radioelectronicsИзвестия высших учебных заведений России. РадиоэлектроникаJournal of the Russian Universities. Radioelectronics1993-89852658-4794Saint Petersburg Electrotechnical University10.32603/1993-8985-2023-26-5-89-98radioelectronics-802Research ArticleМИКРО- И НАНОЭЛЕКТРОНИКАMICRO- AND NANOELECTRONICSСмеситель частот диапазона 13…67 ГГЦ13…67 GHz Frequency MixerДаниловД. С.DanilovD. S.

Даниил Сергеевич Данилов, инженер по специальности "Радиотехника" (2015), аспирант, руководитель группы разработки монолитно-интегральных систем. Автор 10 научных работ

кафедра конструирования узлов и деталей радиоэлектронной аппаратуры

департамент информационно-измерительных систем

Сфера научных интересов – СВЧ-микроэлектроника; измерительная техника на СВЧ

634050

пр. Ленина, д. 40

Томск

Daniil S. Danilov, engineer in Radio Engineering (2015), Postgraduate student, Head of the monolithic integrated circuits development group. The author of 10 scientific publications

Department of Design of Components and Parts of Electronic Equipment

Department of Information and Measurement Systems (DIIS)

Area of expertise: microwave microelectronics; microwave measuring equipment

634050

40, Lenina St.

Tomsk

danilov.ds@micran.ruДроздовА. В.DrozdovA. V.

Алексей Викторович Дроздов, кандидат технических наук (2018), ведущий инженер, инженер. Автор более 10 научных работ. Сфера научных интересов – СВЧ-микроэлектроника; измерительная техника СВЧ

603105

ул. Ошарская, д. 95, к. 2

Томск

Нижний Новгород

Alexey V. Drozdov, Cand. Sci. (Eng.) (2018), Leading engineer, engineer. The author of more than 10 scientific publications

Area of expertise: microwave microelectronics; microwave measuring technology

603105

95/2, Osharskaya St.

Tomsk

Nizhnyi Novgorod

Alexey.drozdov@radiogigabit.comБатоевЦ. М.BatoevTs. M.

Цырен Мункобатоевич Батоев, магистр по направлению "Радиотехника" (2023), инженер группы разработки МИС 

кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники

отдел СВЧ-схемотехники

Сфера научных интересов – СВЧ-микроэлектроника

634050

пр. Ленина, д. 40

Томск

Tsyren M. Batoev, Master's Degree in Radio Engineering (2023), Engineer of the MMIC Development Group

Department of Ultrahigh Frequencies and Quantum Radio Engineering

Department of Microwave Circuitry

Area of expertise: microwave microelectronics

634050

40, Lenina St.

Tomsk

batoev.tsm@micran.ruЛамановЮ. А.LamanovYu. A.

Юрий Александрович Ламанов, магистр по направлению "Радиотехника" (2023), инженер группы разработки МИС. Автор одной научной публикации

кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники

отдел СВЧ-схемотехники

Сфера научных интересов – СВЧ-микроэлектроника; измерительная техника на СВЧ

634050

пр. Ленина, д. 40

Томск

Yuri A. Lamanov, Master's Degree in Radio Engineering (2023), Engineer of the MMIC Development Group. The author of 1 scientific publication

Department of Ultrahigh Frequencies and Quantum Radio Engineering

Department of Microwave Circuitry

Area of expertise: technologies of manufacturing and control of printed circuit boards

Tomsk

yury_lamanov@mail.ruЗагороднийА. С.ZagorodnyA. S.

Андрей Сергеевич Загородний, кандидат технических наук (2014), доцент, начальник отдела. Автор более 30 научных работ

кафедра сверхвысоких частот и квантовой радиотехники

отдел СВЧ-схемотехники

Сфера научных интересов – СВЧ-микроэлектроника; измерительная техника СВЧ

634050

пр. Ленина, д. 40

Томск

Andrey S. Zagorodny, Cand. Sci. (Eng.) (2014), Associate Professor, Head of the Department. The author of more than 30 scientific publications

Department of Ultrahigh Frequencies and Quantum Radio Engineering

Department of Microwave Circuitry

Area of expertise: microwave microelectronics; microwave measuring technology

634050

40, Lenina St.

