第四章微波振蕩源§4-1概述微波電子器件包括：微波半導(dǎo)體器件和微波真空器件兩大類：1、微波半導(dǎo)體器件：微波二極管(體效應(yīng)二極管，雪崩二極管)，微波晶體管微波二極管：能夠工作于微波波段的各種半導(dǎo)體二極管第四章微波振蕩源1EXP：隧道二極管,點(diǎn)接觸二極管(低噪聲接收器件)體效應(yīng)二極管，雪崩二極管(用于微波功率源)b.微波晶體管：指能工作于微波段的晶體管,微波雙極性晶體管和微波單極性晶體管(微波場效應(yīng)管)2、微波電真空器件：分為兩大類靜態(tài)控制微波管:如超高頻三、四極管(工作原理與低頻類似,僅對低頻電子管縮小尺寸.動態(tài)控制微波管：如速調(diào)管、行波管EXP：隧道二極管,點(diǎn)接觸二極管(低噪聲接收器件)b.微2EXP：速調(diào)管、行波管，其原理與“靜態(tài)控制”完全不同微波管與微波半導(dǎo)體器件是兩種性質(zhì)完全不同的微波電子器件，它們各有特長，也有自己的缺點(diǎn)。微波管：優(yōu)點(diǎn)是頻率高,功率大,效率和增益高,頻帶寬；缺點(diǎn)是體積大制造工藝復(fù)雜,成本高微波半導(dǎo)體器件：優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕,壽命長,制作工藝簡單,成本低.缺點(diǎn)是頻率低,功率不易提高.EXP：速調(diào)管、行波管，其原理與“靜態(tài)控制”完全不同3§4.2速調(diào)管一、微波管工作的基礎(chǔ)－－電子流的能量交換對于任何電子管器件和振蕩器,從能量的觀點(diǎn)看,它所要解決的基本問題,就是借助于運(yùn)動的電子從直流電源獲得一定的能量,使電子加速，轉(zhuǎn)化為電子的動能，然后通過一定的裝置將其動能的一部分轉(zhuǎn)換為高頻場的能量(需放大或振蕩的波)，在這個過程中，電子起著中間能量傳遞著的作用，這一原理是微波管工作的基礎(chǔ)?！?.2速調(diào)管對于任何電子管器件和振蕩器,4任何微波管放大器或振蕩源都必須具有：供給電子能量的直流電源；能產(chǎn)生電子流的裝置；對電子流加速的裝置；對電子流的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行調(diào)制的裝置；能夠?qū)㈦娮恿鞯膭幽苻D(zhuǎn)換給高頻場的裝置.由上述可知：微波管工作的基礎(chǔ)就是電子流與電場的能量交換。在微波管中電場只有直流電源所建立的直流電場和微波信號源建立的高頻交變電場兩種。任何微波管放大器或振蕩源都必須具有：由上述可知5結(jié)論：電子從低電位向高電位運(yùn)動時，電子獲得能量；電子從高電位向低電位運(yùn)動時，電子失去能量。b.電子流與交變電場的能量交換.結(jié)論：電子從低電位向高電位運(yùn)動時，電子獲得能量；電子從高電位6電子流與交變電場電場之間的能量交換，原則上與直流電場時情況相同。電子流在交變電壓的正半周期內(nèi)，受到加速，獲得能量；在交變電壓的負(fù)半周期內(nèi)，受到減速，失去能量，電場的能量增加。如果電子流的密度是均勻的,在整個周期內(nèi)電子流與交變電場沒有能量交換。所以兩者要進(jìn)行有效的能量交換，必須使用密度不均勻的電子流。二、反射速調(diào)管

1、反射速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和組成電子流與交變電場電場之間的能量交換，原7反射速調(diào)管主要由：電子槍、加速柵極、環(huán)形諧振腔、反射極、輸出耦合裝置等幾部分組成：a、陰極：陰極為氧化物旁熱式陰極，用來發(fā)射電子；b、加速柵極：加有直流高壓U0，加速從陰極發(fā)射的電子；c、環(huán)形諧振腔：其兩個壁做成網(wǎng)狀，可以讓電子穿過，上下柵網(wǎng)間有交變電壓，這個交變電壓改變電子的速度----速度調(diào)制；d、反射極：加有比陰極為負(fù)的電壓Ur，產(chǎn)生制動空間，作用是產(chǎn)生密度調(diào)制。e、諧振腔中振蕩的微波能量用耦合裝置輸出。反射速調(diào)管主要由：電子槍、加速柵極、環(huán)形諧振腔8-+Ur+-U0dD反射極加速柵極輸出圖1反射速調(diào)管結(jié)構(gòu)圖陰極聚束極燈絲群聚空間G2G1諧振腔-+Ur+-U0dD反射極加速柵極輸出9

核心問題是通過速度調(diào)制、密度調(diào)制和能量交換過程，將電子從直流電源獲得的能量轉(zhuǎn)換為微波電場的能量。[1].電子從直流電場獲得能量的過程[2].速度調(diào)制過程u加速減速2、工作原理分析t核心問題是通過速度調(diào)制、密度調(diào)制和能量交換過程10[3].密度調(diào)制過程(群聚過程)12345τ3τ2τ1t反射極平面u=Umsinωt柵極[3].密度調(diào)制過程(群聚過程)1211[4].能量交換過程反射極電壓平面柵極G2ttu[4].能量交換過程反射極電壓平面柵極G2ttu12由一般的振蕩器知識可知，產(chǎn)生振蕩須同時滿足以下兩個條件:振幅平衡條件2.相位平衡條件[5].相位平衡條件的討論電子群返回諧振腔的最佳時刻并非一個,只要群聚中心電子的飛行時間滿足如下條件:相位平衡條件意義：表示只要群聚中心電子在u任意一個正半周期最大時刻返回諧振腔都可以有效地交給電場能量，產(chǎn)生振蕩。由一般的振蕩器知識可知，產(chǎn)生振蕩須同時滿足以下兩13上式中，T為高頻場的周期。為了求得電子在群聚空間的飛越時間，由電子的運(yùn)動方程有

