Development and Research of W-band Subharmonic Mixer

Cover Page

Cite item

Full Text

Abstract

Introduction. Electromagnetic waves in the EHF (extremely high frequency) range are widely utilized in various industries and medicine. EHF transceiver devices offer several advantages over those operating in microwave, IR, VHF, and HF ranges. However, a significant drawback is the considerable attenuation of EHF radio waves when propagating in humid environments and challenging weather conditions. Subharmonic mixers have proven effective for converting EHF frequencies due to their desirable conversion and noise characteristics. This study aims to develop and create a W-band subharmonic mixer using domestic electronic components. To achieve this goal, we set the following tasks: 1) Conduct linear electromagnetic calculations and nonlinear analysis based on the equivalent parameters and a nonlinear model of Schottky barrier diodes (SBD); 2) Implement a subharmonic mixer and study its conversion and noise characteristics. Device and Principle of Operation. The developed passive subharmonic mixer features a waveguide-microstrip design that combines the fundamental harmonic of the EHF radio signal with the second harmonic of the local oscillator signal to produce an intermediate frequency. The frequency conversion occurs on an antiparallel pair of SBDs, fabricated on a GaAs substrate with beam leads. Mathematical modeling involves a step-by-step electromagnetic calculation of subharmonic mixer units using equivalent SBD parameters, followed by nonlinear analysis using the nonlinear SBD model. The conversion characteristics of the subharmonic mixer were measured with a vector network analyzer equipped with frequency extenders, while the noise characteristics were measured using a noise figure meter. Analysis of Results. For the implemented W-band subharmonic mixer, the conversion loss does not exceed 13 dB. In the 80–105 GHz range, the conversion loss is less than 11 dB, with an irregularity of ±0.8 dB. The optimal local oscillator power ranges from 8–12 dBm. The noise figure is no greater than 14 dBm. Qualitative and quantitative correlations between the mathematical calculation data and experimental results were observed, particularly in the spectrum of conversion losses and return losses at the radio signal input of the mixer. Conclusions. The developed W-band subharmonic mixer demonstrates characteristics comparable to existing analogues. A comparative analysis of the mathematical calculations and experimental results confirms the validity of the modeling methodology used. The resulting W-band subharmonic mixer is suitable for use in EHF transmitting and receiving devices and measuring equipment.

Full Text

Restricted Access

About the authors

Kirill V. Bilinsky

National Research Tomsk State University

Author for correspondence.
Email: bilinskiy_kv@niipp.ru
SPIN-code: 6954-5608

PhD student at the Department of Radioelectronics, Faculty of Radiophysics

Russian Federation, 36, Lenin Ave., Tomsk, 634050

Grigory E. Kuleshov

National Research Tomsk State University

Email: bilinskiy_kv@niipp.ru
ORCID iD: 0000-0001-9625-7078
SPIN-code: 8922-2082

Candidate of Physical and Mathematical Sciences, Associate Professor at the Department of Radioelectronics, Faculty of Radiophysics

