Интегральные широкополосные умножители и смесители СВЧ на основе GaAs диодов Шоттки тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат наук Дроздов Алексей Викторович

• Дроздов Алексей Викторович
• кандидат наук
• 2018

Оглавление диссертации кандидат наук Дроздов Алексей Викторович

Введение

1 Обзор аспектов реализации современных преобразователей частоты

1.1 Краткие сведения из истории преобразователей частоты

1.2 Квазивертикальные диоды Шоттки

1.2.1 Вольтамперная характеристика диода

1.2.2 Вольт-фарадная характеристика диода

1.2.3 Преобразование частоты диодами

1.3 Современные методы построения устройств симметрирования для применения в преобразователях частоты

1.3.1 Методы анализа симметрирующих трансформаторов Маршанда

1.3.2 Расчёт трансформатора численными методами

1.3.3 Верификация результатов расчёта трансформатора

1.4 Выводы по главе

2 Разработка моделей компонентов диодной технологии

2.1 Описание малосигнальной модели диодов Шоттки

2.1.1 Эквивалентная схема диода

2.1.2 Описание экспериментальной установки для измерения параметров диодов

2.1.3 Экстракция вольтамперной характеристики диода

2.1.4 Экстракция вольт-фарадной характеристики диода

2.1.5 Полная модель диода Шоттки

2.2 Экстракция параметров подложки из экспериментальных данных

2.3 Модели пассивных компонентов диодной технологии

2.4 Выводы по главе

3 Результаты моделирования и экспериментального исследования широкополосного удвоителя частоты 20 - 50 ГГц

3.1 Методика проектирования и экспериментального исследования входного и выходного моста умножителя частоты

3.2 Модель удвоителя

3.3 Экспериментальное исследование удвоителя

3.4 Применение умножителя частоты

3.5 Выводы по главе

4 Разработка МИС смесителей частоты

4.1 Модификация симметрирующих трансформаторов смесителя частоты 5 -26 ГГц

4.2 Модель, топология и экспериментальное исследование смесителя MD616

4.3 Разработка смесителя М0622 частоты 13 - 50 ГГц

4.4 Разработка фильтра промежуточной частоты

4.5 Выводы по главе

Заключение

Список сокращений и условных обозначений

Список литературы

Приложение A. Математическое исключение параметров цепей

Приложение Б. Листинг файла программы математического исключения параметров цепей

Приложение В. Акты о внедрении

Приложение Г. Свидетельства о регистрации топологий МИС

Приложение Д. Пример реализации симметрирующего трансформатора по технологии SiGe

4

Введение

С тех пор, как была разработана супергетеродинная схема приёмного тракта, преобразователи частоты стали одними из главных элементов приёмно-передающих модулей (ППМ) в измерительной аппаратуре, АФАР и др. системах [1-3]. Принцип гетеродинного преобразования частоты используется в большинстве радиотехнических систем. Он реализуется с помощью преобразователей частоты на основе нелинейных приборов (диодов, транзисторов) [4-7]. Поэтому разработка полупроводниковых преобразователей частоты, умножителей и смесителей, представляет актуальную задачу в связи с всё возрастающими требованиями к радиотехнической аппаратуре СВЧ [8].

Актуальность темы исследования и степень её разработанности

Широкое применение в современной радиотехнике нашли широкополосные радиоэлектронные компоненты. Их применение обусловлено возрастающими темпами увеличения передаваемой информации. В то же время требуются всё более компактные решения, что, в свою очередь, дает толчок для развития микроэлектроники СВЧ [9].

Разработка широкополосных преобразователей частоты на основе интегральных технологий в диапазоне СВЧ является актуальной проблемой. Решением задач расширения рабочего диапазона преобразователей частот, в частности смесителей, занимается ряд отечественных и зарубежных компаний и организаций [9-12]. Крупными компаниями представлен ряд преобразователей частоты для различных применений. Активны в этом плане отечественные предприятия ФГУП «НПП «Исток», НПФ «Микран», ФГУП НИЧ «МАТИ» РГТУ им. К. Э. Циолковского, ОАО «НИИПП», ФГУП ННИПИ «Кварц» и ФГУП «НПП «Салют» [3], а также зарубежные компании, например, Marki Microwave, Analog Devises. На протяжении последних десятилетий опубликованы десятки патентов и статей по структуре и технологиям изготовления преобразователей частоты, например,

[4 - 6].

Важность исследований, связанных с разработкой монолитных интегральных схем (МИС) преобразователей частоты, подтверждается необходимостью расширения рабочего диапазона частот вследствие усложнения сигналов, используемых в радиотехнических системах, и освоения новых частотных диапазонов [13]. Особенно важна разработка отечественной номенклатуры МИС преобразователей частоты, имеющих параметры, сравнимые или превосходящие параметры зарубежных аналогов.

Актуальность настоящей работы подтверждается и тем, что почти любой современный измеритель комплексных коэффициентов передачи и отражения (векторный анализатор цепей) содержит в своём составе умножители и смесители частоты. Подобные измерители СВЧ и КВЧ диапазонов выпускают такие известные фирмы, как Keysight Technologies (Agilent Technologies), Anritsu, Rohde&Schwarz, АО «НПФ «Микран», ЗАО НПО «Планар» и другие [14-16].

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Интегральные широкополосные умножители и смесители СВЧ на основе GaAs диодов Шоттки»

Цель работы

Целью работы является исследование и разработка ряда балансных преобразователей частоты диапазонов СВЧ и КВЧ с использованием в качестве нелинейных элементов диодов Шоттки производства АО «НПФ «Микран», а также исследование возможности расширения диапазона частот МИС на основе планар-ной монолитной технологии для решения задач производства контрольно-измерительной аппаратуры.

Задачи исследования

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести исследование методов реализации симметрирующих трансформаторов СВЧ и КВЧ диапазонов на основе различных технологий производства и предложить наиболее оптимальную топологию для применения в МИС.

2. Провести экспериментальное исследование тестовых элементов, выполненных на подложке из арсенида галлия, и экстрагировать из полученных данных параметры модели подложки для применения в САПР.

3. Исследовать и на этой основе уточнить параметры малосигнальной модели диодов Шоттки производства АО «НПФ «Микран» для её использования в процессе проектирования преобразователей частоты в САПР.

4. Разработать и оптимизировать топологию согласованной нагрузки в интегральном исполнении диапазона до 50 ГГц на подложке из арсенида галлия, используемой в процессе измерений характеристик симметрирующих трансформаторов.

5. Разработать и оптимизировать топологию фильтра ПЧ с частотой среза 1,5 ГГц и расширенной до 50 ГГц полосой заграждения на подложке из арсенида галлия.

6. Разработать и экспериментально исследовать монолитную интегральную схему удвоителя частоты диапазона частот 20 - 50 ГГц на основе диодов Шоттки производства АО «НПФ «Микран».

7. Разработать и экспериментально исследовать монолитные интегральные схемы смесителей частоты диапазонов 5 - 26 ГГц и 13 - 50 ГГц на основе диодов Шоттки производства АО «НПФ «Микран».

В результате решения перечисленных задач получены новые научные результаты.

Научная новизна

1. Разработаны и изготовлены новые топологии смесителей, проведено моделирование и экспериментальное исследование их основных параметров, позволяющие оценить потери преобразования и амплитуду внепо-лосных колебаний.

2. Разработан интегральный фильтр низких частот для применения в тракте ПЧ смесителей с расширенной полосой заграждения, применение которого позволяет получить ослабление нежелательных спектральных составляющих до минус 40 дБ.

3. Разработаны и экспериментально исследованы МИС умножителей частоты диапазона 20 - 50 ГГц с высоким уровнем подавления паразитных составляющих.

4. Предложена новая топология и проведено исследование симметрирующего трансформатора с расширенным рабочим диапазоном, использованная при разработке смесителей частоты диапазона 13 - 50 ГГц.

5. Разработаны и экспериментально исследованы МИС смесителей частоты диапазона 5 - 26 ГГц и 13 - 50 ГГц, имеющие характеристики сравнимые с зарубежными аналогами.

Теоретическая значимость работы

1. Путем анализа модели симметрирующего трансформатора Маршанда с расширенным частотным диапазоном при ограничении неравномерности коэффициента передачи, для используемой технологии получены условия достижения предельной полосы рабочих частот.

2. Уточнённая модель квазивертикальных диодов с барьером Шоттки, основанная на экстракции параметров с использованием экспериментальных данных, обеспечивает уменьшение ошибки проектирования и применима для моделирования различных нелинейных цепей, таких как умножители и смесители частоты в диапазоне до 50 ГГц.

3. Предложенный способ коррекции топологической индуктивности при разработке интегрального фильтра низких частот с расширенной полосой заграждения может быть применён для широкого круга задач при устранении паразитных полос пропускания.

4. Показана правомерность применения метода «L-2L» для пассивных цепей к решению задачи определения параметров модели использованных диодов Шоттки в диапазоне до 50 ГГц.

