Автореферат (1090805), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Схематическое изображение стендадля измерения диаграммы направленности и внешний вид стенда показаны нарисунке 10.ZYXа)б)Рисунок 10 – Схема (а) и внешний вид (б) стенда для измерений диаграммынаправленности интегрированной антенныИзмерения диаграммы направленности проводились в двух плоскостях:ZX (вдоль оси симметрии антенны) и ZY (перпендикулярно оси симметрии)(расположение осей показано на рисунке 10). При этом в плоскости ZY диапазонвращения рупорной антенны составил 180°, в то время как в плоскости ZX16только на 130° (из-за расположения микроскопа). Угол поворота рупорнойантенны ограничивался габаритами зондового стола и расположениемзондодержателя.Нарисунке11представленыизмерениядиаграммынаправленности антенны, нагруженной на усилитель, в минимуме потерьотражения на частоте 58 ГГц.
В плоскости ZY измерения были проведены вдвух плоскостях поляризации.-20-10-30 -40-40-50-50-60-60-70-70-80-90-80-100-110-120-130-140-150-160-170018010 20-20-10-30 -40-40-50-50-60-60-70-70-8030405060708090100110120130140150170160-90-80-100-110-120-130-140-150-160-170а)018010 2030405060708090100110120130140150170160б)Рисунок 11 - Диаграммы направленности антенный, нагруженной на усилитель,измеренные на частоте 58 ГГц в плоскостях поляризации ZY (а) и ZX (б)Как видно из результатов измерений антенна излучает в обеих плоскостяхполяризации,диаграмманаправленностиблизкаккардиоидной.Неравномерность полученных характеристик можно объяснить тем, чтоизмерения образцов производились на пластине и расположенные в соседнихячейках МИС влияли на излучение.
Несмотря на это, полученные результатыхорошо соответствуют расчетным данным.В четвертой главе приведены результаты исследований МИС МШУ иМШУ со встроенной антенной.Проведены исследования малосигнальных S-параметров и коэффициенташума МШУ (внешний вид показан на рис. 12). Исследования проводились посленанесения фотолака с верхней заземляющей плоскостью и резки пластины накристаллы зондовым способом без использования оснастки и теплоотвода.17а)б)Рисунок 12 – Внешний вид МШУ до нанесения фотолака с верхнейметаллизацией (а) и после нанесения (б)ПриизмерениималосигнальныхS-параметровопределялиськоэффициент передачи, КСВН входа/выхода и ток потребления. Отдельнопроводились измерения коэффициента шума.
На рисунках 13, 14 показанырезультаты измерений типового образца МШУ.201018916S21,14дБ8126КШ, дБ710854634221054 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 670Частота, ГГц54 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67а)б)Частота, ГГцРисунок 13 – Измеренные (сплошные линии) и расчетные (пунктирныелинии) коэффициент передачи (а) и коэффициент шума (б) МШУ1810109988КС 7В 6НВ 5ХКС 7В 6НВ 5ЫХ4433221154 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 6754 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67Частота, ГГцЧастота, ГГца)б)Рисунок 14 – Измеренные (сплошные линии) и расчетные (пунктирныелинии) КСВН входа и выхода МШУЗависимость коэффициента передачи от частоты, несмотря на небольшойизгиб кривой в рабочем диапазоне 57-64 ГГц, достигает значений 16-19 дБ. Приэтом на кривой зависимости КСВН входа от частоты имеется пик возрастания всередине рабочего диапазона, этот пик сужает выбор оптимальной рабочейчастоты (необходимым условием является КСВН входа и выхода менее 2).КСВН выхода не имеет такого явного пика возрастания, но имеет выраженнуюточку минимума.
Минимальные значения КСВН выхода лежат в диапазоне 5458 ГГц. Результаты измерений коэффициента шума показали наличиеминимума на частоте 57 ГГц и дальнейшее возрастание с повышением частоты.Таким образом, с точки зрения минимального значения коэффициента шума,оптимальной является работа усилителя на более низкой частоте рабочегодиапазона. Ток потребления составил 83 мА. Достигнуто хорошее соответствиерасчетных результатов и результатов измерений.
МШУ демонстрируетработоспособность в диапазоне 57-64 ГГц. При этом оптимальная рабочая точканаходится на частоте 57 ГГц.На рисунке 15 изображена МИС МШУ со встроенной антенной посленанесения фотолака с верхней металлизацией. Фотолак присутствует только наактивной части МИС. В области антенны фотолак удален, что позволяетантенне принимать и излучать сигнал без искажения.19Рисунок 15 – Внешний вид МШУ со встроенной антеннойНарисунке16изображенырезультатыизмеренийдиаграммынаправленности антенны подключенной ко входу усилителя, в точке минимумапотерь отражения, на частоте 57.4 ГГц.
Ввиду наличия зондов для подачинапряжения питания и смещения, расположенных вдоль продольных сторонкристалла, измерения были проведены в ограниченном диапазоне угловыхкоординат (минус 20 до плюс 20).Рисунок 16 – Измеренная диаграмма направленности МИС МШУ совстроенной антенной при выключенном (зеленая линия) и включенном (краснаялиния) усилителеРезультаты исследований показали, что при измерениях антенныс работающим усилителем излучение антенны составляет величину на 20 дБбольше, чем при измерениях интегрированной антенны с выключеннымусилителем.
