Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона

В статье рассмотрены твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона. Твердотельные генераторы на этих частотах не могут обеспечить необходимый уровень мощности, поэтому требуются умножители частоты для переноса рабочих частот из миллиметрового диапазона в субмиллимет...

Ausführliche Beschreibung

Gespeichert in:

Bibliographische Detailangaben
Datum:	2010
1. Verfasser:	Еру, И.И.
Format:	Artikel
Sprache:	Russian
Veröffentlicht:	Радіоастрономічний інститут НАН України 2010
Schriftenreihe:	Радиофизика и радиоастрономия
Schlagworte:	Физические основы электронных приборов
Online Zugang:	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60100
Tags:	Tag hinzufügen Keine Tags, Fügen Sie den ersten Tag hinzu!
Назва журналу:	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
Zitieren:	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона / И.И. Еру // Радиофизика и радиоастрономия. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 224–233. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.

Institution

Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine

id	irk-123456789-60100
record_format	dspace
spelling	irk-123456789-601002014-04-12T03:02:16Z Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона Еру, И.И. Физические основы электронных приборов В статье рассмотрены твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона. Твердотельные генераторы на этих частотах не могут обеспечить необходимый уровень мощности, поэтому требуются умножители частоты для переноса рабочих частот из миллиметрового диапазона в субмиллиметровый. Рассмотрены многокаскадные цепочки умножителей на диодах с барьером Шоттки (ДБШ) с низкими номерами гармоник и однокаскадные ДБШ-умножители с высокими номерами гармоник. У статтi розглядаються твердотiльнi гетеродини субміліметрового діапазону. Твердотiльнi генератори на цих частотах не можуть забезпечити бажаний рiвень потужності, а тому виникає потреба у помножувачах для переносу робочих частот з міліметрового діапазону у субміліметровий. Розглянуто багатокаскаднi ланцюжки помножувачів на діодах з бар’єром Шотткі (ДБШ) з низькими номерами гармонiк та однокаскаднi ДБШ-помножувачі з великими номерами гармонiк. Solid-state sources of heterodyne radiation at submillimeter waves are considered. Solid-state generators cannot provide the desired power level at these frequencies, therefore frequency multipliers are required to transfer operating frequencies from the millimeter to submillimeter wavelengths. Multistage chain of multipliers on Schottky-barrier diodes with the small harmonic numbers and one-stage multipliers with the large harmonic numbers are also considered. 2010 Article Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона / И.И. Еру // Радиофизика и радиоастрономия. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 224–233. — Бібліогр.: 40 назв. — рос. 1027-9636 http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60100 621.373.5; 621.372.632 ru Радиофизика и радиоастрономия Радіоастрономічний інститут НАН України
institution	Digital Library of Periodicals of National Academy of Sciences of Ukraine
collection	DSpace DC
language	Russian
topic	Физические основы электронных приборов Физические основы электронных приборов
spellingShingle	Физические основы электронных приборов Физические основы электронных приборов Еру, И.И. Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона Радиофизика и радиоастрономия
description	В статье рассмотрены твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона. Твердотельные генераторы на этих частотах не могут обеспечить необходимый уровень мощности, поэтому требуются умножители частоты для переноса рабочих частот из миллиметрового диапазона в субмиллиметровый. Рассмотрены многокаскадные цепочки умножителей на диодах с барьером Шоттки (ДБШ) с низкими номерами гармоник и однокаскадные ДБШ-умножители с высокими номерами гармоник.
format	Article
author	Еру, И.И.
author_facet	Еру, И.И.
author_sort	Еру, И.И.
title	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона
title_short	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона
title_full	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона
title_fullStr	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона
title_full_unstemmed	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона
title_sort	твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона
publisher	Радіоастрономічний інститут НАН України
publishDate	2010
topic_facet	Физические основы электронных приборов
url	http://dspace.nbuv.gov.ua/handle/123456789/60100
citation_txt	Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона / И.И. Еру // Радиофизика и радиоастрономия. — 2010. — Т. 15, № 2. — С. 224–233. — Бібліогр.: 40 назв. — рос.