Практическая значимость работы

1. Предложенные модели трансформаторов и компонентов позволяют упростить разработку преобразовательных устройств на основе собственной технологии монолитных интегральных схем АО «НПФ «Ми-кран».

2. На основе технологии арсенида галлия разработана в планарном исполнении нагрузка с рабочим диапазоном до 50 ГГц и коэффициентом отражения не хуже минус 25 дБ.

3. В диапазоне до 50 ГГц разработан фильтр нижних частот с расширенной полосой заграждения с частотой среза 2 ГГц и потерями в полосе заграждения не менее 30 дБ.

4. Спроектированы и изготовлены МИС пассивного двойного балансного умножителя частоты диапазона частот 20 - 50 ГГц с коэффициентом преобразования не хуже минус 12 дБ, получено подавление основной и третьей гармоник не хуже 30 дБ, подавление четвертой гармоники не хуже 15 дБ.

5. Спроектированы и изготовлены МИС пассивного двойного балансного смесителя частоты диапазонов 5 - 26 ГГц и 13 - 50 ГГц с коэффициентом преобразования в полосе не хуже минус 10 дБ.

Методы исследований

Для решения поставленных задач применяются методы теории линейных и нелинейных электрических цепей, матричной алгебры, метод математического исключения параметров цепей, метод экстракции параметров нелинейных элементов, вычислительной математики, специализированных систем моделирования и автоматизированного проектирования, численные методы синтеза пассивных корректирующих и согласующих цепей.

Реализация и внедрение результатов работы

Разработанные МИС смесителя и умножителей использованы при разработке блока формирователя частоты УПЧ-50 серии СВЧ генераторов Г7М-50 и в блоке приёмника векторного анализатора Р4М-50 производства АО «НПФ «Ми-кран», что подтверждено актами о внедрении.

Научные положения, выносимые на защиту

1. Методика, основанная на экстракции параметров моделей диода Шоттки и пассивных элементов, уточнении количественных характеристик моделей и оптимизации топологии преобразователей частоты в интегральном исполнении, улучшает сходимость расчётных и экспериментальных данных и обеспечивает в полосе частот более двух октав получение коэффициентов преобразования по уровню минус 10 дБ.

2. Пространственное разнесение витков планарной топологической индуктивности с сохранением её номинала и введение демпфирующей цепи между резонаторами, образуемыми двумя частями индуктивности, приводит к расширению полосы заграждения фильтра промежуточной частоты и подавлению паразитных спектральных составляющих не менее чем на 40 дБ на выходе смесителей в интегральном исполнении в диапазоне частот от 3 до 50 ГГц.

3. Создание новой модификации моста на связанных линиях с корректирующим индуктивным шлейфом и корректором дисбаланса амплитуды и фазы позволяет получить полосу рабочих частот двойных балансных смесителей от 10 до 50 ГГц с коэффициентом преобразования не более минус 12 дБ.

Достоверность и обоснованность полученных результатов

Достоверность предложенного способа увеличения полосы заграждения фильтра верхних частот, изготавливаемых по технологии интегральных монолит-

ных схем, подтверждается экспериментальными характеристиками разработанного фильтра.

Достоверность расчётов и моделирования топологий интегральных схем подтверждается незначительными расхождениями, в пределах 2 дБ, между результатами моделирования и экспериментально измеренными характеристиками. Разработанные и изготовленные на подложке из арсенида галлия МИС умножителей и смесителей внесены в реестр топологий интегральных схем, что подтверждено тремя свидетельствами о регистрации топологий.

Апробация результатов работы

Основные результаты диссертационной работы представлялись и докладывались на следующих конференциях:

1. 25-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2015), г. Севастополь, 2015 г.

2. Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученных «Научная сессия ТУСУР» (НС ТУСУР - 2016), г. Томск,

3. 17-я Международная конференция молодых специалистов в области микро-и нанотехнологий и электронных устройств «International ^nference of Young Specialists on Micro/Nanotechnologies and Electron Devices EDM2016», г. Эрлагол, Россия, 2016 г.

4. Международная конференция по инновациям в области разработки электронных устройств «Electronic Design Innovation Conference EDICON 2017», г. Шанхай, Китай, 2017 г.

5. Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления» (ТУСУР - 2017), г. Томск, 2017 г.

6. Международный московский IEEE-семинар (MWENT-2018) и Сибирская конференция по управлению и связи (Sibcon - 2018), г. Москва, 2018 г.

Публикации

По результатам проведенных исследований опубликовано 13 работ, в том числе 2 публикации в журналах из перечня ВАК, 6 публикаций в сборниках международных и всероссийских конференций, 3 свидетельства о регистрации топологий интегральных схем.

Личный вклад автора

Диссертация является итогом исследований автора, проводившихся совместно с сотрудниками АО «НПФ «Микран» и ТУСУР. Основные исследования, результаты которых представлены в диссертации, были выполнены по инициативе автора. Совместно с научным руководителем обсуждались цели работы и пути их достижения, результаты работы. Личный вклад автора включает разработку схемотехнических решений, разработку топологий МИС, выбор методик исследований, разработку алгоритмов программных решений, моделирование в САПР, обработку экспериментальных результатов.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы и пяти приложений. Объем работы составляет 137 страницы машинописного текста, включая 104 рисунков и таблиц, список литературы содержит 138 наименований.

Автор выражает благодарность научному руководителю доктору физико-математических наук, профессору Гошину Геннадию Георгиевичу, а также сотрудникам департамента информационно-измерительных систем и НПК «Микроэлектроника» АО «НПФ «Микран», которые принимали участие в совместных работах.

Работа выполнена при финансовой поддержке Министерства образования и науки РФ, соглашение № 14.577.21.0279 от 26.09.2013 г., идентификатор RFMEFI57717X0279.

1 Обзор аспектов реализации современных преобразователей частоты

Цель настоящей главы - анализ состояния исследований и разработок преобразователей частоты и компонент, используемых для их создания. Наиболее важными элементами преобразователей являются GaAs диоды Шоттки, поэтому в обзоре рассматриваются вопросы их моделирования применительно к решению задач исследования и проектирования интегральных широкополосных умножителей и смесителей СВЧ на основе GaAs диодов Шоттки. Значительное внимание уделено симметрирующим трансформаторам в интегральном исполнении, характеристики которых существенно влияют на качество монолитных интегральных схем.

В заключении главы сформулированы задачи, решаемые в данной диссертации.

1.1 Краткие сведения из истории преобразователей частоты

Без преувеличения можно сказать, что феноменальный прогресс в технологиях диодных смесителей, достигнутый с 1970 года, включающий в значительной степени теорию, улучшение качества производства диодов и диодных структур, особенно схем смесителей, стал одним из важнейших факторов развития систем связи СВЧ и КВЧ диапазонов, радиоастрономии и радиолокации, а также физики плазмы. Из этого следует, что преобразователи частоты в целом, и смесители в частности, являются одними из важнейших компонентов приёмно-передающих устройств [7].

Изобретателем смесителя частоты считают Эдвина Армстронга, одного из самых креативных изобретателей в истории радиосвязи. Преобразователи, которые были использованы в прошлом, в основном были преобразователями вниз и использовались в узкой полосе частот. Первые смесители, как правило, плохо работали, потому что стабильность гетеродина была недостаточно хорошей. Армстронг был первым, кто начал использовать смесители на основе вакуумных ламп для переноса принимаемого сигнала на ПЧ, где он может быть усилен с хорошей

селективностью и низким уровнем шума, а затем демодулирован. Армстронгу также приписывают изобретение частотной модуляции, которая была бы невозможна без таких приёмников, потому что частотные демодуляторы хорошего качества было почти невозможно сделать. Его супергетеродинный приёмник используется, начиная от дешёвых транзисторных АМ радиоприёмников до самых сложных спутниковых систем [8].

Последующая история смесителей является, по сути, историей малошумя-щих приёмников. Основной упор в разработке высококачественных микроволновых смесителей был сделан в связи с развитием радиолокации во время второй мировой войны в лаборатории Массачусетского технологического института. Чувствительность приёмника в РЛС имеет решающее значение для её максимальной дальности [3]. Первые радары должны были работать, по крайней мере, на УВЧ, а желательно и СВЧ, чтобы иметь возможность «видеть» цели размером с самолет. На этих частотах хороших малошумящих усилителей в то время не существовало, поэтому вся ответственность перекладывалась на смеситель, который работал в качестве первой ступени приёмника и наиболее сильно влиял на его чувствительность. Очень мало теоретических работ по смесителям было выполнено до 1940 года, да и диоды точечного типа были плохого качества. Менее чем за последующие 10 лет теоретические основы проектирования смесительных схем были разработаны и качественные характеристики диодов и диодных сборок были значительно улучшены. Коэффициент преобразования в диапазоне УВЧ сократился примерно с минус 20 дБ в 1940 году до минус 10 дБ в 1945 году. К началу 1950-х годов смесители с уровнем коэффициента преобразования около минус 6 дБ вошли в массовое производство. Сегодня на основании последних достижений в теории диодных смесителей и смесителей с подавление зеркальной полосы достигаются уровни коэффициента преобразования порядка минус 4 дБ [2].

