固态源跳频缺陷分析

高山， 徐晟

（1.中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海 200233；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

固态源跳频缺陷分析

高山1， 徐晟2

（1.中国人民解放军海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海 200233；2.上海无线电设备研究所，上海 200090）

通过分析体效应管内部高场畴的运动方式和具有负阻特性的电流-电压曲线，提出固态源跳频缺陷产生的原因，是由于固态源振荡回路中，跳频频率的电场强度占据主导地位，控制体效应管内部高场畴在由阴极向阳极渡越过程中半途猝灭，体效应管作为能量转换器件输出跳频频率。

体效应管；固态源；跳频

0 引言

固态源，又称体效应管振荡器，也称耿氏管振荡器，具有噪声低、稳定性高、可靠性高、电源电压低等优点，是应用较广的一种有源微波器件，经常作为雷达和收发机中的本振源和中等功率发射源。

体效应管作为负阻器件，配合适当的振荡回路，可以在微波频率范围形成负阻振荡。一般体效应管振荡器工作在高场畴渡越时间模式，具有较低的调频调幅噪声。为了进一步提高频率输出稳定度，通常在主振腔外侧加上一个稳频腔，组成反射式腔稳振荡器，但是反射式腔稳振荡器具有跳频固有缺点，即输出频率稳定在高于正常频率的一个频点上。

为理解固态源跳频缺陷产生的原因，本文从体效应管高场畴的运动方式和存在时间进行分析。

1 固态源工作方式

利用体效应管作为有源器件（能量转换器件）和外部谐振回路结合，构成体效应管负阻振荡器，即固态源，其交流等效电路如图1（a）所示。图中：Gd和Cd为体效应管的等效参数；L和C为振荡回路的等效参数；G为并联在回路两端的电导。

图1 负阻振荡器等效电路

图1（b）是将电容和电导合并起来的等效电路，总电容CT=C＋Cd，总电导GT=G-Gd，组成的振荡回路谐振频率为

当总电导GT=0时，振荡回路中的能量供给和消耗达到平衡，回路一旦建立起振荡就会一直维持下去，达到微波信号稳定输出的目的。

从式（1）中可以看出，振荡条件由电抗元件L、C和Cd决定。但是外部因素（如温度、电压、负载等）的变化会影响到振荡频率的输出，特别是体效应管参数Cd，受外部因素的影响很大。为了提高振荡器的输出频率稳定度，减少外部因素的干扰，需要增加谐振腔体的品质因数Q值，以增加振荡回路的总储能。

通常是在振荡回路中外接一个高Q腔稳频[1]，可以使频率稳定度提高两个数量级，如图2所示，这是一种典型的电路结构。其主要优点是结构简单、稳频效果好、损耗小、输出功率大。缺点是频带窄，存在跳频现象[2，3]。主振腔自身的谐振频率为f1，稳频腔自身的谐振频率为f2，可以通过调谐螺钉进行调谐。当通过耦合孔相互耦合后，振荡器的输出频率既不是f1，也不是f2，而是由两个频率互为耦合产生的频率f0。

图2 反射式腔稳振荡器

2 跳频缺陷分析

2.1 体效应管特性

体效应管是无结器件，其工作原理是基于多数载流子在单一半导体材料内的运动而产生微波振荡。目前，体效应管器件的半导体材料主要采用砷化镓（GaAs）。砷化稼材料具有多能谷能带结构，低能谷与高能谷间的能量差远大于热激发能量，当没有外加电场时，电子几乎全部处于低能谷中。电子在外电场作用下由低能谷跃迁到高能谷的过程中，低能谷电子迁移率远大于高能谷电子迁移率，微分迁移率为负，负微分迁移率对应着砷化稼材料的伏安特性有负阻区域[4，5]。

2.1.1 高场畴

在具有电场控制的负微分迁移率的介质中，比如砷化镓材料，当平衡电子密度n0与器件的有效长度L的乘积大于1012cm-2时，器件阴极接触面有较大接触电阻，介质不均匀性成为扰乱原因。从这里开始生长的空间电荷，在其周围电场的作用下产生高场畴，向阳极渡越并在阳极消失，再从扰乱中心重新生成空间电荷，这种周而复始的过程称为耿效应。其前提条件是，只有在电场超过阈值时才会出现上述现象。高场畴的变化过程，图3所示。

图3 负阻振荡器等效电路

从图3中可以看出，一旦外加电场，阴极处的电场就高于别处，随着外加电场的增加，如图3（a）所示，靠近阴极x0处电场首先超过阈值Eth进入负阻区，该处迁移率为负。因此，x0处左侧的电子比右侧的电子有大得多的漂移速度，使得x0处左侧出现电子积累，形成负离子区；x0处右侧出现“空穴”，形成正离子区，如图3（b）所示，这种正负离子区类似一个偶极子，称为偶极畴。由于畴内正负电荷所产生的电场与外加电场方向一致，于是畴内总电场高于畴外电场，所以称此畴为高畴场。在外加电场一定，体效应管长度L一定时，畴内电场升高，畴外电场必然相应地下降，畴外场一般不可能超过阈值，所以在体效应管内一般只形成一个高畴场。当畴内电子平均漂移速度与畴外电子平均漂移速度相等时，形成成熟畴，如图3（c）所示。当成熟畴到达阳极后，被阳极吸收而消失，如图3（d）所示。

