Розробка малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону з використанням модифікованої моделі транзисторів з високою рухливістю електронів

Размещено на http://www.allbest.ru/

ДЕРЖАВНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ІНФОРМАЦІЙНО-КОМУНІКАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ

УДК 621.375.4:621.397.62:621.396.628

Розробка малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону з використанням модифікованої моделі транзисторів з високою рухливістю електронів

05.12.13 - Радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Сундучков Ігор Костянтинович

Київ 2007

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана в Відкритому акціонерному товаристві „Науково-виробниче підприємство „Сатурн”

Науковий керівник доктор технічних наук, професор,

Семенко Анатолій Іларіонович

Державний університет інформаційно-комунікаційних технологій, професор кафедри телекомунікаційних

систем, лауреат Державної премії СРСР

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор

Почерняєв Віталій Миколайович

ВАТ „Олімп”, головний науковий співробітник

кандидат технічних наук

Отрох Сергій Іванович

ВАТ „Укртелеком”, провідний спеціаліст

науково-технічного центру апарату управління електрозв'язку

Провідна установа: Харківський національний університет радіоелектроніки (м. Харків)

Захист відбудеться ”_21__” березня 2007 р. о 14 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д26.861.01 при Державному університеті інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м.Київ-110, вул. Солом'янська, 7.

З дисертацією можна ознайомитись в бібліотеці Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій за адресою: 03110, м. Київ-110, вул. Солом'янська, 7.

Автореферат розісланий ”19” лютого 2007 р.

Учений секретар спеціалізованої вченої ради, к. т. н., доцент Кунах Н.І.

малошумливий підсилювач міліметровий

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми. Для вирішення проблем розвитку та в досконалення єдиної національної системи зв'язку необхідною умовою є сучасна телекомунікаційна мережа. Оцінка нинішнього стану зв'язку та телекомунікаційних мереж України вимагають постійного просування у високочастотну область спектру сигналів, забезпечення високої вибірковості трактів і лінійності групового часу запізнювання, вирішення задач, пов'язаних з енергетикою систем, включаючи потужність передавачів, чутливість приймачів, поєднання аналогових і цифрових пристроїв. Крім того, завдання дешевого виробництва і тестування є далеко не останнім. Тому дослідження з створення апаратури в міліметровому діапазоні довжин хвиль є актуальними і своєчасними.

Малошумливі приймальні пристрої, будучи ключовим елементом систем радіозв'язку і телебачення, багато в чому відповідальні за досягнення перерахованих параметрів.

Не дивлячись на чималу кількість публікацій з результатами досягнутих параметрів в малошумливих приймальних пристроях міліметрового діапазону, в науково-технічній літературі відсутні методики моделювання і проектування як малошумливих підсилювачів, так і малошумливих приймальних пристроїв в цілому.

Немає рекомендацій щодо застосування математичних моделей транзисторів у діапазоні 40 ГГц і вище, враховуючи конструктивно-технологічні параметри топології малошумливих підсилювачів.

Не знайшли віддзеркалення в літературі також дослідження технологічних особливостей створення в міліметровому діапазоні як малошумливих підсилювачів, так і малошумливих приймальних пристроїв в цілому, а саме конструкція робочого об'єму і конструкція елементів монтажу з врахуванням з технології паяння, зварки і приклеювання елементів при монтажі.

Відсутні в публікаціях методики вимірювань параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв в міліметровому діапазоні , схеми вимірювальних стендів, методики розрахунку погрішностей і неідентичності параметрів в зразках з партії.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Тема дисертаційної роботи безпосередньо пов'язана з виконанням тематичного плану робіт ВАТ НПП “Сатурн”. Матеріали роботи були використані при виконанні ряду НДДКР, а саме: у 1987-1990 рр. в ДКР “Розробка багатоканального приймача в діапазоні 27-33 ГГц” (шифр “Відповідь”), в 1991- 1992 рр. в ДКР “Розробка приймального пристрою для радіорелейної станції в діапазоні 18-20 ГГц” (шифр “Евридіка”), в 1990-1991 рр. в НДР з постачанням 20-ти зразків “Розробка малошумливого підсилювача в діапазоні 37-37,5 ГГц” (шифр “Відповідь-20”), в 1992-1993 рр. в НДР “Розробка приймального пристрою для радіорелейної станції в діапазоні 36-37 ГГц”, в 1995-1997 рр. в НДР “Розробка приймального модуля для прийому телепередач в діапазоні 40 ГГц”, в 1995-1996 рр. в НДР “Бортовий багатоканальний радіометричний комплекс “Кий” для дистанційного зондування Землі з космосу” (шифр “Кий”), в 1998-2001 рр. в ДКР “Розробка малошумливого підсилювача в діапазоні 34,5-35,5 ГГц” (шифр “Китай-98”), в 2003-2005 рр. в ДКР “Розробка малошумливого підсилювача в діапазоні 20-21 ГГц” (шифр “Супутник”).

Мета і завдання дослідження. Метою роботи є дослідження і розробка малошумливих підсилювальних приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону.