其中：D為柵網(wǎng)與反射極之間的距離。設(shè)電子離開時刻t＝0，速度為，則對上式積分可得

當(dāng)v＝0時電子停住，由上式可求得電子運(yùn)動的相應(yīng)時間為

上式中，T為高頻場的周期。為了求得電子在群聚空間的飛越時間14顯然，電子從離開到返回所用的總時間為如上所述，高頻場調(diào)制的結(jié)果使電子離開的速度不同，因而電子的飛越時間也不同，但是它們可同“中心電子”一齊飛回到諧振腔。由于D>>d，

(d為兩柵網(wǎng)間距離，

為高頻電壓幅值)，所以可取

近似等于中心電子的速度

，故有

顯然，電子從離開到返回所用的總時間為15意義：電子將它的最大動能交給速調(diào)管諧振腔應(yīng)滿足以上相位平衡條件，即速度為的一族電子正好落在交變電場的最大處。意義：電子將它的最大動能交給速調(diào)管諧振腔應(yīng)滿足以上相位平衡條16討論:（1）、f,D,U0不變時，改變Ur的值，n取不同的值(n=0,1,2,3……)對應(yīng)不同的振蕩區(qū)；（2）、只有當(dāng)反射極電壓為某些數(shù)值時，群聚電子流才能在合適的時刻返回諧振腔，從而最大限度的交出能量，產(chǎn)生震蕩；而在反射極電壓為另外一些值時，群聚電子流在不利的時刻返回到諧振腔，因而不能產(chǎn)生振蕩。（3）、n越小，飛越時間τ增大，表明反射極電壓Ur的值較小.討論:17圖2反射速調(diào)管的功率特性與頻率特性改變反射極電壓可以過渡到其他振蕩區(qū)。當(dāng)Ur＝0時，電子將落在反射極上而不能返回諧振腔。這一情況必須避免，因為大量電子轟擊反射極，使之發(fā)熱，會影響反射速調(diào)管的壽命。圖2反射速調(diào)管的功率特性與頻率特性18[6]

諧振腔中起始電壓是如何產(chǎn)生的諧振腔中(G1、G2之間)并沒有預(yù)先加上一個交變電壓。我們知道,電子槍發(fā)射的電子流不可能是絕對均勻的.存在散彈噪聲(橫截面上粒子數(shù)的不均勻),這種噪聲含有極豐富的頻率成分,當(dāng)這個電子流通過諧振腔時,會在諧振腔上產(chǎn)生感應(yīng)電流(電子流在腔壁上感應(yīng)出正電荷,當(dāng)電子沿軸向運(yùn)動時,感應(yīng)正電荷也隨之沿腔壁運(yùn)動,感應(yīng)電荷的運(yùn)動形成了感應(yīng)電流。感應(yīng)電流中,含有極豐富的頻率成分,其中,頻率等于諧振腔的諧振頻率的感應(yīng)電流會在諧振腔上建立起感應(yīng)電壓,這個電壓和電子流進(jìn)行速度調(diào)制和能量交換的循環(huán)過程。感應(yīng)電荷[6]諧振腔中起始電壓是如何產(chǎn)生的感應(yīng)電荷193、反射速調(diào)管的調(diào)諧反射速調(diào)管的調(diào)諧有兩種辦法:電子調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧。(1)、電子調(diào)諧：通過改變反射極電壓Ur,從而改變諧振頻率。n越大,電子調(diào)諧的范圍越大,即頻率變化范圍越大,所須的︱Ur︱的變化范圍越小,調(diào)諧越敏感。描述電子調(diào)諧的范圍有兩個:

A.電子調(diào)諧率:指在振蕩區(qū)中心附近,Ur改變1v時,所引起的振蕩頻率的變化量.

B.電子調(diào)諧范圍:振蕩功率下降到最大功率的一半時,兩個半功率點(diǎn)之間的頻率范圍.3、反射速調(diào)管的調(diào)諧20PmaxPmaxf0︱Ur︱︱Ur︱△f反射速調(diào)管的電子調(diào)諧范圍較小，一般為幾十兆赫。圖3反射速調(diào)管的電子調(diào)諧原理PmaxPmaxf0︱Ur︱︱Ur︱△f21反射速調(diào)管具有電子調(diào)諧特性是一個很大的優(yōu)點(diǎn)：除了不需要電源供給功率外，用電子調(diào)諧來改變反射速調(diào)管的頻率是無慣性的，因而可作為精確而又無慣性地控制頻率的一種手段。電子調(diào)諧也有缺點(diǎn)：當(dāng)反射極或加速極電壓由于直流電源的不穩(wěn)定而發(fā)生變化時將引起不希望有的頻率變化，因而反射速調(diào)管需要有高穩(wěn)定度的電源。反射速調(diào)管具有電子調(diào)諧特性是一個很大的優(yōu)點(diǎn)：除了不需要電源供22(2)、機(jī)械調(diào)諧：反射速調(diào)管的振蕩頻率主要決定于環(huán)形諧振腔的頻率。因此，欲改變反射速調(diào)管的頻率，可通過改變諧振腔的形狀或尺寸來實現(xiàn)。這種改變頻率的方法叫做機(jī)械調(diào)諧。機(jī)械調(diào)諧的范圍比電子調(diào)諧的范圍大得多。