Tomsk

andreyzag@micran.ruhttps://orcid.org/0000-0003-0317-9096МалютинН. Д.MalyutinN. D.

Николай Дмитриевич Малютин, доктор технических наук (1993), главный научный сотрудник, профессор. Автор 160 научных работ

НИИ систем электрической связи

кафедра конструирования деталей и узлов радиоэлектронной аппаратуры

Сфера научных интересов – теория связанных полосковых структур; устройства на их основе; измерение параметров материалов, включая нелинейные кристаллы

634050

пр. Ленина, д. 40

Томск

Nickolay D. Malyutin, Dr Sci. (Eng.) (1993), Chief Supervisor, Professor. The author of 160 scientific publications

Research Institute of Electrical Communication Systems

Department of Components and Components Design of Radio-Electronic Equipment

Area of expertise: theory of coupled strip structures; devices based on them; measurement of materials parameters, including non-linear crystals

634050

40, Lenina St.

Tomsk

ndm@main.tusur.ruТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроники; АО «НПФ "Микран"»РоссияTomsk State University of Control Systems and Radioelectronics; JSC "MICRAN"Russian FederationАО «НПФ "Микран"»; ООО "Радио Гигабит"РоссияJSC "MICRAN"; Radio Gigabit LLCRussian FederationТомский государственный университет систем управления и радиоэлектроникиРоссияTomsk State University of Control Systems and RadioelectronicsRussian Federation2023281120232658998Copyright © Данилов Д.С., Дроздов А.В., Батоев Ц.М., Ламанов Ю.А., Загородний А.С., Малютин Н.Д., 20232023Данилов Д.С., Дроздов А.В., Батоев Ц.М., Ламанов Ю.А., Загородний А.С., Малютин Н.Д.Danilov D.S., Drozdov A.V., Batoev T.M., Lamanov Y.A., Zagorodny A.S., Malyutin N.D.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://re.eltech.ru/jour/article/view/802   Введение

   Введение. С каждым годом требования к характеристикам измерительной техники растут. Одной из таких характеристик является полоса пропускания прибора. Данный факт вынуждает создавать широкополосные микросхемы для применения в СВЧ-блоках приборов, таких как векторные анализаторы цепей (ВАЦ) и анализаторы спектра. Одной из микросхем, применяемой в блоках приемников подобного оборудования, является смеситель частот. От диапазона частот смесителя зависит полоса частот приемника и, как следствие, полоса пропускания всего прибора в целом.

   Цель работы

   Цель работы. Исследование и разработка сверхширокополосной интегральной схемы смесителя частот диапазона 13…67 ГГц на основе технологии квазивертикальных диодов Шоттки на подложке GaAs АО «НПФ "Микран"».

   Материалы и методы

   Материалы и методы. Проведен анализ существующих классических и модифицированных вариантов трансформаторов, применяемых в смесителях. Ни один из данных трансформаторов не удовлетворяет требованиям указанной полосы пропускания. Предложена модификация схемы трансформатора, которая позволила добиться рабочего диапазона частот 10…70 ГГц. На базе полученного трансформатора и диодной GaAs-технологии АО «НПФ "Микран"» разработана полная топология смесителя. Проведен электродинамический анализ интегральной схемы. При измерениях применялись ВАЦ до 67 ГГц.

   Результаты

   Результаты. Представлены результаты разработки широкополосного смесителя с полосой рабочих частот 10…67 ГГц. Приведено схемотехническое решение на основе балансной схемы с модифицированными трансформаторами и цепью вывода промежуточной частоты. Показаны расчетные зависимости и результаты измерений интегральной схемы смесителя. Полученные потери преобразования в диапазоне от 10 до 67 ГГц не более 10 дБ.

   Заключение

   Заключение. Предложен вариант доработки схемы трансформатора, разработан новый широкополосный трансформатор с диапазоном рабочих частот от 10 до 70 ГГц. На его основе выполнено моделирование и изготовлена микросхема смесителя. Данная микросхема может использоваться в приемопередающих блоках современных измерительных приборов. По совокупности характеристик микросхема является аналогом смесителя Marki Mikrowave MM1-1467L.

