ХАРКІВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ

імені В.Н.Каразіна

Піддячий Валерій Іванович

УДК 537.962: 621.396.62

високоефективне перетворення частоти на діодах з Бар’єром шотткі та малошумливі приймачі міліметрового діапазону

01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата фізико-математичних наук

Харків – 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Радіоастрономічному інституті Національної Академії Наук України.

Науковий керівник: академік НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Шульга Валерій Михайлович, Радіоастрономічний інститут НАН України, заступник директора з наукової роботи (м. Харків).

Офіційні опоненти: доктор фізико-математичних наук, професор Прохоров Едуард Дмитрович,

Харківський національний університет

імені В.Н. Каразіна, професор кафедри напівпровідникової та вакуумної електроніки

(м. Харків);

чл.-кор. НАН України, доктор фізико-математичних наук, професор Сизов Федір Федорович,

Інститут фізики напівпровідників

ім. В.Є. Лашкарьова НАН України, завідувач відділу фізики і технології низьковимірних систем (м. Київ).

Провідна установа: Інститут радіофізики та електроніки ім. О.Я. Усикова

НАН України, відділ твердотільної електроніки

(м. Харків).

Захист відбудеться “_18_” травня 2007 р. о _1500_ годині на засіданні

спеціалізованої вченої ради Д 64.051.02 Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою: 61077, м. Харків, пл. Свободи 4, ауд. 3-9.

З дисертацією можна ознайомитись у Центральній науковій бібліотеці

Харківського національного університету імені В.Н. Каразіна за адресою:

61077, м. Харків, пл. Свободи 4.

Автореферат розісланий “_12_” квітня 2007 р.

Учений секретар

спеціалізованої вченої ради Ляховський А.Ф.

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Широке застосування в науці і техніці електромагнітних хвиль міліметрового діапазону (радіоастрономія, радіолокація, спектроскопія, зв’язок тощо) постійно стимулює фізичні дослідження, спрямовані на подальше підвищення чутливості приймальних систем цього діапазону. В дисертації це питання розглядається стосовно супергетеродинних приймачів зі змішувачами на напівпровідникових діодах з бар’єром Шотткі (ДБШ). Основні дослідження проведено у 3-мм діапазоні довжин хвиль. Внаслідок широкого використання цього діапазону в різних галузях науки і техніки саме тут проведено багато теоретичних та експериментальних досліджень і розроблено велику кількість змішувачів різноманітних типів з достатньо високими характеристиками. В той же час отримана біля 20 років тому чутливість приймачів 3-мм діапазону зі змішувачами на ДБШ залишалася незмінною до початку роботи над дисертацією, незважаючи на розвиток напівпровідникової елементної бази.

В дисертаційній роботі було поставлено завдання – суттєво збільшити чутливість приймальних систем 3-мм діапазону на ДБШ за рахунок реалізації гранично досяжних втрат перетворення сучасних високоякісних напівпровідникових нелінійних елементів – діодів з бар’єром Шотткі з високою критичною частотою. Для досягнення цього актуальним є вирішення наступних наукових і науково-технічних задач.

Вибір власних параметрів напівпровідникового нелінійного елемента має бути обумовлений діапазоном довжин хвиль та інтервалом робочих температур, на які розробляється приймальна система. Одним з головних фізичних параметрів діода з бар’єром Шотткі з точки зору впливу на втрати перетворення і власні шуми діода є концентрація носіїв заряду в епітаксійному шарі . Вплив цього параметра ДБШ на характеристики змішувача зростає при кріогенних температурах. У попередніх розробках кріогенних приймачів міліметрового діапазону використовувався підхід, при якому вважалося недоцільним застосування високолегованих діодів (>1017 cм3) при низьких температурах через недостатнє зниження їх шумів при охолодженні. При цьому зовсім не розглядалася задача про можливість суттєвого зниження втрат перетворення змішувача якраз на високолегованих з високою критичною частотою ДБШ, що є ще одним шляхом до отримання низького рівня шуму приймача в цілому. Для вирішення цієї задачі актуальними є модельні дослідження роботи нелінійного елемента у складі змішувача з метою визначення мінімально досяжних втрат перетворення високолегованих ДБШ з урахуванням характеристик змішувальної камери, що можуть бути реалізовані в експерименті.

Іншою не менш важливою задачею для досягнення на практиці кінцевої мети є оптимізація роботи нелінійного елемента у складі змішувальної камери. Електродинамічна система останньої повинна забезпечити оптимальний за втратами перетворення режим роботи ДБШ в широкій смузі частот при мінімально можливому затуханні сигналу у підвідних трактах змішувача. Традиційний підхід до оптимізації роботи діода на частоті сигналу шляхом використання на вході змішувача міліметрового діапазону зовнішнього трансформатора імпедансів (плавного чи ступінчастого хвилеводного переходу) внаслідок збільшення поглинання сигналу не є доцільним при намаганні досягти мінімально можливих втрат перетворення змішувача у цілому. Для одночасного забезпечення оптимального за втратами перетворення режиму роботи діода і низьких омічних втрат у електродинамічній системі змішувальної камери не існує загальних підходів, і ця задача потребує детальних теоретичних та експериментальних досліджень роботи змішувача, якщо за мету ставиться зниження шумової температури приймача в цілому.

