Построение моделей пассивных элементов и автоматизированное проектирование СВЧ монолитных усилителей с учетом влияния температуры

• Автор: Добуш, Игорь Мирославович
• Шифр специальности: 05.12.07
• Научная степень: Кандидатская
• Год защиты: 2012
• Место защиты: Томск
• Количество страниц: 199 с. : ил.

ОГЛАВЛЕНИЕ
Введение
1 Методы измерения, построения моделей элементов и проектирования СВЧ транзисторных усилителей
1.1 Методы измерений характеристик элементов СВЧ МИС
1.1.1 Зондовые измерения характеристик элементов СВЧ МИС
IЛ .2 Зондовые установки для измерения характеристик элементов СВЧ МЙС
1.1.3 Методы калибровки и исключения паразитных влияний контактных площадок при измерениях
параметров рассеяния СВЧ МИС
1Л .4 Программное обеспечение для управления процессом измерений элементов СВЧ МИС и обработки данных
1.2 Методы построения моделей пассивных и активных элементов СВЧ МИС
1.2.1 Классификация моделей элементов СВЧ МИС
1.2.2 Методики построения моделей элементов СВЧ МИС в виде эквивалентных схем
1.2.3 Построение температурных моделей компонентов СВЧ МИС в виде эквивалентных схем
1.3 Методы проектирования СВЧ транзисторных усилителей с корректирующими двухполюсниками
1.3.1 Транзисторные усилители с корректирующими двухполюсниками
1.3.2 Методы построения и проектирования термостабильных СВЧ транзисторных усилителей
1.3.3 Процедура «визуального» проектирования СВЧ усилительных каскадов с двухполюсными цепями коррекции и обратными связями
1.4 Основные задачи исследования
2 Разработка алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации измерений и построения моделей элементов СВЧ МИС
2.1 Разработка установки и программного обеспечения для автоматизации зондовых измерений
СВЧ МИС
2.1.1 Специализированный стенд для зондовых измерений СВЧ монолитных интегральных схем
2.1.2 Система автоматизации СВЧ измерений ШОЕЗУБ-Мв
2 1 3 Программные модули для автоматизации зондовых измерений и деэмбеддинга элементов СВЧ МПС
2.2 Определение элементов ЭС на основе символьного решения системы компонентных уравнений
2.2.1 Общий подход к задаче экстракции эквивалентных схем СВЧ компонентов
2.2.2 Анализ способов решения задач синтеза цепей на основе компонентных уравнений
2.2.3 Анализ способов решения задач экстракции ЭС на основе компьютерной алгебры
2.2.4 Алгоритм определения собственных параметров цепи и составления СКУ с использованием системы компьютерной алгебры
2.2.5 Алгоритм решения СКУ на основе базисов Грсбнсра
2.2.6 Методики определения элементов ЭС на основе символьного решения СКУ
2.3 Программа определения элементов эквивалентной схемы пассивных компонентов СВЧ МИС 8УМСШЕЬ
2.3.1 Назначение и краткое описание программы вУМООЕІ,
2.3.2 Реализация аналитической методики в программе ЗУМОБЕЬ
2.3.3 Реализация комбинированной методики в программе ЗУМООЕЬ
2.4 Основные результаты исследования
3 Построение и верификация моделей пассивных компонентов СВЧ МИС
3.1 Верификация методик определения элементов ЭС пассивных компонентов СВЧ МИС
3.1.1 Построение и верификация модели полупроводникового ОаАз-резистора
3.1.2 Построение и верификация модели МДМ-конденсатора
3.1.3 Построение и верификация модели спиральной катушки индуктивности
3.1.4 Оценка быстродействия методик определения элементов ЭС
3.2 Построение моделей пассивных компонентов СВЧ МИС в копланарном тракте, изготовленных но отечественным ЄаАБ рНЕМТ/шНЕМТ технологиям

3.2.1 Экстракция элементов ЭС копланарного GaAs-резистора
3.2.2 Экстракция элементов ЭС копланарного МДМ-конденсатора
3.2.3 Экстракция элементов ЭС копланарной спиральной катушки индуктивности
3.2.4 Оценка влияния погрешности измерений параметров рассеяния на точность экстракции ЭС СВЧ компонента
3.3 Построение параметрических моделей пассивных компонентов СВЧ МИС
3.4 Программный модуль для экстракции параметров эквивалентных схем пассивных компонентов СВЧ МИС в системе INDESYS-MS
3.5 Основные результаты исследования
4 Проектирование СВЧ транзисторных усилителей с корректирующими двухполюсниками с учетом влияния температуры
4.1 Экспериментальное исследование температурных зависимостей параметров пассивных и активных компонентов СВЧ МИС
4.2 Методика «визуального» проектирования усилителей с КД с учетом влияния температуры на АЭ
4.3 Методика «визуального» проектирования усилителей с КД с учетом влияния температуры на активные и пассивные элементы
4.4 Пример: Проектирование монолитного усилителя с ОС с учетом влияния температуры на АЭ
4.5 Пример: Проектирование монолитного усилителя с ОС с учетом влияния температуры на активные и пассивные элементы
4.6 Основные результаты исследования
5 Автоматизированное проектирование и экспериментальное исследование монолитных СВЧ транзисторных усилителей
5.1 Моделирование и экспериментальное исследование температурных характеристик однокаскадного усилителя диапазона 2-10 ГГц на основе GaAs рНЕМТ технологии
5.2 Копланарные монолитные усилители Ка-диапазона на основе GaAs mHEMT технологии
5.2.1 Требования к характеристикам, технология изготовления усилителей и модели элементов
5.2.2 Однокаскадный копланарный монолитный усилитель Ка-диапазона
5.2.3 Двухкаскадный копланарный монолитный усилитель Ка-диапазона
5.3 Линейный трехкаскадный усилитель диапазона частот 30-37,5 ГГц на основе GaAs рНЕМТ технологии
5.4 Основные результаты исследования
Заключение
Список литературы
Список сокращений
ПРИЛОЖЕНИЕ А. Основные методы построения термоустойчивых СВЧ транзисторных усилителей
ПРИЛОЖЕНИЕ Б. Документы о внедрении

