Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах

Проведен анализ достигнутого уровня параметров и основных путей создания умножителей частоты, выполненных на основе полупроводниковых диодных структур, эффективных в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Рассмотрены диодные генераторы гармоник; умножители частоты, принцип действия к...

Повний опис

Збережено в:

Бібліографічні деталі
Дата:	2018
Автор:	Карушкин, Н.Ф.
Формат:	Стаття
Мова:	Russian
Опубліковано:	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України 2018
Назва видання:	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
Теми:	СВЧ-техника
Онлайн доступ:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150265
Теги:	Додати тег Немає тегів, Будьте першим, хто поставить тег для цього запису!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Цитувати:	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах / Н.Ф. Карушкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 22-37. — Бібліогр.: 41 назв. — рос.

Репозитарії

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-150265
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-1502652019-04-04T01:25:33Z Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах Карушкин, Н.Ф. СВЧ-техника Проведен анализ достигнутого уровня параметров и основных путей создания умножителей частоты, выполненных на основе полупроводниковых диодных структур, эффективных в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Рассмотрены диодные генераторы гармоник; умножители частоты, принцип действия которых основан на нелинейности зависимости их реактивных параметров от напряжения; умножители частоты высокой кратности на лавинно-пролетных диодах, действующих в режиме радиоимпульсного возбуждения колебаний в области высоких частот; умножители частоты на диодных гетероструктурах и квантовых сверхрешетках в терагерцевом диапазоне. Важливу роль в освоюванні міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль відіграють помножувачі частоти. У даній роботі проведено аналіз основних напрямків сучасного розвитку ефективних помножувачів частоти, виповнених на основі напівпровідникових діодних структур, ефективних у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжини хвиль. Розглянуто діодні генератори гармонік; помножувачі на основі нелінійних залежностей їх реактивних параметрів від напруги; помножувачів високої кратності на основі лавинно-пролітних діодів, що діють в режимі радіоімпульсного збудження коливань в області високих частот; помножувачі на основі складених гетероструктур і квантових надрешіток в терагерцевому діапазоні. Important role in the development of millimeter and sub-millimeter wave ranges belongs to the frequency multipliers development. This paper analyzes the main trends of modern development of efficient frequency multipliers on semiconductor diode structures, which are based on different physical principles, namely diode harmonic generators; frequency multipliers based on nonlinear dependencies of their reactive parameters on the voltage; frequency multipliers of high multiplicity on IMPATT diodes operating in mode of pulse exciting oscillations at high frequencies; multipliers on complex heterostructures and quantum super lattices in the terahertz range. 2018 Article Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах / Н.Ф. Карушкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 22-37. — Бібліогр.: 41 назв. — рос. 2225-5818 DOI: 10.15222/TKEA2018.3.22 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150265 621.314.26:621.382.64 ru Технология и конструирование в электронной аппаратуре Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	СВЧ-техника СВЧ-техника
spellingShingle	СВЧ-техника СВЧ-техника Карушкин, Н.Ф. Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах Технология и конструирование в электронной аппаратуре
description	Проведен анализ достигнутого уровня параметров и основных путей создания умножителей частоты, выполненных на основе полупроводниковых диодных структур, эффективных в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Рассмотрены диодные генераторы гармоник; умножители частоты, принцип действия которых основан на нелинейности зависимости их реактивных параметров от напряжения; умножители частоты высокой кратности на лавинно-пролетных диодах, действующих в режиме радиоимпульсного возбуждения колебаний в области высоких частот; умножители частоты на диодных гетероструктурах и квантовых сверхрешетках в терагерцевом диапазоне.
format	Article
author	Карушкин, Н.Ф.
author_facet	Карушкин, Н.Ф.
author_sort	Карушкин, Н.Ф.
title	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах
title_short	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах
title_full	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах
title_fullStr	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах
title_full_unstemmed	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах
title_sort	умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах
publisher	Інститут фізики напівпровідників імені В.Є. Лашкарьова НАН України
publishDate	2018
topic_facet	СВЧ-техника
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/150265
citation_txt	Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах / Н.Ф. Карушкин // Технология и конструирование в электронной аппаратуре. — 2018. — № 3. — С. 22-37. — Бібліогр.: 41 назв. — рос.
series	Технология и конструирование в электронной аппаратуре
work_keys_str_mv	AT karuškinnf umnožiteličastotymillimetrovogodiapazonanapoluprovodnikovyhdiodnyhstrukturah
first_indexed	2025-07-13T00:00:43Z
last_indexed	2025-07-13T00:00:43Z
_version_	1837487723869372416
fulltext	Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 22 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 1 ÓÄÊ 621.314.26:621.382.64 К. т. н. Н. Ф. КАРУШКИН Óêðàèíà, г. Êèев, НИИ «Оðèоí» E-mail: orion@ri-orion.kiev.ua ÓМНОЖИТЕЛИ ЧАСТОТЫ МИЛЛИМЕТРОВОГО ÄИАПАЗОНА НА ОСНОВЕ ПОЛÓПРОВОÄНИÊОВЫХ ÄИОÄНЫХ СТРÓÊТÓР Рàсшèðеíèе ðàбочего дèàпàзоíà ðàдèо чàстот в стоðоíу èх увелèчеíèя является вàжíой è àê- туàльíой зàдàчей для создàíèя ðàдèоэлеêтðоí- íой àппàðàтуðы с высоêèмè техíèчесêèмè хà- ðàêтеðèстèêàмè. Ее ðешеíèе достèгàется путем создàíèя èсточíèêов сèгíàлов свеðхвысоêой чàстоты (ÑÂ×) с пðèмеíеíèем íовых пðèíцè- пов геíеðàцèè è техíологèй, в связè с чем воз- ðàстàет èíтеðес ê вопðосàм геíеðàцèè сèгíàлов в мèллèметðовом è теðàгеðцевом дèàпàзоíàх. Создàíèе дèодов Гàííà, лàвèííо-пðолетíых дèо дов è ðезоíàíсíо-туííельíых дèодов по- зволèло существеííо пðодвèíуться в êоðотêо- волíовую чàсть СВЧ-дèàпàзоíà, одíàêо здесь пðàêтèчесêè íевозможíо добèться тðебуемо- го уðовíя пàðàметðов ðàдèоэлеêтðоííой àппà- ðàтуðы, èспользуя полупðоводíèêовые àêтèв- íые элемеíты. Äðугèм, более пðедпочтèтельíым, путем создàíèя èсточíèêов мощíостè в êоðотêовол- íовой чàстè СВЧ-дèàпàзоíà является ðàзðàбот- êà эффеêтèвíых полупðоводíèêовых умíожè- телей чàстоты íèзêочàстотíых сèгíàлов, фоð- мèðуемых пðè èспользовàíèè уже ðàзðàботàí- íых èсточíèêов с высоêèмè эíеðгетèчесêè- мè спеêтðàльíымè è дèàпàзоííымè хàðàêте- ðèстèêàмè [1—6]. С помощью полупðоводíè- êовых умíожèтелей чàстоты осуществляется пеðеход в зàдàííый учàстоê мèллèметðового èлè теðàгеðцевого дèàпàзоíà, где уже ðеàлè- зуются эíеðгетèчесêèе хàðàêтеðèстèêè àппà- ðàтуðы, в зíàчèтельíой степеíè опðеделяю- Проведен анализ достигнутого уровня параметров и основных путей создания умножителей часто- ты, выполненных на основе полупроводниковых диодных структур, эффективных в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах длин волн. Рассмотрены диодные генераторы гармоник; умножите- ли частоты, принцип действия которых основан на нелинейности зависимости их реактивных пара- метров от напряжения; умножители частоты высокой кратности на лавинно-пролетных диодах, дей- ствующих в режиме радиоимпульсного возбуждения колебаний в области высоких частот; умножите- ли частоты на диодных гетероструктурах и квантовых сверхрешетках в терагерцевом диапазоне. Ключевые слова: миллиметровый диапазон, варактор, диод Ганна, ISIS-диод, лавинно-пролетный диод, диод с барьером Шоттки, InP-диод, кратность умножения частоты, гетероструктуры, квантовые сверхрешетки, ТГц-излучение. щèе ее потеíцèàл è íàдежíость. Êðоме того, полупðоводíèêовые умíожèтелè чàстоты яв- ляются вàжíейшèмè êомпоíеíтàмè элеêтðоí- íой техíèêè пðè создàíèя сèíтезàтоðов чà- стоты, èмеющèх, êàê пðàвèло, меíьшèй уðо- веíь шумà по сðàвíеíèю с àвтоíомíымè геíе- ðàтоðàмè пðè отстðойêе чàстоты от íесущей в блèжíей зоíе íà 0,3—2 êГц [7]. В íàстоящее вðемя àêтèвíо èсследуются од- íоêàсêàдíые умíожèтелè чàстоты высоêой êðàт- íостè (более 10), посêольêу оíè обеспечèвàют меíьшèй уðовеíь шумов, эíеðгопотðеблеíèе, гà- бàðèты è мàссу, что особеííо вàжíо для пðèме- íеíèя èх в ðàботе боðтовых сèстем. В пðедстàвлеííой ðàботе пðоводèтся àíà- лèз осíовíых путей создàíèя è достèгíуто- го уðовíя пàðàметðов умíожèтелей чàстоты íà полупðоводíèêовых дèодíых стðуêтуðàх, à èмеííо: — умíожèтелей, пðèíцèп действèя êотоðых осíовàí íà íелèíейíостè зàвèсèмостè èх ðеàê- тèвíых пàðàметðов от íàпðяжеíèя; — умíожèтелей высоêой êðàтíостè íà лàвèí- íо-пðолетíых дèодàх; — умíожèтелей íà осíове êвàíтовых свеðх- ðешетоê; — геíеðàтоðов гàðмоíèê. Пðè этом тàêже пðедложеíы íàпðàвлеíèя со- веðшеíствовàíèя хàðàêтеðèстèê полупðоводíè- êовых стðуêтуð с целью улучшеíèя è оптèмèзà- цèè пàðàметðов пðèбоðов. DOI: 10.15222/TKEA2018.3.22 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 23ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 2 Умножители частоты на основе диодов с нелинейной емкостью Осíовíымè полупðоводíèêовымè элемеíтà- мè с íелèíейíой ðеàêтèвíостью являются вàðàê- тоðы — дèоды с емêостью, упðàвляемой íàпðя- жеíèем. Известíы тàêже дèоды с íелèíейíой ðеàêтèвíостью èíдуêтèвíого хàðàêтеðà — дèо- ды íà лàвèííо-пðолетíых полупðоводíèêовых стðуêтуðàх. Ê íàстоящему вðемеíè достàточíо полíо èз- учеí пðоцесс умíожеíèя чàстоты íà íелèíей- íой емêостè, опðеделеíы элеêтðèчесêèе пàðà- метðы вàðàêтоðà, хàðàêтеðèзующèе его ðàботу в ðежèме умíожеíèя, устàíовлеíà связь элеê- тðèчесêèх пàðàметðов вàðàêтоðà с выходíымè хàðàêтеðèстèêàмè устðойствà. Äля êàчествеí- íой хàðàêтеðèстèêè вàðàêтоðà обычíо èсполь- зуют четыðе пàðàметðà: пðобèвíое íàпðяжеíèе Uпð, емêость пеðеходà С пðè опðеделеííом от- ðèцàтельíом смещеíèè, тепловое сопðотèвле- íèе Rт è мàêсèмàльíую ðàссеèвàемую мощíость Рðàс. Степеíь пðèблèжеíèя умíожèтельíого вà- ðàêтоðíого дèодà ê èдеàльíому, для êотоðого возможíо достèжеíèе мàêсèмàльíого êоэффè- цèеíтà пðеобðàзовàíèя, хàðàêтеðèзуется êàче- ством дèодà (его добðотíостью Qв) è êðèтèче- сêой чàстотой min max êð 1/ 1/ , 2 C C f R    (1) где Сmin — мèíèмàльíàя емêость вàðàêтоðà, опðе- деляемàя êàê емêость пðè íàпðяжеíèè, ðàвíом íàпðяжеíèю пðобоя Uпð; Сmax — мàêсèмàльíàя емêость вàðàêтоðà, опðе- деляемàя пðè положèтельíом смещеíèè; Rв — сопðотèвлеíèе вàðàêтоðà, Rв = Rs + Rê; Rs, Rê — сопðотèвлеíèе ðàстеêàíèя è êоíтàêтов соответствеííо. Äля оцеíêè вàðàêтоðà êàê умíожèтеля пðèме- íяется пðедельíàя чàстотà fпð è íоðмàлèзовàí- íàя мощíость Рíоðм: ïð â min 1 ; 2 f R C   (2)  2ïð íîðì â , U Ð R    (3) где φ — êоíтàêтíàя ðàзíость потеíцèàлов. Пðедельíàя чàстотà хàðàêтеðèзует степеíь пðèблèжеíèя вàðàêтоðà ê èдеàльíому êоíдеíсà- тоðу без учетà потеðь íà ðàбочей чàстоте, à íоð- мàлèзовàííàя мощíость хàðàêтеðèзует способ- íость вàðàêтоðà выдеðжèвàть воздействèе высо- êèх уðовíей СВЧ-мощíостè. Чем больше íоðмà- лèзовàííàя мощíость дèодà, тем большàя мощ- íость осíовíой чàстоты может быть пðеобðàзо- вàíà в мощíость выходíой гàðмоíèêè. Создàíèе эффеêтèвíых умíожèтелей чàсто- ты в мèллèметðовом дèàпàзоíе длèíы волíы тðебует постðоеíèя вàðàêтоðов с êðèтèчесêè- мè (пðедельíымè) чàстотàмè, пðевышàющèмè входíую чàстоту сèгíàлà в десятêè-сотíè ðàз, т. е. fêð > 1000 ГГц. Пðè ðàзðàботêе умíожèте- лей пðèмеíяются эпèтàêсèàльíые GaAs-дèоды с мèíèмàльíым êоíтàêтíым сопðотèвлеíèем è мèíèмàльíой емêостью. Высоêàя подвèжíость íосèтелей в GaAs позволяет ðеàлèзовàть в вà- ðàêтоðàх мàлые зíàчеíèя омèчесêого сопðотèв- леíèя Rs. Нелèíейíость емêостè вàðàêтоðà Св опðеделяется выðàжеíèем     0 0 â 0 0 0 0 , U Ñ U Ñ U U          (4) где U = U0 + U(t); U0 — íàпðяжеíèе смещеíèя; φ0 — êоíтàêтíàя ðàзíость потеíцèàлов; U(t) — зàвèсящàя от вðемеíè пеðèодèчесêàя со- стàвляющàя íàпðяжеíèя íà вàðàêтоðе; С0(U0) — емêость вàðàêтоðà пðè íàпðяжеíèè сме- щеíèя U0, С0(U0) = С0. В этом выðàжеíèè поêàзàтель степеíè γ хàðàê- теðèзует ðàспðеделеíèе пðèмесè: для ðезêèх пе- ðеходов γ = 1/2, для стðуêтуð с мèíèмàльíым ðàспðеделеíèем пðèмесè γ = 1/3. Вàðàêтоðíые дèоды, хàðàêтеðèзующèеся ðàзлèчíымè зíàче- íèямè γ, íàходят пðèмеíеíèе в умíожèтелях чà- стоты мèллèметðового дèàпàзоíà. Äèоды с ðез- êèм пеðеходом íàèболее шèðоêо пðèмеíяются для умíожеíèя чàстоты сðàвíèтельíо слàбых сèгíàлов в двà-тðè ðàзà. Пðè èспользовàíèè вàðàêтоðов, ðàботàющèх пðè любой велèчèíе γ (1/2, 1/3), увелèчеíèе íомеðà гàðмоíèêè N пðèводèт ê ðезêому умеíь- шеíèю êоэффèцèеíтà пеðедàчè [8] (рис. 1). Рèс. 1. Зàвèсèмость оптèмàльíого êоэффèцèеíтà пе- ðедàчè ηоðt (сплошные линии) è потеðь пðеобðàзовà- íèя L (пунктир) от íомеðà гàðмоíèêè N для вàðàê- тоðов, ðàботàющèх пðè γ = 1/2 è γ = 1/3 L, дБ 10 20 30 40 ηopt 0,8 0,6 0,4 0,2 2 3 4 5 6 N γ = 1/2 γ = 1/2 γ = 1/3 γ = 1/3 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 24 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 3 Зàметíое увелèчеíèе êоэффèцèеíтà пеðедà- чè, особеííо в умíожèтелях с высоêèм íоме- ðом гàðмоíèêè, может быть достèгíуто в ðежè- ме, êогдà íà íеêотоðой чàстè пеðèодà входíо- го сèгíàлà íàпðяжеíèе íà дèоде зàходèт в по- ложèтельíую облàсть è дèод отêðывàется, т. е. возíèêàет íебольшой пðямой тоê дèодà. Необходèмо отметèть, что эффеêтèвíость ðà- боты вàðàêтоðà в умíожèтельíом êàсêàде ðàстет пðè увелèчеíèè степеíè íелèíейíостè вольт- àмпеðíой хàðàêтеðèстèêè (ÂÀÕ) γ è добðотíо- стè дèодà, à уðовеíь пðеобðàзуемой мощíостè ðàстет с увелèчеíèем пðобèвíого íàпðяжеíèя вà- ðàêтоðà. Исследовàíèя, íàпðàвлеííые íà создà- íèе дèодíых стðуêтуð с зàêоíом èзмеíеíèя ем- êостè, отлèчíым от 1/2 èлè 1/3, пðèвелè ê соз- дàíèю дèодов со свеðхðезêèм p—n-пеðеходом, в êотоðом èспользуется особый зàêоí ðàспðеде- леíèя пðèмесè. Äля увелèчеíèя добðотíостè вàðàêтоðíого дèодà íеобходèмо свестè ê мèíèмуму велèчè- íу последовàтельíого сопðотèвлеíèя Rв, êото- ðàя опðеделяется геометðèчесêèмè ðàзмеðàмè p—n-пеðеходà, удельíым сопðотèвлеíèем мà- теðèàлà ðàбочей облàстè è íàлèчèем сопðотèв- леíèя омèчесêèх êоíтàêтов. Пðè этом, одíàêо, сíèжеíèе Rв зà счет умеíьшеíèя толщèíы ðàбо- чей облàстè è удельíого сопðотèвлеíèя ее мàте- ðèàлà пðèводèт ê умеíьшеíèю Uпð è, следовà- тельíо, ê сíèжеíèю уðовíя ðàбочей мощíостè. Одíèм èз пеðспеêтèвíых íàпðàвлеíèй ðàзвè- тèя умíожèтельíых дèодов с повышеííым уðов- íем СВЧ-мощíостè остàется ðàзðàботêà дèодов с íàêоплеíèем зàðядà è ðезêèм восстàíовлеíèем обðàтíого сопðотèвлеíèя. В отлèчèе от обычíого вàðàêтоðà, ðàботàющего íà отðèцàтельíой ветвè ВАХ, в тàêом дèоде èспользуется «зàход» сèг- íàлà в положèтельíую облàсть. Пðè этом еслè вðемя жèзíè íеосíовíых íосèтелей, èíжеêтè- ðовàííых в положèтельíый полупеðèод, больше полупеðèодà входíого сèгíàлà, оíè íе успевà- ют ðеêомбèíèðовàть è пðè отðèцàтельíой полу- волíе íàпðяжеíèя двèжутся в вèде êомпàêтíо- го сгустêà в стоðоíу p—n-пеðеходà. Вследствèе этого в течеíèе опðеделеííого вðемеíè сохðàíя- ется àíомàльíо высоêàя отðèцàтельíàя пðово- дèмость, è зàтем пðоèсходèт ðезêое восстàíов- леíèе обðàтíого сопðотèвлеíèя. Опèсàííый ðежèм ðàботы создàет суще- ствеííо íелèíейíую вðемеííую зàвèсèмость тоêà чеðез p—n-пеðеход, богàтую гàðмоíèêà- мè. Нàсыщеííость гàðмоíèêàмè увелèчèвàется пðè умеíьшеíèè вðемеíè восстàíовлеíèя, что достèгàется создàíèем спецèàльíого ðàспðеде- леíèя пðèмесè в p—n-пеðеходе. Использовàíèе для умíожеíèя чàстоты дèодов с ðезêèм восстà- íовлеíèем обðàтíого сопðотèвлеíèя пðèводèт ê зíàчèтельíому увелèчеíèю уðовíя ðàбочей СВЧ-мощíостè è повышеíèю êðàтíостè умíо- жеíèя. Äèоды, пðедíàзíàчеííые для ðàботы с повышеííым уðовíем СВЧ-мощíостè, èмеют спецèàльíый хàðàêтеð ðàспðеделеíèя удельíо- го сопðотèвлеíèя в пеðеходе, íе тàêой, êàê в дèодàх с ðезêèм è плàвíым пеðеходом, à èмеí- íо: в большей чàстè êðèстàллà удельíое сопðо- тивление составляет менее 0,01 Ом∙см, а вбли- зи обедненного слоя оно достигает 100 Ом∙см. Тàêàя стðуêтуðà дàет возможíость сочетàть боль- шое пðобèвíое íàпðяжеíèе (до 300 В) с высо- êèм зíàчеíèем добðотíостè. В дèодàх тàêого тèпà выходíàя мощíость является почтè лèíей- íой фуíêцèей входíой мощíостè. Измеíяя сме- щеíèе íà умíожèтеле в соответствèè с уðовíем пðèложеííого сèгíàлà, можíо с достàточíой точíостью поддеðжèвàть íà постояííом уðов- íе пðоцеíтíое содеðжàíèе гàðмоíèê в êðèвых тоêà, геíеðèðуемого блàгодàðя эффеêту íàêопле- íèя зàðядà. Êðоме того, èз-зà слàбой зàвèсèмо- стè емêостè пеðеходà от íàпðяжеíèя смещеíèя (γ = 1/5) ðàсстðойêà êоíтуðà пðè èзмеíеíèè íà- пðяжеíèя сèгíàлà сводèтся почтè ê мèíèмуму. Äèоды с íàêоплеíèем зàðядà (ДÍЗ) облàдà- ют высоêой степеíью íелèíейíостè, что позво- ляет осуществèть геíеðàцèю гàðмоíèê высоêо- го поðядêà в одíом êàсêàде, íе èспользуя пðè этом спецèàльíых устðойств для зàмыêàíèя то- êов холостых чàстот. Ê сожàлеíèю, поêà еще íе устàíовлеíà тео- ðетèчесêàя связь между элеêтðèчесêèмè пàðà- метðàмè ÄНЗ è выходíымè пàðàметðàмè умíо- жèтеля чàстоты íà высоêом уðовíе мощíостè СВЧ. Êðоме того, èзвестíàя сèстемà пàðàме- тðов емêостíого умíожèтельíого дèодà (Uпð, Св, fпð, Рðàс, Rт, Rв) íе может быть достàточ- íой, посêольêу àêтèвíый элемеíт ðàботàет с эф- феêтом íàêоплеíèя зàðядà. Óвелèчеíèе выход- íой мощíостè вàðàêтоðíого умíожèтеля чàсто- ты можíо достèгíуть последовàтельíым соедè- íеíèем íесêольêèх (М) дèодов в едèíой êоí- стðуêцèè, где êàждый èз М дèодов собðàí íà èíдèвèдуàльíой подложêе (рис. 2). Рèс. 2. Состàвíой вàðàêтоðíый умíожèтель [9] Полупðоводíèêовàя стðуêтуðà Êоíтàêтíàя плàстèíà Теплоотводящее осíовàíèе Äèэлеêтðèчесêàя втулêà êоðпусà дèодà Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 25ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 4 Недостàтêом тàêой êоíстðуêцèè являет- ся увелèчеíèе последовàтельíого сопðотèвле- íèя è соответствующее умеíьшеíèе êðèтèче- сêой чàстоты пðè увелèчеíèè чèслà дèодов. Создàíèе состàвíых вàðàêтоðов в соответствèè с ðèс. 2 увелèчèвàет íàпðяжеíèе пðобоя пðè- меðíо в М ðàз, íо зàтðудíяет èх пðèмеíеíèе в êоðотêоволíовой чàстè мèллèметðового дèàпà- зоíà. Пðоблему создàíèя высоêовольтíых мощ- íых вàðàêтоðов мèллèметðового дèàпàзоíà ðе- шàет пðèмеíеíèе ISIS-дèодов (integrated series IMPAT structures) [10]. Стðуêтуðà тàêèх дèо- дов мíогослойíàя, состоящàя èз тоíêèх слоев p- è n-пðоводèмостè, выðàщеííых эпèтàêсèàль- íо íà íèзêоомíой подложêе. Нà рис. 3 пðедстàвлеíà зàвèсèмость пðедель- íой чàстоты fпð от íàпðяжеíèя U для ISIS-дèодà с мèíèмàльíой емêостью êàждого пеðеходà Сmin = 0,2 пФ для ðàзлèчíого êолèчествà сло- ев М. Здесь вèдíо, что одíовðемеííо с увелè- чеíèем êðèтèчесêой чàстоты увелèчèвàется íà- пðяжеíèя пðобоя. Äля того чтобы опðеделèть, можíо