Таким чином, для вирішення актуальної проблеми – суттєвого підвищення чутливості приймальної системи на ДБШ у міліметровому діапазоні за рахунок реалізації гранично досяжних втрат перетворення сучасних високотехнологічних діодів – необхідно вирішити низку задач, починаючи з моделювання нелінійного елемента та розробки нових більш якісних конструкцій змішувальних камер і закінчуючи створенням приймачів на ДБШ з рекордними шумовими характеристиками.

Зв’язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота виконана у Радіоастрономічному інституті НАН України у рамках програм по створенню високочутливих приймальних систем міліметрового діапазону відповідно до планів держбюджетних НДР: “Теоретичні та експериментальні дослідження в галузі міліметрової радіоастрономії, створення і розвиток інструментальної бази”, № Держ. реєстрації 0197U19096; “Дослідження в галузі міліметрової радіоастрономії. Створення і розвиток інструментальної бази”, № Держ. реєстрації 0100U006425; “Дослідження місць активного зіркоутворення по молекулярним лініям випромінювання. Розвиток інструментальної бази радіоастрономічних досліджень”, № Держ. реєстрації 0103U007920.

Мета і задачі дослідження. Мета роботи полягає у визначенні граничних втрат перетворення і шумових характеристик ДБШ з високою критичною частотою, умов та способів їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону, а також створенні на основі останніх приймальних систем з рекордною чутливістю. Для цього вирішувалися наступні задачі: розробка методики пошуку оптимального типу ДБШ та розрахунок його гранично досяжних втрат перетворення у 3-мм діапазоні і визначення умов їх реалізації; розробка нового методу узгодження змішувача 3-мм діапазону на ДБШ на частоті сигналу без використання зовнішнього трансформатора імпедансів з метою зниження омічних втрат на вході змішувача; оптимізація роботи тракту проміжних частот приймача 3-мм діапазону на мінімум шумів шляхом об’єднання у єдиний модуль змішувача та підсилювача проміжних частот (ППЧ); з’ясування можливості ефективної роботи при кріогенних температурах високолегованих ДБШ; створення на основі розроблених змішувачів 3-мм діапазону на високоякісних ДБШ приймачів з мінімально можливою шумовою температурою при кімнатних та кріогенних температурах.

Об’єкт дослідження – процес перетворення електромагнітних хвиль міліметрового діапазону на діодах з бар’єром Шотткі.

Предмет дослідження – граничні втрати перетворення і шумові характеристики ДБШ з високою критичною частотою та умови їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону в широкому інтервалі температур.

Методи дослідження. Модель змішувача на ДБШ міліметрового діапазону побудовано з використанням методу еквівалентних схем. Система диференціальних рівнянь, яка описує струми і напруги у схемі змішувача, вирішувалась чисельним методом Рунге-Кута. Параметри елементів еквівалентних схем досліджувалися методом масштабного моделювання змішувача з перенесенням вимірювання у сантиметровий діапазон. Затухання у хвилеводах приймачів 3-мм діапазону досліджувалось методом прямих вимірів потужності сигналу і методом рефлектометрії. Втрати перетворення і шумова температура змішувачів вимірювались радіометричним методом на шумовому сигналі. Експериментальні дослідження шумових характеристик приймачів 3-мм діапазону виконані Y – методом з використанням кріогенно охолоджуваного узгодженого навантаження.

Обґрунтованість і достовірність результатів досліджень базується на використанні апробованих раніше методик теоретичних досліджень процесів перетворення частоти на нелінійних елементах та загальноприйнятих методах експериментальної перевірки характеристик змішувачів та приймачів міліметрового діапазону. Вони підтверджуються відповідністю розрахованих та виміряних втрат перетворення і робочих характеристик змішувача 3-мм діапазону на ДБШ. Реалізовану чутливість розроблених приймачів 3-мм діапазону підтверджено в радіоастрономічних спостереженнях на радіотелескопі РТ-22 (Україна).

Наукова новизна одержаних результатів.

1. Розроблено методику пошуку оптимального типу діода з бар’єром Шотткі для заданого діапазону частот на основі уточненої моделі змішувача міліметрового діапазону, побудованої з використанням методу еквівалентних схем. Методика базується на визначенні гранично досяжних втрат перетворення ДБШ з урахуванням характеристик електродинамічної системи змішувальної камери, що можуть бути отримані в експерименті. Визначено оптимальний для 3-мм діапазону тип ДБШ, розраховано його мінімально досяжні на практиці втрати перетворення та умови їх реалізації в змішувачі.

2. Розроблено новий метод узгодження змішувача міліметрового діапазону на ДБШ на частоті сигналу без використання зовнішнього трансформатора імпедансів. Необхідну трансформацію вхідних імпедансів реалізовано в місці розташування ДБШ шляхом введення додаткових елементів узгодження в електродинамічну систему. Це дозволило у стандартному хвилеводі оптимізувати роботу різних типів ДБШ у смузі частот 25-30% від центральної частоти при мінімально можливому затуханні у вхідному тракті змішувача. В запропонованій новій конструкції змішувача на основі стандартного хвилеводу отримано мінімально досягнуте на цей час у 3-мм діапазоні при кімнатній температурі значення двосмугової (DSB) шумової температури – 130 К.

