автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Микроэлектронный и оптоэлектронный принципы построения полупроводникового преобразователя частоты сверхвысокочастотного диапазона

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Специальность: 05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

9 013 2072

Москва 2012

005010580

005010580

Работа выполнена в объединенной научно-исследовательской лаборатории «Сверхвысокочастотные оптоэлектронные устройства» Федерального государственного бюджетного образовательного учреждении высшего профессионального образования "Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики".

Научный руководитель:

Официальные оппоненты:

Ведущая организация:

доктор физ-матнаук, профессор

ФЕТИСОВ Юрий Константинович

доктор технических наук, профессор

МЕЛЬНИКОВАлександр Александрович кандидат физ-мат наук, старший научный сотрудник ШЕЛЯКОВАлександр Васильевич

ФГУП «НПП «Исток», г. Фрязино

Защита состоится "28" февраля 2012 г. в а. часов на заседании диссертационного совета Д212.131.02 при Московском государственном техническом университете радиотехники, электроники и автоматики по адресу: 119454 г. Москва, пр. Вернадского, д. 78.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке Московского государственного технического университета радиотехники, электроники и автоматики.

Автореферат разослан"_____" января 2012 г.

Ученый секретарь диссертационного совета, кандидат технических наук, доцент

Вальднер В.О.

Общая характеристика работы

Актуальность темы. Преобразователи частоты представляют собой ключевой узел передающих и приемных устройств современных радиосистем и во многом определяют их общие техническо-экономические характеристики [1]. Настоящая диссертационная работа посвящена совершенствованию принципов построения преобразователей частоты с помощью традиционного микроэлектронного и сравнительно нового оптоэлектронного подходов.

В рамках микроэлектронного подхода наиболее перспективными преобразователями частоты в диапазоне сверхвысоких (СВЧ) и крайне высоких частот (КВЧ) являются так называемые резистивные смесители с субгармонической накачкой (СГН) [2], которые могут быть реализованы в виде монолитных интегральных схем (МИС).

Общими достоинствами резистивных смесителей на основе арсенид-галлиевых гетероструктурных полевых транзисторов (ГПТ) являются высокая линейность, практически нулевой ток потребления, отсутствие дробовых шумов, увеличенная развязка входов и выходов по сравнению с активными вариантами. Кроме того, применение схемы с СГН позволяет улучшить технико-экономические показатели устройства за счет снижения требуемой частоты гетеродина в два раза.

Монолитные интегральные схемы смесителей с СГН до сих пор не производятся отечественной электронной промышленностью, хотя они уже освоены рядом известных мировых производителей. Однако в производимых ими МИС повсеместно применена более простая схема с использованием активных элементов в диодном включении, что увеличивает потери преобразования, уменьшает порог линейности и ухудшает уровень развязки между входами и выходом смесителя.

Второй путь совершенствования преобразователей частоты состоит в использовании технологий СВЧ оптоэлектроники. Принципиальным достоинством оптоэлектронных преобразователей частоты (ОЭПЧ) считается предельная широкополосность, недостижимая для традиционных транзисторных и диодных преобразователей частоты СВЧ диапазона. Тем не менее, вследствие высоких потерь преобразования, ОЭПЧ пока не могут конкурировать с существующими преобразователями частоты в микроэлектронном исполнении.

В настоящее время, исследования ОЭПЧ носят в основном экспериментальный характер. В частности отсутствуют: теоретическая модель функционирования ОЭПЧ, детальный анализ оптимальных принципов построения, достижимых характеристик и конкретных вариантов применения ОЭПЧ, что ограничивает их внедрение в современную аппаратуру телекоммуникационного и радиолокационного назначения.

Нелыо диссертационной работы является совершенствование принципов построения, методов и процессов моделирования и разработки полупроводниковых преобразователей частоты СВЧ диапазона с использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового оптоэлектронного подходов.

Цель данной работы достигается решением следующих основных задач:

- Анализ принципов построения и современных требований к микроэлектронным и оптоэлектронным преобразователям частоты СВЧ диапазона;

- Разработка модели гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме;

- Моделирование принципиальных схем, расчет и сравнение основных характеристик смесителя с накачкой на двукратной частоте гетеродина в диодном и транзисторном включениях активных элементов;

- Разработка аналитической и бесструктурной моделей и моделирование динамических характеристик полупроводникового лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ диапазоне;

- Моделирование динамических характеристик оптоэлектронного преобразователя частоты СВЧ сигналов с оптимизацией по критерию произведения потерь преобразования на требуемую мощность гетеродина;

- Макетирование разработанных устройств и экспериментальная проверка теоретических результатов, полученных в работе;

- Изучение путей применения исследованных устройств в информационно-телекоммуникационных системах следующих поколений.

Методы исследования. В ходе моделирования микроэлектронного преобразователя частоты использовались классические методы анализа линейных и нелинейных цепей СВЧ диапазона, в частности, волновой подход и итерационный метод гармонического баланса. Анализ характеристик преобразования нелинейного узла оптоэлектронного преобразователя частоты - полупроводникового лазерного излучателя проводился тем же методом гармонического баланса в частотной области, а также путем решения системы нелинейных скоростных уравнений во временной области с помощью BDF-метода (Backward Differentiation Formula).

Научная новизна. К основным новым научным результатам, полученным в ходе исследований по теме диссертации, относятся:

1. Уточненная модель гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме, обеспечивающая корректное описание его работы в миллиметровом диапазоне волн.

2. Бесструктурная компьютерная модель поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором схемотехнического уровня, пригодная для использования при проектировании устройств СВЧ оптоэлектроники и аппаратуры аналоговых волоконно-оптических систем.

3. Аналитическая модель лазера в режиме прямой модуляции сверхбольшим сигналом и методика определения возникновения эффекта удвоения периода с использованием метода фазовой плоскости.

4. Объектно-ориентированная модель оптоэлектронного смесителя частот СВЧ сигналов.

5. Методика анализа области эффективного размножения частот в режиме модуляции лазера сверхбольшим сигналом.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Развиты принципы моделирования и проектирования преобразователей частоты СВЧ диапазона на базе микроэлектронного и оптоэлектронного подходов.

2. Разработаны и исследованы монолитные резистивные смесители с субгармонической накачкой миллиметрового диапазона волн на основе гетероструктурных полевых транзисторов в различных вариантах включения активных элементов и проведено их прямое сравнение.

3. Реализованы и исследованы макеты оптоэлектронных преобразователей частоты 8- и Х-диапазонов на базе лазеров с поверхностным и торцевым излучением.