лè èсполь- зовàть ISIS-дèод в êàчестве èсточíèêà большой мощíостè СВЧ íà выходíой чàстоте умíожèте- ля, íеобходèмо зíàть его тепловое сопðотèвле- íèе. Его велèчèíà опðеделяется êàê max ò òî 1 1 , 2 4 i ò pn i pn l Ì R S Ì r      (5) где λто — êоэффèцèеíт теплопðоводíостè мàтеðèà- лà теплоотводящего осíовàíèя дèодà; λтi — êоэффèцèеíт теплопðоводíостè i-й стðуê- туðы, зàвèсящèй от темпеðàтуðы полупðо- водíèêà; Spn — площàдь р—n-пеðеходà; li — толщèíà i-го слоя стðуêтуðы; rpn — ðàдèус полупðоводíèêовых стðуêтуð. Нà рис. 4 пðèведеíы зàвèсèмостè выход- íой мощíостè ISIS-дèодà в íепðеðывíом ðежè- ме от êолèчествà слоев, ðàссчèтàííые для фèê- сèðовàííой емêостè пеðеходà íà êàждой чàсто- те, пðопоðцèоíàльíой f–1. Äля êàждой чàстоты здесь уêàзàíы зíàчеíèя эффеêтèвíостè пðеоб- ðàзовàíèя η дèодà. В [12] пðèведеíы ðезультàты создàíèя умíо- жèтелей чàстоты íà осíове двух- è тðехслойíых стðуêтуð. Пðеобðàзовàíèе от 47 до 94 ГГц пðо- èзводèлось удвоèтелем чàстоты с двухслойíым ISIS-дèодом. Пðèмеíялèсь GaAs-дèоды с ðезêèм пеðеходом, устàíовлеííые в êвàðцевые êоðпусà емêостью 0,1 пФ. Иíдуêтèвíость моíтàжíой плю- щеíêè в êоðпусе состàвляет 0,12 íГí, íàпðяжеíèе пðобоя двух- è тðехслойíых ISIS-дèодов — соот- ветствеííо, 50 è 100 В. Высоêочàстотíàя цепь для удвоèтеля чàстоты выполíеíà с èспользо- вàíèем входíого è выходíого волíоводов, свя- зàííых êоàêсèàльíой лèíèей, содеðжàщей по- лосовой фèльтð íèзêèх чàстот. Схемà постðое- íèя умíожèтеля с êоэффèцèеíтом умíожеíèя n пðèведеíà íà рис. 5. Высотà входíого 1 è выходíого 2 волíоводов пðè сочлеíеíèè с êоàêсèàльíой лèíèей 3 умеíь- шеíà в двà ðàзà по сðàвíеíèю со стàíдàðтíы- мè ðàзмеðàмè. В êàждом èз волíоводов устà- íовлеíы сêользящèе поðшíè 4, 5 для соглàсо- вàíèя èмпедàíсà. Êоàêсèàльíàя лèíèя содеð- жèт фèльтð íèзêèх чàстот 6 в цепè постояííо- го íàпðяжеíèя смещеíèя, подводèмого ê дèо- ду пðè помощè цеíтðàльíого пðоводíèêà êоàê- сèàльíой лèíèè. В лèíèю 3 вêлючеí тàêже по- лосовой фèльтð, пðопусêàющèй ê дèоду чàсто- ты входíого сèгíàлà è íе пðопусêàющèй чàсто- ты гàðмоíèê. Вêлючеíèе в высоêочàстотíую цепь ISIS-дèодà 8 пðоèзводèтся пðè помощè фèльтðà è тðàíсфоðмàтоðà èмпедàíсов 7, 9 в êоàêсèàль- Рèс. 4. Рàсчетíые зàвèсèмостè выходíой мощíо- стè ISIS-дèодà в íепðеðывíом ðежèме от êолèчествà p—n-пеðеходов для ðàзлèчíых зíàчеíèй чàстоты пðè температуре полупроводниковой структуры 140°С [11] Pвых, Вт 8 6 4 2 1,0 0,6 0,4 0,3 0,2 0 2 4 6 8 M Δ 35 ГГц (η = 76%); ● 44 ГГц (η = 71%); ○ 60 ГГц (η = 60%); □ 94 ГГц (η = 57%) Рèс. 3. Зàвèсèмость пðедельíой чàстоты fпð от пðо- бèвíого íàпðяжеíèя Uпð для ISIS-дèодà пðè ðàзлèч- íом êолèчестве слоев М c мèíèмàльíой емêостью êàждого пеðеходà Сmin = 0,2 пФ 20 30 40 60 80 100 200 Uпð, В fпð, ГГц 1800 1600 1400 1200 1000 800 500 М = 1 2 3 4 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 26 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 5 íой лèíèè. Выходíàя мощíость удвоèтеля чàсто- ты 47—94 ГГц состàвляет 22 дБм пðè входíой мощíостè 29 дБм. В èмпульсíом ðежèме ðàбо- ты выходíàя мощíость удвоèтеля свыше 29 дБм достèгàется в дèàпàзоíе чàстот 93—95 ГГц пðè длèтельíостè èмпульсà 2,5 мêс è сêвàжíостè 20. Вíутðèèмпульсíые èзмеíеíèя фàзы èмпульсíо- го выходного сигнала не превышают 3° при дли- тельíостè èмпульсà 15 мêс. Зíàчèтельíый èíтеðес пðедстàвляет ðàзðà- ботêà умíожèтелей в моíолèтíом è гèбðèдíо- èíтегðàльíом èсполíеíèè с èспользовàíèем тðехслойíого ISIS-дèодà [13]. Схемà высоêочà- стотíой цепè тàêого умíожèтеля пðèведеíà íà рис. 6. В íее вêлючеíы мèêðополосêовые лè- íèè входà 1 è выходà 2, соглàсующèе отðезêè лèíèй 3, 4, 5 íà входе è выходе, à тàêже холо- стые отðезêè ðàдèàльíых лèíèй 6, обеспечèвà- ющèе оптèмàльíую велèчèíу èмпедàíсов, пðè- ведеííых ê ISIS-дèоду 7. В êàчестве ISIS-дèодà пðèмеíеíà стðуêтуðà íà осíове GaAs, состоящàя èз тðех вàðàêтоðов с р—n-пеðеходàмè, выпол- íеííымè в едèíом пðоцессе мíогослойíой эпè- тàêсèè. Рàзмеð схемы — 4×8 мм. Äàííый удво- èтель чàстоты в гèбðèдíо-èíтегðàльíом èспол- íеíèè обеспечèвàл следующèе пàðàметðы: вход- íàя чàстотà 22 ГГц, выходíàя чàстотà 44 ГГц, эффеêтèвíость пðеобðàзовàíèя η = 50%, выход- íàя мощíость в íепðеðывíом ðежèме 4,4 Вт. Óмíожèтелè чàстоты большой мощíостè по- зволяют создàвàть мíогодèàпàзоííые пеðедàю- щèе устðойствà для РЛС пðè мèíèмàльíых гà- бàðèтàх è стоèмостè êоíстðуêцèè. Нà рис. 7 пðедстàвлеíы êоíстðуêцèя è схемà умíожèтеля чàстоты èмпульсíого действèя боль- шой мощíостè (едèíèцы êВт è десятêè сотíè Вт) входíого è выходíого сèгíàлов для РЛС, ðàбо- тàющей в сàíтèметðовом è мèллèметðовом дèà- пàзоíàх. Óмíожèтель вêлючàет в себя входíой è выходíой волíоводы 1 пðямоугольíого сече- íèя, связàííые дðуг с дðугом штыðем связè 3, в ðàзðыве êотоðого устàíовлеíы полупðоводíèêо- вые умíожèтельíые дèоды 4. Во входíом вол- íоводе устàíовлеí ðежеêтоðíый фèльтð 2, пðо- пусêàющèй чàстоты входíого сèгíàлà è отðà- жàющèй ðàбочèе чàстоты выходíого сèгíàлà. Нàпðяжеíèе смещеíèя U подàется чеðез вывод 5, íàстðойêà умíожèтеля пðоèзводèтся êоðотêо- зàмыêàющèм поðшíем в выходíом волíоводе 6. Штыðь связè, пðоходящèй чеðез шèðоêую стеíêу выходíого волíоводà пеðпеíдèêуляð- íо ê íей, является одíовðемеííо пðодолжеíè- ем вíутðеííего пðоводíèêà плечà Т-обðàзíой Рèс. 5. Схемà волíоводíо-êоàêсèàльíой êоíстðуêцèè умíожèтеля чàстоты с двухслойíым ISIS-дèодом [12] Рвх, fвх Рвых U0 1 5 9 7 3 4 6 28 Рèс. 6. Схемà удвоèтеля чàстоты волí 8-мм дèàпàзо- íà в моíолèтíом èлè гèбðèдíо-èíтегðàльíом èспол- íеíèè с ISIS-дèодом [13] Рвх f1 = 18,2 ГГц Рвых fn = 36,4 ГГц 1 56 7 3 4 6 2 Рèс. 7. Êоíстðуêцèя (а) è схемà (б) èмпульсíого умíожèтеля чàстоты [14] à) 1 2 34 5 Рвх б) 6 fвых fвх Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 27ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 6 êоàêсèàльíой сèстемы, где двà дðугèх сèмме- тðèчíых плечà выполíеíы в вèде íеодíоðод- íых лèíèй с êоíèчесêèмè вíутðеííèмè пðовод- íèêàмè. Между большèмè по дèàметðу тоðцà- мè вíутðеííèх пðоводíèêов íеодíоðодíых êо- àêсèàльíых лèíèй с увелèчèвàющèмся дèàме- тðом вíутðеííèх пðоводíèêов è êоðотêозàмы- êàющèмè стеíêàмè теплоотводà устàíовлеíы пàðàллельíо вêлючеííые умíожèтельíые дè- оды. Óмíожèтельíые дèоды устàíàвлèвàются в облàсть тоðцов Т-обðàзíой êоàêсèàльíой сè- стемы, где по сðàвíеíèю с сèстемàмè дðугой фоðмы велèчèíà волíового сопðотèвлеíèя Wоê сíèжеíà блàгодàðя тому, что в íей дèàметð d2 вíутðеííего пðоводíèêà увелèчеí è пðèблèжà- ется ê дèàметðу d1 íàðужíого цèлèíдðèчесêо- го пðоводíèêà êоàêсèàлà. Это позволяет обе- спечèть зíàчèтельíое умеíьшеíèе íàпðяжеíèя сèгíàлà íà умíожèтельíых дèодàх. Пðè уðов- íе СВЧ-мощíостè входíого сèгíàлà Р1 в êàж- дом сèмметðèчíом плече Т-обðàзíой êоàêсèàль- íой сèстемы àмплèтудà СВЧ-íàпðяжеíèя опðе- деляется выðàжеíèем 1 1 2 120 ln .m d U P d  (6) Нàпðèмеð, пðè d1 / d2 < 1,18 волíовое со- пðотèвлеíèе Wоê ≤ 10 Ом, тогдà пðè Р1 ≤ 1 êВт получèм велèчèíу íàпðяжеíèя Um ≤ 140 В. Óмíожèтельíые дèоды, ðàссчèтàííые íà ðàботу с тàêèмè àмплèтудàмè СВЧ-сèгíàлà, ðеàлèзуются пðè создàíèè мíогопеðеходíых ISIS-стðуêтуð. Оíè удовлетвоðяют тðебовàíè- ям, связàííым с обеспечеíèем íоðмàльíого те- плового ðежèмà пðè уðовíе íепðеðывíой мощ- íостè до 10 Вт. Чèсло вêлючàемых дèодов М опðеделяется тðебовàíèем обеспечеíèя íеобходèмого тепло- съемà с дèодов è мèíèмèзàцèè последовàтельíо вêлючеííого в СВЧ-цепь пàðàзèтíого омèчесêо- го сопðотèвлеíèя ðàстеêàíèя. В ðежèмàх ðàбо- ты èмпульсíого умíожèтеля чàстоты с длèтель- íостью èмпульсà τè, пðевышàющей вðемя попе- ðечíой тепловой ðелàêсàцèè τпð = D 2/(4αт), где αт — êоэффèцèеíт теплопðоводíостè, увелè- чеíèе чèслà пàðàллельíо вêлючеííых дèодов умеíьшàет тепловое сопðотèвлеíèе в М1/2 ðàз. Аíàлèз поêàзывàет, что пàðàзèтíое омèчесêое сопðотèвлеíèе сèстемы, состоящей èз М пàðàл- лельíо вêлючеííых дèодов, может быть опðе- делеíо выðàжеíèем               2 Real th 1 , 4 ms s sÌ s s s s s Rh R Ìd D Ì h j d Ì (7) где ρs — удельíое сопðотèвлеíèе подложêè полу- пðоводíèêовой стðуêтуðы; hs — толщèíà подложêè; D — дèàметð p—n-пеðеходà одíой стðуêтуðы; ds — глубèíà сêèíслоя в мàтеðèàле подложêè; Rm — êоíтàêтíое сопðотèвлеíèе стðуêтуðы. Óвелèчеíèе чèслà пàðàллельíо вêлючàемых умíожèтельíых дèодов пðèводèт ê существеííо- му умеíьшеíèю омèчесêого сопðотèвлеíèя RsМ, что увелèчèвàет èх êðèтèчесêую чàстоту è ÊПÄ. В ðàзлèчíых вàðèàíтàх умíожèтеля, пðедстàвлеí- íого íà ðèс. 7, возможíо пðèмеíеíèе двухдðей- фовых êðемíèевых p+—p—n—n+-дèодов с длèíой пðолетà íосèтелей в р- è n-облàстях lр = ln = 2 мêм è êоíцеíтðàцèей Nр = Nn = (1—3)∙1016 см–3. Äàííàя стðуêтуðà дèодà оптèмèзèðовàíà для умíожеíèя входíого сèгíàлà в сàíтèметðовом дèàпàзоíе è получеíèя выходíого сèгíàлà в 8-мм дèàпàзоíе длèíы волíы. Óмíожèтельíые дèоды ðàботàют в ðежèме отсечêè, êогдà СВЧ-íàпðяжеíèе зàходèт в облàсть положèтельíой ветвè вольт-àмпеðíой хàðàêтеðèстèêè дèодà. Аíàлèз поêàзывàет, что в суммàðíой цепè пðèсутствуют тольêо четíые гàðмоíèêè тоêà, è поэтому êоíстðуêцèя умíожèтеля может ðà- ботàть êàê удвоèтель èлè учетвеðèтель чàстоты входíого сèгíàлà. Умножители частоты высокой кратности Одèí èз путей создàíèя умíожèтелей чà- стоты высоêой êðàтíостè осíовàí íà пðèмеíе- íèè свойств лàвèííо-пðолетíого дèодà (ЛПД) в ðежèме эффеêтèвíого пðеобðàзовàíèя чàсто- ты высоêостàбèльíого íèзêочàстотíого сèгíà- лà. Известíо [15], что этот ðежèм обеспечèвà- ет уðовеíь мощíостè выходíого сèгíàлà íà N-й гàðмоíèêе Рвых ~ 1/n, что существеííо пðевос- ходèт достèжèмые хàðàêтеðèстèêè умíожèте- лей íà дèодàх с íàêоплеíèем зàðядà, для êото- ðых Рвых ~ 1/n2 [16]. Теоðетèчесêое èсследовàíèе хàðàêтеðèстèê умíожèтеля чàстоты íà лàвèííо-пðолетíом дèоде осíовàíо íà схеме вêлючеíèя дèодà в СВЧ-цепь ге- íеðàтоðà è подведеíèè ê ЛПÄ íàпðяжеíèя U(t)= = U0 + Um sinωt. В ðезультàте действèя опоðíого íàпðяжеíèя с чàстотой ω пðè достàточíо боль- шой àмплèтуде Um в высоêочàстотíой цепè íà вðемеííых èíтеðвàлàх τn пðоходят èмпульсы с высоêой чàстотой ω0, лежàщей в ðàбочей поло- се чàстот геíеðàтоðà. Пðè опðеделеííых усло- вèях пðоèсходèт фàзовàя сèíхðоíèзàцèя высо- êочàстотíых êолебàíèй N-й гàðмоíèêè опоðíо- го сèгíàлà, è в ðезультàте возíèêàет последо- вàтельíость êогеðеíтíых СВЧ-сèгíàлов с чàсто- той ω0 = nω. Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 28 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 7 Мехàíèзм пðеобðàзовàíèя чàстоты высоêой êðàтíостè с пðèмеíеíèем ЛПÄ в íàстоящее вðе- мя полíостью íе ðàсêðыт è в ðàзíых ðàботàх тðàêтуется íеодíозíàчíо. В одíèх полàгàется, что зíàчèтельíàя íелèíейíость лàвèííого пðо- цессà в ЛПÄ èгðàет пеðвостепеííую ðоль в до- стèжеíèè высоêой эффеêтèвíостè умíожеíèя чàстоты, è пðè этом àíàлèзèðуются методы обо- стðеíèя èмпульсов тоêà чеðез дèод с целью уве- лèчеíèя содеðжàíèя гàðмоíèê. В дðугèх ðàбо- тàх, íàпðèмеð [17—19], поêàзàíо, что высоêàя эффеêтèвíость àêтèвíого умíожеíèя чàстоты íà ЛПÄ опðеделяется в осíовíом мехàíèзмом воз- буждеíèя êолебàíèй в пðеделàх длèтельíостè тоêà чеðез дèод è фàзовой сèíхðоíèзàцèей этèх СВЧ-êолебàíèй гàðмоíèêàмè пеðèодèчесêой по- следовàтельíостè èмпульсов тоêà. Мехàíèзм àê- тèвíого умíожеíèя чàстоты в элеêтðоííых пðè- боðàх èзвестеí è опèсàí в [20, с. 120—127]. Более точíое пðедстàвлеíèе о ðàботе ЛПÄ в ðежèме умíожеíèя чàстоты дàет его èсследовà- íèе в сàмосоглàсовàííом ðежèме. В íàшем слу- чàе тàêèе èсследовàíèя пðоводèлèсь в пðедпо- ложеíèè, что íà ЛПÄ подàется íàпðяжеíèе сме- щеíèя è зàдàííое íàпðяжеíèе íèзêой чàстоты, à íàгðузêой ЛПÄ является пàðàллельíый êоíтуð, íàстðоеííый íà высоêую чàстоту [21]. Эêвèвàлеíтíàя схемà умíожèтеля чàстоты íà ЛПÄ пðедстàвлеíà íà рис. 8 в упðощеííом вèде, в íей íе учèтывàется ðяд особеííостей, связàí- íых с упðàвлеíèем тоêом ЛПÄ. Совместíое ðе- шеíèе уðàвíеíèй, опèсывàющèх пðоцессы в ЛПÄ è в êоíтуðе, позволяет èсследовàть хàðàê- теð высоêочàстотíых êолебàíèй в íàгðузêе êоí- туðà (àмплèтуду êолебàíèй, ее зàвèсèмость от вðемеíè, чàстоту êолебàíèй, возможíость сàмо- возбуждеíèя). В íàшем случàе пàðàметðы êоí- туðà подбèðàлèсь тàêèм обðàзом, чтобы чàсто- тà геíеðàцèè в ðежèме сàмовозбуждеíèя былà выше чàстоты íèзêочàстотíого сèгíàлà íà зà- дàííую велèчèíу. Вàжíым является вопðос, опðеделяется лè чàстотà è фàзà ВЧ-êолебàíèй тольêо чàстотой è фàзой íèзêочàстотíого сèгíàлà, êотоðый пðед- полàгàется высоêостàбèльíым, лèбо оíè зàвèсят от дðугèх фàêтоðов. Êàê поêàзàíо в [19], еслè фàзà ВЧ-êолебàíèй в момеíт появлеíèя íово- го èмпульсà êолебàíèй постояííà отíосèтельíо фàзы íèзêочàстотíого íàпðяжеíèя, то спеêтð êолебàíèй íе будет зàвèсеть от чàстоты êоíту- ðà (êотоðàя может быть íестàбèльíой), à опðе- деляется тольêо чàстотой íèзêочàстотíого сèг- íàлà, что è тðебуется для эффеêтíой сèíхðоíè- зàцèè. Êàê пðàвèло, в ðежèме сàмовозбуждеíèя геíеðàтоðà íà ЛПÄ сèíхðоíèзàцèя íàблюдàется тольêо в очеíь узêой полосе. В ðежèме усèле- íèя íà отðèцàтельíом сопðотèвлеíèè ЛПÄ сèí- хðоíèзàцèя íàблюдàется в достàточíо шèðоêом èíтеðвàле èзмеíеíèй íèзêой чàстоты. Следует отметèть, что, íесмотðя íà потеíцè- àльíые возможíостè ðàботы ЛПÄ íà очеíь вы- соêèх чàстотàх, существует целый ðяд явлеíèй, огðàíèчèвàющèх ðàботу ЛПÄ в этом дèàпàзоíе чàстот. Одíо èз осíовíых — поведеíèе после- довàтельíого сопðотèвлеíèя ðàстеêàíèя подлож- êè è сопðотèвлеíèя êоíтàêтов. С увелèчеíèем чàстоты удельíое отðèцàтельíое сопðотèвлеíèе àêтèвíого слоя ЛПÄ пàдàет, è чàстотà, íà êото- ðой сопðотèвлеíèе ðàстеêàíèя стàíовèтся ðàв- íым отðèцàтельíому сопðотèвлеíèю, является пðедельíой для дàííого дèодà. Особое вíèмàíèе пðè ðàзðàботêе геíеðàтоðов è умíожèтелей в êоðотêоволíовой чàстè мèллè- метðового дèàпàзоíà следует обðàщàть íà тепло- вые ðежèмы ðàботы дèодà, посêольêу пеðегðев p—n-пеðеходà может íе позволèть ðеàлèзовàть íеобходèмое для дàííого дèàпàзоíà зíàчеíèе плотíостè тоêà. Вàжíой пðèчèíой, огðàíèчèвà- ющей выходíую мощíость ЛПÄ íà высоêèх чà- стотàх, является тðудíость соглàсовàíèя очеíь мàлого èмпедàíсà дèодà с èмпедàíсом вíешíей элеêтðодèíàмèчесêой СВЧ-сèстемы. Аíàлèз èмпедàíсíых àмплèтудíо-чàстотíых хàðàêтеðèстèê ЛПÄ поêàзывàет, что пðè зíàче- íèях àмплèтуды сèгíàлà, соответствующèх мàê- сèмàльíой элеêтðоííой мощíостè, è оптèмàль- íом дèàметðе p—n-пеðеходà модуль отðèцàтель- íого сопðотèвлеíèя полупðоводíèêовой стðуêту- ðы íе пðевышàет 1,0—1,5 Ом. В связè с этèм, пðè íепосðедствеííом вêлючеíèè ЛПÄ в высо- êочàстотíую цепь с íàгðузêой, ðàвíой волíово- му сопðотèвлеíèю лèíèè пеðедàчè, íеобходèмо обеспечèть высоêèй êоэффèцèеíт тðàíсфоðмà- цèè àêтèвíой состàвляющей èмпедàíсà íàгðуз- êè. Обеспечеíèе высоêого êоэффèцèеíтà тðàíс- Рèс. 8. Óпðощеííàя эêвèвàлеíтíàя схемà умíожè- теля íà ЛПÄ: Сê — емêость êоðпусà; rs — сопðотèвлеíèе ðàстеêàíèя; Ls — èíдуêтèвíость êоíтàêтов; rd — отðèцàтельíое со- пðотèвлеíèе ЛПÄ; Xd — ðеàêтèвíое сопðотèвлеíèе дè- одíой стðуêтуðы ЛПÄ; Zí — сопðотèвлеíèе íàгðузêè Сê rs Ls rd Xd Zí ~ Umsinωt С U Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 29ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 8 фоðмàцèè èмпедàíсà дèодà пðè его вêлючеíèè в цепь СВЧ является осíовíой особеííостью создàíèя высоêочàстотíых сèстем геíеðàтоðíо- пðеобðàзовàтельíых è усèлèтельíых устðойств íà ЛПÄ с мèíèмàльíымè эíеðгетèчесêèмè по- теðямè. Пðè выполíеíèè тàêого тðàíсфоðмàто- ðà с мèíèмàльíымè собствеííымè потеðямè è êоэффèцèеíтом тðàíсфоðмàцèè èмпедàíсов в высоêочàстотíую цепь вêлючàют тðàíсфоðмè- ðовàííые отðèцàтельíые сопðотèвлеíèя дèодà, êотоðые по модулю пðевышàют сопðотèвлеíèе потеðь в цепè вêлючеíèя дèодà. В íàшем слу- чàе целесообðàзíо ðàссмàтðèвàть дèэлеêтðèче- сêèй êоðпус дèодà в êàчестве тðàíсфоðмàтоðà èмпедàíсà. Нà рис. 9 пðедстàвлеíы зàвèсèмостè СВЧ- мощíостè в íàгðузêе êоíтуðà, отíесеííой ê едè- íèце площàдè êðèстàллà, от фàзы íèзêочàстот- íого сèгíàлà. Здесь вèдíо, что ðезêого сíèжеíèя выходíой мощíостè Рвых пðè èзмеíеíèè íоме- ðà гàðмоíèêè умíожèтеля íе íàблюдàется, êàê это могло бы следовàть èз пðостого спеêтðàль- íого ðàзложеíèя фоðмы тоêà. Тàêèм обðàзом, àíàлèз зàвèсèмостè выходíой мощíостè от ðе- жèмà ðàботы è пàðàметðов вíешíей элеêтðодè- íàмèчесêой сèстемы позволяет сделàть вывод, что ðàдèоèмпульсíое умíожеíèе пðоèсходèт од- íовðемеííо с усèлеíèем сèгíàлà ВЧ гàðмоíèче- сêой состàвляющей. Óвелèчеíèе добðотíостè ВЧ-êоíтуðà пðèво- дèт ê ðезêому пàдеíèю мàêсèмàльíого зíàчеíèя выходíой СВЧ-мощíостè, посêольêу êолебàíèя в êоíтуðе íàðàстàют медлеííее. Êðоме того, пðè увелèчеíèè добðотíостè сðыв ðежèмà сèíхðо- íèзàцèè (т. е. гðàíèцà облàстè, где фàзà ВЧ- êолебàíèй пðèвязàíà ê пеðèоду НЧ-êолебàíèй) íàблюдàется пðè меíьшèх зíàчеíèях плотíостè тоêà. Тàêèм обðàзом, для обеспечеíèя оптèмàль- íой ðàботы ЛПÄ в ðежèме умíожеíèя добðот- íость ВЧ-êоíтуðà должíà быть мèíèмàльíой. Äля получеíèя оптèмàльíых хàðàêтеðèстèê умíожèтеля íеобходèмо оптèмèзèðовàть пðо- фèль легèðовàíèя стðуêтуðы дèодà, что позволяет умеíьшèть сопðотèвлеíèе облàстè пðолетà в слу- чàях, êогдà íàпðяжеíèе íà дèоде меíьше íàпðя- жеíèя пðобоя, è отдàлèть облàсть лàвèííого ðе- зоíàíсà от ðàбочей облàстè чàстот. Êолебàíèя íà- ðàстàют, êогдà тоê пèтàíèя I0(t) пðевышàет пу- сêовой тоê Iп. Еслè в цепь пèтàíèя ввестè вíеш- íèй гàðмоíèчесêèй сèгíàл с чàстотой ω íà опðе- делеííых вðемеííых èíтеðвàлàх пðè условèè I0 > Iп, суммàðíое сопðотèвлеíèе êоíтуðà RΣΣбудет отрицательным (RΣ = – rd + rs), т. е. возíèêíут условèя для íàðàстàíèя êолебàíèй в высоêочàстотíой цепè с чàстотой выходíого сèгíàлà nω, блèзêой ê собствеííой чàстоте ω0. Пðоведеííый àíàлèз ðàботы àêтèвíого умíо- жèтеля чàстоты íà ЛПÄ высоêой êðàтíостè по- зволяет сделàть следующèе выводы: — эффеêтèвíое умíожеíèе чàстоты достè- гàется пðè ðеàлèзàцèè ðезоíàíсà высоêочàстот- íой цепè ЛПÄ. Пðè этом íеобходèмо обеспе- чèть условèе ðезоíàíсà Xd << 1/(ω0Cê) è вы- вестè облàсть лàвèííого ðезоíàíсà èз ðàбочей полосы чàстот. Последíее можíо достèчь фоð- мèðовàíèем пðофèля легèðовàíèя стðуêтуðы, блèзêой ê стðуêтуðе p—i—n-дèодà; — пàðàметðы высоêочàстотíой цепè целесо- обðàзíо выбèðàть тàêèмè, пðè êотоðых ее до- бðотíость будет мèíèмàльíой è будет выпол- íяться условèе ðезоíàíсà вблèзè ðàбочей чà- стоты ω0; — пðèíцèпèàльíо вàжíым условèем íоð- мàльíой ðàботы умíожèтеля является обеспече- íèе эффеêтèвíого теплоотводà от дèодà. Нà рис. 10 пðèведеíà схемà êоíстðуêцèè умíо- жèтеля чàстоты высоêой êðàтíостè íà ЛПÄ мèл- лèметðового дèàпàзоíà. Измеíяя длèíу êоðотêо- зàмêíутого шельфà êоàêсèàльíой лèíèè 3 мож- Рèс. 9. Зàвèсèмость выходíой мощíостè Рвых в íà- гðузêе ВЧ-êоíтуðà от фàзы φ íàпðяжеíèя НЧ-сèгíàлà пðè ðàзлèчíых зíàчеíèях его чàстоты Р вы х, м В т/ см 2 0,16 0,14 0,12 0,10 0,08 0,06 0,04 0,02 0 60 120 180 240 φ, ° ω0/ωíч = 10 20 15 Рèс. 10. Êоíстðуêцèя умíожèтеля высоêой êðàтíо- стè íà ЛПÄ: 1 — волíоводíое оêíо; 2 — ЛПÄ; 3 — êоàêсèàльíàя лèíèя; 4 — фèльтð íèзêой чàстоты ðàдèàльíого тèпà; 5 — полосêовàя лèíèя; 6 — емêость 1 2 3 4 5 6 U Вход СВЧ- сèгíàлà íèз- êой чàстоты Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 30 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 9 íо добèться последовàтельíого ðезоíàíсà, спо- собíого ðàсшèðèть ðàбочую полосу умíожèтеля. Нà рис. 11 поêàзàíà êоíстðуêцèя умíожè- теля чàстоты íà ЛПÄ, пðèмеíяемàя в êоðотêо- волíовой чàстè мèллèметðового дèàпàзоíà, где êоàêсèàльíàя лèíèя, пеðесеêàющàя