唐正，吕晓蕊，黄博

（1.湖北交通职业技术学院 交通信息学院，湖北武汉，430079；2.武汉铁路职业技术学院 铁道通信信号与电气化学院，湖北武汉，430205）

0 引言

梳状谱信号源在电子对抗、雷达、频率合成器等领域具有广泛应用。梳状谱产生的方法分为两类：使用高性能数字技术产生所需要的频谱信号。这种方法结构简单，但产生的频谱频率较低、相位噪声差。利用非线性半导体器件，结合选频整形网络产生高频、高质量频谱。该类方法的核心器件是阶跃恢复二极管（Step-Recovery Diode，SRD），电路通过输入低频的基波信号产生高次谐波分量[1～4]。但这种以非线性半导体产生倍频信号的方法阻抗匹配困难，高次谐波功率小且不同阶次的谐波功率相差较大，设计电路与实测电路的测试结果存在较大差异。本文针对这些不足之处，以典型SRD 倍频电路的理论计算为基础，通过ADS 仿真优化，在S 波段设计一款梳状谱发生器。经验证，系统输入频率为100MHz 的基波信号，在0.8～2.5GHz频段上输出梳状谱信号，该段信号的功率大、平坦度好。

1 SRD 倍频原理

SRD 最早是由Moll 等研制的一种半导体器件，其非线性特性是给予少数载流子的贮存效应。SRD 半导体掺杂结构与普通二极管不同，在高掺杂层P+层和N+层之间夹了一层低掺杂的N 层，构成一个缓变结结构，如图1 所示。

图1 SRD 掺杂浓度分布示意图

在正弦波激励下，SRD 呈现与普通二极管不同的电流响应：当在SRD 两端施加正向电压时，阶跃恢复二极管的性能与普通二极管相同，处于导通状态，同时对N 层充电。当二极管端电压由正变为负时，普通二极管会立即截止，而阶跃恢复二极管中N 层存留的电荷返回原处，因此能形成反向电流，这一过程持续的时间为纳秒级，称为少数载流子寿命，该参数决定了电路的输入激励信号频率的下限。当N 层中贮存的电荷消耗完时，阶跃恢复二极管进入截止状态，电流由反向最大减小为零的，该过程持续时间为皮秒级，称为阶跃时间，该参数决定了电路输出信号频率的上限。在反向电流迅速增大和迅速减小的过程中，电路产生高斯谐波分量。

2 梳状谱电路

根据阶跃恢复二极管的倍频原理，本文设计了梳状谱发生电路，电路如图2 所示，电路主要由偏置网络、输入匹配、脉冲发生器3 个部分组成[5～6]。

图2 梳状谱发生器电路

■2.1 偏置网络

偏置网络为SRD 提供一个合适的偏压，使二极管在负电流较大时产生电流阶跃，这样可提高倍频效率。阶跃二极管的偏压有外加偏压和自偏压两种方式，本文采用自偏压方式，自偏压来自SRD 的非线性效应，SRD 非线性产生的直流通过偏压电阻Rb后产生电压降，形成偏置电压，故电路对输入激励信号功率有一定要求。偏置网络中，Cb是隔直电容，其作用是阻止SRD 产生的直流分量影响激励信源；Lb是扼流线圈，其作用是防止高频信号通过偏置网络产生泄露，避免输出信号功率因偏置网络带来的削弱。

■2.2 输入匹配网络

输入匹配网络由Cm、Lm组成，匹配电路的作用是适配信源内阻Rg和脉冲发生器输入阻抗Rin，使激励信号功率最大效率地传输给SRD，提高倍频效率和输出信号功率。同时该网络具有低通滤波作用，扼止脉冲发生器产生的高次谐波反灌入激励信源。

■2.3 脉冲发生器

脉冲发生器部分主要由SRD、激励电感L 和调谐电容Ct组成，是梳状谱发生电路的核心。脉冲发生电路中，L 用于存储和释放能量，L 对电路产生的谐波分量的功率和阶次影响很大，L 越大谐波的功率越大，但倍频效率越低，因此L 的选择需综合考虑谐波功率和倍频效率的需求。Ct用来调谐脉冲发生器的虚阻抗，使脉冲发生器的输入阻抗呈纯阻性，并对除输出频率以外的所有谐波分量构成旁路。

