В.Б. Байбурин, А.С. Розов, Н.Ю. Хороводова, Н.Ю. Хороводова, А.А. Никифоров

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А. (г. Саратов, Россия)

Постановка проблемы. В настоящее время возрастающий интерес исследователей вызывают теоретические и практические вопросы освоения субтерагерцевого и терагерцевого диапазона частот. Электронные устройства, работающие в этих диапазонах, эффективно применяются в различных областях науки и техники: в авиакосмической аппаратуре, системах безопасности, спектроскопии, медицине, биологии и многих других. 

Цель. Составить обзор и провести анализ существующих устройств умножения частоты, позволяющих с использованием базовых источников генерации относительно низкой частоты «войти» для работы в терагерцевом и субтерагерцевом диапазонах частот при обеспечении необходимых требований по вибрационной, ударной и радиационной устойчивости, массогабаритным размерам и условиям изменений внешней климатической среды.

Результаты. Представлен обзор и проведен анализ электронных устройств умножения частоты, работающих в субтерагерцевом и терагерцевом диапазоне частот, созданных как на основе эффектов твердого тела, так и с помощью вакуумной электроники, в частности, приборов магнетронного типа, отличающихся компактностью, высокой устойчивостью к радиационным нагрузкам и механическим воздействиям. Предложено в качестве наиболее оптимального варианта эффективное устройство умножителя частоты магнетронного типа. Для снижения технологических ограничений, обусловленных необходимостью их сверх-прецизионного изготовления, рассмотрен новый подход, основанный на гипотезе П.Л. Капицы, позволяющий существенно упростить анодную структуру магнетронного умножителя и обеспечить приемлемый уровень выходных параметров. 

Практическая значимость. Представленные материалы отражают достижения последних лет в области создания умножителей частоты с подробным анализом их характеристик и параметров в процессе эксплуатации и могут быть использованы исследователями и проектировщиками для разработки новых приборов и устройств СВЧ-, субтерагерцевого и терагерцевого диапазонов.

Байбурин В.Б., Розов А.С., Хороводова Н.Ю., Хороводова Н.Ю., Никифоров А.А. Новый подход к созданию перспективных компактных умножителей частоты субтерагерцевого и терагерцевого диапазонов для применения в условиях бортовой электронной техники // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 7. С. 111−121. DOI: https://doi.org/10.18127/j00338486-202108-12

