毫米波固态电路
Millimeter Wave Solid-State Circuits
推动毫米波技术发展的关键 振荡器—Oscillators 混频器—Mixers 放大器—Amplifiers 功率合成器—Power Combiner 倍频器—Frequency Multipliers 检波器—Detectors 开 关—Switches 移相器—Phase Shifters 。。。。。。。。。。。
GaAs Gunn谐波振荡器种类
宽带机调谐波振荡器 电调谐波振荡器（VCO） 高Q腔稳频谐波振荡器 接不同的输出 双频段基波、谐波振荡器 波 导 实 现 基 波 或谐波输出 双端口输出谐波振荡器 基波注锁谐波振荡器 基波锁相谐波振荡器
我校在谐波振荡器提取技术方面的研究情况
• 毫米波产品尤其是毫米波高端频率受到国外严 格禁运 • 瞄准谐波提取技术进行开发研究意义重大 • 八十年代国内具备的条件：已生产出六毫米
率约为60GHz
• 实践见证(1975年)：95GHz GaAs Gunn 振荡器问世 • 实验方法证实(直到八十年代初)：原来GaAs Gunn器 件是工作在谐波提取工作模式。也就是说，除了检 测到的实际输出频率外，还在其恰好二分之一的频
率点和二分之三的频率点上发现了振荡频率
• 理论和实验研究表明：谐波振荡器具有比一般基波 振荡器更好的抗负载牵引能力
输出功率21W
21W 15mW
70mW 调制器1
1.3W 调制器2
8W 调制器3
13W 调制器4 调制器5
毫米波固态放大器
两端器件
反射型放大器或负阻型放大器 （如Gunn、IMPATT diodes） 传输型放大器（双极晶体管
三端器件
或MESFET、HEMT等）
MMIC——8mm波段：100mW～10W(连续波) 3mm波段：100mW～1W（脉冲）
Gunn Diode 耿氏二极管/体效应二极管/转移电子器件
•Gunn在1962年发现GaAs的转移电子效应 •和IMPATT器件不同，Gunn二极管是纯粹体效应器件， 它没有一般固态器件里的半导体掺杂形成结的概念，而 是基于多数载流子在半导体内的运动特性，即利用电子 转移特性来产生微波振荡的 •GaAs(砷化镓)材料(常用的半导体材料)： 工作频段一般小于 60GHz •InP(磷化铟)材料(更优越的毫米波性能)： 工作频段达到100GHz以上
毫米波IMPATT和GUNN器件主要来源
美国hughes公司 美国alpha公司 美国Millitech公司
乌克兰Orion研究所
俄罗斯依斯托克公司 中国南京55研究所 。。。。。。。。。
毫米波固态源技术水平现状
几种常用毫米波固态振荡器结构
吸收负载的位置，腔体尺寸，输出负载以及短路活 塞的位置都是获得较高功率的关键性参数
矩形波 导
柱形波导
• 芯片级合成技术——扩展单片器件的功率容量
• 电路级合成技术——突破单元器件功率容量
• 矩形波导腔功率合成技术实例
1980年左右，Kai Chang在单腔矩形波导电路中分别实 现了三毫米波脉冲IMPATT两管和4管功率合成 两管合成功率：20.5W 四管合成功率：40W 合成效率达到80％以上
耦合口
Gunn器件
特殊应用 基波注锁谐波振荡器 基波锁相谐波振荡器 为获得高质量3mm信号提
供了一种新颖的技术手段
毫米波功率合成技术-Power Combiners
采用一定的方法，将多个毫米波信号相互叠加， 得到满足要求的大功率信号的技术
功率合成
芯片级
电 路级
空间合成
混合 级
其它形式
谐振腔式
非谐振腔式
•相参功率合成技术实例 ——合成的多个振荡器输出信号是频率相参的 在93GHz，四个IMPATT二极管合成输出功率250mW， 效率达80％
振荡器-1 振荡器-3
P1
输入
P3
H面T 型接头 H面T 型接头
输出
P4 P2
振荡器-2 振荡器-4
• 脉冲级联注锁功率合成放大技术 ——超越器件额定振荡输出功率的大功率脉冲级联注锁放大技术 在94.5GHz，五级脉冲IMPATT二极管级联注锁合成放大
毫米波固态电路
50GHz以下频段，基本采用MMIC器件实现 50GHz以上频段，多采用分离元件的波导电路 国外毫米波部件主要厂商： 爱尔兰Farran公司：26.5～325GHz 美国Hughes公司：26.5～140GHz 美国Millitech公司：18～300GHz 美国Agilent公司：26.5～325GHz 美国Alpha公司：26.5～0GHz
毫米波频率：30～300GHz 毫米波波长：10～1mm
毫米波波导频段划分