series	Радиофизика и радиоастрономия
work_keys_str_mv	AT eruii tverdotelʹnyeistočnikigeterodinnogoizlučeniâsubmillimetrovogodiapazona
first_indexed	2025-07-05T11:15:17Z
last_indexed	2025-07-05T11:15:17Z
_version_	1836805383369261056
fulltext	Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2, с. 224-233 © И. И. Еру, 2010 УДК 621.373.5; 621.372.632 Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона И. И. Еру Радиоастрономический институт НАН Украины, ул. Краснознаменная, 4, г. Харьков, 61002, Украина E-mail: eru@rian.kharkov.ua Статья поступила в редакцию 28 июля 2009 г. В статье рассмотрены твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметро- вого диапазона. Твердотельные генераторы на этих частотах не могут обеспечить необходимый уровень мощности, поэтому требуются умножители частоты для переноса рабочих частот из миллиметрового диапазона в субмиллиметровый. Рассмотрены многокаскадные цепочки ум- ножителей на диодах с барьером Шоттки (ДБШ) с низкими номерами гармоник и однокаскад- ные ДБШ-умножители с высокими номерами гармоник. 1. Введение Проблема создания источников гетеродин- ного излучения для преобразователей часто- ты субмиллиметрового диапазона является сегодня актуальной непросто решаемой зада- чей. И обусловлено это следующими обстоя- тельствами. В настоящее время на частотах 0.1 1.0÷ ТГц самыми малошумящими и поэтому наиболее востребованными преобразователями частоты являются преобразователи на основе сверх- проводниковых туннельных СИС-элементов. Необходимая для нормальной работы таких преобразователей мощность гетеродина на час- тоте 1 ТГц не превышает нескольких мкВт, что является вполне реально решаемой задачей. Однако создание таких СИС-преобразователей на существенно более высоких частотах суб- миллиметрового диапазона становятся не- возможным по принципиальным причинам, связанным с физикой туннельного эффекта в СИС-структуре. Поэтому практически единст- венным типом преобразователя частоты на этих частотах оставался смеситель на основе полупроводниковой диодной структуры с барье- ром Шоттки (ДБШ). Однако для нормальной работы такого ДБШ-преобразователя часто- ты требуется мощность гетеродина не менее 1 мВт при рабочей температуре диода 300 К, обеспечить которую совсем непросто. Крио- генное охлаждение ДБШ позволяет несколько снизить требуемый уровень мощности гете- родина, однако не более чем на порядок. Соз- дание на этих частотах источников гетеро- динного излучения даже с таким уровнем вы- ходной мощности тоже является трудной задачей. Вообще, если говорить об источниках ге- теродинного излучения, то сегодня на часто- тах до 100 150÷ ГГц в качестве гетеродинов традиционно и очень успешно используются компактные твердотельные генераторы с низ- ковольтным питанием на основе полупровод- никовых устройств. Однако на более высоких частотах они практически нереализуемы из-за неизбежно присутствующих в них паразитных реактивностей. К тому же с ростом частоты все более заметную негативную роль начи- нает играть конечность времени пролета но- сителей тока через область их взаимодейст- вия с высокочастотным полем в полупро- водниковых устройствах. Эта фундаменталь- ная причина определяет на частотах порядка Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона 225Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 200 300÷ ГГц высокочастотный предел ра- боты таких твердотельных полупроводни- ковых источников гетеродинного излучения. И, наконец, необходимо иметь в виду, что примерно на этих же частотах в рассматрива- емых полупроводниковых структурах проис- ходит быстрый рост резистивных потерь. В результате уровень этих потерь начинает существенно превышать уровень всех харак- терных импедансов, определяющих не только их рабочие параметры, но и саму возможность работы в качестве генераторов. Попытки создания твердотельных устройств, работа которых была бы построена на ис- пользовании оптических принципов генерации, т. е. твердотельных лазеров, в субмиллимет- ровом диапазоне, и особенно в низкочастот- ной его части, также оказались безуспешными. Это обусловлено тем, что энергия фотонов на таких сравнительно низких для оптичес- кого диапазона частотах еще настолько мала (порядка нескольких мэВ), что оказывается сравнимой с энергией тепловых фононов кри- сталлической решетки, что неизбежно приво- дит к срыву генерации в таких структурах. Негативное влияние этого эффекта можно незначительно ослабить путем криогенного охлаждения этих структур. В последнее время начали разворачивать- ся научные исследования и опытные техни- ческие разработки в области твердотельных каскадных квантовых лазеров, но на часто- тах выше 1 ТГц. С их помощью на час- тотах до 5 ТГц уже удалось получить мощ- ности излучения до 100 мкВт. Но и с таким уровнем выходной мощности их по-прежнему невозможно использовать в качестве источни- ков гетеродинного излучения для ДБШ-преоб- разователей. С другой стороны, интервал частот 0.5 10 ТГц÷ “перекрывается” газоразрядными лазерными источниками гетеродинного излучения с вы- ходной мощностью на милливатном уровне. Однако эти устройства весьма громоздки и требуют использования высоковольтных ис- точников питания. А это во многих случаях недопустимо. Учитывая вышесказанное, наиболее реаль- ное решение этой непростой, но очень важной проблемы состоит в использовании компакт- ных, легких твердотельных задающих генера- торов с низковольтным питанием, работающих на частотах 100 150÷ ГГц, с последующим умножением частоты (с помощью умножите- лей относительно низких частот) до необходи- мого уровня (реально, пока, до 1 2÷ ТГц). Ниже будет рассмотрен этот вариант ис- точников гетеродинного излучения субмилли- метрового диапазона. 