ТВЕРДОТЕЛЬНЫЙ СПЕКТРОМЕТР СУБТЕРАГЕРЦОВОГО ЧАСТОТНОГО ДИАПАЗОНА С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ УМНОЖИТЕЛЯ ЧАСТОТЫ НА ОСНОВЕ КВАНТОВЫХ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ СТРУКТУР

February 18, 2013 by admin Комментировать »

Вакс В. л., Панин А. Н, *Павельев Д. Г., *Кошуринов. Ю. И., Никифоров С. Д. Институт физики микроструктур Российской Академии наук ГСП-105, г. Нижний Новгород, 603950, Россия тел.: 832-385536, e-mail: vax@ipm.sci-nnov.ru *Нижегородский государственный Университет им. Лобачевского Проспект Гагарина, 23, г. Нижний Новгород, 603950, Россия

Аннотация – Показана возможность создания спектрометра субТерагерцового диапазона для прецизионной, нестационарной (с регистрацией сигнала во временной области) спектроскопии на основе твердотельных источников излучения и умножения частоты с использованием квантовых полупроводниковых сверхрешеток.

I.                                       Введение

Терагерцовый и субТерагерцовый (ТГц и субТГц) частотные диапазоны являются привлекательными для спектроскопических исследований, так как сильные линии поглощения многих молекул лежат в этом диапазоне. Это дает возможность изучение молекул, линии поглощения которых в других диапазонах являются очень слабыми (например, металлорганиче- ские молекулы). Для аналитической спектроскопии, когда частоты исследуемых веществ хорошо известны, достаточно узкополосных источников излучения. Несмотря на интенсивное освоение этого диапазона ТГц спектроскопия с трудом может быть использована для реальных приложений, в основном из-за отсутствия подходящих источников и приемников. Необходимость разработки новых ТГц источников связана с тем, что существующие в настоящее время традиционные источники, такие как лампа обратной ВОЛНЫ, работающие в диапазоне 100-1000 ГГц, очень дороги, имеют большие размеры, достаточно небольшое время эксплуатации и требуют высоковольтного питания. Другое направление получения источников Тгц и субТГц связано с использованием лазеров на свободных электронах. Лазеры применяются как перестраиваемые источники мощного ТГц излучения. Но, из-за больших размеров и стоимости, недостаточной стабильности частоты их применение ограничено лабораторией. Сейчас в спектроскопии для генерации ТГц излучения применяется метод оптической ректификации [1] или фотопроводящие антенны [2]. Проблема стабильности частоты и спектрального разрешения (удается добиться разрешения порядка 1 см’^) создают ограничения для применения этих метода в прецизионных спектроскопических измерениях. Для таких измерений необходимо улучшить спектральное разрешение и стабильность частоты. Спектроскопические требования к характеристикам источника излучения определяются допле- ровским разрешением и возможностью измерения частоты с точностью ‘ΊΟ’^ -10’^°.

II.                              Основная часть

Традиционный подход для создания высокостабильных перестраиваемых по частоте генераторов (синтезаторов частот) – это умножение частоты высокостабильного опорного генератора. Развитие новых технологий В течение последних нескольких лет и применение современной техники основанной на интегральных схемах привело к созданию к высокому уровню выполнения умножителей на протяжении всего субТГц диапазона [3]. Эти умножители, в основном, базируются на применении диодов Шоттки. Однако, для успешной работы в субТГц диапазоне необходимо увеличить граничную частоту диодов Шоттки, что крайне затруднительно из-за фундаментальных ограничений (высокая инертность пролета электронов активной области и паразитные емкости). Указанные проблемы преодолеваются за счет использования структур на квантовых полупроводниковых сверхрешетках (ПС). Они являются более эффективные для преобразования частоты и детектирования, так как в данном случае, во-первых, инертность и паразитные емкости становятся меньше. Во- вторых, сверхрешетки обладают также вольтампер- ной характеристикой с отрицательной дифференциальной проводимостью, которая сохраняется вплоть до частот выше 1 ТГц [4].

Рис. 1. СубТГц спектрометр с использованием генератора Гана мм диапазона длин волн.

Fig. 1. SubTHz spectrometer with application of Gunn generator of mm-wave length

Ha Рис.1 представлен спектрометр субТГц диапазона частот. Источником излучения является генератор Гана, работающий на частоте 76 ГГц. Пятая гармоника этого генератора, получается с помощью умножителя на ПС [5]. Данный спектрометр был использован для обнаружения линий воды вблизи 380 ГГц. (рис.2.)

III.                                  Заключение

Использование приборов (умножители, смесители) на квантовых полупроводниковых сверхрешетках и твердотельных синхронизированных по опорному источнику генераторов позволило получить излучения субТГц частотного диапазона для аналитической спектроскопии. Данный подход был использован для реализации нестационарного, прецизионного спектрометра. В докпаде так же представлены результаты применения этого спектрометра для регистрации линий воды.

