核心速览

本文提出了一种改进计算机辅助设计（CAD）步进恢复二极管（SRD）频率倍增器效率的方法，通过适当降低SRD模型的非线性，使得SRD频率倍增器的仿真和优化过程更加简单和快速。

研究背景

·  研究问题：步进恢复二极管（SRD）在高频倍增应用中具有高转换效率，但其非线性特性使得在商业电路仿真器中直接使用理想化模型变得困难。随着集成电路需求的增加，需要更精确的设计方法来开发无法调整的电路。
·  研究难点：SRD在实际电路中并非简单的导通与截止状态之间的开关，其从导通状态到截止状态的转换具有有限的过渡时间，且输入和输出电路之间存在复杂的相互影响。这导致基于Hamilton和Hall方法设计的SRD频率倍增器必须通过实验调整，而无法直接在商业电路仿真器中使用。
·  文献综述：过去SRD频率倍增器的设计主要基于Hamilton和Hall的方法，该方法将SRD简化为理想导体和电容的模型，简化了分析过程。然而，随着计算机技术的发展，仿真和优化电路的需求日益增长，这促使研究者开发出更准确的SRD模型，以便直接用于商业电路仿真器。

SRD模型的非线性

SRD频率倍增器的设计与仿真

STEP-RECOVERY DIODE MULTIPLIERS(阶跃恢复二极管倍频器)

步进恢复二极管（SRD）多级倍频器能够实现高效的高阶频率倍频。其工作原理主要依赖于其非常强的电容非线性，这种非线性几乎完全由电荷存储效应实现。SRD倍频器通过在输入电压的每个周期内生成一个非常快速的电压脉冲来工作；然后将这个脉冲应用到一个滤波器上，将其转换为正弦波输出电压。SRD倍频器不需要辅助振荡器，可以实现大约1/n的转换效率，其中n是谐波数。然而，它们是窄带组件，输出频率通常限制在大约20 GHz以下。

设计SRD倍频器相对直接，最重要的是选择合适的二极管和适当的阻尼因子。例如，设计一个从1 GHz激励产生4 GHz、20 mW输出功率的SRD倍频器时，二极管的复合时间必须长于输入激励的周期，理想脉冲长度是输出频率周期的一半，二极管的过渡时间必须远短于这个理想脉冲长度。

SRD的反向电容Cd的最优值选择是一个有争议的话题，因为选择Cd的标准大多是经验性的。建议的Cd值范围从输出频率下的10或20欧姆到超过这个值的两倍以上；最佳选择可能是介于两者之间的中间值，以提供合理的输入阻抗而不使Vp过大。通过选择Cd = 1.0 pF和ς = 0.5，可以得到一个在脉冲长度（低ς）和稳定性（高ς）之间的良好折衷。

SRD倍频器主要用于高功率水平下的高次谐波倍频。一个典型的SRD应用是将几百MHz的输入频率倍频到几GHz的输出频率。SRD也被用作需要短脉冲（大约几十皮秒）的脉冲发生器，例如快速采样门、时域反射仪和低成本脉冲雷达传感器。

SRD必须具有高正向电荷存储、低反向电容、低串联电阻，并且对于功率应用，需要有高反向击穿电压。其开关时间也必须短，因为开关速度决定了其高频操作的上限。

SRD具有pin结构，其中i区域是未掺杂或轻掺杂半导体层。i区域由p和n区域的重叠形成，这两个区域都有陡峭的掺杂剖面。这种剖面创建了一个狭窄的耗尽区和一个强大的内置电场，这与电荷扩散进入结区相对抗。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区域成为电荷存储区。当SRD反向偏置时，i层完全耗尽，由于包括整个i层的宽耗尽宽度，反向电容非常低。i区域还提供了高反向击穿电压。

在设计SRD倍频器时，需要考虑其反向电容Cd的值，以及如何通过调整直流偏置电压Vdc来确保二极管在最大负电流时刻切换，从而产生所需的脉冲。这涉及到对电路的精确控制和对SRD特性的深入理解。

使用步进恢复二极管（SRD）的脉冲发生器电路关于使用步进恢复二极管（SRD）的脉冲发生器电路，有以下关键信息：

• SRD用于生成谐波，通过在正向偏置下存储电荷，然后在放电时迅速切换到高阻抗状态。
• SRD乘法器主要在高功率水平下用于高次谐波的乘法。
• SRD也可以用作脉冲发生器，用于需要短脉冲（大约几十皮秒）的场合，例如快速采样门、时域反射仪和低成本脉冲雷达传感器。
• SRD必须具有高正向电荷存储能力、低反向电容、低串联电阻，并且在功率应用中具有高反向击穿电压。
• SRD的开关时间必须短，因为开关速度决定了其高频操作的上限。
• SRD具有pin结构，其中i区域是未掺杂或轻掺杂半导体层。
• SRD的正向I/V特性在直流偏置下遵循方程(2.62)，而反向偏置下的结电容可以视为常数。
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• SRD的存储扩散电荷Qs由方程Qs = τI给出，其中τ是材料的复合时间或少数载流子寿命。
• SRD的反向偏置结电容Cs由方程Cs = εA/d给出，其中ε是介电常数，A是结面积，d是耗尽层宽度。根据上述信息，可以推断出SRD脉冲发生器电路的工作原理和设计要求。SRD在正向偏置时存储电荷，在反向偏置时迅速切换到高阻抗状态，产生短脉冲。这些脉冲可以用于各种应用，如快速采样、反射测量和雷达传感。设计时需要考虑SRD的电荷存储能力、电容特性、开关速度和反向击穿电压等因素。
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