В смесителе могут использоваться полупроводниковые диоды различной конструкции. Качественное сравнение ВАХ трех разновидностей диодов иллюстрируется на рис. 3.4.
Исторически первые диоды изготавливались на базе контакта заостренной металлической иглы к полупроводниковому кристаллу. Такие диоды, называемые точечно-контактными (ТКД), используются до сих пор. Они характеризуются простотой конструкции, но имеют невысокую стабильность параметров и непригодны для работы при значительных механических нагрузках. Эти приборы имеют также малое пробивное напряжение и низкий максимально допустимый ток, т. е. характеризуются невысокой устойчивостью к перегрузкам.
Наиболее широко применяются диоды с барьером Шоттки (ДБШ), изготавливаемые методом вакуумного напыления контактного металла на полупроводник (обычно Si или GaAs); требуемая площадь контакта задается с использованием метода фотолитографии. Такие диоды имеют значительно более высокое напряжение пробоя и хорошую стабильность характеристик.
Третий вариант структуры – обращенный диод (ОД), который является разновидностью туннельного диода и будет подробнее рассмотрен в разделе 5.3. Его достоинством является максимальная нелинейность вблизи точки нулевого смещения, поэтому он может эффективно работать при минимальной мощности гетеродина (рабочая ветвь ВАХ формируется за счет туннельного тока). Кроме этого, благодаря сильному легированию p- и n‑областей диод имеет низкие сопротивления пассивных областей и контактов, являющиеся компонентами паразитного последовательного сопротивления Rs, что обеспечивает снижение потерь и уровня шума. Недостатками являются сложная технология и малое обратное напряжение, при котором возникают недопустимые перегрузки.
Рассмотрим один из распространенных вариантов конструкции смесительного диода. Разрез участка структуры GaAs диода на n+-подложке, легированной Si с концентрацией 3×1018 см–3, показан на рис. 3.5.
n+-GaAs
Pt + Au
SiO2
n-эпи
Ni + Id Au
0,1 мкм
0,4 мкм
Рис. 3.5. Разрез участка структуры смесительного диода
Вид области изготовленной пластины с диодами так называемой «сотовой» конструкции приведен на рис. 3.6.
Рис. 3.6. Область пластины, подготовленной к шлифованию и разделению на кристаллы
– Электролитическое осаждение в канавки металла омического контакта Ni + Au.
– Вскрытие в окисле отверстий диаметром 2 мкм методом фотолитографии, нанесение металла для формирования барьера Шоттки.
– Приклеивание смолой, шлифование нижней поверхности.
– Растворение смолы, разделение пластины на «чипы» с размерами порядка 100 мкм.
Сформированные таким образом кристаллы имеют на лицевой поверхности набор анодов диодных структур с общим омическим контактом на боковых гранях. После монтажа кристалла можно с помощью контактной иглы выбрать один (или более) диод с наиболее подходящими параметрами. Пример бескорпусного диода, включенного в разрыв проводника микрополосковой линии, приведен на рис. 3.7.
МПЛ
Подложка
Пайка
Рис. 3.7. Кристалл с диодными структурами, смонтированный в планарную схему смесителя
Наличие омического контакта на боковой грани кристалла позволяет сократить длину проволочного вывода, что снижает паразитную индуктивность прибора.
Пример балансного смесителя 3-мм диапазона длин волн представлен на рис. 3.8. В ней использованы 2 одинаковых диода «сотовой» конструкции, имеющие емкость около 1×10–14 Ф и последовательное сопротивление 5 Ом, что обеспечивает их работоспособность до частот порядка 1000 ГГц.
А
А
fс
fг
fпр
Ф2
Ф1
Кварц
а)
А - А
б)
0,12
1,2
в)
Ф2
f, ГГц
2fг
49,3
1,4
P
Ф1
fс
fпр
fг
Рис. 3.8. Балансный смеситель с накачкой на субгармонике
Планарная схема смесителя изготовлена на кварцевой подложке, смонтированной в прямоугольном волноводе, и содержит 2 фильтра нижних частот (ФНЧ), как показано на рис. 3.8, а. Разрез линии «с подвешенной подложкой» в сечении АА приведен на рис. 3.8, б, размеры даны в миллиметрах. Входной сигнал и сигнал гетеродина подаются по прямоугольным волноводам, снабженным короткозамыкающими поршнями для оптимизации их связи со схемой смесителя.
Спектр рабочих частот устройства представлен на рис. 3.8, в, где указаны также граничные частоты двух ФНЧ. Они подобраны таким образом, чтобы входной сигнал не проходил дальше диодов, а сигнал гетеродина подавался только на диоды, но не поступал на выход устройства, куда пропускается только выходной сигнал на промежуточной частоте. Просачивание сигнал гетеродина в волновод входного сигнала подавляется за счет правильного выбора размеров его сечения.
В данном случае связь между рабочими частотами смесителя удовлетворяет соотношению
.
(3.5)
Как видно из указанных значений, промежуточная частота снижена почти на 2 порядка относительно частоты входного сигнала, что существенно облегчает дальнейшее усиление с помощью блока УПЧ. Для смешения используется вторая гармоника сигнала гетеродина, т. е. для «накачки» требуется генератор с частотой, примерно равной fс / 2 (половинной субгармонике входного сигнала), что также облегчает его создание.
Диоды включены таким образом, что полезный сигнал смесителя удваивается, а часть побочных гармонических составляющих и связанные с ними шумы погашаются при одинаковых характеристиках приборов. За счет этого в балансном смесителе удается снизить потери преобразования и повысить отношение сигнал/шум. В рассматриваемом устройстве, несмотря на высокую частоту сигнала, удается достичь значения потерь преобразования 4 дБ.
.
