Вакс В л, Панін А Н, * Павельєв Д Г, * Кошурінов Ю І, Нікіфоров С Д Інститут фізики мікроструктур Російської Академії наук ГСП-105, м Нижній Новгород, 603950, Росія тел: 832-385536, e-mail: vax@ipmsci-nnovru * Нижегородський державний Університет ім Лобачевського Проспект Гагаріна, 23, м Нижній Новгород, 603950, Росія

Анотація – Показана можливість створення спектрометра субТерагерцового діапазону для прецизійної, нестаціонарної (з реєстрацією сигналу у часовій області) спектроскопії на основі твердотільних джерел випромінювання і множення частоти з використанням квантових напівпровідникових надграток

I                                       Введення

Терагерцовий і субТерагерцовий (ТГц і субТГц) частотні діапазони є привабливими для спектроскопічних досліджень, так як сильні лінії поглинання багатьох молекул лежать в цьому діапазоні Це дає можливість вивчення молекул, лінії поглинання яких в інших діапазонах є дуже слабкими (наприклад, металлорганіче-ські молекули) Для аналітичної спектроскопії, коли частоти досліджуваних речовин добре відомі, достатньо вузькосмугових джерел випромінювання Незважаючи на інтенсивне освоєння цього діапазону ТГц спектроскопія насилу може бути використана для реальних додатків, в основному через відсутність відповідних джерел і приймачів Необхідність розробки нових ТГц джерел повязана з тим, що існуючі в даний час традиційні джерела, такі як лампа зворотної ХВИЛІ, працюють в діапазоні 100-1000 ГГц, дуже дороги, мають великі розміри, досить невеликий час експлуатації і вимагають високовольтного живлення Інший напрям отримання джерел ТГЦ і субТГц повязане з використанням лазерів на вільних електронах Лазери застосовуються як перебудовувані джерела потужного ТГц випромінювання Але, за великих розмірів і вартості, недостатньою стабільності частоти їх застосування обмежене лабораторією Зараз у спектроскопії для генерації ТГц випромінювання застосовується метод оптичної ректифікації [1] або фотопровідні антени [2] Проблема стабільності частоти і спектрального дозволу (вдається домогтися дозволу порядку 1 см ^) створюють обмеження для застосування цих методу в прецизійних спектроскопічних вимірах Для таких вимірів необхідно поліпшити спектральний дозвіл і стабільність частоти Спектроскопічні вимоги до характеристик джерела випромінювання визначаються доплив-Ровський дозволом і можливістю вимірювання частоти з точністю ΊΟ ^ -10 ^ °

II                              Основна частина

Традиційний підхід для створення високостабільних перебудовуються за частотою генераторів (синтезаторів частот) – це множення частоти високостабільного опорного генератора Розвиток нових технологій У Протягом останніх декількох років і застосування сучасної техніки заснованої на інтегральних схемах призвело до створення до високого рівня виконання умножителей протягом усього субТГц діапазону [3] Ці помножувачі, в основному, базуються на застосуванні діодів Шоттки Однак, для успішної роботи в субТГц діапазоні необхідно збільшити граничну частоту діодів Шоттки, що вкрай важко через фундаментальних обмежень (висока інертність прольоту електронів активної області і паразитні ємності) Зазначені проблеми долаються за рахунок використання структур на квантових напівпровідникових сверхрешетках (ПС) Вони є більш ефективні для перетворення частоти і детектування, так як в даному випадку, по-перше, інертність і паразитні ємності стають менше По-друге, сверхрешетки володіють також вольтампер-ної характеристикою з негативною диференціальною провідністю, яка зберігається аж до частот вище 1 ТГц [4]

Рис 1 СубТГц спектрометр з використанням генератора Гана мм діапазону довжин хвиль

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

Ha Рис1 представлений спектрометр субТГц діапазону частот Джерелом випромінювання є генератор Гана, що працює на частоті 76 ГГц Пята гармоніка цього генератора, виходить за допомогою помножувача на ПС [5] Даний спектрометр був використаний для виявлення ліній води поблизу 380 ГГц (Рис2)

