步进恢复二极管（SRD）介绍

步进恢复二极管（SRD，也称为snap二极管）利用电容变化来生成谐波。它通过在正向偏置下储存电荷，并在二极管放电时迅速切换到高阻抗状态来实现这一点。通过调整乘法器，使得二极管在反向电流最大时切换，从而在每个激发周期内产生一个大而短暂的电压脉冲。由此产生的脉冲序列富含谐波内容，仅需过滤即可获得谐波输出。SRD乘法器主要用于高功率水平下的高频谐波倍增。一个典型的SRD应用是将几百兆赫兹的输入频率倍增到几吉赫兹的输出频率。步进恢复二极管也被用作需要短脉冲（数量级为几十皮秒）的脉冲发生器，例如快速采样门（例如用于采样示波器）、时域反射仪和低成本脉冲雷达传感器。

为了满足这些要求，SRD必须在正向方向具有高电荷储存能力，在反向方向具有低电容，低串联电阻，并且对于功率应用，具有高反向击穿电压。其切换时间也必须短，因为切换速度决定了其高频操作的上限。为了满足这些要求，SRD必须具有相对较长的电荷储存时间（长复合时间），并且在正向偏置时注入到结中的电荷不能传播得太远，以至于在反向偏置间隔内无法移除。最后，耗尽区不应太宽，否则在高频时会降低乘法器的效率。

SRD具有pin结构，其中i区域是未掺杂（本征）或轻掺杂半导体层。i区域是由p和n区域的重叠形成的，这两个区域都有陡峭的掺杂剖面。这样的剖面创建了一个狭窄的耗尽区和一个强大的内置电场，该电场反对电荷扩散进入结。在正向导通期间，空穴和电子被注入到i区域，在那里它们非常缓慢地复合；因此，i层成为电荷储存区域。当SRD被反向偏置时，i层完全耗尽；由于耗尽宽度包括整个i层，反向电容非常低。i区域还提供了高反向击穿电压。

在微波频率下，硅或GaAs p+n结变容二极管更受青睐。p+n结的直流I/V特性与肖特基势垒的形状相同，耗尽电容表达式也普遍适用，尽管γ ≠ 0.5。p+n二极管具有更大的电容变化，因此在高驱动水平下提供更高的效率。这些特性是由于长的少数载流子寿命，这使得pn结二极管在混频器中无法使用。当结在高频射频周期的正半周期内正向偏置时，电荷被注入到结区域。大部分电荷（由p+区域注入到n区域的空穴组成）没有时间与电子重新结合，因此暂时存储并在射频电流转为负时被移除。这种注入的电荷是储存的，而不是传导的，因此增加了二极管的电容变化。这种现象称为扩散电荷储存。

SRD与变容二极管的主要功能区别在于，SRD几乎完全通过扩散电荷储存来获得其电容变化，而p+n变容二极管的操作依赖于整个正向和反向电压范围内的逐渐电容变化，而不是高度依赖于高扩散电容。

核心速览

本文介绍了一种基于步进恢复二极管（SRD）的宽带皮秒级脉冲发生器的设计与仿真，重点分析了SRD乘法器的性能影响因素，并通过实验验证了模型的准确性。

研究背景

·  研究问题：步进恢复二极管（SRD）在高频电路设计中具有重要应用，但其非线性特性使得精确建模和性能分析变得复杂。本文旨在提出一种改进的SRD模型，并通过仿真和实验验证其在设计宽带脉冲发生器时的准确性和有效性。
·  研究难点：SRD的强非线性特性导致其模型在商业电路仿真软件中难以直接应用。此外，SRD乘法器设计中涉及的谐波平衡分析可能因谐波数量众多而变得复杂，且可能导致电路不稳定，使得收敛性难以保证。
·  文献综述：文章回顾了SRD在频率倍增器、梳状发生器等领域的应用，并指出了现有SRD模型在通用性和准确性方面的局限性。同时，提到了计算机技术与辅助设计工具的发展为电路仿真和优化提供了可能，以实现更精确的设计和最佳性能。

