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，呈現低阻態，近似短路；反偏時近似等效為一個小電容，呈現高阻態，近似開路。因此,在外加大信號交流電壓的激勵下，階躍二極管呈現兩種阻抗狀態，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 階躍管脈沖發生器的電路結構
    如圖1所示，階躍管脈沖發生器的電路結構主要包含脈沖發生器、偏置電路以及輸入阻抗匹配網絡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，用來調諧脈沖發生器的輸入導納，調諧后脈沖發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]。
    輸入匹配網絡完成激勵源阻抗與脈沖發生器輸入阻抗的匹配，使輸入參考信號的功率有效地加載在SRD上，最大限度地產生極窄的電流脈沖，同時減少由階躍二極管產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生器在脈沖工作情況下對基波呈現的輸入阻抗。
2 階躍管梳狀譜發生器的實現
    本例梳狀譜發生器的設計要求：輸入參考激勵信號頻率為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
    階躍管的主要參數為：反偏電容Cj，階躍時間tt，少數載流子壽命τ，串聯正向傳導電阻Rs，擊穿電壓VB。
    對這些參數的設計要求如下：
    (1)為避免傳輸線對脈沖發生器過載，在50 Ω系統中對階躍管阻抗的要求為：
  

    輸入匹配網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生器電路拓撲的各個元件值，并參照廠家發布的階躍二極管MP4021的參數值對階躍二極管進行建模。給梳狀譜發生器加上如圖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值的優化范圍，可對梳狀譜發生器電路進行優化設計。
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生器進行測試，測試結果如圖6所示。

    本文介紹了梳狀譜發生器的電路原理，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生的寄生參數的影響，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定度和高頻譜純度的需要。
    梳狀譜發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.