III                                  Висновок

Використання приладів (помножувачі, змішувачі) на квантових напівпровідникових сверхрешетках і твердотільних синхронізованих по опорному джерелу генераторів дозволило отримати випромінювання субТГц частотного діапазону для аналітичної спектроскопії Даний підхід був використаний для реалізації нестаціонарного, прецизійного спектрометра У докпаде так само представлені результати застосування цього спектрометра для реєстрації ліній води

Рис 2 Профіль лінії поглинання води поблизу 380 ГГц

Fig 2 Absorption iine of water at 380 GHz

IV                           Список літератури

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

[2] Zhang XC, Hu BB, Darrow J Т, Auston DHH 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, V13, N2, (2003), 429-456

[4] Вакс В, Кошурінов Ю, Павельєв Д, Панін А «Розробка і створення системи фазової синхронізації в субтера-герцовоі і терагерцевому частотних діапазонах» Известия ВУЗів, Радиофизика, V XLVIII, № 10-11, 933, 2005

[5] R Scheuerer, М Haeussler, К F Renk, Е Schomburg, Yu Koschuhnov, DG Pavelev, 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@ipmsci-nnovru

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

УПРАВЛІННЯ вихідні сигнали синхронізованих ГЕНЕРАТОРА НА польові транзистори з БАРЄРОМ Шотткі зміни напруги живлення

Усанов Д А, Скрипаль А В, Абрамов А В

Саратовський державний університет ім Н Г Чернишевського м Саратов, вул Астраханська, д83, 410012, Росія тел: (+7) 8452 514563, e-mail: UsanovDA@infosguru Посадський В Н, Тяжлов В С

НВЦ «Алмаз-Фазотрон» вул Панфілова, буд1, 410033, Росія

Рис 1 Еквівалентна схема на польовому транзисторі з барєром Шоттки

Fig 1 Equivalent scheme of FET oscillator

Анотація – Теоретично і експериментально обгрунтовано використання режиму віднімання когерентних сигналів: синхросигналу і вихідного сигналу синхронізованого генератора, для реалізації управління вихідний потужністю НВЧ-генераторів на польових транзисторах з барєром Шоттки шляхом зміни напруги живлення на активному елементі

I                                       Введення

Управління вихідним сигналом напівпровідникових СВЧ-генераторів шляхом зміни напруги живлення з одного боку є привабливим, внаслідок своєї простоти [1-2], з іншого боку при його реалізації виникає ряд труднощів Наприклад, для досягнення глибокої амплітудної модуляції величина зміни напруги зсуву повинна бути порівнянна з величиною напруги живлення активного напівпровідникового елементу При цьому спостерігається зміна стаціонарного електричного І теплового режимів роботи активного елементу, яка може супроводжуватися виникненням складних динамічних режимів, а саме: генерацією субгармонік, частотної та амплітудної модуляцією, хаотичними коливаннями [3-4]

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

У справжній роботі досліджується можливість використання схеми віднімання когерентних сигналів: синхросигналу і вихідного сигналу синхронізованого генератора [5-6], для реалізації управління вихідний потужністю напівпровідникових СВЧ-генераторів на ПТШ зміною напруги живлення на активному елементі при фіксованій частоті вихідного сигналу

II                              Основна частина

Puc 2 Розрахункові залежності потужності першої гармоніки вихідного сигналу від напруги живлення ПТШ

Теоретичний аналіз роботи генератора на арсенід-галієві польовому транзисторі з барєром Шоттки схемою віднімання когерентних сигналів грунтувався на математичному описі процесів в багатоконтурною еквівалентної схемою, представленої на рис 1 Еквівалентна схема транзистора [7-8] містить чотири нелінійних елемента: ємність збідненої області Сд] діод D ^, що моделює омічний ток затвора при прямих зсувах еквівалентний генератор струму Id в ланцюзі стоку діод D2, моделюючий ефект електричного пробою між затвором і стоком при великих напругах на стоці Інші елементи схеми польового транзистора – Прохідна ємність Cd, вихідна ємність Cds, опору R /, Rg, Rs, Rd – вважаються лінійними, тобто не залежними від величини вхідного сигналу Транзистор включається в схему за допомогою дротяних провідників з індуктивностями Lg, Ls, Ld Зовнішня зворотний звязок транзистора моделюється послідовним Cm, Lm, Rfb контуром Ланцюги харчування містять джерела живлення Eg, Ed І дроселі Ц, / _2 СВЧ-ланцюг синхронізації складається з джерела змінного сигналу Е ^, опору Ro, ємності C ^, й індуктивності / _Про, а контур навантаження містить опір навантаження R / і ємність Сг