Основным преимуществом диодных смесителей является то, что они могут быть успешно использованы на частотах, где никакие другие устройства не работают. Это особенно актуально на длинах волн миллиметрового диапазона, т.к. на

частотах выше 100 ГГц малошумящие усилители большая редкость. Появление смесителей для таких частот трактуется потребностями в радиоастрономии, радиолокации, диагностике плазмы и интроскопии. Представляется, что в будущем эти приемники тоже будут работать на основе диодов Шоттки [13].

Смесители являются очень важной частью приемников супергетеродинного типа. Основное назначение смесителя перенести сигнал с одной частоты на другую, где он может быть усилен или более эффективно отфильтрован. Возможность переноса сигнала с одной частоты на другую с минимальным добавлением шума или искажений является основным требованием, предъявляемым к смесителям, поскольку свойства усилителей, фильтров, детекторов разные на разных частотах. Для того, чтобы выполнять функции фильтрации, усиления, оптимального обнаружения, зачастую надо переносить сигнал на частоты, где эти функции могут быть лучше выполнены.

На рисунке 1.1 показан пример блок-схемы связного приемника, который может быть использован для радиовещания, для связи с подвижными объектами, приемника хорошего качества ЧМ вещания или любого другого приемника с частотой входного сигнала в диапазоне до 100 МГц. Приемник использует один каскад усиления и этого достаточно, чтобы усилить принимаемый сигнал выше уровня собственных шумов приемника [17].

Гетеродин

Рисунок 1.1 - Блок схема приемника прямого преобразования

1.2 Квазивертикальные диоды Шоттки

Явление выпрямления переменного тока при прохождении через соединение металл-полупроводник было открыто ещё в 1874 г. Ф. Брауном [18]. Это было почти за 60 лет до того, как теория полупроводников была создана А. Х. Уилсо-ном [19]. Сегодня компонент, основанный на соединении металл-полупроводник, называется диодом Шоттки в честь W. Schottky, описавшего физические принципы работы этого явления [20]. Список имён исследователей данного явления включают в себя и N. F. Mott [21]. После этой новаторской работы теория полупроводников была усовершенствована и расширена силами различных ученых. Известные имена включают A. M. Cowley, S. M. Sze, A. Padovani, R. Stratton, C. R. Crowell и V. L. Rideout [22] - [24].

Диоды Шоттки на основе арсенида галлия являются центральным компонентом большого количества контрольно-измерительных приборов. Свойство диода Шоттки преобразовывать частоты использовано в различных устройствах, таких как детекторы, где диоды использованы для измерения уровня мощности СВЧ сигнала, смесители, где они использованы в качестве преобразовательного элемента и как элементы с нелинейной емкостью для использования в генераторах, управляемых напряжением (ГУН).

Геометрии диода для применения в микроволновых устройствах видоизменялась с течением времени, при этом основным критерием было обеспечение надёжности диодов и возможности их использования в интегральных схемах (ИС). Точное месторасположение омического контакта и анода диода Шоттки влияет на паразитное и последовательное сопротивление диода, которое, в свою очередь, влияет на эффективность преобразования частоты. Первые диоды, работающие в области миллиметровых длин волн, состояли из металлической иголки, прижатой к анодному контакту Шоттки. Вертикально-ориентированная конструкция диодов была ненадёжной из-за хрупкости контакта и была трудна для интеграции с другими компонентами [25]. Тем не менее, этот тип диода показал низкое последовательное сопротивление и низкую паразитную ёмкость. В середине

1980-х годов квазивертикальные диоды Шоттки в планарном исполнении стали использовать при проектировании и производстве различных интегральных схем, в основном благодаря преимуществам этой геометрии, которая обеспечивает интеграцию нескольких диодов в одной цепи и позволяет формировать их геометрию методами литографии.

На рисунке 1.2 показаны микрофотографии квазивертикальных диодов Шоттки и стека из диодов.

Рисунок 1.2 - Примеры микрофотографий стека квазивертикальных диодов

Шоттки и отдельного диода [26] Диоды Шоттки можно разделить на резистивные (варисторные) и варактор-ные. Преобразование частоты в резистивных диодах основано на модуляции сопротивления, а в варакторных - на модуляции ёмкости. Умножитель частоты, основанный на резистивном диоде Шоттки, имеет более низкую эффективность преобразования, чем основанный на варакторном диоде, но он может быть реализован для работы в более широком диапазоне частот. Хотя в данной работе основной акцент делается на резистивные диоды, большая часть обсуждения в этой главе, связанная с физикой, моделированием и характеристикой диодов Шоттки применима как к резистивным, так и к варакторным диодам.

1.2.1 Вольтамперная характеристика диода

Вольтамперная характеристика барьера Шоттки имеет ярко выраженный несимметричный вид. Этот переход ведет себя аналогично диоду с ^-«-переходом.

В области прямых смещений ток экспоненциально растёт с ростом приложенного напряжения. В области обратных смещений ток от напряжения зависит слабо. В соответствии с теорией термоэлектронной эмиссии для диода Шоттки, зависимость тока I от напряжения V может быть записана следующим образом [27]:

г

I = SA*T2 exp

-Ф

л

в

V

kT

у

qV exp ---1

kT

(1.1)

где q - элементарный заряд, А* - постоянная Ричардсона, 5 - площадь контакта Шоттки, Ф^ - высота барьера (в классической теории она считается неизменной), V - приложенное напряжение (положительное для прямого и отрицательное для обратного смещения), Т - абсолютная температура, к - постоянная Больцмана.

Для расчётов радиотехнических цепей более подходит эмпирическая формула (1.2) [28], содержащая четыре физических параметра: последовательное сопротивление Яэ, шунтирующее сопротивление Я!-, ток насыщения диода Л, показатель идеальности п:

Id (Vd) = Is

exp(q(Vd IdRs)) -1 nkT

(1.2)

При моделировании в современных САПР используются более сложные уравнения, учитывающие разнообразные эффекты. Описание SPICE модели диода на постоянном токе приведено в [29].

1.2.2 Вольт-фарадная характеристика диода

В дополнение к зависимости тока от напряжения диоды с барьером Шоттки также определяют зависимость величины ёмкости от приложенного напряжения. Ёмкость возникает из-за накопления заряда с обеих сторон обеднённой зоны. Величина емкости зависит от размера соединения, плотности легирующих примесей и приложенного напряжения и может быть вычислена по формуле [30]:

2, (1.3)

С, = 5

qee0 ND

2 (Ф, - Vd - kT I q)

где С - барьерная ёмкость, Яв - концентрация доноров, е - диэлектрическая проницаемость материала, е0 - диэлектрическая проницаемость вакуума, Фы- - химический потенциал.

После преобразования и упрощения формулу (1.3) можно записать в более удобной для расчетов форме в виде зависимости величины ёмкости от напряжения [30]:

г-* 0

С, =--7, (1.4)

[1 - Уа/ Ф ы Р

где С,0 - барьерная ёмкость при нулевом смещении, Уа - приложенное к диоду напряжение (Уа > 0).

Показатель степени У в выражении (1.4) применим только для равномерного профиля концентрации легирующей примеси. Формула (1.4) является приближённой, но она хорошо подходит для описания зависимости величины барьерной ёмкости от напряжения у диодов Шоттки. Она используется при экстракции параметров модели диода и при анализе схем, использующих диоды Шоттки [31, 32].

1.2.3 Преобразование частоты диодами

Основной принцип, лежащий в работе всех радиотехнических устройств, имеющих в своем составе диоды Шоттки, основан на использовании нелинейной зависимости вольтамперной характеристики диода (или зависимость величины ёмкости от напряжения в случае варакторных диодов). Благодаря нелинейным свойствам диодов появляется возможность использовать их для преобразования формы сигналов и, следовательно, частоты сигналов [33]. Чтобы проиллюстрировать это, используем формулу (1.2) для расчёта временной формы сигнала Ус1 = Уо соб(ю1:) при прохождении его через диод.

Формулу (1.2) можно упростить, если принять равным нулю и провести замену а = ql(r|kт). Полученное выражение примет вид:

1а V) = 1э[ехр(q(Vd - )) -1] «1Я exp(аVd). (1.5)

г/кТ

Используя упрощенную формулу (1.5), рассчитаем проводимость диода в режиме малых сигналов:

= ~ = = а15 ехР 1аУо ^ОО] = а^, (1.6)

7 Г ^

где г; - сопротивление диода.

Выражение (1.6) можно преобразовать, заменив ехр [а^сов^)] разложением в ряд. Удерживая первые члены разложения, получим:

~аЬ

, ч (аК) )2со82(^1;) 1 + аV со8(©1) ^ 2' +...