2. Твердотельные задающие генераторы миллиметрового диапазона Все твердотельные генераторы миллимет- рового диапазона, рабочую частоту которых можно пытаться поднять с помощью умножи- телей частоты до более высокого уровня, по- строены на следующей полупроводниковой базе. Это – генераторы на диодах Ганна (ГДГ), генераторы на лавинно-пролетных диодах (ГЛПД), генераторы на туннельно-пролетных диодах (ГТПД) и генераторы на туннельно- лавинно-пролетных диодах (ГТЛПД). С точки зрения качества генерируемого излучения (чистоты спектра генерации и низ- кого уровня шумов) наилучшими среди пере- численных генераторов являются ГДГ [1, 2], однако они самые низкочастотные и наименее мощные твердотельные генераторы. Поскольку ГДГ работают на объемных эффектах, а не на эффектах в полупроводнико- вых переходах, как все остальные твердотель- ные генераторы, и в них отсутствует лавин- ный пробой, они отличаются существенно меньшим уровнем шумов. А это, конечно, очень ценное качество ГДГ как источников гетеродинного излучения. Верхняя предельная частота ГДГ на GaAs-диодах достигает значений порядка 100 110÷ ГГц, что определяется уровнем под- вижности носителей заряда в этом полупро- воднике. Более высокочастотными и заметно более мощными являются ГДГ на InP-диодах, у которых верхний частотный предел прибли- жается к 200 ГГц [3-7]. При этом уровень мощ- ности ГДГ на GaAs-диодах на частотах около И. И. Еру 226 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 100 ГГц составляет примерно 20 мВт при КПД порядка нескольких десятых процента. В то же время ГДГ на InP-диодах имеют на час- тоте 100 ГГц мощность, приближающуюся к 100 мВт, и даже на частотах около 200 ГГц их мощность составляет не менее 10 мВт при КПД 2 3 %.÷ Совершенно иные физические механизмы работают в ГЛПД. Как следует из самого названия этой структуры, для формирования в ней на СВЧ области отрицательной диффе- ренциальной проводимости используются ла- винные процессы ударной ионизации и после- дующего пространственного переноса носи- телей заряда. Для этого такая структура (как правило, на - -p n n+ − переходах) с помощью приложенного к ней внешнего постоянного напряжения смещения вводится в режим лавинного пробоя [2, 3]. Из-за несимметрич- ности -p n перехода время дрейфа электро- нов, генерируемых благодаря ударной иони- зации, через область объемного заряда до относительно низкоомной n-области оказы- вается существенно больше времени дрейфа дырок. Электроны, генерируемые при этом за счет ударной ионизации вблизи p+ -об- ласти, дрейфуют затем через n-область, при- чем время их переноса определяется пара- метрами и геометрией прибора. Вследствие конечности этого времени ток здесь всегда несколько отстает по фазе от напряжения. Если эта задержка превышает четверть пе- риода, в рассматриваемой структуре на соот- ветствующей частоте может возникнуть гене- рация. Считается, что возникает она благода- ря всегда присутствующим в полупроводнике высокочастотным составляющим теплового шума, а поддерживается за счет существо- вания в такой полупроводниковой струк- туре отрицательной дифференциальной про- водимости [8, 9]. Возможны два варианта реализации полупро- водниковых структур ГЛПД – однопролетный и двухпролетный. В однопролетном варианте (с одной активной областью) формируется лишь один -p n+ переход, причем здесь только одна эпитаксиальная n-область определяет работу ГЛПД. Во втором варианте, двухпролетном (с двумя активными областями), имеющем -p n переход, в работе ГЛПД участвуют как эпитаксиальная p-, так и эпитаксиальная n-об- ласть. Анализ характеристик этих двух вариан- тов структур дает основание предполагать, что на более высоких частотах однопролетный вариант может оказаться лучше, чем двухпро- летный. Это обусловлено тем, что подвижность электронов, которые являются основными носи- телями в области дрейфа в n-области, сущест- венно выше подвижности дырок, являющихся носителями тока в p-области. Уровень выходной мощности ГЛПД на частотах около 100 ГГц составляет порядка 1 Вт и падает до значений 30 50÷ мВт на частотах вблизи 200 ГГц. При этом КПД в однопролетном варианте, измеренный в ин- тервале частот от 40 до 140 ГГц, составляет около 8 %. В двухпролетном варианте на час- тотах 40 80÷ ГГц он может достигать 14 %, но затем с ростом частоты начинает быстро падать. Причиной этого падения КПД являет- ся, как уже было отмечено, ограничение под- вижности дырок, проявляющееся на частотах выше 80 100÷ ГГц. Верхний частотный предел ГЛПД сос- тавляет примерно 300 ГГц и определяется свойством полупроводника рассеивать тепло из малых объемов. В экспериментах с ГЛПД на частотах около 230 ГГц был достигнут КПД порядка 0.5 %. Наконец, необходимо отметить, что по- скольку в основе всех ГЛПД лежит лавинный пробой, они являются, с одной стороны, широ- кополосными, но с другой – весьма шумящи- ми устройствами. В ГТПД генерация носителей тока происхо- дит благодаря туннельному эффекту. Для изго- товления туннельно-пролетных диодов исполь- зуются полупроводники с очень высокой степе- нью легирования – до 18 20 310 10 см .