Для досягнення поставленої мети вирішені наступні основні задачі:

а) проведено дослідження і розроблено модифіковану математичну модель high-electron mobility transistor (НЕМТ) і виконано її ідентифікацію в діапазоні частот до 100 ГГц;

б) розроблено методику моделювання і проектування погоджуючих ланцюгів малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону на базі модифікованої математичної моделі НЕМТ;

в) досліджено конструктивно-технологічні особливості малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону та розроблено рекомендації щодо конструкції робочих об'ємів каскадів підсилювачів, елементів монтажу, з врахуванням технології паяння, зварки і приклеювання при монтажі;

г) досліджено і розроблено методики вимірювань та обчислення параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону, схеми вимірювальних стендів, методики розрахунку погрішностей і неідентичності параметрів в зразках з партії;

д) розроблено і впроваджено ряд малошумливих підсилювачів та малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону і НВЧ елементів для них: НВЧ гермоввід, міжстрічково-хвилеводний перехід, що погоджують шлейфи, фільтри, “розв'язка” по постійному струму.

Об'єктом дослідження є малошумливі підсилювачі і малошумливі приймальні пристрої міліметрового діапазону.

Предметом дослідження є вирішення задач створення малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону.

Методи дослідження. Основним методом дослідження є аналітичний метод моделювання в міліметровому діапазоні транзистора з високою рухливістю електронів, топології погоджуючих ланцюгів транзистора, електричних і конструктивно-технологічних параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв. Аналітичні методи моделювання базувалися на математичному аналізі, теорії лінійних ланцюгів, матричному численні, електродинаміці, теорії вірогідності. Ідентифікація моделей проводилася на основі експериментальних досліджень. Розрахунки виконано на персональному комп'ютері за допомогою програми “MicroWave Office”, “Serenade”, MathCad і ін.

Наукова новизна одержаних результатів. При виконанні дисертаційної роботи одержані нові наукові результати:

- вперше розроблено методику створення малошумливих підсилювачів приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону, розроблено модифіковану математичну модель НЕМТ, яка ідентифікована в діапазоні частот до 100 ГГц на основі експериментально одержаних вольт-амперних характеристик (ВАХ), шумових і S-параметрів транзистора;

- розроблено для міліметрового діапазону новий багатофункціональний вимірювальний стенд і методики вимірювань, що дозволяє без повторних багаторазових стиків вимірювати основні параметри малошумливих підсилювачів, таких як коефіцієнт підсилення, еквівалентну ефективну шумову температуру малошумливого підсилювача, коефіцієнт стоячої хвилі по напрузі (КСХН) входу, КСХН виходу, приведено до входу, а також запропоновані рекомендації щодо розрахунку конструктивних параметрів топології схеми, “робочих об'ємів” каскадів малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону, елементів монтажу з врахуванням технології паяння, зварки і приклеювання елементів при монтажі.

- розроблено нова методика визначення (вимірювання і обчислення) неідентичності параметрів серед зразків з партії малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону за допомогою багатофункціонального вимірювального стенду.

Результати досліджень дозволили розробити і впровадити ряд малошумливих приймальних пристроїв і малошумливих підсилювачів в міліметровому діапазоні.

Практичне значення одержаних результатів. Розроблено і впроваджено ряд малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону з параметрами на рівні кращих зарубіжних зразків.

Розроблена методика створення малошумливих підсилювачів приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону довжин хвиль, забезпечивши розробників інструментом створення малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв систем зв'язку в діапазоні до 100 ГГц.

Розроблені для міліметрового діапазону новий багатофункціональний вимірювальний стенд, методики вимірювання параметрів малошумливих підсилювачів і нова методика визначення (вимірювання і обчислення) неідентичності параметрів серед зразків з партії малошумливих підсилювачів дозволяє проводити експериментальні дослідження (випробування) нової техніки зв'язку в міліметровому діапазоні.

З розробкою алгоритму коригування малосигнальної математичної моделі і модифікованої моделі НЕМТ з'явилася можливість прогнозувати параметри транзистора і коригувати їх, забезпечуючи його працездатність в більш високочастотному діапазоні шляхом використання запропонованих погоджуючих вхідних і вихідних ланцюгів.

Особистий внесок здобувача. Наукові положення, висновки, рекомендації, що викладені в дисертації та виносяться на захист, розроблені особисто здобувачем. У працях, виконаних у співавторстві, особистий внесок автора становить: розробка малошумливого підсилювача в робочому діапазоні 35-37 ГГц [17]; огляд опто-волоконних і бездротових розподільних систем [2]; розробка малошумливого підсилювача в Ка діапазоні [19]; одержання S матриці і експериментальні дані [10]; розробка вихідного двохкаскадного підсилювача з вихідною потужністю 10 мВт [18]; огляд літератури 3 мм діапазону [5]; дослідження процедури моделювання малосигнальної моделі НЕМТ [9]; огляд літератури підсилювачів 8 мм і 3 мм діапазону [1]; огляд безгетеродинного прийому сигналів в розподільній мережі [3]; розробка структурної схеми приймача [15]; огляд SoС і SiP технологій [4]; розробка еквівалентної схеми з високою рухливістю електронів [13]; дослідження і експериментальні дані для побудови нелінійної моделі транзистора [12]; вимірювання електричних параметрів і знаходження нелінійних характеристик транзистора з високою рухливістю електронів [11].