1. Grigoriev A.D. Terahertz Electronics. Cambridge Scholars Publishing. 2020. 333 p.
2. Генерация и усиление сигналов терагерцового диапазона: колл. монография / Под ред. А.Е. Храмова, А.Г. Баланова, В.Д. Еремки, В.Е. Запевалова, А.А. Короновского. Саратов: Сарат. гос. техн. ун-т. 2016. 458 с.
3. Booske J.H., Dobbs R J., Joye C.D., et al. Vacuum electronic high power terahertz sources // IEEE Trans. Terahertz Sci. Technol. 2011. V. 1. № 1. P. 54–75. DOI: 10.1109/TTHZ.2011.2151610.
4. Электроника. Энциклопедический словарь. М.: Советская энциклопедия. 1991. 695 с.
5. Bozhkov V.G. Semiconductor detectors, mixers, and frequency multipliers for the terahertz Band // Radiophysics and Quantum Electronics. 2003. V. 46. № 8−9. P. 631-656. DOI: 10.1023/B:RAQE.0000024993.40125.2b.
6. Вакс В.Л., Балакирев В.Ю., Панин А.Н., Приползин С.И., Кошелец В.П., Киселев О.С Разработка физических принципов построения и реализации спектрометра диапазона 500−700 GHz со сверхпроводниковым интегральным приемником // Физика твердого тела. 2010. Т. 52. № 11. С. 2100−2103.
7. Stake J., Malko A., Bryllert T., Vukusic J. Status and Prospects of High-Power Heterostructure Barrier Varactor Frequency Multipliers // Proceedings of the IEEE. 2017. V. 105. № 6. P. 1006−1020. DOI: 10.1109/JPROC.2016.2646761.
8. Yeryomka V.D. Frequency Multipliers with Inclined Electron Flow // 17th International Crimean Conference - Microwave & Telecommunication Technology. 2007. P.151-162. DOI: 10.1109/CRMICO.2007.4368666.
9. Tang C.H. An exact analysis of varactor frequency multipliers // IEEE Trans. MTT. 1966. V. 14. №. 4. P. 210−212. DOI: 10.1109/TMTT.1966.1126222.
10. Siegel P.H. Terahertz technology IEEE Trans. on MTT. 2002. V. 50. № 3. P. 910−928. DOI: 10.1109/22.989974. 
11. Moussessian А.A., Wanke M. C., Yongjun Li., et al. A terahertz grid frequency doubler // IEEE MTT-S International Microwave Symposium. 1997. V. 2. P. 683−686. DOI: 10.1109/ MWSYM.1997.602883.
12. Павельев Д.Г., Кошуринов Ю.И., Иванов А.С., Панин А.Н., Вакс В.Л., Гавриленко В.И., Антонов А.В., Устинов В.М., Жу- ков А.Е. Экспериментальное исследование умножителей частоты на полупроводниковых сверхрешетках в терагерцовом диапазоне частот // Физика и техника полупроводников. 2012. Т. 46. № 1. С. 125−129.
13. Павельев Д.Г., Демарина Н.В., Кошуринов Ю.И., Васильев А.П., Семенова Е.С., Жуков А.Е., Устинов В.М. Характеристики планарных диодов терагерцового диапазона частот на основе сильно легированных GaAs/AlAs-сверхрешеток // Физика и техника полупроводников. 2004. T. 38. № 9. С. 1141−1146. 
14. Дюков Д.И., Фефелов А.Г., Коротков А.В., Павельев Д.Г., Козлов В.А., Оболенская Е.С., Иванов А.С., Оболенский С.В. Сравнение эффективности перспективных гетероструктурных умножительных диодов терагерцового диапазона частот // Физика и техника полу-проводников. 2020. Т. 54. № 10. С. 1158−1162. DOI: 10.21883/FTP.2020. 
15. Kinev N.V., Koshelets V.P. Study and Comparison of Laboratory Terahertz Sources Based on a Backward Wave Oscillator, a Semiconductor Microwave Frequency Multiplier with Large Numbers of Harmonics, and a Long Josephson Junction // J. Commun. Technol. Electron. 2021. 66. P. 278−288. DOI: https://doi.org/10.1134/S1064226921030116.
16. Paveliev D.G., Koshurinov Y.I., Ivanov A.S., et al. Experimental study of frequency multipliers based on a GaAs/AlAs semiconductor superlattices in the terahertz frequency range // Semiconductors. 2012. V. 46. P. 121−125. DOI: https://doi.org/10.1134/s1063782612010150.
17. Stake J., Bryllert T., Vukusic J., Olsen A. Development of high power HBV multipliers for millimeter wave applications // Proceedings V. 6739. Electro-Optical Remote Sensing, Detection, and Photonic Technologies and Their Applications. 2007. 67390U. DOI: https:// doi.org/10.1117/12.737592.
18. Kollberg E., Rydberg A. Quantum Barrier-Varactor Diodes for High Efficiency Millimeter-Wave Multipliers // Electronics Letters. 1990. V. 25. P. 1696-1697. DOI: 10.1049/el:19891134.
19. Xiao Q.J. Hesler L., Crowe T.W., et al. High efficiency heterostructure-barrier-varactor frequency triplets using AlN substrates // IEEE MTT-S Int. Microw. Symp. Dig. 2005. P. 443−446.
20. Schevchenko Y., Apostolakis A., Pereira M.F. Recent Advances in Superlattice Frequency Multipliers // In: Pereira M.F., Apostolakis A. (eds) Terahertz (THz), Mid Infrared (MIR) and Near Infrared (NIR) Technologies for Protection of Critical Infrastructures Against Explosives and CBRN. NATO Science for Peace and Security Series B: Physics and Biophysics. Springer, Dordrecht. 2021. DOI: https://doi.org/10.1007/978-94-024-2082-1_8.
21. Malko F.A., Bryllert T., Vukusic J., Stake J. A 474 GHz HBV frequency quintupler integrated on a 20 μm thick silicon substrate // IEEE Trans. THz Sci. Technol. 2014. V. 5 № 1. P. 85−91. DOI: 10.1109/TTHZ.2014.2378793.
