固態源跳頻缺陷分析

高山， 徐晟

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

固態源跳頻缺陷分析

高山1， 徐晟2

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

通過分析體效應管內部高場疇的運動方式和具有負阻特性的電流-電壓曲線，提出固態源跳頻缺陷產生的原因，是由于固態源振蕩回路中，跳頻頻率的電場強度占據主導地位，控制體效應管內部高場疇在由陰極向陽極渡越過程中半途猝滅，體效應管作為能量轉換器件輸出跳頻頻率。

體效應管；固態源；跳頻

0 引言

固態源，又稱體效應管振蕩器，也稱耿氏管振蕩器，具有噪聲低、穩定性高、可靠性高、電源電壓低等優點，是應用較廣的一種有源微波器件，經常作為雷達和收發機中的本振源和中等功率發射源。

體效應管作為負阻器件，配合適當的振蕩回路，可以在微波頻率范圍形成負阻振蕩。一般體效應管振蕩器工作在高場疇渡越時間模式，具有較低的調頻調幅噪聲。為了進一步提高頻率輸出穩定度，通常在主振腔外側加上一個穩頻腔，組成反射式腔穩振蕩器，但是反射式腔穩振蕩器具有跳頻固有缺點，即輸出頻率穩定在高于正常頻率的一個頻點上。

為理解固態源跳頻缺陷產生的原因，本文從體效應管高場疇的運動方式和存在時間進行分析。

1 固態源工作方式

利用體效應管作為有源器件（能量轉換器件）和外部諧振回路結合，構成體效應管負阻振蕩器，即固態源，其交流等效電路如圖1（a）所示。圖中：Gd和Cd為體效應管的等效參數；L和C為振蕩回路的等效參數；G為并聯在回路兩端的電導。

圖1 負阻振蕩器等效電路

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

當總電導GT=0時，振蕩回路中的能量供給和消耗達到平衡，回路一旦建立起振蕩就會一直維持下去，達到微波信號穩定輸出的目的。

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、負載等）的變化會影響到振蕩頻率的輸出，特別是體效應管參數Cd，受外部因素的影響很大。為了提高振蕩器的輸出頻率穩定度，減少外部因素的干擾，需要增加諧振腔體的品質因數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高Q腔穩頻[1]，可以使頻率穩定度提高兩個數量級，如圖2所示，這是一種典型的電路結構。其主要優點是結構簡單、穩頻效果好、損耗小、輸出功率大。缺點是頻帶窄，存在跳頻現象[2，3]。主振腔自身的諧振頻率為f1，穩頻腔自身的諧振頻率為f2，可以通過調諧螺釘進行調諧。當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，而是由兩個頻率互為耦合產生的頻率f0。

圖2 反射式腔穩振蕩器

2 跳頻缺陷分析

2.1 體效應管特性

體效應管是無結器件，其工作原理是基于多數載流子在單一半導體材料內的運動而產生微波振蕩。目前，體效應管器件的半導體材料主要采用砷化鎵（GaAs）。砷化稼材料具有多能谷能帶結構，低能谷與高能谷間的能量差遠大于熱激發能量，當沒有外加電場時，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大于高能谷電子遷移率，微分遷移率為負，負微分遷移率對應著砷化稼材料的伏安特性有負阻區域[4，5]。

2.1.1 高場疇

在具有電場控制的負微分遷移率的介質中，比如砷化鎵材料，當平衡電子密度n0與器件的有效長度L的乘積大于1012cm-2時，器件陰極接觸面有較大接觸電阻，介質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，這種周而復始的過程稱為耿效應。其前提條件是，只有在電場超過閾值時才會出現上述現象。高場疇的變化過程，圖3所示。

圖3 負阻振蕩器等效電路

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進入負阻區，該處遷移率為負。因此，x0處左側的電子比右側的電子有大得多的漂移速度，使得x0處左側出現電子積累，形成負離子區；x0處右側出現“空穴”，形成正離子區，如圖3（b）所示，這種正負離子區類似一個偶極子，稱為偶極疇。由于疇內正負電荷所產生的電場與外加電場方向一致，于是疇內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，體效應管長度L一定時，疇內電場升高，疇外電場必然相應地下降，疇外場一般不可能超過閾值，所以在體效應管內一般只形成一個高疇場。當疇內電子平均漂移速度與疇外電子平均漂移速度相等時，形成成熟疇，如圖3（c）所示。當成熟疇到達陽極后，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，當體效應管兩端電壓從零上升時，電流開始按直線A→B增加，電流大致與電壓成正比，器件相當于正電阻。當電壓上升到B點，電壓達到閾值Vth時，高場疇形成，電場集中在疇內，疇外電場徒然下降，電流急劇下降，移至C點。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點以上再增加電壓時，電流便沿C→D曲線變化。

圖4 Ga As的電流-電壓特性

反之，當端電壓由較高電壓狀態下降時，電壓還未到達C點之前，電流沿D→C曲線變化。然而，當電壓降低到C點以下時，卻不再按C→B移動，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，疇內電場仍高于閾值，疇外電場無大變化，疇不會消失，直至到達陽極后，特性便落在AB線上的一點。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

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

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過程，完成一次振蕩，稱為純粹渡越時間模式。振蕩頻率由高場疇在從陰極渡越至陽極的時間決定，即振蕩器的工作頻率為

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

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

2.3 跳頻缺陷振蕩模式

根據圖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大于高能谷電子遷移率，得出平均電子速度與電場關系曲線，如圖5所示。

圖5 平均電子速度與電場關系曲線

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

當穩頻腔與主振腔之間的匹配發生變化，導致耦合頻率發生變化，其加在體效應管的高頻電場也發生變化，體效應管作為能量轉換器件輸出跳頻頻率為

通過比較可以得出fT＞f0，與實際跳頻情況相符。

2.4 跳頻缺陷解決

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

具體來說，參考圖2，應該調整穩頻腔與主振腔之間的耦合度，使得整個振蕩器輸出頻率穩定在工作頻率。但是圖2中固態源的耦合孔是固定的，不能進行調整。因此，只能通過調整穩頻腔上的調諧活塞，以期達到固態源穩定工作、不跳頻的目的。

3 結論

從體效應管的工作特性著手，分析了體效應管內部高場疇的形成機理和運動方式，以及具有負阻特性的電流-電壓曲線。體效應管配以合適的振蕩回路組成的固態源，具有跳頻的固有缺點。文章指出，跳頻是由于體效應管在振蕩回路中受到跳頻頻率場強的控制，高場疇在運動半途猝滅產生。通過控制振蕩回路的工作頻率和高頻電場強度，保證振蕩器穩定工作，避免跳頻缺陷。

[1] 鄭兆翁.腔穩固體負阻振蕩器[J].通信學報，1984，（4）：54-57.

[2] 唐云.6mm高穩定Gunn振蕩器[J].低溫與超導，2005，33（2）：65-68.

[3] 林鳳甲.體效應振蕩器的研究與設計[J].低溫與超導，1980，（4）：49-54.

[4] 片岡照榮，館野博[日].體效應半導體器件[M].北京：科學出版社，1973：15-62.

[5] 周印.微波（電視）收發信機體效應管腔控穩頻本振特性原理[J].西部廣播電視，2005，（6）：47-54.

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，主要從事雷達與機電技術的研究。