Диссертация (1090806), страница 12
Текст из файла (страница 12)
Маской для защитыот кислородного воздействия служит металлизация сформированной общей земли.За счет удаления фотолака вскрываются контактные площадки схемы, антенна,дорожки реза.После формирования межэлектрических соединений заканчивается маршрутизготовления «лицевой» части транзисторов. После этого следуют операциишлифовки обратной стороны пластины, резки на кристаллы и посадки черезтепловой интерфейс на теплоотвод.—91 —Рисунок 2.35 – Этап формирования межэлекрических соединений,обеспечивающих общую землюНа фотографии (рисунок 2.36) приведен внешний вид пластины диаметром51 мм с рабочими модулями после проведения всех технологических операций (заисключением шлифовки и резки на кристаллы [90], [91]).Рисунок 2.36 – Общий вид пластины диаметром 51 мм с изготовленными МИСдля диапазона частот 57-64 ГГц—92 —На пластине помещаются 50 полных рабочих модулей, в состав каждоговходит:- МШУ со встроенной антенной – 1 шт.;- МШУ без антенны – 1 шт.;- пассивная антенна – 1 шт.2.9 ЗаключениеИсследованы статические и СВЧ параметры транзисторов, на основаниикоторых созданы нелинейная и шумовая модели HEMT транзистора.
Разработанасхема четырехкаскадного малошумящего усилителя, основанная на построенныхмоделях. Выполнено схемотехническое моделирование на сосредоточенныхэлементах, по которому создана топология малошумящего усилителя и выполненэлектромагнитный расчет топологии.
Проведенный расчет показал, что сиспользованием предложенных моделей транзисторов, в диапазоне 57-64 ГГцусилитель имеет коэффициент передачи 15-20 дБ, КСВН менее 2 и коэффициентшума около 6.4 дБ.Выполнено проектирование антенны, расчетный рабочий диапазон которойсоставил 56-69 ГГц, а расчетная диаграмма направленности имеет кардиоидныйвид с максимумом излучения, направленным перпендикулярно плоскостипластины вверх.ОписанытехнологическиеэтапыизготовленияМИСусилителясовстроенной антенной. Технология, помимо стандартных для GaN-технологииэтапов, содержит конструкторско-технологическое решение по формированию«заземляющей плоскости» над лицевой поверхностью пластины, обосновананеобходимость использования данного решения.—93 —3 ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АНТЕННЫ И ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ3.1 Исследования пассивных тестовых элементовДля оценки корректности методики проектирования, а также соответствиярасчетных и измеренных значений топологических элементов МИС, былиизготовлены пассивные тестовые элементы - две микрополосковые линии, длиныкоторых отличаются в два раза: 400 мкм и 800 мкм, они изображены на рисунке 3.1.После изготовления были проведены измерения S-параметров тестовых элементовнепосредственно на пластине зондовым способом в диапазоне частот до 67 ГГц.а)б)Рисунок 3.1 - Фотографии длинной (а) и короткой (б) тестовыхмикрополосковых линийНа рисунке 3.2 показано сравнение расчетных (красный) и измеренных(зеленый) S-параметров для длинной (800 мкм) микрополосковой линии, а нарисунке 3.3 для короткой (400 мкм) микрополосковой линии.—94 —00-2-2-4-4-6-6-8S12, дБS11, дБ-10-12-8-10-12-14-14-16-16-18-18-2001020304050-206001020Частота, ГГц-2-2-4-4-6-6-8S22, дБS21, дБ0-10-12-8-12-14-16-16-18-1820304060-10-141050б) зависимость S12 от частоты0040Частота, ГГца) зависимость S11 от частоты-203050-206001020Частота, ГГц30405060Частота, ГГцв) зависимость S21 от частотыв) зависимость S22 от частотыРисунок 3.2 – Сравнение расчетных и экспериментальных S-параметров для00-2-2-4-4-6-6-8S12, дБS11, дБдлинной микрополосковой линии-10-12-14-16-16-18-180102030405060Частота, ГГца) зависимость S11 от частоты-12-14-20-8-10-200102030405060Частота, ГГцб) зависимость S12 от частоты—95 —00-2-2-4-4-6-6S12, дБS21, дБ-8-10-12-8-10-12-14-14-16-16-18-18-2001020304050-206001020Частота, ГГц30405060Частота, ГГцв) зависимость S21 от частотыв) зависимость S22 от частотыРисунок 3.3 – Сравнение расчетных и экспериментальных S-параметров длякороткой микрополосковой линииКак следует из результатов исследований, для обеих микрополосковыхлиний наблюдается хорошее соответствие результатов расчета и измерений.Можно сделать вывод, что применяемые средства проектирования позволяют сдостаточно высокой точностью рассчитывать пассивные элементы МИС,созданные с «заземляющей плоскостью» над лицевой поверхностью пластины.Полученные результаты свидетельствуют, что разработанная технология создания«заземляющейплоскости»надлицевойповерхностьюпластинысужеизготовленными активными и пассивными СВЧ элементами является пригоднойдляизготовленияСВЧтранзисторов,организациимежсоединенийитопологических элементов МИС диапазона 57-64 ГГц.3.2 Измерения диаграммы направленности антенныВнешний вид изготовленной антенны показан на рисунке 3.4.
