Диссертация (1090806), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Особенно это критично при—8 —создании передовых изделий для военных, авиационных и космическихприменений [7].Необходимо отметить, что использование импортных компонентов ввоенной и космической отраслях подразумевает их соответствие определеннымпоказателям надежности и радиационной стойкости, но такое соответствие неможетбытьгарантированопроизводителем«обычной»электроники,адополнительные испытания и проведение соответствующей сертификации такихкомпонентов сопоставимо с разработкой и изготовлением специализированныхкомпонентов.Кроме того, зарубежные производители вводят постоянные ограничения напоставку в Россию необходимых компонентов, а после ввода санкций такиеограничения стали еще более жесткими [7].
Соединенные Штаты Америки, какмировой лидер в области электронных и радиокомпонентов, тщательно следит заих распространением, так как они являются основой для построения эффективныхсистем вооружения. Регулирование экспорта в США началось еще после Второймировой войны, когда были утверждены Правила международной торговлиоружием, а в 1976 принят Закон о контроле над экспортом вооружений. Наосновании Правил экспортного регулирования регламентируются в частностирадиационно-стойкие компоненты, электронные компоненты с расширеннымитемпературными диапазонами, а также радиоэлектронные компоненты (вособенности СВЧ диапазона).В таких условиях на первый план выходит импортозамещение зарубежныхкомпонентов и возможность оснащения отечественной военной и аэрокосмическойпромышленности разработанной в России компонентной базой, хотя полнаятехнологическая независимость выглядит очень сложной задачей и возможна лишьв долгосрочной перспективе [8], [9].Рынок СВЧ компонентов последние годы продолжает расти, а исследователирынка прогнозируют рост до 1.2 млрд долларов к 2019 году, причем почти треть—9 —будет приходиться на долю GaAs-приборов, в то время как доля приборов на GaNвырастет с 20 до 24%, при этом аналитики отмечают, что пока GaN приборыпредназначены в основном для военного назначения, но их рынок расширяется вчастности на системы спутниковой связи, мощные СВЧ системы и кабельноетелевидение [10].Современный этап развития СВЧ электроники характеризуется двумяособенностями.
Во-первых, это использование монолитных интегральных схемвместо широко использовавшихся ранее гибридных сборок. Благодаря малой длиневолны в миллиметровом диапазоне (на частоте 60 ГГц длина волны составляет5 мм) габаритные размеры антенн настолько малы, что можно создавать на одноймонолитной интегральной схеме: усилители со встроенными антеннами, антенныерешетки и даже целые «системы-на-кристалле», выполняющие с одной стороны формирование, усиление и излучение антенной сигнала, а с другой стороны - приемантенной, усиление и детектирование сигнала. Кроме того, использованиемонолитной технологии и отсутствие необходимости СВЧ соединений позволяетулучшитьтехническиехарактеристикиустройств,существенноповыситьнадежность и воспроизводимость МИС, снизить габариты и стоимость устройств.Второй важной особенностью является снижение сроков разработки - такназываемый «успех с первого прохода», когда корректно работающее устройстворазрабатывается за один цикл изготовления, что накладывает высокие требованияна точность средств проектирования.
Возрастает необходимость полногоэлектромагнитного расчета схемы, которое учитывает расположение элементов иих влияние друг на друга, особенно при близком расположении элементов.Целью настоящей диссертационной работы является разработка на нитридегаллия МИС малошумящего усилителя (МШУ) и МИС МШУ со встроеннойантенной для диапазона частот 57-64 ГГц.—10 —Для достижения поставленной цели в диссертации необходимо было решитьследующие основные задачи:− исследовать серийные образцы МШУ диапазона 57-64 ГГц;− провести исследования транзисторов на гетероструктурах AlGaN/AlN/GaNна подложке сапфира со сквозными отверстиями и построить модели, корректноописывающие их СВЧ и шумовые характеристики до 67 ГГц;− разработать встроенную антенну на нитриде галлия на подложке сапфира;− на основе построенных моделей, разработать МИС МШУ и МШУ совстроенной антенной на нитриде галлия на подложке сапфира со сквознымиотверстиями;− провести экспериментальные исследования разработанных МИС МШУ иМШУ со встроенной антенной.Научная новизна1.
Впервые в мире разработаны и исследованы физические и математическиемодели транзисторов и МИС с уникальным для нитрида галлия на подложкесапфира способом формирования межэлектрических соединений – сквозныхотверстий, обеспечивающих общую заземляющую плоскость.2. Впервые в России на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц разработаныи исследованы схемотехнические и конструктивные основы создания МИС МШУ.3. Впервые в России на нитриде галлия для диапазона 57-64 ГГц разработаныи исследованы конструктивные основы создания СВЧ «системы-на-кристалле»,состоящей из МШУ и встроенной антенны.Научная и практическая значимость работы1. Предложен способ проектирования на нитриде галлия на подложкесапфира с использованием сквозных отверстий для транзисторов и МИС диапазона57-64 ГГц.—11 —2.