Рис. 2. Профиль линии поглощения воды вблизи 380 ГГц.

Fig. 2. Absorption iine of water at 380 GHz

IV.                           Список литературы

[1]   Hebling J, Stepanov A. G., Almasi G., Bartal S., Kuhl J., Tunable THz pulse generation by optical rectification of ultrashort laser pulses with tilted pulse fronts. Appl. Phys. В 78, 593-599 (2004).

[2]   Zhang X-C., Hu B. B., Darrow J. Т., Auston D. H.H Phys. Rev. Lett., 56, 1011, 1990.

[3]   R. M. Weikle, T. W. Crowe, E. L. Kollberg II International Journal of High Speed Electronics and Systems, V.13, N2, (2003), 429-456.

[4]   Вакс В, Кошуринов Ю., Павельев Д, Панин А. «Разработка и создание системы фазовой синхронизации в субтера- герцовои и терагерцовом частотных диапазонах». Известия ВУЗов, Радиофизика, V. XLVIII, № 10-11, 933, 2005.

[5]   R. Scheuerer, М. Haeussler, К. F. Renk, Е. Schomburg, Yu. Koschuhnov, D. G. Pavel’ev, N. Maleev, V. Ustinov, and

A. Zhukov. Frequency multiplication of microwave radiation by propagating domains in semiconductor superlattice. Appl. Phys. Lett. 82, 2826 (2003).

SOLIDSTATE SPECTROMTER OF SUBTERAHERZ FREQUENCY WITH USE OF FREQUENCY MULTIPLIER BASED ON QUANTUM SEMICONDUCTOR STRUCTURES

Vaks V. L., Panin A. N., Paveliev D. G., Koschurinov Yu. I., Nikiforov S. D.

Institute for Physics of Microstructures RAS GSP-105, Nizhny Novgorod, 603950, Russia Ph.: 832-385536. e-mail: sha@ipm.sci-nnov.ru

Abstract – The creation opportunity of a subTHz range spectrometer for precision, non-stationary spectroscopy (with registration of a signal in time area) is shown on the basis of solid-state sources of radiation and multiplication of frequency with use of quantum semi-conductor superlattices.

I.                                         Introduction

The THz and subTHz frequency range is attractive for spectroscopic investigations, since many strong molecule lines lie in this range. It gives possibility of studying molecules which absorption lines in other frequency ranges are very weak (for example metalloorganic molecules). For analytical spectroscopy when frequencies of researched substances are well-known, narrow-band sources of radiation are sufficient. Despite of intensive development of this range THz spectroscopy can be hardly used for real applications, basically due to absence of suitable sources and receivers. The necessity of development of new THz sources is concerned with the fact, that the present emission sources (such as BWO) are extremely expensive and have large sizes and quite short time of operation. They operate in the frequency range from 100 up to 1000 GHz. Besides the BWO sources are not suitable for continuous measurements. Now there are two schemes to obtain subTHz and THZ radiation for spectroscopy: optical rectification [1] and photoconduc- tive antennas [2]. However the problem of frequency stability and bad resolution provides a fundamental limitation for these methods in high precision spectroscopy.

II.                                        Main Part

The traditional approach to obtain high-stabile generators is frequency multiplication of high-stable reference synthesizer. Over the last several years, the development of new device technologies and application of advanced integrated-circuit processing technique to frequency multiplier design have resulted in very good level of performance throughout subTHz frequency band [3]. However for a successful work in the THz region it is necessary to increase cutoff frequency of Schottky diodes that is quite difficult due to fundamental restrictions (high inertness of electron pass through an active zone and parasitic capacitances). The superlattice structures are more effective for frequency transformation and detection, since the lower values of inertness and parasitic capacitances and presence of negative differential conductivity (till 1 THz) on the volt-ampere characteristic [4]. A subTHz spectrometer is shown on Fig. 1. The source of radiation is Gann generator working at 76 GHz. Its fifth harmonic is obtained by means of multiplier on superlattice structures [5]. The spectrometer was applied for detection of the water line at 380 GHz (Fig. 2).

III.                                       Conclusion

Application of devices (multipliers and mixers) based on quantum semiconductor structures and solid state generators locked by reference synthesizer results in obtaining of subTHz radiation for analytical spectroscopy. This approach has been employed to elaborate time-domain, high precision spectrometer. In the paper we also present the results of spectrometer’s application for recording of water absorption line.