   Introduction

   Introduction. The requirements for the performance of measuring devices, including their operating frequency, are constantly becoming stricter. This encourages the creation of wide-band microcircuits for application in microwave blocks of devices, such as vector network analyzers (VNA) and spectrum analyzers (SA). One of such microcircuits, used in the receiver system, is a frequency mixer. The operating range of the mixer determines the operating range of the measuring instrument.

   Aim

   Aim. Research and development of an ultra-wideband integrated circuit for a 13…67 GHz frequency mixer based on the GaAs QSBD technology by Micran JSC.

   Materials and methods

   Materials and methods. An analysis of existing classic and modified circuit transformers used in mixers was conducted. A modification of the transformer circuit, which allowed a frequency range of 10…70 GHz to be achieved,was proposed. Based on the obtained transformer and GaAs diode technology of Micran JSC, a complete mixer topology was developed and produced. An electrodynamic analysis of the integrated circuit was carried out; measurements were performed using a VNA up to 67 GHz.

   Results

   Results. A wideband mixer with a frequency range of 10…67 GHz is developed. A circuit design is proposed based on a balanced circuit with modified transformers and an intermediate frequency output circuit. The calculated dependences and measurement results of the integrated circuit of the mixer are presented. The mixer exhibits a conversion loss of less than 10 dB in the range of 10…67 GHz.

   Conclusion

   Conclusion. A new broadband transformer with a range of operating frequencies from 10 to 70 GHz was developed. On its basis, a mixer microcircuit was simulated and manufactured. This microcircuit can be used in the receiving and transmitting units of modern measuring instruments. In terms of its characteristics, the proposed microcircuit is an analog of the Marki Mikrowave MM1-1467L mixer.

