Помножувачі частоти на напівпровідникових діодних структурах
Анотація
Очевидні переваги техніки міліметрових хвиль — велика інформаційна ємність, висока спрямованість випромінювання, можливості діагностики та спектроскопії різних середовищ, включаючи методи електронного парамагнітного резонансу і ядерного магнітного резонансу високої роздільної здатності — зумовили швидкий розвиток техніки цього діапазону в усьому світі. Ці переваги визначають привабливість практичного застосування міліметрових довжин хвиль для створення швидкісних ліній зв'язку, високоточних РЛС, пристроїв ідентифікації хімічних речовин та іншої техніки.
Важливу роль в освоюванні міліметрового і субміліметрового діапазонів хвиль в 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 терагерцовому діапазоні.
Наведено особливості конструктивних рішень помножувачів частоти різних конфігурацій, показані 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 зі створення джерел потужності на основі помножувальних діодів свідчить про значні успіхи в цій галузі й швидкому розвитку електронної компонентної бази в короткохвильової частини НВЧ-спектра. Подальший розвиток помножувальних діодів у техніці НВЧ буде проходити не тільки в напрямку підвищення робочих потужностей, але і в розв'язаннi проблем мікромініатюризації. У зв'язку з цим слід відзначити появу гетероепітаксійних багатошарових варакторних структур, виконаних за допомогою молекулярно-променевої епітаксії, що мають всі переваги складеного варактора, але мають кращі теплові характеристики і хороші перспективи їх використання в терагерцовому діапазоні.
Посилання
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
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
Porterfield D. High-efficiency terahertz frequency triplers. IEEE/MTT-S International Microwave Symposium, Honolulu, HI, USA, 2007, pp. 337-340. https://doi.org/10.1109/MWSYM.2007.380439
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
Maiwald F., Schlecht E., Maestrini A., Chattopadhyay G., Pearson J.C., Pukala D., Mehdi I. THz frequency multiplier chains based on planar Schottky diodes. Proc. SPIE: Astronom. Telescopes Instrum. Int. Conf., Waikoloa, HI, 2002, vol. 4855, pp. 447-458.
Wang H., Sengupta K. RF and mm-Wave Power Generation in Silicon. Academic Press, 2015, 576 ð.
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)
Pildon P.I., Vizel A.A. [Semiconductor diodes for frequency multiplication. Semiconductor devices and its application]. Collection of articles by ed. Ya.A. Fedotova. Moscow, Sov. Radio, 1970, iss. 23, pp. 82-100. (Rus)
Irvin I.C., Swan C.B. A composite varactor for simultaneous 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
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, pp. 917-920.
Staecker P.W. MM-wave transmitters using power frequency multipliers. Microwave Journal, 1988, no. 2, pp. 175-181.
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
Courtney W.E., Chen C.L. et al. Monolithic analog phase shifters and frequency multipliers for mm-wave phased array applications. Microwave Journal, 1966, no. 12, pp. 105-119.
Kasatkin L.V. et al. Power microwave frequency multipliers. Patent 20485 of Ukraine, 1997. (Rus)
Rolland P.A., Waterkowski J.L., Constant E., Salmer G. New model of operation for avalanche diodes: frequency multiplication and conversion. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1976, no 11, pp. 768-775.
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)
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)
Kasatkin L.V., Novozhilov V.V. Effective high order frequency multipliers on IMPATT diodes. Applied Microwave Wireless, 1994, no. 6, pp. 32-36.
Dvornichenko V.P., Karushkin M.F., Maltsev S.B., Chajka V.E. [Operation of IMPATT in the radio pulse frequency multiplication mode] Elektronnaya tekhnika. Seriya 1. Elektronika SVCh, 1985, iss. 4 (376), pp. 40-44. (Rus)
Grigulovich V.I., Immoreev I.Ya. [Radio pulse conversation of frequency]. Moscow, Soviet Radio, 1966, 335 p. (Rus)
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) 22. Karushkin M.F., Maltsev S.B., Hitrovskiy V.A. [Solidstate 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
Chajka V.E., Kasatkin L.V. [Semiconductor devices in the millimeter wave range]. Sevastopol, Veber, 2006, 319 p. (Rus)
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 supersemiconductor devices]. Zhurnal radioelektroniki, 2006, no. 1. (Rus)
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)
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)
Erickson N.R. High efficiency submillimeter frequency multipliers. IEEE MTT-S, International Microwave Symposium Digest, 1990, pp. 1301-1304. https://doi.org/10.1007/BF02995124
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.
Malko A., Bryllert T., Vukusic J., Stake J. A 474 GHz HBV frequency quintuplier integrated on a 20 μm thick silicon substrate. IEEE Transactions on Terahertz Science and Technology, 2015, no. 5, ðp. 85. https://doi.org/10.1109/ TTHZ.2014.2378793
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)
Maleev N.A., Belyakov V.A., Vasiliev A.P., Kulagina M.M. [Molecular beam epitaxy of structures of hetero barrier varactors in a material system InGaAs—InAlAs—InР]. Elektronika i mikroelektronika SVCh, 2016, vol. 1, pp. 68-72. (Rus)
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
Romanov Y.A., Romanova Y.Y. Bloch oscillations in superlattices: The problem of a terahertz oscillator. Semiconductors, 2005, vol. 39, iss. 1, pp. 147-155. https://doi.org/10.1134/1.1852666
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)
Paveliev D.G., Koshurinov Y.I., Ivanov A.S., Panin A.N., Vax V.L. et al. Experimental study of frequency multipliers based on a GaAs/AlAs semiconductor superlattices in the terahertz frequency range. Semiconductors, 2012, vol. 46, i s s . 1 , p p . 1 2 1 - 1 2 5 . h t t p s : / / d o i . o r g / 1 0 . 1 1 3 4 /S1063782612010150
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
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)
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
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
Kosov A.S., Elensky V. [MM wave harmonic oscillators based on Gunn diodes] Zarubezhnaya radioelektronika, 1987, no. 2, pp. 54-65. (Rus)
Zubovich N.A., Tsvirko U.A. [Modeling of the biharmonical generation mode in a double-circuit Gunn oscillator]. Elektronnaya tekhnika. Seriya 1. Elektronika SVCh, 1991, iss. 6, pp. 26-29. (Rus)
Авторське право (c) 2018 Карушкін М. Ф.
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