Так какдиаграмма направленности не привязана к излучаемой мощности, даннаяхарактеристика является относительной, поскольку достаточно измерять уровеньизлучаемой мощности в дальней зоне в относительных единицах.—96 —Рисунок 3.4 - Пассивная антенна диапазона 57-64 ГГцДиаграмма направленности измеряется с помощью лабораторной антенны,расположенной на фиксированном расстоянии от исследуемой антенны.Лабораторная антенна должна перемещаться по дуге окружности, в центре которойрасположена исследуемая антенна таким образом, чтобы расстояние R междуантеннами оставалось неизменным. При этом диаграмма направленности независит от коэффициента передачи встроенного усилителя.
Схематическоеизображение стенда для измерения диаграммы направленности представлено нарисунке 3.5 [88].ZYXа)б)Рисунок 3.5 – Схема (а) и внешний вид (б) стенда для измерения диаграммынаправленности антенны—97 —Измерения диаграммы направленности проводились в двух плоскостях: ZX(вдоль оси симметрии антенны) и ZY (перпендикулярно оси симметрии)(расположение осей показано на рисунке 3.5(а)). При этом в плоскости ZY диапазонвращения рупорной антенны составил 180°, в то время как в плоскости ZX толькона 130° (из-за расположения микроскопа). Угол поворота рупорной антенныограничивался габаритами зондового стола и расположением зондодержателя. Нарисунке 3.6 представлены измерения диаграммы направленности антенны,нагруженной на усилитель, в минимуме потерь отражения на частоте 58 ГГц.
Вплоскости ZY измерения были проведены в двух плоскостях поляризации.-20-10-30 -40-40-50-50-60-60-70-70-80-80-90-100-110-120-130-140-150-160-1700180а)10 2030405060708090100110120130140150160170-20-10-30 -40-40-50-50-60-60-70-70-80-80-90-100-110-120-130-140-150-160-170018010 2030405060708090100110120130140150160170б)Рисунок 3.6 - Диаграммы направленности антенны, нагруженной на усилитель,измеренные на частоте 58 ГГц в плоскостях поляризации ZY (а) и ZX (б)Как видно из результатов антенна излучает в обеих плоскостях поляризации,диаграмма направленности близка к кардиоидной. Измерения производилисьнепосредственно на пластине.
МИС, расположенные в соседних ячейках, влиялина излучение, чем можно объяснить неравномерность полученных характеристик.Несмотря на это, полученные результаты хорошо соответствуют расчетнымданным.—98 —4 ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ МИС4.1 Измерения параметров малошумящих усилителейПроведены измерения малосигнальных S-параметров и коэффициента шумакристаллов МШУ (внешний вид показан на рисунок 4.1). Измерения проводилисьпосле нанесения фотолака и резки пластины на кристаллы.а)б)Рисунок 4.1 – Внешний вид МШУ до нанесения фотолака с верхнейметаллизацией (а) и после нанесения (б)Измерения проводились зондовым способом на кристаллах, свободнолежащих на кремниевой пластине без оснастки и теплоотвода.
