Микроэлектронный и оптоэлектронный принципы построения полупроводникового преобразователя частоты сверхвысокочастотного диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат технических наук Белкин, Леонид Михайлович

• Белкин, Леонид Михайлович
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Белкин, Леонид Михайлович

ОГЛАВЛЕНИЕ

Список сокращений

Введение

1. Принципы построения и тенденции развития преобразователей частоты сигналов СВЧ диапазона

1.1. Микроэлектронный преобразователь частоты СВЧ диапазона

1.2. Оптоэлектронный преобразователь частоты сигналов СВЧ диапазона37

1.3. Выводы

2. Моделирование и анализ резистивного микроэлектронного смесителя диапазона крайне высоких частот

2.1. Разработка модели гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме

2.2. Моделирование принципиальной схемы и расчет основных характеристик смесителя с накачкой на двукратной частоте гетеродина

Резистивный смеситель с ГПТ в диодном включении

Резистивный смеситель на основе ГПТ

Сравнение разработанных моделей резистивного смесителя с различным включением активных элементов

2.3. Резистивный смеситель на основе транзисторов, разработанных фирмой UMS, Франция

2.4. Выводы

3. Моделирование и анализ оптоэлектронного смесителя диапазона сверхвысоких частот

3.1. Моделирование динамических характеристик полупроводникового

лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ диапазоне

2

Бесструктурная модель на базе электронной САПР

3.2. Моделирование динамических характеристик оптоэлектронного преобразователя частоты СВЧ сигналов

Модель с использованием нелинейности полупроводникового лазера на базе электронной САПР

Модель с использованием нелинейности полупроводникового лазера на базе оптоэлектронной САПР

3.3. Моделирование динамических характеристик оптоэлектронного размножителя частот сигналов СВЧ диапазона

Аналитическая модель на базе скоростных уравнений

Модель размножителя частот на базе оптоэлектронной САПР

3.4. Выводы

4. Макетирование и экспериментальная верификация результатов теоретических исследований

4.1. Макет микроэлектронного резистивного смесителя КВЧ диапазона в монолитном исполнении

4.2. Макет оптоэлектронного преобразователя частоты сигналов СВЧ диапазона

Разработка макетов лазерного модуля с полосой модуляции в СВЧ диапазоне на базе YCSEL

Разработка макетов оптоэлектронного преобразователя и размножителя частот на базе VCSEL

4.3. Лабораторный стенд для исследования характеристик микроэлектронного и оптоэлектронного преобразователей частоты

4.4. Экспериментальное исследование макета микроэлектронного преобразователя частоты

4.5. Исследование динамических характеристик (в частотной и временной областях) макета лазерного модуля

Экспериментальное исследование динамических характеристик VCSEL во временной области

4.6. Экспериментальное исследование макета ОЭПЧ

4.7. Экспериментальное исследование макета ОЭРЧ

4.8. Выводы

5. Сравнительный анализ полученных результатов

5.1. Сравнение результатов моделирования и экспериментальных исследований

Микроэлектронный преобразователь частоты

Оптоэлектронный преобразователь частоты

5.2. Сравнение с зарубежными аналогами

Микроэлектронный преобразователь частоты

Оптоэлектронный преобразователь частоты

5.3. Сравнение параметров микроэлектронного и оптоэлектронного преобразователей частоты СВЧ диапазона

5.4. Выводы

6. Изучение путей применения исследованных устройств в информационно-телекоммуникационных системах следующих поколений

6.1. Схема обратного канала базовой станции системы класса RoF с использованием микроэлектронного смесителя с СГН

6.2. Схема обратного канала базовой станции системы класса RoF с использованием микроэлектронного смесителя с СГН и оптоэлектронного размножителя частот СВЧ диапазона

Заключение

Список литературы

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

НЕМТ - High Electron Mobility Transistor (Транзистор с высокой подвижностью электронов); IF - Intermediate frequency (ПЧ); IIP - Intermodulation Intercept Point (ИМИ); LO - Local Oscillator (СГ); NF - Noise figure (Коэффициент шума); RF - Radio Frequency (ВЧ); RoF - Radio-over-Fiber (ВЭС);

VCSEL - Vertical Cavity Surface Emitting Laser (Поверхностно-излучающий

лазер с вертикальным резонатором); AT - Абонентский терминал; ВтАХ - Ватт-амперная характеристика; АЧХ - Амплитудно-частотная характеристика; БПФ - Быстрое преобразование Фурье; БС - Базовая станция; ВАХ - Воль-амперная характеристика; ВЗВ - Время задержки включения; ВОСП - Волоконно оптическая система передачи ; ВФХ - Вольт-фарадная характеристика; ВЧ - Высокая частота; ГС - Гетеродинный сигнал; ГУН - Генератор управляемый напряжением; ДБС - Двойная балансная схема; ДЧГ - Двойная частота гетеродина; ИМИ - Интермодуляционным искажения; ИМС - Интегральная микросхема; КВЧ - Крайне высокая частота;

KMC - Квадратурное мостовое соединение;

КСВН - Коэффициент стоячей волны по напряжению;

МИС - Монолитная интегральная схема;

МПЛ - Микро-полосковая линия;

МШУ - Малошумящий усилитель;

НБ - Небалансный;

НЭП - Нелинейный эквивалентный преобразователь ;

ОБС - Одинарная балансная схема;

ОГ - Опорный генератор;

ОЗК - Ослабление зеркального канала;

ОСИ - Объединение стока и истока;

ОСП - Отношение сигнал/помеха;

ОЭГ - Оптоэлектронный генератор;

ОЭПЧ - Оптоэлектронный преобразователь частоты;

ОЭРЧ - Оптоэлектронный размножитель частоты;

ОЭСАПР - Оптоэлектронное САПР;

ПЛИ - Полупроводниковый лазерный излучатель;

ПЛМ - Полупроводниковый лазерный модуль;

ПМС - Противофазное мостовое соединение;

ППФ - Полосно-пропуекающий фильтр;

ППЧ - Понижающий преобразователь частоты;

ПФД - Полупроводниковый фотодетектор;

ПЧ - Промежуточная частота;

РАС - Радиочастотный анализатор спектра;

САПР - Система автоматического проектирования;

СВЧ - Сверхвысокая частота;

СГН - Субгармоническая накачка;

СМ - Сумматор мощности;

СОЭ - Сверхвысокочастотная оптоэлектроника;

УВЧ - Усилитель высокой частоты;

УПЧ - Усилитель промежуточной частоты;

ФАП - Фазовая автоподстройка;

ФВЧ - Фильтр верхних частот;

ФНЧ - Фильтр нижних частот;

ФЭС - Физическая эквивалентная схема;

ЦС - Центральная станция;

ЧМХ - Частотно-модуляционная характеристика;

ЭОМ - Электрооптический модулятор.

а - Постоянная усиления;

А - Коэффициент линейной рекомбинации;

В - Коэффициент бимолекулярной рекомбинации;

С - Коэффициент Оже-рекомбинации;

Cj - Ёмкость гетероперехода;

Ст - Эквивалентная ёмкость, моделирующая контактную площадку на конце МПЛ;

Ср - Емкость контактной площадки кристалла лазера;

D - Толщина активной области;

fr - Частота сигнала гетеродина;

fc - частота входного ВЧ сигнала;

g - Усиление в материале;

go - начальное усиление;

I(t) - модулирующий ток;

Ib - постоянный ток смещения;

Im - амплитуда тока лазера;

10П - амплитуда импульса тока инжекции;

Ith - Пороговый ток;

L - Длина резонатора;

Ь0 - Эквивалентная индуктивность, моделирующая эффект накопления фотонов;

Ь2г-с - Ослабление сигнала на удвоенной частоте гетеродина на входе сигнала; Ь№1 - Эквивалентная индуктивность соединительной анодной проволоки;

- Эквивалентная индуктивность соединительной катодной проволоки; Ьг.пч - Ослабление сигнала на частоте гетеродина на входе ВЧ; Ьг„с - Ослабление сигнала на частоте гетеродина на выходе ПЧ; т - Индекс токовой модуляции; N0 - Начальная концентрация носителей; Ыь - Усредненная плотность носителей заряда в объеме УЬ;

- Условная отрицательная концентрация носителей;

- Плотность носителей на пороге;

Нг - концентрация носителей, соответствующая оптической прозрачности;

Рг - Мощность сигнала гетеродина;

Рс - Мощность сигнала ВЧ;