2.1.2 砷化镓的电流-电压特性

砷化镓的电流-电压特性如图4所示，当体效应管两端电压从零上升时，电流开始按直线A→B增加，电流大致与电压成正比，器件相当于正电阻。当电压上升到B点，电压达到阈值Vth时，高场畴形成，电场集中在畴内，畴外电场徒然下降，电流急剧下降，移至C点。下降的程度依赖于器件的迁移率，迁移率越大，电流下降的程度越大。在C点以上再增加电压时，电流便沿C→D曲线变化。

图4 Ga As的电流-电压特性

反之，当端电压由较高电压状态下降时，电压还未到达C点之前，电流沿D→C曲线变化。然而，当电压降低到C点以下时，却不再按C→B移动，而是沿C→E曲线变化。即在畴渡越期间，端电压即使在阈值以下，畴内电场仍高于阈值，畴外电场无大变化，畴不会消失，直至到达阳极后，特性便落在AB线上的一点。若端电压降至Vs以下，不能维持畴的存在，振荡停止，故称Vs为畴维持电压。

2.2 正常工作振荡模式

对于反射式腔稳振荡器，外加高频电场由稳频腔和主振腔共同决定，但是稳频腔起到主导作用。外加高频电场叠加在体效应管端电压上，控制高场畴发生和消失的时间，即控制作为能量转换器件的体效应管的输出频率。

在正常工作情况下，如图3所示，高场畴完成从生成到消失的整个过程，完成一次振荡，称为纯粹渡越时间模式。振荡频率由高场畴在从阴极渡越至阳极的时间决定，即振荡器的工作频率为

式中：υd为畴的稳态漂移速度，近似等于电子在体效应管内饱和漂移速度，对N型砷化镓，υd大约为1×107cm/s；L为体效应管的有效长度。

在反射式腔稳振荡器中，稳频腔谐振频率f2与f0接近，f2通过耦合孔与主振腔谐振频率f1耦合后产生工作频率f0，利用稳频腔的高Q值，保证振荡器输出频率的稳定性。

2.3 跳频缺陷振荡模式

根据图4中砷化镓的电流-电压特性，以平均电子速度代替电流，电场代替端电压，结合外电场作用下电子在低能谷与高能谷间迁移，而低能谷电子迁移率远大于高能谷电子迁移率，得出平均电子速度与电场关系曲线，如图5所示。

图5 平均电子速度与电场关系曲线

当加在体效应管上的高频电场大幅度变化，电场幅度小于EA值时，体效应管内的高场畴完全消失，称为畴猝灭模式。参考图3（c）和图4，当高场畴运动到LT处时，体效应管端电压在畴维持电压Vs以下，高场畴不能维持，在还没有到达阳极时就猝灭，直至外加电场控制体效应管端电压再次高于阈值电压Vth时，畴再次生成。

当稳频腔与主振腔之间的匹配发生变化，导致耦合频率发生变化，其加在体效应管的高频电场也发生变化，体效应管作为能量转换器件输出跳频频率为

通过比较可以得出fT＞f0，与实际跳频情况相符。

2.4 跳频缺陷解决

从上述分析可知，为避免固态源的跳频缺陷问题，需要将体效应管的振荡模式控制在正常的纯粹渡越时间模式，而非产生跳频的畴猝灭模式。因此需要控制稳频腔和主振腔耦合产生的频率和高频电场强度。

具体来说，参考图2，应该调整稳频腔与主振腔之间的耦合度，使得整个振荡器输出频率稳定在工作频率。但是图2中固态源的耦合孔是固定的，不能进行调整。因此，只能通过调整稳频腔上的调谐活塞，以期达到固态源稳定工作、不跳频的目的。

3 结论

从体效应管的工作特性着手，分析了体效应管内部高场畴的形成机理和运动方式，以及具有负阻特性的电流-电压曲线。体效应管配以合适的振荡回路组成的固态源，具有跳频的固有缺点。文章指出，跳频是由于体效应管在振荡回路中受到跳频频率场强的控制，高场畴在运动半途猝灭产生。通过控制振荡回路的工作频率和高频电场强度，保证振荡器稳定工作，避免跳频缺陷。

[1] 郑兆翁.腔稳固体负阻振荡器[J].通信学报，1984，（4）：54-57.

[2] 唐云.6mm高稳定Gunn振荡器[J].低温与超导，2005，33（2）：65-68.

[3] 林凤甲.体效应振荡器的研究与设计[J].低温与超导，1980，（4）：49-54.

[4] 片冈照荣，馆野博[日].体效应半导体器件[M].北京：科学出版社，1973：15-62.

[5] 周印.微波（电视）收发信机体效应管腔控稳频本振特性原理[J].西部广播电视，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，高级工程师，主要从事雷达与机电技术的研究。