(1.7)

Первый член разложения описывает постоянный ток (ОС), который даёт возможность использовать диод Шоттки в качестве детектора прямого преобразования. Второй и последующие члены являются гармониками основного сигнала. Из-за появления в спектре сигнала, прошедшего через диод, гармонических составляющих, кратных основному сигналу, диоды Шоттки можно применять в схемах умножения частоты. При подаче двух сигналов с разными частотами генерируются все суммарные и разностные частоты (/п,т = ±п^±т^, п, т = [0, 1, ...]), из-за чего диод Шоттки можно использовать как устройство для переноса частоты сигнала вниз или вверх, т.е. как смеситель [34]. На практике для преобразования частот сигналов используют более сложные схемы, включающие несколько диодов Шоттки, соединённых различными способами.

1.3 Современные методы построения устройств симметрирования для применения в преобразователях частоты

С быстрым развитием беспроводных коммуникационных технологий возникла потребность в малогабаритных и недорогих пассивных компонентах. Один из таких ключевых компонентов - симметрирующий трансформатор, который является неотъемлемой частью устройств, построенных по дифференциальной схеме, таких как двойные балансные смесители, умножители частоты, двухтактные усилители, антенны и т.п.

Основная функция симметрирующего трансформатора - преобразовать од-нополярный сигнал к дифференциальной форме, т.е. разделить сигнал на входе на два сигнала, одинаковые по амплитуде и сдвинутые по фазе на 180 градусов во всей рабочей полосе частот. Ещё одной функцией симметрирующего трансформатора является функция согласования импеданса между несимметричным входом и симметричными выходами в рабочем диапазоне частот.

Схемы построения симметрирующих трансформаторов могут включать в себя сосредоточенные, распределённые или/и сосредоточенные и распределённые элементы. Распределённые симметрирующие трансформаторы состоят из N отрезков линий передачи [35-37]. Простейший распределённый симметрирующий

трансформатор - это линия передачи с волновой длиной, равной ^^, где Хе -

длина волны в линии. Подобный симметрирующий трансформатор является узкополосным устройством [38]. При последовательном соединении нескольких полуволновых отрезков полоса пропускания симметрирующего трансформатора может быть увеличена [39]. К распределённым симметрирующим трансформаторам можно отнести и устройства, реализованные на линиях передачи с лицевой связью [40]. Некоторые виды конструкций симметрирующих трансформаторов требуют объёмных или многослойных структур, из-за чего сложность проектирования и производства таких устройств резко увеличивается.

Симметрирующие трансформаторы, построенные на основе сосредоточенных элементов, подходят для различных низкочастотных и интегральных схем

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Дроздов Алексей Викторович, 2018 год

ников

На основании полученных параметров с помощью программного обеспечения ADS (Momentum solver) была разработана ЭМ модель топологий входных и выходных симметрирующих трансформаторов. Структура симметрирующего трансформатора Маршанда в микрополосковом исполнении была выбрана в первую очередь из-за ограничений используемой технологии. Технология, под которую проектировались трансформаторы, это собственная диодная технология АО «НПФ «Микран». В данной технологии используется подложка из арсенида галлия толщиной 100 мкм. Микрополосковая линия состоит из двух слоев металлизации, первый используется непосредственно для микрополосковых линий, второй для создания воздушных мостов, необходимых для разводки пересекающихся линий передач. Минимальный зазор и ширина линии 8 мкм и 10 мкм соответственно. Размеры контактных площадок были выбраны для измерения с помощью стандартных зондов с зазором 150 мкм. Контакт микрополосковых линий на землю осуществлялся посредством переходных отверстий на обратную сторону МИС. Спроектированная структура симметрирующего трансформатора, рассчитанная на диапазон 10 - 30 ГГц, показана на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3 - ЭМ модель входного симметрирующего трансформатора Сравнение результатов расчёта модели трансформатора на сосредоточенных элементах с результатами моделирования приведены на рисунках 3.4 и 3.5.

Рисунок 3.4 - Результаты сравнения расчёта частотных зависимостей параметров

моделей трансформаторов Сравнение результатов расчета дисбаланса для моделей на сосредоточенных элементах и модели в САПР приведены на рисунке 3.5.

3-, 4

Частота, ГГц Частота, ГГц

Рисунок 3.5 - Результаты сравнения расчёта частотных зависимостей параметров

моделей трансформаторов Поскольку симметрирующий трансформатор является трёхпортовым устройством, то возникают трудности при измерениях его частотных характеристик с применением двухпортовых приборов. Существует несколько способов измерения симметрирующих трансформаторов на двухпортовых векторных анализаторах, в том числе использование встречного включения двух трансформаторов или изготовление двух топологий трансформаторов, неиспользуемый выход которых нагружен на согласованную нагрузку. Микрофотография изготовленной тестовой структуры симметрирующего трансформатора показана на рисунке 3.6. При производстве топологии использовалась согласованная нагрузка с цепью коррекции, описанная в пункте 2.3.

Рисунок 3.6 - Микрофотография тестовой структуры симметрирующего трансформатора для измерений Измерения характеристик трансформаторов проводились на ВАЦ диапазона до 67 ГГц, калибровка ВАЦ проводилась с помощью калибровочного набора для

зондовых измерений методом 80ЬТ. Измеренные характеристики представлены на рисунке 3.7.

Частота, ГГц

Рисунок 3.7 - Частотные характеристики параметров рассеяния входного трансформатора

Реальная полученная полоса рабочих частот трансформатора по уровню коэффициента передачи минус 6 дБ составляет 26 ГГц (от 10 до 36 ГГц), но следует отметить, что такая полоса частот достижима только при согласовании входных и выходных портов трансформатора. Когда выходы трансформатора нагружены на диодное кольцо, характеристики симметрирующего трансформатора ухудшаются, а ширина полосы частот сужается. Поэтому ширина полосы частот симметрирующего трансформатора должна быть рассчитана с запасом порядка 20%.

Выходной симметрирующий трансформатор был рассчитан на диапазон частот 20 - 60 ГГц. Спроектированная структура симметрирующего трансформатора, рассчитанная на частоту 20 - 60 ГГц, показана на рисунке 3.8.

Рисунок 3.8 - ЭМ модель выходного симметрирующего трансформатора Сравнение результатов расчёта модели на сосредоточенных элементах с результатами моделирования в САПР приведены на рисунке 3.9.

Рисунок 3.9 - Сравнение частотных зависимостей двух моделей трансформаторов Микрофотография изготовленной тестовой структуры симметрирующего трансформатора на частоту 20 - 60 ГГц показана на рисунке 3.10.

Рисунок 3.10 - Микрофотография тестовой структуры симметрирующего трансформатора для измерений Измерения характеристик трансформаторов проводились по той же методике, что и для измерения трансформатора на частоту 10 - 30 ГГц. Измеренные частотные характеристики параметров рассеяния симметрирующего трансформатора представлены на рисунке 3.11.

ч

— Рз||

10 20 30 40 50 Частота, ГГц

60

70

Рисунок 3.11 - Частотные характеристики параметров рассеяния выходного

трансформатора

3.2 Модель удвоителя

После измерения симметрирующих трансформаторов была разработана полная модель умножителя частоты, которая показана на рисунке 3.12. По топологии видно, что входной трансформатор имеет две подключенные индуктивности, которые являются согласующими элементами. Расчёт полной топологии удвоителя частоты проводился в САПР ADS с помощью анализатора ЭМ структур - Momentum.

Рисунок 3.12 - Модель удвоителя частоты Схема для расчёта удвоителя частоты в САПР представлена на рисунке 3.13. Для расчёта характеристик удвоителя использовался метод косимуляции, который заключается в совместном использовании нескольких подходов к анализу цепей. К примеру, при расчёте потерь преобразования и изоляции (уровень подавление нежелательных гармонических составляющих в спектре выходного сигнала) были использованы: метод гармонического баланса для расчёта цепи, имеющей нелинейные элементы, реализованный в ADS, и метод ЭМ анализа пассивных цепей. В качестве нелинейного элемента использовалась модель диода Шотт-ки, приведённая в главе 2.

Рисунок 3.13 - Схема умножителя частоты 3.3 Экспериментальное исследование удвоителя

Микрофотография изготовленной МИС показана на рисунке 3.14. Входной и выходной симметрирующие трансформаторы выполнены на разработанных мостах Маршанда. Благодаря тому, что на плечах трансформаторов дисбаланс амплитуды и фазы сравнительно мал, у умножителя частоты удалось получить высокие уровни подавления нечётных гармоник, более 30 дБ.

Рисунок 3.14 - Микрофотография МИС удвоителя частоты Ж0705

Полученные характеристики удвоителя частоты в сравнении с расчётными данными приведены на рисунке 3.15. Потери преобразования и изоляция измерялись при уровне мощности входного сигнала 15 дБм.

10

£

g 10 =

0 -

с- 20 s

1 30 с

о_

>

40

50

Измеренная Г» — Измеренная 2*Го—Расчетная 2*Го

11 ш qi CI Ii« я У К) 1 Ч )С1 III 1Я ч К)

/

/

/

У \ ✓

/ ч \ / ч. *> Ч\

/ \ \

£

-5

К

X

1> X- -10

CS

£

О -15

к

<L>

Я"- -20

S

-в-

-ff -25

Г)

&

-30

\ » \ \ \ \ \ \ \ \ А \\

\ \ 1 \ _/\ 1 \ 1 / ^ л \ /

\ / \ * V и \ 1 1 / i л/ J V 'V /« ; w 1/ 1

- Sn 1

к1

..... .....

