РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2010, том 55, № 8, с. 982-988
ФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ В ЭЛЕКТРОННЫХ ПРИБОРАХ
УДК 621.382
СУБГАРМОНИЧЕСКИЙ СМЕСИТЕЛЬ С УЛУЧШЕННЫМИ ИНТЕРМОДУЛЯЦИОННЫМИ ХАРАКТЕРИСТИКАМИ НА БАЗЕ РЕЗОНАНСНО-ТУННЕЛЬНОГО ДИОДА © 2010 г. Ю. А. Иванов, С. А. Мешков, И. А. Федоренко, Н. В. Федоркова, В. Д. Шашурин
Поступила в редакцию 07.07.2009 г.
Проведен сравнительный анализ работы субгармонических смесителей (СГС) радиосигналов на базе резонансно-туннельного диода (РТД) и диода с барьером Шоттки (ДБШ). Рассчитаны зависимости потерь преобразования СГС на РТД и ДБШ от мощности гетеродина. Представлены режимы работы СГС, позволяющие повысить показатели качества смесителя на базе РТД по сравнению со смесителем на базе ДБШ. Теоретически показана и экспериментально подтверждена возможность увеличения значения верхней границы динамического диапазона по интермодуляционным искажениям в СГС на базе РТД по сравнению с СГС на базе ДБШ.
ВВЕДЕНИЕ
Одним из важных требований к радиоприемникам является минимум интермодуляционных и нелинейных искажений в широком диапазоне изменения мощности входного сигнала [1]. В большинстве современных супергетеродинных приемников в качестве первого каскада применяется смеситель, поэтому от его параметров зависят интермодуляционные характеристики всего приемника. В настоящее время большинство нелинейных преобразователей СВЧ-радиосигналов построено на базе диодов с барьером Шоттки (ДБШ). Вольт-амперная характеристика (ВАХ) этих диодов описывается экспоненциальным законом [2, 3]. В качестве нелинейного элемента (НЭ) преобразователей можно применять резонансно-туннельные диоды (РТД) с формами ВАХ, отличными от экспоненты [4, 5].
На рис. 1 показан профиль дна зоны проводимости РТД на основе ОаЛз/Л1хОа1 _ хАз, х = 0.3.. .1. Он состоит из слоя нелегированного ОаЛ — квантовой ямы, окруженного с обеих сторон также нелегированными слоями Л1хОа1 _ хЛз — барьерами. За барьерами следуют нелегированные спейсеры из
ОаЛя, предотвращающие диффузию легированной примеси в слои барьеров, за ними — умеренно легированные переходные области, за последними — сильно легированные контактные области эмиттера и коллектора (на рисунке не указаны). В качестве примера на рис. 2 показана ВАХ исследованных нами РТД (кривые 1 и 2), для сравнения приведена ВАХ двух антипараллельно включенных диодов Шоттки (кривая 3).
Достоинством РТД является то, что форму его ВАХ можно изменять путем изменения толщин и химического состава наноразмерных слоев гете-роструктуры диода, что даст возможность варьирования параметров смесителя с РТД в широком диапазоне. Более пологая, чем у ДБШ, ВАХ РТД позволяет уменьшить амплитуды составляющих спектра высших порядков в выходном сигнале смесителя и коэффициенты передачи субгармонических смесителей (СГС) на побочных каналах приема, а также интермодуляционные искажения сигнала. Применение РТД с антисимметричной ВАХ позволяет использовать в качестве нелинейного элемента СГС только один полупроводниковый прибор вместо пары встречно-параллельных
Е
иОаЛ (81)
Л1х
Оа1-хЛя
Л1х
Оа1-хЛя
иОаЛ (81)
Рис. 1. Энергетическая диаграмма гетероструктуры РТД: 1 — контактные области, 2 — спейсеры, 3 — потенциальные барьеры, 4 — потенциальная яма.
Е
Б
Е
р
ОаЛ
ОаЛя
1
ДБШ, что исключает необходимость подбора пары диодов с идентичными параметрами [4, 6—8].