Я - Средний коэффициент отражения зеркал;

Ыо - Сопротивление, моделирующее потери на зеркалах;

Я] - Сопротивление гетероперехода;

Яр - Потери в контактной площадке кристалла лазера;

Я5 - Последовательное сопротивление кристалла лазера;

Уа - Объем активной области;

Уь - Объем запирающей области;

~ Групповая скорость; У0 - Объем оптического резонатора; ш - Ширина активной области; а; - Потери внутри резонатора; ат - потери на зеркалах резонатора; (38р - Коэффициент спонтанной эмиссии; Г - Коэффициент ограничения;

s - Коэффициент нелинейного усиления;

г|а - эффективность инжекции;

г); - Внутренняя квантовая эффективность;

X - Длина волны излучения;

те - Время жизни носителей заряда на пороге;

Tin - Время релаксации электронов;

тр - Время жизни фотонов;

xt - Транспортная постоянная времени;

Рвх лин - Порог линейности по входу.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Микроэлектронный и оптоэлектронный принципы построения полупроводникового преобразователя частоты сверхвысокочастотного диапазона»

ВВЕДЕНИЕ

Преобразователи частоты представляют собой ключевой узел передающих и приемных устройств современных радиосистем любого назначения, во многом определяющие их общие техническо-экономические показатели [1]. Другой весьма перспективной областью его применения являются активно исследуемые в последние годы локальные телекоммуникационные системы во-локонно-эфирной структуры1 (ВЭС) [2, 3], внедрение которых открывает дорогу для мультисервисной персональной связи. В связи с этим исследованиям теоретических и практических аспектов его функционирования, а также схем построения посвящено огромное количество публикаций в периодической и книжной научной литературе. Тем не менее, современное развитие радиоэлектронной аппаратуры поставило перед ее разработчиками новые задачи. В частности, тенденции к повышению рабочей частоты, а также интенсивное развитие СВЧ элементной базы на основе арсенид-галлиевых гетероструктур-ных полевых транзисторов2 (ГПТ) привели к ужесточению основных требований и, как следствие, модернизации уже существующих и появлению новых вариантов схем построения. Среди них одним из наиболее перспективных вариантов для реализации в диапазоне крайне высоких частот (КВЧ) посредством монолитных интегральных схем (МИС) считается так называемый класс резистивных смесителей с субгармонической накачкой {subharmonic pumped mixer) (СГН) [4]. Из этого класса в настоящее время пока изучается только наиболее простой вариант: смеситель с накачкой на двукратной частоте гетеродина (ДЧГ), в котором для смешения частот используется опорный сигнал, частота которого соответствует удвоенной частоте сигнала внешнего гетеродина.

1 Иностранная аббревиатура RoF: Radio-over-Fiber

2 Иностранная аббревиатура НЕМТ: High Electron Mobility Transistor

Общие достоинства резистивных смесителей на основе ГПТ, состоят в лучшей линейности по сравнению со смесителями на основе диодов с барьером Шоттки, практически нулевом токе потребления, отсутствии дробовых шумов (т.е. коэффициент шума смесителя равен его потерям преобразования), увеличении развязки входов и выходов по сравнению с активным вариантом [4]. Кроме того, применение резистивного смесителя миллиметрового диапазона на базе СГН позволяет использовать гетеродин с лучшими технико-экономическими показателями (большей мощностью, меньшими шумами), а также обеспечить более высокие параметры по развязке гетеродинного и сигнального входов и гетеродинного входа и выхода промежуточной частоты.

Несмотря на очевидные преимущества МИС смесителей с СГН примеры их разработки до сих пор отсутствуют в отечественной электронной промышленности, хотя они уже освоены рядом известных мировых производителей СВЧ компонентов: Agilent Technologies, Hittite Microwave Corporation, United Monolithic Semiconductors (UMS), TLC Precision Wafer Technology (TLC), Northrop Grumman/Velocium, Mimix Broadband. Тем не менее, наш анализ показал, что в подавляющем большинстве МИС применена самая простая схема с использованием ГПТ в диодном включении, что увеличивает потери преобразования, уменьшает порог линейности и ухудшает уровень развязки между портами смесителя по сравнению с полноценным транзисторным включением. Таким образом, исследование и разработка более совершенных схем построения МИС смесителя данного типа, упрощающего продвижение радиоаппаратуры отечественного производства в миллиметровый и терагерцевый диапазоны, представляется актуальной задачей.

Альтернативный путь совершенствования принципов построения и основных характеристик твердотельных СВЧ приборов, также обеспечивающий эффективное развитие радиосредств миллиметрового и терагерцевого диапазонов, состоит во внедрении технологий сверхвысокочастотной опто-

электроники (СОЭ), предмет исследований которой находится на стыке фотоники и СВЧ радиоэлектроники [5, 6] и одной из главных задач является исследование и разработка активных СВЧ приборов и устройств с оптическим и оптоэлектронным управлением. Среди перспективных функциональных элементов СОЭ наиболее изученным является оптоэлектронный генератор (ОЭГ) [7], основные преимущества которого по сравнению с традиционными микроэлектронными СВЧ генераторами состоят в более низком уровне фазовых шумов и значительно расширенном рабочем диапазоне частот.

Уровень знаний об оптимальных принципах построения и характеристиках другого устройства СОЭ, названного оптоэлектронный преобразователь частоты (ОЭГТЧ) [8], в настоящее время еще меньше. Так анализ современных схем его построения впервые появился в обзорах, посвященных СОЭ, лишь в позапрошлом году [5]. Принципиальным достоинством ОЭПЧ считается предельная широкополосность, недостижимая для традиционных транзисторных и диодных преобразователей частоты СВЧ диапазона. Тем не менее, вследствие чрезмерно высоких потерь преобразования (60...80 дБ) ОЭПЧ пока не может конкурировать с существующими преобразователями частоты даже в монолитном исполнении. Следует также отметить, что исследования ОЭПЧ в своем подавляющем большинстве носят экспериментальный характер. Так, к настоящему времени не разработана теоретическая модель его функционирования, что ограничивает уровень и скорость внедрения данного инновационного устройства в системы телекоммуникации, радиолокации и метрологии следующих поколений. Также отсутствует детальный анализ оптимальных принципов построения, достижимых характеристик и конкретных вариантов применения ОЭПЧ в вышеупомянутых областях науки и техники.

В связи с вышеизложенным целью данной работы является совершенствование принципов построения, методов и процессов моделирования и разработки полупроводникового преобразователя частоты СВЧ диапазона с

использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового опто-электронного подходов.

Цель данной работы достигается решением следующих основных задач:

• Анализ принципов построения и современных требований к микроэлектронным и оптоэлектронным преобразователям частоты СВЧ диапазона;

• Разработка модели гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме;

• Моделирование принципиальных схем и сравнительный расчет основных характеристик смесителя с накачкой на двукратной частоте гетеродина в диодном и транзисторном включениях активных элементов;

• Разработка аналитической и бесструктурной моделей и моделирование динамических характеристик полупроводникового лазерного излучателя с полосой модуляции в СВЧ диапазоне;

• Моделирование динамических характеристик оптоэлектронного преобразователя частоты СВЧ сигналов с оптимизацией по критерию произведения потерь преобразования на требуемую мощность гетеродина;

• Макетирование разработанных устройств и экспериментальная проверка теоретических результатов, полученных в работе;

• Изучение путей применения исследованных устройств в информационно-телекоммуникационных системах следующих поколений.

Методы исследования

В ходе моделирования микроэлектронного преобразователя частоты использовались классические методы анализа линейных и нелинейных цепей СВЧ диапазона, в частности, волновой подход и итерационный метод гармонического баланса. Анализ характеристик преобразования нелинейного узла оптоэлектронного преобразователя частоты: полупроводникового

лазерного излучателя - проводился тем же методом гармонического баланса в частотной области, а также путем решения системы нелинейных скоростных уравнений во временной области с помощью ВБР-метода.

Научная новизна

К основным новым научным результатам, полученным в ходе исследований по теме диссертации, относятся:

1. Уточненная модель гетероструктурного полевого транзистора СВЧ диапазона в пассивном режиме, обеспечивающая корректное описание его работы в миллиметровом диапазоне волн.

2. Бесструктурная компьютерная модель поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором схемотехнического уровня, пригодная для использования при проектировании устройств СВЧ оптоэлектроники и аппаратуры аналоговых волоконно-оптических систем.