−÷ Следст- вием этого является очень малая толщина перехода – 210− мкм, что как минимум на два порядка меньше, чем во всех других полу- проводниковых диодах. Именно это обстоя- тельство делает возможным туннелирование носителей заряда сквозь столь тонкий потен- циальный барьер. При этом такие диоды ра- ботают в режиме лавинного умножения но- сителей заряда при обратном напряжении сме- Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона 227Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 щения электронно-дырочного перехода. Время дрейфа электронов (время пролета их через барьер) определяет на высоких частотах фазо- вый сдвиг между приложенным к диоду на- пряжением и протекающим через него током. Этот механизм формирует в такой структуре отрицательную, за счет пролетных эффектов, дифференциальную проводимость, открывая тем самым возможность использовать ее как источник излучения субмиллиметрового диа- пазона [10]. Необходимо отметить, что фазовый сдвиг между напряжением и током в ГТПД опреде- ляется не только временем пролета электро- нов, но и инерционностью самого лавинного про- цесса ударной ионизации, которая может обес- печить фазовый сдвиг порядка 90 .° И наконец, в ГТЛПД для генерации носите- лей используются как туннельный эффект, так и ударная ионизация [10]. Анализ процессов, происходящих в этих устройствах, дает осно- вания полагать, что ГТЛПД смогут сочетать в себе высокочастотные свойства ГЛПД и ма- лые шумы ГДГ. По всей вероятности, и ГТПД, и ГТЛПД наиболее эффективно будут работать на частотах 100 800÷ ГГц, причем КПД их может составить примерно 5 % на частотах порядка 500 ГГц. Даже в субмиллиметровом диапазоне они смогут иметь хороший КПД [11]. Пока проводятся первые пробные экспери- менты, тем не менее на ГTЛПД на частоте 150 ГГц уже получена выходная мощность 3 мВт [12], а КПД ГТПД на частоте 338 ГГц составил 0.12 % [13]. Все описанные выше успехи в разработке твердотельных источников гетеродинного из- лучения позволили создать простые, надеж- ные в эксплуатации и обладающие очень боль- шим сроком службы задающие генераторы для гетеродинных приемных систем субмил- лиметрового диапазона. Одновременно решались проблемы созда- ния для этих генераторов стабилизирующих систем частотной автоподстройки (ЧАП) и фазовой автоподстройки (ФАП). Структурно, в самом общем виде, эти системы устроены следующим образом [14, 15]. В системе ФАП выходной сигнал генера- тора, управляемого по частоте напряжением, смешивается с сигналом специального опорно- го генератора с помощью смесителя, работа- ющего в системе фазового детектора. В ре- зультате формируется сигнал (напряжение) фазовой ошибки. Затем этот сигнал поступает через фильтр обратной связи на основной ге- нератор и корректирует соответствующим образом его фазу. Система ЧАП осуществляет коррекцию с помощью частотного дискриминатора, вы- ходное напряжение которого пропорционально разности частот основного генератора и спе- циального высокостабильного генератора опор- ной частоты. В целом такая комбинация систем ФАП и ЧАП образует весьма эффективную объеди- ненную систему ФАПЧ [16, 17]. Она способна стабилизировать частоту основного твердотель- ного генератора по отношению к частоте опор- ного генератора с относительной точностью не хуже 11 1210 10− −÷ и сохраняет фазовый сдвиг между этими генераторами с точностью не хуже нескольких градусов. Что касается дол- говременной стабильности частоты генерато- ра с системой ФАПЧ, то она обычно состав- ляет 6(1 3) 10−÷ ⋅ за единицу времени, в каче- стве которой обычно используют 1 час либо 1 сутки. Подводя итог этому очень краткому об- зору, нужно еще раз подчеркнуть, что на се- годняшний день все твердотельные генера- торы работают только на частотах не выше 100 200÷ ГГц. И в этих условиях для созда- ния на их основе источников гетеродинного излучения для систем когерентного приема, перекрывающих весь субмиллиметровый диапазон, требуются еще и генераторы гар- моник или умножители частоты для переноса рабочих частот в нужный, существенно более высокочастотный, интервал. 3. Умножители частоты При рабочих частотах задающих твердотель- ных генераторов на уровне 100 200÷ ГГц выход на терагерцный уровень (до 1.5 2.0÷ ТГц) с помощью умножителей частоты требует ум- ножения рабочих частот на несколько октав. Анализ потенциальных возможностей умножи- И. И. Еру 228 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 телей и результаты экспериментальных иссле- дований показали следующее. Для того чтобы путем умножения увеличить частоту от 100 ГГц до указанного уровня и получить мощность, достаточную для работы ДБШ-смесителей, необходимо иметь на входе мощность поряд- ка 100 мВт. А чтобы выдержать входную мощность до 100 мВт, варактор умножителя (в подавляющем большинстве случаев – эле- ментарный ДБШ сотовой структуры) должен иметь анод достаточно большого диаметра, а следовательно и большую емкость, заметно шунтирующую его на умноженной частоте. С учетом этого обстоятельства такой умно- житель может работать достаточно эффек- тивно только в режиме удвоителя, или, в край- нем случае, утроителя частоты. Правда, если речь идет об использовании гетеродинных источников для СИС-смесите- лей с очень низкой (порядка 1 мкВт) требуе- мой мощностью гетеродина, то на частотах до 700 800÷ ГГц можно попытаться обойтись одним каскадом с более высоким коэффици- ентом умножения (до 5 6).