3. Вперше доведено ефективність використання високолегованих ДБШ в кріогенних змішувачах міліметрового діапазону. За рахунок високої критичної частоти високолегованого діода реалізовано низькі втрати перетворення кріогенного змішувача 3-мм діапазону, що дозволило отримати його шумову температуру близьку до досягнутої раніше в змішувачах на “кріогенних” (зі зниженою концентрацією носіїв заряду) діодах. Отриманий результат змінює загальноприйняте раніше твердження про необхідність використання в змішувачах міліметрового діапазону при глибокому охолодженні тільки “кріогенних” ДБШ.

4. Створено ряд приймачів 3-мм діапазону на ДБШ з рекордною чутливістю, які працюють у широкому інтервалі робочих температур від кімнатних до кріогенних.

а) При кімнатній температурі отримано DSB шумову температуру приймача 190 К, що у 1,5 рази нижче шумової температури кращих зразків приймальних систем на ДБШ, розроблених раніше.

б) В кріогенному приймачі зі змішувачем на високолегованому ДБШ реалізовано DSB шумову температуру 55 К, що не гірше значень шумової температури, отриманих раніше в приймачах на “кріогенних” ДБШ.

Практичне значення одержаних результатів. Отримані в роботі результати щодо зниження втрат перетворення змішувача 3-мм діапазону на високолегованих з високою критичною частотою ДБШ та запропоновані методи оптимізації роботи нелінійного елемента у складі змішувальної камери мають суттєве значення у вирішенні актуальної наукової задачі – підвищенні чутливості приймальних систем міліметрового діапазону на діодах з бар’єром Шотткі. Розроблена методика пошуку оптимального типу ДБШ для заданого діапазону частот дозволяє скоротити громіздку експериментальну роботу при конструюванні малошумливих змішувачів надвисоких частот. Запропонована конструкція змішувача на основі стандартного хвилеводу може бути успішно використана у субміліметровому діапазоні, де можливості зниження висоти хвилеводу обмежені технологічними причинами. Розроблені високочутливі приймачі 3-мм діапазону на ДБШ використовуються для радіоастрономічних спостережень на радіотелескопі РТ-22, Крим, Україна та досліджень атмосфери, які ведуться у Технологічному Університеті, Ґетеборг, Швеція.

Особистий внесок здобувача. У роботах, що опубліковані у співавторстві, особистий внесок здобувача полягає у наступному: розроблено методику пошуку оптимального типу ДБШ для заданого діапазону частот [1]; запропоновано і розроблено нові конструкції змішувальних камер 3-мм діапазону на основі стандартного хвилеводу та хвилеводу з частково зниженою висотою, досліджено їх характеристики в широкій смузі частот [2, 3, 5]; проведено експериментальні дослідження характеристик ДБШ та приймача 3-мм діапазону в широкому інтервалі температур [4, 5]; при розробці приймальних систем міліметрового діапазону для практичного використання створено змішувачі та узгоджено їх роботу з іншими елементами приймачів з метою отримання гранично низьких шумових температур приймальних систем [1–3], [57].

Апробація результатів дисертації. Результати досліджень, включених до дисертації, доповідались на наступних конференціях і симпозіумах: ХVII Всесоюзній конференції “Радіоастрономічна апаратура” (Єреван, 1985); XXI Всесоюзній конференції “Радіоастрономічна апаратура” (Єреван, 1989); Міжвідомчій науково-технічній конференції “Прилади, техніка і розповсюдження ММ, СБМ хвиль” (Харків, 1992); The Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves ” (Kharkov, Ukraine; 2001); 13-й Міжнародній Кримській конференції “НВЧ – техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, Крим, Україна, 2003); The Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Sub-Millimeter Waves (Kharkov, Ukraine; 2004); 16-й Міжнародній Кримській конференції “НВЧ – техніка і телекомунікаційні технології” (Севастополь, Крим, Україна, 2006);

Публікації. Основні матеріали й результати дисертації опубліковано в 7 статтях у наукових журналах і 9 тезах доповідей на науково-технічних конференціях.

Структура й обсяг дисертації. Дисертаційна робота складається зі вступу, чотирьох розділів, висновків та списку використаних джерел. Загальний обсяг дисертації складає 162 сторінки і містить у собі 150 сторінок основного тексту, 61 рисунок і 3 таблиці. Список використаних джерел містить 103 найменування на 12-ти сторінках.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито актуальність теми, сформульовано мету, задачі й методи дослідження, визначено наукову новизну, наукове і практичне значення дисертації, особистий внесок автора, наведено інформацію щодо апробації роботи та її зв’язку з науковими темами.