3. Аналитическая модель лазера в режиме прямой модуляции сверхбольшим сигналом и методика определения возникновения эффекта удвоения периода с использованием метода фазовой плоскости.

4. Объектно-ориентированная модель оптоэлектронного смесителя частот СВЧ сигналов.

5. Методика анализа области эффективного размножения частот в режиме модуляции лазера сверхбольшим сигналом.

Практическая ценность работы состоит в следующем:

1. Развиты принципы моделирования и проектирования преобразователей частоты СВЧ диапазона на базе микроэлектронного и оптоэлектронного подходов.

2. Разработаны и исследованы монолитные резистивные смесители с субгармонической накачкой миллиметрового диапазона волн на основе гетероструктурных полевых транзисторов в различных вариантах включения активных элементов и проведено их прямое сравнение.

3. Реализованы и исследованы макеты оптоэлектронных преобразователей частоты 8- и Х-диапазонов на базе лазеров с поверхностным и торцевым излучением.

4. Реализован и исследован макет оптоэлектронного размножителя частот СВЧ диапазона. Предложен вариант его практического применения в современных системах волоконно-эфирной структуры, позволяющий существенно упростить схему базовой станции и снизить стоимость оборудования.

Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и математических преобразований, совпадением результатов компьютерного моделирования основных параметров преобразователей частоты с результатами их экспериментального исследования, а также использованием прецизионного, метрологически аттестованного измерительного оборудования.

Реализация и внедрение результатов работы

Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы при выполнении НИР в ИСВЧПЭ РАН, а также вошли состав 7-ми отчетов по НИР в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы (20092011 годы)» и ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», выполненным в Объединенной научно-исследовательской лаборатории «Сверхвысокочастотные и оптоэлектронные устройства», МГТУ МИРЭА.

Полученные результаты также использовались в учебном процессе МГТУ МИРЭА при проведении лабораторных практикумов в рамках программы Рос-нано опережающей профессиональной переподготовки, ориентированной на инновационные проекты по созданию индустрии волоконного лазеростроения.

Апробация работы

Основные результаты работы доложены и обсуждены на следующих международных и российских конференциях: International Conference "Functional Materials" - 2009; 52-я научная конференция МФТИ - 2009; 59-я научно-техническая конференция МИРЭА - 2010; IEEE 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications - 2010; IX-я Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» - 2010; Российско-Швейцарский семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения» - 2011; научный семинар лаборатории стандартов частоты отдела квантовой радиофизики, ФИАН им. П.Н. Лебедева - 2011; European Semiconductor Laser Workshop - 2011; IEEE Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems - 2011.

Публикации и личный вклад автора

По теме диссертации опубликовано 11 научных работ, в том числе 6 статей в ведущих российских и зарубежных журналах, входящих в перечень научных журналов ВАК Министерства образования и науки РФ, и 5 докладов в сборниках трудов российских и международных конференций. Также по теме диссертации подана заявка на изобретение и заявка на регистрацию топологии микросхемы. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или в соавторстве, о чем свидетельствует приведенный ниже список публикаций по теме диссертации.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Разработанная уточненная модель ГПТ в пассивном режиме позволяет проводить корректное моделирование резистивного смесителя в диапазоне свыше 10 ГГц.

2. Разработанный в рамках микроэлектронного подхода резистив-ный смеситель с субгармонической накачкой позволяет улучшить эффек-

тивность преобразования, расширить полосу и повысить порог линейности более чем на 10 дБ по сравнению с зарубежными аналогами.

3. Разработанные в рамках оптоэлектронного подхода бесструктурная модель поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором и методика быстрой экстраполяции параметров эквивалентной схемы, позволяют ускорить процесс проектирования передающей аппаратуры современных систем телекоммуникации и радиолокации.

4. Оптоэлектронный преобразователь частоты с прямой модуляцией поверхностно-излучающего лазера обеспечивает эффективность преобразования на 15-20 дБ выше по сравнению с преобразователями, использующими внешний оптический модулятор, и при одинаковых потерях требуется на 14 дБ меньшая мощность гетеродина по сравнению с преобразователем на базе лазера с торцевым излучением.

5. Использование эффекта удвоения периода огибающей оптического излучения при прямой модуляции лазера сверхбольшим сигналом дает возможность создать новое устройство: оптоэлектронный размножитель частот СВЧ диапазона.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 178 страниц машинописного текста, который содержит 15 таблиц, 116 рисунков, 94 наименования библиографии.

Благодарности. Автор выражает глубокую благодарность научному руководителю Фетисову Юрию Константиновичу за помощь и поддержку и своему отцу Белкину Михаилу Евсеевичу за терпение и неоценимую помощь в подготовке материала и проведении исследований.

1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ И ТЕНДЕНЦИИ РАЗВИТИЯ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ СИГНАЛОВ СВЧ

ДИАПАЗОНА

С целью определения и обоснования оптимального направления исследований рассмотрим современное состояние устройств преобразования частоты СВЧ диапазона и конкретные проблемы, связанные с их разработкой и внедрением в современные и будущие радиосистемы.

Как следует из Введения, целью настоящей работы является совершенствование принципов построения, методов и процессов моделирования и разработки полупроводникового преобразователя частоты СВЧ диапазона с использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового опто-электронного подходов. Конкретно в рамках микроэлектронного подхода исследуются вопросы моделирования и оптимального проектирования монолитной интегральной схемы (МИС) транзисторного преобразователя частоты СВЧ диапазона на базе смесителя с субгармонической накачкой (СГН). В рамках оптоэлектронного подхода предлагаются и детально исследуются экономичные схемы оптоэлектронного преобразователя частоты (ОЭПЧ) СВЧ сигналов, оптимизированные по критерию произведение потерь преобразования на требуемую мощность гетеродина.

1.1.Микроэлектронный преобразователь частоты СВЧ диапазона

Оценка существующих проблем и путей решения современных задач

Современное развитие МИС радиоприемных устройств для информационно-телекоммуникационных систем характеризуется освоением диапазона крайне высоких частот (КВЧ, 30...300 ГГц), хотя пока деятельность разработчиков аппаратуры в основном сосредоточена в его нижней части, в районе 30...60 ГГц. Ключевым узлом этих устройств, во многом определяющим его общие техническо-экономические показатели, является узел

понижающего преобразователя частоты (ППЧ), принципиальными структурными элементами которого являются, как известно, смеситель и гетеродин. В связи с этим исследованиям теоретических и практических аспектов их функционирования, а также схем построения посвящено огромное количество публикаций в периодической и книжной научной литературе.

Тем не менее, современное развитие радиоэлектронной аппаратуры для информационно-телекоммуникационных систем КВЧ диапазона поставило перед ее разработчиками новые задачи, требующие компромиссных подходов. В частности:

• повышение рабочего диапазона частот;

• повышение степени интегрирования СВЧ МИС на основе арсе-нид-галлиевых гетероструктурных полевых транзисторов (ГПТ);

• снижение мощности потребления ППЧ и требуемой мощности гетеродина;

• увеличение уровней развязки входов и выхода;

• улучшение технико-экономических показателей аппаратуры.

Как отмечено во Введении, одним из перспективных путей решения вышеуказанных задач на современном этапе считается использование в ППЧ, так называемого, резистивного (т.е. с нулевым потреблением) смесителя с субгармонической накачкой (СГН), в котором для смешения входного и гетеродинного сигналов используется частота, в четное число раз выше частоты сигнала внешнего гетеродина [9]. Данная частота, в отличие от традиционных СВЧ смесителей на гармониках, формируется за счет соответственного числа параллельно включенных активных элементов, которые управляются соответствующим образом сдвинутыми по фазе гетеродинными сигналами. В таком смесителе в качестве гетеродина обычно используется СВЧ генератор, управляемый напряжением (ГУН), частота которого в соответству-

ющее число раз меньше частоты гетеродина традиционного смесителя, что улучшает технико-экономические показатели ППЧ.

По мере повышения рабочих частот радиосредств и перехода при разработке основных узлов от набора микросхем к созданной по единой технологии однокристальной МИС значительно возрос уровень использования в качестве активного элемента гетероструктурного полевого транзистора. Причина состоит в том, что получаемые в нем более высокие граничные частоты, меньший коэффициент шума и больший коэффициент усиления по сравнению с гетероструктурным биполярным транзистором позволяют совместно оптимизировать практически все узлы ППЧ, и, следовательно, общие характеристики приемного устройства.