Введение
Актуальность работы. Одной из главных тенденций развития современной радиоэлектронной и телекоммуникационной аппаратуры является расширение полосы частот и освоение все более высокочастотных диапазонов для повышения емкости каналов, скорости и качества передачи данных. Применение СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) позволяет значительно улучшить основные технические параметры радиоэлектронных систем (РЭС), кардинально снизить массу и габариты аппаратуры, повысить надежность ее функционирования, уменьшить трудоемкость и себестоимость изготовления радиоэлектронных изделий в серийном производстве.
К основным потребителям СВЧ МИС, функциональных модулей, радиоэлектронных устройств и систем на их основе относятся: высокоскоростные (1 Гбит/с и выше) системы передачи данных; системы космической, спутниковой и мобильной связи; радиолокационные системы, включая радары для авиации и флота, автомобильные радары и т.д.; системы наблюдения и радиоуправления и др. Ключевым составляющим элементом этих систем, во многом определяющим чувствительность, дальность действия и другие качественные характеристики, являются СВЧ монолитные усилители.
В см- и мм-диапазонах наилучший компромисс между стоимостью и характеристиками СВЧ МИС, в том числе, монолитных усилителей обеспечивают гете-роструктурные НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) технологии — псевдо-морфные (рНЕМТ) и метаморфные (шНЕМТ) на основе материала GaAs. Передовые фирмы в США, Европе, Японии и на Тайване разработали промышленные GaAs НЕМТ технологии изготовления СВЧ МИС и транзисторов с длиной затвора 130-150 нм, что соответствует частотному диапазону до 60 ГГц, и опытные 70-90 нм технологии с частотным диапазоном 120 ГГц.
В последние 5 лет в России наблюдается повышенный темп развития опытных гетероструктурных технологий изготовления СВЧ МИС и РЭС на их основе, на что указывает появление значительного количества публикаций в отечественной периодической литературе. В частности, подобные технологии развиваются в организациях: ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), ФГУП НПП «Исток» (г. Фрязино), ФГУП НПП «Пульсар», (г. Москва), ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ОАО «НИИПП» (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск) и др.
Однако для создания СВЧ МИС, помимо решения проблем технологии, должны быть решены сложные задачи измерений, построения моделей элементов и автоматизированного проектирования. По опыту зарубежных исследователей,

Таким образом, рассмотренное ПО обладает рядом недостатков. В связи с тем, что все программы являются зарубежными, отсутствует возможность управления измерительными приборами отечественных фирм-производителей. Применение универсального ПО для решения специальных задач автоматизации СВЧ измерений неудобно и требует его доработки (включения дополнительных функций). Многие специализированные программы также не реализуют всех необходимых для СВЧ измерений функций. Кроме того, специализированное программное обеспечение не расширяемо при инсталляции нового оборудования и (или) внедрении различных алгоритмов постобработки данных. Значительным недостатком является очень высокая стоимость программ (выше 50.000 $ на 2010 — 2011 гг.).
Можно заключить, что в настоящее время отсутствует система автоматизации СВЧ измерений, которая удовлетворяла бы всем необходимым функциональным и ценовым требованиям. Следовательно, существует необходимость в создании собственного специализированного ПО, решающего поставленные задачи.
1.2 Методы построения моделей пассивных и активных элементов СВЧ МИС
Успешная разработка СВЧ монолитных устройств во многом определяется качеством моделей элементов, находящихся в распоряжении проектировщика. Начиная с 80-х годов прошлого столетия, огромное количество работ было посвящено разработке моделей пассивных и активных элементов СВЧ МИС [16, 95-113].
В настоящее время МИС СВЧ диапазона создаются главным образом на основе двух типов полосковых линий передачи: микрополосковой линии (МПЛ) и копланарной линии (КПЛ) - см. рис. 1.20. Модели пассивных элементов (как распределенных, так и сосредоточенных) для микрополоскового и копланарного исполнения МИС различны, поэтому их приходится разрабатывать отдельно. Рассмотрим особенности этих двух способов выполнения СВЧ МИС.
Ууу

Рис. 1.20 - Типы полосковых линий передач СВЧ МИС: микрополосковая (а) и копланарная (б)
МПЛ представляет собой диэлектрическую подложку, на верхней поверхности которой расположен сигнальный проводник, а на нижней - земляная плоскость (рис. 1.20 а). В случае КПЛ сигнальный проводник и земляные плоскости располо-