反射速調(diào)管的結(jié)構(gòu)與機(jī)械諧調(diào)的方式有關(guān)。圖4

為一工作在10cm

波段的反射速調(diào)管。由于它的諧振腔（圖中未畫出）裝在玻璃管殼外面，可以拆卸，故稱為外腔式反射速調(diào)管。(2)、機(jī)械調(diào)諧：反射速調(diào)管的振蕩頻率主要決定于環(huán)形諧振腔的23圖4外腔式反射速調(diào)管圖4外腔式反射速調(diào)管24圖5內(nèi)腔式反射速調(diào)管圖5內(nèi)腔式反射速調(diào)管25圖5所示為波導(dǎo)輸出和同軸輸出的內(nèi)腔式反射速調(diào)管。由于它的諧振腔很小，可裝在金屬殼內(nèi)部，所以叫內(nèi)腔式反射速調(diào)管。內(nèi)腔式反射速調(diào)管的諧振腔內(nèi)有一耦合環(huán)，通過一段同軸線伸出到管殼的外部以輸出功率。由于這種反射速調(diào)管工作頻率高，諧振腔尺寸小，只需要微小地改變尺寸就可以使振蕩頻率有很大的變化。因此，它用了兩個彎成弧形的彈簧片合在一起，簧片的下部固定在管殼上，上端與諧振腔的彈性薄膜壁相連，簧片中部加有螺絲。調(diào)節(jié)兩個簧片之間的距離即可使簧片伸長或縮短，其上端帶動諧振腔的薄膜壁，通過杠桿作用使諧振腔變形而改變頻率。圖5所示為波導(dǎo)輸出和同軸輸出的內(nèi)腔式反射速調(diào)264、反射速調(diào)管振蕩器

圖

6反射速調(diào)管振蕩器方框圖4、反射速調(diào)管振蕩器圖6反射27圖6所示是一個

3

cm波段的反射速調(diào)管振蕩器的方框圖。圖中，電子穩(wěn)壓器供給反射速調(diào)管各極所需的穩(wěn)定的直流電壓，速調(diào)管產(chǎn)生的微波振蕩經(jīng)衰減器（用以控制能量、去耦）輸出。部分功率經(jīng)定向耦合器至波長計以測量波長，再經(jīng)檢波器至微安表以作指示。反射速調(diào)管振蕩器有連續(xù)工作狀態(tài)和調(diào)制工作狀態(tài)兩種方式。在連續(xù)工作狀態(tài)時，反射極不加調(diào)制，其電壓為恒定的直流電壓，輸出為連續(xù)振蕩波形。這時反射極電壓應(yīng)選擇在最大振蕩區(qū)的中心，以得到穩(wěn)定的幅度和最大的功率輸出。圖6所示是一個3cm波段的反射速調(diào)管285、反射速調(diào)管的調(diào)制工作狀態(tài)

反射速調(diào)管的調(diào)制工作狀態(tài)是在反射極直流電壓的基礎(chǔ)上加調(diào)制電壓，常用的調(diào)制方式有幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。前者采用方波調(diào)制，后者采用鋸齒波調(diào)制。幅度調(diào)制和頻率調(diào)制的特性如圖7和

圖8

所示。理想的工作狀態(tài)不希望同時發(fā)生多種調(diào)制。例如，方波的前沿要足夠陡才能得到單一的幅度調(diào)制。5、反射速調(diào)管的調(diào)制工作狀態(tài)29[1]幅度調(diào)制ttPPfff0-Ur圖7

反射速調(diào)管的幅度調(diào)制特性[1]幅度調(diào)制ttPPfff0-Ur圖7反射速調(diào)管的30t

tf[2]頻率調(diào)制伴隨小的幅度調(diào)制PPff0-UrPf1f01f2圖8

反射速調(diào)管的頻率調(diào)制特性ttf[2]頻率調(diào)制伴隨小的幅度調(diào)制PPff31三、多腔速調(diào)管簡介U0輸入信號產(chǎn)生速度調(diào)制輸出(能量交換)漂移空間(密度調(diào)制)圖9

多腔速調(diào)管加速柵極三、多腔速調(diào)管簡介U0輸入信號輸出(能量交換)漂32§4-3體效應(yīng)二極管振蕩器1、體效應(yīng)：指在砷化鎵(GaAs)等一類導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)中有多能谷的半導(dǎo)體,當(dāng)其中的外加電場大于某一臨界值時,低能谷中遷移率較大的電子轉(zhuǎn)移到遷移率較小高能谷中,從而出現(xiàn)微分負(fù)阻現(xiàn)象----體效應(yīng).根據(jù)體效應(yīng)制成的電子器件,稱為轉(zhuǎn)移電子器件.2、基本工作原理§4-3體效應(yīng)二極管振蕩器1、體效應(yīng)：指在砷化鎵(GaA33禁帶