Апробація результатів дисертації. Основні теоретичні і практичні результати доповідались автором на науково-технічних конференціях професорсько-викладацького і інженерно-технічного складу на 12-й ч 16-й Міжнародних Кримських конференціях “НВЧ-техніка і телекомунікаційні технології”, м. Севастополь, Крим, Україна; на 4-й ч 6-й Міжнародних науково-практичних конференціях “Сучасні інформаційні і електронні технології”, м.Одеса, Україна; на Міжнародній науково-технічній конференції “Сучасні інформаційно-комунікаційні технології (COMINFO-2005)”, 10-15 жовтня 2005 р., Кацивелі, Крим, Україна.

Публікації. По темі дисертаційної роботи опубліковано 22 наукові праці (статті), з них 6 одноосібно в журналах, затверджених ВАК України, як фахові видання з технічних наук.

Структура та обсяг роботи. Дисертаційна робота складається з вступу, чотирьох розділів, висновку, списку використаних джерел із 120 найменувань і додатків, що містять 2 акти впровадження по дисертаційній роботі, первинні дані транзисторів. Містить 67 рисунків, 30 таблиць. Загальний обсяг дисертації складає 154 сторінки, в тому числі 135 сторінок основного тексту.

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ РОБОТИ

У вступі розкрито сутність і стан наукової проблеми, обґрунтовано важливість і актуальність теми досліджень, сформульовані мета та завдання роботи, визначено об'єкт та предмет дослідження, методологічна основа досліджень. Наведено основні наукові результати, новизна та практична цінність, зв'язок роботи з науковими програмами і темами, а також відомості про публікації, апробацію та структуру роботи.

У першому розділі розглянуто принципи і тенденції розвитку телекомунікаційних мереж та приймальних систем міліметрового діапазону.

Рівень розвитку окремих компонентів приймальних систем і технологій, їх виробництв, багато в чому визначає як технічні параметри, так і цінові характеристики.

У міліметровому діапазоні крім прямокутних хвилеводів широко застосовуються мікросмугові лінії, щілинні і компланарні хвилеводи. Проаналізовано результати зниження втрат в компланарному хвилеводі з поглибленням в діелектрику: приведені питомі втрати в дБ/мм в діапазоні частот від 10 ГГц до 100 ГГц для різних величин поглиблення в діелектрику. З матеріалів видно, що на частоті 75 ГГц питомі втрати в компланарному хвилеводі без поглиблення в діелектрику дорівнюють 1.6 дБ/мм, а з поглибленням менше 0.2 дБ/мм, тобто менше 8 разів.

У роботі проаналізовано оригінальні рішення організації з'єднання елементів замість дротяного з'єднання.

Прогрес кремнієвих пристроїв, типу швидкодіючого SiGe HBT's, підштовхнули розвиток кремнієво-металевої полімідної багатошарової структури "SIMPOL". Критична частота біполярного кремнієвого транзистора була рівна близько 40 ГГц, але після введення SiGe технології збільшилася до 100 ГГц. Рекордні значення критичних частот в активних елементах вище 200 ГГц були одержані з гетероструктурами, вирощеними на GaAs підкладках. Можна зробити висновок, що у вхідних приймальних пристроях всіх діапазонів міліметрових хвиль ключовим елементом є малошумливий підсилювач (МШП).

МШП, що випускаються промисловістю з середньою смугою робочих частот в діапазоні частот 40 ГГц мають наступні параметри:

- фірма “Miteq”: К_у = 23 - 27 дБ; К_ш = 4,5 дБ (550 К);

- фірма “СТТ Inc”: К_у = 25 - 30 дБ; К_ш = 5,0 дБ (650 К).

Двухкаскадний МШП, наведений в літературі [7], в діапазоні частот 60 ГГц має коефіцієнт шуму К_ш = 6 дБ (900 К) при посиленні 14 дБ.

Не дивлячись на чималу кількість публікацій з результатами досягнутих параметрів в малошумливих приймальних пристроях міліметрового діапазону, в науково-технічній літературі відсутні методики моделювання і проектування як малошумливих підсилювачів, так і вхідних приймальних пристроїв в цілому.

Недостатньо розглянуті питання застосування математичних моделей транзисторів в діапазоні 40 ГГц, розрахунку погоджуючих ланцюгів, розрахунку конструктивно-технологічних параметрів топології малошумливих підсилювачів.

В зв'язку з цим у першому розділі сформульовано викладені вище завдання дослідження при виконанні дисертаційної роботи.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Еквівалентна схема для модифікованої моделі НЕМТ з врахуванням характеристик металізованих під'єднувальних елементів та корпусу

У другому розділі представлено розроблену модифіковану математичну модель НЕМТ для міліметрового діапазону хвиль, що дозволяє досліджувати вплив її окремих елементів на основні характеристики транзистора в діапазоні частот до 100 ГГц. За основу взята схема НЕМТ, представлена в роботах [9-12]. Для зручності аналізу і одержання математичних виразів для моделі НЕМТ в схемі малосигнальної моделі умовно виділено явно виражені елементи, що відображають реактивності металізації основи і корпусу. Схема умовно поділена на декілька частин. Еквівалентна схема для модифікованої моделі НЕМТ представлена на рис. 1.

Алгоритм обчислень і перетворень матриць для загальної схеми транзистора представлено наступною послідовністю дій. Крок 1-й - розбиття схеми на три складові частини. Крок 2, 3, 4- складання початкових матриць електронних чотириполюсників і отримання трьох А матриць для трьох складових частин еквівалентної схеми модифікованої моделі НЕМТ. Крок 5 - отримання сумарної А- матриці схеми в цілому шляхом перемноження А матриць для трьох складових частин еквівалентної схеми. Алгоритм отримання матриць і виведення S21 представлений на рис. 2.