10

20

а)

30 40

Частота, ГГц

50

60

10

20

б)

30 40

Частота, ГГц

50

60

Рисунок 3.15 - Характеристики удвоителей частоты по сравнению с данными моделирования: а) потери преобразования и изоляции, б) коэффициенты отражения

для входа и выхода Исходя из приведенных характеристик можно сделать выводы, что потери при моделировании и измерении коэффициента преобразования в заявленных диапазонах частот имеют незначительные отличия, порядка 1,5 дБ. Измеренный коэффициент преобразования для удвоителя лучше14 дБ, изоляция составляет более 32 дБ для первой и третьей гармоник и более 26 дБ для четвёртой гармоники.

Коэффициенты отражения со стороны входа и выхода удвоителя измерялись с помощью ВАЦ P4226 (АО «НПФ «Микран») и PNA-X (Keysight), а также зондовой станции CASCADE Microtech. Для достижения мощности тестового сигнала 15 дБм в диапазоне частот от 10 до 30 ГГц использовался внешний мало-шумящий усилитель.

Сравнение характеристик изготовленного удвоителя с характеристиками зарубежного аналога приведено в таблице 3.2, из которой следует, что удвоитель по ряду характеристик превосходит зарубежный аналог TC221 [120] производства компании Keysight.

Таблица 3.2 - Сравнение характеристик удвоителя и его аналога

Характеристики приборов Умножитель частоты Ж0705 Аналог ТС221

Частотный диапазон по входу, ГГц 13-25 10-25

Частотный диапазон по выходу, ГГц 25-50 20-50

Коэффициент преобразования, дБ минус 14 минус 14

Коэффициент отражения по входу, дБ минус 10 минус 10

Подавление 1-й гармоники, дБ 36 25

Подавление 3-й гармоники, дБ 36 20

Следует заметить, что приведённый аналог имеет однобалансную функциональную схему. Можно предположить, что она выбрана, чтобы уменьшить коэффициент преобразования на высоких частотах. Используемая нами двух-балансная схема имеет одинаковый с аналогом коэффициент преобразования, но у разработанного удвоителя эффективность подавления нежелательных спектральных составляющих лучше.

3.4 Применение умножителя частоты

Разработанный удвоитель частоты был внедрён в производство в АО «НПФ «Микран» как в виде самостоятельного устройства, так и в составе производимых приборов. Конструкции устройств на основе удвоителя были разработаны по гибридной интегральной технологии, т.к. для использования устройств необходимо иметь коаксиально-полосковые преходы и жесткий корпус с функцией экранирования. Фотография гибридной интегральной схемы (ГИС) удвоителя частоты приведена на рисунке 3.16.

ЩШш

Рисунок 3.16 - Гибридная интегральная схема удвоителя частоты Как отмечалось выше, МИС удвоителя частоты используется в составе ГИС модулей, которые в свою очередь являются составными частями таких приборов, как Р2М производства АО «НПФ «Микран». На фотографии ниже представлен блок формирователя частоты УЧУМ-50, который разрабатывался для применения в тракте формирования частоты скалярного анализатора цепей Р2М-50.

Рисунок 3.17 - Фотография модуля УЧУМ-50 из состава анализатора цепей

Р2М-50

Применение удвоителя частоты не ограничивается приведёнными выше примерами, его можно использовать и в другой аппаратуре. Полученные автором диссертации результаты настоящей главы нашли также применение при разработке утроителя частоты [135].

3.5 Выводы по главе

В главе 3 приставлены результаты проектирования и реализации МИС широкополосного удвоителя частоты с выходным диапазоном частот 20 - 60 ГГц. МИС спроектирована и изготовлена на основе собственной диодной технологии АО «НПФ «Микран» на подложке из арсенида галлия. Представлены результаты исследования: моделирования и измерения характеристик удвоителя частоты. Результаты моделирования и измерений имеют незначительное расхождение в заявленном диапазоне частот, что подтверждает обоснованность предложенной модели диода и пассивных элементов.

Полученные широкая полоса частот разработанной МИС вместе с высоким подавлением нежелательных гармоник представляют собой значительный прогресс по сравнению с имеющимися на рынке коммерческими продуктами и по ряду характеристик превосходят доступные зарубежные аналоги.

Созданный удвоитель частоты внедрён в производство в АО «НПФ «Микран» в прибор серии Р2М-50, что подтверждено актом о внедрении (Приложение

В).

На предложенную топологию удвоителя Ж0705 было получено свидетельство о государственной регистрации номер 2016630107 (Приложение Г).

Таким образом, в данном главе на основе разработанных моделей диода и пассивных компонент, применения методов приближенного и электродинамического анализа, оптимизации параметров устройств получены результаты, характеризуемые следующей научной новизной: разработаны и экспериментально исследованы МИС умножителей частоты диапазона 20 - 50 ГГц с высоким уровнем подавления паразитных составляющих.

4 Разработка МИС смесителей частоты

В данной главе приведены материалы исследования смесителей частоты. Содержатся результаты решения поставленных ранее задач исследования и разработки симметрирующих трансформаторов, являющихся важными элементами умножителей и смесителей частоты, разработки фильтров ПЧ в составе МИС для улучшения электромагнитной совместимости и результаты создания широкополосных МИС смесителей частоты, на основе модернизированных симметрирующих трансформаторов и других компонент.

Результаты главы опубликованы в работе автора [121] и свидетельстве на регистрацию топологий № 2016630108 и № 2018630067 [133, 134].

Современные средства радиолокации, измерительной техники, систем широкополосной и сверхширокополосной связи требуют обширной номенклатуры СВЧ смесителей с широкой мгновенной полосой рабочих частот. Основными параметрами, которыми характеризуются пассивные смесители, являются: диапазон рабочих частот по входу сигнала радиочастоты, гетеродина и выходу промежуточной частоты; потери преобразования; развязка между входами; точка компрессии коэффициента преобразования на 1 дБ; необходимый уровень мощности сигнала гетеродина. Современные СВЧ смесители реализуются в виде монолитной интегральной схемы (МИС) [122] или гибридной интегральной схемы (ГИС) [123].

Для многих применений требуются смесители частоты с большой мгновенной шириной полосы частот, зачастую имеющие полосу, превышающую две октавы. При этом требования по другим характеристикам не снижаются, а зачастую даже возрастают. Например, подавление паразитных составляющих в спектре выходного сигнала широкополосных (с перекрытием две октавы) удвоителей частоты не менее 30 дБ. Подобная тенденция наблюдается и для смесителей частоты, в которых кроме вышеприведённых требований добавляются ещё и требования по изоляции выходов, гетеродин - РЧ сигнал, гетеродин - ПЧ сигнал и т.д. Эти требования обусловлены всё возрастающей потребностью в анализе широкополосных и сверхширокополосных сигналов без утери информации о сигнале, как это

делается в спектроанализаторах реального времени (Real Time Spectrum Analyzer), активно продвигающимися на зарубежном и отечественном рынках [124].

Двойные балансные смесители, выполненные по технологии МИС, находят широкое применение в современной технике. Причиной такого широкого распространения является их миниатюрность, но при этом возникают трудности при реализации планарных широкополосных симметрирующих трансформаторов. Большинство МИС смесителей работают в относительно узких диапазонах рабочих частот, меньше октавы, и это достаточно для применения в различных телекоммуникационных системах. Для измерительной техники ситуация несколько другая - требуются широкополосные компоненты, в частности смесители с диапазоном рабочих частот от двух и более октав.

4.1 Модификация симметрирующих трансформаторов смесителя частоты

5 - 26 ГГц

Двойной балансный смеситель строится по схеме аналогичной умножителю, с одним отличием - продукты смешения частот гетеродина и РЧ сигнала переносятся на ПЧ. Эквивалентная схема подобного смесителя, а также одна из возможных её реализаций в диапазоне СВЧ приведена на рисунке 4.1 [125].

Рисунок 4.1 - Классическая кольцевая схема: а) эквивалентная схема; б) пример

реализации в диапазоне СВЧ

Сигнал промежуточной частоты можно пропускать через фильтр нижних частот, который выполняет функцию дополнительного подавления ненужных продуктов преобразования и обеспечивает необходимую трансформацию сопротивлений для сигнала в полосе промежуточной частоты.

Для улучшения характеристик смесителя требуется большая мощность гетеродина, так как противофазный трансформатор гетеродина нагружен как на рабочую пару диодов, так и на трансформатор радиосигнала. Этот же факт объясняет и худшее качество развязки «гетеродин - входной сигнал». Кроме того, в данных смесителях труднее достичь приемлемой развязки «гетеродин - ПЧ», так как на данный параметр оказывает заметное влияние разброс характеристик для разных плеч симметрирующего трансформатора, что нецелесообразно для кольцевого смесителя [125].

