Источник: Четвертый семинар ESA по технологиям миллиметровых волн и приложениям, Эспу, Финляндия, 15-17 февраля, 2006г., http://lerma7.obspm.fr/~maestrini/Work/Publications_files/ESA-Workshop-2006.pdf
Хуи Ванг, Джен-Марк Роуллинг, Байрон Альдерман, Бертрад Томас, Стивен Дэвис и Алан Местрини, перевод с английского Левченко Л.В.
Аннотация
Статья рассматривает создание широкополосных смесителей с субгармониковой накачкой, работающих на частоте 183ГГц, реализованных на паре антипараллельных планарных диодов с барьером Шоттки, объединенных на подложке арсенида галлия толщиной 50мкм. Длина смесителя составляет 4мм, ширина – 0,28мм, смеситель встроен в волноводный блок, включающий в себя волноводы, которые осуществляют соединение цепей сигнала гетеродина и входного сигнала. Планируется, что смеситель будет эффективно работать в полосе частот 160-190ГГц при мощности сигнала гетеродина 2мВт с коэффициентом усиления не хуже, чем -5,5дБ. Лучшие достижения, полученные при моделировании, - коэффициент усиления -5,1дБ на частоте 183ГГц.
1. Введение
Лучшими смесительными элементами при комнатной температуре являются диоды с барьером Шоттки вследствие их низких шумовых показателей, простого использования и относительно несложного управления процессом производства. В рамках приближающихся проектов для CNES был спроектирован субгармониковый смеситель на базе диодов с барьером Шоттки для частоты 183ГГц. Предполагается, что смеситель продемонстрирует осуществимость создания миллиметровых и субмиллиметровых приемников, основанных на европейских диодах с барьером Шоттки.
2. Проектирование смесителя на 183ГГц
2.1. Схема планарного диода с барьером Шоттки
Проект базируется на предварительном изучении диодов, построенных по технологии МИС (монолитных интегральных схем) [1]. На рисунке 1 приведен трехмерный вид МИС диода с барьером Шоттки с общим анодом.
Рисунок 1 - Диод с барьером Шоттки с общим анодом
Диод соединяется с остальной частью микрополосковой цепи двумя боковыми подложками. Анод соединен с одной из подложек с помощью внешнего вывода, заостренного к аноду от подложки. Антипараллельная конфигурация была оптимизирована для всех характеристик субгармониковых смесителей, включая размеры анода (рисунок 2).
Рисунок 2 - Антипараллельная диодная конфигурация внутри канала
Результирующие электрические характеристики для каждого диода: фактор идеальности η=1.2, ток насыщения ISAT=4.10-15A, оценка последовательного сопротивления 10 Ом. Нулевая емкость барьерного перехода Cjo=2fF вычислена исходя из размера диода и эпитаксиального слоя.
2.2. Оптимизация схемы смесителя
Во-первых, идеализированная цепь смесителя, реализованная на антипараллельной паре диодов и идеальных соединяющих элементов, уже построена [2]. Результаты нелинейного моделирования дают оптимальную мощность гетеродина около 1.5мВт для пары диодов, с импедансом ZRF=82+j.45Ом на частоте входного сигнала fRF=183ГГц и ZLO=197.5+j.182Ом на частоте сигнала гетеродина fRF=89.5Ггц. Импеданс нагрузки промежуточной частоты составляет 100Ом. Во-вторых, подводящие цепи входного сигнала и сигнала гетеродина оптимизированы в наборе линейных симуляторов (программное обеспечение Agilent ADS [3]) для того, чтобы представить импедансы как можно ближе к найденным заранее значениям, используя простой метод [4]. Каждая индивидуальная секция трехмерной электромагнитной схемы смесителя разработана с использованием метода конечных элементов (Ansoft HFSS [5]) и импортирована как S-параметры в симулятор перед оптимизацией цепи. Наконец, был выполнен нелинейный анализ полной цепи смесителя, с учетом S-параметров электромагнитной структуры смесителя, для расчета шумовой температуры и потерь преобразования.