Однако, вид диаграммы направленности является искаженным в20связи с наличием СВЧ зонда и зондов питания с трёх сторон от МИС.Для МШУ со встроенной антенной проведены измерения коэффициентапередачи и КСВН выхода. Стоит отметить, что измерения коэффициентапередачи МШУ с приемной антенной носят справочный характер, посколькуналичие антенны не позволяет получить точные значения, а также измеритьКСВН входа.
В этом случае входной сигнал поступает не на антенну, а наконтактную площадку (в точку подключения антенны к МШУ) при помощизонда. Такой вариант измерений был промоделирован, результаты расчетовпоказаны на рисунке 17 пунктирными линиями. По сравнению с исходнымМШУ, наблюдается снижение коэффициента передачи, особенно в диапазоне54-57 ГГц, при этом кривая немного сместилась в более низкочастотнуюобласть. Зависимость КСВН выхода от частоты практически не изменяется.Результаты измерений коэффициента передачи и КСВН выхода показанына рисунке 17 сплошной линией.201018916КСВНS2114, дБ12108648765ВЫ4Х322054 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67154 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67Частота, ГГцЧастота, ГГца)б)Рисунок 17 – Сравнение расчетных (пунктирная линия) и измеренных(сплошная линия) коэффициента передачи (а) и КСВН входа МШУ с приемнойантеннойКак видно из результатов исследований, коэффициент передачи в рабочемдиапазоне имеет значение около 14-19 дБ.
КСВН выхода имеет минимум начастоте 58 ГГц, что хорошо согласуется с результатами проектирования и21измерениями МШУ без антенны. Ток потребления составил 87 мА.Исследования показали хорошее соответствие расчетных результатов ирезультатов измерений.Проведено сравнение разработанного МШУ с мировыми аналогами.Разработанныйусилительявляетсяединственным,разработаннымнагетероструктурах нитрида галлия – широкозонном полупроводнике. Посовокупности характеристик, разработанный усилитель находится на уровнелучших мировых образцов, сравнение показано на рисунке 18. В перспективехарактеристики МШУ на нитриде галлия могут быть улучшены за счетсовершенствования технологии и освоения отечественных подложек из карбидакремния,совершенствованиягетероструктуриповышенияMaxGainтранзисторов, а также использования теплоотвода.S21, дБИСВЧПЭ РАН (5411УВ01Н)КШ, дБI, мАIRL, дБORL, дБРисунок 18 – Сравнение характеристик разработанного МШУ смировыми аналогамиОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫВ ходе выполнения работы получены следующие основные результаты исделаны соответствующие выводы:- проведены исследования статических и СВЧ параметров тестовых HEMTтранзисторов на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaN/Сапфир с топологическиминормами 140 нм, показавшие возможность создания МИС диапазона 57-64 ГГц;22- на основании исследований транзисторов построены нелинейная ишумовая модели транзистора, корректно описывающие параметры транзисторов вдиапазоне до 67 ГГц и позволяющие построить МИС МШУ диапазона 57-64 ГГц;- по построенным моделям разработаны принципиальная схема и топологияусилителя, проведено моделирование на основе сосредоточенных элементов иэлектродинамическоемоделирование,которыепоказалидостижимостьтребуемых характеристик в рабочем диапазоне;- проведено моделирование микрополосковой антенны для диапазона 57-64ГГц, согласованной со входом усилителя и имеющей расчетную формудиаграммы направленности кардиоидного вида;- проведены исследования встроенной антенны, измерения диаграммынаправленности показали форму близкую к кардиоиде в рабочей полосе частот;- исследованыизготовленныеобразцыМШУ,показавшиеработоспособность в диапазоне 57-64 ГГц, достижение коэффициента передачиболее 16 дБ и коэффициента шума менее 6.5 дБ, хорошее соответствие расчетныхи измеренных результатов.
Разработанный МШУ находится на уровне лучшихмировых образцов;- проведены исследования СВЧ системы-на-кристалле, состоящей изМШУ и встроенной антенны, показавшие работоспособность системы иувеличение выходного сигнала на значение порядка 18 дБ при подаче напряженияна усилитель.Габариты разработанной МИС составили 1.15 x 3.4 мм2 для МШУ сантенной и 1.15 x 2.26 мм2 для МШУ, что позволит использовать данную МИСпри создании компактных систем передачи данных в диапазоне частот 57-64 ГГц.Список публикаций по теме диссертацииСписок опубликованных работ по теме диссертации в журналах,вошедших в перечень ВАК:1. Мальцев П.П., Матвеенко О.С., Гнатюк Д.Л., Лисицкий А.П.,Фёдоров Ю.В., Бунегина С.Л., Крапухин Д.В. Обзор реализаций планарных23антенн X-диапазона с двумя слоями металлизации // Нано- и Микросистемнаятехника.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