Пришвины построения и функционирования преобразователя частоты КБ Ч диапазона

Несмотря на то, что в настоящее время общая теория смесителей достаточно хорошо разработана и на базе ее реализовано большое число разнообразных схем, отмеченные выше тенденции к повышению рабочей частоты, уровня функциональности и степени интеграции, а также интенсивное развитие СВЧ компонентной базы на основе ГПТ и переход к цифровому способу обработки сигналов в тракте промежуточной частоты (ПЧ) приемника привели к ужесточению основных требований и, как следствие, модернизации уже существующих и появлению новых вариантов схем. Краткая классификация МИС современных смесителей, пригодных для работы в КВЧ диапазоне, представлена в табл. 1.

Каждая из приведенных в таблице схем реализации имеет свои достоинства и недостатки, а их разнообразие явно свидетельствует об отсутствии универсальной схемы, обеспечивающей выполнение всех современных требований. Для поиска оптимальной схемы построения МИС смесителя КВЧ диапазона проводятся интенсивные исследования и разработки, результаты

которых в настоящее время опубликованы в зарубежных журналах и материалах конференций по СВЧ тематике, а также реализованы в продукции известных мировых производителей СВЧ компонентов.

Заключение диссертации по теме «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано- электроника на квантовых эффектах», Белкин, Леонид Михайлович

5.4.Выводы

В данной главе был проведен сравнительный анализ микроэлектронного и оптоэлектронного преобразователей. Сравнение проводилось между параметрами, полученными в ходе экспериментального исследования (глава 4) и моделирования (главы 2 и 3), с зарубежными аналогами, а также между собой.

По результатам сравнения можно сделать вывод, что построенные модели корректны и пригодны для проведения исследований в области оптоэлектронных и микроэлектронных систем, а полученные результаты находятся на современном мировом уровне, что также подтверждается интересом к данной тематике на международных конференциях и семинарах.

Кроме того, прямое сравнение оптоэлектронного и микроэлектронного подходов в построении преобразователей частоты СВЧ диапазона подтверждает описанное в главе 1 утверждение, что для современных систем связи и радиолокации могут найти применение как один, так и другой варианты, в зависимости от предъявляемых требований по рабочей частоте, необходимой эффективности преобразования, габаритным размерам и др. Также критерием выбора преобразователя может быть упрощение конструкции за счет отсутствия гетеродина, как это позволяет ОЭРЧ.

Отдельно необходимо отметить, что описанные оптоэлектронные и микроэлектронное смесители могут быть применены совместно, как это будет показано в следующей главе.

6. ИЗУЧЕНИЕ ПУТЕЙ ПРИМЕНЕНИЯ ИССЛЕДОВАННЫХ УСТРОЙСТВ В ИНФОРМАЦИОННО-ТЕЛЕКОММУНИКАЦИОННЫХ СИСТЕМАХ СЛЕДУЮЩИХ ПОКОЛЕНИЙ

Практические приложения результатов данной работы находятся в сфере развития новых технологий создания монолитных интегральных схем, СВЧ компонентов и функциональных узлов и устройств, формируемых методами нового междисциплинарного научно-технического направления: сверхвысокочастотной оптоэлектроники. Основной областью практического применения объектов исследования являются информационно-телекоммуникационные системы следующих поколений, например, перспективная система абонентского доступа волоконно-эфирной структуры класса Пор [3]. Однако результаты могут быть самостоятельно использованы в ходе разработки и производства радиолокационных систем СВЧ диапазона, компонентной базы и средств электронной промышленности, средств радиоэлектронной безопасности, при создании отечественной компонентной базы оптоэлектроники, а также формирования учебных программ и создания учебных курсов и лабораторных практикумов, соответствующих мировому уровню развития науки и техники.

Для подтверждения возможности и эффективности использования в вышеуказанных системах исследованных в рамках данной работы микроэлектронного и оптоэлектронного принципов совершенствования построения преобразователя частоты СВЧ диапазона ниже приводятся конкретные примеры применения разработанных устройств.

6.1.Схема обратного канала базовой станции системы класса ИоР с

Типовая функциональная схема комбинированной системы волоконно-эфирной структуры (класса КоБ), содержащая центральную станцию (ЦС) 1, соединенные с ней посредством оптических кабелей базовые станции (БС) 2 и связанные с соответствующей БС по радио абонентские терминалы (АТ) 3, представлена на рис. 113 [3].

Система класса ЯоБ архитектурно представляет собой дальнейшее развитие сетей сотовой связи, и в ней каждая БС имеет свою зону обслуживания с интерактивным радиотрафиком в направлении от ЦС к абоненту (прямой канал) и от абонента к ЦС (обратный канал). Особенность построения систем класса ЯоР по сравнению с традиционной системой сотовой связи состоит в гораздо меньшей протяженности сот. Так в настоящее время развиваются два варианта систем ЯоР: сначала с так называемыми пикосотами [68] радиусом до 200 м и в последнее время - с фемтосотами [5] радиусом от десятков сантиметров до 20 м (например, внутри здания).

Таким образом, прослеживается четкая тенденция постоянного уменьшения зоны обслуживания. Основной причиной этого является повышение уровня и объема предоставляемых телекоммуникационных услуг. Однако одновременно повышаются требования к экономичности аппаратуры БС, по сути, представляющей собой стык оптического и радиочастотного участков системы передачи. использованием микроэлектронного смесителя с СГН

СЕН»

Рис. 113. Типовая функциональная схема системы класса ЯоР

Как известно [82], современный вектор развития телекоммуникационных систем направлен в сторону постоянного увеличения объемов передаваемой информации. Это приводит к необходимости повышения пропускной способности аппаратуры, что в системе класса РоГ может быть реализовано путем увеличения частоты несущих радиодиапазона до миллиметровых волн. Это требование без особых технико-экономических проблем реализуется в прямом канале БС за счет непосредственного оптико-электрического преобразования по так называемой технологии фотонных антенн [83]. Однако встречает, в основном, экономические трудности при построении схемы обратного канала. Причина состоит в невозможности использовать самый экономичный вариант построения при помощи непосредственной модуляции тока инжекции полупроводникового лазера передаваемым от АТ комплексным радиосигналом, поскольку верхняя частота модуляции современного лазера умеренной стоимости обычно не превышает 5 ГГц [84].

Для решения этой проблемы предложены различные способы построения схемы обратного канала базовой станции системы класса КоБ. В частности, нами предложена схема с понижающим преобразованием частоты [85]. Структурная схема обратного канала базовой станции системы класса ЯоГ с использованием исследованного в настоящей работе смесителя с субгармонической накачкой представлена на рис. 114.

ППЧ|

Рис. 114. Структурная схема базовой станции системы класса ЯоГ в обратном направлении

Как следует из рисунка, ее основными элементами являются антенна миллиметрового диапазона волн, радиочастотный понижающий преобразова

158 тель частоты (1II14) на основе смесителя и гетеродина, усилитель промежуточной частоты (УПЧ) и полупроводниковый лазерный модуль (ПЛМ) с волоконным выводом. В данной схеме, до электрооптического преобразования в лазерном излучателе, осуществляется понижающее преобразование частоты из миллиметрового в дециметровый диапазон волн. Необходимость такой меры следует из соображений, что полоса прямой модуляции современного лазерного излучателя умеренной стоимости, как уже было отмечено, не превышает 5 ГГц. Эффективность принятого в схеме рис. 114 варианта модуляции лазера частотами в полосе дециметрового диапазона объясняется улучшением экономических характеристик базовой станции. Эта же цель преследуется при использовании 11114 на базе резистивного смесителя с СГН.

6.2.Схема обратного канала базовой станции системы класса ИоР с использованием микроэлектронного смесителя с СГН и оптоэлектронного размножителя частот СВЧ диапазона

Тем не менее, необходимость использования в схеме местного СВЧ генератора, пусть в два раза меньшей частоты, значительно увеличивает общую стоимость аппаратуры вследствие высоких требований к кратковременной (не более -110 дБ/Гц при отстройке от несущей 5 кГц) и долговременной (на уровне 10"6/°С) стабильности его частоты. Чтобы удовлетворить им приходится применять комбинированную схему с использованием параметрической стабилизации высокодобротным резонатором, электрической стабилизации при помощи системы фазовой автоподстройки частоты с высокостабильным опорным кварцевым резонатором и температурной стабилизации [86].