волíовод íà узêой стеíêе волíоводà, íàгðужеíà íà пеðе- меííую емêость. Сðедíяя длèíà êольцà, обðà- зовàííого вíутðеííей цèлèíдðèчесêой повеðх- íостью è повеðхíостью вíутðеííего пðоводíè- êà, состàвляет Lсð = n/λ. Аêтèвíые умíожèтельíые модулè íà лàвèííо- пðолетíых дèодàх íепðеðывíого è èмпульс- íого действèя ðàзðàботàíы в НИИ «Оðèоí» (г. Êèев, Óêðàèíà) для èспользовàíèя êàê в àппàðàтуðе общего пðèмеíеíèя, тàê è в боðто- вой àппàðàтуðе в дèàпàзоíе чàстот 80—150 ГГц. Óмíожèтельíые модулè èспользуются в состàве êогеðеíтíых пðèемо-пеðедàтчèêов W-дèàпàзоíà, à тàêже в àппàðàтуðе цèфðовых ðàдèоðелей- íых стàíцèй. Фуíêцèоíàльíый одíоêàсêàд- íый àêтèвíый умíожèтельíый модуль пðеобðà- зует чàстоту сèгíàлà сàíтèметðового дèàпàзоíà (5—15 ГГц) в чàстоту мèллèметðового дèàпàзоíà (80—150 ГГц) с высоêой эффеêтèвíостью (поте- ðè пðеобðàзовàíèя соответствуют зàêоíомеðíо- стè n–1) без дегðàдàцèè фàзы входíого сèгíàлà. Óðовеíь вíосèмого фàзового шумà опðеделяется соотíошеíèем 20lgn. Êоíстðуêтèвíо умíожèтель состоèт èз волíоводíой умíожèтельíой êàмеðы, тðàíзèстоðíого усèлèтеля входíого сèгíàлà сàí- тèметðового дèàпàзоíà, волíоводíого веíтèля, волíоводíого полосêово-пðопусêàющего фèль- тðà è дðàйвеðà [22; 23, с. 201—222]. Умножители частоты на диодных гетероструктурах и квантовых сверхрешетках терагерцевого диапазона В последíее тðè десятèлетèя обшèðíым по- лем деятельíостè для ðàзðàботчèêов элеêтðоí- íых êомпоíеíтов стàло освоеíèе ТГц-облàстè спеêтðà элеêтðомàгíèтíого èзлучеíèя, лежàще- го между высоêочàстотíым ðàдèодèàпàзоíом è дàльíèм èíфðàêðàсíым. Гðомàдíый èíтеðес ê этой облàстè спеêтðà обусловлеí тем, что суще- ствует мàссà пðедложеíèй по спецèàльíым, íà- учíым è êоммеðчесêèм пðèмеíеíèям этого èз- лучеíèя. В то же вðемя, ðегèстðàцèя спеêтðов поглощеíèя гàзов è èсследуемых сðед тðебует íàлèчèя èсточíèêов èзлучеíèя, èмеющèх стà- бèльíость чàстоты 10–8—10–9 è пеðестðàèвàе- мых по дèàпàзоíу [24, 25]. Тðàдèцèоííые методы создàíèя тàêèх èс- точíèêов, ðàботàющèх в мèêðоволíовой чàстè спеêтðà, мàлопðèемлемы, посêольêу для увелè- чеíèя чàстоты геíеðàцèè тðебуется обеспечèть êàê можíо более êоðотêое вðемя жèзíè íосè- телей в àêтèвíой облàстè. С дðугой стоðоíы, оптèчесêèе методы полупðоводíèêовой элеêтðо- íèêè íепðèемлемы, посêольêу èспользуют меж- зоííые пеðеходы полупðоводíèêовых мàтеðèà- лов, эíеðгèя êотоðых íà поðядоê больше эíеð- гèè êвàíтà ТГц-èзлучеíèя. Мощíымè èсточíèêàмè теðàгеðцевого èзлу- чеíèя, осíовàííымè íà пеðеíосе íосèтелей зà- ðядà, являются сèíхðотðоíы è лàзеðы íà сво- бодíых íосèтелях, одíàêо доðоговèзíà è гàбà- ðèты пðепятствуют èх èспользовàíèю дàже для сугубо íàучíых пðèмеíеíèй. Отíосèтельíо пðостой è эффеêтèвíый путь получеíèя èзлучеíèя со стàбèльíой чàстотой со- стоèт в умíожеíèè чàстоты опоðíого èсточíèêà. Осíовíые успехè в повышеíèè выходíой мощ- íостè умíожèтелей íà свеðхвысоêèх чàстотàх связàíы с пðèмеíеíèем дèодов Шоттêè плàíàð- íой геометðèè пðè èспользовàíèè íесêольêèх дèодов, вêлючеííых по бàлàíсíой схеме [26]. Твеðдотельíые èсточíèêè èзлучеíèя íà бàзе тà- êèх умíожèтелей демоíстðèðуют íà чàстоте оêо- ло 900 ГГц выходíую мощíость в íепðеðывíом ðежèме íà уðовíе 0,5—0,6 мВт [27]. В êàчестве àльтеðíàтèвíого àêтèвíого элемеí- тà для СВЧ-умíожèтеля былè пðедложеíы гете- ðобàðьеðíые вàðàêтоðíые (ГБÂ) дèоды [28]. В тàêèх дèодàх тоíêèй íелегèðовàííый слой более шèðоêозоííого мàтеðèàлà (íàпðèмеð, AlAs èлè AlGasAs), ðàсположеííый между двумя легèðо- Рèс. 11. Êоíстðуêцèя (а) è схемà (б) умíожèтеля высоêой êðàтíостè íà ЛПÄ: 1 — ЛПÄ; 2 — оêíо выходíого волíоводà; 3 — íàстðоеч- íый вèíт; 4 — фèльтð ðàдèàльíого тèпà; 5 — полосêо- вàя лèíèя; 6 — êоðотêозàмыêàющèй поðшеíь б) 6 à) 123 4 5 U Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 31ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 10 вàííымè слоямè узêозоííого мàтеðèàлà n-тèпà (íàпðèмеð, GaAs), создàет потеíцèàльíый бà- ðьеð для элеêтðоíов в зоíе пðоводèмостè. Пðè пðèложеíèè вíешíего íàпðяжеíèя с одíой сто- ðоíы шèðоêозоííого бàðьеðà пðоèсходèт íàêоп- леíèе элеêтðоíов, à с дðугой фоðмèðуется обе- дíеííàя облàсть, шèðèíà êотоðой увелèчèвàет- ся по меðе ðостà íàпðяжеíèя, что обуслàвлèвà- ет соответствующее умеíьшеíèе бàðьеðíой ем- êостè. Нелèíейíое èзмеíеíèе êомплеêсíого со- пðотèвлеíèя ГБВ-дèодов èспользуется для ðе- àлèзàцèè умíожеíèя чàстоты. Пðè этом сèмме- тðèчíàя фоðмà вольт-фàðàдíой хàðàêтеðèстèêè позволяет ðеàлèзовàть геíеðàцèю тольêо íечет- íых гàðмоíèê. Äля улучшеíèя теплоотводà èс- пользуется моíтàж êðèстàллà ГБВ-дèодà íà по- веðхíость êðемíèевой подложêè [29]. В [28] утðоèтель чàстоты с èспользовàíèем ГБВ-дèодà èмеет выходíую мощíость 185 мВт íà чàстоте 107 ГГц в ðàбочей полосе 15% пðè êоэф- фèцèеíте пðеобðàзовàíèя 23%. ГБВ-дèод выпол- íеí с èспользовàíèем выðàщеííых íà подлож- êàх InP гетеðостðуêтуð InAlAs/InGaAs/AlAs с íесêольêèмè последовàтельíо ðàсположеííымè бàðьеðíымè слоямè. В [30—32] опèсывàется техíологèя èзготов- леíèя стðуêтуð InGaAs/InAlAsAlAs для гетеðо- бàðьеðíых вàðàêтоðов с толщèíой AlAs-встàвоê 2 íм. Пðедвàðèтельíые èспытàíèя умíожèтеля чàстоты íà вàðàêтоðе тàêого тèпà пðè êðàтíостè 3 íà чàстоте 94 ГГц поêàзàлè, что в èмпульс- íом ðежèме Рвых = 220 мВт пðè уðовíе вход- íой мощíостè Рвх = 1 Вт, в íепðеðывíом ðежè- ме Рвых = 80 мВт пðè Рвх ≈ 500 мВт. Нà рис. 12 пðèведеíà эêспеðèмеíтàльíàя вольт- фàðàдíàя хàðàêтеðèстèêà тèповых ГБВ-дèодов. В íàстоящее вðемя èíтеðес ê чàстотíому дèà- пàзоíу 0,3—10 ТГц возðос в связè с íовымè воз- можíостямè для пðоведеíèя èсследовàíèй в об- лàстè спеêтðосêопèè è ðàдèоàстðоíомèè. С ðàз- ðàботêой свеðхпðоводящèх болометðов появè- лèсь условèя для создàíèя пðèемíèêов с пðе- дельíо íèзêèмè шумовымè хàðàêтеðèстèêàмè, блèзêèмè ê êвàíтовому пðеделу [24]. Äля создàíèя гетеðодèíов для тàêèх пðèем- íых устðойств теðàгеðцевого дèàпàзоíà чàстот пеðспеêтèвíымè являются умíожèтелè чàсто- ты с èспользовàíèем êвàíтовых полупðоводíè- êовых свеðхðешетоê [33—36]. В [35] поêàзà- íà возможíость èх пðèмеíеíèя для целей спеê- тðосêопèè высоêого ðàзðешеíèя. Свеðхðешетêà пðедстàвляет собой пеðèодèчесêую полупðовод- íèêовую стðуêтуðу, состоящую èз тоíêèх слоев двух полупðоводíèêов, повтоðяющèхся в одíом íàпðàвлеíèè. Пеðèод по толщèíе выбèðàется меíьше длèíы свободíого пðобегà элеêтðоíов, íо больше постояííой êðèстàллèчесêой ðешет- êè. Возíèêàющèй в ðезультàте пеðèодèчесêèй потеíцèàл èзмеíяет зоííую стðуêтуðу èсходíых полупðоводíèêов тàêèм обðàзом, что зоíà пðо- водèмостè ðàзбèвàется íà совоêупíость эíеðге- тèчесêèх мèíè-зоí. Нелèíейíость тоêà свеðх- ðешетоê обусловлеíà бðегговсêèм отðàжеíèем элеêтðоíов пðоводèмостè è пðоцессàмè ðелàê- сàцèè элеêтðоíов в мèíè-зоíе. Существуют хоðошèе пеðспеêтèвы èспользо- вàíèя свеðхðешетоê в умíожèтелях чàстоты с высоêой êðàтíостью гàðмоíèê в êàчестве èсточ- íèêà ТГц-èзлучеíèя. В [36] пðоведеíо эêспеðè- меíтàльíое èсследовàíèе умíожèтелей чàстоты íà осíове полупðоводíèêовых свеðхðешетоê в ТГц-дèàпàзоíе. Стðуêтуðà свеðхðешетêè состоèт èз 18 пеðèодов, что соответствует длèíе 112 íм. Êàждый пеðèод вêлючàет 18 моíослоев GaAs è 4 моíослоя AlGaАs. Стðуêтуðы выðàщèвàлèсь методом молеêуляðíо-лучевой эпèтàêсèè в устà- íовêе Riber 32Р íà полуèзолèðующей подлож- êе GaAs. Вольт-àмпеðíàя хàðàêтеðèстèêà дèодов íà осíове свеðхðешетоê èмеет учàстоê с отðèцà- тельíой дèффеðеíцèàльíой пðоводèмостью, со- хðàíяющейся в теðàгеðцевом дèàпàзоíе чàстот (рис. 13), что уêàзывàет íà пеðспеêтèвíость тà- Рèс. 12. Вольт-фàðàдíàя хàðàêтеðèстèêà тестовых ГБВ-дèодов, èзготовлеííых íà осíове гетеðостðуê- туð InGaAs/InAlAsAlAs с толщèíой AlAs-встàвоê 2 мêм [31, 32] С , ф Ф / м êм 2 0,8 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 –6 –4 –2 0 2 4 6 U, B Рèс. 13. Тèпèчíàя зàвèсèмость тоêà дèодов íà осíо- ве полупðоводíèêовых свеðхðешетоê от пðèложеí- íого íàпðяжеíèя І, мА 6 4 2 0 –2 –1 0 1 U, B Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 32 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 11 êèх дèодов для создàíèя íà èх осíове умíожè- телей чàстоты ТГц-дèàпàзоíà. Нà рис. 14, где пðèведеíà схемà ðеàлèзàцèè умíожèтеля чàстоты с полупðоводíèêовымè дè- одàмè íà осíове свеðхðешетоê, поêàзàíо ðàспо- ложеíèе плàíàðíого дèодà в волíоводíой êàме- ðе, êотоðàя èмеет сечеíèе 2,54×1,27 мм è выход- íой волíовод с чàстотой отсечêè более 350 ГГц с дèàгоíàльíым ðупоðом [35]. Äля соглàсовàíèя в шèðоêом дèàпàзоíе чàстот во входíом волíо- воде помещàется тðàíсфоðмàтоð сопðотèвлеíèй, выполíеííый íà осíове волíоводíо-щелевой лèíèè. Äля демоíстðàцèè ðезультàтов ðеàлèзàцèè умíожèтеля чàстоты с дèодàмè íà осíове свеðх- ðешетоê íà рис. 15 пðèведеíà эêспеðèмеíтàль- íо получеííàя зàвèсèмость выходíой мощíостè гàðмоíèê от чàстоты èзлучеíèя умíожèтеля чà- стоты пðè входíой чàстоте 150 ГГц. Велèчèíà поступàющей íà вход умíожèтеля мощíостè со- стàвлялà 5—10 мВт. Генераторы гармоник Пðеèмуществом геíеðàтоðов гàðмоíèê явля- ется èх высоêàя добðотíость íà чàстоте гàðмо- íèêè, т. е. высоêàя стàбèльíость чàстоты по от- íошеíèю ê пàðàметðàм íàгðузêè íà чàстоте гàð- моíèêè. Этà особеííость позволяет íе пðèмеíять феððèтовые элемеíты для ðàзвязêè геíеðàтоðà с íàгðузêой, что зíàчèтельíо упðощàет êоíстðуê- цèю [37]. Äля достèжеíèя íàèбольшей мощíостè сèгíàлà гàðмоíèêè высоêочàстотíую êоíстðуê- цèю следует выполíять тàê, чтобы àмплèтудà êолебàíèй íà осíовíой чàстоте былà мàêсèмàль- íой. С этой целью высоêочàстотíàя цепь ðеàлè- зуется без отбоðà мощíостè íà осíовíой чàстоте, т. е. в вèде ðезоíàтоðà, àêтèвíое сопðотèвлеíèе êотоðого опðеделяется тольêо сопðотèвлеíèем потеðь. Тàêое ðешеíèе обеспечèвàет íе тольêо мàêсèмàльíую