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摘要：空空导弹中的高频电子组件主要用于雷达导引头或引信，其产生高频探测信号并通过发送探测信号来获取目标信息。本文主要针对某型空空导弹雷达引信部分的耿氏振荡器进行原理介绍和故障分析。
关键词：耿氏振荡器；耿氏二极管；故障分析；高频组件
Keywords：gunn oscillator；gunn diode；failure analysis；high frequency component
0 引言
当前高频电子组件已经作为一种关键器件广泛应用于导弹发射设备中。空空导弹雷达引信的高频信号发生装置多使用耿氏振荡器，其将低频电压转化为高频信号，再通过后端放大、波导传输，经天线发射出去，形成标准的探测信号，用于搜索、截获及目标跟踪。
某型空空导弹雷达引信所用耿氏振荡器具有功率大、损耗低、泄漏小等优点，其设计精密、工艺复杂，主要由耿氏二极管、谐振腔、调谐杆、调匹配杆等组成。在修理过程中，引信经常出现无信号输出、功率低、频率偏移等现象，故障率较高，因器件精细，要求有较高的修理精度，实现起来偏困难。
本文针对该型高频器件修理过程中出现的多种故障形式，分析其工作原理，总结其故障现象和排故方法，以达到更换最小单元从而提高修理精度、保障导弹质量的目的。
1 耿氏二极管及其原理分析
1.1 耿氏效应
某些半导体材料在同质体中由于电子传输机制，会产生负微分电阻特性，这些半导体材料拥有多于一个的导带能谷的直接带隙特性。在这些能谷里面，活动的电子密度和有效质量各不相同。当外加电场强度大于高阻态所能承受的电场强度时，电子就向高能谷方向转移。电场越强，转移至高能谷的电子数越多。这种半导体材料存在的现象就叫做耿氏效应。
1.2 耿氏二极管产生频率与功率分析
1）耿氏二極管最高工作频率分析
电子在转移过程中会形成偶极畴，一个畴从阴极向阳极转移时，一边生长一边漂移，畴从开始漂移达到稳定所需要的时间即为最高振荡频率。最高频率由谷间传输时间和谷间能量驰豫时间决定。
2）耿氏二极管功率分析
2 耿氏振荡器工作原理
2.1 谐振腔
如图1所示，耿氏振荡器采用矩形波导与圆柱波导相组合的谐振腔，其内部形成电磁振荡的介质区域，具有储存电磁能及选择频率信号的特性，相当于低频电路中的LC谐振回路。
谐振腔中的电磁能量关系类似于LC谐振回路中的能量关系。在LC振荡回路中，当电路开始振荡时，电场能量集中于电容器中，磁场能量集中于电感中。当电场能量变大时，谐振回路将磁场能量转换为电场能量，反之亦然。LC谐振回路这样周而复始地形成振荡，谐振腔中的振荡也是这样进行能量转换，只不过在谐振腔中因工作频率很高，工作时电路中元件的工作机制利用了其寄生的分布效应。
2.2 耿氏振荡器起振条件、平衡条件及稳定条件
1）起振条件
一个有损的振荡回路受到一个初始激励后产生的自由振荡是一个衰减振荡。如果在该电路中引入一个负电阻，用这个负电阻提供的能量来补偿正电阻所消耗的能量，那么这个振荡就可以维持下去，从而形成振荡波。
耿氏振荡器的基本原理是用一个负阻器件耿氏二极管与一个有损回路连接（见图2），利用耿氏二极管表现出来的负阻特性，提供正电阻所消耗的能量，构成负阻振荡。
式（14）表明，对于稳定的振荡，回路的总阻抗必须为零。采用的做法是：调谐杆和调匹配杆应同步调整，即调了“调谐杆”之后立即调一下“调匹配杆”，如此反复调整，直到耿氏振荡器输出信号的频率和功率合格、稳定为止。
3）稳定条件
在平衡振荡条件下，如果存在某种因素如外界因素、环境温度或电源电压的波动等使振荡偏离了原来的平衡点，当引起的偏离因素消失后，若振荡器能回到原来的工作点，则称这样的工作点为稳定工作点，否则称为非稳定工作点。
耿氏二极管的伏安特性曲线如图4所示。图4中的直线Ⅰ、直线Ⅱ表示耿氏振荡器的两条不同的直流负载线，直线Ⅰ与耿氏二极管的特性曲线只有一个交点且处于负阻区，假如原先工作点在Q点，由于偶然因素致使供电电压偏移，但不会影响耿氏二极管工作在负阻区。