УПРАВЛЕНИЕ ВЫХОДНЫМ СИГНАЛОМ СИНХРОНИЗИРОВАННОГО ГЕНЕРАТОРА НА ПОЛЕВОМ ТРАНЗИСТОРЕ С БАРЬЕРОМ ШОТТКИ ИЗМЕНЕНИЕМ НАПРЯЖЕНИЯ ПИТАНИЯ

Усанов Д. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В.

Саратовский государственный университет им. Н. Г. Чернышевского г. Саратов, ул. Астраханская, д.83, 410012, Россия тел.: (+7) 8452 514563, e-mail: UsanovDA@info.sgu.ru Посадский В. Н., Тяжлов В. С.

НПЦ «Алмаз-Фазотрон» ул. Панфилова, д.1, 410033, Россия

Рис. 1. Эквивалентная схема генератора на полевом транзисторе с барьером Шоттки.

Fig. 1. Equivalent scheme of FET oscillator

Аннотация – Теоретически и экспериментально обосновано использование режима вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора, для реализации управления выходной мощностью СВЧ-генераторов на полевых транзисторах с барьером Шоттки путем изменения напряжения питания на активном элементе.

I.                                       Введение

Управление выходным сигналом полупроводниковых СВЧ-генераторов путем изменения напряжения питания с одной стороны является привлекательным, вследствие своей простоты [1-2], с другой стороны при его реализации возникает ряд трудностей. Например, для достижения глубокой амплитудной модуляции величина изменения напряжения смещения должна быть сравнима с величиной напряжения питания активного полупроводникового элемента. При этом наблюдается изменение стационарного электрического И теплового режимов работы активного элемента, которое может сопровождаться возникновением сложных динамических режимов, а именно: генерацией субгармоник, частотной и амплитудной модуляцией, хаотическими колебаниями [3-4].

Fig. 2. Calculated dependencies of the first harmonic power of the output signal on the supply voltage of FET oscillator

В настоящей работе исследуется возможность использования схемы вычитания когерентных сигналов: синхросигнала и выходного сигнала синхронизированного генератора [5-6], для реализации управления выходной мощностью полупроводниковых СВЧ-генераторов на ПТШ изменением напряжения питания на активном элементе при фиксированной частоте выходного сигнала.

II.                              Основная часть

Puc. 2. Расчетные зависимости мощности первой гармоники выходного сигнала от напряжения питания ПТШ.

Теоретический анализ работы генератора на арсенид-галлиевом полевом транзисторе с барьером Шоттки схеме вычитания когерентных сигналов основывался на математическом описании процессов в многоконтурной эквивалентной схеме, представленной на рис. 1. Эквивалентная схема транзистора [7-8] содержит четыре нелинейных элемента: емкость обедненной области Сд] диод D^, моделирующий омический ток затвора при прямых смещениях; эквивалентный генератор тока Id в цепи стока; диод D2, моделирующий эффект электрического пробоя между затвором и стоком при больших напряжениях на стоке. Остальные элементы схемы полевого транзистора – проходная емкость Cd, выходная емкость Cds, сопротивления R/, Rg, Rs, Rd – считаются линейными, т. е. не зависящими от величины входного сигнала. Транзистор включается в схему с помощью проволочных проводников с индуктивностями Lg, Ls, Ld. Внешняя обратная связь транзистора моделируется последовательным Cm, Lm, Rfb контуром. Цепи питания содержат источники питания Eg, Ed И дроссели Ц, /_2. СВЧ-цепь синхронизации состоит из источника переменного сигнала Е^, сопротивления Ro, емкости C^, и индуктивности /_о, а контур нагрузки содержит сопротивление нагрузки R/ и емкость Сг.

Эквивалентная схема описывалась системой из тринадцати дифференциальных уравнений, составленных с использованием законов Кирхгофа.

На рис. 2 представлены результаты расчета зависимости мощности первой гармоники выходного сигнала синхронизированного генератора на ПТШ Рм/Роот величины напряжения Eg при фиксированных значениях частоты синхросигнала f

Выбором частоты синхросигнала и диапазона изменения напряжения питания ПТШ может быть получен как монотонный, так и немонотонный характер зависимости выходной мощности от величины напряжения Eg при фиксированной частоте выходного сигнала.

В ходе экспериментальных исследований в одном из плеч мостовой схемы размещался источник синхросигнала, в качестве которого использовался СВЧ-генератор типа Г4-83, а в другом — генератор на ПТШ типа АП2004. На выходе мостовой схемы синхросигнал и выходной сигнал генератора на ПТШ суммировались на общей нагрузке. Результирующий сигнал контролировался с помощью анализатора спектра типа С4-27 и измерителя мощности типа МЗ- 51. Экспериментальные зависимости мощности первой гармоники выходного сигнала синхронизированного генератора от величины напряжения питания ПТШ при фиксированных значениях расстройки Af = f – /Ь частоты синхросигнала f от собственной частоты генератора на ПТШ /Ь представлены на рис. 3. Выбором величины расстройки Af и диапазона изменения напряжения питания ПТШ может быть получен как монотонный, так и немонотонный характер зависимости выходной мощности от величины напряжения питания ПТШ (рис. 3) при фиксированной частоте выходного сигнала. При этом чувствительность сигнала в нагрузке к изменению напряжения питания ПТШ может достигать 7.5 дБ/В.