Результуюча А-матриця еквівалентної схеми модифікованої математичної моделі НЕМТ знаходиться як добуток від множення трьох послідовно сполучених А-матриць - вхідної, внутрішньої і вихідної частин схеми.

Стартові значення величин параметрів елементів схеми принциповою електричною транзистора знайдені шляхом вимірювань геометрії елементів транзистора для Lg1, Cg1, Lgm, Cgm,Ldm, Cdm, Ld1, Cd1, Ls; для решти елементів - шляхом порівняння обчислених і паспортних даних ВАХ і S-параметрів. При неспівпаданні розрахункових і паспортних даних проведено корегування номіналів елементів схеми транзистора методами оптимізації до повного збігу. Результати моделювання ATF-36077 зведено в таблицю 1.

Рис.2 Алгоритм отримання матриць і виведення S21

Після відповідних скорочень і перетворень одержимо:

(1)

(2)

(3)

(4)

Результуюча S-матриця має вигляд [13]:

; ( 5)

;(6)

; (7) ;

(8)

; (9)

; (10)

; (11)

; (12)

; (13)

; (14)

; (15)

Таблиця 1 Номінали елементів скоригованої еквівалентної схеми

Позначення	Найменування	Одиниця	Значення
Cgl	Ємність виводу затвора	пФ	0,144
Lgl	Індуктивність виводу затвора	пГ	464
Cgm	Ємність металізації області затвора	пФ	0,05
Lgm	Індуктивність металізації області затвора	пГ	100
Rg	Опір затвора	Ом	1
Rgs	Опір затвор-витік	Ом	3
Cgs	Ємність затвор-витік	пФ	0,21
Rs	Опір витоку	Ом	3
Ls	Індуктивність виведення витоку	пГ	44,4
Cgd	Ємність затвор-стік	пФ	0,0243
gm	Крутизна прохідної характеристики	А/В	0,0857
tau	Час затримки	псек	6,1
Rds	Опір каналу стік-витік	Ом	146
Cds	Ємність стік-витік	пФ	0,168
Rd	Опір стоку	Ом	3
Ldm	Індуктивність металізації області стоку	пГ	100
Cdm	Ємність металізації області стоку	пФ	50
Ldl	Індуктивність виведення стоку	пГ	312
Cdl	Ємність виведення стоку	пФ	0,1

Порівняльний аналіз розрахункових даних моделі транзистора ATF-36077 з паспортними параметрами виробника для коефіцієнта передачі по потужності наведений в табл. 2.

Таблиця 2 Порівняльний аналіз розрахункових даних

Частота Параметри	1 ГГц	3 ГГц	6 ГГц	9 ГГц	12 ГГц	15 ГГц	18 ГГц
S21	Розрахунок	14,282	13,728	12,416	11,209	10,415	9,967	9,454
	Паспорт	14,000	13,530	12,390	11,320	10,630	10,360	10,350

Результати розрахунку коефіцієнта підсилення по модифікованій моделі НЕМТ в діапазоні частот 20-40 ГГц приведені в табл. 3.

Таблиця 3 Результати розрахунку коефіцієнта підсилення

Частота, ГГц	20	40
20lg |S21|, дБ	6,55	1,3

На рис. 3 показана схема модифікованої моделі НЕМТ-транзистора.

Рис. 3 Модифікована модель НЕМТ (варійовані параметри індуктивностей виділені)

Ампдітудно-частотна характеристика (АЧХ) транзистора розрахована з допомогою модифікованої моделі, яка має явно виражений резонансний характер. Зменшення коефіцієнта посилення спостерігається на резонансних частотах послідовного контуру визначених реактивностями. При зміні номіналів реактивностей резонансна частота змінювалася в діапазоні частот 50-70 ГГц.

Транзистор ATF-36077 може бути використаний і на вищих частотах. Швидкодія приладу в значній мірі обмежена паразитними елементами корпусу.

Різноманітні схеми НВЧ підсилювачів можуть бути приведені до єдиної еквівалентної схеми, що складається з трьох каскадно-сполучених чотириполюсників: вхідного погоджуючого ланцюга, транзистора, вихідного погоджуючого ланцюга.

По викладеній вище методиці одержана модифікована модель НЕМТ типу ATF - 36077 і виконано оптимізація погоджуючих ланцюгів підсилювального каскаду в діапазоні частот 34-40 ГГц.

Як приклад багатокаскадного МШП, розглянуто МШП з вихідною потужністю не меншого 10 мВт в діапазоні частот 34-37 ГГц. Підсилювач складається з вхідного малошумливого підсилювача, попереднього підсилювача, смугового фільтру і вихідного підсилювача. Кожний з підсилювачів складається з двох каскадів.

У третьому розділі приведено результати експериментальних досліджень, розробки і впровадження малошумливих приймальних пристроїв в міліметровому діапазоні [15-21].

Якщо розробка топології пасивних мікросхем проводиться за традиційною планарною технологією, то виготовлення і монтаж пасивних елементів, монтаж діодів, транзисторів і монолітних схем вимагає врахування специфічних технологічних особливостей, які можуть виявитися такими, що визначають параметри приладів в міліметровому діапазоні.

За наслідками розробки НВЧ елементів в міліметровому діапазоні до 100 ГГц в третьому розділі наведено значення одержаних параметрів та надано рекомендації щодо їх проектування і виробництва.