直线Ⅱ与耿氏二极管的特性曲线有三个交点且只有一个处于负阻区，假如原先工作点在Q点，由于偶然因素致使供电电压偏移至Q′点或Q″点，Q′点或Q″点均处于正阻区，故会导致振荡器停振。因此，为了使耿氏振荡器能稳定振荡，应选择直流负载线Ⅰ。
3 常见的故障现象及失效分析
在加电正常情况下，引信经常会出现无信号输出、有信号但功率低或者频率偏移、不稳定等现象，经分析认为：有信号但功率低或者出现频率偏移现象，大部分是因为谐振腔的匹配性不够或外加电压不足以使二极管达到最优值。 3.1 耿氏振荡器无信号输出
无信号输出情况多半是因为耿氏振荡器不起振引起的，将耿氏二极管加管座拧出后一般会发现外观发黑，用万用表进行静态测试，发现电阻开路或者短路。
1）耿氏二极管极间短路
某型产品耿氏二极管在之前测试无故障情况下，在某一次测试或者装配后测试时出现极间短路情况，经失效分析，判定耿氏二极管腔体内存在多余物或某些工艺缺陷。一般情况下表现正常，但当遇到外界振动或者冲击时，腔体内部多余物或者工艺缺损导致两级连接在一起，出现极间短路，从而有大电流经过，导致管芯烧毁。
2）耿氏二极管极间断路
经失效分析认为极间断路现象多为金引线与管芯脱开导致，这种情况通常是受到了机械或者热应力作用。外界温度的刺激或外部机械冲击都有可能引起耿氏二极管断路。二极管修理时应非常重视这一点，必须确保机械力和热应力适度。
3.2 耿氏振荡器输出功率低、不稳定
当耿氏振荡器有功率输出但功率达不到技术指标要求时，可能是外加场强没有使耿氏二极管达到最优值或耿氏二极管本身性能不好导致其内部偶极畴数量少、传输速度慢。
这类情况的判定可以通过调整外加供电电压检测输出功率的变化来确定。采用的做法是，在指标范围内调整耿氏振荡器的供电电压，若供电电压调至V0、V0-0.5V、V0+0.5V时功率计读数均在1～2MW范围内且频谱仪读数均在f0±45MHz范围内，则认为耿氏振荡器稳定工作且V0为其工作电压，此时二极管工作正常。如果调整后仍无法达到指标要求，还可以通过同时调整耿氏振荡器上的调谐螺钉和调匹配螺钉来检测是否满足要求，若仍无法满足要求，则证明该耿氏二极管性能下降，无法继续使用。
3.3 耿氏振荡器输出频率偏移
耿氏振荡器输出频率发生偏移的可能原因是阻抗不匹配或耿氏二极管性能下降。
针对阻抗不匹配现象，可以通过调整耿氏振荡器上的调谐螺钉和调匹配螺钉微调输出频率来纠正，如果调整后输出仍无法满足要求，则证明该耿氏二极管性能下降，需更换。
4 拆装方法
耿氏二极管体积较小，耐热性较差，修理起来有异于普通器件。为确保装配时耿氏二极管性能完好，首先需提高焊接技术，挑选熟练工作人员，采购热压焊接器件，焊接时通过热压方式配合焊锡装入管座中。其次，在拆装过程中对操作、焊接过程进行管控，对焊接后的结果应设立过程检、内控指标等多种质量管控措施，避免发生故障。应特别注意以下几点：
1）用沾有无水乙醇的脱脂棉球浸泡管座上方的黄色硝基胶液，2h更换一次脱脂棉球，累计浸泡时间不小于12h。
2）耿氏二极管的镀金层端位于管座外，螺纹端旋于管座内，且其尾部与管座焊接，分解耿氏二极管时须将焊接处的焊锡清理干净。
3）耿氏二极管装配前后均用数字万用表电阻档测量其正反向阻值，阻值均应在1～2Ω范围内。
4）耿氏二极管装配后，焊接时应严格控制焊接部位，一方面确保焊接后管座能顺利装至谐振腔内，另一方面焊接的可靠性一定要高，确保在振动、温度冲击和高低温等环境条件下不会出现接触不良的现象。
5 总结
本文深入分析了耿氏二极管的工作原理、产生频率和功率的机理及在耿氏振荡器中的应用，并将常见故障和失效分析相结合，探讨使用方法和注意事项，为正确使用器件、正确处理问题提供了一定的参考和依据。
参考文献
[1]张旭虎. GaN耿氏二极管及振荡器设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
[2]高兆豐，高金环，徐立生，张士芬.耿氏二极管的几种失效模式及其机理分析[J].半导体技术，2008（33），4：363-365.