Еквівалентна схема описувалася системою з тринадцяти диференціальних рівнянь, складених з використанням законів Кірхгофа

На рис 2 представлені результати розрахунку залежності потужності першої гармоніки вихідного сигналу синхронізованого генератора на ПТШ Рм / Роот величини напруги Eg при фіксованих значеннях частоти синхросигналу f

Вибором частоти синхросигналу і діапазону зміни напруги живлення ПТШ може бути отриманий як монотонний, так і немонотонний характер залежності вихідної потужності від величини напруги Eg при фіксованій частоті вихідного сигналу

У ході експериментальних досліджень в одному з плечей мостової схеми розміщувався джерело синхросигналу, в якості якого використовувався СВЧ-генератор типу Г4-83, а в іншому – генератор на ПТШ типу АП2004 На виході мостової схеми синхросигнал і вихідний сигнал генератора на ПТШ підсумовувалися на загальному навантаженні Результуючий сигнал контролювався за допомогою аналізатора спектра типу С4-27 і вимірювача потужності типу МЗ-51 Експериментальні залежності потужності першої гармоніки вихідного сигналу синхронізованого генератора від величини напруги живлення ПТШ при фіксованих значеннях расстройки Af = f – / Ь частоти синхросигналу f від власної частоти генератора на ПТШ / Ь представлені на рис 3 Вибором величини расстройки Af і діапазону зміни напруги живлення ПТШ може бути отриманий як монотонний, так і немонотонний характер залежності вихідної потужності від величини напруги живлення ПТШ (рис 3) при фіксованій частоті вихідного сигналу При цьому чутливість сигналу в навантаженні до зміни напруги живлення ПТШ може досягати 75 дБ / В

Рис 3 Експериментальні залежності потужності першої гармоніки вихідного сигналу від напруги живлення ПТШ

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

III                                  Висновок

Проведені експериментальні дослідження і розрахунки свідчать про високу чутливість характеристик досліджуваної СВЧ-схеми до зміни напруги живлення активного елемента генератора на ПТШ, що дозволяє використовувати її для реалізації ефективного способу управління вихідною потужністю шляхом зміни напруги живлення активного елемента при фіксованій частоті вихідного сигналу

Робота підтримана в рамках програми МОН РФ «Розвиток наукового потенціалу вищої школи» коди проектів: 2806 і 2906, грантом 05-08-17924 а РФФД, ГК № 02435117012, ГК № 02444117318

[1] Шур М Сучасні прилади на основі арсеніду галію / Пер з англ М: Світ, 1991 632 с

[2] УсановД А, Скрипаль А В Фізика роботи напівпровідникових приладів в схемах СВЧ Саратов: Изд-во Сарат ун-ту, 1999 376 с

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

[4] УсановД A, Скрипаль AS, Абрамов AS, Клецов AA Нелінійність частотних характеристик польового транзистора з барєром Шотки в режимі великого сигналу Известия вузів Електроніка 2003 № 5 С 50-56

[5] УсановД А, Горбатов С С, Семенов А А, Тупікін В Д Активні НВЧ-фільтри на напівпровідникових СВЧ-генераторах, що працюють в режимі синхронізації Прилади й техніка експерименту 1991 № 5 С 121-122

[6] УсановД А, Скрипаль А В, Абрамов А В Оптичне управління напівпровідниковими синхронізованими СВЧ-генераторами, що працюють у схемі віднімання сигналів Известия вузів Електроніка 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] Грінберг Р С, Могилевська Л Я, Хотунцев Ю Л Моделювання на ЕОМ нелінійних пристроїв на польових транзисторах з барєром Шоттки Радіотехніка та електроніка, – 1995, – т 40, вип 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@infosguru

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

Джерело: Матеріали Міжнародної Кримської конференції «СВЧ-техніка і телекомунікаційні технології», 2006р