導(dǎo)帶砷化鎵(GaAs)能帶結(jié)構(gòu)和負(fù)的微分遷移率有些半導(dǎo)體的導(dǎo)帶有高低不同的幾個能谷,能量最低的能谷叫主能谷,其余叫子能谷.價帶圖10n型砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)禁帶導(dǎo)帶砷化鎵(GaAs)能帶結(jié)構(gòu)和負(fù)的微分遷移率價帶圖34這種多能谷結(jié)構(gòu)，如圖10所示，在中間主能谷（低能谷）周圍對稱地分布著六個子能谷（高能谷，圖中只畫了兩個子能谷表示）。主能谷對應(yīng)于下導(dǎo)帶，子能谷對應(yīng)于上導(dǎo)帶，上、下導(dǎo)帶的能量差是0.36eV，處于子能谷的電子有有效質(zhì)量大，遷移率小，稱為慢電子或重電子。通常導(dǎo)帶中的電子處于能量較低的主能谷，但受到激發(fā)時能躍入能量高的子能谷，這一過程稱為越谷效應(yīng)。當(dāng)外加電場超過某一最低值（閾值電場）時，導(dǎo)帶中的部分電子受電場能量的激發(fā)由主能谷躍入子能谷，隨之遷移率變小，速度下降，出現(xiàn)負(fù)的微分遷移率。由于流過樣品的電流與電子的平均速度成正比，而局部電場又與外加電壓成正比，所以伏安特性出現(xiàn)了負(fù)阻區(qū)，如圖12所示：

這種多能谷結(jié)構(gòu)，如圖10所示，在中35圖12n型砷化鎵的伏安特性ⅠⅡⅢ電子總體平均速度vEthEb｜E｜(kv/cm)圖11電子的平均速度與外加電場的關(guān)系在Eb>｜E｜>Eth區(qū)域內(nèi)，電子速度隨｜E｜的增加而下降，導(dǎo)致負(fù)的微分遷移率：ⅠⅡⅢ電子總體平均速度v363、體效應(yīng)二極管的結(jié)構(gòu)

耿氏二級管是在

n+型（重?fù)诫s）砷化鎵襯底上外延一層

n

型砷化鎵，再沉積一層金屬作陰極,而襯底作為陽極而構(gòu)成，其構(gòu)造和外形如圖13

所示。圖13

耿氏二極管的構(gòu)造與外形3、體效應(yīng)二極管的結(jié)構(gòu)

耿氏二級管是在37當(dāng)外加于樣品兩端的電壓使樣品體內(nèi)的電場超過閾值電場時，由于砷化鎵外延層的接觸電阻及

n

區(qū)材料的不均勻，在陰極附近的某一層（如圖中AB層）的電阻率比其余部分高，因而該處的電場比其它部分強(qiáng)而首先超過閾值，電子發(fā)生能谷轉(zhuǎn)移，速度降低。圖14

偶極子疇的形成與渡越4、微波振蕩產(chǎn)生的過程當(dāng)外加于樣品兩端的電壓使樣品體內(nèi)的電場超過閾值電場時38在圖14

(a)中AA'截面右側(cè)是遷移率大的快電子，而左側(cè)電子速度變慢，于是AA'截面因電子離去而呈現(xiàn)正電荷的積累。在BB'

截面的情況則相反，右側(cè)電子的運(yùn)動速度慢，而左側(cè)電子的運(yùn)動速度較快，于是在BB'截面上呈現(xiàn)負(fù)電荷的積累。這些空間電荷的積累構(gòu)成了“偶極子疇”。同時造成一附加電場，其方向與外加電場相造同，使簿層內(nèi)的電場大于層外的電場，如圖14(b)所示。但是，疇內(nèi)空間電荷的積累和電場的增強(qiáng)不是無止境的，這是因為外加電壓是固定的，在偶極子疇形成的同時，疇外電場必然減弱，從而使電子速度減小。當(dāng)疇內(nèi)外電子平均速度相等時，疇內(nèi)空間電荷的積累和電場的變化勢必停止。在圖14(a)中AA'截面右側(cè)是遷移39在靜電場的作用下，偶極子疇一邊形成并長大，一邊向陽極運(yùn)動。當(dāng)偶極子疇完全形成而達(dá)到穩(wěn)定，它的運(yùn)動速度等于疇外電子的平均速度，最后消失在陽極處。緊接著陰極附近又會出現(xiàn)一個新的疇，如此循環(huán)不已，

形成了振蕩電流。

偶極子疇的振蕩電流波形如圖15所示。當(dāng)電壓剛加上時，樣品內(nèi)的電場很高，電子漂移速度大,所以流過的電流較大，如圖中OA段所示，接著高頻場開始建立，疇外電場減弱，電子速度相應(yīng)減小，于是流過樣品的電流減小，如圖中AB段所示。在疇穩(wěn)定后的渡越時間內(nèi)電流保持一最小值，如圖中BC段所示。疇到達(dá)陽極消失后，體內(nèi)電場又上升，電流又增大，如圖中CD'段所示。在靜電場的作用下，偶極子疇一邊形成并長大，一40圖15偶極子疇的振蕩電流波形這樣，電流包含一次次脈沖，脈沖重復(fù)周期是偶極子疇從陰極到陽極的渡越時間（包括疇的建立和消失過程）。如果外加電場足夠高，偶極子疇將以電子飽和漂移速度向陽極運(yùn)動，在外加電場大于閾值電場后，繼續(xù)增加電場，最后電子漂移速度不隨電場增加而變化，電子的這一速度稱為飽和漂移速度，其值為。在樣品長為

l

時，則脈沖的周期和頻率分別為:圖15偶極子疇的振蕩電流波形41

5、體效應(yīng)二極管振蕩器電路路兩部分組成，其等效電路如圖16

所示。圖中是電場超過閾值后管子所呈現(xiàn)的負(fù)阻，是管子有源區(qū)電容,是管殼分布電容，是引線電感，、C和

L

是外電路的等效參量。

圖

16

體效應(yīng)二極管振

蕩器的等效電路體效應(yīng)二極管振蕩器由體效應(yīng)二極管和外電其中，外電路可用同軸線、微帶和波導(dǎo)等多種形式。5、體效應(yīng)二極管振蕩器電路路兩部分組成，其等效電體效應(yīng)二極42(1).同軸腔振蕩器一種同軸腔振蕩器的結(jié)構(gòu)如圖