22. Klappenberger F., Renk K.F., Renk P., Rieder B. Semiconductor − superlattice frequency multiplier for generation of submillimeter waves // Appl. Phys. Lett. 84. 3924. 2004. DOI: https:// doi.org/10.1063/1.1741037.
23. Endres C.P. Application of superlattice multipliers for high-resolution terahertz spectroscopy // Review of Scientific Instruments. 2007. V. 78. Is. 4. 043106. DOI: https:// doi.org/10.1063/1.2722401
24. Григорьев А.Д. Терагерцевая электроника // Материалы Междунар. науч.-технич. конф. «Актуальные проблемы электронного приборостроения (АПЭП-2018)». Т.1. Саратов: СГТУ им. Гагарина Ю.А. 2018. С. 5−11.
25. Kirichenko A.Ya., Yakovenko V.M., Klinotron – 50. In: V.M. Yakovenko. ed. 2007. Radiofizika i elektronika. Kharkov: IRE NAS of Ukraine Publ. 12 (Spec. Iss.). P. 5−13.
26. Yeryomka V.D., Kuraev A.A., Sinitsyn A.K. Orbotrons: multibeam MM- and sub-MM-wave oscillators // 14th International Crimean Conference «Microwave and Telecommunication Technology» (IEEE Cat. No.04EX843). 2004. P. 199−202. DOI: 10.1109/CRMICO.2004.183163.
27. Gurevich A.V. A millimeter-wave two-stage orbotron // Proc. Seventh IEEE Int. Vacuum Electron. Conf. and Sixth IEEE Int. Vacuum Electron. Sources Conf. (IVEC-IVESC’2006). 2006. P. 199−200. DOI: 10.1109/IVELEC.2006.1666253.
28. Matsui T. A Brief Review on Metamaterial-Based Vacuum Electronics for Terahertz and Microwave // Science and Technology.  J. Infrared. Milli. Terahz. Waves. 2017. V. 38. P. 1140–1161. DOI: https://doi.org/10.1007/s10762-017-0387-9.
29. Veselago V.G. The electrodynamics of substances with simultaneously negative values of ε and μ // Soviet Physics Uspekhi. 1968. V. 10. № 4.10 (509). DOI: 10.1070/pu1968 v010n04abeh003699.
30. Velazco J. Miniature Sub-Millimeter Wave Magnetron Oscillator. Status Report Final SBIR Phase II Small Business Innovation Research Program. Project Number R-51449ELSB2061791. Army Contract No. W911NF-06-C-008 SPONSORED BY U.S. Army Research Office. 2009. 20 p.
31. Захаров А.А., Булдаков Е.И., Еремин В.П. Исследование и разработка мощных импульсных двухмиллиметровых магнетронов повышенной надежности // Вестник Саратовского государственного технического университета. 2011. Т. 4. № 2(60).  С. 80−86.
32. Naumenko V.D., Vavriv D.M., Schünemann K. Spatial-harmonic magnetrons with cold secondary-emission cathode: Advances and challenges // 9 th International Kharkiv Symposium on Physics and Engineering of Microwaves, Millimeter and Submillimeter Waves (MSMW). 2016. P. 1−4. DOI: 10.1109/MSMW.2016.7538218.
33. Baiburin V.B., Rozov A.S. Generation in crossed fields under parametric variation in the magnetic field // Journal of Communications Technology and Electronics. 2016. Т. 61. № 3. P. 267−271. DOI: 10.1134/S1064226916030025.
34. Esfahani N.N., Tayarani M., Schuenemann K. Design and 3-D particle-in-cell simulation of a 140 GHz spatial harmonic magnetron // Progress in Electromagnetics Research. 2013. 133 p. DOI: 10.2528/PIER12081310.
35. Baiburin V. B., Rozov A. S. Research about the conditions of parametric generation in planar resonators // International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE-2014). 2014. P. 142−145. DOI: 10.1109/APEDE.2014.6958735.
36. Байбурин В.Б., Куцько П.П., Мещанов В.П., Розов А.С., Терентьев А.А. Учет вихревых электрических полей при параметрической генерации в скрещенных полях // Электромагнитные волны и электронные системы. 2015. Т. 20. № 2. С. 77−80.
37. Baiburin V.B., Rozov A.S., Khorovodova N.Yu. Power Losses in Skin Layer at Parametric Generation in Crossed Fields // International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE-2018). 2018. P. 86−89. DOI: 10.1109/APEDE.2018.8542369.
38. Baiburin V.B., Rozov A.S., Bespalova N.V. Influence of Inhomogeneous Magnetic Induction on Parametric Generation in Crossed Fields // International Conference on Actual Problems of Electron Devices Engineering (APEDE-2018). 2018. P. 90−93. DOI: 10.1109/APEDE.2018.8542188.
39. Байбурин В.Б., Розов А.С., Хороводова Н.Ю., Чернышев С.Л. Совместное влияние различных факторов на параметрическую генерацию в скрещенных полях // Радиотехника. 2019. Т. 83. № 7 (10). С. 52−56. DOI: 10.18127/j00338486-201907(10)-09.
40. Байбурин В.Б., Розов А.С., Хороводова Н.Ю., Чернышев С.Л. Умножитель частоты магнетронного типа на основе параметрической генерации в скрещенных полях // Радиотехника. 2021. Т. 85. № 4. С. 59−65. DOI: 10.18127/j00338486-202104-07.
41. Изюмов Д.Б., Кондратюк Е.Л. Зарубежный опыт использования терагерцового частотного диапазона при создании образцов вооружения, военной и специальной техники // Инноватика и экспертиза: научные труды. 2018. № 1(22). С. 153−168.