àмплèтуду êолебàíèй, íо è мàê- сèмàльíую добðотíость ðезоíàíсíой схемы геíе- ðàтоðà, íеобходèмую для обеспечеíèя высоêой стàбèльíостè чàстоты àвтоêолебàíèй. По своей эффеêтèвíостè геíеðàтоðы гàðмоíèê, ðàботàю- щèе в êоðотêоволíовой чàстè мèллèметðового дèàпàзоíà íà втоðой èлè тðетьей гàðмоíèêе, íе уступàют êомбèíèðовàííым схемàм с àвтоíом- íымè умíожèтелямè чàстоты. Вàжíым элемеíтом, пðèмеíяемым пðàêтèче- сêè во всех êоíстðуêцèях геíеðàтоðов гàðмоíèê мèллèметðового дèàпàзоíà, является êðышêà (дèсê) íà тоðце дèодà, создàющàя ðàдèàльíую лèíèю, входíой èмпедàíс êотоðой вêлючеí пà- ðàллельíо стðуêтуðе дèодà. Входíой èмпедàíс ðàдèàльíой лèíèè è ðàзмеð êðышêè выбèðà- ются тàê, чтобы тðàíсфоðмàцèя èмпедàíсà дè- одà в СВЧ-цепь геíеðàтоðà íà осíовíой чàстоте былà оптèмàльíой. Нà чàстоте втоðой гàðмоíèêè элеêтðèчесêàя длèíà лèíèè меíяется, что пðè- водèт ê увелèчеíèю ðезоíàíсíой чàстоты дèодà. Нà рис. 16 пðедстàвлеíà êоíстðуêцèя геíе- ðàтоðà, êотоðàя получèлà íàèбольшее ðàспðо- стðàíеíèе. Здесь пðèмеíеí êоàêсèàльíый ðезо- íàтоð 1 для осíовíой чàстоты, пеðестðàèвàемый поðшíем 2. Резоíàтоð 1 связàí щелью с волíо- водом отбоðà мощíостè гàðмоíèêè 3. Äèод 4 устàíовлеí в волíовод 3. Нàстðойêà íà мàêсè- мàльíый уðовеíь выходíой мощíостè пðоèзво- дèтся волíоводíым поðшíем 5 è дèàметðом ðà- дèàльíой лèíèè 6. Äля получеíèя высоêой мощíостè íà чàсто- те гàðмоíèêè в êоðотêоволíовой чàстè мèллèме- тðового дèàпàзоíà волí íеобходèмо пðèмеíять Рèс. 14. Пðèмеð ðàсположеíèя плàíàðíого дèодà в волíоводíой êàмеðе Волíоводíо-щелевàя лèíèя Äèодíàя стðуêтуðà > 350 ГГц 150 ГГц 2 Рèс. 16. Êоíстðуêцèя геíеðàтоðà гàðмоíèêè 6 5 1 3 4 Рèс. 15. Зàвèсèмость выходíой мощíостè гàðмо- íèê умíожèтеля чàстоты от чàстоты èзлучеíèя пðè fвх = 150 ГГц [35] 104 103 102 101 100 10–1 10–2 0 2 4 6 8 f, ТГц Р вы х, í В т Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 33ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 12 дèоды, облàдàющèе высоêой íелèíейíостью. Äля этого пðèмеíяются дèоды Гàííà íà осíове InP, TUNNET дèоды íà осíове GaAs [38], хà- ðàêтеðèзующèеся высоêой эффеêтèвíостью íà осíовíой чàстоте в облàстè 100—150 ГГц, уðо- веíь шумà êотоðых íà 15—20 дБ меíьше, чем êðемíèевых ЛПÄ, à существеííые íелèíейíые свойствà обеспечèвàют высоêèй уðовеíь àмплè- туд осíовíой гàðмоíèêè. Создàíèе дèодíых геíеðàтоðов гàðмоíèê по- зволяет ðàсшèðèть ðàбочèй дèàпàзоí в облàсть чàстот, где отðèцàтельíое сопðотèвлеíèе дèодà мàло è поэтому íе может обеспечèть ðежèм àвто- êолебàíèй. Тогдà ðàботà дèодà íà чàстоте гàðмо- íèêè пðоèсходèт в лучшем случàе в ðежèме усè- леíèя. В связè с этèм геíеðàтоðы гàðмоíèê íà GaAs-дèодàх Гàííà шèðоêо пðèмеíяются для соз- дàíèя стàбèльíых èсточíèêов элеêтðомàгíèтíых êолебàíèй в облàстè чàстот 60—100 ГГц. Этот ðе- жèм успешíо пðèмеíеí для получеíèя мощíо- стè íà чàстотàх 200—300 ГГц пðè èспользовàíèè InP-дèодов Гàííà. Геíеðàтоðы гàðмоíèê являют- ся в осíовíом двухчàстотíымè, ðàзвèвàющèмè мощíость в двух полезíых íàгðузêàх íà осíов- íой чàстоте è íà чàстоте гàðмоíèêè. Пðè этом возможíы ðàзлèчíые ðежèмы удвоеíèя осíов- íой чàстоты àвтоêолебàíèй: — пàссèвíого умíожеíèя чàстоты, êогдà ве- ществеííàя чàсть èмпульсà дèодà íà чàстоте 2f положèтельíà. Этот ðежèм сводèтся ê èзвле- чеíèю в полезíую íàгðузêу мощíостè сèгíàлà гàðмоíèêè; — усèлеíèя сèгíàлà гàðмоíèêè; — сèíхðоíèзàцèè íà чàстоте гàðмоíèêè; — бèгàðмоíèчесêèй ðежèм, êогдà ðàсстðой- êà чàстоты àвтоêолебàíèй отíосèтельíо чàсто- ты гàðмоíèêè пðевышàет шèðèíу полосы сèí- хðоíèзàцèè. Реàлèзàцèя ðежèмà ðàботы устðойствà опðе- деляется тèпом è пàðàметðàмè пðèмеíяемого дè- одà, способом вêлючеíèя его в высоêочàстотíую цепь, êоíстðуêцèей элеêтðодèíàмèчесêой сèсте- мы è íàстðойêой геíеðàтоðà гàðмоíèê [39—41]. Âыводы Пðèведеííый обзоð ðезультàтов по создàíèю èсточíèêов мощíостè íà осíове умíожèтельíых дèодов свèдетельствует о зíàчèтельíых успехàх в этой облàстè è быстðом ðàзвèтèè элеêтðоí- íой êомпоíеíтíой бàзы êоðотêоволíовой чàстè СВЧ-спеêтðà. Очевèдíо, что дàльíейшее ðàзвè- тèе умíожèтельíых дèодов в техíèêе СВЧ бу- дет пðоявляться íе тольêо в повышеíèè ðàбо- чей мощíостè, íо è в ðешеíèè пðоблем мèêðо- мèíèàтюðèзàцèè. В связè с этèм следует отме- тèть появлеíèе гетеðоэпèтàêсèàльíых мíого- слойíых вàðàêтоðíых стðуêтуð, выполíеííых с помощью молеêуляðíо-лучевой эпèтàêсèè, об- лàдàющèх всемè пðеèмуществàмè состàвíого вà- ðàêтоðà, íо èмеющèх лучшèе тепловые хàðàê- теðèстèêè è хоðошèе пеðспеêтèвы èх èспользо- вàíèя в теðàгеðцевом дèàпàзоíе. ИСПОЛЬЗОВАННЫЕ ИСТОЧНИÊИ 1. Siegel P. H. Terahertz technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.— 2002.— Vol. 50, N 3.— Р. 910—928.— http://dx.doi.org/10.1109/22.989974 2. Carpintero G., Garcia-Munoz E., Hartnagel H. et al. Semiconductor terahertz technology: devices and systems at room temperature operation.— USA, NY: John Wiley & Sons, Inc., 2015.— https:// doi.org/10.1002/9781118920411.ch1 3. Porterfield D. High-efficiency terahertz frequency triplers // IEEE/MTT-S International Microwave Symposium.— Honolulu, USA.— 2007.— Р. 337—340.— https://doi.org/10.1109/MWSYM.2007.380439 4. Chattopadhyay G., Schlecht E., Ward J. et al. An all solid-state broadband frequency multiplier chain at 1500 GHz // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.— 2004.— Vol. 52, N 5.— P. 1538—1547.— https://doi.org/10.1109/TMTT.2004.827042 5. Maiwald F., Schlecht E., Maestrini A. et al. THz frequency multiplier chains based on planar Schottky diodes // Proc. SPIE: Astronom. Telescopes Instrum. Int. Conf.— Waikoloa, HI.— 2002.— Vol. 4855.— P. 447—458. 6. Wang H., Sengupta K. RF and mm-Wave Power Generation in Silicon.— Academic Press, 2015. 7. Óсàíов Ä. А., Сêðèпàль А. В., Посàдовсêèй В. Н. è дð. СВЧ умíожèтелè высоêой êðàтíостè // Изв. Вузов Россèè. Рàдèоэлеêтðоíèêà.— 2014.— Вып. 2.— C. 48—50. 8. Пèльдоí П. И., Вèзель А. А. Полупðоводíèêовые дè- оды для умíожеíèя чàстоты. Полупðоводíèêовые пðèбоðы è èх пðèмеíеíèе // Сб. стàтей под ðед. Я. А. Федотовà.— Мосêвà: Сов. Рàдèо, 1970.— Вып. 23.— С. 82—100. 9. Irvin I. C., Swan C. B. A composite varactor for simultaneous high harmonic generation // IEEE Transactions on Electron Devices.— 1966.— Vol. 13, N 5.— P. 466—471.— https://doi.org/10.1109/T-ED.1966.15713 10. Staecker P. W., Hines M. E., Occhiuti R. F., Cushman I. R. Multi-watt power generation at millimeter-wave frequencies using epitaxially-stacked varactor diodes // IEEE MTT-S. International Microwave Symposium Digest.— Las Vegas, USA.— 1987.— Vol. 2.— P. 917—920. 11. Staecker P. W. MM-wave transmitters using power frequency multipliers // Microwave Journal.— 1988.— N 2.— P. 175—181. 12. Cushman R., Occhiuti F., McDonagh E. M. et al. High power epitaxially-stacked varactor diode multipliers // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.— Dallas, TEX, USA.— 1990.— Vol. 2.— P. 923—926.— https://doi.org/10.1109/MWSYM.1990.99729 13. Courtney W. E., Chen C. L. et al. Monolithic analog phase shifters and frequency multipliers for mm-wave phased array applications // Microwave Journal.— 1966.— N 12.— P. 105—119. 14. Пàтеíт 20485 Óêðàèíы. Мощíый СВЧ полупðово- дíèêовый умíожèтель чàстоты / Êàсàтêèí Л. В., Êàðушêèí Н. Ф., Белêèí В. В., Êоссèíсêèй А. С.— 1997. 15. Rolland P. A., Waterkowski J. L., Constant E., Salmer G. New model of operation for avalanche diodes: Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 34 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 13 frequency multiplication and conversion // IEEE Trans. MTT.— 1976.— N 11.— P. 768—775. 16. Соболев Л. И., Êотов Ю. А., Модестов Л. А. Óмíожèтелè чàстоты свеðхвысоêой êðàтíостè // Полупðоводíèêовые пðèбоðы è èх пðèмеíеíèе.— 1970.— Вып. 23.— С. 109—132. 17. Веíгеð А. З., Еðмàê А. Н., Яêèмеíêо А. М. Óмíожèтель чàстоты íà лàвèííо-пðолетíом дèоде // ПТЭ.— 1980.— № 3.— С.138—139. 18. Kasatkin L. V., Novozhilov V. V. Effective high order frequency multipliers on IMPATT diodes // Applied Microwave and Wireless.— 1994.— Vol. 6.— P. 32—36. 19. Äвоðíèчеíêо В. П., Êàðушêèí Н. Ф., Мàльцев С. Б., Чàйêà В. Е. Рàботà ЛПÄ в ðежèме ðàдèоèмпульсíо- го умíожеíèя чàстоты // Элеêтðоííàя техíèêà. Сеðèя 1. Элеêтðоíèêà СВЧ.—1985.— Вып. 4 (376).— С. 40—44. 20. Гðèгуловèч В. И., Иммоðеев И. Я. Рàдèоèмпульсíое пðеобðàзовàíèе чàстоты.— Мосêвà: Сов. Рàдèо. 1966. 21. Êàðушêèí Н. Ф., Обухов И. А., Бàлàбàíов В. М., Смèðíовà Е. А. Твеðдотельíые модулè для геíе- ðàцèè СВЧ-èзлучеíèя в дèàпàзоíе чàстот до 200 ГГц // Тðуды 26-й Междуíàð. Êðымсêой êоíфеð. СВЧ-техíèêà è телеêоммуíèêàцèоííые техíологèè (ÊðыМèÊо'2016).— 2016.— г. Севàстополь, Êðым.— С. 289—295. 22. Êàðушêèí Н. Ф., Мàльцев С. Б., Хèтðовсêèй В. А. Твеðдотельíые СВЧ-модулè для ðàдèотехíèче- сêой àппàðàтуðы è сèстем мèллèметðового дèàпàзоíà длèí волí // Техíологèя è êоíстðуèðовàíèе в элеêтðоí- íой àппàðàтуðе.— 2016.— № 1.— С. 3—7.— https:// doi.org/10.15222/TKEA2016.1.03 23. Чàйêà В. Е., Êàсàтêèí Л. В. Полупðоводíèêовые устðойствà дèàпàзоíà мèллèметðовых волí.— Севàстополь: Вебеð, 2006. 24. Вàêс В. Л., Аíфеðтьев В. А., Гольдмàí Г. Н. è дð. ТГц-спеêтðосêопèя высоêого ðàзðешеíèя íà осíове íà- íостðуêтуðèðовàííых полупðоводíèêовых è свеðхполу- пðоводíèêовых устðойств // Жуðíàл ðàдèоэлеêтðоíè- êè.— 2006.— № 1. 25. Шàшêèí В. И. Отчет о íàучíо-èсследовàтельсêой ðàботе. Фоðмèðовàíèе è èсследовàíèе мíогослойíых íà- íостðуêтуð íà осíове Si, СàАs è GN для пàссèвíых è àê- тèвíых элемеíтов мèллèметðового è èíфðàêðàсíого дèà- пàзоíов длèí волí // Иíстèтут фèзèêè мèêðостðуêтуð РАН.— Нèжíèй Новгоðод.— 2012. 