интегральная схемаGaAsсмесительдиоды Шотткимодификация трансформатора Маршандаintegrated circuitGaAsmixerSchottky diodesMarchand transformer modificationИсследование поддержано Министерством науки и высшего образования (проект FEWM-2023-0014 от 16. 01. 23)The research was supported by the Russian Ministry of Science and Higher Education (project FEWM-2023-0014, 16. 01. 23)ReferencesДоценко В. В., Малютин Н. Д. Разработки аппаратуры радиолокации, приборостроения и электронной компонентной базы СВЧ: основные результаты выполнения комплексных проектов НИИ систем электрической связи и АО «НПФ "Микран"» // Докл. ТУСУР. 2017. Т. 20, № 3. С. 79–85. doi: 10.21293/1818-0442-2017-20-3-79-85Dotsenko V. V., Maljutin N. D. Development of Radar Equipment, Microwave Measurements and Electronic Component Base: the Main Results of the Implementation of Complex Projects of the Research Institute of Electrical Communications Systems and JSC "Micran". Proc. of TUSUR University. 2017, vol. 20, no. 3, pp. 79–85. doi: 10.21293/1818-0442-2017-20-3-79-85 (In Russ.)Хибель М. Основы векторного анализа цепей. М.: Издательский дом МЭИ, 2009. 504 с.Khibel' M. Osnovy vektornogo analiza tsepei [Fundamentals of Vector Network Analysis]. Moscow, Izdatel'skii dom MEI, 2009, 504 p. (In Russ.)Раушер К. Основы спектрального анализа – Rhode&Shwarts. М.: Горячая линия – Телеком, 2006. 226 с.Rausher K. Osnovy spektral'nogo analiza – Rhode&Shwarts [Basics of Spectral Analysis – Rhode&Shwarts]. Moscow, Goryachaya liniya – Telekom, 2006, 226 p. (In Russ.)A 3 GHz to 10 GHz GaAs double balanced mixer / Y. Pu, Z. Huang, S. Pan, G. Wang // IEEE ITOEC. 2017. P. 1083–1086. doi: 10.1109/ITOEC.2017.8122521Pu Y., Huang Z., Pan S., Wang G. A 3 GHz to 10 GHz GaAs Double Balanced Mixer. IEEE ITOEC. 2017, pp. 1083–1086. doi: 10.1109/ITOEC.2017.8122521A highlylinear double balanced Schottky diode S-band mixer / M. Sudow, K. Andersson, P. A. Nilsson, N. Rorsman // IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 2006. Vol. 16, № 6. P. 336–338. doi: 10.1109/LMWC.2006.875625Sudow M., Andersson K., Nilsson P. A., Rorsman N. A Highly Linear Double Balanced Schottky Diode S-Band Mixer. IEEE Microw. Wirel. Compon. Lett. 2006, vol. 16, no. 6, pp. 336–338. doi: 10.1109/LMWC.2006.875625Novel Miniature and Broadband Millimeterwave Monolithic Star Mixers / C. Kuo, C. Kuo, C. Kuo, S. Maas, H. Wang // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008. Vol. 56, № 4. P. 793–802. doi: 10.1109/TMTT.2008.919063Kuo C., Kuo C., Kuo C., Maas S., Wang H. Novel Miniature and Broadband Millimeter-Wave Monolithic Star Mixers. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2008, vol. 56, no. 4, pp. 793–802. doi: 10.1109/TMTT.2008.919063Yeom K. W., Ko D. H. A novel 60-GHz monolithic star mixerusing gate-drain-connected pHEMT diodes // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005. Vol. 53, № 7. P. 2435–2440. doi: 10.1109/TMTT.2005.850402Yeom K. W., Ko D. H. A Novel 60-GHz Monolithic Star Mixerusing Gate-Drain-Connected pHEMT Diodes. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2005, vol. 53, no. 7, pp. 2435–2440. doi: 10.1109/TMTT.2005.850402Maas S. A. Microwave Mixers. 2<sup>nd</sup> ed. Norwood, MA: Artech House, 1993. 384 p.Maas S. A. Microwave Mixers. 2<sup>nd</sup> ed. Norwood, MA, Artech House, 1993, 384 p.Данилов Д. С., Дроботун Н. Б. GaAs монолитные интегральные схемы широкополосных смесителей частоты на основе диодов с барьером Шоттки // Nanoindustry Russia. 2020. № 13. С. 435–437. doi: 10.22184/1993-8578.2020.13.4s.435.437Danilov D. S., Drobotun N. B. Broadband Mixers Based on Shottky Diodes Implemented in GaAs MMIC Technology. Nanoindustry Russia. 2020, no. 13, pp. 435–437. doi: 10.22184/1993-8578.2020.13.4s.435.437 (In Russ.)Drobotun N., Danilov D., Drozdov A. A Decade Bandwidth Mixers Based on Planar Transformers and Quasi-vertical Schottky Diodes Implemented in GaAs MMIC Technology // 2020 50<sup>th</sup> European Microwave Conf. (EuMC). 2021. P. 957–960. doi: 10.23919/EuMC48046.2021.9338211Drobotun N., Danilov D., Drozdov A. A Decade Bandwidth Mixers Based on Planar Transformers and Quasi-vertical Schottky Diodes Implemented in GaAs MMIC Technology. 