Моделирование и автоматизированное проектирование широкополосных преобразователей частоты

Министерство образования и науки Российской Федерации

НОВОСИБИРСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Г.Н. ДЕВЯТКОВ

МОДЕЛИРОВАНИЕ 

И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ 

ПРОЕКТИРОВАНИЕ
ШИРОКОПОЛОСНЫХ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

ЧАСТОТЫ

Утверждено редакционно-издательским советом университета

в качестве учебного пособия

НОВОСИБИРСК

2010

УДК 621.372.632.018.424(075.8)

Д 259

Рецензенты:

д-р техн. наук, проф. В.П. Разинкин;

доц. Н.И. Коржавин

Работа выполнена на кафедре конструирования

и технологии радиоэлектронных средств

Девятков Г.Н.

Д 259
Моделирование и автоматизированное проектирование ши
рокополосных преобразователей частоты : учеб. пособие / 
Г.Н. Девятков. – Новосибирск : Изд-во НГТУ, 2010. – 68 с.

ISBN 978-5-7782-1345-6

Изложены матричные модели идеального и реального диодов с 

приоткрыванием p–n-перехода, а также методы автоматизированного 
синтеза согласующее-фильтрующих цепей широкополосных преобразователей частоты. Рассмотрено необходимое программное обеспечение для их проектирования на персональных ЭВМ.

Предназначено для студентов старших курсов радиотехнических 

специальностей.

УДК 621.372.632.018.424(075.8)

Девятков Геннадий Никифорович

МОДЕЛИРОВАНИЕ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ

ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

Учебное пособие

Редактор Т.П. Петроченко

Выпускающий редактор И.П. Брованова

Дизайн обложки А.В. Ладыжская

Компьютерная верстка Л.А. Веселовская

___________________________________________________________________________________

Подписано в печать 09.03.2010. Формат 60 × 84  1/16. Бумага офсетная. Тираж 100 экз.

Уч.-изд. л. 3,95.  Печ. л. 4,25.  Изд. №  3.  Заказ №                Цена договорная

___________________________________________________________________________________

Отпечатано в типографии

Новосибирского государственного технического университета

630092, г. Новосибирск, пр. К. Маркса, 20

ISBN 978-5-7782-1345-6 
© Девятков Г.Н., 2010
© Новосибирский государственный 

технический университет, 2010 

ВВЕДЕНИЕ

Тенденцией развития современных полупроводниковых приемопе
редающих систем является непрерывное продвижение в верхнюю 
часть СВЧ диапазона, повышение требований к уровню преобразуемой 
мощности, ширине полосы рабочих частот, надежности и технологичности при одновременном уменьшении веса и габаритов. Этому в значительной мере способствовал прогресс твердотельной технологии, 
который привел к созданию новых типов электронных приборов и к 
возможности проектирования новых схем и систем в гибридноинтегральном и полупроводниковом исполнении. 

Одним из распространенных устройств подобных систем являются 

широкополосные преобразователи частоты на диодах (умножители, 
делители, смесители и т. д.), которые используются при создании 
мощных и малошумящих источников колебаний, способных работать с 
достаточно высокими коэффициентами преобразования мощности в 
передающих полупроводниковых трактах верхней части санти-, милии субмиллиметрового диапазонов частот, и существенно влияют на 
параметры систем в целом. 

Следует отметить, что анализ и синтез разрабатываемых инте
гральных схем ВЧ и СВЧ диапазонов, а также устройств и систем на 
их основе неизбежно должны быть более детальными и точными, поскольку их изготовление обходится дорого и требует больших затрат 
времени. В связи с этим их изменение и корректировку следует рассматривать как крайнее средство. Этот фактор, а также необходимость 
учета значительного числа факторов, обусловленных спецификой СВЧ 
диапазона, большая сложность интегральных схем порождают, в свою 
очередь, необходимость использования современных ЭВМ для их эффективного и качественного проектирования.

В отечественных и зарубежных публикациях, посвященных преоб
разователям частоты на диодах, затрагиваются в основном вопросы, 
связанные с методами их анализа и расчета, где в большей степени 
внимание уделяется нелинейному элементу. Проблема же автоматизи

рованного синтеза преобразователей частоты как единого целого, особенно широкополосных, решена далеко не полностью.

В настоящем пособии, подготовленном в основном по результатам 

научной и методической работы автора, с единых позиций рассматриваются вопросы моделирования и автоматизированного проектирования широкополосных преобразователей частоты на диодах с приоткрыванием p–n-перехода.