÷ В случае ДБШ- приемников, работающих на частотах до 25 30÷ ТГц, неизбежно использование каска- да из нескольких последовательно включен- ных умножителей, т. е. “умножительной це- почки” с небольшим коэффициентом умноже- ния в каждом ее звене. Рассмотрим в связи с этим структурную схему таких умножителей и их основные кон- структивные особенности. Основу всех их со- ставляет нелинейный элемент, параметры ко- торого практически полностью определяют все рабочие параметры умножителей. Наиболее широко распространенным типом такого нели- нейного элемента (варактора) является ДБШ. В подавляющем большинстве случаев ДБШ на этих частотах имеет сотовую струк- туру и выглядит следующим образом. Основу его составляет квадратная (со стороной в несколько сот микрон) полупроводниковая ( GaAs)n+ − пластинка (чип) толщиной поряд- ка 100 мкм. На одну поверхность этого чипа нанесена пленка из золота, образующая общий для всей сотовой структуры омический кон- такт. На другую поверхность – эпитаксиаль- ный слой полупроводника ( GaAs)n − толщи- ной порядка нескольких десятых долей микрона (до 1 мкм). Степень легирования чипа состав- ляет обычно 18 32 10 см ,−⋅ а эпитаксиального слоя – 16 17 32 10 2 10 см .−⋅ ÷ ⋅ Поверх эпитак- сиального слоя наносится тонкий ( 0.5≈ мкм) защитный слой диэлектрика 2(SiO ), в котором методами фотолитографии проделываются круглые отверстия диаметром 5 15÷ мкм с шагом 15 20÷ мкм в виде квадратной решет- ки (сотовой структуры). У рассматриваемых здесь умножителей, на вход которых от задаю- щего генератора Ганна на InP подается сигнал мощностью до 100 мВт, диаметр этих отверс- тий должен быть не менее 10 мкм, чтобы вы- держать такую большую удельную нагрузку. Это, к сожалению, существенно повышает на выходной частоте шунтирующее действие емкости каждого элементарного диода (варак- тора) сотовой структуры. Через отверстия в защитном слое на по- верхность эпитаксиального слоя наносится тонкий слой платины, который собственно и формирует на границе раздела потенциаль- ный барьер Шоттки. Для улучшения контак- та элементарного диода с контактной иглой (из позолоченной фосфористой бронзы), обя- зательно присутствующей в таких сотовых структурах, платина покрывается тонким слоем золота. Следует отметить, что в последнее время все больший интерес проявляется к исследо- ваниям возможностей использования (по край- ней мере в низкочастотной половине рассмат- риваемого интервала частот) не только сото- вых, но и планарных структур варакторных ДБШ [18, 19]. Основными параметрами, характеризую- щими сформированную описанным выше спо- собом сотовую структуру элементарного ДБШ, являются его последовательное сопро- тивление sR (5 10÷ Ом), емкость в отсут- ствие напряжения смещения 0C (3 20÷ фФ) и напряжение пробоя прV (5 15 B).÷ Что ка- сается эффективности работы такого ДБШ-ва- рактора в режиме умножения, то она опреде- ляется параметрами варактора ( sR и вольт-фа- радной характеристикой ( )),C V импедансами нагрузок, “видимых” умножителем на основ- ной, “холостой” и выходной частотах и на всех Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона 229Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 высших гармониках ( ),Z nf входной мощнос- тью вх ,P напряжением смещения смV и поте- рями в электродинамической системе умно- жителя. Главными параметрами такого варактор- ного ДБШ, определяющими его возможности как умножителя частоты, являются его нели- нейная проводимость, т. е. вольт-амперная характеристика, д( ) d d ,g V i V= где [ ]д нас exp( ) 1 ,i I eV kT= η − насI – ток на- сыщения диода, e – заряд электрона, η – коэф- фициент идеальности диода ( 1),≥ а также его нелинейная емкость ( ),C V т. е. вольт-фарад- ная характеристика варактора, ( )0 п( ) 1 ,C V C V V −γ= − где 0C – емкость варактора при 0,V = потен- циал п 1V ≈ В, а показатель степени γ здесь теоретически равен 0.5. Однако при больших обратных смещениях он начинает уменьшаться и обычно хорошим приближением является 0.45.γ ≈ Если говорить о вольт-амперной характе- ристике варактора, то определяющими ее па- раметрами являются ток насыщения нас ,I коэффициент идеальности η и температура T. Ток насыщения при указанных размерах элементарных диодов составляет обычно 17(1 3) 10−÷ ⋅ A, коэффициент идеальности у хо- роших диодов равен 1.1 1.2,÷ а температура обычно соответствует температуре внешнего окружения. И наконец, следует иметь в виду, что величина sR в миллиметровом диапазоне длин волн всегда существенно выше, чем на постоянном токе, из-за заметного влияния скин-эффекта. Еще одним существенным параметром варакторного диода является его критичес- кая частота кр ,f ограничивающая сверху его рабочие частоты, 1 кр 0(2 ) .sf R C −= π Однако более реалистичные оценки получают- ся при использовании динамической критичес- кой частоты ( )дн min max1 1 (2 ),sf C C R= − π где min maxиC C – минимальное и максималь- ное значения емкости диода в течение одного периода. В миллиметровом диапазоне эти зна- чения обычно составляют max п3 ( )C C V≈ и min пр3 ( ).C C V≈ В принципе, как уже отмечалось, варактор может осуществлять умножение частоты как благодаря нелинейности своей вольт-ампер- ной характеристики, так и благодаря нелиней- ности своей вольт-фарадной характеристики. Однако анализ показывает, что использова- ние последней более эффективно для умно- жителя, поскольку в этом случае, по крайней мере теоретически, коэффициент преобразова- ния на любой гармонике равен единице [20]. А у идеального резистивного умножителя (с ре- зистивными нагрузками на всех гармониках входной частоты), теоретически, максимально достижимая эффективность умножения умень- шается, как 2,n− где n – номер соответствую- щей гармоники [21]. И еще одно существенное замечание, ка- сающееся структуры многокаскадной умножи- тельной цепочки. Как уже отмечалось выше, на вход первого каскада такой цепочки жела- тельно подавать от задающего генератора сиг- нал с максимально возможной мощностью (для генераторов Ганна на InP – это 50 100÷ мВт). При столь высоком уровне мощности сигнала на входе умножителя возникает настоятель- ная необходимость увеличения диаметра эле- ментарного диода до 5 10÷ мкм. Однако это неминуемо