Этот недостаток устранен в другом известном способе построения обратного канала базовой станции системы класса ЯоГ [87]. Суть данного подхода также заключается в использовании понижающего преобразования частоты, однако гетеродинный сигнал СВЧ диапазона формируется дистанционно на ЦС и после электрооптического преобразования передается по оптическому волокну на БС, где после обратного оптико-электрического преобразования подается на гетеродинный вход смесителя понижающего преобразователя частоты обратного канала. Данный подход, по мнению авторов, должен привести к упрощению схемы и снижению стоимости аппаратуры базовой станции, однако изучение работы [87] не позволяет сделать подобный вывод. Чтобы разобраться в этом, ниже приводится сравнительный анализ двух схем построения обратного канала базовой станции системы класса RoF: описанной в [87] и предложенной нами.

Известная схема реализации обратного канала БС представлена на рис. 115 [87]. В данной схеме модулированный со скоростью 150 Мбит/с сигнал AT с несущей частотой 22 ГГц поступает на вход смесителя 1 базовой станции, выходной сигнал которого частотой 2 ГГц после усиления в усилителе промежуточной частоты 2 поступает на управляющий вход электрооптического модулятора Маха-Цандера 3. Оптический сигнал с выхода модулятора 3 передается по волокну 4 на ЦС, где детектируется с помощью фотодиода 5. Смодулированный гетеродинный сигнал частотой 20 ГГц формируется на ЦС с помощью высокостабильного генератора 6, модулирует интенсивность излучения высокоскоростного лазера 7, усиливается с помощью оптического усилителя 8 и передается по тому же волокну 4 либо по отдельному волокну 9 на БС. В схеме БС он еще раз усиливается с помощью оптического усилителя 10 и поступает в узел распределения, содержащий узкополосные спектральные фильтры 11, 12 на базе брэгговских решеток и оптический цирку-лятор 13. Назначением фильтра 11 является устранение ослабления (фединга) СВЧ сигнала, вызванного дисперсией в длинном оптическом волокне (в данной схеме 12 км). Оптический сигнал, отраженный от фильтра 12, с помощью циркулятора 13 поступает на вход модулятора 3. Прошедший фильтр 12 оптический сигнал преобразуется в СВЧ диапазон с помощью фотодетектора 14 и подается на гетеродинный вход смесителя 1.

AT

22 ГГц, 150 Мбит/с

Рис. 115. Структурная схема построения обратного канала БС системы класса RoF с дистанционным формированием гетеродинного сигнала [87]

К основным недостаткам описанного выше способа формирования гетеродинного сигнала и схемы его осуществления относится значительное усложнение общей схемы вследствие введения дополнительных оптических элементов (волоконного усилителя, узла распределения, фотодетектора) в схему БС, новых электронных и оптических элементов (высокостабильный СВЧ генератор, лазер, волоконный усилитель) в схему ЦС и дополнительного волокна, соединяющего ЦС и БС, что не должно реально привести к упрощению схемы и повышению экономичности оборудования БС.

Принципиальным в предложенной нами схеме обратного канала является использование понижающего преобразования частоты, применение для его реализации резистивного смесителя с субгармонической накачкой, аналогичного описанному в данной работе в главе 2, а также использование для формирования гетеродинного сигнала для этого смесителя очень простого по структуре и экономичного ОЭРЧ (глава 3).

Основными элементами схемы осуществления предложенного способа построения БС (рис. 116) являются: принимающая от абонентского терминала модулированный СВЧ сигнал с несущей частотой F антенна 1, смеситель с субгармонической накачкой 2, выходной сигнал промежуточной частоты которого фильтруется с помощью полосно-пропуекающего фильтра 3, усиливается в усилителе промежуточных частот (ПЧ) 4 и поступает на вход направленного ответвнтеля 5. Сигнал с отвода ответвителя 5 поступает на модулирующий вход служащего для ретрансляции оптического сигнала в направлении ЦС первого лазера 6, рабочая точка которого для уменьшения нелинейных искажений устанавливается в середине линейного участка его ватт-амперной характеристики. Сигнал с выхода ответвителя 5 поступает на модулирующий вход служащего для формирования гетеродинного сигнала оптоэлектронного размножителя частоты 7. Выходные сигналы ОЭРЧ усиливаются в электронном усилителе 8 и поступают на вход настроенной на частоту 1,5Г схемы восстановления несущей 9, которая представляет собой стандартный элемент приемного тракта цифровой радиосистемы и обычно строится на базе схемы фазовой автоподстройки (ФАП). Восстановленный в схеме 9 сигнал несущей подается на гетеродинный вход смесителя 2.

12 ГГц

4,5 ГГц(1,5и

Рис. 116. Структурная схема построения обратного канала базовой станции системы класса ЯоР с местным формированием гетеродинного сигнала

Для конкретного пояснения на рис. 116 также приведен пример обработки с помощью предложенного способа СВЧ сигнала в широко используемом в телекоммуникационных системах Х-диапазоне (12 ГГц), модулированного с помощью метода двухпозиционной фазовой модуляции (ВРБК). Для того чтобы получить ПЧ 3 ГГц, обеспечивающую применение экономичных лазеров 6 и в составе ОЭРЧ, на гетеродинный вход смесителя 2 должен быть подан сигнал частотой 4,5 ГГц. С этой целью сигнал ПЧ обрабатывается с помощью ОЭРЧ, и немодулированный сигнал требуемой частоты формируется на выходе схемы 9.

Преимущества предложенного подхода заключаются:

• в реальном упрощении схемы базовой станции при отсутствии

162 необходимости усложнения схемы центральной станции и создания отдельного оптического тракта для подачи гетеродинного сигнала;

• в улучшении экономических характеристик оборудования базовой станции;

• в упрощении требований к стабильности частоты местного гетеродинного сигнала.

Первое преимущество достигается за счет предложенного простого оптоэлектронного способа формирования гетеродинного сигнала и использования смесителя с субгармонической накачкой, а также, по сравнению с известным решением [87], за счет отсутствия необходимости дистанционного формирования гетеродинного сигнала и передачи его на базовую станцию.

Второе преимущество достигается за счет применения экономичных лазеров и фотодетектора с относительно низкой полосой пропускания, стандартных схем восстановления несущей и смесителя, которые уже реализованы в монолитном исполнении, и отсутствия необходимости применения дорогостоящего местного гетеродина.

Третье преимущество достигается за счет отсутствия необходимости применения высокостабильного местного гетеродина, поскольку изменения частоты принимаемого сигнала будут отслеживаться с помощью схемы ФАП в схеме восстановления несущей.

Вышеуказанные преимущества позволяют, на наш взгляд, существенно упростить схемную структуру и повысить экономичность оборудования БС, что свидетельствует о принципиальной возможности и эффективности применения ОЭРЧ совместно со смесителем с СГН в перспективных телекоммуникационных системах, в частности, в исследуемой в рамках данного проекта системе класса ЯоР.

По материалам данной главы опубликованы статьи в журнале из перечня ВАК [59], в материалах двух международных конференций [67, 85].

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Настоящая диссертация посвящена совершенствованию принципов построения и параметров такого традиционного изделия твердотельной СВЧ электроники, как преобразователь частоты. В качестве инструмента для исследований в диссертации предложены микроэлектронный и оптоэлектрон-ный подходы. В рамках первого подхода исследовался новый тип микроэлектронного смесителя СВЧ диапазона: резистивный смеситель с субгармонической накачкой миллиметрового диапазона волн в монолитном исполнении. В рамках второго подхода - твердотельные преобразователь и размножитель частот СВЧ диапазона, основанные на принципах сверхвысокочастотной оптоэл ектроники.

Полученные в данной работе результаты, свидетельствуют о перспективности применения микроэлектронного и оптоэлектронного преобразователей частоты, а также оптоэлектронного размножителя частоты в области радиолокации и телекоммуникации. В частности, теоретически и экспериментально показано, что исследованная и разработанная монолитная интегральная схема резистивного смесителя с субгармонической накачкой на ге-тероструктурных полевых транзисторах позволяет обеспечить рабочий диапазон частот более октавы (17-38 ГГц), существенно повысить линейность характеристики преобразования и развязку между входами и выходом при сохранении потерь преобразования на уровне 11 дБ. Кроме того, применение оптоэлектронного преобразователя частоты позволяет преодолеть принципиальный для СВЧ смесителей традиционной схемы построения недостаток, заключающийся в снижении эффективности преобразования с возрастанием частоты. При этом рабочая полоса преобразователя, определяемая только частотными параметрами применяемых оптоэлектронных компонентов, позволяет получить прибор с рабочей полосой от единиц мегагерц до 20 ГГц, что является практически недостижимым для современных микроэлектронных преобразователей. Еще одним перспективным направлением диссертации яв

164 ляется использование для построения прибора СВЧ диапазона известного в лазерной физике эффекта удвоения периода при модуляции полупроводникового лазера в режиме сверхбольшого сигнала. Для подтверждения возможности и эффективности практического использования исследованного и разработанного прибора, названного размножителем частот, рассмотрен пример построения с его помощью экономичной схемы обратного канала базовой станции перспективной телекоммуникационной системы класса ЯоР.