26. Божêов В. Г. Полупðоводíèêовые детеêтоðы, сме- сèтелè è умíожèтелè чàстоты теðàгеðцевого дèàпàзоíà // Изв. Вузов. Рàдèофèзèêà.— 2003.— Т. 46, № 8—9.— С. 702—731. 27. Erickson N. R. High efficiency submillimeter frequency multipliers // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest.— Dallas.— 1990.— P. 1301—1304. 28. Malko A., Bryllert T., Vukusic J., Stake J. High Efficiency and broad-band operation of monolithically integrated W-Band HBV frequency tripler // 24th International Conf. on Indium Phosphide and Related Material.— Santa Barbara, USA.— 2012.— P. 92—94. 29. Malko A., Bryllert T., Vukusic J., Stake J. A 474 GHz HBV frequency quintupler integrated on a 20 mkm thick silicon substrate // IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology.— 2015.— N 5.— P. 85.— https:// doi.org/10.1109/TTHZ.2014.2378793 30. Беляêов В. А., Оболеíсêèй С. В., Фефеловà Е. Л. è дð. Гетеðобàðьеðíые вàðàêтоðы íà осíове гетеðо- стðуêтуð íà подложêàх фосфèдà èíдèя // Тðуды 2-й Рос.- белоðус. íàучíо-техíèчесêой êоíфеðеíцèè «Элемеíтíàя бàзà отечествеííой ðàдèоэлеêтðоíèêè».— Нèжíèй Нов- гоðод, РФ.— 2015.— С. 199—201. 31. Мàлеев Н. А., Беляêов В. А., Вàсèльев А. П., Êулàгèíà М. М. Молеêуляðíо-пучêовàя эпèтàêсèя стðуê- туð гетеðобàðьеðíых вàðàêтоðов в сèстеме мàтеðèàлов InGaAs-InAlAs-InР // Элеêтðоíèêà è мèêðоэлеêтðоíèêà СВЧ.— 2016.— Т. 1.— С. 68—72. 32. Мàлеев Н. А., Беляêов В. А., Вàсèльев А. П. è дð. Молеêуляðíо-пучêовàя эпèтàêсèя стðуêтуð InGaAs/InAlAs/AlAs для гетеðобàðьеðíых вàðàêто- ðов // Фèзèêà è техíèêà полупðоводíèêов.— 2017.— Т. 51, вып. 11.— С. 1484—1487.— https :// doi.org/10.21883/FTP.2017.11.45095.09 33. Ромàíов Ю. А., Ромàíовà Ю. Ю. Блоховсêèе êо- лебàíèя в свеðхðешетêàх. Пðоблемы теðàгеðцевого дèàпà- зоíà // ФТП.— 2005.— Т. 39.— Вып. 1.— С. 162—170. 34. Пàвельев Ä.Г., Вàсèльев А.П., Êозлов В.А. è дð. Äèодíые гетеðостðуêтуðы для пðèбоðов теðàгеðцевого дè- àпàзоíà чàстот // Жуðíàл ðàдèоэлеêтðоíèêè: элеêтðоí- íый жуðíàл. — 2016. — № 1. 35. Пàвельев Ä.Г., Êошуðèíов Ю.И., Ивàíов А.С. è дð. Эêспеðèмеíтàльíые èсследовàíèя умíожèтелей чàстоты íà полупðоводíèêовых свеðхðешетêàх в теðàгеðцевом дèàпà- зоíе // Фèзèêà è техíèêà полупðоводíèêов.— 2012.— Т. 46, вып. 1.— С. 125—129. 36. Schomburg E., Hofbeck K., Scheuerer R. et al. Control of the dipole domain propagation in GaAs/AlAs super lattice with a high-frequency field // Phys. Rev. B.— 2002.— Vol. 65(15).— 155320.— https://doi.org/10.1103/ PhysRevB.65.155320 37. Рàêèтèí С.П., Êàðушêèí Н.Ф., Êàсàтêèí Л.В. è дð. Твеðдотельíые êомпоíеíты для пеðспеêтèвíой ðàдèоэлеê- тðоííой àппàðàтуðы мèллèметðового è субмèллèметðово- го дèàпàзоíов длèí волí (26,5—300 ГГц) // Тðуды 10-й Междуíàð. Êðымсêой êоíфеð. СВЧ-техíèêà è телеêомму- íèêàцèоííые техíологèè (ÊðыМèÊо'2000).— Óêðàèíà, г. Севàстополь.— 2000.— С. 33—36. 38. Eisele H., Rydberg A., Haddad G. Recent advances in the performance of InP Gunn devices and GaAs TUNNET diodes for the 100—300 GHz frequency range and above // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.— 2000.— Vol. 48, N 4.— P. 626—631. — https:// doi.org/10.1109/22.841952 39. Jones S., Lybura M., Carlstorom J., O'Brien T. A 63—170 GHz second harmonic operation of an InP transferred electron device // IEEE Transactions on Electron Devices.— 1999.— Vol. 46, N 1.— Р. 17—23.— https:// doi.org/10.1109/16.737436 40. Êосов А.С., Елеíсêèй В.Г. Геíеðàтоðы гàðмоíèê мèллèметðового дèàпàзоíà íà осíове дèодов Гàííà // Зàðубежíàя ðàдèоэлеêтðоíèêà.— 1987.— № 2.— С. 54—65. 41. Зубовèч Н.А., Цвèðêо Ю.А. Моделèðовàíèе бèгàð- моíèчесêого ðежèмà геíеðàцèè в двухêоíтуðíом геíеðàто- ðе Гàííà // Элеêтðоííàя техíèêà. Сеðèя 1. Элеêтðоíèêà СВЧ.—1991.— Вып. 6.— С. 26—29. Äата поступления рукописи в редакцию 02.05 2018 г. Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 35ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 14 М. Ф. КАРУШКІН Óêðàїíà, м. Êèїв, Нàуêово-дослідíèй іíстітут «Оðіоí» E-mail: orion@ri-orion.kiev.ua ПОМНОЖÓВАЧІ ЧАСТОТИ МІЛІМЕТРОВОГО ÄІАПАЗОНÓ НА ОСНОВІ НАПІВПРОВІÄНИÊОВИХ ÄІОÄНИХ СТРÓÊТÓР Очевидні переваги техніки міліметрових хвиль — велика інформаційна ємність, висока спрямованість випромінювання, можливості діагностики та спектроскопії різних середовищ, включаючи методи елек- тронного парамагнітного резонансу і ядерного магнітного резонансу високої роздільної здатності — зу- мовили швидкий розвиток техніки цього діапазону в усьому світі. Ці переваги визначають привабливість практичного застосування міліметрових довжин хвиль для створення швидкісних ліній зв'язку, високо- точних РЛС, пристроїв ідентифікації хімічних речовин та іншої техніки. Важливу роль в освоюванні міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль відіграють помножувачі частоти. У даній роботі проведено аналіз основних напрямків сучасного розвитку ефективних помножувачів частоти, виповнених на основі напівпровідникових діодних структур, ефективних у міліметровому та субміліметровому діапазонах довжини хвиль. Розглянуто діодні генератори гармонік; помножувачі на основі нелінійних залежностей їх реактивних параметрів від напруги; помножувачів високої кратності на основі лавинно-пролітних діодів, що діють в режимі радіоімпульсного збуджен- ня коливань в області високих частот; помножувачі на основі складених гетероструктур і квантових надрешіток в терагерцевому діапазоні. Наведено особливості конструктивних рішень помножувачів частоти різних конфігурацій, показано шляхи оптимізації параметрів діодних структур і режимів роботи, що забезпечують ефективність їх функціонування в режимі множення частоти. Встановлено зв'язок електричних параметрів помножувачів частоти з вихідними характеристиками НВЧ-пристроїв. Наведений огляд результатів робіт по створенню джерел потужності на основі помножувальних діодів свідчить про значні успіхи в цій галузі і швидкий розвиток електронної компонентної бази в короткохвильовій частині НВЧ-спектра. Подальший розвиток помножувальних діодів у техніці НВЧ буде проходити не тільки в напрямку підвищення робочих потужностей, але і в рішенні проблем мікромініатюризації. У зв'язку з цим слід відзначити появу гетероепітаксійних багатошарових варак- торних структур, виконаних за допомогою молекулярно-променевої епітаксії, що мають всі переваги складеного варактора, але мають кращі теплові характеристики і хороші перспективи їх використан- ня в терагерцевому діапазоні. Ключові слова: міліметровий діапазон, варактор, діод Ганна, ISIS-діод, лавинно-пролітний діод, діод з бар'єром Шотткі, InP-діод, кратність множення частоти, гетероструктури і квантові надрешітки, ТГц-випромінювання. M. F. KARUSHKIN Ukraine, Kiev, Research Institute «Orion» E-mail: orion@ri-orion.kiev.ua MILLIMETER-WAVE FREQUENCY MULTIPLIERS BASED ON SEMICONDUCTOR DIODE STRUCTURES Obvious advantages of the millimeter wave technology including a large information capacity, high directivity of radiation, diagnostics and spectroscopy capabilities of different environments, including the methods of electron paramagnetic resonance and high resolution nuclear magnetic resonance have led to the rapid development of techniques for that range throughout the world. These advantages determine the attractiveness of the practical application of millimeter wavelengths to create high-speed communication links, high-precision radar, chemicals identification device and other equipment. Important role in the development of millimeter and sub-millimeter wave ranges belongs to the frequency multipliers development. This paper analyzes the main trends of modern development of efficient frequency multipliers on semiconductor diode structures, which are based on different physical principles, namely diode harmonic generators; frequency multipliers based on nonlinear dependencies of their reactive parameters on the voltage; frequency multipliers of high multiplicity on IMPATT diodes operating in mode of pulse exciting DOI: 10.15222/TKEA2018.3.22 UDC 621.314.26:621.382.64 Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 36 ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 15 oscillations at high frequencies; multipliers on complex heterostructures and quantum super lattices in the terahertz range. The paper presents design solutions for frequency multipliers with various configurations and ways of optimizing the diode structures and operation modes that ensure their effective functioning in the frequency multiplication mode. The connection of electric parameters of frequency multipliers with output characteristics of microwave devices is determined. The given review of the results on designing power sources based on multiplying diodes indicates significant advances in this field and rapid development of the electronic component base in the short-wave part of the microwave spectrum. Further development of the technique of multiplying diodes will move forward not only in the direction of increasing the working capacity, but also in solving the problem of microminiaturization. In this regard, the emergence of heteroepitaxial multilayer varactor structures should be noted. Such structures are made with molecular beam epitaxy and have all the advantages of a composite varactor, but at the same time have better thermal characteristics and good prospects for their applications in the terahertz range. Keywords: millimeter wave band, varactor, Gunn diode, ISIS diode, IMPATT diode, Schottky barrier diode, InP diode, frequency multiplication, heterostructures and quantum superlattices, THz radiation. REFERENCES 1. Siegel P. H. Terahertz technology. IEEE Trans. on Microwave Theory and Tech., 2002, vol. 50, no. 3, pp. 910- 928. http://dx.doi.org/10.1109/22.989974 2. Carpintero G., Garcia-Munoz E., Hartnagel H., Preu S., Räisänen A. Semiconductor TeraHertz Technology: Devices and Systems at Room Temperature Operation. John Wiley & Sons, 2015, 408 ð. https://doi.org/10.1002/9781118920411.ch1 3. Porterfield D. High-efficiency terahertz frequency tri- plers. IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, Honolulu, HI, USA, 2007, pp. 337-340. https:// doi.org/10.1109/MWSYM.2007.380439 4. Chattopadhyay G., Schlecht E., Ward J., Gill J., Javadi H., Maiwald F. and Mehdi I. An all solid-state broadband frequency multiplier chain at 1500 GHz. