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