EIA waveguide Ka Q U V E W F D G WR-28 WR-22 WR-19 WR-15 WR-12 WR-10 WR-8 WR-6 WR-5 Frequency (GHz) 26.5~40 33~50 40~60 50~75 60~90 75~110 90~140 110~170 140~220 TE10 mode cutoff Inside waveguide (GHz) dimensions(mm) 21.10 26.35 31.41 39.90 48.40 59.05 73.84 90.85 115.75 7.112x3.556 5.690x2.845 4.775x2.388 3.760x1.880 3.100x1.550 2.540x1.270 2.032x1.016 1.651x0.826 1.295x0.648
输出功率(mW)
93.2 2
142
93.3 2
140
93.4 2
141
93.5 2
141
2
145
2
144
输出功率非常平坦
毫米波注入锁定带宽展宽技术——VCO调谐跟踪
当VCO频率在锁定范围之外,混频器充当鉴频作用,输出中频 信号形成误差电压来控制VCO的频率,让其进入锁定范围
毫米波混频器
单端混频器 混频器可分为： 平衡混频器： 90度相移型 180度相移型 双平衡混频器 波导混频器 微带混频器 根据传输线的类型划分 鳍线混频器 。。。。。 根据信号频率与本振频率的关系 基波混频器 谐波混频器
Gunn器件
• 电子科大对毫米提取技术研究作出重要贡献，
完成一系列三毫米波谐波振荡器研发
我校研制的各种三毫米波谐波振荡器
三毫米波谐波VCO
三毫米波高Q腔 稳频谐波振荡器
三毫米波宽带机 调谐波振荡器
毫米波双端口、双频段基波/谐波振荡器 ——在三毫米波系统应用中具有重要价值
Vcc
6mm输出
3mm输出
毫米波GUNN振荡器产品
Ireland FARRAN公司
毫米波GUNN振荡器产品
Ireland FARRAN公司
毫米波GUNN振荡器产品
毫米波GUNN振荡器产品
美国Alpha产品： ～140GHz系列
美国Hughes产品： 26.5~100GHz系列 250～10mW
毫米波IMPATT振荡器产品
IMPATT Diode（IMPact Avalanche and Transit Time Diode) 碰撞雪崩及渡越时间二极管（简称雪崩二极管）
利用半导体内的雪崩现象和渡越时间效应来获得动态负 阻，从而产生振荡。
W. T. Read在1958年提出IMPATT工作原理
1965年首次报道在简单的Si PN结二极管上获得了微波振 荡 在整个毫米波频段甚至亚毫米波频段低端，IMPATT器 件都可以用作产生毫米波功率 目前，Si材料的IMPATT二极管在毫米波器件中几乎处 于垄断地位，这是因为它具有有效散热所需的良好热传 导特性
• 按传统方法，一般被注锁的振荡器自由工作时，希 望它功率最大，频率在同步带中心附近。 • 注入信号越强，同步带宽越宽，功率起伏越大
• 改善毫米波注入锁定放大输出功率平坦度措施
•让被注锁振荡器不工作在
最佳状态！ •方法：在注入锁定状态下
调试振荡器
毫米波两级注入锁定放大器实例
工作频率(GHz) 93.0 93.1 输入功率(mW)
• 网络结构功率合成技术实例 1981年Huanchun Yen, Kai Chang报道的W波段脉冲固态 发射机输出功率达到了63W，采用三级注入锁定放大，其 中末级是4个两管IMPATT功率合成器通过4个混合耦合器 实现8管功率合成，工作频率92.6GHz，脉冲宽度为100ns， 工作比0.5%。
• 毫米波注入锁定放大技术
——一种实现毫米波功率提升的实用技术
将一个稳定度高的小功率振荡源（频率为fi）通过环形器 向一个功率较大的振荡器（频率为fo）注入一定的功率， 当fi和fo接近时，可强迫后者工作于fi，使fo具有稳定度高 的输出信号频率
fi Pi 注入信号源 f0 环形器 隔离器 1 2 雪崩振荡器 3 输出 fi P0
Input T ermination 3dB Hybrid Coupler 2-Diode Combiner 2-Diode Combiner 3dB Hybrid Coupler T ermination Output
4-Way Adaptor
2-Diode Combiner 2-Diode Combiner
FET器件可以用到80GHz 目前在毫米波频率高端（如3mm波段以上）应用最广 泛的还是IMPATT和Gunn这两种负阻器件
负阻器件振荡器的工作原理
I -Z(A) Z( )
负阻振荡器起振后，振荡幅度不可能一直增长，由于负阻 器件的非线性特性，随着振荡幅度增长，负阻|RD|下降。 直到|RD|=r（外接回路损耗电阻）时，达到平衡，实现稳 幅振荡 振荡平衡的幅度条件：[R()-RD(I)]=0 振荡平衡的相位条件：[X()-XD(I)]=0