17

所示。

二極管安裝在同軸腔底部的散熱塊上，散熱塊和腔體其他部分之間用高頻旁路電容隔斷，以便直流偏壓從這里引入。調(diào)節(jié)同軸腔短路活塞可以改變振蕩頻率。振蕩功率通過耦合環(huán)耦合輸出。同軸腔振圖17

同軸腔振蕩器蕩器的調(diào)諧范圍較寬，可達(dá)一個倍頻程以上，但電路損耗較大，頻率高時結(jié)構(gòu)設(shè)計困難，一般只適用于厘米波段。(1).同軸腔振蕩器蕩器的調(diào)諧范圍較寬，可達(dá)一個倍頻程以43(2).波導(dǎo)腔振蕩器

一種波導(dǎo)腔振蕩器示于圖

18。由于體效應(yīng)二極管的阻抗低，為了匹配采用一段脊形波導(dǎo)與漸變段。振蕩頻率和輸出功率可由短路活塞和滑動螺釘調(diào)匹器來調(diào)節(jié)。圖18波導(dǎo)腔振蕩器(2).波導(dǎo)腔振蕩器圖18波導(dǎo)腔振蕩44(3).微帶振蕩器一種微帶振蕩器示于圖19中。二極管并聯(lián)在

微帶線上，其右邊是一段起調(diào)諧作用的微帶開路線，直流偏壓通過低通濾波器引入。微帶振蕩器結(jié)構(gòu)簡單，制作方便，但因損耗大，只適合在較低的微波頻率下工作，而且一般只作為小功率源。這種振蕩器的另一個缺點(diǎn)是不便于調(diào)諧。圖19微帶振蕩器(3).微帶振蕩器一種微帶振蕩器示于圖145二、雪崩二極管振蕩器的基本特性及工作原理N+PIP+漂移區(qū)雪崩區(qū)二、雪崩二極管振蕩器的基本特性及工作原理N+P4604微波技術(shù)第4章微波振蕩源課件47第四章微波振蕩源§4-1概述微波電子器件包括：微波半導(dǎo)體器件和微波真空器件兩大類：1、微波半導(dǎo)體器件：微波二極管(體效應(yīng)二極管，雪崩二極管)，微波晶體管微波二極管：能夠工作于微波波段的各種半導(dǎo)體二極管第四章微波振蕩源48EXP：隧道二極管,點(diǎn)接觸二極管(低噪聲接收器件)體效應(yīng)二極管，雪崩二極管(用于微波功率源)b.微波晶體管：指能工作于微波段的晶體管,微波雙極性晶體管和微波單極性晶體管(微波場效應(yīng)管)2、微波電真空器件：分為兩大類靜態(tài)控制微波管:如超高頻三、四極管(工作原理與低頻類似,僅對低頻電子管縮小尺寸.動態(tài)控制微波管：如速調(diào)管、行波管EXP：隧道二極管,點(diǎn)接觸二極管(低噪聲接收器件)b.微49EXP：速調(diào)管、行波管，其原理與“靜態(tài)控制”完全不同微波管與微波半導(dǎo)體器件是兩種性質(zhì)完全不同的微波電子器件，它們各有特長，也有自己的缺點(diǎn)。微波管：優(yōu)點(diǎn)是頻率高,功率大,效率和增益高,頻帶寬；缺點(diǎn)是體積大制造工藝復(fù)雜,成本高微波半導(dǎo)體器件：優(yōu)點(diǎn)是體積小,重量輕,壽命長,制作工藝簡單,成本低.缺點(diǎn)是頻率低,功率不易提高.EXP：速調(diào)管、行波管，其原理與“靜態(tài)控制”完全不同50§4.2速調(diào)管一、微波管工作的基礎(chǔ)－－電子流的能量交換對于任何電子管器件和振蕩器,從能量的觀點(diǎn)看,它所要解決的基本問題,就是借助于運(yùn)動的電子從直流電源獲得一定的能量,使電子加速，轉(zhuǎn)化為電子的動能，然后通過一定的裝置將其動能的一部分轉(zhuǎn)換為高頻場的能量(需放大或振蕩的波)，在這個過程中，電子起著中間能量傳遞著的作用，這一原理是微波管工作的基礎(chǔ)?！?.2速調(diào)管對于任何電子管器件和振蕩器,51任何微波管放大器或振蕩源都必須具有：供給電子能量的直流電源；能產(chǎn)生電子流的裝置；對電子流加速的裝置；對電子流的運(yùn)動規(guī)律進(jìn)行調(diào)制的裝置；能夠?qū)㈦娮恿鞯膭幽苻D(zhuǎn)換給高頻場的裝置.由上述可知：微波管工作的基礎(chǔ)就是電子流與電場的能量交換。在微波管中電場只有直流電源所建立的直流電場和微波信號源建立的高頻交變電場兩種。任何微波管放大器或振蕩源都必須具有：由上述可知52結(jié)論：電子從低電位向高電位運(yùn)動時，電子獲得能量；電子從高電位向低電位運(yùn)動時，電子失去能量。b.電子流與交變電場的能量交換.結(jié)論：電子從低電位向高電位運(yùn)動時，電子獲得能量；電子從高電位53電子流與交變電場電場之間的能量交換，原則上與直流電場時情況相同。電子流在交變電壓的正半周期內(nèi)，受到加速，獲得能量；在交變電壓的負(fù)半周期內(nèi)，受到減速，失去能量，電場的能量增加。如果電子流的密度是均勻的,在整個周期內(nèi)電子流與交變電場沒有能量交換。所以兩者要進(jìn)行有效的能量交換，必須使用密度不均勻的電子流。二、反射速調(diào)管