2020 50<sup>th</sup> European Microwave Conf. 2021, pp. 957–960. doi: 10.23919/EuMC48046.2021.9338211Leong Y., Ang K., Lee C. A derivation of a class of 3-port baluns from symmetrical 4-port networks // Proc. of IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest. Seattle, USA, 2–7 June 2002. P. 1165–1168. doi: 10.1109/MWSYM.2002.1011855Leong Y., Ang K., Lee C. A Derivation of a Class of 3-Port Baluns from Symmetrical 4-Port Networks. Proc. of IEEE MTT-S Intern. Microwave Symp. Digest. Seattle, USA, 2–7 June 2002, pp. 1165–1168. doi: 10.1109/MWSYM.2002.1011855Дроздов А. В., Данилов Д. С. Широкополосный симметрирующий трансформатор на основе мостов Маршанда для применения в интегральных микросхемах // Науч. сессия ТУСУР-2015 : материалы докл. Всерос. науч.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых. Томск: В-Спектр, 2013. Т. 2. С. 13–16.Drozdov A. V., Danilov D. S. Wideband Balun Transformer Based on Marchand Bridges for Use in Integrated Circuits. Scientific Session TUSUR-2015: Proc. of the Allruss. Report. Scientific-Technical Conf. Students, Graduate Students and Young Scientists. Tomsk, B-Spektr, 2013, vol. 2, pp. 13–16. (In Russ.)Tanaka H., Sasaki Y., Hashimoto T. Unbalanced-to-Balanced Converter. US Patent, no. 6.040.745, 21 March, 2000.Tanaka H., Sasaki Y., Hashimoto T. Unbalanced-to-Balanced Converter. US Patent, no. 6.040.745, 21 March, 2000.Cho C., Gupta K. C. A New Design Procedure for Single Layer and Two-Layer Three-Line Baluns // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998. Vol. 46, № 12. P. 2514–2519.Cho C., Gupta K. C. A New Design Procedure for Single Layer and Two-Layer Three-Line Baluns. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 1998, vol. 46, no. 12, pp. 2514–2519.Kian Sen Ang, Robertson I. D. Analysis and design of impedance-transforming planar Marchand baluns // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001. Vol. 49, № 2. P. 402–406. doi: 10.1109/22.903108Kian Sen Ang, Robertson I. D. Analysis and Design of Impedance-Transforming Planar Marchand Baluns. IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques. 2001, vol. 49, no. 2, pp. 402–406. doi: 10.1109/22.903108Ahn H., Kim B. Toward Integrated Circuit Size Reduction // IEEE Microwave Magazine. 2008. Vol. 9, iss. 1. P. 65–75.Ahn H., Kim B. Toward Integrated Circuit Size Reduction. IEEE Microwave Magazine. 2008, vol. 9, iss. 1, pp. 65–75.Tunable Impedance Transformer Based on Split Strip Lines / N. D. Malutin, A. V. Andreev, G. A. Malyutin, R. M. Sharabudinov // Proc. of Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON). Tomsk, Russia, 18–20 Apr. 2019. P. 337.Malutin N. D., Andreev A. V., Malyutin G. A., Sharabudinov R. M. Tunable Impedance Transformer Based on Split Strip Lines. Proc. of Intern. Siberian Conf. on Control and Communications (SIBCON), Tomsk, Russia, 18–20 April 2019, p. 337.Моделирование диодов с барьером Шоттки для применения в монолитных интегральных схемах СВЧ / А. В. Дроздов, Д. С. Данилов, И. В. Юнусов, Г. Г. Гошин // Докл. ТУСУР. 2018. Т. 21, № 1. С. 28–31. doi: 10.21293/1818-0442-2018-21-1-28-31Drozdov A. V., Danilov D. S., Yunusov I. V., Goshin G. G. Modeling of Schottky Barrier Diodes for Use in Monolithic Microwave Integrated Circuits. Proc. of TUSUR University. 2018, vol. 21, no. 1, pp. 28–31. doi: 10.21293/1818-0442-2018-21-1-28-31 (In Russ.)Drobotun N., Drozdov A. Broadband Microwave Frequency Doublers with Improved Harmonic Suppression Based on Quasi-Vertical GaAs Shottky Diodes // Proc. of the Electronic Design Innovation Conf. EDICON 2017, Shanghai, China, 25–27 Apr. 2017. P. 1–4.Drobotun N., Drozdov A. Broadband Microwave Frequency Doublers with Improved Harmonic Suppression Based on Quasi-Vertical GaAs Shottky Diodes. Proc. of the Electronic Design Innovation Conference EDICON 2017, Shanghai, China, 25–27 April 2017, pp. 1–4.Drozdov A. A 20 to 60 GHz Frequency Doubler MMIC Using a Quasi-Vertical GaAs Shottky Diodes // Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Moscow, 14–16 March 2018. P. 1–4.Drozdov A. A 20 to 60 GHz Frequency Doubler MMIC Using a Quasi-Vertical GaAs Shottky Diodes. Moscow Workshop on Electronic and Networking Technologies (MWENT). Moscow, 14–16 March 2018, pp. 1–4.MM1-1467L GaAs MMIC double balanced mixer Marki Microwave. URL: https://www.markimicrowave.com/mixers/mm1-1467l.aspx (дата обращения 20. 05. 2023)MM1-1467L GaAs MMIC Double Balanced Mixer Marki Microwave. Available at: https://www.markimicrowave.com/mixers/mm1-1467l.aspx (accessed 20. 05. 2023)

The authors declare that there are no conflicts of interest present.