У першому розділі “Приймачі міліметрового діапазону довжин хвиль зі змішувачами на діодах з бар’єром Шотткі” надається аналітичний огляд сучасного рівня розробок ДБШ міліметрового діапазону і приймачів на їх основі. З підвищенням концентрації носіїв заряду у епітаксійному шарі ДБШ зростає його критична частота, що призводить до зменшення омічних втрат в діоді. Тому в дисертаційній роботі головну увагу зосереджено на дослідженнях високолегованих ДБШ, виготовлених на основі GaAs у вигляді безкорпусних щільникових структур. У цьому розділі також розглянуто вимоги до електродинамічної системи змішувачів на ДБШ з точки зору мінімізації втрат перетворення на нелінійному опорі діода, проведено аналіз конструкцій розроблених до цього часу змішувальних камер міліметрового діапазону і визначено невирішені задачі по їх удосконаленню. Крім цього проаналізовано механізми генерації шумів у ДБШ при різних температурах та вимоги до фізичних характеристик діода для мінімізації його шумової температури при глибокому охолодженні. В огляді наводяться дані про шумові характеристики кращих зразків розроблених приймачів 3-мм діапазону на ДБШ та відзначено, що ці характеристики до початку роботи над дисертацією залишалися незмінними, незважаючи на розвиток напівпровідникової елементної бази.

Другий розділ “Нелінійний аналіз змішувачів міліметрового діапазону на діодах з бар’єром Шотткі” присвячено проведенню модельних досліджень роботи нелінійного елемента у складі змішувальної камери з метою пошуку оптимального типу ДБШ для заданого діапазону частот. Аналіз літературних джерел, проведений у першому розділі, показав, що в роботах попередників переважно наведено результати розрахунків та експериментальні дані за втратами перетворення конкретних ДБШ у 3-мм діапазоні, але практично відсутня інформація, які діоди виявляються оптимальними для цього діапазону. Для відповіді на це питання в дисертації було проведено нелінійний аналіз роботи змішувача міліметрового діапазону на ДБШ на основі еквівалентної схеми для струмів гетеродина (рис. 1). У схемі змішувальний діод представлено нелінійним опором , де - параметр вольтамперної характеристики (ВАХ) ДБШ , - струм насичення, та паразитними параметрами (послідовний опір діода) і (ємність бар’єру), де - ємність бар’єру при нульовому зміщенні і - висота бар’єру. Змішувальну камеру на рис. 1 представлено хвилевим опором хвилеводу ; індуктивністю контактної голки ; реактивністю короткозамикаючого (КЗ) поршня , де , - частота гетеродина та двополюсником (), який відображає вплив на характеристики змішувача гармонік гетеродина вищого порядку. Індуктивність введено в схему для замикання кола постійного струму (>>). В еквівалентній схемі змішувача реакцію КЗ поршня представлено ємністю . При зміні знаку його реактивності в схемі змішувача замінюється індуктивністю , а в системі диференціальних рівнянь (ДР), котра описує струми і напруги у схемі, рівняння для напруги на ємності замінюється рівнянням для струму через індуктивність . Проведення на основі побудованої моделі нелінійного аналізу змішувача в часовій області шляхом розв’язку чисельним методом системи ДР дає можливість визначити залежність від часу провідності діода з урахуванням його паразитних параметрів. Розклавши в ряд Фур’є цю залежність, можна визначити власні DSB втрати перетворення діода в режимі двосмугового перетворення частоти і потрібні для їх реалізації опори навантажень діода на частоті сигналу і проміжній частоті (ПЧ) із відомих виразів:

де

; ; ; , , – Фур’є коефіцієнти провідності діода.

При чисельному моделюванні змішувача визначалось також середнє за період коливання гетеродина значення струму діода – його випрямлений струм. На рис. 2 показано розраховані та виміряні частотні характеристики випрямленого струму одного з використаних типів ДБШ, виготовленого у Науково-дослідному інституті напівпровідникових приладів (Томськ, РФ), умовно позначеного у роботі Д5, який має =2,5Ч1017 cм3, =10 фФ, =3,5 Ом і критичну частоту ? 4 ТГц. З рис. 2 видно не тільки якісну, але і гарну кількісну згоду результатів розрахунку та експерименту, що підтверджує відповідність побудованої моделі експериментальним зразкам змішувача. Це дозволило нам скористатися запропонованою моделлю змішувача для розрахунку втрат перетворення ДБШ і потрібних для їх реалізації опорів навантажень діода. На рис. 3 показано розраховані залежності граничних втрат перетворення від потужності гетероди-на (Д5,min та Д6,min) для двох типів діодів – Д5 і Д6 (Д6 – умовне позначення виготовленого в Університеті штату Вірджинія (США) діода з бар’єром Шотткі, який має = 3Ч1017 cм3, = 3 фФ, = 8 Ом, ? 6,5 ТГц). Цим двом типам ДБШ в дисертації приділено найбільшу увагу че-рез їх високу кри-тичну частоту і, як наслідок, низькі омічні втрати діода, що можуть бути отримані в 3-мм діапазоні в оптимальному режимі роботи (? 0,2 дБ). З рис. 3 видно, що діод з більш високим значенням критичної частоти Д6 має менші граничні втрати перетворення (крива Д6,min), які при потужності гетеродина більше 1 мВт не перевищують 0,5 дБ. Але, як показав розрахунок, для реалізації таких низьких втрат потрібні опори навантажень діода з боку змішувальної камери більше 1 і 2 кОм на вході і виході відпо-відно, що практично неможливо отримати в експерименті. Такий високий рівень опти-мальних опорів наванта-жень діода Д6 пояс-нюється його низькою ємністю. Як показав аналіз численних публі-кацій, присвячених роз-робкам змішувачів мілі-метрового діапазону на ДБШ, що підтверджено нашими експеримен-тальними досліджен-нями, опори навантажень діода, які можуть бути реалізовані в змішувальній камері не перевищують 200 і 300 Ом на вході і виході відповідно. Розрахунок втрат перетворення при таких рівнях навантажень діода, виконаний для діодів Д5 і Д6, також наведено на рис. 3. Видно, що втрати перетворення діода Д5 у цьому випадку менші в порівнянні з діодом Д6. Таким чином, проведене чисельне моделювання показало, що з урахуванням характеристик змішувальної камери, які можливо реалізувати на практиці, найбільш придатним для використання у змішувачах 3-мм діапазону є діод Д5, незважаючи на те, що він має більші граничні втрати перетворення в порівнянні з діодом Д6. У кінці другого розділу наведено обчислені втрати перетворення діода Д5 на частоті гетеродина 100 ГГц і потрібні для їх реалізації опори навантажень діода на вході і виході та режими роботи змішувача (напруга зміщення і струм діода) для кількох значень потужності гетеродина, наприклад, при потужності ~ 1 мВт втрати перетворення ~1,25 дБ, які реалізуються при =175 Ом, =295 Ом і режимі роботи = 0,1 В, =1 мА.