4. Реализован и исследован макет оптоэлектронного размножителя частот СВЧ диапазона. Предложен вариант его практического применения в современных системах волоконно-эфирной структуры, позволяющий существенно упростить схему базовой станции и снизить стоимость оборудования.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанная уточненная модель ГПТ в пассивном режиме позволяет проводить корректное моделирование резистивного смесителя в диапазоне свыше 10 ГГц.

2. Разработанный в рамках микроэлектронного подхода резистивный смеситель с субгармонической накачкой позволяет улучшить эффективность преобразования, расширить полосу и повысить порог линейности более чем на 10 дБ по сравнению с зарубежными аналогами.

3. Разработанные в рамках оптоэлектронного подхода бесструктурная модель поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором и методика быстрой экстраполяции параметров эквивалентной схемы, позволяют ускорить процесс проектирования передающей аппаратуры современных систем телекоммуникации и радиолокации.

4. Оптоэлектронный преобразователь частоты с прямой модуляцией поверхностно-излучающего лазера обеспечивает эффективность преобразо-

вания на 15-20 дБ выше по сравнению с преобразователями, использующими внешний оптический модулятор, и при одинаковых потерях требуется на 14 дБ меньшая мощность гетеродина по сравнению с преобразователем на базе лазера с торцевым излучением.

5. Использование эффекта удвоения периода огибающей оптического излучения при прямой модуляции лазера сверхбольшим сигналом дает возможность создать новое устройство: оптоэлектронный размножитель частот СВЧ диапазона.

Внедрение результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы при выполнении НИР в ИСВЧПЭ РАН, а также вошли состав 7-ми отчетов по НИР в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» и ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», выполненных в Объединенной научно-исследовательской лаборатории «Сверхвысокочастотные и оптоэлектронные устройства» МГТУ МИРЭА.

Полученные результаты также использовались в учебном процессе МГТУ МИРЭА при проведении лабораторных практикумов в рамках программы Роснано опережающей профессиональной переподготовки, ориентированной на инновационные проекты по созданию индустрии волоконного лазеростроения.

Апробация работы. Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях: International Conference “Functional Materials” - 2009; 52-я научная конференция МФТИ - 2009; 59-я научно-техническая конференция МИРЭА -2010; IEEE 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications - 2010; IX-я Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» -2010; Российско-Швейцарский семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения» - 2011; научный семинар лаборатории стандартов частоты отдела квантовой радиофизики ФИАН им. П.Н. Лебедева - 2011; European Semiconductor Laser Workshop - 2011; IEEE Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems - 2011.

Публикации и личный вклад автора. По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 6 статей в ведущих российских и зарубежных журналах, входящих в перечень научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ, и 5 докладов в сборниках трудов российских и международных конференций. Также по теме диссертации подана заявка на изобретение и заявка на регистрацию топологии микросхемы. Все результаты диссертационной работы

получены автором лично или в соавторстве, о чем свидетельствует приведенный ниже список публикаций по теме диссертации.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 178 страниц машинописного текста, включая 15 таблиц, 116 рисунков, 94 наименования библиографии.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Фетисову Ю.К. за помощь и поддержку и своему отцу Белкину М.Е. за терпение и неоценимую помощь в подготовке материала и проведении исследований.

Основное содержание работы

Во введении кратко обоснована актуальность выбранной темы, описано современное состояние рассматриваемого научного направления, сформулированы цели и задачи исследования, приведены сведения о публикации результатов диссертационных исследований автора, а также краткие сведения об их применении.

Первая глава посвящена анализу основных принципов построения и тенденций развития преобразователей частоты СВЧ диапазона. Среди них основными считаются продвижение в миллиметровый и терагерцевый диапазоны, монолитное микроэлектронное исполнение, расширение рабочей полосы частот, уменьшение требуемой мощности гетеродина, увеличение порога линейности и уровней развязки между входами и выходом. Приведена система ключевых показателей и их значения, которым должны удовлетворять современные преобразователи частоты СВЧ диапазона.

В результате анализа публикаций по микроэлектронным смесителям в зарубежных журналах и материалов конференций по СВЧ тематике, а также продукции известных мировых производителей СВЧ устройств установлено, что в наибольшей степени приведенным тенденциям удовлетворяет резистивный смеситель с накачкой на двойной частоте гетеродина. Тем не менее, ввиду использования преимущественно более простого варианта построения смесителей - на двух транзисторах, включенных в диодном режиме (с закороченным стоком и истоком), современные требования по уровням развязки и линейности в большинстве случаев не выполняются.

В качестве альтернативного подхода рассмотрены общие принципы построения и ожидаемые перспективы развития оптоэлектронных преобразователей частоты (ОЭПЧ) СВЧ сигналов. Основным достоинством ОЭПЧ считается широкополосность, принципиально не достижимая для традиционных транзисторных преобразователей частоты СВЧ диапазона, а основным недостатком - существенно большие потери преобразования. На основе анализа имеющихся в литературе примеров построения ОЭПЧ сделан и обоснован выбор оптимальной по технико-экономическим показателям

схемы. В данном варианте преобразование частоты происходит на нелинейности ватг-амперной характеристики полупроводникового лазерного излучателя (ПЛИ). Обобщенная структурная схема выбранного типа ОЭПЧ показана на рис. 1. Данная схе-

ВходСВЧ ...¡Сумматор]

сигнала .¡мощности!

ма обладает наибольшим уровнем нелинейности характеристики электрооптическо-го преобразования и, следовательно, обеспечивает его наибольшую эффективность. Кроме того, она имеет лучшие экономические характеристики и может быть исполнена в виде МИС, что делает ее наи

Лазер

Г стеродин

Выход СВЧ сигнала

Фильтр]-

J Фотоде 1 1 тсктор

Рис. 1. Структурная схема ОЭПЧ СВЧ сигналов с использованием нелинейности характеристики лазера

более перспективной. Проведенный анализ современного уровня развития ОЭПЧ выявил необходимость разработки специфичных моделей и методик расчета и проектирования как ПЛИ, так и ОЭПЧ в целом.

В главе 2 рассматривается первый из исследуемых в рамках настоящей работы «микроэлектронный» подход к совершенствованию принципов построения преобразователя частоты СВЧ диапазона: применение резистивного смесителя диапазона КВЧ с накачкой на двукратной частоте гетеродина. Для моделирования описанных в гл. 1 схем построения и анализа их основных характеристик используется распространенная система автоматизированного проектирования (САПР) компонентов и устройств СВЧ диапазона AWR Microwave Office. Расчеты параметров смесителя проводились в режиме большого сигнала с использованием реализованного в данной САПР итерационного метода гармонического баланса. Для корректного моделирования с помощью данного программного продукта параметров и характеристик используемого в качестве нелинейного элемента гетероструктурного полевого транзистора (ГПТ) была разработана уточненная модель ГПТ, пригодная для анализа резистивного смесителя КВЧ диапазона.