ведет к росту емкости варактора, что очень негативно сказывается на его им- педансных характеристиках на выходе, если выходная частота в значительной мере превы- шает частоту сигнала на входе умножителя. А это означает неминуемое снижение эффек- тивности преобразования (умножения) частоты умножителем и соответствующее падение его выходной мощности. И этот эффект тем замет- нее, чем выше номер умноженной гармоники. И. И. Еру 230 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 Поэтому в первом, входном, каскаде (а нередко и во втором) многокаскадной цепочки умножи- телей в подавляющем большинстве случаев ис- пользуют только удвоители частоты. Анализ приведенных в литературе данных о конструкциях умножителей свидетельст- вует о том, что наивысшая эффективность умножения частоты достигается при волно- водном исполнении их электродинамических систем. Это обусловлено тем, что именно вол- новодная элементная база, которую с трудом, но все же удается реализовать для высокочас- тотной области рассматриваемого диапазона, обеспечивает наиболее эффективное взаимо- действие варактора с полем волновода. В наиболее общем виде структурная ком- поновка таких волноводных умножителей обычно имеет вид двух скрещенных под пря- мым углом прямоугольных волноводов соот- ветствующего (основного) сечения. В этой структуре сигнал от задающего генератора вводится во входной волновод, содержащий короткозамыкающий поршень, с помощью которого осуществляется согласование умно- жителя по входу с задающим генератором. Из входного волновода сигнал через фильтр нижних частот (коаксиальный или полосковый) поступает к одному из варакторных ДБШ сотовой диодной структуры на чипе, располо- женном во втором, выходном, волноводе ум- ножителя. При этом тонкая игла, осуществ- ляющая контакт с данным элементарным дио- дом структуры, используется одновременно в качестве линейной антенны для связи энергии умноженной гармоники с полем выходного вол- новода. В выходном волноводе имеется также короткозамыкающий поршень для регулирва- ния согласования этого волновода с нагрузкой. Что касается фильтра, связывающего входной и выходной волноводы, то он рассчитывается так, чтобы исключить возможность утечки энер- гии умноженной гармоники назад, из выходного во входной волновод. Но такая относительно несложная структура умножителя реализуется на практике только для удвоителей частоты. Конструкция электродина- мической системы умножителей с более высо- ким номером гармоники (3 и более) становится существенно сложнее, так как здесь требуется обеспечивать еще и оптимальные импедансы нагрузок на всех “холостых” частотах других гармоник. Упростить конструкцию можно пу- тем использования на “холостых” частотах специальных неперестраиваемых реактивных нагрузок (отрезков волноводов фиксированной длины и неперестраиваемых коаксиальных ре- зонаторов), хотя это существенно сужает диа- пазон рабочих частот. Рассчеты таких конст- рукций требуют знания эквивалентных схем всех элементов электродинамической системы, поэтому очень полезными оказались результа- ты анализа масштабных моделей умножите- лей [22]. Такой подход дает возможность найти оптимальные значения параметров систем и затем реализовать их на практике. И еще об одном существенном вопросе, ка- сающемся условий работы варакторных умно- жителей. Речь идет о влиянии криогенного ох- лаждения на их рабочие параметры [23]. Как было сказано выше, эффективность работы ва- ракторного умножителя частоты определяется главным образом емкостью варактора и кру- тизной его вольт-фарадной характеристики. Эти параметры варактора слабо зависят от его температуры. Однако последовательные им- педансы подложки и эпитаксиального слоя ва- рактора очень сильно зависят от температуры из-за температурной зависимости подвижнос- ти электронов в GaAs. При этом, как оказа- лось, охлаждение варактора до температуры жидкого азота ( 80≈ К) значительно увеличи- вает подвижность электронов в низколегиро- ванном эпитаксиальном слое варактора и лишь слегка понижает ее в высоколегированной под- ложке [24]. В целом, как показывают экспе- риментальные исследования и анализ их резуль- татов, последовательное сопротивление варак- тора, определяющее потери в варакторном ум- ножителе, может при таком охлаждении умень- шиться примерно в два раза, что существенно (до 2 дБ) снижает потери в умножителе и соот- ветственно повышает его выходную мощность. Более глубокое охлаждение варактора уже ни- чего не может изменить, так как максималь- ная подвижность электронов наблюдается в ин- тервале температур 50 150÷ К. Прямые эксперименты с криогенным ох- лаждением варакторного умножителя [25] Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона 231Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 полностью подтвердили эффективность его применения. А теперь о современном уровне в этой обла- сти твердотельной электроники. Но прежде одно существенное замечание. Сравнительный тео- ретический анализ характеристик многокаскад- ной цепочки умножителей с низким номером вы- ходной гармоники каждого из них (удвоителей и в крайнем случае утроителей частоты) и од- нокаскадного умножителя с высоким номером выходной гармоники (до 5 6)− однозначно свидетельствует в пользу многокаскадной це- почки [26]. Согласно результатам анализа полу- чить на выходе твердотельного гетеродина на основе однокаскадного умножителя мощность не менее 100 мкВт на частотах выше 500 ГГц уже совершенно невозможно. И только с помо- щью многокаскадной цепочки удвоителей и ут- роителей частоты можно рассчитывать полу- чить на частотах выше 1 ТГц