了MOS芯片電容，以金絲鍵合。由于所選階躍二極管參數(shù)不完全，無法在ADS中對其進(jìn)行精確建模，因此電路元件的實測值與理論計算結(jié)果存在一定偏差。
    使用Agilent E4440頻譜儀對制作的梳狀譜發(fā)生器進(jìn)行測試，測試結(jié)果如圖6所示。

    本文介紹了梳狀譜發(fā)生器的電路原理，并基于ADS仿真軟件設(shè)計了一個輸入頻率為720 MHz、輸出頻率覆蓋12 960 MHz～16 560 MHz的梳狀譜發(fā)生器。設(shè)計中使用了階躍二極管的裸芯片，因此減少了由于封裝產(chǎn)生的寄生參數(shù)的影響，最終得到了與預(yù)期基本一致的效果，滿足了寬帶捷變頻頻率源對本振的高頻率穩(wěn)定度和高頻譜純度的需要。
    梳狀譜發(fā)生器作為一種寬帶高次倍頻的解決方案，能夠簡單、高效地產(chǎn)生所需的輸出頻率。在實際設(shè)計中，如何對階躍二極管進(jìn)行準(zhǔn)確建模以及準(zhǔn)確實現(xiàn)電路元件值等內(nèi)容有待進(jìn)一步深入研究。
參考文獻(xiàn)
[1] 薛正輝，楊仕明，李偉明，等.微波固態(tài)電路[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2004.
[2] 郭俊棟，張海拓，周以國.用階躍恢復(fù)二極管設(shè)計16次倍頻器[J].電子元件與材料，2006，25(8)：67-69.
[3] 王蘊儀.微波器件與電路[M].南京：江蘇科學(xué)技學(xué)技術(shù)出版社，1983.