В качестве основных результатов работы можно выделить следующие:

1. Разработана уточненная модель гетероструктурного полевого транзистора, обеспечивающая корректную работу резистивного смесителя на частотах свыше 10 ГГц в режиме большого сигнала.

2. В рамках микроэлектронного подхода разработаны принципиальная схема и охраноспособная топология транзисторного резистивного смесителя с субгармонической накачкой миллиметрового диапазона в монолитном исполнении, изготовлен макет МИС смесителя. Сравнение рассчитанных и измеренных параметров смесителя подтвердило корректность разработанной схемы. Достигнутый уровень потерь преобразования соответствует современному мировому уровню, а порог линейности на 10 дБ выше зарубежных аналогов.

3. В рамках оптоэлектронного подхода для моделирования преобразователя частоты разработаны бесструктурная модель и методика быстрой экстраполяции параметров его нелинейного элемента: полупроводникового лазера типа УС8ЕЬ, позволяющие проводить эффективное проектирование устройств СВЧ оптоэлектроники в нелинейном режиме.

4. Разработана объектно-ориентированная модель оптоэлектронного преобразователя частоты СВЧ диапазона, пригодная для анализа с помощью специализированной оптоэлектронной САПР. В результате оптимизации получено значение произведения потерь преобразования на требуемую мощность гетеродина 12,6 Вт, что более, чем в 20 раз

165 меньше по сравнению с вариантом использования лазера с торцевым излучением.

5. На базе решения одномодовых скоростных уравнений определена область наблюдения эффекта удвоения периода для полупроводникового поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором в координатах индекс токовой модуляции - нормированная частота модуляции лазера.

6. Впервые продемонстрировано использование эффекта удвоения периода при прямой модуляции лазера сверхбольшим сигналом для создания варианта преобразователя частоты, названного оптоэлектронным размножителем частот СВЧ диапазона. Результаты моделирования характеристик устройства в специализированной оптоэлектронной САПР подтверждены данными экспериментальных исследований.

7. Сравнение микроэлектронного и оптоэлектронного подходов для совершенствования характеристик полупроводниковых преобразователей частоты СВЧ диапазона показало перспективность обоих направлений. Причем совместное применение исследованных подходов позволяет улучшить технико-экономические показатели современных телекоммуникационных систем, что было продемонстрировано на примере разработки охраноспособного способа построения базовой станции системы волоконно-эфирной структуры.

Предметом дальнейшего исследования может стать проектирования резистивного смесителя с накачкой на частоте отличающейся в четыре раза, что позволит увеличить рабочую полосу смесителя до 100 ГГц, а также изучение возможности интегральной реализации оптоэлектронных преобразователей.

По теме диссертационной работы подана 1 заявка на изобретение (приоритет от 11.07.2011 г.), а также было опубликовано 11 научных работ, в том числе 6 публикаций в ведущих российских и зарубежных журналах, входящих в перечень научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ:

1. Белкин JI.M., Белкин М.Е. Исследование эффективности применения полупроводникового лазерного излучателя для передачи многоканального аналогового сигнала СВЧ диапазона// Нано- и микросистемная техника,- 2009,- №11- С. 32-37.

2. Белкин JI.M., Белкин М.Е. Особенности построения резистивных смесителей диапазона крайне высоких частот// Электронная техника. Сер. 2 «Полупроводниковые приборы».- 2010 - №1- С. 98-104.

3. Белкин J1.M., Белкин М.Е. Исследование характеристики времени задержки включения поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором// Нано- и микросистемная техника.- 2010,- №11- С. 51-54.

4. Белкин JI.M., Белкин М.Е. Бесструктурная модель поверхностно излучающего лазера с полосой модуляции в СВЧ диапазоне// Нано- и микросистемная техника.— 2011— №10 - С. 9-17.

5. Performances of Microwave-Band Analog Signal Transmission using Wafer-Fused Long Wavelength VCSELs/ Belkin L.M., Belkin M.E., Sigov A.S. et al.// IEEE Photonics Technology Letters.- 2011. -Vol. 23; No. 20. -p. 1463-1465.

6. Белкин JI.M., Белкин М.Е. Применение оптоэлектронного подхода для преобразования и размножения частот сигналов сверхвысокочастотного диапазона// Нано- и микросистемная техника - 2011.- №11 - С. 4-10.

7. Модель гетероструктурного полевого транзистора сверхвысокочастотного диапазона в пассивном режиме / Белкин JI.M. // Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть V. Физическая и квантовая электроника. Том 1. -М.: МФТИ,-2009.-С. 152-156.

8. Cost-Effective Millimeter Wave-to-Optical Conversion with Patch Antenna and MMIC Chipset for RoF's Uplink / Белкин JI.M., Белкин М.Е.//

167

Proceedings of IEEE 18th International Conference on Microwaves, Radar and Wireless Communications".- Vilnius, Lithuania. - 2010 - P. 369-372.

9. Исследование оптоэлектронного преобразователя частоты сигналов СВЧ диапазона / Белкин JI.M., Белкин М.Е.// Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА»,- М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова,- 2010,- С. 68-72.

10. ECAD's unstructured VCSEL modeling / Belkin L.M, Belkin M.E.// European Semiconductor Laser Workshop (ESLW-2011).- Lausanne, Switzerland - 2011.- 3p.

11. Microwave-Band Optoelectronic Frequency Converters Based on Long Wavelength VCSELs / Belkin L.M., Belkin M.E., Loparev A.V. et. al.// The 3rd International IEEE Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (IEEE COMCAS 2011).- Tel-Aviv, Israel.- 2011.- 3p.

12. Белкин JI.M., Белкин M.E. Способ построения базовой станции волоконно-эфирной структуры и модуль для его осуществления. Заявка на изобретение. Per. № 2011128089, зарег. 11.07.2011.

13. Белкин JI.M., Белкин М.Е., Зуев А.В. Резистивный смеситель с субгармонической накачкой КВЧ диапазона. Заявка на регистрацию топологии интегральной микросхемы № 2011630094 от 8.12.2011 г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Белкин, Леонид Михайлович, 2012 год

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Гассанов Л. Г., Липатов А. А. и др. Твердотельные устройства СВЧ в технике связи - М.: Радио и связь, 1988. - 288 с.

2. O'Mahony M.J., е.a. Future optical networks. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2006, v. 24, No. 12, p. 4684-4696.

3. Niiho Т., Nakaso M., Masuda K., e.a. Transmission performance of multichannel wireless LAN system based on radio-over-fiber techniques. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006, MTT-54, № 2, part 2, p. 980-989.

4. Maas S.A. Nonlinear Microwave and RF Circuits. - Artech House, 2003.-582 pp.

5. Yao J. Microwave Photonics. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2009, v. 27, No 3, p. 314-335.

6. Белкин M. E., Сигов А. С. Новое направление фотоники - сверхвысокочастотная оптоэлектроника. Радиотехника и электроника, 2009, т. 54, № 8, с. 901-914.

7. Yao X.S. and Maleki L. Optoelectronic oscillator for photonic systems. IEEE Journal of Quantum Electronics, 1996, vol. 32, No. 7, p. 1141-1149.

8. Белкин JI.M., Белкин M.E. Исследование оптоэлектронного преобразователя частоты сигналов СВЧ диапазона. Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА». -М.: МНТОРЭС им. А.С. Попова, 2010, с. 68

9. Белкин М. Е., Белкин Л. М. Особенности построения резистивных смесителей диапазона крайне высоких частот. Электронная техника. Сер 2. Полупроводниковые приборы, 2010, вып. 1(224), с. 98-104.

10. Deng K.L., et.al. Broad-band monolithic GaAs-based HEMT diode mixers. Asia-Pacific Microwave Conference, 2000, p. 1135 - 1138.