Третій розділ “Електродинамічна система змішувачів 3-мм діапазону на ДБШ” присвячено аналізу роботи цієї системи, головною вимогою до якої є забезпечення оптимальних за втратами перетворення опорів навантажень діода на вході на частоті сигналу і виході на проміжній частоті. При цьому необхідно мінімізувати омічні втрати у підвідних трактах змішувальної камери. Проведений аналіз вхідного тракту змішувача на частоті сигналу при використанні дослідженого у попередньому розділі діода Д5 показав, що найпростіше реалізувати його оптимальний режим роботи (=150-200 Ом) можливо у змішувальній камері зі зниженою в 3-4 рази висотою хвилеводу. Такі камери широко використовуються на практиці, вони достатньо широкосмугові, але мають високі омічні втрати у хвилеводному тракті і на КЗ поршні. В той же час у змішувачі на основі стандартного хвилеводу без зниження його висоти також є можливість узгодити роботу нелінійного елемента на частоті сигналу в достатньо широкій смузі частот, але для цього потрібно реалізувати індуктивну реактивність контактної голки, що дорівнює приблизно половині хвилевого опору хвилеводу. Це можливо зробити, замінивши частину контактної голки циліндричним ємнісним штирем, на якому вона закріплена. На масштабній моделі змішувача у діапазоні частот 11,5-17 ГГц було ретельно досліджено реактивний опір ємнісного штиря (діаметр штиря дорівнював приблизно половині ширини хвилеводу) при різних положеннях його і першої секції фільтра проміжних частот у хвилеводі. В результаті цих досліджень було встановлено, що реактивний опір штиря можливо змінювати в діапазоні від приблизно (j50 Ом) до (j200 Ом), що дозволило нам розраховувати на можливість оптимізації роботи різних типів ДБШ у змішувачі на основі стандартного хвилеводу. Скориставшись результатами досліджень масштабної моделі, було розроблено змішувальну камеру 3-мм діапазону, розташування головних елементів електродинамічної системи вхідного тракту якої показано на рис. 4 (b0 – висота стандартного хвилеводу 3-мм діапазону). В такій конструкції камери на діоді Д5, як видно з рис. 5, реалізовано мінімальний коефіцієнт стоячої хвилі за напругою (КСХН) при струмі діода 0,2 мА (на діод при вимірюванні подавалась лише напруга постійного зміщення). При такому струмі діода Д5 його нелінійний опір дорівнює приблизно 150 Ом, що близько до потрібних оптимальних значень навантаження діода на вході. Таким чином, у змішувальній камері на основі стандартного хвилеводу в узгодженому режимі роботи реалізовано практично такий же опір навантаження діода на вході, що й у камерах зі зниженою в 3-4 рази висотою хвилеводу, які традиційно використовувались раніше. Але на відміну від останніх у запропонованій нами конструкції необхідну трансформацію вхідних опорів реалізовано безпосередньо у місці розташування ДБШ, що дозволило оптимізувати його роботу при мінімально можливих омічних втратах у вхідному тракті змішувача (? 0,2 дБ).

Головна вимога до вихідного тракту змішувача полягає в забезпеченні оптимального за шумами режиму роботи підсилювача проміжних частот, в якості якого в приймачах міліметрового діапазону здебільшого використовуються транзисторні підсилювачі дециметрового діапазону. Сучасні підсилювачі цього діапазону на транзисторах з високою рухливістю електронів (НЕМТ) мають мінімальний рівень шумів при опорах вхідного генератора шуму 30...40 Ом. В цьому випадку стає недоцільним використовувати режим роботи, при якому тракт ПЧ змішувача трансформує імпеданс ДБШ на вихід в 50 Ом (в місце підключення стандартного з’єднувача), а вхідний тракт ППЧ виконує додаткову трансформацію цього опору у оптимальне значення імпедансу генератора шуму вхідного транзистора підсилювача. Нами вирішено питання оптимізації роботи приймача 3-мм діапазону в смузі проміжних частот в єдиному модулі “змішувач – ППЧ” (рис. 6), спільний тракт ПЧ якого забезпечує оптимальний за шумами режим роботи як підсилювача, так і приймача в цілому при мінімально можливих омічних втратах у тракті проміжних частот (? 0,15 дБ). Такі моноблочні приймальні модулі в подальшому використовувалися практично у всіх розроблених нами приймальних системах 3-мм діапазону, включаючи кріогенні.

