Автореферат (1090805), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Средние габариты МИСсоставили около 1.5 x 1.5 мм2.В качестве полупроводникового материала для разработки МШУвыбран нитрид галлия, хотя МШУ наиболее часто изготавливаются нагетероструктурах арсенида галлия, что подтвердил анализ зарубежныхобразцов. Нитрид галлия - широкозонный полупроводник и позволяет создаватьусилители с более высокой выходной мощностью, поэтому он наиболеевостребован в усилителях мощности, также обладает более высокимипробивными напряжениями, что позволяет отказаться от ограничителя8мощности во входной цепи (который повышает суммарный уровень шумаприборов на GaAs).
Эти достоинства позволяют создавать на GaN целыеприемопередающие модули на одном кристалле, входным узлом которыхявляется МШУ со встроенной антенной. Другим существенным достоинствомявляется большая стойкость к внешним воздействиям - температуре,излучению. Согласно последним исследованиям при оптимальных условияхизготовлениянагетероструктурахнитридагаллияможнополучатьсопоставимый и даже более низкий коэффициент шума.Во второй главе описано моделирование активных и пассивныхэлементов, методы моделирования, особенности использования матрицырассеяния (S-параметров).На начальном этапе МШУ рассчитывался по копланарной технологии нанитриде галлия на подложке сапфира, однако при использовании копланарнойтехнологии не удалось обеспечить стабильность усилителя в рабочемдиапазоне. Зарубежные усилители на арсениде галлия, у которых показанатопология, построены по микрополосковой технологии.
Если в схемах наарсениде галлия использование микрополосков не является проблемой, так какпластины легко утоняются и хорошо химически травятся, то в схемах нанитриде галлия на подложке сапфира создание заземляющей плоскости связаноссерьезнымитехнологическимитрудностями.Былопредложеноконструкторско-технологическое решение этой проблемы, заключающееся вразмещении земляной плоскости не на обратной стороне пластины, а налицевой поверх активной части МИС через слой фотолака (разработка ИВСРАН). Такое решение изображено на рисунке 1, также показаны сквозныеотверстия,черезкоторыебудетосуществлятьсязаземлениеистоковтранзисторов и конденсаторов, что обеспечивает общий электрический контактодногообщегоэлектрода.Онопозволилосоздатьусилительпомикрополосковой технологии и обеспечить стабильность в рабочем диапазонечастот.9Проведены исследования построенных по технологии со сквознымиотверстиями через слой фотолака тестовых транзисторов: измерения Sпараметров и вольт-амперных характеристик.
По результатам исследованийпостроены модели транзистора: нелинейная модель Fujii и линейная модельПоспешальского. На рисунке 2 показано сравнение результатов измеренийвольт-амперных характеристик и значений, полученных по модели Fujii.Рисунок 1 – Поперечное сечение пластины с межэлектрическимисоединениями, обеспечивающими общую заземляющую плоскостьРисунок 2 – Вольтамперная характеристика транзистора («○» – измеренные в10рабочих точках значения, «-» – значения, рассчитанные по нелинейной модели)Для оценки коэффициента шума использовалась модель транзистораПоспешальского. Для оптимизации параметров этой модели используется однарабочая точка, для которой также проведены измерения значения коэффициенташума (серая линия на рисунке 3).
На рисунке 3 показана зависимостьрасчётного коэффициента шума, на частоте 60 ГГц его значение составилооколо 4.5 дБ, что допускает возможность создания МШУ с коэффициентомшума менее 6.5 дБ.Рисунок 3 – Расчетный коэффициент шума по модели Поспешальского(красная линия) и измеренный коэффициент шума (серая линия)Поскольку транзисторы, на основе которых разрабатывается усилитель,имеют величину коэффициента MaxGain около 6 дБ в диапазоне частот от 57 до64 ГГц, то использование 4 каскадов должно позволить достигнуть значениякоэффициента передачи более 16 дБ.
Согласно формуле Фрииса, наибольшийвклад в суммарный коэффициент шума оказывает первый каскад, поэтомусогласование импедансов первого каскада выполнено с учетом достиженияминимального коэффициента шума.На начальном этапе осуществлялось схемотехническое моделированиеусилителя в САПР Microwave Office на сосредоточенных элементах. Входная,11выходная и межкаскадные согласующие цепи образованы конденсаторами иотрезками микрополосковых линий. Дальнейшая оптимизация значенийэлементов согласующих цепей направлена на улучшение характеристик МШУ.Принципиальная схема усилителя показана на рисунке 4.Ud1C5L5L1C1C2L2L3213L4C6L721L9L83L6C7C4Ud2C10L13C8L10L11213L12L17C11L1521L16C13L183L14C12C9Ug2Ug1Рисунок 4 – Принципиальная схема четырехкаскадного усилителяСхемотехническое моделирование не является достаточно точным дляизготовления МИС диапазона частот 57-64 ГГц. Это связано с тем, чтососредоточенные элементы не полностью отражают параметры реальныхэлементов в СВЧ диапазоне, причем чем выше частота, тем сильнеенесоответствие между реальным и библиотечным элементом.
