УМНОЖИТЕЛЬ ЧАСТОТЫ Российский патент 2025 года по МПК H03B19/16 H10D8/60 H01L21/34 

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для умножения частоты СВЧ-сигналов в системах связи, радиолокации, радионавигации, а также в различной измерительной и специальной радиоаппаратуре.

Основным элементом конструкции диодного умножителя частоты является нелинейный элемент - диод. С целью повышения эффективности преобразования входного сигнала в выходную гармонику в диодных умножителях частоты предлагаются не только различные схемотехнические решения (ненагруженные резонаторы, цепи автосмещения, цепи смещения для установки оптимальной рабочей точки диода, параллельное или последовательное включение встречно включенных диодов и др.), но и различные конструкции диодов, как минимизирующие паразитные емкости диодов, так и существенно изменяющие их вольт-фарадные характеристики.

Известен умножитель частоты, состоящий из двух неоднородно легированных встречно-последовательно соединенных диодов Шоттки, фильтра нижних частот, входной и выходной согласующих цепей, размещенных на кварцевой подложке, расположенной в разъемном волноводе из двух симметричных половинок [См. M. Krach, J. Freyer and M. Claassen, "Frequency Tripler with Anti-Serial Schottky Diodes," 2001 31st European Microwave Conference, London, UK, 2001, pp. 1-4, doi: 10.1109/EUMA.2001.339005]. Недостатками конструкции этого устройства являются низкая теплопроводность кварцевой подложки, что затрудняет работу с высоким уровнем входной мощности, отсутствие цепи смещения для установки оптимальной рабочей точки диодов на постоянном токе, высокие обратные потери, что приводит к невысокому значению КПД.

Известен умножитель частоты, содержащий входную и выходную согласующие цепи, диод Шоттки, монолитную интегральную схему СВЧ-усилителя, полосно-пропускающий фильтр [См. B. Biswas and A. Kumar, "A diode based millimeter wave frequency doubler," 2012 5th International Conference on Computers and Devices for Communication (CODEC), Kolkata, India, 2012, pp. 1-3, doi: 10.1109/CODEC.2012.6509279]. Особенностью конструкции является включение в состав умножителя частоты монолитной интегральной схемы СВЧ-усилителя для компенсации низкой эффективности преобразования входного сигнала в гармоники нелинейным элементом, однако устройство имеет низкий КПД.

Наиболее близким аналогом является умножитель частоты, содержащий разделительный конденсатор, фильтр нижних частот, входную и выходную цепи согласования, холостой резонатор, цепь смещения диода, варакторный диод, полосно-пропускающий фильтр [См. Bera, S. C. (2018) Microwave Frequency Multipliers. Microwave Active Devices and Circuits for Communication, 527-554. doi:10.1007/978-981-13-3004-9_17], принятый за прототип.

Недостатком конструкции-прототипа является низкий коэффициент преобразования при использовании в качестве варакторного диода типовых диодов Шоттки, не имеющих конструктивных особенностей, существенно влияющих на форму вольт-фарадной характеристики диода, что не позволяет данному устройству получить более высокий КПД.

Заявляемое техническое решение направлено на устранение недостатков аналогов и прототипа.

Техническим результатом заявляемого изобретения является увеличение КПД устройства.

Для достижения указанного технического результата в заявляемом умножителе частоты, содержащем разделительный конденсатор, входной фильтр нижних частот, входную и выходную согласующие цепи, ненагруженный резонатор, фильтр нижних частот цепи смещения, выходной полосно-пропускающий фильтр, используется особый нелинейный элемент. В конструкции заявляемого умножителя частоты нелинейным элементом является диод Шоттки с глубокими примесными центрами (ГПЦ), изготовленный на эпитаксиальном слое n-типа проводимости, образованном на подложке n⁺-типа, так, что эпитаксиальный слой n-типа проводимости дополнительно легирован глубокими примесными центрами акцепторного типа, при этом общая поверхностная плотность глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости составляет от 10 % до 99 % от поверхностной плотности ионизированной основной легирующей донорной примеси в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, причем поверхностная плотность ионизированных глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости при отсутствии напряжения, приложенного к диоду, составляет не менее 10 % от общей поверхностной плотности глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, а глубокие примесные центры акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости характеризуются постоянной времени ионизации не менее 10 наносекунд.

Сущность технического решения заключается в следующем. Известно, что высокой эффективностью преобразования обладают умножители частоты на основе диодов Шоттки с низкой кратностью умножения (удвоители и утроители частоты), работающие в режиме номинального возбуждения - при закрытом диоде. В таких умножителях частоты обогащение гармониками спектра входного сигнала осуществляется благодаря нелинейной зависимости барьерной емкости диода Шоттки от приложенного к нему запирающего напряжения, существенное влияние на которую могут оказывать глубокие примесные центры.