Наприклад, в довжину проміжку зв'язаної лінії повинні входити проміжки між торцем однієї лінії (0,15-0,2 мм) і смугою “незв'язаної” ділянки іншої лінії. Це істотно збільшує довжину “зв'язаної” лінії (на 0,4 мм при загальній довжині 1,5 мм).

Як показали дослідження, втрати двох хвилеводно-смугових переходів з “розв'язкою” по постійному струму і без неї для діапазону 80-110 ГГц складають 1,5 дБ і 2,5 дБ.

В міліметровому діапазоні отримати в підсилювачі прийнятне підсилення і малі шуми - сама по собі задача не з простих, а виконати вимірювання параметрів тим більше складно. Малошумливий підсилювач виготовлений за типовою планарною технологією із співісними хвилеводно - мікрострічковими переходами на вході і виході. Переходи виконуються на дюроїді завтовшки 0,127 мм при товщині металізації 0,017 мм. Підкладка впаюється уздовж хвилеводу. Всі мікрострічки позолочуються. Активні елементи “розварюються” золотим дротом діаметром 0,015 мм. Самі активні елементи приклеюються струмопровідним клеєм фірми “Хераус”.

Схема електрична принципова підсилювача наведена на рис.4. Підсилювач складається з шести каскадів.

Одержані втрати двох переходів складають 2,5 дБ. Нерівномірність коефіцієнта передачі в діапазоні частот 78-100 ГГц не більше ± 0,2 дБ.

Живлення кожного каскаду підбиралося індивідуально. Встановлено наступні режими за постійним струмом: напруга на стоці у всіх транзисторів Uc = +1,5 В, напруга на затворах транзисторів складала:

Uз1 = -0,18 B, при Ic = 7 мА; Uз2= -0,16 B, при Ic = 6 мА; Uз3 = -0,21 B, при Ic = 12 мА;

U₃4 = -0,19 B, при Ic = 5 мА; Uз5 = -0,15 B, при Ic = 5 мА; Uз6 = -0,16 B, при Ic = 16 мА.

Одержана середня шумова температура складає 600 К. Підсилювач використаний в радіометрі, в діапазоні 86-100 ГГц. Він може бути також застосований і в апаратурі зв'язку з надшвидкісними каналами [22].

При створенні МШП на вітчизняній елементній базі в діапазоні 46-52 ГГц був застосований GaAs транзистор розробки НПП “Сатурн” з довжиною затвора 40 мкм і з шириною затвора 0,2-0,25 мкм.

Результати розрахункової оптимізації схеми підсилювача наведено в табл. 4.

Таблиця 4 Результати розрахункової оптимізації схеми підсилювача

fс, ГГц	MS11	ФS11	МS21	ФS21	МS12	ФS12	МS22	ФS22	КСХН
41.00000	0.752	-109.0	4.1	128.8	0.235	102.3	0.585	136.8	7.06
44.00000	0.467	99.3	3.1	18.8	0.216	-3.9	0.639	149.6	2.75
46.00000	0.238	30.2	2.16	-32.6	0.186	-52.7	0.727	126.7	1.62
47.00000	0.142	-8.1	1.98	-56.2	0.180	-75.0	0.752	113.9	1.33
48.00000	0.077	-70.7	1.92	-79.5	0.180	-97.0	0.754	100.1	1.17
49.00000	0.089	-152.5	1.97	-103.1	0.185	119.0	0.741	84.6	1.20
50.00000	0.135	161.6	2.16	-127.6	0.197	142.6	0.711	66.5	1.31
51.00000	0.160	128.7	2.55	-154.2	0.216	-176.9	0.651	43.5	1.38

Експериментальна модель каскаду підсилювача побудована за планарною технологією на кварцевій підкладці з розмірами 2,5 мм х 8 мм. Товщина підкладки рівна 0,2 мм; е = 3,85; tgд = 10^-4. Розрахункова і експериментальна характеристики коефіцієнта передачі одного каскаду підсилювача приведені на рис. 5.

Виміряні значення характеристик малошумливого підсилювача з вихідною потужністю більше 10 мВт в смузі робочих частот 3 ГГц з еквівалентною шумовою температурою (ЕШТВ) 220-264 К в діапазоні 34-37 ГГц ілюстровані на рис. 6. Випробування проводилися при кімнатній температурі в режимі: струм стоку I_c =100 мA; струм затвора I_з = 12 мA; напруга живлення U = 6 B.

В таблиці 5 наведено результати вимірювань параметрів двох зразків з АРУ як при нормальній температурі, так і при температурі плюс 60^оС.

Одержані результати стабілізації коефіцієнта підсилення малошумливого приймального пристрою до величини менше 1 дБ при зміні температури навколишнього середовища від мінус 40°С до плюс 60°С повністю відповідають вимогам, пред'явленим до вхідних підсилювачів приймально-передавальних комплексів земних станцій супутникових систем зв'язку [19].

Рис. 6 Результати вимірювань характеристик МШП в частотному діапазоні



Таблиця 5 Результати вимірювань параметрів МШП

№ зразка		Еквівалентна шумова температура, К
	Частота, ГГц tнавк.середов.	20,0	20,37	20,61	20,9
№1	t = +250C	112	120	135	129
	t = +600C	147	155	170	164
№2	t = +250C	94	109	110	104
	t = +600C	129	144	145	144

У четвертому розділі наведено схеми вимірювальних стендів і методики вимірювань основних параметрів МШП в міліметровому діапазоні, а також розрахунок їх похибок.