По результатам сравнения имеющихся в библиотеке моделей транзисторов за основу была выбрана модель Иланда, поскольку она обладает симметричными вольт-амперными характеристиками (ВАХ) для прямого и обратного токов стока, что необходимо для работы резистивного смесителя. Однако данная модель имеет ограничение по частоте до 10 ГГц [3] из-за пренебрежен™ влиянием изменения емкости затвор-исток, особенно в случае работы в режиме большого сигнала. Для анализа на основе модели Иланда схемы миллиметрового диапазона была разработана уточненная модель ГПТ, снимающая данное ограничение благодаря добавлению нели-

нешюи эквивалентнои емкости, включенной параллельно цепи затвора транзистора. Таким образом, удалось обеспечить корректность расчета характеристик ГПТ в режиме большого сигнала при сохранении симметричности вольт-амперных характеристик модели транзистора и точности моделирования в режиме малого сигнала, что необходимо при проектировании резистивного смесителя в миллиметровом диапазоне волн.

На базе предложенной модели ГПТ, основываясь на выводе гл. 1 об отсутствии данных по прямому сравнению вариантов построения схемы МИС резистивных смесителей КВЧ диапазона с накачкой на ДЧГ, проведены работы по их моделированию в различных включениях активного элемента - диодном и транзисторном. В обоих вариантах смесителя использована одна и та же модель активного элемента, построенная на основании данных измерения характеристик разработанного ИСВЧПЭ РАН ваАз ГПТ с двухсекционным затвором длиной порядка 0,15 мкм и шириной каждой секции 75 мкм. Проведенное моделирование позволило сравнить основные характеристик различных схем смесителей, а топологическое проектирование - оценить их возможные габариты. Показано, что основным достоинством диодного варианта включеній является простота схемы и малые габариты. Транзисторный вариант обладает в большинстве случаев лучшими характеристиками, а так же возможностью подстройки параметров в процессе эксплуатации с помощью регулирования напряжения на затворе.

-р Выход ;} ....

Входной

сигнал

ІН*

;:01.

і і

и fJ

. І! Й "1” а‘

Е

ІІІ :

Гетеродин

а) + б)

Рис. 2. Принципиальная схема (а) и топология (б)

МИС резистивного смесителя КВЧ диапазона

По результатам сравнительного анализа были разработаны усовершенствованная принципиальная схема (рис. 2, а) и топология (рис. 2, б) МИС транзисторного смесителя с ДЧГ миллиметрового диапазона. Проектирование проводилось с помощью САПР Microwave Officee при использовании ГПТ фирмы UMS, Франция для частоты входного сигнала 38 ГГц, частоты гетеродина 18 ГГц и частоты выходного сигнала 2 ГГц. Для повышения линейности смесителя применен ГПТ с четырехсекционным затвором длиной 0,25 мкм и шириной

Г а, ..¿Ґ і: ~,уй

каждой секции 75 мкм. На рис. 2, б обозначено местоположение входов гетеродина «LO», ВЧ сигнала «RF» и выхода «IF». Проектирование проводилось для МИС на GaAs подложке толщиной 100 мкм, габаритные размеры составили 1,4x2,4 мм2. Для обеспечения надежного соединения со слоем экрана на обратной стороне микросхемы в соответствующих точках МИС предусмотрены переходные металлизированные отверстия диаметром 80 мкм; размеры вводных площадок — 100x100 мкм2.

Для иллюстрации результатов проектирования на рис. 3 приведена рассчитанная характеристика основного параметра качества преобразователя частоты - эффективности преобразования.

Видно, что максимум эффективности достигается вблизи частоты 38 ГГц и составляет около -11 дБ.

В главе 3 рассматривается второй из исследуемых в рамках настоящей работы «оптоэлектронный» подход к совершенствованию принципов построения преобразователя частоты СВЧ диапазона, а именно применение оптоэлектронного преобразователя частоты (ОЭПЧ) СВЧ сигналов. Согласно выбранной в первой главе структурной схеме ОЭПЧ, прежде всего, проводится моделирование характеристик лазерного излучателя, как основного нелинейного элемента ОЭПЧ, определяющего ключевые параметры устройства. Основываясь на известных преимуществах поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором (VCSEL), а также на том, что модель лазера для ОЭПЧ должна корректно работать как в режиме малого так и большого сигнала, для его реализации предлагается и описывается новая бесструктурная модель VCSEL. Данная модель основана на известном подходе Такера и состоит из двух секций: линейной цепи и нелинейного эквивалентного преобразователя (НЭП) тока в напряжение. Последний содержит управляемый напряжением источник тока и преобразователь в виде таблицы соответствия, куда заносятся данные измерений ватт-амперной характеристики лазера. Реализация линейной секции модели VCSEL в виде физической эквивалентной схемы (ФЭС) в программе AWR Microwave Office показана на рис. 4.

Рис. 3. Частотная зависимость эффективности преобразования микроэлектронного смесителя

і/ TL >_ГУ~У^Л_[

Измерительная

камера

Измерительный

фотодетектор

Рис. 4. Физическая эквивалентная схема линейной секции модели VCSEL Основное преимущество ФЭС - каждый элемент имеет ясную физическую интерпретацию. В частности, Сри Rp описывают емкость и потери в контактной площадке кристалла, Rs - последовательное сопротивление, Rj и Cj - сопротивление и емкость гетероперехода, Ro - потери на зеркалах, 10 -эффект накопления фотонов. Данная схема подобна известному малосигнальному представлению [6], но с целью оценки влияния соединительных проводников от анодного и катодного контактов дополнительно введены индуктивные элементы £w 1 и Iw2. Для определения реальной, а не нормированной, частотно-модуляционной характеристики (ЧМХ), в ФЭС введен идеальный управляемый током ис-

точник напряжения С С ¥8.

Экстракция параметров схемы проводилась пошаговым методом путем сравнения рассчитанных и измеренных характеристик:

- измерительной камеры без лазера;

- измерительной камеры с установленным образцом лазера с закороченной активной областью;

- измерительной камеры с рабочим образцом лазера.