уровень гетеро- динной мощности, достаточный для нормальной работы ДБШ-преобразователя частоты. И в заключение кратко о параметрах рас- сматриваемых здесь твердотельных гетероди- нов субмиллиметрового диапазона (см. рис. 1). В самой низкочастотной части рассматри- ваемого диапазона (от 100 до 300 500÷ ГГц) с помощью удвоителя или утроителя частоты, а также многокаскадной цепочки удвоителей и утроителей частоты на более высоких часто- тах (1 ТГц и выше) можно рассчитывать полу- чить уровни гетеродинной мощности, дос- таточные для нормальной работы ДБШ-пре- образователя частоты [27-35]. Все вышеперечисленные конструкции были реализованы в волноводном варианте. В ква- зиоптическом исполнении в удвоителе часто- ты на частоте 600 ГГц была достигнута эф- фективность умножения 0.1 % при мощности на входе 50 мВт [36, 37]. В другой квазиопти- ческой конструкции умножителя [38] на час- тоте 265 ГГц была получена эффективность умножения 7.5 %, а на частоте 340 ГГц она составила 5 %. И наконец, в квазиоптическом удвоителе частоты, использующем для эффек- тивной связи с варактором кубический уголко- вый отражатель [39], при мощности на входе 22 мВт на выходе на частоте 962 ГГц была получена мощность 2 мкВт. Однако решить проблему перехода от час- тот 100 200÷ ГГц, на которых работает твер- дотельный задающий генератор, на терагерце- вый уровень с приемлемой выходной гетеро- динной мощностью с помощью одного или двух умножителей частоты с высоким номером гар- моник практически невозможно. И поэтому не- обходимо использовать многокаскадную це- почку умножителей с низким номером гармо- ник на выходе – удвоителей или в крайнем случае утроителей. Анализ такого решения этой проблемы [40] свидетельствует о том, что таким образом, по-видимому, удастся пе- рекрыть весь субмиллиметровый диапазон, включая его самую высокочастотную часть, с выходной мощностью до 100 мкВт. 4. Заключение В статье проведен анализ современного состояния и тенденций развития твердотель- ных источников гетеродинного излучения суб- миллиметрового диапазона. В настоящее Рис. 1. Мощности твердотельных источников ге- теродинного излучения на частотах выше 100 ГГц ( 2× – удвоитель частоты, 3× – утроитель час- тоты и т. д.) И. И. Еру 232 Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 время твердотельные низковольтные компак- тные источники на основе генератора Ганна и варакторного умножителя частоты (или многокаскадной цепочки таких умножителей) позволяют получать приемлемую для работы преобразователей частоты мощность на час- тотах до 2 2.5÷ ТГц. Развернувшиеся сейчас исследования воз- можностей преобразования частоты на основе эффекта горячих электронов в полупроводниках и особенно в сверхпроводниках свидетельст- вуют о том, что необходимый для этого уро- вень мощности гетеродина не превышает не- скольких десятых долей микроватта. А это означает, что в гетеродинных приемниках с такими преобразователями частоты, по-ви- димому, можно будет успешно использовать рассмотренные здесь твердотельные гетеро- дины на еще более высоких рабочих часто- тах, до 10 ТГц, а возможно и выше. Литература 1. R. J. Chaffing. Microwave Semiconductor Devices: Fundamentals and Radiation Effects. – New York: Wiley-Interscience, 1973. 2. С. Зи. Физика полупроводниковых приборов. – М.: Мир, 1984. 3 . J. J. Gallagher. InP : A promissing material for EHF semi- conductors // Microwaves. – 1982. – Vol. 21, No. 2. – P. 77-84. 4. F. B. Fank, J. Crowley. Gunn effect devices move up in frequency and become more versatile // Microwave J. – 1982. – Vol. 25, No. 9. – P. 143-147. 5. J. D. Crowley, J. J. Sowers et al. High efficiency 90 GHz InP Gunn oscillator // Electron. Lett. – 1980. – Vol. 16. – P. 705-706. 6. I. G. Eddison, I. Devies et al. Indium phosphid proves itself for millimeter applications // Microwave Syst. News. – 1982. – Vol. 12, No. 2. – P. 91-96. 7. F. B. Fank. InP emerges as near-ideal material for pro- totipe millimeter-wave devises // Microwave Syst. News. – 1982. – Vol. 12, No. 2. – P. 59-72. 8. H. J. Kuno. IMPATT devices for generation of millime- ter waves / In Infrared and Millimeter Waves. Vol. 1 / Ed. by K. J. Button. – New York: Academic Press, 1979. 9. H. J. Kuno. Solid-state millimeter-wave power sour- ces and combiners // Microwave J. – 1981. – Vol. 24, No. 6. – P. 21-34. 10. D. S. Pan, N. Lee. GaAs abrupt junction MITATT and TUNNETT // Proc. 6-th Int. Conf. on Infrared and Milli- meter Waves. – Miami Beach, Fl (USA) . – 1981. – M-5-3. 11. M. E. Elta, G. I. Haddad. High - frequency limitations of IMPATT-, MITATT- and TUNNETT-s // IEEE Trans. – 1979. – Vol. MTT-27, No. 5. – P. 442-449. 12. M. E. Elta, H. R. Fetterman et al. 150 GHz GaAs MI- TATT source // IEEE Electron. Device Lett. – 1980. – Vol. EDL -1, No. 6. – P. 115-116. 13. J. Nishizava, K. Motoja et al. Submillimeter wave os- cillation from GaAs TUNNETT diode // Proc. 9-th Euro- pean Microwave Conf. – Brighton, (England). – 1979. 14 S. F. Wetenkamp, K. J. Kong. Transportation lag in phase-locked loop. – Palo Alto (CA): Watkins-Jon- son Company, 1978. 15. F. M. Gardner. Phaselock Techniques. 2nd ed. – New York: Wiley, 1979. 16. M. Crandell, F. J. Bernues. Oscillators lock and tune at W-band // Microwave Syst. News. – 1980. – Vol. 10, No. 12. – P. 54-60. 17. J. M. Cadwallader, M. M. Morishita et al. 217 GHz phase-locked INPATT oscillator // Microwave J. – 1982. – No. 8. – P. 106-109. 18. J. W. Archer, R. A. Batchelor et al. Low-parasitic, planar Schottky diode for millimeter-wave integrated circuits // IEEE Trans. – 1990. – Vol. MTT-38, No. 1. – P. 15-22. 