階躍恢復二極管（以下簡稱階躍管或SRD）是對PN結材料和結構采取特殊措施而設計的一種變容管或稱電容開關,。加大正偏時的電荷存儲效應,，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)兩種阻抗狀態(tài),，具有電容開關特性[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、電子雷達對抗以及軍事偵查等方面被廣泛應用,。

1 階躍管脈沖發(fā)生器的電路結構
    如圖1所示,，階躍管脈沖發(fā)生器的電路結構主要包含脈沖發(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為調諧電容,，用來調諧脈沖發(fā)生器的輸入導納，調諧后脈沖發(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成旁路，通過適當選擇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)正向傳導電阻Rs，擊穿電壓VB,。
    對這些參數(shù)的設計要求如下：
    (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)絡的另外一種設計方法是利用ADS軟件自帶的工具史密斯圓圖或者設計向導（Design Guide）來進行阻抗匹配。得到的L形匹配網(wǎng)絡的電感和電容值與理論計算的結果相差無幾,，很好地驗證了梳狀譜發(fā)生器電路理論,。電路拓撲如圖3所示，具體設計方法以及仿真結果不再贅述,。

3.2 梳狀譜發(fā)生器電路ADS仿真
    在ADS中建立如圖4所示的電路拓撲,，按照表2中的元件值確定梳狀譜發(fā)生器電路拓撲的各個元件值，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行諧波平衡仿真。仿真的結果如圖5所示,，可以看到,，需要輸出的各個頻率功率均大于-15 dBm，滿足既定的指標要求,。

    以表2中計算得出的元件值為初值,，設定主要元器件參數(shù)值的優(yōu)化范圍，可對梳狀譜發(fā)生器電路進行優(yōu)化設計,。
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中對其進行精確建模,，因此電路元件的實測值與理論計算結果存在一定偏差,。
    使用Agilent E4440頻譜儀對制作的梳狀譜發(fā)生器進行測試，測試結果如圖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,。在實際設計中，如何對階躍二極管進行準確建模以及準確實現(xiàn)電路元件值等內容有待進一步深入研究,。
參考文獻
[1] 薛正輝,，楊仕明，李偉明,，等.微波固態(tài)電路[M].北京：北京理工大學出版社,，2004.
[2] 郭俊棟，張海拓,，周以國.用階躍恢復二極管設計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：江蘇科學技學技術出版社,，1983.