1、反射速調(diào)管的結(jié)構(gòu)和組成電子流與交變電場電場之間的能量交換，原54反射速調(diào)管主要由：電子槍、加速柵極、環(huán)形諧振腔、反射極、輸出耦合裝置等幾部分組成：a、陰極：陰極為氧化物旁熱式陰極，用來發(fā)射電子；b、加速柵極：加有直流高壓U0，加速從陰極發(fā)射的電子；c、環(huán)形諧振腔：其兩個壁做成網(wǎng)狀，可以讓電子穿過，上下柵網(wǎng)間有交變電壓，這個交變電壓改變電子的速度----速度調(diào)制；d、反射極：加有比陰極為負(fù)的電壓Ur，產(chǎn)生制動空間，作用是產(chǎn)生密度調(diào)制。e、諧振腔中振蕩的微波能量用耦合裝置輸出。反射速調(diào)管主要由：電子槍、加速柵極、環(huán)形諧振腔55-+Ur+-U0dD反射極加速柵極輸出圖1反射速調(diào)管結(jié)構(gòu)圖陰極聚束極燈絲群聚空間G2G1諧振腔-+Ur+-U0dD反射極加速柵極輸出56

核心問題是通過速度調(diào)制、密度調(diào)制和能量交換過程，將電子從直流電源獲得的能量轉(zhuǎn)換為微波電場的能量。[1].電子從直流電場獲得能量的過程[2].速度調(diào)制過程u加速減速2、工作原理分析t核心問題是通過速度調(diào)制、密度調(diào)制和能量交換過程57[3].密度調(diào)制過程(群聚過程)12345τ3τ2τ1t反射極平面u=Umsinωt柵極[3].密度調(diào)制過程(群聚過程)1258[4].能量交換過程反射極電壓平面柵極G2ttu[4].能量交換過程反射極電壓平面柵極G2ttu59由一般的振蕩器知識可知，產(chǎn)生振蕩須同時滿足以下兩個條件:振幅平衡條件2.相位平衡條件[5].相位平衡條件的討論電子群返回諧振腔的最佳時刻并非一個,只要群聚中心電子的飛行時間滿足如下條件:相位平衡條件意義：表示只要群聚中心電子在u任意一個正半周期最大時刻返回諧振腔都可以有效地交給電場能量，產(chǎn)生振蕩。由一般的振蕩器知識可知，產(chǎn)生振蕩須同時滿足以下兩60上式中，T為高頻場的周期。為了求得電子在群聚空間的飛越時間，由電子的運(yùn)動方程有

其中：D為柵網(wǎng)與反射極之間的距離。設(shè)電子離開時刻t＝0，速度為，則對上式積分可得

當(dāng)v＝0時電子停住，由上式可求得電子運(yùn)動的相應(yīng)時間為

上式中，T為高頻場的周期。為了求得電子在群聚空間的飛越時間61顯然，電子從離開到返回所用的總時間為如上所述，高頻場調(diào)制的結(jié)果使電子離開的速度不同，因而電子的飛越時間也不同，但是它們可同“中心電子”一齊飛回到諧振腔。由于D>>d，

(d為兩柵網(wǎng)間距離，

為高頻電壓幅值)，所以可取

近似等于中心電子的速度

，故有

顯然，電子從離開到返回所用的總時間為62意義：電子將它的最大動能交給速調(diào)管諧振腔應(yīng)滿足以上相位平衡條件，即速度為的一族電子正好落在交變電場的最大處。意義：電子將它的最大動能交給速調(diào)管諧振腔應(yīng)滿足以上相位平衡條63討論:（1）、f,D,U0不變時，改變Ur的值，n取不同的值(n=0,1,2,3……)對應(yīng)不同的振蕩區(qū)；（2）、只有當(dāng)反射極電壓為某些數(shù)值時，群聚電子流才能在合適的時刻返回諧振腔，從而最大限度的交出能量，產(chǎn)生震蕩；而在反射極電壓為另外一些值時，群聚電子流在不利的時刻返回到諧振腔，因而不能產(chǎn)生振蕩。（3）、n越小，飛越時間τ增大，表明反射極電壓Ur的值較小.討論:64圖2反射速調(diào)管的功率特性與頻率特性改變反射極電壓可以過渡到其他振蕩區(qū)。當(dāng)Ur＝0時，電子將落在反射極上而不能返回諧振腔。這一情況必須避免，因為大量電子轟擊反射極，使之發(fā)熱，會影響反射速調(diào)管的壽命。圖2反射速調(diào)管的功率特性與頻率特性65[6]

諧振腔中起始電壓是如何產(chǎn)生的諧振腔中(G1、G2之間)并沒有預(yù)先加上一個交變電壓。我們知道,電子槍發(fā)射的電子流不可能是絕對均勻的.存在散彈噪聲(橫截面上粒子數(shù)的不均勻),這種噪聲含有極豐富的頻率成分,當(dāng)這個電子流通過諧振腔時,會在諧振腔上產(chǎn)生感應(yīng)電流(電子流在腔壁上感應(yīng)出正電荷,當(dāng)電子沿軸向運(yùn)動時,感應(yīng)正電荷也隨之沿腔壁運(yùn)動,感應(yīng)電荷的運(yùn)動形成了感應(yīng)電流。感應(yīng)電流中,含有極豐富的頻率成分,其中,頻率等于諧振腔的諧振頻率的感應(yīng)電流會在諧振腔上建立起感應(yīng)電壓,這個電壓和電子流進(jìn)行速度調(diào)制和能量交換的循環(huán)過程。感應(yīng)電荷[6]諧振腔中起始電壓是如何產(chǎn)生的感應(yīng)電荷663、反射速調(diào)管的調(diào)諧反射速調(diào)管的調(diào)諧有兩種辦法:電子調(diào)諧和機(jī)械調(diào)諧。(1)、電子調(diào)諧：通過改變反射極電壓Ur,從而改變諧振頻率。n越大,電子調(diào)諧的范圍越大,即頻率變化范圍越大,所須的︱Ur︱的變化范圍越小,調(diào)諧越敏感。描述電子調(diào)諧的范圍有兩個:

A.電子調(diào)諧率:指在振蕩區(qū)中心附近,Ur改變1v時,所引起的振蕩頻率的變化量.

B.電子調(diào)諧范圍:振蕩功率下降到最大功率的一半時,兩個半功率點(diǎn)之間的頻率范圍.3、反射速調(diào)管的調(diào)諧67PmaxPmaxf0︱Ur︱︱Ur︱△f反射速調(diào)管的電子調(diào)諧范圍較小，一般為幾十兆赫。圖3反射速調(diào)管的電子調(diào)諧原理PmaxPmaxf0︱Ur︱︱Ur︱△f68反射速調(diào)管具有電子調(diào)諧特性是一個很大的優(yōu)點(diǎn)：除了不需要電源供給功率外，用電子調(diào)諧來改變反射速調(diào)管的頻率是無慣性的，因而可作為精確而又無慣性地控制頻率的一種手段。電子調(diào)諧也有缺點(diǎn)：當(dāng)反射極或加速極電壓由于直流電源的不穩(wěn)定而發(fā)生變化時將引起不希望有的頻率變化，因而反射速調(diào)管需要有高穩(wěn)定度的電源。反射速調(diào)管具有電子調(diào)諧特性是一個很大的優(yōu)點(diǎn)：除了不需要電源供69(2)、機(jī)械調(diào)諧：反射速調(diào)管的振蕩頻率主要決定于環(huán)形諧振腔的頻率。因此，欲改變反射速調(diào)管的頻率，可通過改變諧振腔的形狀或尺寸來實現(xiàn)。這種改變頻率的方法叫做機(jī)械調(diào)諧。機(jī)械調(diào)諧的范圍比電子調(diào)諧的范圍大得多。

反射速調(diào)管的結(jié)構(gòu)與機(jī)械諧調(diào)的方式有關(guān)。圖4

為一工作在10cm

波段的反射速調(diào)管。由于它的諧振腔（圖中未畫出）裝在玻璃管殼外面，可以拆卸，故稱為外腔式反射速調(diào)管。(2)、機(jī)械調(diào)諧：反射速調(diào)管的振蕩頻率主要決定于環(huán)形諧振腔的70圖4外腔式反射速調(diào)管圖4外腔式反射速調(diào)管71圖5內(nèi)腔式反射速調(diào)管圖5內(nèi)腔式反射速調(diào)管72圖5所示為波導(dǎo)輸出和同軸輸出的內(nèi)腔式反射速調(diào)管。由于它的諧振腔很小，可裝在金屬殼內(nèi)部，所以叫內(nèi)腔式反射速調(diào)管。內(nèi)腔式反射速調(diào)管的諧振腔內(nèi)有一耦合環(huán)，通過一段同軸線伸出到管殼的外部以輸出功率。由于這種反射速調(diào)管工作頻率高，諧振腔尺寸小，只需要微小地改變尺寸就可以使振蕩頻率有很大的變化。因此，它用了兩個彎成弧形的彈簧片合在一起，簧片的下部固定在管殼上，上端與諧振腔的彈性薄膜壁相連，簧片中部加有螺絲。調(diào)節(jié)兩個簧片之間的距離即可使簧片伸長或縮短，其上端帶動諧振腔的薄膜壁，通過杠桿作用使諧振腔變形而改變頻率。圖5所示為波導(dǎo)輸出和同軸輸出的內(nèi)腔式反射速調(diào)734、反射速調(diào)管振蕩器

圖

6反射速調(diào)管振蕩器方框圖4、反射速調(diào)管振蕩器圖6反射74圖6所示是一個

3

cm波段的反射速調(diào)管振蕩器的方框圖。圖中，電子穩(wěn)壓器供給反射速調(diào)管各極所需的穩(wěn)定的直流電壓，速調(diào)管產(chǎn)生的微波振蕩經(jīng)衰減器（用以控制能量、去耦）輸出。部分功率經(jīng)定向耦合器至波長計以測量波長，再經(jīng)檢波器至微安表以作指示。反射速調(diào)管振蕩器有連續(xù)工作狀態(tài)和調(diào)制工作狀態(tài)兩種方式。在連續(xù)工作狀態(tài)時，反射極不加調(diào)制，其電壓為恒定的直流電壓，輸出為連續(xù)振蕩波形。這時反射極電壓應(yīng)選擇在最大振蕩區(qū)的中心，以得到穩(wěn)定的幅度和最大的功率輸出。圖6所示是一個3cm波段的反射速調(diào)管755、反射速調(diào)管的調(diào)制工作狀態(tài)

反射速調(diào)管的調(diào)制工作狀態(tài)是在反射極直流電壓的基礎(chǔ)上加調(diào)制電壓，常用的調(diào)制方式有幅度調(diào)制和頻率調(diào)制。前者采用方波調(diào)制，后者采用鋸齒波調(diào)制。幅度調(diào)制和頻率調(diào)制的特性如圖7和