2.3. Макет смесителя
Разработанный макет смесительного блока, см. [6], разделен в Е-плоскости волноводов входного сигнала и сигнала гетеродина на две половины, что приводит к простой реализации смесителя и низкой стоимости механической структуры. Планарные диоды объединяются в 50-ти микрометровой цепи арсенида галлия, которая содержит также пассивные передаточные цепи подводящих элементов. Цепь смесителя помещается в канал, пересекающий волноводы входного сигнала и сигнала гетеродина. Один конец цепи соединен напрямую с механическим блоком, обеспечивающем точку заземления. Другой конец цепи соодинен с цепью выходного сигнала промежуточной частоты. Схема блока смесителя показана на рисунке 3.
Рисунок 3 - Схема смесителя внутри волноводного блока
Волноводные переходы соединяют цепи входного сигнала и сигнала гетеродина в канале. Для того, чтобы обеспечить широкополосность, необходимо уменьшать высоты обоих волноводов в близости переходов, как указано в [7]. Два полосковых фильтра нижних частот используются, чтобы препятствовать попаданию входного сигнала в цепь сигнала гетеродина, и утечке сигнала гетеродина в цепь сигнала промежуточной частоты.
3. Результаты моделирования схемы смесителя
Было проведено исследование работы полной схемы смесителя в диапазоне частот 160-200ГГц. Результаты представлены на рисунке 4 для различного уровня мощности сигнала гетеродина.
Рисунок 4 - Коэффициент усиления смесителя на 183ГГц при различной мощности сигнала гетеродина. Оптимальный коэффициент передачи смесителя более чем -4дБ в диапазоне частот от 160 до 196ГГц при уровне мощности сигнала гетеродина 2мВт. Частота сигнала промежуточной частоты составляет 4ГГц.
Ожидаемый коэффициент усиления более чем -4дБ в диапазоне от 160ГГц до 196ГГц для мощности сигнала гетеродина 2мВт. Наилучший результат составляет -3,1дБ для частоты 183ГГц. Учитывая потери в 2дБ (несогласование между выходом сигнала промежуточной частоты и первым малошумящим усилителем сигнала промежуточной частоты), общий коэффициент передачи смесителя равен примерно -5,1дБ на частоте 183ГГц.
4. Схемное производство
Прототип этого смесителя в настоящее время производится в Великобритании с использованием процесса воздушного соединения диодов, что позволяет уменьшить паразитную емкость. Этот прототип разделяет одинаковые микросхемные слои и волноводные блоки также, как в смесителях, реализованных с помощью технологии МИС. Моделирования показывают, что наличие воздушных соединителей не изменяет существенно согласование диодов, поэтому ожидается, что такой блок оптимален для обоих цепей.
Литература
[1] A. Maestrini, "Report on the Evaluation of the Capabilities of the United Monolithic Semiconductors to Produce Schottky Diodes Based Mixers in the Band 100-380GHz", proceedings of the Round Table discussion on Schottky technology, ESA/ESTEC, Norrdwijk, The Netherlands, March 2004.
[2] B. Thomas, "Etude et réalisation d'une tête de réception hétérodyne en ondes submillimétrique pour l'étude des atmosphéres et surfaces de planétes", PhD dissertation, LERMA-Observatoire de Paris, France, December 2004.
[3] Advanced Design System, Version 2003A, Agilent Technologies, 395 Page Mill Road, Palo Alto, CA 94304, USA.
[4] J.L. Hesler, "Planar Schottky diodes in submillimeter-wavelength waveguide receivers", PhD dissertation, University of Virginia, Charlottesville, USA, Jan. 1996.
[5] High Frequency Simulation Software, V9.2, Ansoft Corporation, 225 West Station Square Drive, Suite 200, Pitts¬burgh, PA 15219, USA.
[6] A.V. Raisanen, D. Choudhury, R.J. Dengler, J.E. Oswald, and P. Siegel, "A novel split-waveguide mount design for millimeter- and submillimeter-wave frequency multipliers and harmonic mixers," IEEE Microwave and Guided Wave Letters, Vol. 3, No.10, Oct. 1993, pp.369-371.
[7] S.C. Shi and J. Inatani, "A Waveguide-to-Microstrip Transition with a DC/IF Return path and an Offset Probe", IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol.45, No.3, March 1997.