Из представленной выше схемы следует, что по большей части полосу рабочих частот ограничивают симметрирующие трансформаторы, поэтому разработка планарного широкополосного симметрирующего трансформатора является актуальной задачей.

Компактных размеров симметрирующего трансформатора Маршанда можно добиться путём сворачивания связанной линии в спираль. Использование в качестве симметрирующего трансформатора моста Маршанда позволяет добиться рабочего диапазона частот в две октавы (4 раза), у представленного в работе [121] входного симметрирующего трансформатора полоса частот имеет ширину более двух октав.

Основное отличие представленного в диссертации симметрирующего трансформатора от канонического на основе моста Маршанда заключается в различной ширине входной и выходных линий (рисунок 4.2). Трансформатор имеет компактные размеры (1000*800) мкм за счёт сворачивания его плеч в спираль.

Рисунок 4.2 - Топология входного трансформатора Сравнение результатов моделирования параметров рассеяния канонического и модифицированного симметрирующих трансформаторов показано на рисунках 4.3 и 4.5.

Рисунок 4.3 - Модули коэффициентов отражения и передачи симметрирующих

трансформаторов

Микрофотография тестовой структуры для измерения частотных характеристик параметров рассеяния входного симметрирующего трансформатора показана на рисунке 4.4.

Рисунок 4.4 - Микрофотография тестовой структуры симметрирующего трансформатора

Результаты измерения частотных зависимостей параметров рассеяния входного трансформатора приведены на рисунке 4.5.

ш

ч: «

к

X

*

сЗ -Он

н о н X 1) -к X к -е--в« ¿0 -

¡2

10

15

-20

-25-

р N..

\ X

у—^ — — — .1 : 1: V / V

.21 .«I у

.....

10

-в-

-в—15

п

£

-20

/ 1821 А

Рз1 1 А

1 V V

10

15 20 25 Частота, ГГц

30

35

40

10

15 20 25 Частота, ГГц

30

35

40

Рисунок 4.5 - Измеренные частотные зависимости параметров рассеяния входного трансформатора

Важными характеристиками симметрирующего трансформатора являются дисбалансы по амплитуде и фазе, приведённые также на рисунке 4.5. Они определяются как разность амплитуд и фаз на выходе трансформатора; сигналы на выходе должны быть одной амплитуды, но противоположные по фазе. Минимальное значение этих параметров позволяет улучшить уровень подавления сигналов гетеродина и радиочастотного сигнала на выходе смесителя.

Реализация выходного трансформатора является более сложной задачей из-за того, что кроме симметрирования сигнала ещё необходимо обеспечить вывод сигнала на промежуточной частоте. Ситуация осложняется ещё и тем, что через цепь вывода сигнала на промежуточной частоте необходимо обеспечить путь протекания сигналов гетеродина и радиочастотного сигнала на землю. Также желательно, чтобы мощность с входов смесителя не проходила на его выход. Это обстоятельство заставляет выбирать между высоким значением промежуточной частоты и высокой развязкой выходов РЧ - ПЧ и гетеродин - ПЧ. В итоге выходной трансформатор должен быть заземлён в средней точке на частотах радиочастотного сигнала и гетеродина, в то же время он должен обеспечивать прохождение результата смешения сигналов на промежуточной частоте в той же средней точке выходного трансформатора.

Принципиальная схема цепи вывода сигнала промежуточной частоты представлена на рисунке 4.6. Через конденсатор С1 сигналы частот гетеродина и РЧ сигнала проходят на землю, а через индуктивность L1 сигнал промежуточной частоты поступает на выход.

0 Ll

С1

-ГУ-УЧ.

V —

Рисунок 4. 6 - Принципиальная схема цепи вывода сигнала ПЧ Топология цепи вывода ПЧ, соответствующая схеме на рисунке 4.6, показана на рисунке 4.7.

«7КЕОТ1

Рисунок 4.7 - Топология цепи вывода ПЧ Измеренные частотные характеристики цепи вывода ПЧ представлены на рисунке 4.8.

О 10 20 30 40 50 60 70 Частота, ГГц

Рисунок 4.8 - Измеренные частотные характеристики цепи вывода ПЧ Кроме схемы вывода сигнала промежуточной частоты, выходной трансформатор выполнен по принципам, аналогичным схеме входного трансформатора. Важным фактором является близкое расположение конденсатора С к соединению линий вторичной обмотки. Топология выходного симметрирующего трансформатора показана на рисунке 4.9.

Рисунок 4. 9 - Топология выходного трансформатора Результаты измерений частотных зависимостей параметров рассеяния выходного симметрирующего трансформатора показаны на рисунке 4.10.

Рисунок 4.10 - Частотные зависимости параметров рассеяния выходного трансформатора

4.2 Модель, топология и экспериментальное исследование смесителя

МБ616

Общий вид топологии смесителя показан на рисунке 4.11. Смеситель выполнен по технологии МИС на подложке из арсенида галлия, в качестве диодов использованы диоды Шоттки собственной разработки и производства АО «НПФ «Микран» [92].

Рисунок 4.11 - Топология смесителя частоты Как и в случае с удвоителем, топология смесителя рассчитывалась с помощью метода косимуляции (нелинейная часть - методом гармонического баланса, линейная - анализатором ЭМ схем). Схема для расчёта характеристик смесителя в САПР ADS приведена на рисунке 4.12.

Рисунок 4.12 - Схема смесителя частоты На основе модели смесителя были разработаны чертежи микросхемы М0616, микрофотография МИС приведена на рисунке 4.13.

Рисунок 4.13 - Микрофотография топологии смесителя М0616 Измерения проводились на пластине с помощью зондовой станции. Для измерений использовалась установка, состоящая из двух генераторов и спектроана-лизатора. В качестве генераторов использовались приборы Р2М-40 производства АО «НПФ «Микран». Результат смешения сигналов с выхода смесителя подавался на анализатор спектра PSA-50 производства компании Keysight. Управления генератором и анализатором осуществлялось посредством компьютерной про-

граммы, использующей команды 8СР1. Схема экспериментальной установки приведена на рисунке 4.14.

1

Г7М-40 -

5-26 ГГц 5-26 ГГц

15-17 дБм

Смеситель

Ш т ИБ т

ПК

5-26 ГГц

Рисунок 4.14 - Схема экспериментальной установки для измерения параметров

смесителя М0616

Сравнение результатов моделирования и измерений показаны на рисунках 4.15 и 4.16. На рисунке 4.15 сравниваются частотные зависимости коэффициента преобразования смесителя. Коэффициент преобразования измерялся при мощности гетеродина 15 дБм. Мощность сигнала РЧ на входе равнялась минус 10 дБм. Измерения проводились на промежуточной частоте 100 МГц.

Рисунок 4.15 - Сравнение коэффициентов преобразования модели и изготовленного образца МИС М0616 Уровни подавления сигналов РЧ и гетеродина, а также прохождение сигнала Гетеродина на вход РЧ показаны на рисунке 4.16.

5 10 15 20 25

Частота, ГГц

Рисунок 4.16 - Сравнение уровня подавления РЧ сигнала и гетеродина на выходе ПЧ и подавления гетеродина на выходе РЧ сигнала смесителя частоты Модули коэффициентов отражения от входов со стороны РЧ и гетеродина приведены на рисунке 4.17. Измерения коэффициентов отражения проводились при мощности гетеродина равной 15 дБм.

о

-25 I....................

5 10 15 20 25

Частота, ГГц

Рисунок 4.17 - Коэффициенты отражения со стороны гетеродина и РЧ сигнала

смесителя частоты

Измеренная зависимость точки пересечения интермодуляционных искажений третьего порядка (Third-order intercept point (IIP3)) от частоты показана на рисунке 4.18.

35т

10 I....................

5 10 15 20 25

Частота, ГГц

Рисунок 4.18 - Зависимость точки пересечения третьего порядка (IIP3) от частоты

для МИС MD616

Лидерами в производстве МИС широкополосных смесителей являются компании Analog Devices и Marki Microwave. Характеристики микросхем этих производителей в сравнение с характеристиками разработанного смесителя представлены в таблице 4.1. Из результатов следует, что разработанная МИС MD616 имеет характеристики, сравнимые с зарубежными аналогами. Отличие разработанной МИС в лучшей развязке в средней части диапазона частот (более 30 - 50 дБ), но при этом ширина полосы частот выходного сигнала меньше по сравнению с аналогами.

Таблица 4.1 - Сравнение аналогов МИС смесителя

Наименование МИС Характеристики МИС

Диапазон частот РЧ сигнала и гетеродина, ГГц Диапазон ПЧ, ГГц Развязка РЧ сигнал - ПЧ / гетеродин - ПЧ, дБ

HMC773 [126] 6-26 0-8 20 / 35

MM1-0424s [127] 4,5-24 0-4 25 / 25

MM1-0626h [128] 6-26 0-9 30 / 30

MD616 [121] 5-26 0-2 20 / 35

Разработанная МИС смесителя может быть использована, в зависимости от требований, в качестве аналога зарубежных МИС смесителей. На МИС смесителя

М0616, представленной в статье [121], было получено свидетельство о государственной регистрации топологии № 2016630108.

