СУБГАРМОНИЧЕСКИЕ СМЕСИТЕЛИ НА ДИОДАХ ШОТТКИ СУБМИЛЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

1, 2, 3, 3

1ГП НИИ «Орион», г. Киев, e-mail: *****@***net

2Киевский университет имени Тараса Шевченка, Радиофизический

факультет, 33, e-mail: andrey. *****@***ru

3Институт физики полупроводников им. НАНУ

В настоящее время наблюдается тенденция интенсивного освоения субмиллиметрового диапазона длин волн для интроскопии неметаллических объектов в системах контроля безопасности, устройств радиолокационных измерений, медицинских систем томографии и терапии. Актуальной является задача создания приемников волн в этих диапазонах [1-3]. По своей сути это гетеродинные приемники, важнейшими элементами которых есть преобразователь частоты.

Преобразователь частоты представляет собой устройство для переноса спектра сигнала в другую область частот с сохранением закона модуляции. Поэтому в преобразователе используется нелинейный элемент и местный гетеродин, обеспечивающий режим работы преобразующего прибора. В качестве нелинейного элемента в преобразователях целесообразно использовать полупроводниковые диоды с бартером Шоттки (ДБШ), крутизна вольтамперной характеристики которых изменяется под действием относительно большого сигнала гетеродина и практически остается постоянной под действием слабого принимаемого сигнала (). Посредством воздействия на крутизну ВАХ диода в составе смесителя получается эффект умножения. Важными требованиями являются стабильность частоты гетеродина и его уровень мощности. Поскольку задача создания высокостабильного гетеродина с частотами выше 200 ГГц и необходимым уровнем мощности, достаточно сложна, можно воспользоваться свойством смесителя работать на частоте гетеродина в два раза ниже принимаемого полезного сигнала. В диапазоне миллиметровых и субмиллиметровых длин волн промежуточная частота может образовываться не только первыми гармониками, но и гармониками более высоких порядков. В результате в приемнике образуются дополнительные каналы приема.

НЕ нашли? Не то? Что вы ищете?

Обычно в смесителе уровень продуктов преобразования третьего порядка выше, чем уровень продуктов преобразования второго порядка, однако этот канал приема отстоит от полезного сигнала дальше (на 2/3fпч), а, следовательно, его легче можно подавлять при помощи полосового фильтра преселектора настроенного на частоту рабочего канала.

При проектировании смесителя количество учитываемых гармоник сигнала и гетеродина зависит от вида вольтамперной характеристики нелинейного элемента и формы сигнала гетеродина. Наименьшим количеством гармоник, а, следовательно, и наименьшим количеством побочных каналов обладают смесители, построенные на нелинейных элементах с квадратичными вольтамперными характеристиками.

Для используемых диодов с различной емкостью были измерены вольтфарадные характеристики (рис. 1) и вольтамперные характеристики на прямой ветви (рис. 2).

Рис. 1. Вольтфарадные характеристики ДБШ с различными емкостями контакта метал – полупроводник (на графике отображены справа в фемтофарадах).

Рис. 2. Вольтамперные характеристики ДБШ с различными емкостями контакта метал – полупроводник (на графике отображены справа в фемтофарадах).

На рис.1. показано, что в ДБШ для смесителей, в отличи от умножительных диодов, вольтфарадные характеристики представляют практически прямую линию. Токи утечки не превышают 1нА. Математическое моделирование ДБШ осуществлялось с помощью SPICE-модели [4, 5], по параметрам из табл. 1.

Таблица 1

Параметр

Единицы измерения

Значение

Ток насыщения,

фА

90

Сопротивление пассивной области,

Ом

7

Фактор неидеальности, N

1,1

Емкость контакта,

фФ

19,5

Контактная разность потенциалов,

В

0,26

Коэффициент, учитывающий плавность перехода, M

0,05

Коэффициент утечки емкости при прямом смещении,

0,5

Напряжение обратного пробоя,

В

4

Начальный ток пробоя,

нА

1

Температурный коэффициент тока насыщения,

2

Ширина запрещенной зоны,

еВ

1,42

Рис. 3. Зависимость потерь преобразования (К) субгармонического смесителя от радиочастоты (FRF).

Рис. 4. Зависимость потерь преобразования (К) субгармонического смесителя от радиочастоты (FRF).

На основе математического моделирования работы диода и трехмерного численного моделирования электромагнитного поля в смесителе разработаны экспериментальные образцы смесителей в диапазонах частот 220 – 325 и 325-400 ГГц.

Исследованы электрические параметры субгармонических смесителей при нормальных климатических условиях (рис. 3, 4). Исследования показали, что в диапазоне рабочих частот смесителя потери преобразования лучше 30 дБ на частоте ПЧ 3 ГГц.

[1] Kleiner R. Filling the Terahertz Gap // Science, 2007.––V. 318, №.5854.––pp.

[2] , , Петрова аспекты смесительного диода с барьером Шоттки на GaAs СВЧ диапазона. 7-я Всероссийская с Международным Участием Научно-Техническая Конференция «Современные проблемы радиоэлектроники». Красноярский Государственный Технический Университет. 5-6 мая 2005.

[3] , Розанов миллиметровых волн. – М.: Радио и связь, 1989.

[4] , Белкин построения резистивных смесителей диапазона крайне высоких частот в монолитном исполнении. »: Электронная техника, журнал «Полупроводниковые приборы», 2010.

[5] R. O. Ocaya. A current–voltage–temperature method for fast extraction of schottky diode static parameters // Measurement, V. 49.–– P. 246-255