На основе сравнения проводился последовательный подбор значений элементов ФЭС при разных токах лазера.

Рис. 5 демонстрирует хорошее совпадение рассчитанных и измеренных характеристик КСВН и ЧМХ разработанной модели и реального лазера.

р -

- - - 5 мА

- - 7 мА

9 мА

-Л .1^

0.1

1 Частота, ГГц 10

. -30

—‘ -35 и

-40

-45

-50

5 мА

7 мА

9 мА

ч

■V

—1_М

0.1

і,

Частота, ГГц Рис. 5. Рассчитанные (линии) и измеренные (точки) частотные зависимости КСВН и ЧМХ УСБЕЬ

10

Для обеспечения эффективного использования модели при любом рабочем токе VCSEL по окончанию процедуры экстракции проводилась полиномиальная аппроксимация зависимости параметров ФЭС от тока смещения. Полученные данные согласуются с результатами малосигнального моделирования VCSEL других конструкций [5, 6]. На базе разработанной бесструктурной модели VCSEL был проведен ряд модельных экспериментов. В частности, были рассчитаны интермодуляционные искажения, линейность и другие параметры режима большого сигнала.

С использованием моделей лазера и идеального p-i-n фотодиода рассчитаны параметры схемы ОЭПЧ рис. 1. Для входного сигнала с частотой f=1 ГГц и мощностью Рс=~20 дБм и сигнала гетеродина с частотой.£=1,5 ГГц и мощностью Рг=6 дБм мощность выходного сигнала на частоте 2,5 ГГц составила -55 дБм, что соответствует потерям преобразования 35 дБ.

Ввиду того, что данная модель не учитывает ряд специфических особенностей функционирования реального полупроводникового лазера, в частности, температурные и рекомбинационные эффекты, задержку включения, шумы спонтанного излучения, моделирование характеристики преобразования ОЭПЧ было выполнено в специализированной оптоэлектронной САПР VPItransmission Maker при тех же параметрах входного и гетеродинного сигналов.

На рис. 6 приведен спектр сигналов на выходе ОЭПЧ в отсутствие выходного фильтра. Эффективность преобразования составила порядка -36 дБ, что подтверждает корректность модели, разработанной в программе AWR Microwave Office.

Также в VPItransmission Maker было проведено моделирование работы ОЭПЧ на основе лазера с торцевым излучением в диапазоне до 25 ГГц. Значение эффективности преобразования осталось примерно на том же уровне, что подтверждает тезис о принципиальной широкополосности ОЭПЧ.

В заключительном параграфе главы рассмотрен оптоэлектронный размножитель частот (ОЭРЧ), использующий известный в лазерной физике эффект удвоения периода огибающей оптического излучения [7] при модуляции лазера мощным гармоническим сигналом. Эффект приводит к возникновению на выходе ОЭРЧ дополнительных сигналов с половинной и комбинационными частотами.

Рис. 6. Спектр сигналов на выходе ОЭПЧ с использованием нелинейности VCSEL

Предварительное моделирование показало, что эффективное удвоение периода возникает в ограниченном диапазоне токов смещения, мощностей и частот модулирующего сигнала. В связи с этим на первом шаге исследований была разработана аналитическая модель VCSEL на базе одномодовых скоростных уравнений в программном пакете MathCAD. При расчетах использовались геометрические, электро-и оптико-физические параметры реального лазерного кристалла. Критерием наблюдения эффекта было выбрано отличие мощности выходного сигнала на основной частоте модуляции от мощности сигнала на половинной и полуторной частотах не более чем на 10 дБ. На рис. 7 показана рассчитанная область наблюдения эффекта в координатах: индекс токовой модуляции (отношение максимального значения амплитуды тока к току

Индекс модуляции Рис. 7. Область наблюдения эффекта размножения периода

3 4 5 6 7

Частота, ГГц Рис. 8. Спектр сигнала на выходе ОЭРЧ

смещения) - нормированная частота (на собственную релаксационную частоту лазера). Полученные значения согласуются с приведенными в [7] аналогичными данными для лазера с объемной активной областью.

На втором шаге было проведено моделирование работы ОЭРЧ сигналов СВЧ диапазона с помощью САПР УРШапвпшзюп Макег. На рис. 8 показан рассчитанный спектр сигнала на выходе ОЭРЧ при частоте входного сигнала /т=3 ГГц и мощности 1 мВт.

Видно, что мощности сигналов на половинной (0,5/т) и полуторной (1,5/щ) частотах примерно равны мощности сигнала на модулирующей частоте (/т). Потери двукратного понижающего и 1,5-кратного повышающего преобразования составляют около 40 дБ. Моделирование показало, что в области наблюдения эффекта потери преобразова-

Рис. 9. Внешний вид макета микроэлектронного смесителя

ния на ооеих выходных частотах ОЭРЧ были близки и находились в диапазоне 35...45 дБ.

Глава 4 посвящена макетированию и экспериментальному исследованию рассматриваемых преобразователей частоты. На рис. 9 приведена фотография макета смесителя с установленной МИС, а на рис.

10 - макета ОЭПЧ/ОЭРЧ. На рис. 10 обозначены: 1 - сумматор мощности (исключается Рис. 10. Общий вид макета ОЭПЧ

для макета ОЭРЧ), 2 - лазерный модуль, 3 - отрезок волокна с микролинзой, 4 - фотодетектор, 5 - адаптер ввода питания лазера. Исследования характеристик макетов преобразователей частоты выполнялись на общем испытательном стенде, включающем в себя генераторы СВЧ сигналов, анализатор спектра, векторный анализатор цепей, цифровой осциллограф и др. измерительную аппаратуру.

а) гзч’ГГи о) р3,^Бм

Рис. 11. Характеристики макета микроэлектронного смесителя

На рис. 11 для микроэлектронного смесителя приведены измеренные

зависимости эффективности преобразования Е: а - от частоты входного сигнала при постоянной частоте сигнала промежуточной частоты; б - от мощности входного сигнала. Из графиков видно, что полоса разработанного смесителя составляет более 17 ГГц, а линейность по уровню -1 дБ превышает 13 дБм.

В макете оцгоэлектронного преобразователя ис- „ ,, п „

г ^ Рис. 12. Внешнии

пользовались макеты лазерного модуля на базе УС8ЬЦ , , 1 вид макета

фотография одного из вариантов которого приведена

, „ тт , лазерного модуля

на рис. 12. Для лазерного модуля были проведены из-

Рис. 13. Частотная характеристика макета ОЭПЧ

мерения динамических характеристик во временной и частотной областях. Результаты измерения последних представлены на рис. 5 вместе с расчетными данными.