У розділі 4 “Приймачі 3-мм діапазону зі змішувачами на ДБШ” наведено результати досліджень, спрямованих на досягнення граничної чутливості приймальних систем 3-мм діапазону, які працюють в широкому інтервалі робочих температур. Також у цьому розділі наведено результати досліджень можливості ефективного використання в кріогенних змішувачах міліметрового діапазону високо-легованих ДБШ. При цьому велика увага зосереджується ще на одній проблемі – отриманні мінімально можливої шумової температури приймача в якомога більшій смузі частот.

На початку розділу подано опис методики вимірювання характеристик розроблених змішувачів та приймачів 3-мм діапазону. Шумова температура приймача вимірювалася відомим Y – методом із застосуванням узгод-женого навантаження, яке по черзі (при кімнатній температурі і температурі кипіння рідкого азоту) підклю-чалося на вхід приймача. Втрати перетворення змішу-вача та його шумова температура вимі-рювалися в роботі за допомогою спеціально розробленого 1,5 – ГГц радіометра. На рис. 7 показано частотні характеристики прий-мачів 3-мм діапазону зі змішувачами на діодах Д5 і Д6 при кімнатній температурі (=290 К). В якості ППЧ в цих приймачах використано розроблений в РІ НАНУ малошумливий підсилювач діапазону частот 1,2 – 1,6 ГГц з шумовою температурою =25 К. Як видно з рис. 7, шумові характеристики приймача зі змішувачем на основі стандартного хвилеводу () на діоді Д6 гірші, ніж реалізовані у центрі смуги частот на діоді Д5. Це підтверджує результати чисельного моделювання, в якому було отримано аналогічний результат за втратами перетворення цих діодів (див. рис. 3, криві Д5 і Д6). В той же час на діоді Д5 отримано більш високий рівень шумової температури приймача на частотах вище 110 ГГц. Це пояснюється більшим впливом на цих частотах ємності штиря (див. рис. 4) на характеристики змішувача на ДБШ з більшою ємністю бар’єру. Цю проблему в приймачі на діоді Д5 (=10 фФ) вирішено шляхом використання змішувальної камери з частково зниженою висотою хвилеводу (). Як видно з рис. 7, з такою камерою отримано значно кращі характеристики приймача на високочастотному краю робочого діапазону порівняно з камерою на основі стандартного хвилеводу, але остання у центрі смуги частот має нижчу шумову температуру (= 130 К, =190 К) завдяки меншим омічним втратам у вхідному тракті змішувача.

На рис. 8 показано порівняльні характеристики (за кімнатної температури) приймачів 3-мм діапазону, розроблених в РІ НАНУ і кращих зразків приймальних систем, виготовлених у Five College Radio Astronomy Observatory (FCRAO), США. Слід зазначити, що закордонні приймачі побудовано на основі змішувальних камер із зниженою у 4 рази висотою хвилеводу, що дозволило отримати широку смугу їх робочих частот. Але, як видно з рис. 8, наші розробки практично не поступаються зарубіжним системам за шумовою температурою у смузі частот від 85 до 115 ГГц. При цьому шумова темпе-ратура у центрі робочо-го діапазону приблизно в 1,5 рази нижча. Такі результати досягнуті завдяки покращенню характеристик кожного окремого елемента приймачів. Втрати у диплексері знижено за рахунок скорочення довжини його сигналь-ного тракту. Затухання на вході змішувачів зменшено завдяки використанню стан-дартного хвилеводу і хвилеводу із частково зниженою висотою. Оптимізація роботи ДБШ у складі змішувальних камер дозволила отримати в експерименті втрати перетворення діода Д5 (=1,4±0,1 дБ) близькі до розрахованих. Також суттєву роль у зниженні шумів приймачів в цілому відіграло використання розробленого в РІ НАН України малошумливого підсилювача проміжних частот на НЕМТ.

В результаті досліджень у широкому інтервалі температур параметра ВАХ високолегованого діода Д5 було встановлено, що цей параметр, який визначає шуми ДБШ, знижується лише до ~ 17 мВ при охолодженні діода до 20 К. При використанні Д5 у кріогенному змішувачі 3-мм діапазону це дало шумову температуру ДБШ у робочому режимі ~ 110 К при 20 К, що більш ніж у два рази вище шумової температури, яку було реалізовано раніше у кращих попередніх розробках приймачів на діодах з бар’єром Шотткі зі зниженою концентрацією носіїв заряду (“кріогенних” діодах). Але отримані нами низькі втрати перетворення діода Д5 (=1,5 дБ) за рахунок його високої критичної частоти дозволили досягти шумових характеристик приймача 3-мм діапа-зону при 20 К, які практично не відріз-няються від харак-теристик кращих зраз-ків приймачів на “кріогенних” діодах (див. рис. 9). Отри-маний результат змінює поширений раніше пог-ляд про необхідність використання в кріо-генних змішувачах мі-ліметрового діапазону тільки ДБШ зі зни-женою концентрацією носіїв заряду.