В конструкции заявляемого умножителя частоты предлагается применять диод Шоттки с глубокими примесными центрами акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, поскольку это приводит к увеличению ширины, обедненной основными носителями заряда приконтактной области полупроводника, способствуя уменьшению барьерной емкости, что в свою очередь приводит к увеличению добротности обратносмещенного диода Шоттки и КПД устройства на высоких частотах.

Для существенного влияния на вольт-фарадные характеристики диодов концентрации глубоких примесных центров в базовых областях диодов должны быть сопоставимы с концентрациями основных легирующих примесей, но не превышать их, поскольку это приведет к инверсии типа проводимости базового слоя. Этим обусловлен выбор поверхностной плотности глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости из диапазона от 10 % до 99 % от поверхностной плотности ионизированной основной легирующей донорной примеси в эпитаксиальном слое n-типа проводимости.

В конструкции заявляемого умножителя частоты предлагается применять диод Шоттки с глубокими примесными центрами акцепторного типа, у которого, при отсутствии напряжения, приложенного к диоду, поверхностная плотность ионизированных глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости составляет не менее 10 % от общей поверхностной плотности глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости. Это требование позволяет получать неоднородный эффективный концентрационный профиль ионизированных ГПЦ и при отличных от нуля запирающих диод напряжениях.

Глубокие примесные центры акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости диода Шоттки могут иметь различную постоянную времени ионизации , зависящую от атомов химических элементов легирующей примеси, которая формирует в запрещенной зоне эпитаксиального слоя n-типа проводимости глубокие энергетические уровни акцепторного типа. Если период колебаний гармонического входного напряжения, приложенного к диоду, превышает постоянную времени ионизации глубоких примесных центров акцепторного типа, то они будут успевать изменять свое зарядовое состояние в ответ на входное воздействие. В случае, если период колебаний гармонического входного напряжения, приложенного к диоду, много меньше постоянной времени ионизации глубоких примесных центров акцепторного типа, то их зарядовое состояние не успевает изменяться вслед за изменением напряжения на диоде, остается «замороженным», что оказывает существенное влияние на нелинейность его вольт-кулонной и вольт-фарадной характеристик. Большое значение постоянной времени ионизации глубоких примесных центров , которое, как правило, составляет не менее 10 наносекунд, позволяет «заморозить» их зарядовое состояние относительно быстро изменяющегося СВЧ-сигнала, что эквивалентно формированию в эпитаксиальном слое n-типа проводимости диода Шоттки эффективного концентрационного профиля ионизированных ГПЦ с достаточно резким изменением их концентрации. Таким образом, частота СВЧ-сигнала на входе умножителя частоты должна существенно превышать 1/.

Изобретение поясняется чертежами.

На фиг.1 приведена структурная схема умножителя частоты, где

1 - разделительный конденсатор;

2 - входной фильтр нижних частот;

3 - входная согласующая цепь;

4 - ненагруженный резонатор;

5 - диод Шоттки с глубокими примесными центрами;

6 - фильтр нижних частот цепи смещения;

7 - выходная согласующая цепь;

8 - выходной полосно-пропускающий фильтр.

На фиг.2 представлены зависимости максимального значения КПД устройства от напряжения смещения U_см, где кривая 1 соответствует заявляемому техническому решению, кривая 2 - устройству, взятому за прототип.

Устройство работает следующим образом.

Входной СВЧ-сигнал с частотой , (причем, >>) через разделительный конденсатор 1, фильтр нижних частот 2 и входную согласующую цепь 3 поступает на обратно-смещенный диод Шоттки с глубокими примесными центрами 5, где происходит обогащение спектра входного сигнала гармониками. При кратности умножения устройства, равной n, выделение умноженного сигнала частотой осуществляется с помощью выходной согласующей цепи 7 и полосно-пропускающего фильтра 8, настроенного на искомую n-ю гармонику. Умноженный сигнал с частотой снимается с выхода полосно-пропускающего фильтра 8. На диод Шоттки с глубокими примесными центрами 5, через фильтр нижних частот цепи смещения 6 подается постоянное, запирающее диод, напряжение смещения U_см, с помощью которого устанавливается наиболее оптимальный по КПД умножителя частоты режим работы диода Шоттки с глубокими примесными центрами 5.

Ненагруженный резонатор 4 служит для снижения потерь мощности в устройстве на отличных от входной и выходной гармониках и комбинационных частотах.

Согласующие цепи 3 и 7 обеспечивают согласование импедансов диода 5 на частотах и с выходным и входным импедансами подключенных к ним фильтров 2 и 8.

Пример. Было проведено математическое моделирование КПД умножителя частоты предлагаемой конструкции и конструкции-прототипа. Моделирование проводилось для умножителя частоты с кратностью умножения три с использованием специализированного программного обеспечения. Учитывая сравнительно низкие пробивные напряжения диодов Шоттки, для рассматриваемых диодов оно принималось равным 5 В.