На рис. 13 показана измеренная зависимость эффективности преобразования ОЭПЧ от частоты. Из графика видно, что потери преобразования составили порядка 37 дБ при частоте выходного сигнала 2,5 ГГц, что хорошо согласуется с расчетами.

В главе 5 для разработанных трех типов преобразователей частоты СВЧ диапазона проведено сравнение результатов моделирования о результатами измерений, сравнение данных экспериментальных исследований с аналогичными данными устройств зарубежных разработок и сравнение исследованных в данной работе преобразователей друг с другом.

Сопоставление результатов моделирования и измерений показало корректность разработанных моделей. А сравнение с зарубежными аналогами продемонстрировало, что разработанные смесители по своим характеристикам находятся на современном мировом уровне.

Из проведенного анализа можно сделать вывод, что каждый из разработанных преобразователей частоты имеет свои характерные особенности. При этом оптоэлектронный преобразователь частоты по своим характеристикам (эффективности, линейности, массогабаритным показателям и т.д.) в настоящее время, безусловно, уступает микроэлектронному функциональному аналогу. Однако с развитием интегральной оптики и повышением частоты модуляции лазеров технико-экономические показатели преобразователей будут сближаться.

Шестая глава описывает примеры практического использования исследованных устройств в телекоммуникационной аппаратуре, в частности, совместного применения разработанных смесителя с субгармонической накачкой и оптоэлектронного размножителя частот в обратном канале базовой станции системы волоконно-эфирной

структуры, являющейся пер- С

кЦС- Г6~І ,5 - 4 і - Г з

спективной информационнотелекоммуникационной системой следующих поколений. Структурная схема предложенного варианта представлена на рис. 14. На схеме обо-

12 ГГц ВР5К 3 ГГц

■У'-

4,5 ГГц (1,5^) Рис. 14. Структурная схема обратного канала базовой станции

значено: 1 - антенна, принимающая модулированный СВЧ сигнал от абонента; 2 - смеситель с СГН; 3 - фильтр; 4 - усилитель; 5 - направленный ответвитель;

6 - лазер, ретранслирующий сигнал на центральную станцию (ЦС); 7 - ОЭРЧ;

8 - усилитель; 9 - схема восстановления несущей (стандартный элемент приемного тракта цифровой радиосистемы). Восстановленный в схеме 9 сигнал несущей подается на гетеродинный вход смесителя 2.

Предложенная схема позволяет значительно упростить структуру базовой станции и улучшить экономические характеристики ее оборудования за счет снижения требований к стабильности частоты местного гетеродинного сигнала.

Основные результаты работы:

1. Разработана уточненная модель гетероструктурного полевого транзистора, обеспечивающая корректное моделирование резистивного смесителя на частотах свыше 10 ГГц в режиме большого сигнала.

2. В рамках микроэлектронного подхода разработаны принципиальная схема и охраноспособная топология транзисторного резистивного смесителя с субгармонической накачкой миллиметрового диапазона в монолитном исполнении, изготовлен макет МИС смесителя. Сравнение рассчитанных и измеренных параметров смесителя подтвердило корректность разработанной схемы. Достигнутый уровень потерь преобразования соответствует современному мировому уровню, а порог линейности на

10 дБ выше, чем у зарубежных аналогов.

3. В рамках оптоэлектронного подхода для моделирования преобразователя частоты разработаны бесструктурная модель и методика быстрой экстраполяции параметров его нелинейного элемента - полупроводникового лазера типа УСЗЕЬ, позволяющие проводить эффективное проектирование устройств СВЧ оптоэлектроники в нелинейном режиме.

4. Разработана объектно-ориентированная модель оптоэлектронного преобразователя частоты СВЧ диапазона, пригодная для анализа с помощью специализированной оптоэлектронной САПР. В результате оптимизации получено значение произведения потерь преобразования (в разах) на требуемую мощность гетеродина 12,6 Вт, что в ~24 раза меньше, по сравнению с вариантом использования лазера с торцевым излучением.

5. На базе решения одномодовых скоростных уравнений определена область наблюдения эффекта удвоения периода для полупроводникового по-верхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором в координатах индекс токовой модуляции - нормированная частота модуляции лазера.

6. Впервые продемонстрировано использование эффекта удвоения периода при прямой модуляции лазера сверхбольшим сигналом для создания варианта преобразователя частоты, названного оптоэлектронным

размножителем частот СВЧ диапазона. Результаты моделирования характеристик устройства в специализированной оптоэлектронной САПР подтверждены данными экспериментальных исследований.

7. Сравнение микроэлектронного и оптоэлектронного подходов для совершенствования характеристик полупроводниковых преобразователей частоты СВЧ диапазона показало перспективность обоих направлений. Причем совместное применение исследованных подходов позволяет улучшить технико-экономические показатели современных телекоммуникационных систем, что было продемонстрировано на примере разработки охраноспособного способа построения базовой станции системы волоконно-эфирной структуры.

Список публикаций по теме диссертации:

1. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Исследование эффективности применения полупроводникового лазерного излучателя для передачи многоканального аналогового сигнала СВЧ диапазона// Нано- и микросистемная техника,- 2009.- №11- С. 32-37.

2. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Особенности построения резистивных смесителей диапазона крайне высоких частот// Электронная техника. Сер. 2 «Полупроводниковые приборы»,- 2010 - №1- С. 98-104.

3. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Исследование характеристики времени задержки включения поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором// Нано- и микросистемная техника,- 2010 - №11- С. 51-54.

4. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Бесструктурная модель поверхностно излучающего лазера с полосой модуляции в СВЧ диапазоне// Нано-и микросистемная техника,- 2011- №10 - С. 9-17.

5. Performances of Microwave-Band Analog Signal Transmission using Wafer-Fused Long Wavelength VCSELs/ Belkin L.M., Belkin M.E., Sigov A.S. et al.// IEEE Photonics Technology Letters.- 2011. -Vol. 23; No. 20 -p 1463-1465.

6. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Применение оптоэлектронного подхода для преобразования и размножения частот сигналов сверхвысокочастотного диапазона// Нано- и микросистемная техника - 2011.- №11 - С. 4-10.

7. Модель гетероструктурного полевого транзистора сверхвысокочастотного диапазона в пассивном режиме / Белкин Л.М. // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть V. Физическая и квантовая электроника. Том 1,- М.: МФТИ,- 2009,- С. 152-156.