Рис. 3. Экспериментальные зависимости мощности первой гармоники выходного сигнала от напряжения питания ПТШ.

Fig. 3. Experimental dependencies of the first harmonic of the output signal on the supply voltage of FET oscillator

III.                                  Заключение

Проведенные экспериментальные исследования и расчеты свидетельствуют о высокой чувствительности характеристик исследуемой СВЧ-схемы к изменению напряжения питания активного элемента генератора на ПТШ, что позволяет использовать её для реализации эффективного способа управления выходной мощностью путем изменения напряжения питания активного элемента при фиксированной частоте выходного сигнала.

Работа поддержана в рамках программы МОН РФ «Развитие научного потенциала высшей школы» коды проектов: 2.8.06 и 2.9.06, грантом 05-08-17924 а РФФИ, ГК № 02.435.11.7012, ГК № 02.444.11.7318.

[1]  Шур М. Современные приборы на основе арсенида галлия /Пер. с англ. М.: Мир, 1991. 632 с.

[2]  УсановД. А., Скрипаль А. В. Физика работы полупроводниковых приборов в схемах СВЧ. Саратов: Изд-во Сарат. ун-та, 1999. 376 с.

[3]  Muller О., Figel W. G. Stability Problems in Transistor Power Amplifiers. Proc. IEEE. 1967. Vol. 55, N 8. P. 1458-1466.

[4]  УсановД. A., Скрипаль A. S., Абрамов A. S., Клецов A. A. Нелинейность частотных характеристик полевого транзистора с барьером Шотки в режиме большого сигнала. Известия вузов. Электроника. 2003. № 5. С. 50-56.

[5]  УсановД. А., Горбатов С. С., Семенов А. А., Тупикин В. Д. Активные СВЧ-фильтры на полупроводниковых СВЧ- генераторах, работающих в режиме синхронизации. Приборы и техника эксперимента. 1991. № 5. С. 121-122.

[6]  УсановД. А., Скрипаль А. В., Абрамов А. В. Оптическое управление полупроводниковыми синхронизированными СВЧ-генераторами, работающими в схеме вычитания сигналов. Известия вузов. Электроника. 2002. № 5. С. 31-39.

[7]  Materka А., Kacprzak Т. Computer calculation of large- signal GaAs FET amplifier characteristics. IEEE Trans, on Microwave Theory and Techniques. – 1985. – Vol. MTT-33, №2.-P. 129-135.

[8]  Гринберг Г. С., Могилевская Л. Я., Хотунцев Ю. Л. Моделирование на ЭВМ нелинейных устройств на полевых транзисторах с барьером Шоттки. Радиотехника и электроника,- 1995,- т. 40, вып. 3. – С. 498 – 502.

VOLTAGE-CONTROLLED SYNCHRONIZED FET OSCILLATOR

Usanov D., Skripal A., Abramov A.

The Saratov State University by N. G. Chernyshevsky Astrahanskaya street, 83, Saratov, 410026, Russia Ph.. (+7) 8452 514563, e-mail: usanovda@info.sgu.ru

Abstract – Simple method for control of output power of FET-oscillators by changing the supply voltage of an active element when using the scheme with synchronized oscillator has been proved theoretically and experimentally.

I.                                        Introduction

The control of output signal of semiconductor micro-wave oscillators by the bias changing is the attractive method because of its simplicity [1-2] on the one hand, but on the other hand there are several difficulties, because all output characteristics of active elements in solid-state devices depend on the bias mode. In order to considerably change these characteristics wide-range bias change is required.

II.                                       Main Part

Theoretical analysis of FET-oscillator operation in the signals subtraction scheme was based on the use of equivalent scheme shown in Fig. 1. In experimental investigations FET oscillator AP2004 was used. The results of experimental investigations are shown in Fig. 3.

III.                                      Conclusion

Performed calculations and experimental investigations show the high sensitivity of characteristics of the scheme under investigation to the change of active element bias voltage. It allows using this scheme in order to control output power by changing the bias voltage at the fixed frequency of the output signal.

Источник: Материалы Международной Крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», 2006г. 

Оставить комментарий

микросхемы мощности Устройство импульсов питания пример приемника провода витков генератора выходе напряжение напряжения нагрузки радоэлектроника работы сигнал сигнала сигналов управления сопротивление усилитель усилителя усиления устройства схема теория транзистора транзисторов частоты