Умножитель частоты на основе диода Шоттки с глубокими примесными центрами содержит разделительный конденсатор, входной фильтр нижних частот, входную и выходную согласующие цепи, ненагруженный резонатор, фильтр нижних частот цепи смещения, выходной полосно-пропускающий фильтр, кремниевый диод Шоттки с толщиной эпитаксиального слоя n-типа проводимости 1 мкм, образованного на подложке n⁺-типа толщиной 50 мкм, так, что эпитаксиальный слой кремния однородно легирован фосфором Р с концентрацией 1⋅10¹⁶ см^-3 и дополнительно индием In с концентрацией 9⋅10¹⁵ см^-3, а материалом подложки n⁺-типа является кремний, легированный фосфором Р с концентрацией 1⋅10¹⁸ см^-3.

Площадь контакта Шоттки 2500 мкм², сопротивление потерь диода 4 Ом, высота барьера Шоттки 0,7 В.

Индий In формирует в кремнии глубокие примесные центры акцепторного типа. Общая поверхностная плотность глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости составляет 90 % от поверхностной плотности ионизированной основной легирующей донорной примеси фосфора Р в эпитаксиальном слое n-типа проводимости. Поверхностная плотность ионизированных глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости при отсутствии напряжения, приложенного к диоду, составляет 99 %.

Постоянная времени ионизации глубоких примесных центров акцепторного типа, сформированных индием In в эпитаксиальном слое n-типа проводимости составляет 3000 наносекунд.

Прототип (умножитель частоты на основе диода Шоттки без глубоких примесных центров), содержит разделительный конденсатор, входной фильтр нижних частот, входную и выходную согласующие цепи, ненагруженный резонатор, фильтр нижних частот цепи смещения, выходной полосно-пропускающий фильтр, кремниевый диод Шоттки с толщиной эпитаксиального слоя n-типа проводимости 1 мкм, образованного на подложке n⁺-типа толщиной 50 мкм, так, что эпитаксиальный слой кремния однородно легирован фосфором Р с концентрацией 1⋅10¹⁶ см^-3, а материалом подложки n⁺-типа является кремний легированный фосфором Р с концентрацией 1⋅10¹⁸ см^-3.

Площадь контакта Шоттки 2500 мкм², сопротивление потерь диода 4 Ом, высота барьера Шоттки 0,7 В.

Результаты расчета максимального КПД для рассмотренных конструкций умножителей частоты при частоте входного СВЧ-сигнала ƒ=3 ГГц для различных напряжений смещения U_см приведены на фиг.2. Максимальное значение КПД умножителя частоты на основе диода Шоттки с глубокими примесными центрами достигает значения 0,55 (кривая 1), в то время как максимальное значение КПД прототипа составило 0,37 (кривая 2).

Предлагаемое техническое решение позволяет увеличить КПД устройства до 1,5 раз по сравнению с прототипом, что подтверждает достижение технического результата.

Изобретение относится к технике сверхвысоких частот и предназначено для умножения частоты СВЧ-сигналов в системах связи, радиолокации, радионавигации, а также в различной измерительной и специальной радиоаппаратуре. Техническим результатом является увеличение КПД устройства. Результат достигается тем, что умножитель частоты содержит разделительный конденсатор, входной фильтр нижних частот, входную и выходную согласующие цепи, ненагруженный резонатор, фильтр нижних частот цепи смещения, выходной полосно-пропускающий фильтр, нелинейный элемент, который выполнен в виде диода Шоттки с глубокими примесными центрами (ГПЦ), изготовленного на эпитаксиальном слое n-типа проводимости, образованном на подложке n⁺-типа, так, что эпитаксиальный слой n-типа проводимости дополнительно легирован глубокими примесными центрами акцепторного типа, при этом общая поверхностная плотность глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости составляет от 10 % до 99 % от поверхностной плотности ионизированной основной легирующей донорной примеси в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, причем поверхностная плотность ионизированных глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости при отсутствии напряжения, приложенного к диоду, составляет не менее 10 % от общей поверхностной плотности глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, а глубокие примесные центры акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости характеризуются постоянной времени ионизации не менее 10 наносекунд. 2 ил.

Умножитель частоты, содержащий разделительный конденсатор, входной фильтр нижних частот, входную и выходную согласующие цепи, ненагруженный резонатор, фильтр нижних частот цепи смещения, выходной полосно-пропускающий фильтр, нелинейный элемент, которым является полупроводниковый диод Шоттки, изготовленный на эпитаксиальном слое n-типа проводимости, образованном на подложке n⁺-типа, отличающийся тем, что эпитаксиальный слой n-типа проводимости дополнительно легирован глубокими примесными центрами акцепторного типа, при этом общая поверхностная плотность глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости составляет от 10 % до 99 % поверхностной плотности ионизированной основной легирующей донорной примеси в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, причем поверхностная плотность ионизированных глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости при отсутствии напряжения, приложенного к диоду, составляет не менее 10 % от общей поверхностной плотности глубоких примесных центров акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости, а глубокие примесные центры акцепторного типа в эпитаксиальном слое n-типа проводимости характеризуются постоянной времени ионизации τ не менее 10 наносекунд.