■2.4 梳状谱电路元件值计算

根据项目要求，本文设计一种输入频率为100MHz，输出频率为0.8～2.5GHz 的梳状谱发生器。

2.4.1 阶跃恢复二极管的选择

SRD 的选型主要考虑以下几个参数[7～9]：

（1)节电容

3.强化典型宣传。注重先进模范人物的培养选树，深入开展“忠诚敬业”、“向上海营销公司学习”、“榜样的力量”等活动，选树了一批忠诚宝胜、爱岗敬业、奋发进取、敢于担当的企业正面典型，大力宣传突出贡献的管理人员、优秀班组长、创新创效人才等各类典型的先进事迹和优秀品质，依靠榜样的激励、示范和导向作用，不断汇聚起推动企业加快发展的磅礴力量。每年底开展“两优一先”评选活动，弘扬正气，树立标杆。同时充分利用文化杂志、微信公众号、网站、橱窗、党建文化墙等多种渠道，广泛开展宣传活动，努力营造了学习先进、宣传先进的浓厚氛围。

节电容取Cj的取值影响电路的阻抗匹配和倍频效率，电容的阻抗需满足式(1)。

式中fN是电路输出的最高频率，本文取2.5GHz。经计算，节电容取值应在（3.2pF，6.4pF)区间内。

（2)少数载流子寿命

少数载流子寿命τ，其影响SRD 正偏时电路注入N 区的载流子数量，τ 的设计需满足式(2)。

一般τ⋅2πfin≥ 10，式中fin是输入信号频率，本文取100MHz，少数载流子寿命τ 应大于16ns。

（3)阶跃时间

阶跃时间tt决定了电路输出谐波阶次的上限，tt的设计需满足式(3)。

式中fN是电路输出的最高频率，本文取2.5GHz，阶跃时间tt应小于400ps。

根据以上要求，本文选择MACOM 公司的阶跃恢复二极管MMD0815-A15，其具体参数如表1 所示。

表1 MMD0815-A15主要参数

2.4.2 其他元件的选择

梳状谱发生电路其他元件值的计算公式如下：

按照式(4)～式(8)计算，关键元件值列于表2 中。

表2 梳状谱发生器关键元件理论值

3 ADS 仿真优化

在ADS 仿真软件中搭建梳状谱发生电路，将表1 和表2 的参数导入ADS 仿真电路原理图中，如图3 所示。

图3 梳状谱发生器ADS 仿真电路

仿真结果如图4 所示。

图4 梳状谱发生器ADS 仿真结果

由仿真结果可知，电路输出梳状谱载波功率偏低，以中心频率1.5GHz 为例，其输出功率只有-18dbm，电路需要优化。使用ADS 软件的“OPTIM”和“GOAL”控件，对电路中的核心器件L、Ct、Lm、Cm以及Rb的值进行优化仿真。电路优化后，结果如图5 所示。

图5 梳状谱发生器ADS 优化结果

从仿真结果来看，优化后的梳状谱发生电路在0.8GHz～2.5GHz频带内输出的信号功率较原电路得到大幅提升，电路在1.5GHz频点的信号功率达到-4.2dBm，功率提升14.3dB，达到优化目的。梳状谱发生电路器件的值更新如表3 所示。

表3 梳状谱发生器关键元件优化值

实际电路使用基板材料为FR-4，材料介电常数为3.9，板材厚度0.254mm，信号走线0.5mm 宽度。由于实际电路中寄生参数的影响，以及ADS 仿真中对阶跃二极管MMD0815-A15 的建模存在一定偏差，实际的梳状谱发生器的输出结果和仿真结果有所偏差，但电路调试的趋势基本相同，实际电路的测试结果如图6 所示。

图6 频谱仪实测频谱

4 总结

本文介绍了阶跃二极管倍频的工作原理，基于ADS 仿真设计了一个输入频率为100MHz，输出频率覆盖0.8GHz～2.5GHz 的梳状谱发生器，电路输出信号功率高、波动小，达到预期效果。同时，本文论述的梳状谱发生器的设计方法适用于类似的项目开发，具有较高的推广价值。