8. Cost-Effective Millimeter Wave-to-Optical Conversion with Patch Antenna and MMIC Chipset for RoF’s Uplink / Белкин Л.М., Белкин М.Е.// Proceedings of IEEE 18 1 International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications”. - Vilnius, Lithuania. - 2010 - P. 369-372.

9. Исследование оптоэлектронного преобразователя частоты сигналов СВЧ диапазона / Белкин Л.М., Белкин М.Е.// Материалы IX научнотехнической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА».-М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова - 2010.- С. 68-72.

10. ECAD’s unstructured VCSEL modeling / Belkin L.M, Belkin M.E.// European Semiconductor Laser Workshop (ESLW-2011). - Lausanne, Switzerland. - 2011. - 3p.

11. Microwave-Band Optoelectronic Frequency Converters BasedDon Long Wavelength VCSELs / Belkin L.M., Belkin M.E., Loparev A.V. et al// The 3rd International IEEE Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (IEEE COMCAS 2011). - Tel-Aviv, Israel. - 2011. - 3p.

12. Белкин Л.М., Белкин M.E. Способ построения базовой станции волоконно-эфирной структуры и модуль для его осуществления. Заявка на изобретение. Per. №2011128089, зарег. 11.07.2011.

13. Белкин Л.М., Белкин М.Е., Зуев А.В. Резистивный смеситель с субгармонической накачкой КВЧ диапазона. Заявка на регистрацию топологии интегральной микросхемы № 2011630094 от 8.12.2011 г.

Список литературы

1. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи / Гассанов Л. Г., Липатов А. А. и др. - М.: Радио и связь, 1988. - 288 с.

2. Maas S.A. Nonlinear Microwave and RF Circuits. - Artech House, 2003.

3. A symmetrical nonlinear HFET/MESFET model suitable for intermodulation analysis of amplifiers and resistive mixers / K. Yhland, N. Rorsman, M. Garcia and H. F. Merkel// IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.- 2000.- V. 48, No 1.- p. 15-22.

4. A compact nonlinear equivalent circuit model and parameter extraction method for packaged high-speed VCSELs / Minoglou K., Kyriakis-Bitzaros E.D., Syvridis D., Halkias G. // IEEE Journal of Lightwave Technology.-2004,-V. 22, No. 12.-p.2823-2827.

5. Impedance characteristics and parasitic speed limitations of high-speed 850-nm VCSELs / Ou Y., Gustavsson J.S., Wetbergh P., et al.// IEEE Photonics Technology Letters.-2009-V. 21, No. 24.-p.l840-1842.

6. Electrical modeling of long-wavelength VCSELs for intrinsic parameters extraction/ Bacou A., Hayat A., Yakovlev V. et al.// IEEE Journal of Quantum Electronics.- 2010,- V. 46, No. 3,- p.313-322.

7. Hemery E., Chusseau L., and Lourtioz J.-M. Dynamic Behaviors of Semiconductor Lasers under Strong Sinusoidal Current Modulation: Modeling and Experiments at 1.3 yard I IEEE Journal of Quantum Electronics, 1990. - V. 26, No. 4. -P.633-641.

Подписано в печать 19.01.2012. Формат 60x84 1/16. Уел. печ. л. 0,93. Уел. кр.-отг. 3,72. Уч.-изд. л. 1,0. Тираж 100 экз. Заказ 24

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования “Московский государственный технический университет радиотехники, электроники и автоматики”

119454, Москва, пр. Вернадского, 78

61 12-5/1455

ФЕДЕРАЛЬНОЕ ГОСУДАРСТВЕННОЕ БЮДЖЕТНОЕ ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ «МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ РАДИОТЕХНИКИ, ЭЛЕКТРОНИКИ И АВТОМАТИКИ»

МИКРОЭЛЕКТРОННЫЙ И ОПТОЭЛЕКТРОННЫЙ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВОГО ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЯ ЧАСТОТЫ СВЕРХВЫСОКОЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА

Специальность:

05.27.01 Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро-и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.ф.-м.н., проф. Фетисов Ю.К.

Москва 2011

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений............................................................................................6

Введение.............................................................................................................11

1. Принципы построения и тенденции развития преобразователей частоты сигналов СВЧ диапазона..................................................................................19

1.1. Микроэлектронный преобразователь частоты СВЧ диапазона.........19

1.2. Оптоэлектронный преобразователь частоты сигналов СВЧ диапазона37

1.3. Выводы.....................................................................................................39

2. Моделирование и анализ резистивного микроэлектронного смесителя диапазона крайне высоких частот...................................................................41

2.1. Разработка модели гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме.....................................................................41

2.2. Моделирование принципиальной схемы и расчет основных характеристик смесителя с накачкой на двукратной частоте гетеродина 47

Резистивный смеситель с ГПТ в диодном включении............................48

Резистивный смеситель на основе ГПТ....................................................53

Сравнение разработанных моделей резистивного смесителя с различным включением активных элементов.................................................•.............60

2.3. Резистивный смеситель на основе транзисторов, разработанных фирмой UMS, Франция...................................................................................61

2.4. Выводы.......................................... ...........................................................68

3. Моделирование и анализ оптоэлектронного смесителя диапазона сверхвысоких частот.........................................................................................70

3.1. Моделирование динамических характеристик полупроводникового

лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ диапазоне..................70

2

Бесструктурная модель на базе электронной САПР...............................74

3.2. Моделирование динамических характеристик оптоэлектронного преобразователя частоты СВЧ сигналов......................................................85

Модель с использованием нелинейности полупроводникового лазера на базе электронной САПР.............................................................................85

Модель с использованием нелинейности полупроводникового лазера на базе оптоэлектронной САПР.....................................................................87

3.3. Моделирование динамических характеристик оптоэлектронного размножителя частот сигналов СВЧ диапазона...........................................92

Аналитическая модель на базе скоростных уравнений..........................95

Модель размножителя частот на базе оптоэлектронной САПР...........107

3.4. Выводы...................................................................................................109

4. Макетирование и экспериментальная верификация результатов теоретических исследований.........................................................................111

4.1. Макет микроэлектронного резистивного смесителя КВЧ диапазона в монолитном исполнении..............................................................................111

4.2. Макет оптоэлектронного преобразователя частоты сигналов СВЧ диапазона........................................................................................................113

Разработка макетов лазерного модуля с полосой модуляции в СВЧ диапазоне на базе YCSEL.........................................................................113

Разработка макетов оптоэлектронного преобразователя и размножителя частот на базе VCSEL...............................................................................117

4.3. Лабораторный стенд для исследования характеристик микроэлектронного и оптоэлектронного преобразователей частоты...........................................118