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2004, vol. 52, no. 5, pp. 1538-1547. https://doi.org/10.1109/ TMTT.2004.827042 5. Maiwald F., Schlecht E., Maestrini A., Chattopadhyay G., Pearson J.C., Pukala D., Mehdi I. THz frequency mul- tiplier chains based on planar Schottky diodes. Proc. SPIE: Astronom. Telescopes Instrum. Int. Conf., Waikoloa, HI, 2002, vol. 4855, pp. 447-458. 6. Wang H., Sengupta K. RF and mm-Wave Power Generation in Silicon. Academic Press, 2015, 576 ð. 7. Usanov D.A., Skrypal A.V., Posadovskiy V.N., Tyaglov V.S., Grigoriev D.V. [Microwave multipliers with high multiplicity]. Izvestiya VUZov. Radiophysics. 2014, no 2, pp. 48-50. (Rus) 8. Pildon P.I., Vizel A.A. [Semiconductor diodes for frequency multiplication. Semiconductor devices and its ap- plication]. Collection of articles by ed. Ya.A. Fedotova. Moscow, Sov. Radio, 1970, iss. 23, pp. 82-100. (Rus) 9. Irvin I.C., Swan C.B. A composite varactor for simul- taneous high harmonic generation. IEEE Transactions on Electron Devices, 1966, vol. 13, no 5, pp. 466-471. https:// doi.org/10.1109/T-ED.1966.15713 10. Staecker P.W., Hines M.E., Occhiuti R.F., Cushman I.R. Multi-watt power generation at millimeter-wave frequen- cies using epitaxially-stacked varactor diodes. IEEE MTT-S, International Microwave Symposium Digest, Las Vegas, USA, 1987, vol. 2, pp. 917-920. 11. Staecker P.W. MM-wave transmitters using power frequency multipliers. Microwave Journal, 1988, no. 2, pp. 175-181. 12. Cushman R., Occhliuti F., McDonagh E.M., Hines M.E., Staecker P.W. High power epitaxially-stacked varactor diode multipliers. IEEE MTT-S International Microwave Symposium Digest. Dallas, TEX, 1990, vol. 2, pp. 923-926. https://doi.org/10.1109/MWSYM.1990.99729 13. Courtney W.E., Chen C.L. et al. Monolithic ana- log phase shifters and frequency multipliers for mm-wave phased array applications. Microwave Journal, 1966, no. 12, pp. 105-119. 14. Kasatkin L.V. et al. Power microwave frequency multipliers. Patent 20485 of Ukraine, 1997. (Rus) 15. Rolland P.A., Waterkowski J.L., Constant E., Salmer G. New model of operation for avalanche diodes: fre- quency multiplication and conversion. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1976, no 11, pp. 768-775. 16. Sobolev L. I., Kotov U. A., Modestov L. A. [Frequency multipliers with high multiplicity] Poluprovodnikovye pribory i ikh primenenie, Moscow, 1970, iss. 23, pp. 109-132. (Rus) 17. Venger A.Z., Ermak A.N., Yakimenko A.M. Pribory i tekhnika eksperimenta [Frequency multiplier based on IMPATT]. 1980, no. 3, pp. 138-139. (Rus) 18. Kasatkin L.V., Novozhilov V.V. Effective high order frequency multipliers on IMPATT diodes. Applied Microwave Wireless, 1994, no. 6, pp. 32-36. 19. Dvornichenko V.P., Karushkin M.F., Maltsev S.B., Chajka V.E. [Operation of IMPATT in the radio pulse fre- quency multiplication mode] Elektronnaya tekhnika. Seriya 1. Elektronika SVCh, 1985, iss. 4 (376), pp. 40-44. (Rus) 20. Grigulovich V.I., Immoreev I.Ya. [Radio pulse conver- sation of frequency]. Moscow, Soviet Radio, 1966, 335 p. (Rus) 21. Karushkin M.F., Obuhov I.A., Balabanov V.M., Smirnova E.A. [Solid-state modules for microwave radiation generating in the frequency range up to 200 GHz]. Proc. of the 26th Int. Conference “Microwave & Telecommunication Technology” (CriMiCo’2016), 2016, Sevastopol, Crimea, pp. 289-295. (Rus) Òåõíîëîãèÿ è êîíñòðóèðîâàíèå â ýëåêòðîííîé àïïàðàòóðå, 2018, ¹ 3 37ISSN 2225-5818 ÑÂ×-ÒÅÕÍÈÊÀ 16 Описание статьи для цитирования: Êàðушêèí Н. Ф. Óмíожèтелè чàстоты мèллèметðового дè- àпàзоíà íà осíове полупðоводíèêовых дèодíых стðуêтуð. Техно логия и конструи рование в электронной аппаратуре, 2018, № 3, с. 22—37. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.22 Cite the article as: Karushkin М. F. Millimeter-wave frequency multipliers based on semiconductor diode structures. Tekhnologiya i Konstruirovanie v Elektronnoi Apparature, 2018, no. 3, pp. 22-37. http://dx.doi.org/10.15222/TKEA2018.3.22 22. Karushkin M.F., Maltsev S.B., Hitrovskiy V.A. [Solid- state microwave modules for radio equipment and systems of millimeter wavelength range]. Tekhnologiya i konstruirovanie v elektronnoi aparature, 2016, no 1, pp. 3-7. (Rus) https:// doi.org/10.15222/TKEA2016.1.03 23. Chajka V.E., Kasatkin L.V. [Semiconductor devices in the millimeter wave range]. Sevastopol, Veber, 2006, 319 p. (Rus) 24. Vaks V.L., Anfertiev V.A., Goldman G.N., Pentin I.V., Tretyakov I.V. [THz-spectroscopy with high resolution on the basis of nanostructured semiconductor and super- semiconductor devices]. Zhurnal radioelektroniki, 2006, no. 1. (Rus) 25. Shashkin V.I. [Report on research work. Formation and investigation of multilayer nanostructures based on Si, GaAs and GN for passive and active elements of millimeter and infrared wavelength ranges]. Institute of Microstructure Physics, RAS, Nizhny Novgorod, 2012. (Rus) 26. Bozhkov V.G. [Semiconductor detectors, mixers and frequency multipliers of the terahertz range]. Izvestiya VUZov. Radiophysics, 2003, vol. 46, no. 8-9, pp. 702-731. (Rus) 27. Erickson N.R. High efficiency submillimeter fre- quency multipliers. IEEE MTT-S, International Microwave Symposium Digest, 1990, pp. 1301-1304. https://doi. org/10.1007/BF02995124 28. Malko A., Bryllert T., Vukusic J., Stake J. High Efficiency and Broad-Band Operation of Monolithically Integrated W-Band HBV Frequency Tripler. 24th Int. Conf. on Indium Phosphide and Related Material, Santa Barbara, USA, 2012, pp. 92-94. 29. Malko A., Bryllert T., Vukusic J., Stake J. A 474 GHz HBV frequency quintuplier integrated on a 20 μm thick sili- con substrate. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2015, no. 5, ðp. 85. https://doi.org/10.1109/ TTHZ.2014.2378793 30. Belyakov V.A., Obolenskiy S.V., Fefelova E.L., Ladenkov I.V. et al. [Heterobarrier Varactors Based on Hetero structures on Indium Phosphide Substrates]. Trudy 2-i Rossiisko-belorusskoi nauchno-tekhnicheskoi konferentsii «Elementnaya baza otechestvennoi radioelektroniki», Nizhnii Novgorod, 2015, pp. 199-201. (Rus) 31. Maleev N.A., Belyakov V.A., Vasiliev A.P., Kulagina M.M. [Molecular beam epitaxy of structures of hetero bar- rier varactors in a material system InGaAs—InAlAs—InР]. Elektronika i mikroelektronika SVCh, 2016, vol. 1, pp. 68- 72. (Rus) 32. Maleev N.A., Belyakov V.A., Vasiliev A.P., Bobrov M.A. et al. Molecular-beam epitaxy of InGaAs/InAlAs/AlAs structures for heterobarrier varactors. Semiconductors, 2017, vol. 51, iss. 11, pp. 1431-1434. https://doi.org/10.1134/ S1063782617110185 33. Romanov Y.A., Romanova Y.Y. Bloch oscil- lations in superlattices: The problem of a terahertz oscillator. Semiconductors, 2005, vol. 39, iss. 1, pp. 147-155. https://doi.org/10.1134/1.1852666 34. Paveliev D.G., Vasiliev A.P., Kozlov V.A. et al. [Diode hetero structures for terahertz frequency devices]. Zhurnal radioelektroniki: elektronnyi zhurnal, 2016, no 1. (Rus) 35. Paveliev D.G., Koshurinov Y.I., Ivanov A.S., Panin A.N., Vax V.L. et al. Experimental study of frequency mul- tipliers based on a GaAs/AlAs semiconductor superlattices in the terahertz frequency range. Semiconductors, 2012, vol. 46, iss . 1, pp. 121-125. https://doi.org/10.1134/ S1063782612010150 36. Schomburg E., Hofbeck K., Scheuerer R. et al. Control of the dipole domain propagation in GaAs/AlAs super lattice with a high-frequency field. Phys. Rev. B, 2002, vol. 65(15), 155320. https://doi.org/10.1103/PhysRevB.65.155320 37. Rakitin S.P., Karushkin N.F., Kasatkin L.V., Tsvirko U.A. et al. Solid state components for perspective electronic equipments of MM and sub MM wavelength range (26,5— 300 GHz). Proc. of the 10th International conference “Microwave Telecommunication Technology”, Ukraine, Sevastopol, 2000, pp. 33-36. (Rus) 38. Eisele H., Rydberg A., Haddad G. Recent advances in the performance of InP Gunn devices and GaAs TUNNET diodes for the 100-300 GHz frequency range and above. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000, vol. 40, no. 4, pp 626-631. https://doi.org/10.1109/22.841952 39. Jones S., Lybura M., Carlstorom J., O’Brien T. A 63—170 GHz second harmonic operation of an InP transferred electron device. IEEE Transactions on Electron Devices, 1999, vol. 46, no. 1, pp. 17-23. https:// doi.org/10.1109/16.737436 40. Kosov A.S., Elensky V. [MM wave harmonic oscilla- tors based on Gunn diodes] Zarubezhnaya radioelektronika, 1987, no. 2, pp. 54-65. (Rus) 41. Zubovich N.A., Tsvirko U.A. [Modeling of the bihar- monical generation mode in a double-circuit Gunn oscillator]. Elektronnaya tekhnika. Seriya 1. Elektronika SVCh, 1991, iss. 6, pp. 26-29. (Rus)

Умножители частоты миллиметрового диапазона на полупроводниковых диодных структурах

Репозитарії

Схожі ресурси