1. ОСНОВЫ РАБОТЫ И ПОСТРОЕНИЯ

ШИРОКОПОЛОСНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 

ЧАСТОТЫ НА ДИОДАХ С ПРИОТКРЫВАНИЕМ

p–n-ПЕРЕХОДА И ИХ РАБОЧИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

1.1. Преобразовательный диод, его режимы работы

и основные параметры

В современных радиотехнических системах параметрического уси
ления и преобразования частоты верхней части санти-, мили- и субмиллиметрового диапазонов частот в качестве мощных и малошумящих источников колебаний, способных работать с достаточно высоким 
коэффициентом преобразования мощности, широко применяются параметрические преобразователи частоты (умножители, смесители), где 
в качестве нелинейных элементов используются диоды с нелинейной 
емкостью p–n-перехода: варакторные диоды, диоды с накоплением заряда и резким восстановлением обратного сопротивления (ДНЗ), диоды с эффектом смыкания перехода (ЭСП-диоды) [1]. Упрощенная эквивалентная схема диода, работающего при отрицательном смещении, 
представлена на рис. 1.1, где 
( )
C u
– нелинейная емкость p–n
перехода; 
sR – эквивалентное сопротивление потерь в толще полупро
водника. Нелинейная полупроводниковая емкость является некоторым 
эквивалентом, используемым для описания нелинейной зависимости 

объемного заряда диода от приложенного 
напряжения.

В диоде различают барьерную (при 

приложении к диоду обратного напряжения) и диффузионную (при приложении к 
диоду прямого напряжения) емкости. 
Рис. 1.1. Эквивалентная

схема диода

Барьерная емкость p–n-перехода. Зависимость изменения емкости 

p–n-перехода диода от величины обратного напряжения имеет вид

0
0

0

(1
/
)
( )
(1
/
)

C
E
C u
u

,                                  (1.1)

где u – обратное напряжение, приложенное к диоду; 
0 – контактная 

разность потенциалов, т. е. напряжение на переходе при отсутствии 
внешнего напряжения; E – напряжение внешнего смещения; 
0
C
–

емкость перехода при u
E (приводится в справочных данных на ди
од); 
– коэффициент, характеризующий степень нелинейности барь
ерной емкости (
1/ 2 при резком переходе и 
1/ 3 при плавном 

переходе).

Диффузионная емкость p–n-перехода. При приложении к диоду 

прямого напряжения, близкого к 
0, переход приоткрывается и через 

него протекает значительный прямой ток, обусловленный диффузией 
неосновных носителей, что приводит к возникновению избыточной 
концентрации неосновных носителей заряда в области, близкой к p–nпереходу (имеет место так называемое явление накопления заряда), 
что может быть отождествлено с наличием большой емкости, получившей название диффузионной. Она экспоненциально увеличивается 
с ростом положительного напряжения на p–n-переходе, прямо пропорциональна прямому току и времени жизни неосновных носителей 
p,

определяющих потери на рекомбинацию и нижнюю границу частотного диапазона эффективного преобразования частоты 
н
p
1/
.
f 
Уже 

при небольших положительных напряжениях на диоде величина диффузионной емкости может на несколько порядков превышать барьерную емкость на p–n-переходе. Таким образом, режим приоткрывания 
p–n-перехода характеризуется существенным изменением его емкости 
при переключении из запертого состояние в открытое и обратно, что 
способствует интенсивной генерации гармоник.

Явление резкого восстановления обратного сопротивления. 

При приложении к диоду обратного напряжения в течение некоторого 
конечного интервала времени неосновные носители, накопленные при 
прямом напряжении, поддерживают проводящее состояние p–nперехода и поэтому напряжение на p–n-переходе не может измениться 
скачком. По мере рекомбинации неосновных носителей заряда с ос

новными их концентрация на границе p–n-перехода уменьшается до 
некоторого равновесного значения и сопротивление p–n-перехода по 
мере исчезновения остаточного заряда начинается процесс быстрого 
восстановления обратного сопротивления p–n-перехода, длящийся в 
течение времени 
в, что приводит к дополнительным потерям мощно
сти. Это связано с постепенным рассасыванием остаточного заряда 
через большое сопротивление закрывающегося перехода. Время восстановления обратного сопротивления p–n-перехода 
в определяет 

верхнюю границу частотного диапазона эффективного преобразования 
частоты 
в
в
1/
.
f 

Таким образом, когда явление накопления заряда сопровождается 

эффектом резкого восстановления обратного сопротивления p–nперехода, наряду с диффузионной емкостью появляется качественно 
новый нелинейный эффект и диод в этом режиме можно представить 
элементом с резко нелинейной емкостью, что усиливает интенсивную 
генерацию гармоник основного сигнала.

Отсюда следует, что диоды могут работать в двух основных режи
мах: в режиме запертого и в режиме с приоткрыванием p–n-перехода.

В режиме запертого p–n-перехода механизм преобразования часто
ты связан только с нелинейной зависимостью барьерной емкости. При 
этом преобразование частоты возможно на частотах 

пр

min

1

2
s

f
f
R C
,   
(1.2)

где 
пр
f
– предельная частота; 
min
С
– минимальная емкость, опреде
ляемая по формуле (1.1), при значении u , равном пробивному напряжению p–n-перехода. Предельная частота характеризует степень приближения диода к идеальной нелинейной емкости без потерь на 
рабочей частоте. Потери в преобразователе частоты в основном определяются добротностью диода 
пр
вх
=
/
Q
f
f . Из соображений уменьше
ния потерь необходимо, чтобы предельная частота диода была, по 
крайней мере, в 10 раз больше максимальной рабочей частоты преобразователя.