4.4. Экспериментальное исследование макета микроэлектронного преобразователя частоты..............................................................................121

4.5. Исследование динамических характеристик (в частотной и временной областях) макета лазерного модуля........................ ....................................127

Экспериментальное исследование динамических характеристик VCSEL во временной области...............................................................................131

4.6. Экспериментальное исследование макета ОЭПЧ.............................136

4.7. Экспериментальное исследование макета ОЭРЧ..............................144

4.8. Выводы...................................................................................................146

5. Сравнительный анализ полученных результатов..................................147

5.1. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований.................................................................................................147

Микроэлектронный преобразователь частоты.......................................147

Оптоэлектронный преобразователь частоты.........................................149

5.2. Сравнение с зарубежными аналогами................................................150

Микроэлектронный преобразователь частоты.......................................150

Оптоэлектронный преобразователь частоты.........................................152

5.3. Сравнение параметров микроэлектронного и оптоэлектронного преобразователей частоты СВЧ диапазона................................................153

5.4. Выводы...................................................................................................155

6. Изучение путей применения исследованных устройств в информационно-телекоммуникационных системах следующих поколений........................156

6.1. Схема обратного канала базовой станции системы класса RoF с использованием микроэлектронного смесителя с СГН............................157

6.2. Схема обратного канала базовой станции системы класса RoF с использованием микроэлектронного смесителя с СГН и оптоэлектронного размножителя частот СВЧ диапазона.........................................................159

Заключение......................................................................................................164

Список литературы.........................................................................................169

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

НЕМТ - High Electron Mobility Transistor (Транзистор с высокой подвижностью электронов); IF - Intermediate frequency (ПЧ); IIP - Intermodulation Intercept Point (ИМИ); LO - Local Oscillator (СГ); NF - Noise figure (Коэффициент шума); RF - Radio Frequency (ВЧ); RoF - Radio-over-Fiber (ВЭС);

VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser (Поверхностно-излучающий

лазер с вертикальным резонатором); AT - Абонентский терминал; ВтАХ - Ватт-амперная характеристика; АЧХ - Амплитудно-частотная характеристика; БПФ - Быстрое преобразование Фурье; БС - Базовая станция; ВАХ - Воль-амперная характеристика; ВЗВ - Время задержки включения; ВОСП - Волоконно оптическая система передачи ; ВФХ - Вольт-фарадная характеристика; ВЧ - Высокая частота; ГС - Гетеродинный сигнал; ГУН - Генератор управляемый напряжением; ДБС - Двойная балансная схема; ДЧГ - Двойная частота гетеродина; ИМИ - Интермодуляционным искажения; ИМС - Интегральная микросхема; КВЧ - Крайне высокая частота;

KMC - Квадратурное мостовое соединение;

КСВН - Коэффициент стоячей волны по напряжению;

МИС - Монолитная интегральная схема;

МПЛ - Микро-полосковая линия;

МШУ - Малошумящий усилитель;

НБ - Небалансный;

НЭП - Нелинейный эквивалентный преобразователь ;

ОБС - Одинарная балансная схема;

ОГ - Опорный генератор;

ОЗК - Ослабление зеркального канала;

ОСИ - Объединение стока и истока;

ОСП - Отношение сигнал/помеха;

ОЭГ - Оптоэлектронный генератор;

ОЭПЧ - Оптоэлектронный преобразователь частоты;

ОЭРЧ - Оптоэлектронный размножитель частоты;

ОЭСАПР - Оптоэлектронное САПР;

ПЛИ - Полупроводниковый лазерный излучатель;

ПЛМ - Полупроводниковый лазерный модуль;

ПМС - Противофазное мостовое соединение;

ППФ - Полосно-пропуекающий фильтр;

ППЧ - Понижающий преобразователь частоты;

ПФД - Полупроводниковый фотодетектор;

ПЧ - Промежуточная частота;

РАС - Радиочастотный анализатор спектра;

САПР - Система автоматического проектирования;

СВЧ - Сверхвысокая частота;

СГН - Субгармоническая накачка;

СМ - Сумматор мощности;

СОЭ - Сверхвысокочастотная оптоэлектроника;

УВЧ - Усилитель высокой частоты;

УПЧ - Усилитель промежуточной частоты;

ФАП - Фазовая автоподстройка;

ФВЧ - Фильтр верхних частот;

ФНЧ - Фильтр нижних частот;

ФЭС - Физическая эквивалентная схема;

ЦС - Центральная станция;

ЧМХ - Частотно-модуляционная характеристика;

ЭОМ - Электрооптический модулятор.

а - Постоянная усиления;

А - Коэффициент линейной рекомбинации;

В - Коэффициент бимолекулярной рекомбинации;

С - Коэффициент Оже-рекомбинации;

Cj - Ёмкость гетероперехода;

Ст - Эквивалентная ёмкость, моделирующая контактную площадку на конце МПЛ;

Ср - Емкость контактной площадки кристалла лазера;

D - Толщина активной области;

fr - Частота сигнала гетеродина;

fc - частота входного ВЧ сигнала;

g - Усиление в материале;

go - начальное усиление;

I(t) - модулирующий ток;

Ib - постоянный ток смещения;

Im - амплитуда тока лазера;

10П - амплитуда импульса тока инжекции;

Ith - Пороговый ток;

L - Длина резонатора;

Ь0 - Эквивалентная индуктивность, моделирующая эффект накопления фотонов;

Ь2г-с - Ослабление сигнала на удвоенной частоте гетеродина на входе сигнала; Ь№1 - Эквивалентная индуктивность соединительной анодной проволоки;

- Эквивалентная индуктивность соединительной катодной проволоки; Ьг.пч - Ослабление сигнала на частоте гетеродина на входе ВЧ; Ьг„с - Ослабление сигнала на частоте гетеродина на выходе ПЧ; т - Индекс токовой модуляции; N0 - Начальная концентрация носителей; Ыь - Усредненная плотность носителей заряда в объеме УЬ;

- Условная отрицательная концентрация носителей;

- Плотность носителей на пороге;

Нг - концентрация носителей, соответствующая оптической прозрачности;

Рг - Мощность сигнала гетеродина;

Рс - Мощность сигнала ВЧ;

Я - Средний коэффициент отражения зеркал;

Ыо - Сопротивление, моделирующее потери на зеркалах;

Я] - Сопротивление гетероперехода;

Яр - Потери в контактной площадке кристалла лазера;

Я5 - Последовательное сопротивление кристалла лазера;

Уа - Объем активной области;

Уь - Объем запирающей области;

~ Групповая скорость; У0 - Объем оптического резонатора; ш - Ширина активной области; а; - Потери внутри резонатора; ат - потери на зеркалах резонатора; (38р - Коэффициент спонтанной эмиссии; Г - Коэффициент ограничения;

s - Коэффициент нелинейного усиления;

г|а - эффективность инжекции;

г); - Внутренняя квантовая эффективность;

X - Длина волны излучения;

те - Время жизни носителей заряда на пороге;

Tin - Время релаксации электронов;

тр - Время жизни фотонов;

xt - Транспортная постоянная времени;

Рвх лин - Порог линейности по входу.