У Висновках сформульовано основні результати дисертаційної роботи.

ВИСНОВКИ

У дисертації наведено результати досліджень граничних втрат перетворення і шумових характеристик ДБШ з високою критичною частотою (? 4 ТГц), умов та способів їх реалізації у змішувачах 3-мм діапазону з метою створення приймальних систем з рекордною чутливістю. Для цього у роботі було вирішено ряд науково – практичних задач.

Розроблено методику пошуку оптимального типу ДБШ для заданого діапазону частот на основі уточненої моделі змішувача міліметрового діапазону на ДБШ, яку побудовано з використанням методу еквівалентних схем. Відповідність схеми змішувача експериментальним зразкам підтверджено результатами досліджень частотних характеристик випрямленого струму діода у 3-мм діапазоні. Визначено оптимальний для цього діапазону тип ДБШ і розраховано в залежності від потужності гетеродина його мінімально досяжні втрати перетворення та умови їх реалізації в складі змішувача (напруга зміщення і робочий струм діода).

Вперше вирішено проблему узгодження на вході в широкій смузі частот змішувача 3-мм діапазону на ДБШ без використання зовнішнього трансформатора імпедансів (переходу від хвилеводу стандартних розмірів до хвилеводу зі зниженою висотою). Такі переходи традиційно підключалися на вхід змішувача у попередніх розробках, що збільшувало омічні втрати у його хвилеводному тракті. В роботі запропоновано нову конструкцію змішувача на основі стандартного хвилеводу, в якій необхідну трансформацію вхідних імпедансів реалізовано в місці розташування ДБШ шляхом введення додаткових елементів узгодження в електродинамічну систему. Це дозволило оптимізувати роботу різних типів ДБШ при мінімально можливому затуханні у вхідному тракті змішувача.

На основі проведених досліджень високолегованих ДБШ у широкому інтервалі температур доведено ефективність їх використання у кріогенних змішувачах міліметрового діапазону. Раніше вважалось недоцільним використовувати високолеговані діоди за низьких температур через порівняно високий рівень їх шумів. За рахунок високої критичної частоти таких діодів у роботі реалізовано низькі втрати перетворення змішувача 3-мм діапазону, що дозволило отримати його шумову температуру при 20 К близьку до досягнутої раніше в змішувачах на “кріогенних” (зі зниженою концентрацією носіїв заряду) ДБШ.

Проведення досліджень ДБШ при різних температурах, розробка нових конструкцій змішувачів і оптимізація їх роботи у складі приймача дозволили створити ряд приймальних систем 3-мм діапазону з рекордною чутливістю. За кімнатної температури отримано двосмугову (DSB) шумову температуру приймача 190 К, що у 1,5 рази менше шумової температури кращих зразків приймальних систем на ДБШ, розроблених раніше. В кріогенному приймачі зі змішувачем на високолегованому ДБШ реалізовано DSB шумову температуру 55 К, що не гірше значень шумової температури, отриманих раніше в приймачах 3-мм діапазону на “кріогенних” ДБШ.

На основі отриманих у роботі результатів в РІ НАН України було створено високочутливі приймальні системи 3-мм діапазону на ДБШ, які використовуються для радіоастрономічних спостережень на радіотелескопі РТ-22, Крим, Україна та досліджень атмосфери, що ведуться у Технологічному Університеті, Ґетеборг, Швеція.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Подъячий В.И., Подъячий Д.В., Шульга В.М. Нелинейный анализ смесителей миллиметрового диапазона на диодах с барьером Шоттки // Радиофизика и радиоастрономия. – 2006. – Т. 11, № 1. – С. 88-99.

2. Piddyachiy V.I. and Peskovatskii S.A. A broad-band low-noise Schottky diode full-height waveguide mixer from 80 to 115 GHz // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 2003. – Vol. 24, № 1. – P. 43-54.

3. Piddyachiy V.I., Korolev A.M., and Shulga V.M. A very low-noise integrated 3mm-wave Schottky diode mixer and PHEMT IF amplifier // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 2005. – Vol. 26, № 10. – P. 1381-1388.

4. Еру И.И., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Криогенные смесители коротковолновой части миллиметрового диапазона // Распространение и дифракция радиоволн в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах. – К.: Наукова думка, 1984. – С. 259-266.

5. Piddyachiy V.I., Shulga V.M., Korolev A.M., and Myshenko V.V. High doping density Schottky diodes in the 3mm wavelength cryogenic heterodyne receiver // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 2005. – Vol. 26, № 9. – P. 1307-1315.

6. Подъячий В.И., Сулима В.С. Смеситель миллиметрового диапазона // Вопросы радиоэлектроники. Сер. Общие вопросы радиоэлектроники. – 1988. – Вып.2. – С. 107-109.

7. Forkman P.M., Piddyachiy V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V., and Shulga V.M. An uncooled very low noise Schottky diode receiver front-end for middle atmospheric ozone and carbon monoxide measurements // Int. J. Infrared Millimeter Waves. – 2006. – Vol. 27, № 1. – P. 25-35.

