Диссертация (1090806), страница 10
Текст из файла (страница 10)
Согласно формуле Фрииса наибольший вклад в суммарныйуровень шума оказывает первый каскад, поэтому согласование импедансов первого—74 —каскада для малошумящего усилителя должно выполняться с учетом достиженияминимального коэффициента шума. Формула Фрииса для расчета уровня шума:FGF = # +IJ K#CL+IM K#CL CJ+⋯IO K#(2.28)CL CJ COQLгде FGF – уровень шума схемы; R – шум i-го каскада; R – коэффициентпередачи i-го каскада.Припроектированиимежкаскадныхцепейнеобходимосогласоватьвыходной импеданс транзистора со входным импедансом следующего транзистора[81]. В схеме используются одинаковые транзисторы, поэтому выходной импеданстранзистора согласуется с его же входным импедансом.
При проектированиивыходной цепи нужно согласовать выход транзистора c 50 Ом нагрузкой [82]. Присоздании согласующих цепей необходимо учесть полоски, через которые будетпроисходить подача постоянных напряжений питания и смещения на транзистор.Эти два напряжения изолируются друг от друга при помощи разделительныхконденсаторов между каскадами. В цепях питания и смещения дополнительноиспользуются конденсаторы на землю большого номинала, для подавлениянизкочастотных помех.На начальном этапе осуществлялось схемотехническое моделированиеусилителя в САПР Microwave Office на сосредоточенных элементах, это наиболеепростое моделирование, главным достоинством которого является быстроеполучение результатов.
Усилитель «собирается» из библиотечных элементовСАПР, задается соответствующая подложка и после этого осуществляется расчетпараметров и построение необходимых зависимостей. Входная, выходная имежкаскадные согласующие цепи образованы конденсаторами и отрезкамимикрополосковых линий [83]. Согласование входа выполнялось на достижениеминимального коэффициента шума. При создании усилителя проводиласьоптимизациязначенийэлементовсогласующихцепей,направленнаянадостижение лучшего согласования и улучшение характеристик.
Принципиальнаясхема разработанного МШУ показана на рисунке 2.20 [84].—75 —Ud1C5L5C2L1C1L2L3213L4C6L7L621L9L83C7C4Ud2C10L13C8L10L11213L12L17C11L15L1421L16C13L183C12C9Ug1Ug2Рисунок 2.20 – 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 поведение реальныхэлементов в СВЧ диапазоне, причем чем выше диапазон, тем сильнеенесоответствие между реальным и сосредоточенным библиотечным элементом.Основной причиной является то, что с повышением частоты уменьшаются нетолько размеры элементов, но и расстояние между ними, то есть компоновкаэлементов становится более плотной.
В условиях близкого расположенияэлементов, их взаимное влияние друг на друга становится существенным и егонеобходимо учитывать. Поэтому точность рассмотренного выше моделированиянедостаточна для создания монолитных схем. Существенно большей точностьюобладает электродинамическое моделирование, которое позволяет учитыватьвзаимное влияние и производить необходимую корректировку согласующихцепей.
Для полного электродинамического расчета схема, полученная примоделировании на сосредоточенных элементах, рисуется в виде топологии вСАПР ADS. Таким образом элементы схемы рассматриваются распределенными иоказывающими влияние друг на друга. Созданная топология показана нарисунке 2.21. Размеры топологии: 2.26 x 1.15 мм2 [85]. МИС усилителя имеет 6разварочных площадок: вход, смещение на затворы транзисторов (2 шт.), питание(2 шт.), выход. Активная часть МИС (кроме контактных площадок и антенны)—76 —покрыта слоем фотолака и верхним металлом (на рисунке 2.21 показан желтым).Верхний металл обеспечивает заземление истоков транзисторов и конденсаторовна землю.
На вход усилителя подключается встроенная антенна.Рисунок 2.21 - Топологический проект четырехкаскадного усилителяНа рисунке 2.22 представлены результаты электродинамического расчетаполного топологического проекта четырехкаскадного усилителя. Как видно изприведенных зависимостей, построенных для напряжения питания 5 В,коэффициент передачи составляет 15 - 20 дБ в диапазоне частот 57 – 64 ГГц, КСВНпо входу и выходу менее 2 в диапазоне 57 - 64 ГГц, коэффициент шума составляетпримерно 6.4 дБ. Расчетный ток потребления усилителя составил 70-100 мА(напряжение питания 5÷10 В).—77 —а) зависимость коэффициентапередачи от частотыб) зависимость коэффициента шумаот частотыв) зависимость КСВН по входу отг) зависимость КСВН по выходу отчастотычастотыРисунок 2.22 - Расчетные характеристики четырехкаскадного усилителя длядиапазона 57-64 ГГц2.6 Моделирование антенныРазрабатываемый малошумящий усилитель предназначен для использованияна входе приемо-передающего модуля, то есть сигнал будет поступать на антенну,которая соединена со входом МШУ.