Russian Federation, 36, Lenin Ave., Tomsk, 634050

Alexey V. Alexandrov

National Research Tomsk State University

Email: bilinskiy_kv@niipp.ru

PhD student at the Department of Radioelectronics, Faculty of Radiophysics

Russian Federation, 36, Lenin Ave., Tomsk, 634050

References

  1. Pirogov Y.A. Passive millimeter-wave imaging. Radiophysics and Quantum Electronics. 2003;46(8-9):594-603. (In Russ.).
  2. Tsioumis A., Ban W., Chung S.H. et al. Radio Astronomy. Handbook. Third edition. Geneva, Radio Bureau; 2013. 164 p.
  3. Berdyugin A.I., Badin A.V., Gursky R.P. et al. Terahertz scanning reflectometer for structure visualization of polymer constructions in additive manufacturing. Ural Radio Engineering Journal. 2021;5(3):207-224. (In Russ.).
  4. Pak A.K., Kuttybaeva A.E., Izimbetova A., Smailov N.K. Analysis of 5G millimeter-wave radio channels. German International Journal of Modern Science. 2021;(9):44-49. (In Russ.).
  5. Viktorova R.V., Karkavina A.N., Kulishova T.V. et al. The effectiveness of uhfir therapy in combination with nitricsilica low-radon mineral water used for the treatment of knee osteoarthrosis based at a spa and resort facility. Russian Journal of Physiotherapy, Balneology and Rehabilitation. 2013;(1):20-24. (In Russ.).
  6. Krasyuk V.N., Platonov O.Yu., Melnikova A.Yu. Features of the propagation of millimeter-wave radio waves reflect their use in modern radio technologies. Information and Control Systems. 2003;(4):33-38. (In Russ.).
  7. Gasanov L.G., Lipatov A.A., Markov V.V. et al. Solid-state microwave devices in communications technology. Moscow, Radio i Svjaz; 1988. 288 p. (In Russ.).
  8. Belousov A.A. Design features of multi-channel millimeter-wave microwave devices. Infokommunikacionnye i radiojelektronnye tehnologii. 2019;2(4):522-527. (In Russ.).
  9. Andrianov M.N., Kostenko V.I. Communication efficiency in the millimeter wave channel on the data transmission line “spacecraft - ground tracking station”. Kratkie soobshchenia po fizike. 2023;(4):12-19. (In Russ.).
  10. Zhang B., Alderrman B., Chen Z. at al. The Design of a 200-240-GHz Sub-Harmonic Mixer Based on RAL’s Planar Schottky Diodes. Terahertz Science and Technology. 2011;4(3):90-94. (In Russ.).
  11. Ivanov Yu.A., Meshkov S.A., Fedorenko I.A. et al. Subharmonic mixer with improved intermodulation characteristics based on a resonant tunnel diode. Journal of Communications Technology and Electronics. 2010;55(8):982-988. (In Russ.).
  12. Strikha V.I., Buzaneva E.V., Radzievsky I.A. Semiconductor devices with a Schottky barrier. Physics, technology, application. Moscow, Sovetskoe radio; 1974. 248 p. (in Russ.).
  13. Bozhkov V.G., Bekezina T.P., Burmistrova V.A. Schottky barrier diodes based on thermally resistant Ir-GaAs and Pt/Ir-GaAs contacts created by electrochemical deposition. Proceedings of TUSUR University. 2022;25(1):48-52. (in Russ.).
  14. Torkhov N.A., Babak L.I., Kokolov A.A. On the application of Schottky contacts in the microwave, extremely high frequency, and THz ranges. Semiconductors. 2019;53(12):1688-1698. (In Russ.).
  15. Gorgadze S.F., Maximov A.A. Harmonic balance theory for scheme technical design. T-Comm. 2020;14(11):21-32. (In Russ.).
  16. Golovin A.D., Smirnova O.A., Glotov A.N. et al. Design of radio engineering devices in the Advanced Design System environment. Moscow, Moscow State Technical University Named After NE Bauman; 2006. 44 p.
  17. Drozdov A.V., Danilov D.S., Yunusov I.V., Goshin G.G. Schottky diode model for mmic application. Proceedings of TUSUR University. 2018;21(1):28-31. (In Russ.).
  18. Konstantinov O.V., Mezrin O.A. The influence of the series resistance of a Schottky diode on its effective capacitance. Fizika i tehnika poluprovodnikov. 1983;17(2):305-311. (In Russ.).
  19. Chervinskiy E.N. Design of Band-Pass Filters with Non-Equiripple Frequency Responses. Journal of the Russian Universities. Radioelectronics. 2019;22(3):5-23. (In Russ.).

Supplementary files

Supplementary Files
Action
1. JATS XML
Download
2. Fig. 1. Waveguide design of the microstrip section of a W-band subharmonic mixer

Download (27KB)
Indexing metadata
3. Fig. 2. Antiparallel pair of diodes with a Schottky barrier (SBD)Ш

Download (436KB)
Indexing metadata
4. Fig. 3. Electromagnetic modeling of linear nodes in a subharmonic mixer

Download (260KB)
Indexing metadata
5. Fig. 4. Simulation results of the low-pass filter

Download (467KB)
Indexing metadata
6. Fig. 5. Simulation results of a MSJ with a low-pass filter connected to the IF output

Download (497KB)
Indexing metadata
7. Fig. 6. RF filter simulation results

Download (479KB)
Indexing metadata
8. Fig. 7. Calculation model of an antiparallel pair of SBDs with the equivalent circuit of one SBD

Download (299KB)
Indexing metadata
9. Fig. 8. Simulation results of RF MSJ with an RF blocking filter

Download (425KB)
Indexing metadata
10. Fig. 9. Dependence of differential resistance on local oscillator power Rd(РОС)

Download (254KB)
Indexing metadata
11. Fig. 10. Dependence of differential capacitance on bias voltage Сd(Uсм)

