Високоефективне перетворення частоти на діодах з бар’єром Шотткі та малошумливі приймачі міліметрового діапазону - Автореферат

Широке застосування в науці і техніці електромагнітних хвиль міліметрового діапазону (радіоастрономія, радіолокація, спектроскопія, звязок тощо) постійно стимулює фізичні дослідження, спрямовані на подальше підвищення чутливості приймальних систем цього діапазону. 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 барєром Шотткі з високою критичною частотою. 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. 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 обєднання у єдиний модуль змішувача та підсилювача проміжних частот (ППЧ); зясування 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.У першому розділі “Приймачі міліметрового діапазону довжин хвиль зі змішувачами на діодах з барєром Шотткі” надається аналітичний огляд сучасного рівня розробок ДБШ міліметрового діапазону і приймачів на їх основі. Другий розділ “Нелінійний аналіз змішувачів міліметрового діапазону на діодах з барєром 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. 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 перетворенняУ 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. 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). 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.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

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.

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 frontend 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 SUBMILLIMETER 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 SUBMILLIMETER 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., Королев А.М., Мышенко В.В., Мышенко А.В. Сверхмалошумящий приемник 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. Королев А.М., Песковацкий С.А., Подъячий В.И. Малошумящий охлаждаемый приемник 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., Королев 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., Королев 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.