В режиме с приоткрыванием p–n-перехода, как видно из рассмот
ренного выше, эффективное преобразование возможно в диапазоне 
частот, ограниченном 
нf
и 
в :
f

н
в
f
f
f .                                           (1.3)

Важной характеристикой диода является уровень преобразуемой мощности 
вх
P . В режиме запертого перехода значение 
вх
P
ограничено, с 

одной стороны, нормализованной мощностью 
норм
P
, характеризующей 

максимальную мощность на диоде при отсутствии пробоя

2

0
пр

норм

(
)

s

u
P
R
,                                   (1.4)

где 
пр
u
– пробивное напряжение, а с другой – максимальной мощно
стью 
max
P
на диоде при отсутствии теплового пробоя:

рас

max
1
p

P
P
K
.                                        (1.5)

Здесь 
рас
P
– мощность рассеяния диода; 
p
K
– коэффициент передачи 

мощности. 
норм
P
характеризует способность диода выдерживать воз
действие высоких уровней мощности. Чем больше нормированная 
мощность диода, тем большая по величине мощность основной частоты может быть преобразована в мощность выходной частоты преобразователя.

Стремясь повысить коэффициент передачи мощности, разработчи
ки, как правило, выбрают диоды с большей добротностью. Это приводит к тому, что ограничение по мощности чаще всего накладывается 
пробивным напряжением.

Таким образом, режим запертого p–n-перехода характеризуется 

сравнительно небольшим уровнем преобразуемой мощности и резким 
уменьшением коэффициента преобразования мощности с увеличением 
коэффициента умножения входной частоты.

В режиме работы диода с приоткрыванием p–n-перехода, как отме
чалось выше, появляется возможность значительного увеличения, вопервых, уровня преобразуемой мощности при некотором повышении и 
коэффициента преобразования мощности, во-вторых, однокаскадной 
генерации высокочастотных гармоник.

Диоды, предназначенные для преобразования частоты, изготовля
ются, как правило, с пробивными напряжениями, лежащими в диапа

зоне 6…120 В, различных номиналов емкости и добротности. Исходным материалом для изготовления диодов служит кремний и арсенид 
галлия. 

Кремниевые диоды широко используются в диапазоне частот до 

10 ГГц. Использование их на частотах выше 10 ГГц энергетически невыгодно из-за снижения коэффициента преобразования по мощности. 
Здесь целесообразнее использовать диоды, изготовленные на основе 
арсенида галлия.

Основные паспортные параметры диодов 
1. Емкость перехода 
0
C при определенном обратном напряжении, 

приложенном к диоду.

2. Показатель, характеризующий степень нелинейности барьерной 

емкости 
.

3. Эквивалентное сопротивление потерь в толще полупроводника 
sR .

4. Пробивное напряжение диода 
пр
u
.

5. Предельная частота 
пр
f
.

6. Мощность рассеяния диода 
рас
P
.

6. Время жизни неосновных носителей 
p .

7. Время восстановления обратного сопротивления p–n-перехода 
в .

Перечисленные параметры позволяют вполне обоснованно подой
ти к выбору диода при решении конкретных задач и найти его оптимальный режим работы.

1.2. Схемы преобразователей частоты 

При воздействии гармонического входного сигнала на нелинейный 

элемент – диод в преобразователе частоты в спектре колебаний появляются дополнительные частотные составляющие и с помощью 
фильтра в нагрузке может быть выделена интересующая нас гармоника. Для этих целей применяют многоконтурные схемы, различающиеся 
по способу включения диода, которое может быть параллельным или 
последовательным [2]. 

В первом случае фильтрующие цепи состоят из последовательных 

контуров (рис. 1.2, а) и обеспечивают протекание через диод заданных 
гармоник тока, во втором – из параллельных (рис. 1.2, б) и обеспечивают на диоде напряжение, содержащее заданные гармонические составляющие. 

а             
б

Рис. 1.2. Схемы преобразователей частоты:

а – параллельная; б – последовательная

Сравнительный анализ показывает, что схемы параллельного и по
следовательного типов близки по энергетическим характеристикам. 
Тем не менее при практической реализации широкополосных преобразователей частоты каждая из этих схем имеет свои преимущества и 
недостатки. Последовательная схема обеспечивает более простое 
включение нелинейных элементов в микрополосковую линию и реализацию высокодобротных резонансных контуров. Параллельная схема 
дает существенное упрощение конструкции теплоотвода, так как один 
из электродов диода заземлен, имеет меньшие омические потери за 
счет того, что через диод протекают только заданные гармоники тока, 
и позволяет более просто учесть при расчете линейной части схемы 
паразитные параметры корпуса диода. Преимущества параллельной 
схемы и определяют более широкое ее распространение при построении мощных преобразователей частоты.

В обоих типах схем с целью существенного повышения коэффици
ента преобразования мощности в высокократных преобразователях 
частоты могут вводиться дополнительные, «холостые», контуры 
(рис. 1.3), обеспечивающие протекание через нелинейный элемент токов промежуточных гармоник. В этом случае больший коэффициент 
передачи мощности по сравнению с результатом прямого преобразования достигается за счет передачи мощности через промежуточные 
гармоники.

Рис. 1.3. Преобразователь частоты

с дополнительным контуром