Спроби виявити різні свідчення вимірювань параметрів, обумовлені перестиковкою випробовуваного об'єкту з трактом випробувального стенду, привели до висновку про те, що прецизійні фланці хвилеводів і струбцини їх кріплення виключають неідентичність стиковки. Відхилення значень вимірюваних параметрів в цьому експерименті не виявлені.

Коли геометричні розміри конструкції наближаються до долі довжини хвилі сигналу, достатньо сильно позначаються виробничі допуски на розкид характеристик пристрою. В зв'язку з цим стають актуальними дослідження не тільки чутливості параметрів до виробничих допусків, але і визначення величини розкиду параметрів від зразка до зразка. Зазначимо, що для останньої оцінки немає загальноприйнятого параметра і методики його обчислення. У розділі 4 запропоновано методику оцінки розкиду параметрів між зразками однієї партії МШП міліметрового діапазону на підставі вивчення випадкових характеристик партії МШП.

Дослідження неідентичності параметрів між зразками проводилося на партії МШП з 10-ти зразків за наступною методикою. Для кожного зразка обчислювались математичне очікування М і середньоквадратичне відхилення за загальновідомими виразами у. Потім для всіх десяти зразків на одній і тій же частоті обчислювалися - середньоарифметичне значення з обчислених М і у() - середньо-квадратичне відхилення від .

Визначення неідентичності параметрів між зразками МШП в міліметровому діапазоні проводилися для трьох параметрів (Т_ш [К], К_у [дБ], Р_-1 [мВт]) на трьох частотах (36 ГГц, 36,2 ГГц, 36,5 ГГц) для партії з 10 зразків.

Таблиця 6 Обчислені значення і у()

Частота, ГГц	36,0	36,2	36,5
Параметр		у (), %		у (), %		у (), %
Тш, К	228	14	239	10	226	17
Ку, дБ	32	5	32	5	32	5
Р-1, мВт	16	49	15	39	14	38

ВИСНОВКИ

Сукупність наукових положень, сформульованих і обґрунтованих в дисертаційній роботі, вирішує задачу проектування і виробництва із стійкими параметрами малошумливих вхідних пристроїв і малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону.

У дисертаційній роботі отримано наступні нові теоретичні і науково-практичні результати.

1. Визначено реально можливі параметри малошумливих приймальних пристроїв в діапазоні частот до 100 ГГц і їх МШП, визначено тенденції їх розвитку і викладено рекомендації щодо вибору матеріалів, технології виробництва приладів на основі Si, GaAs і інших напівпровідникових матеріалів групи А_ІІІВ_V, типів ліній передачі, активних елементів і технологій виробництва пристроїв. Стверджується, що майбутні радіочастотні системи міліметрового діапазону ускладнюватимуться, їх випуск збільшуватиметься, а технологія їх виробництва з високою інтеграцією зменшить розмір чіпу, число компонентів і загальну вартість системи.

2. Вперше розроблена методика проектування і розрахунку параметрів малошумливих приймальних пристроїв і їх МШП в діапазоні до 100 ГГц, що дозволяє коригувати малосигнальну модель транзистора на основі виміряних ВАХ транзистора при різних режимах, експериментально одержаних шумових параметрах і S-параметрах транзистора, включеного в підсилювальний каскад, а також виконувати розрахунок і оптимізацію погоджуючих вхідних і вихідних ланцюгів підсилювача та конструктивно-технологічних параметрів топології схеми малошумливого приймального пристрою.

Розроблені рекомендації по створенню НВЧ елементів для МШП діапазону частот до 100 ГГц: НВЧ гермоввід, мікрострічковий-хвилеводний перехід, погоджуючі шлейфи, фільтри, “розв'язка” по постійному струму, ланцюгу живлення з фільтрами і гермовводами [16].

Вперше розроблено і впроваджено ряд малошумливих приймальних пристроїв і їх МШП в діапазоні частот до 100 ГГц:

- шестикаскадний МШП в діапазоні частот 86-100 ГГц з фактичною шумовою температурою 500-600 К і коефіцієнтом підсилення 30 дБ в смузі частот 2 ГГц;

- чотирьохкаскадний МШП в діапазоні частот 35-37 ГГц з фактичною шумовою температурою 250-275 К і коефіцієнтом підсилення 20 дБ в смузі частот 2 ГГц [17];

шестикаскадний МШП в діапазоні частот 34-37 ГГц з вихідною потужністю 10-15 мВт при компресії коефіцієнта підсилення рівною мінус 1дБ з фактичною шумовою температурою 220-264 К і коефіцієнтом підсилення 27-30 дБ в смузі частот 3 ГГц;

малошумливий приймальний пристрій в Ка- діапазоні з коефіцієнтом підсилення 40 дБ в смузі робочих частот близько 1 ГГц, з автоматичним регулюванням коефіцієнта посилення, компенсуючим зміни коефіцієнта підсилення до величини менше 1 дБ при зміні температури навколишнього середовища в межах від мінус 40°С до плюс 60°С;

малошумливий приймальний пристрій в діапазоні частот 34-37 ГГц з діодним обмежувачем потужності сигналу на вході, що має поріг спрацьовування 1-2 мВт і максимальне ослаблення мінус 27 дБ при початкових втратах мінус 2 дБ.