Создание широкополосных антенн являетсясложной задачей, поэтому для исключения проблем согласования рабочих частотантенны и усилителя, целесообразно сделать достаточно широкой рабочую полосу—78 —усилителя, чтобы она перекрывала возможную полосу антенны, а саму антеннусделать узкополосной.Антенна будет изготавливаться в рамках единого технологического цикла сМШУ, то есть будет реализована в виде излучателя на диэлектрической подложке(сапфира) с земляным проводником. При выборе формы излучателя былиисследованы антенны разной геометрической формы, двух типов – монополи(рисунок 2.23(а,б,в)) и диполи (рисунок 2.23(г,д)).
Проведен расчет основныххарактеристик при помощи метода конечных элементов в САПР ADS.1710 мкм2600 мкм1000 мкм735 мкма)б)в)г)д)Рисунок 2.23 – Внешний вид антенн разной геометрической формыВсе антенны имеют кардиоидную форму диаграммы направленности исущественно отличаются лишь шириной полосы пропускания и габаритами.Дипольные антенны не показали существенных преимуществ по характеристикам,а по габаритам значительно больше антенн типа монополь, поэтому, в целяхсоздания более компактных МИС, был сделан выбор в пользу антенн типамонополь.
Расчетные полосы пропускания для трёх типов антенн: прямоугольной,круглой с вырезами и круглой без вырезов показаны на рисунке 2.24. Круглаяантенна с вырезами имеет наиболее широкую полосу пропускания в требуемомдиапазоне.—79 —а)б)в)Рисунок 2.24 - Расчетная полоса пропускания антенн типа монополь рисунка 2.23Таким образом в качестве встроенной приемной антенны будет использованизлучатель в виде окружности с двумя вырезами (рисунок 2.23(б)). Диаметризлучателя 0.72 мм, размер излучателя вместе с подводящим полоском1.0 x 0.72 мм2. Расчетные характеристики выбранной антенны показаны нарисунке 2.25.а)б)Рисунок 2.25 – Расчетные полоса пропускания (а) и диаграмма направленности (б)Полоса пропускания антенны составила 56-67 ГГц по уровню потерьотражения -10 дБ, расчетный коэффициент усиления антенны 5.6 дБи.
Нарисунке 2.25 изображена диаграмма направленности, её форма близка ккардиоидной, максимум излучения перпендикулярен поверхности антенны.Разработанная антенна может использоваться во входной цепи и быть подключенако входу МШУ.—80 —2.7 Топология полной СнКВнешний вид разработанного малошумящего усилителя со встроеннойантенной изображен на рисунке 2.26. Сигнал с приемной антенны подается на входусилителя, на котором происходит усиление сигнала, который затем передается навыход.
Вход и выход усилителя согласованы на 50 Ом, антенна также согласованана 50 Ом. Таким образом достигается взаимное согласование входа усилителя ивстроенной антенны.АнтеннаМШУРисунок 2.26 – Топология МШУ со встроенной антеннойРазмеры топологического проекта: 3.4 x 1.15 мм2. МИС усилителя совстроенной антенной имеет 5 разварочных площадок: смещение на затворытранзисторов (2 шт.), питание (2 шт.) и выход.2.8 Технологические этапы изготовления малошумящего усилителя совстроенной антеннойПри создании МИС усилителей со встроенными антеннами, использовалсяединый технологический цикл изготовления как для пассивных, так и для активныхэлементов схемы [86].
Основным активным элементом усилителя является полевойтранзисторсбарьеромШоттки.ДлясозданияМИСусилителейна—81 —наногетероструктурах со встроенными антеннами необходимо выполнениеследующих основных этапов:1) формирование приборной «меза» изоляции;2) формированиенаногетероструктуре,невыпрямляющегорезисторов,(омического)нижнихобкладокконтактакконденсаторов,индуктивностей, топологии антенны;3) формированиевыпрямляющегоконтакта(контактаШоттки)к наногетероструктуре;4) пассивация затвора, формирование конденсаторного диэлектрика;5) формированиемежэлектрическихсоединений,верхнихобкладокконденсаторов;6) формирование межэлектрических соединений обеспечивающих общуюземлю;7) шлифовка пластины и резка на кристаллы.Для реализации на одном кристалле малошумящего усилителя со встроеннойантенной на наногетероструктурах AlGaN/GaN/Al2O3, был разработан и изготовленкомплект фотошаблонов.
При разработке комплекта фотошаблонов были учтенынеобходимость интегрирования антенны на одном кристалле с усилителем иреализация заземляющей плоскости над лицевой поверхностью пластины.Формирование приборной «меза» изоляцииПод формированием «мезы» подразумевается создание, за счет травления,структуры на полупроводниковой пластине с проводящими и не проводящимислоями, с целью отделения активных областей, на которых формируются приборы,друг от друга, для избегания электрического контакта между приборами.На этапе формирования приборной «меза» изоляции (рисунок 2.27),используя масочный метод, формируется маска фоторезиста, закрывающаяучастки активных слоев наногетероструктуры AlGaN/GaN, через которую—82 —плазмохимическим травлением в хлорсодержащей плазме разбавленной инертнымаргоном удаляются незащищенные участки.
В результате осуществляетсяприборная изоляция, за счет удаления активных проводящих слоев.Рисунок 2.27 – Этап формирования приборной «меза» изоляцииФормирование омических контактов к наногетероструктурамОмический контакт представляется собой контакт металл-полупроводник,формируется переходная область между приведенными в соприкосновениеметаллом и полупроводником.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