11. Okazaki H., Yamaguchi Yo. Wide-band SSB subharmonically pumped mixer MMIC. International IEEE/MTT Symposium Digest, 1997, v. 2, pp. 1035-1038.

12. Hwang Y.-J., et.al. A 78-114 GHz monolithic subharmonically pumped GaAs-based HEMT diode mixer. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2002, v. 12, No 6, p. 209-211.

13. Lin C.-H., et.al. A 23-37 GHz miniature MMIC subharmonic mixer. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2007, v. 17, No 9, p. 679-681.

14. Kok Y.-L., et.al. 120 and 60 GHz monolitic InP-based HEMT diode sub-harmonic mixer. International IEEE/MTT Symposium Digest, 1998, v. 3, pp. 1723-1726.

15. Yamada A., et.al. A compact 60 GHz sub-harmonically pumped mixer MMIC integrated with image rejection filter. International IEEE/MTT Symposium Digest, 2002, v. 3, pp. 1733-1736.

16. 35-45 GHz Self-biased Single Side Band Mixer. // United Monolithic Semiconductors, S.A.S. Data Sheet. - France, Jul. 2010, 6 pp.

17. Ang K.S., et.al. A millimeter-wave monolithic sub-harmonically pumped resistive mixer. Asia Pacific Microwave Conference Proceedings. 1999, v. 2, pp. 222-225.

18. Yeh P.-C., Liu W.-C., Chiou H.-K. Compact 28-GHz subharmonically pumped resistive mixer MMIC using a lumped-element high-pass/band-pass balun. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2005, v. 15, No 2, p. 62-64.

19. Lei M. F., Wu P. S., Huang T.W., and Wang H. Design and analysis of a miniature W-Band MMIC subharmonically pumped resistive mixer. IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., Jun. 2004, pp. 235-238.

20. Gunnarsson S.E., Ferndahl M., Zirath H. A 60 GHz compact singlechip sub-harmonically pumped receiver MMIC. Proceedings of the 2nd European Microwave Integrated Circuits Conference. 2007, pp. 8-11.

21. HMC404, GaAs MMIC sub -Harmonically Pumped IRM Mixer, 26 -33 GHz, Hittite Microwave Corp.

22. Agilent AMMC-3040, 18-36 GHz Double-Balanced Mixer with Integrated LO Amplifier/ Multiplier, Agilent Technologies, Inc.

23. Renaud C. C., at al. Photonically enabled communication systems beyond 1000 GHz. International Topics Meeting on Microwave Photonics, MWP-2008, Sept. 2008, p. 55-58.

24. Robertson W. M. Optoelectronic Techniques for Microwave and Millimeter-Wave Engineering. - Artech House, 1995. - 244 pp.

25. Constant S. B., Le Guennec Y., Maury G., Corrao N., and Cabon B. "Low-cost all-optical up-conversion of digital radio signals using directly modulated 1550-nm emitting VCSEL," IEEE Photonics Technol. Lett., vol. 20, no. 2, pp. 120-122, Jan. 2008.

26. Lindsay A. C., Knight G. A., and Winnall S. T. "Photonic Mixers for Wide Bandwidth RF Receiver Applications," IEEE Trans, on MTT, vol. 43, No 9, pp. 2311 -2317, Sept. 1995.

27. Polo V., Marti J., Ramos F., Fuster J. M. "Millimetre-wave Optical Harmonic Mixer Employing a Single Mach-Zehnder Electro-Optic Modulator," 28th European Microwave Conference, Amsterdam, 1998, pp. 81-86.

28. Cabon B., Le Guennec Y., Lourdiane M., and Maury G. "Photonic mixing in RF modulated optical link," in LEOS 2006, Oct. 2006, pp. 408-409.

29. Malyshev S. A., Chizh A. L. "p-i-n Photodiodes for Frequency Mixing in Radio-over-Fiber Systems," IEEE J of Lightwave Technol., vol. 25, No 11, pp. 3236-3243, Nov. 2007.

30. Yhland К., et. al. A symmetrical nonlinear HFET/MESFET model suitable for intermodulation analysis of amplifiers and resistive mixers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2000, v. 48, No 1, p. 15-22.

31. Angelov I., Bengtsson L., Garcia M. Extensions of the Chalmers nonlinear HEMT and MESFET model. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1996, v. 44, Pt. 1, p. 1664-1668.

32. Белкин JI. M. Модель гетероструктурного полевого транзистора сверхвысокочастотного диапазона в пассивном режиме. / Труды 52-й научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук». - Москва-Долгопрудный: 2009. Часть V. Физическая и квантовая электроника. Том 1, с. 152-156.

33. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Singularities of GaAs Microwave High Electron Mobility Transistor (HEMT) Modeling in Passive Regime. Abstracts of International Conference "Functional Materials" ICFM'2009. - Simferopol, 2009, p. 463.

34. Данилин В. H., Кушниренко А. И., Петров Г. В. Аналоговые полупроводниковые интегральные схемы СВЧ. - М.: Радио и связь, 1985. -192 с.

35. Мокеров В.Г., Кузнецов А.Л., Федоров Ю.В. и др. AlGaN/GaN-СВЧ НЕМТ-транзисторы с пробивным напряжением выше 100В и с предельной частотой усиления по мощности fmax до 100 ГГц. Физика и техника полупроводников, 2009, т. 43, вып. 4, с. 561-567.

36. Andrews D. Lumped element quadrature hybrids. - Artech House, 2006.-214 pp.

37. Rautio J. C. EM-component-based design of planar circuits. IEEE Microwave Magazine, 2007, v. 8, No 4, p. 79-90.

38. Maas S.A. Microwave Mixers. - Artech House, 1993. - 375 pp.

39. Razavi B. RF Microelectronics. - Prentice Hall, 1998. - 352 pp.

40. Gunnarsson S.E., et.al. A 220 GHz single-chip receiver MMIC with integrated antenna. IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2008, v. 18, No 4, p. 284-286.

41. Баров А.А. и др. GaAs МИС сверхширокополосного двойного балансного смесителя, www.micran.ru

42. Kapon Е., Sirbu A. Long-wavelength VCSELs: Power-efficient answer. Nature Photonics, 2009, v. 3, No 1, p. 27-29.

43. http://thesaurus.rusnano.com/wiki/article23842

44. Ledentsov N. N. Dots speed datacom VCSELs. Compound Semiconductor, 2009, v. 15, No 4, p. 25-27.

45. Koyama F. Recent advances of VCSEL photonics. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2006, vol. 24, no. 12, pp. 4502-4513.

46. Mena P.V., Morikuni J.J., Kang S.-M. et al. A comprehensive circuit-level model of vertical-cavity surface-emitting lasers. IEEE Journal of Lightwave Technology, 1999, vol. 17, no. 12, pp. 2612-2631.

47. Белкин M.E., Васильев М.Г. Полупроводниковые лазерные излучатели с высоким произведением средней мощности на полосу модуляции. Нано- и микросистемная техника, 2008, № 9 (98), с. 23-33.

48. Westbergh P., Gustavsson J.S., Haglung A. et al. High-speed, low-current-density 850 nm VCSELs. IEEE Journal of Selected Topics in Quantum Electronics, 2009, vol. 15, no. 3, pp. 694-702.

49. Ou Y., Gustavsson J.S., Wetbergh P., et al. Impedance characteristics and parasitic speed limitations of high-speed 850-nm VCSELs. IEEE Photonics Technology Letters, 2009, vol. 21, no. 24, pp. 1840-1842.

50. Piprek J., Mehta M., Jayaraman V. Design and optimization of high-performance 1.3 цт VCSELs. - Proceedings of SPIE, 2004, v. 5943, pp. 375-384.

51. Bacou A., Hayat A., Yakovlev V. et al. Electrical modeling of long-wavelength VCSELs for intrinsic parameters extraction. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2010, vol. 46, no. 3, pp. 313-322.

52. Mena P.V., Morikuni J.J., Kang S.-M. et al. A simple rate-equation-based thermal VCSEL model. IEEE Journal of Lightwave Technology, 1999, vol. 17, no. 5, pp. 865-872.

53. Tucker R.S. High-speed modulation of semiconductor lasers. IEEE Journal of Lightwave Technology, 1985, vol. LT-3, no. 6, pp. 1180-1192.