Розроблено рекомендації щодо вимірювання фактичної шумової температури малошумливих приймальних пристроїв і МШП в них в діапазоні частот до 100 ГГц.

Розроблено методику вимірювання і обчислення неідентичності параметрів в діапазоні частот між зразками в партії.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ НАУКОВИХ ПРАЦЬ ПО ТЕМІ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Чмиль В.М., Сундучков К.С., Сундучков И.К. Техника и технология систем миллимет-ровых волн//Технология и конструирование в электронной аппаратуре.- 2003.-№4.-С.6-14.

2. Сундучков К.С., Макаров А.А., Нарытник Т.Н., Сундучков И.К. Распределительные системы телевещания и мультимедиа/ Працi УНДIРТ.-О., 2003.-№3.-С.17-20.

3. Сундучков К. С., Макаров А. А., Сундучков И. К. Приемные системы радиосвязи и телевещания/Працi УНДIРТ.-О., 2003.-№4.-С.39-49.

4. Сундучков К.С., Ильченко М.Е., Сундучков И.К. Задачи создания национальной спутниковой системы связи и вещания// Радиотехника.-2004.-№138.-С. 83-87.

5. Сундучков К. С., Макаров А. А., Сундучков И. К. Международной конференции “CriMiCo”-11 лет//Радиотехника.-2001.-122.-С. 152-156.

6. Сундучков К.С., Сундучков И.К. Вопросы создания национальной спутниковой системы связи и вещания//Труды 14-й международной крымской конференции “НВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Украина. Севастополь, 13-18 сентября.-2004.- С.245-247.

7. Сундучков И. К. Приемные устройства мм-диапазона для систем связи и вещания//Технология и конструирование в электронной аппаратуре.- 2004.-№5.-С.32-36.

8. Сундучков И.К., Чмиль В.М., Емцев П.А., Леонидова И.И., Сундучков К.С. Отечественные электронные средства приема информационных сигналов в перспективных диапазонах частот// Труды пятой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”.- Украина. Одесса, 17-21 мая.-2004.-С.157.

9. Емцев П.А., Сундучков И.К., Шелковников Б.Н., Сундучков К.С. Обзор моделей транзисторов для анализа и расчета схем в миллиметровом диапазоне// Труды IV международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”.-Украина. Одесса, 19 - 23 мая.- 2003.-С.223.

10. Емцев П.А., Сундучков И.К., Сундучков К.С., Шелковников Б.Н. Малосигнальная модель транзистора ATF-36077//Труды пятой международной научно-практической конференции “Современные информационные и электронные технологии”.- Украина.Одесса,17-21 мая.- 2004.-С.205.

11. Емцев П.А., Сундучков И.К., Шелковников Б.Н., Сундучков К.С. Нелинейная модель транзистора с высокой подвижностью электронов// Труды 13^ой Международной Крымской конференции “НВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Украина. Севасто-поль, 8-12 сентября.- 2004.-С.216-217.

12. Емцев П.А., Сундучков И.К., Шелковников Б.Н., Сундучков К.С. Малосигнальная модель транзистора с высокой подвижностью электронов// Труды 14^ой Международной Крымской конференции “CВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Украина. Севасто-поль, 13-18 сентября.- 2004.-С.161-163.

13. Емцев П.А, Сундучков К.С., Шелковников Б.Н., Сундучков И.К., Романовский Я. В. Выражение для матрицы рассеяния транзистора с высокой подвижностью электронов// Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій.- 2005.- №3-4.-С.135-139.

14. Сундучков И.К. Двухканальное преобразовательное устройства миллиметрового диапазона// Працi УНДIРТ.-О.2006.-№47.-С.51-52.

15. Сундучков И. К. , Сундучков К. С. , Яковлев И.В. , Шелковников Б. Н. , Рябчук А.Ф., Хитровский В.А., КирюшаА.М. Конвертор для приема телевидения в диапазоне частот 40 ГГц//Радиоэлектроника.-1999.-№11.- С.50-53.

16. Сундучков И. К. Экспериментальные исследования случайных погрешностей измерения характеристик малощумящих усилителей в миллиметровом диапазоне//Радио-Электроника.- 2004.-№5.-С.61-68.

17. Чмиль В.М., Сундучков И.К. Малощумящий усилитель диапазона рабочих частот 35-37 ГГц//Радиотехника.-2002.-№128.-С.216-218.

18. Чмиль В.М. , Сундучков И.К., Сундучков К.С. Малощумящий усилитель с выходной мощностью 10 мВт в диапазоне рабочих частот 35ч37 ГГц// Материалы 12^ой Международной крымская конференции “НВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Украина. Севастополь, 9-13 сентября.- 2002.-С.133-134.

19. Сундучков И.К., Яковлев И.В. Компенсация температурного ухода усиления в малощумящем усилителе Ка - диапазона// Радиотехника.-2004.- №137.-С. 56-59.

20. Сундучков И.К. Малощумящий усилитель с ограничителем на входе в миллиметровом диапазоне// Труды 14^ой Международной крымской конференции “НВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.- Украина. Севастополь, 13-17 сентября.-2004.- С.90-91.

21. Сундучков И.К. Методика определения неидентичности параметров между образцами МШП в миллиметровом диапазоне// Труды 13^ой Международной Крымской конференции “НВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.- Украина. Севастополь, 8-12 сентября.- 2003.-С.150-151.