Download (302KB)
Indexing metadata
12. Fig. 11. Measurement of subharmonic mixer characteristics using a VNA

Download (349KB)
Indexing metadata
13. Fig. 12. Noise figure measurement on X5M-18

Download (288KB)
Indexing metadata
14. Fig. 13. Comparison of conversion losses in the subharmonic mixer: experimental results vs. nonlinear simulation

Download (363KB)
Indexing metadata
15. Fig. 14. Comparison of return losses at the RF input of a subharmonic mixer: experimental results vs. linear calculation

Download (339KB)
Indexing metadata
16. Fig. 15. Isolation of the IF output of a subhar-monic mixer from the RF input signal

Download (269KB)
Indexing metadata
17. Fig. 16. Isolation of the IF output of a subhar-monic mixer from the local oscillator (LO) input signal

Download (229KB)
Indexing metadata
18. Fig. 17. Conversion losses of a subharmonic mixer at different local oscillator frequencies fОС

Download (386KB)
Indexing metadata
19. Fig. 18. Conversion losses of a subharmonic mixer at different local oscillator powers fОС = 45 GHz

Download (371KB)
Indexing metadata
20. Fig. 19. Noise figure spectrum at constant IF fПЧ = 100 MHz in the RF frequency band (75–110 GHz)

Download (321KB)
Indexing metadata
21. Fig. 20. Noise figure spectrum with a constant local oscillator fОС = 45 GHz in the IF frequency band (0.01–10 GHz)

Download (327KB)
Indexing metadata

Согласие на обработку персональных данных с помощью сервиса «Яндекс.Метрика»

1. Я (далее – «Пользователь» или «Субъект персональных данных»), осуществляя использование сайта https://journals.rcsi.science/ (далее – «Сайт»), подтверждая свою полную дееспособность даю согласие на обработку персональных данных с использованием средств автоматизации Оператору - федеральному государственному бюджетному учреждению «Российский центр научной информации» (РЦНИ), далее – «Оператор», расположенному по адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А, со следующими условиями.

2. Категории обрабатываемых данных: файлы «cookies» (куки-файлы). Файлы «cookie» – это небольшой текстовый файл, который веб-сервер может хранить в браузере Пользователя. Данные файлы веб-сервер загружает на устройство Пользователя при посещении им Сайта. При каждом следующем посещении Пользователем Сайта «cookie» файлы отправляются на Сайт Оператора. Данные файлы позволяют Сайту распознавать устройство Пользователя. Содержимое такого файла может как относиться, так и не относиться к персональным данным, в зависимости от того, содержит ли такой файл персональные данные или содержит обезличенные технические данные.

3. Цель обработки персональных данных: анализ пользовательской активности с помощью сервиса «Яндекс.Метрика».

4. Категории субъектов персональных данных: все Пользователи Сайта, которые дали согласие на обработку файлов «cookie».

5. Способы обработки: сбор, запись, систематизация, накопление, хранение, уточнение (обновление, изменение), извлечение, использование, передача (доступ, предоставление), блокирование, удаление, уничтожение персональных данных.

6. Срок обработки и хранения: до получения от Субъекта персональных данных требования о прекращении обработки/отзыва согласия.

7. Способ отзыва: заявление об отзыве в письменном виде путём его направления на адрес электронной почты Оператора: info@rcsi.science или путем письменного обращения по юридическому адресу: 119991, г. Москва, Ленинский просп., д.32А

8. Субъект персональных данных вправе запретить своему оборудованию прием этих данных или ограничить прием этих данных. При отказе от получения таких данных или при ограничении приема данных некоторые функции Сайта могут работать некорректно. Субъект персональных данных обязуется сам настроить свое оборудование таким способом, чтобы оно обеспечивало адекватный его желаниям режим работы и уровень защиты данных файлов «cookie», Оператор не предоставляет технологических и правовых консультаций на темы подобного характера.

9. Порядок уничтожения персональных данных при достижении цели их обработки или при наступлении иных законных оснований определяется Оператором в соответствии с законодательством Российской Федерации.

10. Я согласен/согласна квалифицировать в качестве своей простой электронной подписи под настоящим Согласием и под Политикой обработки персональных данных выполнение мною следующего действия на сайте: https://journals.rcsi.science/ нажатие мною на интерфейсе с текстом: «Сайт использует сервис «Яндекс.Метрика» (который использует файлы «cookie») на элемент с текстом «Принять и продолжить».