19. W. L. Bishop, T. W. Crowe et al. Planar Schottky barrier mixer diodes for space applications at submilli- meter wavelengths // Microwave Opt. Technol. Lett. – 1991. – Vol. 4, No. 1. – P. 44-49. 20. J. M. Manley, H. E. Rowe. Some general properties of nonlinear elements. Part I. General energy relations // Proc. IRE. – 1956. – Vol. 44, No. 7. – P. 904-913. 21. C. H. Page. Harmonic generators with ideal recti- fiers // Proc. IRE. – 1958. – Vol. 46, No. 10. – P. 1738-1741. 22. T. J. Tolmunen, A. V. Raisanen. An efficient Schott- ky-varactor frequency multiplier at millimeter waves. Part I: Doubler // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 1987. – Vol. 8, No. 10. – P. 1313-1336. Part II: Tripler // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 1987. – Vol. 8, No. 10. – P. 1337-1353. Part III : Quadrupler // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 1989. – Vol. 10, No. 4. – P. 475-504. Part IV: Quintupler // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 1989. – Vol. 10, No. 4. – P. 505-518. 23. J. T. Louhi, A. V. Raisanen et al. Cooled Schottky varac- tor frequency multipliers at submillimeter wavelengths // IEEE Trans. – 1993. – Vol. MTT-41, No. 4. – P. 565-571. 24. J. G. Ruch, W. Fawcett. Temperature dependence of the transport properties of gallium arsenide determined by a Monte-Carlo method // J. Appl. Phys. – 1970. – Vol. 41, No. 8. – P. 3843-3849. 25. N. R. Erickson. High efficiency submillimeter fre- quency multipliers // Dig. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. – 1990. – Vol. III, No. 5. – P. 1301-1304. 26. A. Raisanen, M. Sironen. Capability of Schottky-dio- de multipliers as local oscilators at 1 THz // Microwaves Opt. Technol. Lett. – 1991. – Vol. 4, No. 1. – P. 29-33. Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона 233Радиофизика и радиоастрономия, 2010, т. 15, №2 27. J. W. Archer, M. T. Faber. High-output, single- and dual-diode millimeter-wave frequency doublers // IEEE Trans. – 1985. – Vol. MTT-33, No. 6. – P. 533-538. 28. J. W. Archer. An efficient 200-290 GHz frequency tripler incorporating a novel stripline structure // IEEE Trans. – 1984 – Vol. MTT-32, No. 4. – P. 416-420. 29. N. R. Ericson. A high efficiency frequency tripler for 230 GHz // Proc. 12th European Microwave Conf. – Helsinki (Finland). – 1982. – P. 288-292. 30. N. R. Ericson. Very high efficiency triplers for 100- 300 GHz // Proc. 10th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves. – 1985. – P. 54-55. 31. N. R. Ericson. Private communication // A. V. Rai- sanen. Frequency Multipliers for Millimeter and Sub- millimeter Wavelengths // Proc. IEEE. – 1992. – Vol. 80, No. 11. – P. 1842-1852. 32. R. Zimmermann, R. Zimmermann et al. 490 GHz solid state source with varactor quadrupler // Proc. 13th Int. Conf. Infrared and Millimeter Waves, SPIE. – 1988. – Vol. 1093. – P. 77-78. 33. R. Zimmermann, R. Zimmermann et al. // All solid-state radiometer at 557 GHz // Proc. 21st European Microwave Conf. – Stuttgart (Germany). – 1991. – P. 253-256. 34. H. Rothemel, T. G. Phillips et al. A solid-state frequen- cy source for radio astronomy in the 100 to 1000 GHz range // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 1989. – Vol. 10, No. 1. – P. 83-100. 35. G. Chattopadhay, E. Schlecht et al. An all-solid-state broad-band frequency multiplier chain at 1500 GHz // IEEE Trans. – 2004. – Vol. MTT-52, No. 5. – P. 1538-1547. 36. M. A. Frerking, H. M. Pickett et al. A submillimeter wave quasioptical frequency doubler // Dig. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. – 1983. – P. 108-109. 37. J. W. Archer. A novel quasioptical frequency multiplier design for millimeter and submillimeter wavelengths // IEEE Trans. – 1984. – Vol. MTT-32, No. 4. – P. 421-427. 38. B. N. Lyons, I. Sheridan et al. Experimental and the- oretical evaluation of a quasioptical submillimeter-wave multiplier // Proc. MIOP 90. – Stuttgart (Germany). – 1990. – P. 369-374. 39. T. W. Crowe, T. C. Grein et al. Progress toward solid- state local oscillators at 1 THz // IEEE Microwave Guide Wave Lett. – 1996. – Vol. 6, No. 6. – P. 202-208. 40. J. Bruston, E. Schlecht et al. Development of 200 GHz to 2.7 THz multiplier chains for submillimeter-wave hetero- dyne receivers // Proc. SPIE UV, Opt., IR Space Telescopes Instrum. Conf. – 2000. – Vol. 4013. – P. 285-295. Тведотільні джерела гетеродинного випромінювання субміліметрового діапазону І. І. Єру У статтi розглядаються твердотiльнi гете- родини субміліметрового діапазону. Твердо- тiльнi генератори на цих частотах не можуть забезпечити бажаний рiвень потужності, а тому виникає потреба у помножувачах для перено- су робочих частот з міліметрового діапазону у субміліметровий. Розглянуто багатокаскаднi ланцюжки помножувачів на діодах з бар’єром Шотткі (ДБШ) з низькими номерами гармонiк та однокаскаднi ДБШ-помножувачі з вели- кими номерами гармонiк. Solid-State Sources of Geterodyne Radiation at Submillimeter Wavelengths I. I. Eru Solid-state sources of heterodyne radiation at submillimeter waves are considered. Solid-state generators cannot provide the desired power level at these frequencies, therefore frequency multipliers are required to transfer operating frequencies from the millimeter to submillimeter wavelengths. Multistage chain of multipliers on Schottky-barrier diodes with the small harmonic numbers and one-stage multipliers with the large harmonic numbers are also considered.

Твердотельные источники гетеродинного излучения субмиллиметрового диапазона

Institution

Ähnliche Einträge