Также сповышением частоты уменьшаются не только размеры элементов, но ирасстояние между ними, компоновка элементов становится более плотной,необходимо учитывать их взаимное влияние друг на друга. Для учета этихфакторов проводилось электродинамическое моделирование и производилисьнеобходимые корректировки согласующих цепей.
Для электродинамическогомоделирования схема, полученная при моделировании на сосредоточенныхэлементах, создается в виде топологии в САПР Advanced Design System (ADS),размеры МШУ составили 1.15 x 2.26 мм2. Топология показана на рисунке 5,общая заземляющая плоскость поверх слоя фотолака показана желтым.12Рисунок 5 - Топологический проект МШУРезультаты электродинамического расчета топологического проектачетырехкаскадногоусилителявСАПРADS(пунктирнаялиниянарисунках 13, 14) показали, что коэффициент передачи составляет 15 - 20 дБ вдиапазоне частот 57 – 64 ГГц, КСВН по входу и выходу менее 2 в диапазоне 57 64 ГГц, коэффициент шума составляет примерно 6.5 дБ.
Расчетный токпотребления усилителя составил 70-100 мА при напряжении питания 5 В.Так как усилитель используется во входном узле приемо-передающегоустройства, то сигнал поступает на антенну, которая соединена со входом МШУ.Антенна изготавливается в рамках единого технологического цикла сусилителем и реализована в виде излучателя на диэлектрической подложкесапфира с земляным проводником. При выборе формы излучателя былиисследованы антенны разной геометрической формы (круглые, прямоугольныеи диполи), проведен расчет основных характеристик с использованиемтрёхмерного моделирования в САПР ADS. По наиболее широкой полосепропускания и наименьшим габаритам была выбрана антенна в видеокружности с двумя вырезами, показанная на рисунке 6(а).
Диаметр излучателя0.72 мм, а габариты вместе с подводящим полоском 1.0 x 0.72 мм2. На рисунке 6показаны расчетные характеристики антенны. Полоса пропускания составила56-67 ГГц по уровню потерь отражения -10 дБ, расчетный коэффициентусиления антенны 5.6 дБи. Форма диаграммы направленности близка ккардиоидной, максимум излучения перпендикулярен поверхности антенны.13а)б)в)Рисунок 6 – Внешний вид антенны (а), расчетные зависимость S11 отчастоты (б) и диаграмма направленности (в)Внешний вид разработанного МШУ со встроенной антенной изображенна рисунке 7. Сигнал с приемной антенны подается на вход усилителя, накотором происходит усиление сигнала, который затем передается на выход.Антенна, вход и выход МШУ согласованы на 50 Ом, таким образом достигаетсяих взаимное согласование.Рисунок 7 – Топология МШУ со встроенной антеннойВ третьей главе приведены результаты исследований пассивныхтестовых элементов и встроенной антенны, а также описан процесс измеренийдиаграммы направленности и используемый стенд.Для оценки корректности проектирования по технологии со сквознымиотверстиями и общей заземляющей плоскостью, а также проверки соответствиярасчетных и реальных топологических элементов МИС, были изготовлены14пассивные тестовые элементы - две микрополосковое линии, длины которыхотличаются в два раза: 400 мкм и 800 мкм.
После изготовления были проведеныизмерения зондовым способом S-параметров тестовых линий и исследованосоответствие результатов измерений расчетным данным в САПР ADS.Фотография длинной микрополосковой линии (800 мкм) показана на рисунке 8.Сравнение измеренных и расчетных S-параметров приведено на рисунке 9.Рисунок 8 – Фотография длинной тестовой микрополосковой линии00-2-2-4-4S11-6, дБ -8S21,-6-10-10-12-12-14-14-16-16-18-18-20дБ -801020304050-2060010Частота, ГГц2030405060Частота, ГГца)б)Рисунок 9 – Сравнение расчетных (красная линия) и экспериментальных(зеленая линия) параметров S11 (а) и S21 (б) длинной микрополосковой линииДля обеих микрополосковых линий наблюдается хорошее соответствиерезультатов расчета и измерений. Применяемые средства проектированияпозволяют проводить с достаточно высокой точностью расчеты пассивныхэлементов МИС, созданных с заземляющей плоскостью над лицевойповерхностьюпластины.Полученные15результатысвидетельствуют,чторазработанная технология создания заземляющей плоскости над лицевойповерхностью пластины с уже изготовленными активными и пассивными СВЧэлементами является пригодной для создания топологических элементов иорганизации межсоединений МИС диапазона 57-64 ГГц.Проведеныисследованиядиаграммынаправленностивстроеннойантенны.
Так как диаграмма направленности не привязана к излучаемоймощности, данная характеристика является относительной и достаточноизмерять уровень излучаемой мощности в дальней зоне в относительныхединицах. Диаграмма направленности измеряется с помощью рупорнойантенны, расположенной на фиксированном расстоянии от исследуемойантенны. Рупорная антенна перемещается по дуге окружности, в центрекоторой расположена исследуемая антенна таким образом, чтобы расстояние Rмежду антеннами оставалось неизменным.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