22. Сундучков И.К. Малошумящий усилитель в диапазоне частот 84-100 ГГц// Труды 16^ой Международной Крымской конференции “НВЧ-техника и телекоммуникационные технологии”.-Украина. Севастополь, 8-12 сентября.- 2003.-С.205-206.

АНОТАЦІЇ

Сундучков І.К. Розробка малошумливих підсилювачів міліметрового діапазону з викори- станням модифікованої моделі транзисторів з високою рухливістю електронів.-Рукопис. Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата технічних наук за спеціальністю 05.12.13- радіотехнічні пристрої та засоби телекомунікацій. - Відкрите акціонерне товариство „Науково-виробниче підприємство „Сатурн”. м.Київ, 2006.

Дисертація присвячена дослідженню і розробці малошумливих підсилювачів приймальних систем зв'язку міліметрового діапазону довжин хвиль. Для вирішення проблем розвитку та досконалення єдиної національної системи зв'язку України необхідною умовою є сучасна телекомунікаційна мережа, яка вимагає забезпечення високої вибірковості трактів і лінійності групового часу запізнювання, вирішення задачі, пов'язаних з енергетикою систем, включаючи потужність передавачів, чутливість приймачів, поєднання аналогових і цифрових пристроїв. Запропоновано модифіковану математичну модель НЕМТ для міліметрового діапазону, що дозволяє досліджувати вплив її окремих елементів на основі характеристики транзистора в діапазоні частот до 100 ГГц.

Розроблено методику проектування і розрахунку параметрів малошумливих приймальних пристроїв і МШП в частотному діапазоні до 100 ГГц.

Розроблені рекомендації конструктивно-технологічних особливостей малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону та рекомендації щодо конструкції робочих об'ємів каскадів підсилювачів, елементів монтажу, з врахуванням технології паяння, зварки і приклеювання при монтажі.

Розроблено для міліметрового діапазону новий багатофункціональний вимірювальний стенд і методики вимірювань, що дозволяють без повторних багаторазових стиків вимірювати основні параметри малошумливих підсилювачів: коефіцієнт підсилення, КСХН входу, КСХН виходу, еквівалентну ефективну шумову температуру малошумливого підсилювача.

Розроблено методики вимірювань та обчислення параметрів малошумливих підсилювачів і малошумливих приймальних пристроїв міліметрового діапазону, схеми вимірювальних стендів, методики розрахунку погрішностей і неідентичності параметрів в зразках з партії.

Створено і впроваджено ряд малошумливих приймальних пристроїв і МШП в міліметровому діапазоні до 100 ГГц.

Ключові слова: міліметровий діапазон, малошумливий підсилювач, модифікована модель НЕМТ, еквівалентна ефективна шумова температура МШП.

Сундучков И.К. Разработка малошумящих усилителей миллиметрового диапазона с использованием модифицированной модели транзисторов с высокой подвижностью электронов.- Рукопись. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.12.13- Радиотехнические устройства и средства телекоммуникаций.- Открытое акционерное общество “Научно-производственное предприятие “Сатурн”, г. Киев, 2006.

Диссертация посвящена исследованию и разработке малошумящих усилителей приемных систем связи миллиметрового диапазона длин волн.

Предложена модифицированная математическая модель НЕМТ для миллиметрового диапазона, позволяющая исследовать влияние ее отдельных элементов на основные параметры транзистора в диапазоне частот до 100 ГГц. Разработана методика проектирования и расчета параметров малошумящих приемных устройств и МШП в них для диапазона частот до 100 ГГц.

Даны рекомендации по конструкторско-технологическим особенностям создания малошумящих приемных устройств и измерению их параметров в миллиметровом диапазоне до 100 ГГц.

Разработана методика определения (измерения и вычисления) неидентичности значений параметров между образцами в партии.

Созданы и внедрены ряд малошумящих приемных устройств и МШП в миллиметровом диапазоне длин волн.

Ключевые слова: миллиметровый диапазон, малошумящий усилитель, модифицированная модель НЕМТ, эквивалентная эффективная шумовая температура МШУ.

Sunduchkov I. K. The low-noise amplifiers for the millimetre wave band receiving telecommunicat ion systems using modified model high-electron mobility transistor. - Manuscript. The thesis for competition of the candidate of technical science academic degree in speciality 05. 12.13 - radio engineering devices and telecommunication equipment. -Open Joint stock “Scientific-production enterprise “Saturn”. Kyiv, 2006.

The thesis is given up to the research and development of the method of creating low-noise amplifiers for the millimetre wave band receiving telecommunication systems. The modified HEMT simulator for the millimetre wave bands proposed. It allows to investigate the influence of its single elements on the basic characteristics of the transistor in the wave band to the point of 100 GHz. The designing and calculation method for the parameters of the low-noise receiving devices and LNA in them are worked out. The recommendations for engineering and design features of the creating of low-noise receiving devices and measurement of their parameters in the millimetre wave band are given. The method of the determination (measurement and calculation) of the non-identity of the parameter values between samples in the party are worked out.

A number of the low-noise receiving devices and LNA in the millimetre wave band are created and implemented.

Іndex terms: millimetre wave band, low-noise amplifier, modified HEMT simulator, equivalent effective noise temperature of LNA.

Размещено на Allbest.ru