При измерениималосигнальных S-параметров определяются коэффициент передачи, КСВНвхода/выхода и ток потребления. Измерения шума проводились отдельно, но притех же напряжениях питания и смещения. Схема включения МИС МШУ приизмерении S-параметров показана на рисунке 4.2, а при измерении коэффициенташума на рисунке 4.3.—99 —5G116V2G23D4G37G4D – МИС МШУG1, G2, G3, G4 – источники питанияV – векторный анализатор цепейРисунок 4.2 - Схема включения МИС МШУ при измерении коэффициентапередачи, КСВН по входу и выходу и тока потребления5G116NSG23G34G4D2NFA7D – МИС МШУG1, G2, G3, G4 – источники питанияNS – источник шумаNFA – измеритель шума с гетеродиномРисунок 4.3 - Схема включения МИС МШУ при измерении коэффициента шумаРезультаты измерений малосигнальных S-параметров и коэффициентапередачи типового образца МШУ показаны на рисунке 4.4 [91].—100 —2010189168147126КШ, дБS21, дБ10854634221054 55 56 57 58 59 60 61054 55 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 6762 63 64 65 66 67Частота, ГГцЧастота, ГГцб) зависимость КШ от частоты554.54.5443.53.5КСВН ВЫХКСВН ВХа) зависимость коэффициентапередачи от частоты32.532.5221.51.5154 55 56 57 58 59 60 6162 63 64 65 66 67Частота, ГГц154 55 56 57 58 59 60 6162 63 64 65 66 67Частота, ГГцв) зависимость КСВН входа отг) зависимость КСВН выхода отчастотычастотыРисунок 4.4 – Результаты измерений 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 сильно сужает выбор оптимальной рабочейчастоты (необходимым условием является КСВН входа и выхода менее 2).КСВН выхода не имеет такого явного пика возрастания, но имеет выраженную—101 —точку минимума.
Минимальные значения КСВН выхода лежат в диапазоне 5458 ГГц. Ток потребления составил 83 мА.Результаты измерений коэффициента шума показали наличие минимума начастоте 57 ГГц и дальнейшее возрастание шума с повышением частоты. Такимобразом, с точки зрения значения коэффициента шума, оптимальной являетсяработа усилителя на более низкой частоте рабочего диапазона 57-64 ГГц.Согласно исследованиям, достигнуто хорошее соответствие расчетныхрезультатов и результатов измерений. МШУ демонстрирует работоспособность вдиапазоне 57-64 ГГц.
При этом оптимальная рабочая точка находится начастоте 57 ГГц.4.2 Измерения параметров малошумящего усилителя со встроенной антеннойНа рисунке 4.5 изображены фотографии изготовленных МИС МШУ совстроенными антеннами без покрытия фотолаком с заземляющей плоскостью и спокрытием. Покрытие фотолаком присутствует только на активной части МИС. Вобласти антенн фотолак удален плазмохимически в среде кислорода, что позволяетантенне принимать и излучать сигнал без искажения.а)—102 —б)Рисунок 4.5 – МШУ со встроенной антенной до (а) и после (б) нанесенияфотолака с заземляющей плоскостьюИзмерения диаграммы направленности проводились на стенде, показанномна рисунке 3.2(б). На рисунке 4.6 представлены измерения диаграммынаправленности антенны, подключенной ко входу усилителя, в точке минимумапотерь отражения, на частоте 57.4 ГГц. Ввиду наличия зондов для подачинапряжения питания и смещения на усилитель, расположенных вдоль продольныхсторон кристалла, измерения были проведены в ограниченном диапазоне угловыхкоординат (от минус 20° до плюс 20°).-10-20-10-30-40-50-30-60-70-50-80-90-70-100-110-120-130-140-150-160-170018010 2030405060708090100110120130140150170160Рисунок 4.6 – Измеренная диаграмма направленности МИС МШУ со встроеннойантенной при выключенном (зеленая линия) и включенном (красная линия)усилителе—103 —Результаты измерений показали, что при измерениях антенны с работающимусилителем излучение антенны составляет величину на 20 дБ больше, чем приизмерениях встроенной антенны с выключенным усилителем.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
