Оптимизация параметров диодов широкополосного утроителя частоты 75...110 ГГц

Введение

Широкополосные диодные умножители ча­стоты используются в источниках СВЧ- и КВЧ-сигналов в качестве выходных формиру­ющих каскадов. Принцип умножения частоты положен в основу построения большинства современных отечественных и зарубежных твердотельных измерительных генераторов и синтезаторов в диапазоне частот выше 20 ГГц.

Целью работы является повышение эф­фективности преобразования утроителя часто­ты 75...110 ГГц, поскольку именно этот пара­метр определяет уровень выходной мощности источника сигналов при отсутствии выходного усилителя.

Одной из проблем проектирования СВЧ- и КВЧ-устройств на нелинейных элементах является отсутствие эффективных методик автоматизированного расчета на базе системы автоматизированного проектирования (САПР), объединяющих электродинамические методы анализа волноведущих структур с результата­ми расчета характеристик нелинейных полу­проводниковых элементов.

Несмотря на обилие различных методов (аналитических и численных) анализа нелиней­ных СВЧ-устройств (смесителей, умножителей частоты и др.), задача их проектирования до­статочно сложна, обычно решается итеративно, при этом важную роль играют эксперименталь­ные исследования и практическая «доводка» реализованной схемы.

Эффективность работы умножителей ча­стоты СВЧ- и КВЧ-диапазонов зависит как от оптимально выбранных схемно-конструктив­ных элементов устройства, так и в значительной степени от параметров используемых нели­нейных элементов (диодов). В первую очередь от величины паразитных параметров, степе­ни неидентичности, характера нелинейности вольт-амперной (ВАХ) и вольт-фарадной (ВФХ) характеристик, габаритных размеров и др.

Предложенная в работе [1] методика рас­чета и проектирования диодного утроителя ча­стоты позволяет с достаточной для практики точностью определить требования к основным параметрам умножительных диодов для обе­спечения заданных характеристик устройства.

Конструктивные особенности утроителя частоты

Утроитель частоты, для которого проводи­лась оптимизация параметров диодов, кон­структивно выполнен в виде двух последова­тельно соединенных волноводов различных сечений: входного WR-28 и выходного WR-10 [2]. В разрезе по центру широких стенок вол­новодов вставлены металлические пластины толщиной 0,2 мм, образующие H-образный волновод (рис. 1).

Сечение выходного волновода на началь­ном участке заужено до 2,14×1,27 мм для того, чтобы сделать его запредельным для диапазо­на частот второй гармоники входного сигнала. Диоды с цепями автосмещения установлены с разных сторон пластины строго симметрич­но, примерно в месте соединения волноводов различного сечения. Со стороны входа на рас­стоянии λ_вых._ср/4 установлена полиимидная пластина (1×0,5×0,05 мм с односторонней ме­таллизацией), выполняющая роль согласующе­го элемента и короткозамыкателя для третьей гармоники. Непосредственно за диодами уста­новлена пластина (0,5×0,25×0,05 мм), осущест­вляющая согласование по выходу (рис. 1). На рис. 2 показан внешний вид утроителя.

Наиболее приоритетными техническими характеристиками широкополосных умножи­телей частоты являются: эффективность (потери) преобразования, максимально достижимая выходная мощность, неравномерность выход­ной мощности в диапазоне частот и уровень паразитных составляющих в спектре выход­ного сигнала.

Экспериментально установлено, что наи­лучшие характеристики широкополосного 75...110 ГГц утроителя (минимальные потери преобразования, максимальная выходная мощ­ность ~2...3 мВт) обеспечиваются при исполь­зовании бескорпусных умножительных диодов Шоттки с балочными выводами типа А92220-2 (НПО «Салют», г. Нижний Новгород) [3, 4].

Типичные характеристики диодов: ем­кость при нулевом смещении C₀ = 0,07 пФ; сопротивление потерь R_s = 5 Ом.

Диоды могут быть подобраны в пары с неидентичностью характеристик по ВАХ и ВФХ порядка 10 %.

Результаты расчета

С помощью методики расчета и проектирова­ния широкополосного утроителя [1] оптими­зирована конструкция умножителя с исполь­зованием диодов типа А92220-2 с идентичны­ми характеристиками.

Полученные результаты представлены на рис. 3.

Экспериментальная характеристика, усред­ненная по 10 образцам утроителей, отличается от расчетной не более чем на 1.. .4 дБ.

Проанализируем зависимость уровня вы­ходной мощности утроителя от вариации ос­новных параметров диодов.

На рис. 4 приведены расчетные характе­ристики уровня выходной мощности для раз­личных значений C₀ диодов при фиксированном R_s = 5 Ом, а на рис. 5 - для различных R_s при C₀ = 0,07 пФ.

Очевидно, что одновременное умень­шение C₀ и R_s для повышения эффективности преобразования умножителя невозможно без снижения допустимой мощности рассеяния диодов, поэтому оптимальные значения C₀ и Rs для данного диапазона частот утроителя и мак­симального уровня входной мощности 100 мВт выбирают из компромисса: C₀ = 0,07 пФ и R_s = 5 Ом.

Требования к неидентичности параме­тров диодов по C0 и Rs, вызывающей паразит­ные составляющие в спектре выходного сиг­нала утроителя, подробно проанализированы в работе [1]. Показано, что при минимально достижимой на практике неидентичности C₀ и R_s в 10 % вторая гармоника относительно тре­тьей подавлена на 25 дБ, а четвертая - на 35 дБ. Уровень второй гармоники более критичен к неидентичности диодов по R_s , а четвертой - по C₀. Заметим, что в широкополосном утроителе частоты 75...110 ГГц вторая и четвертая гармо­ники не могут быть отфильтрованы, поскольку находятся в рабочем диапазоне частот или в непосредственной близости, поэтому требо­вания к неидентичности параметров диодов весьма высоки.

Эффективность преобразования в значи­тельной степени зависит от характера измене­ния крутизны ВФХ умножительных диодов. Рассмотрены три различные ВФХ: номиналь­ная, которая соответствует реальным диодам А92220-2, пологая и крутая (рис. 6).

На рис. 7 приведены характеристики уровня выходной мощности в зависимости от крутизны ВФХ.

Сравнение результатов показывает, что более крутая ВФХ позволяет повысить эффек­тивность преобразования примерно на 2 дБ.

Заключение

Проведенные расчеты показали существен­ное влияние параметров диодов и степени нелинейности их ВФХ на уровень выходной мощности утроителя частоты. При опти­мальном выборе параметров диодов можно реализовать утроитель частоты 75...110 ГГц с выходной мощностью не менее 5 мВт при Р_вх = 100 мВт (потери преобразования не бо­лее 13 дБ с неравномерностью ±1 дБ) и уров­нем подавления побочных составляющих в спектре выходного сигнала не менее 25 дБс.

Сравнивая полученные результаты рас­чета с параметрами аналогичной модели утроителя частоты WR10X3, реализуемой од­ной из ведущих зарубежных фирм Virginia Diodes, Inc., отметим, что в диапазоне частот 75...110 ГГц она имеет потери преобразования 12...15 дБ.

Учитывая хорошее совпадение расчет­ных и экспериментальных результатов по всем основным характеристикам утроителя часто­ты, можно констатировать, что предложенная методика позволяет априорно определить по­тенциально возможные характеристики не­линейного устройства без проведения доро­гостоящих и трудоемких экспериментальных исследований.