关键词：耿氏振荡器；耿氏二极管；故障分析；高频组件
Keywords：gunn oscillator；gunn diode；failure analysis；high frequency component
0 引言
当前高频电子组件已经作为一种关键器件广泛应用于导弹发射设备中。空空导弹雷达引信的高频信号发生装置多使用耿氏振荡器，其将低频电压转化为高频信号，再通过后端放大、波导传输，经天线发射出去，形成标准的探测信号，用于搜索、截获及目标跟踪。
某型空空导弹雷达引信所用耿氏振荡器具有功率大、损耗低、泄漏小等优点，其设计精密、工艺复杂，主要由耿氏二极管、谐振腔、调谐杆、调匹配杆等组成。在修理过程中，引信经常出现无信号输出、功率低、频率偏移等现象，故障率较高，因器件精细，要求有较高的修理精度，实现起来偏困难。
本文针对该型高频器件修理过程中出现的多种故障形式，分析其工作原理，总结其故障现象和排故方法，以达到更换最小单元从而提高修理精度、保障导弹质量的目的。
1 耿氏二极管及其原理分析
1.1 耿氏效应
某些半导体材料在同质体中由于电子传输机制，会产生负微分电阻特性，这些半导体材料拥有多于一个的导带能谷的直接带隙特性。在这些能谷里面，活动的电子密度和有效质量各不相同。当外加电场强度大于高阻态所能承受的电场强度时，电子就向高能谷方向转移。电场越强，转移至高能谷的电子数越多。这种半导体材料存在的现象就叫做耿氏效应。
1.2 耿氏二极管产生频率与功率分析
1）耿氏二極管最高工作频率分析
电子在转移过程中会形成偶极畴，一个畴从阴极向阳极转移时，一边生长一边漂移，畴从开始漂移达到稳定所需要的时间即为最高振荡频率。最高频率由谷间传输时间和谷间能量驰豫时间决定。
2）耿氏二极管功率分析
2 耿氏振荡器工作原理
2.1 谐振腔
如图1所示，耿氏振荡器采用矩形波导与圆柱波导相组合的谐振腔，其内部形成电磁振荡的介质区域，具有储存电磁能及选择频率信号的特性，相当于低频电路中的LC谐振回路。
谐振腔中的电磁能量关系类似于LC谐振回路中的能量关系。在LC振荡回路中，当电路开始振荡时，电场能量集中于电容器中，磁场能量集中于电感中。当电场能量变大时，谐振回路将磁场能量转换为电场能量，反之亦然。LC谐振回路这样周而复始地形成振荡，谐振腔中的振荡也是这样进行能量转换，只不过在谐振腔中因工作频率很高，工作时电路中元件的工作机制利用了其寄生的分布效应。
2.2 耿氏振荡器起振条件、平衡条件及稳定条件
1）起振条件
一个有损的振荡回路受到一个初始激励后产生的自由振荡是一个衰减振荡。如果在该电路中引入一个负电阻，用这个负电阻提供的能量来补偿正电阻所消耗的能量，那么这个振荡就可以维持下去，从而形成振荡波。
耿氏振荡器的基本原理是用一个负阻器件耿氏二极管与一个有损回路连接（见图2），利用耿氏二极管表现出来的负阻特性，提供正电阻所消耗的能量，构成负阻振荡。
式（14）表明，对于稳定的振荡，回路的总阻抗必须为零。采用的做法是：调谐杆和调匹配杆应同步调整，即调了“调谐杆”之后立即调一下“调匹配杆”，如此反复调整，直到耿氏振荡器输出信号的频率和功率合格、稳定为止。
3）稳定条件
在平衡振荡条件下，如果存在某种因素如外界因素、环境温度或电源电压的波动等使振荡偏离了原来的平衡点，当引起的偏离因素消失后，若振荡器能回到原来的工作点，则称这样的工作点为稳定工作点，否则称为非稳定工作点。
耿氏二极管的伏安特性曲线如图4所示。图4中的直线Ⅰ、直线Ⅱ表示耿氏振荡器的两条不同的直流负载线，直线Ⅰ与耿氏二极管的特性曲线只有一个交点且处于负阻区，假如原先工作点在Q点，由于偶然因素致使供电电压偏移，但不会影响耿氏二极管工作在负阻区。
直线Ⅱ与耿氏二极管的特性曲线有三个交点且只有一个处于负阻区，假如原先工作点在Q点，由于偶然因素致使供电电压偏移至Q′点或Q″点，Q′点或Q″点均处于正阻区，故会导致振荡器停振。因此，为了使耿氏振荡器能稳定振荡，应选择直流负载线Ⅰ。