圖8

所示。理想的工作狀態(tài)不希望同時發(fā)生多種調(diào)制。例如，方波的前沿要足夠陡才能得到單一的幅度調(diào)制。5、反射速調(diào)管的調(diào)制工作狀態(tài)76[1]幅度調(diào)制ttPPfff0-Ur圖7

反射速調(diào)管的幅度調(diào)制特性[1]幅度調(diào)制ttPPfff0-Ur圖7反射速調(diào)管的77t

tf[2]頻率調(diào)制伴隨小的幅度調(diào)制PPff0-UrPf1f01f2圖8

反射速調(diào)管的頻率調(diào)制特性ttf[2]頻率調(diào)制伴隨小的幅度調(diào)制PPff78三、多腔速調(diào)管簡介U0輸入信號產(chǎn)生速度調(diào)制輸出(能量交換)漂移空間(密度調(diào)制)圖9

多腔速調(diào)管加速柵極三、多腔速調(diào)管簡介U0輸入信號輸出(能量交換)漂79§4-3體效應(yīng)二極管振蕩器1、體效應(yīng)：指在砷化鎵(GaAs)等一類導(dǎo)帶結(jié)構(gòu)中有多能谷的半導(dǎo)體,當(dāng)其中的外加電場大于某一臨界值時,低能谷中遷移率較大的電子轉(zhuǎn)移到遷移率較小高能谷中,從而出現(xiàn)微分負(fù)阻現(xiàn)象----體效應(yīng).根據(jù)體效應(yīng)制成的電子器件,稱為轉(zhuǎn)移電子器件.2、基本工作原理§4-3體效應(yīng)二極管振蕩器1、體效應(yīng)：指在砷化鎵(GaA80禁帶

導(dǎo)帶砷化鎵(GaAs)能帶結(jié)構(gòu)和負(fù)的微分遷移率有些半導(dǎo)體的導(dǎo)帶有高低不同的幾個能谷,能量最低的能谷叫主能谷,其余叫子能谷.價帶圖10n型砷化鎵的能帶結(jié)構(gòu)禁帶導(dǎo)帶砷化鎵(GaAs)能帶結(jié)構(gòu)和負(fù)的微分遷移率價帶圖81這種多能谷結(jié)構(gòu)，如圖10所示，在中間主能谷（低能谷）周圍對稱地分布著六個子能谷（高能谷，圖中只畫了兩個子能谷表示）。主能谷對應(yīng)于下導(dǎo)帶，子能谷對應(yīng)于上導(dǎo)帶，上、下導(dǎo)帶的能量差是0.36eV，處于子能谷的電子有有效質(zhì)量大，遷移率小，稱為慢電子或重電子。通常導(dǎo)帶中的電子處于能量較低的主能谷，但受到激發(fā)時能躍入能量高的子能谷，這一過程稱為越谷效應(yīng)。當(dāng)外加電場超過某一最低值（閾值電場）時，導(dǎo)帶中的部分電子受電場能量的激發(fā)由主能谷躍入子能谷，隨之遷移率變小，速度下降，出現(xiàn)負(fù)的微分遷移率。由于流過樣品的電流與電子的平均速度成正比，而局部電場又與外加電壓成正比，所以伏安特性出現(xiàn)了負(fù)阻區(qū)，如圖12所示：

這種多能谷結(jié)構(gòu)，如圖10所示，在中82圖12n型砷化鎵的伏安特性ⅠⅡⅢ電子總體平均速度vEthEb｜E｜(kv/cm)圖11電子的平均速度與外加電場的關(guān)系在Eb>｜E｜>Eth區(qū)域內(nèi)，電子速度隨｜E｜的增加而下降，導(dǎo)致負(fù)的微分遷移率：ⅠⅡⅢ電子總體平均速度v833、體效應(yīng)二極管的結(jié)構(gòu)

耿氏二級管是在

n+型（重?fù)诫s）砷化鎵襯底上外延一層

n

型砷化鎵，再沉積一層金屬作陰極,而襯底作為陽極而構(gòu)成，其構(gòu)造和外形如圖13

所示。圖13

耿氏二極管的構(gòu)造與外形3、體效應(yīng)二極管的結(jié)構(gòu)

耿氏二級管是在84當(dāng)外加于樣品兩端的電壓使樣品體內(nèi)的電場超過閾值電場時，由于砷化鎵外延層的接觸電阻及

n

區(qū)材料的不均勻，在陰極附近的某一層（如圖中AB層）的電阻率比其余部分高，因而該處的電場比其它部分強(qiáng)而首先超過閾值，電子發(fā)生能谷轉(zhuǎn)移，速度降低。圖14

偶極子疇的形成與渡越4、微波振蕩產(chǎn)生的過程當(dāng)外加于樣品兩端的電壓使樣品體內(nèi)的電場超過閾值電場時85在圖14

(a)中AA'截面右側(cè)是遷移率大的快電子，而左側(cè)電子速度變慢，于是AA'截面因電子離去而呈現(xiàn)正電荷的積累。在BB'

截面的情況則相反，右側(cè)電子的運(yùn)動速度慢，而左側(cè)電子的運(yùn)動速度較快，于是在BB'截面上呈現(xiàn)負(fù)電荷的積累。這些空間電荷的積累構(gòu)成了“偶極子疇”。同時造成一附加電場，其方向與外加電場相造同，使簿層內(nèi)的電場大于層外的電場，如圖14(b)所示。但是，疇內(nèi)空間電荷的積累和電場的增強(qiáng)不是無止境的，這是因為外加電壓是固定的