Параметрический умножитель частоты с низким уровнем вносимого фазового шума

Баринов Д. А., Гурьянов Н. О.

Опубликовано в сборнике тезисов «Российский форум «Микроэлектроника 2024». 10-я Научная конференция «ЭКБ и микроэлектронные модули». 23-28 сентября 2024 г. М.: ТЕХНОСФЕРА. С 399-400

Представлены результаты разработки, изготовления и испытаний макета умножителя частоты на основе варикапа с резким переходом с низким уровнем вносимого фазового шума. Ключевые слова: умножитель частоты; варикап; SPICE-модель; эксперимент; фазовый шум; спектр; нелинейная емкость.

Для современных радиолокационных систем и высокоскоростных устройств дискретизации радиосигналов требуются высокостабильные генераторы опорной частоты СВЧ-диапазона с низким уровнем фазового шума [1].

В большинстве случаев опорные генераторы строятся по принципу умножения частоты низкочастотных кварцевых генераторов, что приводит к ухудшению фазового шума на 20 log(N), где N — коэффициент умножения частоты. Наиболее низким уровнем вносимого фазового шума обладают пассивные (диодные) умножители частоты. Из-за больших потерь при умножении уровень выходного сигнала таких умножителей мал, что приводит к применению буферного каскада, который вносит дополнительный фазовый шум при больших отстройках от несущей [2].

В типичных умножителях частоты обычно применяются кремниевые диоды Шоттки. Однако такие умножители имеют низкий КПД — отношение выходной мощности умножителя к входной мощности накачки. Умножители частоты на диодах Шоттки имеют следующие типичные значения коэффициентов преобразования для гармоник входной частоты: 2-я гармоника −10 дБ, 3-я гармоника −15 дБ, 4 и 5-я гармоники −20…−25 дБ [3].

Результаты моделирования показывают, что схема умножения частоты на варикапе с резким переходом позволяет получить высокий КПД и тем самым избежать необходимость применения буферного каскада, вносящего дополнительный фазовый шум. В умножителях этого типа генерация гармоник частоты накачки происходит за счет нелинейной емкости р-n перехода большой крутизны. В варикапе используется нелинейность барьерной емкости закрытого перехода, которая относительно не велика, и, следовательно, не велики значения накапливаемых зарядов и пропускаемых токов. Соответственно мала преобразуемая варикапом мощность. Поэтому на практике для умножения частоты используют режим диода, в котором он работает с заходом в область прямых смещений, но без открывания p-n перехода. В таком режиме к барьерной емкости перехода добавляется диффузионная емкость, которая на несколько порядков превышает барьерную. В результате существенно возрастает преобразуемая параметрическим умножителем мощность [4].

Используя разработанную SPICE-модель выбранного варикапа с резким переходом, был смоделирован и изготовлен макет умножителя частоты 120 МГц кратностью 5, а также проведено экспериментальное исследование. Разработанная SPICE-модель варикапа, обеспечивает высокую точность совпадения с результатами измерений макета умножителя. В результате эксперимента был получен низкий уровень спектральной плотности мощности фазового шума выходного сигнала, а коэффициент преобразования умножителя составил −13,5 дБ при входной мощности накачки 18 dBm, что на порядок превосходит КПД умножителя на кремниевых диодах Шоттки той же кратности.

Разработанный умножитель на варикапе с резким переходом может быть использован для повышения частоты кварцевого генератора с низким уровнем фазового шума.