文章内容概述

·  研究目的：本文旨在展示SRD二极管的关键性能特征，这些特征对于乘法器设计的稳定运行和最大效率至关重要。通过开发适用于SRD电路CAD的模型，本文提出了一种改进的SRD模型，并探讨了其在谐波发生器和频率倍增器分析中的应用。
·  研究方法：首先建立了SRD的基本模型，并对其进行了修改。然后，将该模型应用于谐波发生器和频率倍增器的分析中。通过计算机辅助的谐波平衡方法，对SRD乘法器进行了详细研究和优化。
·  实验验证：通过与测量数据的比较，验证了模型能够准确代表SRD脉冲行为。此外，通过设计一个宽带、短脉冲发生器电路，并通过实验验证了其参数，得到了良好的结果。
·  研究结果：文章详细分析了影响SRD性能的因素，如驱动波形、输出频率附近的噪声水平、传输线长度和二极管参数等。通过实验验证了模型的准确性，并成功设计了一个360MHz×19的SRD基梳状发生器，实现了最小功率为-26 dBm在6.840GHz，并获得了小于1ns的脉冲宽度。

结论

本文通过提出一种改进的SRD模型，并通过实验验证了其在设计宽带脉冲发生器时的准确性和有效性，为SRD乘法器的设计提供了新的思路和方法。研究结果表明，通过适当的建模和优化，可以实现高性能的SRD电路设计，为相关领域的研究和应用提供了重要的参考。

SRD模型的建立与验证

·  模型建立：研究者们基于SRD的特性，提出了一种新的SRD模型，该模型考虑了在转换过程中的电压斜坡，使得模型更加精确，并且可以直接应用于商业电路模拟器中。通过提取二极管参数，创建了SRD模型，并描述了延迟线SRD脉冲发生器。
·  模型验证：通过与实验数据的比较，验证了模型能够准确地表示SRD脉冲行为。研究者们分析了影响SRD性能的因素，如驱动波形、输出频率附近的噪声水平、传输线长度和二极管参数，并通过实验验证了设计的宽带短脉冲发生器电路参数。

SRD频率倍增器的设计与仿真

·  设计方法：基于改进的SRD模型，研究者们设计了一个360MHz×19的SRD基梳状发生器，并详细分析了输入匹配电路、脉冲发生器电路和输出匹配电路。通过优化设计，实现了在6.840GHz频率下最小功率为-26dBm，并且脉冲宽度小于1ns。
·  仿真分析：使用ADS软件进行谐波平衡仿真，研究了SRD与滤波器电路之间的传输线长度对谐波内容的影响，并通过实验验证了仿真结果。实验结果表明，通过调整传输线长度，可以有效控制18、19和20次谐波的性能。

实验结果与分析

·  实验装置：使用微带电路和TEMEX生产的DH 543-62陶瓷封装SRD二极管，实现了19×360MHz的SRD频率倍增器。实验中，输入电路用于50欧姆源与二极管低阻抗之间的阻抗匹配，输出电路包括一段传输线、电容和独立的微带带通滤波器。
·  性能测试：通过改变输入功率并记录19次谐波的输出功率，实验结果表明，输入功率高于21dBm时，19次谐波的输出功率几乎饱和，信号噪声比在较高输入功率下得到改善。实验还研究了SRD与输出滤波器电路之间传输线长度对18、19和20次谐波性能的影响。

总体结论

·  研究意义：本研究提出的SRD模型改进方法，提高了SRD频率倍增器CAD的效率和易用性。通过模拟与实验相结合的方法，验证了模型的准确性，并成功设计出性能良好的频率倍增器。
·  应用前景：该设计过程不仅适用于SRD，还可以应用于其他强非线性器件的电路CAD设计。通过这种方法，可以灵活地设置分辨率，对硬件修改要求小，且能更好地利用频谱能量。