Из сравнения характеристик макетного образца и характеристик, полученных в ходе расчёта модели, следует, что полученный смеситель имеет небольшие потери в диапазоне 15 - 26 ГГц (2 - 3 дБ), связанные с потерями в тракте. В целом смеситель удовлетворяет поставленным требованиям.

МИС смесителя MD616, размещенная в корпусе ГИС, показана на рисунке

4.19.

Рисунок 4.19 - Блок смесителя MD616

Предложенная реализация смесителя применяется в серийном производстве приборов ВАЦ Р4226АО «НПФ «Микран».

4.3 Разработка смесителя МБ622 частоты 13 - 50 ГГц

Стремление к минимизации количества МИС, удешевлении, простоте сборки и т.п. диктует требования на расширение рабочей полосы смесителей, однако реализация широкополосного трансформатора в технологии МИС является сложной задачей. В диссертации предложена топология симметрирующего трансформатора, обладающая большей шириной полосы, чем симметрирующий трансформатор Маршанда. Эта топология приведена на рисунке 4.20.

Подход, используемый для разработки предложенной топологии симметрирующего трансформатора, был использован также и для разработки трансформатора частотного диапазона от 1 до 5 ГГц по технологии кремний-германиевых

подложек (БЮе). Микрофотография изготовленного образца и результаты измерения его параметров рассеяния приведены в приложении Д.

Рисунок 4.20 - Топология симметрирующего трансформатора без цепи коррекции Существенный недостаток представленного выше трансформатора состоит в значительном дисбалансе амплитуды и фазы на краю диапазона частот. В данной работе предложена цепь коррекции дисбаланса амплитудно-фазовой характеристики симметрирующего трансформатора. Её принципиальная схема показана на рисунке 4.21.

о-

Вход

I

_ГУУЛ_

с =±=

ф

Выход

я

I

Рисунок 4.21 - Цепь коррекции амплитудно-фазового дисбаланса симметрирующего трансформатора Полная ЭМ модель симметрирующего трансформатора с цепью коррекции, показана на рисунке 4.22.

Рисунок 4.22 - ЭМ модель симметрирующего трансформатора с цепью коррекции Частотные характеристики параметров рассеяния симметрирующих трансформаторов с цепью коррекции и без неё приведены на рисунке 4.23 и 4.25.

Рисунок 4.23 - Частотные характеристики параметров рассеяния симметрирующих трансформаторов

Микрофотография разработанной топологии предложенного симметрирующего трансформатора с цепью коррекции показана на рисунке 4.24.

Рисунок 4.24 - Микрофотография топологии предложенного симметрирующего

трансформатора с цепью коррекции

На рисунке 4.25 приведены частотные зависимости параметров рассеяния, разработанного симметрирующего трансформатора. При моделировании был использован стек подложки, параметры которого были получены в 2.2.

Как видно из представленного рисунка, предложенная топология симметрирующего трансформатора имеет полосу частот коэффициента передачи по уровню минус 6 дБ, равную 41 ГГц (от 9 до 50 ГГц), что составляет 139 % относительной полосы частот. Основываясь на опыте, полученном при проектировании трансформатора можно сделать вывод, что при должной доработке топологии трансформатора верхняя граничная частота его работы может быть увеличена до 55 ГГц.

Оп

О 10 20 30 40 50 60 70 Частота, ГГц

Рисунок 4.25 - Частотные зависимости параметров рассеяния симметрирующего

трансформатора

Для смесителя диапазона 13 - 50 ГГц была выбрана цепь вывода ПЧ, показанная на рисунке 4.26. Преимущество приведённой ниже схемы заключается в отсутствии необходимости модификации симметрирующего трансформатора. Следовательно, со стороны и ВЧ, и гетеродина можно использовать одинаковые симметрирующие трансформаторы. Однако у схемы есть существенный недостаток, у неё ПЧ имеет сравнительно узкую полосу для смесителя, работающего с частоты 10 ГГц, она составляет 2 ГГц.

ПЧ

Рисунок 4.26 - Схема вывода ПЧ

Реализация цепи вывода ПЧ в САПР представлена на рисунке 4.27.

Рисунок 4.27 - ЭМ модель цепи вывода ПЧ Микрофотография топологии смесителя показана на рисунке 4.28. Благодаря использованию приведённой выше цепи вывода ПЧ входной и выходной симметрирующие трансформаторы одинаковы.

Рисунок 4.28 - Микрофотография топологии смесителя Ж0622 Измерение характеристик смесителя проводилось в 2-х диапазонах по схемам, представленным на рисунках 4.29 и 4.30.

12,5-40 ГГц

Рисунок 4.29 - Схема экспериментальной установки для диапазона 12,5 - 40 ГГц

Смеситель

20-25 ГГц

Г7М-40 х2

ЬЭ ш

RF т

20-25 ГГц

40-50 ГГц

Рисунок 4.30 - Схема экспериментальной установки для диапазона 40 - 50 ГГц Результаты измерения на промежуточной частоте 100 МГц коэффициента преобразования при переносе частоты вниз показаны на рисунке 4.31. Измерения проводились при уровне мощности 15 дБм вплоть до 45 ГГц, на частотах выше уровень мощности не превышал 12 дБм из-за того, что использовавшийся усилитель имел завал частотной характеристики выше 40 ГГц.

Рисунок 4.31 - Коэффициент преобразования и уровни подавления гармоник изготовленного образца смесителя М0622 Сравнение характеристик М0622 с зарубежными аналогами показало, что предложенный смеситель имеет характеристики, сравнимые с зарубежными аналогами.

Разработанный смеситель может найти применение в приёмном тракте ВАЦ Р4М-50. На МИС смесителя М0622, разработанной в диссертации, получено свидетельство о государственной регистрации топологии № 2018630067 (Приложение Г).

4.4 Разработка фильтра промежуточной частоты

При проектировании различных радиотехнических систем разработчики сталкиваются с проблемами ЭМС. Это одна из причин, по которой к смесителям предъявляются жесткие требования по развязке между портами. Одним из подходов, позволяющим снизить требования к смесителям, является использование фильтра в цепи ПЧ, причём в зависимости от режима работы преобразователя необходимы либо ФНЧ, либо ФВЧ. Для смесителей, использующих преобразование вниз (down converter) необходимо ставить в цепь ПЧ фильтр нижних частот. Однако к фильтрам, используемым вместе с широкополосными смесителями, тоже предъявляется ряд требований. Например, фильтр должен иметь широкую полосу заграждения, а также он должен быть как можно более компактным, особенно это важно при разработке смесителей по технологии МИС.

Существует целый ряд способов для реализации ФНЧ по технологии МИС, но наиболее компактным можно отметить способ реализации фильтра на основе комбинации топологических сосредоточенных и распределенных элементов. Такой подход позволяет, например, создать ФНЧ на частоту среза 2 ГГц, который будет занимать площадь менее 0,5 мм2 и иметь при этом широкую полосу заграждения. Такой подход уже нашел широкое коммерческое применение и множество фирм выпускают фильтры в бескорпусном исполнении.

Одной из главных проблем при проектировании таких фильтров являются паразитные полосы пропускания. Этим особенно страдают фильтры на связанных линиях. В фильтрах на топологических сосредоточенных компонентах в меньшей степени проявляются паразитные полосы, но любая реальная индуктивность имеет паразитные резонансы, от которых в случае интегрального исполнения трудно избавиться.

В диссертации предложен метод уменьшения добротности интегральной индуктивности посредством введения в топологию фильтра корректирующей цепи с активными потерями, что позволяет создавать фильтры с широкой полосой заграждения.

На рисунке 4.32 показана микрофотография топологической индуктивности без цепи коррекции и с ней.

1.001

Ш Щ рш

Рисунок 4.32 - Микрофотография топологической индуктивности: а) с цепью

коррекции, б) без цепи коррекции

Сравнение измеренных характеристик топологической индуктивности с цепью коррекции и без неё, приведены на рисунке 4.33.

ш

ч

н" -5

т

сЗ

о. о с

н -10

X

о

а

Е -©

•©>-15 £

-20

г1 т

— без цепи коррекции

0 10 20 30 40 50 60 70 Частота, ГГц

Рисунок 4.33 - Частотные зависимости параметров рассеяния топологической индуктивности

В результате анализа полученных данных можно сделать вывод, что цепь коррекции демпфирует паразитный резонанс топологической индуктивности. В результате применения данного подхода был разработан ФНЧ с полосой среза 1,5 ГГц и полосой заграждения до 50 ГГц по уровню минус 30 дБ. Микрофотография топологии фильтра показана на рисунке 4.34.

LF001

Рисунок 4.34 - Микрофотография разработанного ФНЧ

Параметры матрицы рассеяния, разработанного ФНЧ с цепью коррекции показаны на рисунке 4.35.

Рисунок 4.35 - Частотные характеристики параметров рассеяния ФНЧ

Результаты измерений подтверждают, что фильтр имеет сверхширокую полосу заграждения: от 3 до 50 ГГц. При этом размеры фильтра с учётом контактных площадок составляют (1000*400) мкм, что позволяет использовать фильтр для интеграции в МИС.