ВВЕДЕНИЕ

Преобразователи частоты представляют собой ключевой узел передающих и приемных устройств современных радиосистем любого назначения, во многом определяющие их общие техническо-экономические показатели [1]. Другой весьма перспективной областью его применения являются активно исследуемые в последние годы локальные телекоммуникационные системы во-локонно-эфирной структуры1 (ВЭС) [2, 3], внедрение которых открывает дорогу для мультисервисной персональной связи. В связи с этим исследованиям теоретических и практических аспектов его функционирования, а также схем построения посвящено огромное количество публикаций в периодической и книжной научной литературе. Тем не менее, современное развитие радиоэлектронной аппаратуры поставило перед ее разработчиками новые задачи. В частности, тенденции к повышению рабочей частоты, а также интенсивное развитие СВЧ элементной базы на основе арсенид-галлиевых гетероструктур-ных полевых транзисторов2 (ГПТ) привели к ужесточению основных требований и, как следствие, модернизации уже существующих и появлению новых вариантов схем построения. Среди них одним из наиболее перспективных вариантов для реализации в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ) посредством монолитных интегральных схем (МИС) считается так называемый класс резистивных смесителей с субгармонической накачкой {subharmonic pumped mixer) (СГН) [4]. Из этого класса в настоящее время пока изучается только наиболее простой вариант: смеситель с накачкой на двукратной частоте гетеродина (ДЧГ), в котором для смешения частот используется опорный сигнал, частота которого соответствует удвоенной частоте сигнала внешнего гетеродина.

1 Иностранная аббревиатура RoF: Radio-over-Fiber

2 Иностранная аббревиатура НЕМТ: High Electron Mobility Transistor

Общие достоинства резистивных смесителей на основе ГПТ, состоят в лучшей линейности по сравнению со смесителями на основе диодов с барьером Шоттки, практически нулевом токе потребления, отсутствии дробовых шумов (т.е. коэффициент шума смесителя равен его потерям преобразования), увеличении развязки входов и выходов по сравнению с активным вариантом [4]. Кроме того, применение резистивного смесителя миллиметрового диапазона на базе СГН позволяет использовать гетеродин с лучшими технико-экономическими показателями (большей мощностью, меньшими шумами), а также обеспечить более высокие параметры по развязке гетеродинного и сигнального входов и гетеродинного входа и выхода промежуточной частоты.

Несмотря на очевидные преимущества МИС смесителей с СГН примеры их разработки до сих пор отсутствуют в отечественной электронной промышленности, хотя они уже освоены рядом известных мировых производителей СВЧ компонентов: Agilent Technologies, Hittite Microwave Corporation, United Monolithic Semiconductors (UMS), TLC Precision Wafer Technology (TLC), Northrop Grumman/Velocium, Mimix Broadband. Тем не менее, наш анализ показал, что в подавляющем большинстве МИС применена самая простая схема с использованием ГПТ в диодном включении, что увеличивает потери преобразования, уменьшает порог линейности и ухудшает уровень развязки между портами смесителя по сравнению с полноценным транзисторным включением. Таким образом, исследование и разработка более совершенных схем построения МИС смесителя данного типа, упрощающего продвижение радиоаппаратуры отечественного производства в миллиметровый и терагерцевый диапазоны, представляется актуальной задачей.

Альтернативный путь совершенствования принципов построения и основных характеристик твердотельных СВЧ приборов, также обеспечивающий эффективное развитие радиосредств миллиметрового и терагерцевого диапазонов, состоит во внедрении технологий сверхвысокочастотной опто-

электроники (СОЭ), предмет исследований которой находится на стыке фотоники и СВЧ радиоэлектроники [5, 6] и одной из главных задач является исследование и разработка активных СВЧ приборов и устройств с оптическим и оптоэлектронным управлением. Среди перспективных функциональных элементов СОЭ наиболее изученным является оптоэлектронный генератор (ОЭГ) [7], основные преимущества которого по сравнению с традиционными микроэлектронными СВЧ генераторами состоят в более низком уровне фазовых шумов и значительно расширенном рабочем диапазоне частот.

Уровень знаний об оптимальных принципах построения и характеристиках другого устройства СОЭ, названного оптоэлектронный преобразователь частоты (ОЭГТЧ) [8], в настоящее время еще меньше. Так анализ современных схем его построения впервые появился в обзорах, посвященных СОЭ, лишь в позапрошлом году [5]. Принципиальным достоинством ОЭПЧ считается предельная широкополосность, недостижимая для традиционных транзисторных и диодных преобразователей частоты СВЧ диапазона. Тем не менее, вследствие чрезмерно высоких потерь преобразования (60...80 дБ) ОЭПЧ пока не может конкурировать с существующими преобразователями частоты даже в монолитном исполнении. Следует также отметить, что исследования ОЭПЧ в своем подавляющем большинстве носят экспериментальный характер. Так, к настоящему времени не разработана теоретическая модель его функционирования, что ограничивает уровень и скорость внедрения данного инновационного устройства в системы телекоммуникации, радиолокации и метрологии следующих поколений. Также отсутствует детальный анализ оптимальных принципов построения, достижимых характеристик и конкретных вариантов применения ОЭПЧ в вышеупомянутых областях науки и техники.

В связи с вышеизложенным целью данной работы является совершенствование принципов построения, методов и процессов моделирования и разработки полупроводникового преобразователя частоты СВЧ диапазона с

использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового опто-электронного подходов.

Цель данной работы достигается решением следующих основных задач:

• Анализ принципов построения и современных требований к микроэлектронным и оптоэлектронным преобразователям частоты СВЧ диапазона;

• Разработка модели гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме;

• Моделирование принципиальных схем и сравнительный расчет основных характеристик смесителя с накачкой на двукратной частоте гетеродина в диодном и транзисторном включениях активных элементов;

• Разработка аналитической и бес