Ниже продемонстрирована работа СГС на базе диодов двух типов: РТД с различными формами ВАХ и ДБШ. Найдены зависимости потерь преобразования и значения верхней границы динамического диапазона (ВГДД) от мощности гетеродина для СГС на базе РТД с различными формами ВАХ и ДБШ. Проведенный теоретический анализ качественно подтвердил возможность применения СГС на РТД в большом диапазоне мощностей гетеродина и увеличения значения ВГДД в СГС на РТД по сравнению с СГС на ДБШ.
1. ТЕОРЕТИЧЕСКИМ АНАЛИЗ РАБОТЫ СГС НА БАЗЕ ДИОДОВ С РАЗЛИЧНЫМИ ФОРМАМИ ВАХ
В настоящее время параметры смесителей на базе ДБШ с экспоненциальной ВАХ рассчитывают при помощи систем автоматизированного проектирования, использующих метод гармонического баланса (Agilent ADS, Microwave Office (MWO)) [9]. В работах [6, 7] расчет параметров СГС на РТД проведен при помощи MWO. В качестве модели РТД применены НЭ с кусочно-линейной ВАХ [6] (совпадающей с ВАХ РТД при температуре 0 К) для расчета потерь преобразования и с экспоненциальной ВАХ для расчета ВГДД [7]. Недостатком метода гармонического баланса, реализованного в известных программных средах, является нестабильная сходимость к решению, резко ухудшающаяся при расчете схем с НЭ, ВАХ которых отличны от экспоненты. Так, при расчете СГС на базе НЭ, ВАХ которого задана полиномами третьей степени, отсутствует сходимость к решению при мощностях гетеродина, превышающих —30...—20 дБм.
В данной работе применен метод теоретического анализа однодиодного смесителя радиосигналов на основе упрощенной теории преобразователей частоты [10], поскольку для применения строгой теории смесителей [2, 3] требуется знать все параметры эквивалентной схемы НЭ. Метод адаптирован нами для исследования параметров СГС на базе НЭ с произвольной формой ВАХ, заданной в аналитическом виде, промежуточная частота (ПЧ) которого определяется как /ПЧ = |2f —/с|, гдеf — частота гетеродина,f — частота сигнала. При разработке алгоритма расчета приняты упрощающие предположения: допущение о гармонической форме напряжения на НЭ, отсутствие у него нелинейной емкости, учитываются только составляющие спектра низших порядков (в выражении для комбинационных частот смесителя mfc + + nf, m,n = 0, ±1, ±2, ±3, причем сумма |m| + |n| < 3), короткое замыкание НЭ на всех гармониках гетеродина, кроме второй. Алгоритм расчета па-
I, A 0.03
-2.0 -1.0 0 1.0 2.0 -2.5 -1.5 -0.5 0.5 1.5 2.5
U, B
Рис. 2. Измеренные вольт-амперные характеристики РТД1, РТД2 и ДБШ (кривые 1-3).
раметров смесителей при помощи метода [10] реализован нами в программной среде MathCAD. Отметим, что используемый метод позволяет проследить общие тенденции зависимостей параметров СГС от параметров гетероструктуры РТД, а также объяснить наблюдаемые в эксперименте различия параметров СГС на РТД и ДБШ.
Ниже приведены формулы для входного сопротивления и потерь преобразования Ь для СГС, полученные аналогично приведенным в [10] для обычного смесителя:
GBX(UT,a) = GMCT = G0 -
G2
Go + GH
(1)
где Овх — входное сопротивление СГС, при котором на НЭ выделяется наибольшая часть мощности источника сигнала с внутренней проводимостью бист; иг — напряжение гетеродина, падающее на НЭ СГС, а — вектор параметров, характеризующих ВАХ НЭ; О0 и 02 — нулевой и второй коэффициенты Фурье проводимости НЭ; Он = 1/ Ян — проводимость нагрузки.
Потери преобразования СГС:
Ь(дБ) = L(Uг,a) = -10 х lg(Kp)
= -10 х lg
G2
Go + Gf
Gb G„
(2)
у V " О " н У ' Н J
где КР — коэффициент передачи СГС по мощности .