Результати дисертації додатково висвітлено в таких працях:

8. Forkman P.M., Shulga V.M., Piddyachiy V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V. Uncooled low noise frontend of the receiver system for ground-based monitoring of stratospheric ozone and carbon monoxide // Proceedings of the Fifth International Kharkov Simposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter, and Submillimeter Waves. – Kharkov (Ukraine), 2004. – Vol. 2. – P. 886-888.

9. Peskovatskii S.A., Shulga V.M., Piddyachiy V.I., Korolev A.M., Myshenko V.V., Antufeyev A.V., Lavrik I.V. A Criogenic 3mm Schottky diode mixer receiver // Proceedings of the Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves”. – Kharkov (Ukraine), 2001. – Vol. 2. – P. 741-743.

10. Peskovatskii S.A., Korolev A.M., Myshenko V.V., Myshenko A.V., Piddyachiy V.I. Ultra-stable Peltier-cooled low-noise 3-mm-wave band receiver // Proceedings of the Fourth International Kharkov Simposium “Physics and Engineering of Millimeter and Sub-Millimeter Waves”. – Kharkov (Ukraine), 2001. – Vol. 2. – P. 738-740.

11. Еру И.И., Королев А.М., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Малошумящее входное устройство радиоастрономического приемника 3-мм диапазона // Тезисы докладов XVII Всесоюзной конференции “Радиоастрономическая аппаратура”. – Ереван, 1985. – С. 141-142.

12. Шульга В.М., Подъячий В.И., Королёв А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В. Сверхмалошумящий приёмник со смесителем на диоде с барьером Шоттки диапазона частот 85-115 ГГц // Материалы 13-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. - Севастополь (Украина), 2003. – С. 195-197.

13. Королёв А.М., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Малошумящий охлаждаемый приёмник 3-мм диапазона // Тезисы докладов XXI Всесоюзной конференции “Радиоастрономическая аппаратура”. – Ереван, 1989. – С. 125-126.

14. Князьков Л.Б., Королев А.М., Мышенко В.В., Песковацкий С.А., Подъячий В.И., Шульга В.М. Квантовый усилитель в радиометре 3 мм диапазона // Тезисы докладов XXI Всесоюзной конференции “Радиоастрономическая аппаратура”. – Ереван, 1989. – С. 130-131.

15. Князьков Л.Б., Королёв А.М., Мышенко В.В., Песковацкий С.А., Подъячий В.И., Шульга В.М., Зинченко И.И., Штанюк А.М., Нестеров Н.С. Высокочувствительный радиоспектроскопический комплекс 3-мм диапазона // Тезисы докладов межведомственной научно-технической конференции “Приборы, техника и распространение ММ, СБМ волн”. – Харьков, 1992. – С. 72.

16. Зубрин С.Ю., Антюфеев А.В., Королёв А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В., Подъячий В.И., Шульга В.М. Радиоспектрометр диапазона частот 85…115 ГГц для наблюдения мазерных линий на РТ-22 // Материалы 16-й Международной Крымской конференции “СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”. – Севастополь (Украина), 2006. – С. 944-945.

АНОТАЦІЯ

Піддячий В.І. Високоефективне перетворення частоти на діодах з бар'єром Шотткі та малошумливі приймачі міліметрового діапазону. – Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.01 – фізика приладів, елементів і систем. – Харківський національний університет імені В.Н. Каразіна, Харків, 2006.

Дисертацію присвячено дослідженням процесу перетворення частоти на сучасних високолегованих діодах з бар'єром Шотткі та створенню на їх основі приймальних систем 3-мм діапазону з рекордною чутливістю. Визначено оптимальний для 3-мм діапазону тип ДБШ, обчислено його мінімально досяжні втрати перетворення та умови їх реалізації в змішувачі. Запропоновано нову конструкцію змішувальної камери 3-мм діапазону, на основі якої створено приймач з рекордною шумовою температурою (=190 К при кімнатних температурах). Отримано шумову температуру кріогенного приймача 3-мм діапазону зі змішувачем на високолегованому ДБШ =55 К, що довело ефективність використання таких діодів при кріогенних температурах. На основі отриманих результатів створено високочутливі приймальні системи 3-мм діапазону, які використовуються на радіотелескопі РТ-22 (Крим, Україна) та у складі радіометричного комплексу Технологічного Університету (Ґетеборг, Швеція).

Ключові слова: діод з бар'єром Шотткі, міліметровий діапазон, критична частота, змішувач, приймач, шумова температура.

АННОТАЦИЯ

Подъячий В.И. Высокоэффективное преобразование частоты на диодах с барьером Шоттки и малошумящие приемники миллиметрового диапазона. – Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.01 – физика приборов, элементов и систем – Харьковский национальный университет имени В.Н. Каразина, Харьков, 2006.

Диссертация посвящена исследованиям процесса преобразования электромагнитных волн миллиметрового диапазона на современных высоколегированных диодах с барьером Шоттки (ДБШ) с высокой критической частотой, определению их минимально достижимых потерь преобразования в составе смесителей 3-мм диапазона и созданию на основе последних приемных систем с максимально возможной чувствительностью.

На основе уточненной модели смесителя миллиметрового диапазона, построенной с использованием метода эквивалентных схем,