3 常见的故障现象及失效分析
在加电正常情况下，引信经常会出现无信号输出、有信号但功率低或者频率偏移、不稳定等现象，经分析认为：有信号但功率低或者出现频率偏移现象，大部分是因为谐振腔的匹配性不够或外加电压不足以使二极管达到最优值。 3.1 耿氏振荡器无信号输出
无信号输出情况多半是因为耿氏振荡器不起振引起的，将耿氏二极管加管座拧出后一般会发现外观发黑，用万用表进行静态测试，发现电阻开路或者短路。
1）耿氏二极管极间短路
某型产品耿氏二极管在之前测试无故障情况下，在某一次测试或者装配后测试时出现极间短路情况，经失效分析，判定耿氏二极管腔体内存在多余物或某些工艺缺陷。一般情况下表现正常，但当遇到外界振动或者冲击时，腔体内部多余物或者工艺缺损导致两级连接在一起，出现极间短路，从而有大电流经过，导致管芯烧毁。
2）耿氏二极管极间断路
经失效分析认为极间断路现象多为金引线与管芯脱开导致，这种情况通常是受到了机械或者热应力作用。外界温度的刺激或外部机械冲击都有可能引起耿氏二极管断路。二极管修理时应非常重视这一点，必须确保机械力和热应力适度。
3.2 耿氏振荡器输出功率低、不稳定
当耿氏振荡器有功率输出但功率达不到技术指标要求时，可能是外加场强没有使耿氏二极管达到最优值或耿氏二极管本身性能不好导致其内部偶极畴数量少、传输速度慢。
这类情况的判定可以通过调整外加供电电压检测输出功率的变化来确定。采用的做法是，在指标范围内调整耿氏振荡器的供电电压，若供电电压调至V0、V0-0.5V、V0+0.5V时功率计读数均在1～2MW范围内且频谱仪读数均在f0±45MHz范围内，则认为耿氏振荡器稳定工作且V0为其工作电压，此时二极管工作正常。如果调整后仍无法达到指标要求，还可以通过同时调整耿氏振荡器上的调谐螺钉和调匹配螺钉来检测是否满足要求，若仍无法满足要求，则证明该耿氏二极管性能下降，无法继续使用。
3.3 耿氏振荡器输出频率偏移
耿氏振荡器输出频率发生偏移的可能原因是阻抗不匹配或耿氏二极管性能下降。
针对阻抗不匹配现象，可以通过调整耿氏振荡器上的调谐螺钉和调匹配螺钉微调输出频率来纠正，如果调整后输出仍无法满足要求，则证明该耿氏二极管性能下降，需更换。
4 拆装方法
耿氏二极管体积较小，耐热性较差，修理起来有异于普通器件。为确保装配时耿氏二极管性能完好，首先需提高焊接技术，挑选熟练工作人员，采购热压焊接器件，焊接时通过热压方式配合焊锡装入管座中。其次，在拆装过程中对操作、焊接过程进行管控，对焊接后的结果应设立过程检、内控指标等多种质量管控措施，避免发生故障。应特别注意以下几点：
1）用沾有无水乙醇的脱脂棉球浸泡管座上方的黄色硝基胶液，2h更换一次脱脂棉球，累计浸泡时间不小于12h。
2）耿氏二极管的镀金层端位于管座外，螺纹端旋于管座内，且其尾部与管座焊接，分解耿氏二极管时须将焊接处的焊锡清理干净。
3）耿氏二极管装配前后均用数字万用表电阻档测量其正反向阻值，阻值均应在1～2Ω范围内。
4）耿氏二极管装配后，焊接时应严格控制焊接部位，一方面确保焊接后管座能顺利装至谐振腔内，另一方面焊接的可靠性一定要高，确保在振动、温度冲击和高低温等环境条件下不会出现接触不良的现象。
5 总结
本文深入分析了耿氏二极管的工作原理、产生频率和功率的机理及在耿氏振荡器中的应用，并将常见故障和失效分析相结合，探讨使用方法和注意事项，为正确使用器件、正确处理问题提供了一定的参考和依据。
参考文献
[1]张旭虎. GaN耿氏二极管及振荡器设计[D].西安：西安电子科技大学，2011.
[2]高兆豐，高金环，徐立生，张士芬.耿氏二极管的几种失效模式及其机理分析[J].半导体技术，2008（33），4：363-365.