54. Minoglou K., Kyriakis-Bitzaros E.D., Syvridis D., Halkias G. A compact nonlinear equivalent circuit model and parameter extraction method for packaged high-speed VCSELs. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2004, vol. 22, no. 12, pp. 2823-2827.

55. Minoglou K., Halkias G., Kyriakis-Bitzaros E.D. et al. VCSEL device modeling and parameter extraction technique. - 14th IEEE International Conference on Electronics, Circuits and Systems, ICECS2007, 11-14 Dec. 2007, pp. 14-17.

56. Белкин JI.M., Белкин M.E. Бесструктурная модель поверхностно излучающего лазера с полосой модуляции в СВЧ диапазоне. Нано- и микросистемная техника, № 10, 2011, с. 9-17.

57. Kapon Е., Sirbu A., Iakovlev V., Mereuta A., Caliman A., Suruceanu G. "Recent developments in long wavelength VCSELs based on localized wafer fusion," ICTON 2009, Mo.Dl.l, pp. 1-4.

58. Белкин M.E., Белкин JI.M. Исследование эффективности применения полупроводникового лазерного излучателя для передачи многоканального аналогового сигнала СВЧ диапазона. Нано- и микросистемная техника, 2009, № 11, с. 32-37.

59. Белкин Л.М., Белкин М.Е. Применение оптоэлектронного подхода для преобразования и размножения частот сигналов сверхвысокочастотного диапазона. Нано- и микросистемная техника, JSTe 11, 2011, с. 4-10.

60. Seeds A. J., Williams K.J. Microwave Photonics. IEEE/OSA Journal of Lightwave Technology, 2006, v. 241, No 12, p. 4628-4641.

61. Hemery E., Chusseau L., and Lourtioz J.-M. "Dynamic Behaviors of Semiconductor Lasers under Strong Sinusoidal Current Modulation: Modeling and Experiments at 1.3 fim," IEEE J of Quantum Electron., vol. 26, no. 4, pp. 633-641, Apr. 1990.

62. Piprek J. and Bowers J. E. Analog Modulation of Semiconductor Lasers, Chapter 3 in RF Photonic Technology in Optical Fiber Links, ed. W. Chang, Cambridge University Press, 2002.

63. Васильев Д.В. и др. Радиотехнические цепи и сигналы: Учеб. пособие для вузов под ред. Самойло К.А. - М.: Радио и связь, 1982. - 528 с.

64. Гауэр Дж. Оптические системы связи: Пер. с англ. /Под ред. А. И. Ларкина. -М.: Радио и связь, 1989. - 504 с.

65. Белкин JI.M., Белкин М.Е., Сигов А.С. и др. Performances of Microwave-Band Analog Signal Transmission using Wafer-Fused Long Wavelength VCSELs. IEEE Photonics Technology Letters, Vol. 23, No. 20, p. 1463-1465.

66. Белкин JI.M., Белкин М.Е. ECAD's unstructured VCSEL modeling. European Semiconductor Laser Workshop (ESLW-2011), Lausanne, Switzerland, Sept. 2011.

67. Белкин JI.M., Белкин M.E., Лопарев A.B. и др. Microwave-Band Optoelectronic Frequency Converters Based on Long Wavelength VCSELs. The 3rd International IEEE Conference on Microwaves, Communications, Antennas and Electronic Systems (IEEE COMCAS 2011). Tel-Aviv, Israel, Nov. 2011, 1P1-6, p. 1-5.

68. ГОСТ 9783-88. Аппаратура электронная бытовая. Методы электрических высокочастотных измерений.

69. Белкин М.Е. Метод расчета числа передаваемых каналов в многоканальной волоконно-оптической системе с ВЧ и СВЧ поднесугцими. Радиотехника, 2006, № 12, с. 88-91.

70. Qian X., Hartmann P., Ingham J.D., Penty R.V., White I. H. Directly-modulated photonic devices for microwave applications. - IEEE MTTS International Microwave Symposium Digest, 2005, Vol. 44, pp. 909-912.

71. Carlsson C., Larsson A., Alping A. RF Transmission over Multimode Fibers Using VCSELs - Comparing Standard and High-Bandwidth Multimode Fibers. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2004, Vol. 22, №7, pp.1694-1700.

72. Белкин JI.M., Белкин M.E. Исследование характеристики времени задержки включения поверхностно-излучающего лазера с вертикальным резонатором. Нано- и микросистемная техника, № 11, 2010, с. 51-54.

73. Agrawal G. P., Dutta N. К. Semiconductor Lasers. - N.Y.: Van Nos-trand Reinhold, 1993.-610 p.

74. Liu G., Chuang S.L. High-speed modulation of long-wavelength Inl-xGaxAsyPl-y and Inl-x-yGaxAlyAs strained quantum-well lasers. IEEE Journal of Quantum Electronics, 2001, v. 37, p. 1283.

75. Prise M. E., Taghizadeh M. R., Smith S. D., Wherrett B. S. Picosecond measurement of Auger recombination rates in InGaAs. Appllied Physics Letters, 1984, v. 45, p. 652.

76. Бельчиков С. Коэффициент шума. Теория и практика измерений. Компоненты и технологии, 2008, № 4, с. 196-199.

77. Бельчиков С. Коэффициент шума. Теория и практика измерений. Компоненты и технологии, 2008, № 5, с. 174-178.

78. Zeng F., Yao J., All-optical Microwave Mixing and Bandpass Filtering in a Radio-Over-Fiber Link. IEEE Phot. Technol. L., Vol. 17, No. 4, April 2005, pp. 899-901.

79. Lindsay A.C., Knight G.A., Winnall S.T. Photonic Mixer for Wide Bandwidth RF Receiver Applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. Vol. 43, No. 9, Sept. 1995, pp. 2311-2317.

80. Constant S. В., Le Guennec Y., Maury G., etc. Low-Cost All-Optical Up-Conversion of Digital Radio Signals Using a Directly Modulated 1550-nm Emitting VCSEL. IEEE Phot. Technol. L., Vol. 20, No. 2, Jan. 15, 2008, pp. 120-122.

81. Sauer M., Kobyakov A., George J. Radio over Fiber for Picocellular Network Architectures, IEEE Journal of Lightwave Technology, 2007, vol. 25, no. 11, pp. 3301-3320.

82. Choi C-S., e. a. Characteristics of InP HEMT harmonic optoelectronic mixers and their application to 60-GHz radio-on-fiber systems. // IEEE MTT Symposium Digest, 2004, TU6D-1, p. 401-404.

83. Huff D.B., Anthes J.P. Optoelectronic isolator for microwave applications. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1990, v. 38, № 5, p. 571-575.

84. Yu J., et al. Cost-Effective Optical Millimeter Technologies and Field Demonstrations for Very High Throughput Wireless-Over-Fiber Access Systems. IEEE Journal of Lightwave Technology, 2010, v. 28, No 16, pp. 2376-2397.

85. Belkin L., Belkin M.E. "Cost-Effective Millimeter Wave-to-Optical Conversion with Patch Antenna and MMIC Chipset for RoF's Uplink," 18th International Conference on Microwave, Radar and Wireless Communications MIKON-2010, - Vilnius, Lithuania, v. 1, p. 369-372, June 2010.

86. Котов А. С. Высокостабильные малошумящие транзисторные СВЧ-генераторы с комбинированной стабилизацией частоты. Радиотехника, 2007, № 3, с. 26-32

87. Kaszubowska А., Ни L., and Barry L. P. Remote Downconversion with Wavelength Reuse for the Radio/Fiber Uplink Connection. IEEE Photonics Technology Letters, V. 18, No. 4, 2006, p. 562-564

88. Белкин М. Е. Концепция построения сети абонентского доступа на базе волоконно-коаксиальных распределительных сетей. - Электросвязь, 1998, № 1, с. 8-15.

89. RF and microwave circuits, measurements, and modeling. / Editor-inchief M. Golio. - CRC Press, 2008. - 876 pp.

90. Белкин M.E. Исследование эффективности применения полупроводникового лазерного излучателя для передачи сверхвысокоскоростного цифрового сигнала. Нано- и микросистемная техника, 2009, № 9, с. 36-42.

91. Белкин М. Е. Отношение сигнал/шум в аналоговой волоконно-оптической системе с ВЧ и СВЧ поднесугцими. Электросвязь, 2005, № 8, с. 36-38.

92. www.dilas.ru

93. www.miteq.com

94. A system designer's guide to RF and microwave fiber optics. //ORTEL Corporation. 1994. - 32 p.