Пример использования фильтра при расчёте характеристик смесителя до 50 ГГц показан на рисунке 4.36. На рисунке приведена схема для расчёта коэффициента преобразования и изоляций, выполненная в САПР ADS.

Рисунок 4.36 - Схема для расчета характеристик смесителя

Результаты расчета коэффициента преобразования и изоляций смесителя с фильтром и без него показаны на рисунках 4.37 и 4.38.

Рисунок 4.37 - Частотные зависимости коэффициента преобразования смесителя с ФНЧ и без него, при частоте сигнала ПЧ 1 ГГц

Рисунок 4.38 - Частотные зависимости развязок смесителя с ФНЧ и без него, при

частоте сигнала ПЧ 1 ГГц

Как видно из графиков, коэффициент преобразования незначительно ухудшается при использовании ФНЧ, а изоляции значительно улучшаются во всем диапазоне работы смесителя М0622. Такой результат получен благодаря применению предложенного нового фильтра в интегральном исполнении.

4.5 Выводы по главе

В главе представлены результаты разработки и экспериментального исследования широкополосного балансного смесителя диапазона частот 5 - 26 ГГц. Смеситель реализован на основе монолитной интегральной технологии с использованием подложки из арсенида галлия по технологии диодов Шоттки АО «НПФ «Микран». Приведены результаты моделирования симметрирующих трансформаторов и топологии смесителя в целом. Представлено сравнение характеристик разработанного смесителя с зарубежными аналогами.

Предложена топология симметрирующего трансформатора с цепью коррекции, имеющая относительную ширину диапазона частот 139 % (от 9 до 50 ГГц), реализованную по технологии МИС.

Рассмотрена реализация цепи вывода ПЧ, позволяющая использовать идентичные симметрирующие трансформаторы со стороны гетеродина и РЧ сигнала, что упрощает разработку смесителя в целом.

Представлены результаты разработки и экспериментального исследования широкополосного балансного смесителей диапазона частот 12 - 50 ГГц. Смеситель реализован на основе монолитной интегральной технологии с использованием подложки из арсенида галлия по технологии диодов Шоттки АО «НПФ «Ми-кран». Приведены результаты моделирования симметрирующих трансформаторов и топологии смесителя в целом. Представлено сравнение характеристик разработанного смесителя с зарубежными аналогами.

На основании разработок ряда смесителей можно сделать выводы, что параметры диодного смесителя в значительной мере определяются характеристиками симметрирующих устройств. Выбор диодов определяется компромиссом между полосой пропускания и потерями преобразования. Противоречие заключается в том, что при уменьшении площади перехода диода снижается проходная ёмкость и расширяется диапазон рабочих частот, но при этом повышается последовательное сопротивление, что приводит к увеличению потерь преобразования.

Предложенный смеситель частоты М0616 внедрён в производство АО «НПФ «Микран» и используется в приборах серии Р4, что подтверждено актом о внедрении результатов работы (Приложение В).

На разработанные топологии смесителей М0616 и М0622 получены свидетельства о государственной регистрации за номерами № 2016630108 и № 2018630067, соответственно.

На основании представленных материалов и выводов были сформулированы второе и третье защищаемые положения:

2. Пространственное разнесение витков планарной топологической индуктивности с сохранением её номинала и введение демпфирующей цепи между резонаторами, образуемыми частями индуктивности, приводит к расширению полосы заграждения фильтра ПЧ и уменьшению паразитных спектральных составляющих на выходе монолитных смесителей.

3. Создание новой модификации моста на связанных линиях с корректирующим индуктивным шлейфом и корректором дисбаланса амплитуды и фазы позволяет получить полосу рабочих частот двойных балансных смесителей от 10 до 50 ГГц с коэффициентом преобразования не более минус 12 дБ.

Полученные результаты использованы при выполнении прикладных научных исследований и экспериментальных разработок (ПНИЭР) в рамках выполнения проектов №14.577.21.0188, идентификатор RFMEFI57715X0188 и № 14.577.21.0279, идентификатор RFMEFI57717X0279 по ФЦП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2014-2020 годы», что нашло отражение в отчетах о ПНИЭР [93, 94] а также в проектной части ГЗ (уникальные идентификаторы проектов 8.4029.2017/4.6 и 8.3423.2017/4.6.

Заключение

Таким образом, в представленной работе проведены теоретические и экспериментальные исследования, в результате которых решена актуальная задача создания интегральных широкополосных умножителей и смесителей СВЧ на основе GaAs диодов Шоттки. Разработка и производство данных МИС СВЧ позволяет перейти к очередному этапу развития отечественной измерительной техники СВЧ диапазонов. Изложенные в настоящей работе результаты наряду с другими разработками сотрудников АО «НПФ «Микран» и ТУСУРа [7, 11, 97, 100, 118, 136 -138] представляют значительный вклад в создание векторных анализаторов цепей и анализаторов спектра.

В диссертации изложены новые научно обоснованные технические решения и разработки, имеющие существенное значение для развития радиоэлектронной отрасли России, т.к. их уровень сопоставим с мировым.

Основные научные и практические результаты диссертационной работы можно сформулировать следующим образом:

1. Исследованы методы реализации симметрирующих трансформаторов СВЧ и КВЧ диапазонов на основе различных технологий производства и предложена наиболее оптимальная топология для применения в МИС.

2. Экспериментально исследованы тестовые элементы, выполненные на подложке из арсенида галлия, и экстрагированы из полученных данных измерений параметры модели подложки для применения в САПР.

3. Полученной уточнение модели диодов с барьером Шоттки производства АО «НПФ «Микран», основанное на экстракции параметров с использованием экспериментальных данных, обеспечивает уменьшение ошибки проектирования и применима для моделирования различных нелинейных цепей, таких как умножители и смесители частоты в диапазоне до 50 ГГц.

4. Разработана и оптимизирована топология согласованной нагрузки в интегральном исполнении диапазона до 50 ГГц на подложке из арсенида галлия, используемая в процессе измерений характеристик симметрирующих трансформаторов.

5. Разработаны и изготовлены новые топологии смесителей, проведено моделирование и экспериментальное исследование их основных параметров, позволяющие оценить потери преобразования и амплитуду внеполосных колебаний.

6. Разработан интегральный фильтр низких частот для использования в тракте ПЧ смесителей с расширенной полосой заграждения, применение которого позволяет получить ослабление нежелательных спектральных составляющих до минус 40 дБ. Предложенный способ коррекции топологической индуктивности при разработке интегрального фильтра низких частот с расширенной полосой заграждения может быть применён для широкого круга задач при устранении паразитных полос пропускания.

7. Разработаны и экспериментально исследованы МИС умножителей частоты диапазона 20 - 50 ГГц с высоким уровнем подавления паразитных составляющих.

8. Предложена реализация новой топологии симметрирующего трансформатора с расширенным рабочим диапазоном, использованная при разработке смесителей частоты диапазона 13 - 50 ГГц.

9. Разработаны и экспериментально исследованы МИС смесителей частоты диапазона 5 - 26 ГГц и 13 - 50 ГГц, имеющие характеристики сравнимые с зарубежными аналогами.

10. На основании полученных результатов в главах 2, 3 и 4 и представленных выводов доказаны следующие положения:

10.1. Методика, основанная на экстракции параметров моделей диода Шоттки и пассивных элементов, уточнении количественных характеристик моделей и оптимизации топологии преобразователей частоты в интегральном исполнении улучшает сходимость расчётных и экспериментальных данных и обеспечивает в полосе частот более двух октав получение коэффициентов преобразования по уровню минус 10 дБ.

10.2. Пространственное разнесение витков планарной топологической индуктивности с сохранением её номинала и введение демпфирующей цепи между резонаторами, образуемыми двумя частями индуктивности, приводит к расшире-

нию полосы заграждения фильтра промежуточной частоты и уменьшению паразитных спектральных составляющих на выходе смесителей в интегральном исполнении.

10.3. Создание новой модификации моста на связанных линиях с корректирующим индуктивным шлейфом и корректором дисбаланса амплитуды и фазы позволяет получить полосу рабочих частот двойных балансных смесителей от 10 до 50 ГГц с коэффициентом преобразования не более минус 12 дБ.

Список сокращений и условных обозначений

ВАХ - вольтамперная характеристика

ВФХ - вольт-фарадная характеристика

ВАЦ - векторный анализатор цепей

ГИС - гибридно-интегральная схема

ИУ - испытываемое устройство

КИА - контрольно-измерительная аппаратура

КО - коэффициент отражения

КП - коэффициент передачи

КСВ - коэффициент стоячей волны

МИС - монолитно-интегральная схема

ОКР - опытно-конструкторская работа

ПЧ - промежуточная частота

РЧ - радио частота

САПР - система автоматизированного проектирования СВЧ - сверхвысокие частоты ADS - Advanced Design System SOLT - Short Open Load Thru

SPICE - Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis SCPI - Standard Commands for Programmable Instruments