Наосновемоделей,предложенныхвдиссертационнойработе,разработаны образцы МИС МШУ и МШУ со встроенной антенной для диапазона57-64 ГГц и проведены их исследования.3. Результаты исследований использовались при выполнении прикладногонаучного исследования «Разработка конструктивно-технологических принциповсоздания однокристальных приемо-передающих модулей для современныхширокополосных систем беспроводной связи и передачи информации в диапазонечастот 57-64 ГГц» (заказчик Минобрнауки России, соглашение №14.607.21.0087 от24 ноября 2014 г., уникальный идентификатор проекта RFMEFI60715X0087).4. Разработанные образцы МИС МШУ и МШУ со встроенной антеннойиспользованы при выполнении ОКР «Разработка комплекта монолитныхинтегральных схем 5 мм диапазона длин волн» (заказчик Минпромторг России,Государственный контракт № 13411.1400099.11.018 от 2 апреля 2013г., шифр«Многоцветник-22»).
Созданы малошумящий усилитель без антенны 5411УВ01Ниинтегрированныйсантеннойнаодномкристалле5411УВ01АН(АЕНВ.431130.293ТУ).Основные положения, выносимые на защиту1. Способ проектирования на нитриде галлия на подложке сапфира сосквозными отверстиями и общей заземляющей плоскостью для МШУ и МШУ совстроенными антеннами диапазона 57-64 ГГц.2. Разработанные модели транзистора на нитриде галлия, корректноописывающие СВЧ параметры транзисторов и позволяющие проектировать МИСна частоты до 67 ГГц.3. Результаты исследований разработанных МИС МШУ и МШУ совстроенной антенной для диапазона 57-64 ГГц.Апробация результатов исследованияОсновные положения и результаты диссертационной работы докладывалисьи обсуждались на всероссийских и международных конференциях, в частности: 61—12 —63 Научно-технической конференции МГТУ МИРЭА (2012-2014 г.г.), 9-йВсероссийской конференции «Нитриды галлия, индия, алюминия – структуры иприборы»(2013),4-йМеждународнойнаучно-техническойконференции«Технология микро- и наноэлектроники в микро- и наносистемной технике.Микроэлектроника и пассивная электронная компонентная база» (2014),Международной конференции «Микроэлектроника 2015» (Алушта, 2015),Международной научно-технической конференции «Intermatic-2015», XIV научнотехническойконференции«Твердотельнаяэлектроника.Сложныефункциональная блоки РЭА» (2015).Публикации и личный вклад автораПо теме диссертации опубликовано 13 печатных работ, в том числе 7 статейв журналах из перечня ВАК, 3 статьи в сборниках трудов конференций, написанаодна монография (личный вклад автора 10%).
Основные научные результатыопубликованных статей получены лично автором или при его непосредственномучастииАвторомличнопроведеныпостроениемоделейтранзисторов,схемотехническое и электродинамическое моделирование, экспериментальныеисследования транзисторов, пассивных элементов и МИС, а также выполненыисследования серийных образцов МШУ и анализ литературных данных по темедиссертации.Структура и объем работыДиссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,списка литературы из 94 наименований. Содержание работы изложено на120 страницах, включая 69 рисунков и 8 таблиц.—13 —1 АНАЛИЗ СОВРЕМЕННОГО СОСТОЯНИЯ В ОБЛАСТИ СОЗДАНИЯМАЛОШУМЯЩИХ УСИЛИТЕЛЕЙ И ВСТРОЕННЫХ АНТЕНН ДИАПАЗОНА57-64 ГГЦВ любых радиотехнических системах передачи, приёма и обработкиинформации необходимы усилители радиочастотных сигналов.
Основнымфункциональным назначением радиочастотного усилителя является повышениеуровня входного сигнала без недопустимых искажений его формы, спектральногосостава или ухудшения отношения сигнал/шум [11]. Повышение уровня входногосигнала может выражаться увеличением размаха колебаний, амплитуды илисредней мощности. Эффект повышения уровня входного сигнала возможен приналичии в устройстве некоторого внешнего источника, энергия которогоиспользуется для создания повышенной мощности на выходе. Этот источникэнергии, преобразуемой усилителем в энергию усиленных сигналов, называетсяисточником питания. Энергия источника питания преобразуется в энергиюполезного сигнала при помощи усилительных, или активных элементов.Устройство, являющееся потребителем усиленных сигналов, называют нагрузкойусилителя, а цепь усилителя, к которой нагрузка подключена, – выходной цепью,или выходом усилителя.
Источник входного сигнала, который нужно усилить,называется источником сигнала (входным источником) или генератором, а цепьусилителя, в которую вводят входной сигнал, называется входной цепью, иливходом усилителя. Любой усилитель модулирует энергию источника питаниявходным управляющим сигналом. Этот процесс осуществляется при помощиуправляемого нелинейного элемента.Обобщенная структурная схема усилительного устройства приведена нарисунке 1.1.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