Для встречно-параллельного включения ДБШ форма ВАХ задается выражением [2, 3, 10]
I = а[ехр(а2и) + ехр(-аЦ)], (3)
I, мА 20
2
и, В
Рис. 3. Вольт-амперные характеристики РТД при Еб = 0.2, 0.4, 0.8 эВ (кривые 1-3).
где а1 = 10 — ток насыщения диода, для ДБШ на базе 81 имеем 10 ~ 10_8 А и
а2 =
_ 4
ИикТ
(4)
где q = 1.6 х 10_19 Кл — заряд электрона; к = 1.37 х х 10_23 Дж/К — постоянная Больцмана; Т = 300 К — температура, Ыи = 1.1.5 — фактор идеальности диода Шоттки.
Для описания начального участка ВАХ Л1ОаЛз-структур была использована математическая модель [11], основанная на параметрах зонной структуры РТД (рис. 1):
т = Iо1п
1 + а ехр(ур и) 1 + а ехр(-(1 -у) р и)
(5)
' 3 » ^
30
Р, дБм
Рис. 4. Зависимости входного сопротивления СГС от напряжения гетеродина для РТД при Еб = 0.2, 0.4, 0.8 эВ (кривые 1-3) и ДБШ (кривая 4).
Параметр в, характеризующий вероятность прохождения электрона через контактные области ге-тероструктуры, определяется подвижностью электронов и зависит от температуры и параметров материала. При комнатной температуре в ~ 30 эВ-1 для ОаЛДпОаЛз. Значение параметра /0 определяется соотношением толщины слоя потенциальной ямы и высоты барьеров. В гетероструктуах с потенциальными барьерами из Л1хОа1 _ хЛя при толщине слоя ямы от 3 до 10 нм ОаЛя значение 10 ~ 106.102 А/см2. Параметр а = ехр(_вЕБ) зависит от параметра ЕБ = = Е0 _ Ер, где Е0 _ энергия разрешенного уровня в потенциальной яме, Ер _ уровень Ферми в контактных областях при нулевом смещении. Изменение концентрации 81 в контактных областях от 1 х 1019 до 1 х 1018 при содержании Л1 в слоях барьеров х = 0.4 ... 1 соответствует изменению ЕБ от 0 до 0.65 эВ. Параметр у зависит от симметричности гетеро-структуры относительно слоя ямы. Для СГС интерес представляет РТД с антисимметричной ВАХ (у = 0.5). Величина и _ напряжение на РТД.
Для смесителей радиосигналов рабочий участок ВАХ должен находиться между падающими участками с отрицательным дифференциальным сопротивлением, что необходимо для исключения паразитной генерации. Отметим, что можно получить РТД без падающего участка ВАХ [8].
На рис. 3 показаны формы начального участка ВАХ РТД, рассматриваемые при теоретическом исследовании работы СГС на РТД.
Учитывая, что в (1) коэффициенты 00 и 02 определяются из аналитического выражения ВАХ НЭ и зависимости напряжения гетеродина от времени, выражение (1) для РТД с учетом формы ВАХ (5) запишем в виде ^вх(иг, /0, ЕБ) = Сист. Для ДБШ с формой ВАХ (4) напряжение гетеродина, необходимое для согласования сопротивления НЭ, будет зависеть от материала (81, ОаЛя) и от фактора идеальности ДБШ: Ссогл(иг, /0, Ми) = Сист.
На рис. 4 приведены зависимости входного сопротивления смесителя Д,х = 1/^вх от мощности гетеродина Рг для РТД при различных значениях параметра Еб и для ДБШ, полученные из (1) с учетом (2), (5) при сопротивлении нагрузки Ян = 1/Он = = 50 Ом. Как отмечено выше, максимальная мощность сигнала будет падать на НЭ СГС при согласовании входной проводимости СГС и внутренней проводимости источника сигнала. Из рис. 4 видно, что путем выбора РТД с различным значением параметра ЕБ, можно создать СГС, работающие как при пониженной мощности гетеродина (Рг ~ 0.5 мВт пр
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.