Исследование и разработка твердотельного приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1 кВт в импульсе тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.07, кандидат технических наук Усов, Андрей Аркадьевич

• Усов, Андрей Аркадьевич
• кандидат технических наук
• 2012

Оглавление диссертации кандидат технических наук Усов, Андрей Аркадьевич

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1-УСТРОЙСТВА ДЛЯ УПРАВЛЕНИЯ СВЧ КОЛЕБАНИЯМИ.

1.1. Общие сведения и принцип работы защитных устройств СВЧ.

1.2. Классификация защитных устройств.

1.3. Параметры защитных устройств.

1.4. Полупроводниковых защитные устройства.

1.5. Элементная база полупроводниковых ЗУ.

1.6. Эквивалентная схема и параметры р-1-п диодов.

1.7. Схемы включения р-г-п-дйодов в линию передач и их характеристики.

1.8. Основы конструкции полупроводниковых защитных устройств.

1.9. Многодиодные каскады защиты.

ГЛАВА 2. УСТРОЙСТВА ДЛЯ УСИЛЕНИЯ СИГНАЛОВ СВЧ.

2.1. Основные сведения.

2.2. Общие требования к входным цепям широкополосных приемных устройств.

2.3. Характеристика полупроводниковых малошумящих усилителей.

2.4. Постановка задач исследования.

ГЛАВА 3. РАЗРАБОТКА ЗАЩИТНОГО УСТРОЙСТВА.

3.1. Определение требований к подложкам 5/ и СаАз для создания монолитных р-г-п диодных матриц.

3.1.1. Выбор типа полупроводниковых подложек.

3.1.2. Требования к состоянию поверхности подложек.

3.1.3. Выбор ориентации подложек.

3.1.4. Экспериментальное исследование выбранных подложек в 8-мм диапазоне.

3.2. Определение требований к диодам в диодной матрице.

3.2.1. Общие сведения о работе ограничителя на основе монолитной многодиодной матрицы.

3.2.2. Определение требований к единичным р-і-п диодам, входящим в состав матриц.

3.3. Выбор схемы и конструкции ограничителя.

3.4. Конструкция монолитной много диодной планарной структуры для ограничителя.

3.5. Технология изготовления монолитной планарной р-і-п диодной матрицы.

3.6. Контроль основных электрофизических характеристик монолитного р-і-п диодного ограничителя на низкой частоте.

3.7. Конструкция и электрические характеристики монолитных ограничителей на базе ваАБ структур.

ГЛАВА 4. РАЗРАБОТКА ТВЕРДОТЕЛЬНОГО ПРИЕМНО-УСИЛИТЕЛЬНОГО МОДУЛЯ.

4.1. Разработка малошумящего усилителя.

4.2. Конструкция и параметры ПУМ.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование и разработка твердотельного приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1 кВт в импульсе»

В радиолокационных станциях (РЛС) с момента их появления одними из важнейших задач являются задачи управления колебаниями СВЧ и их усиления. Первая задача важна для целей коммутации СВЧ мощности в трактах СВЧ, в частности, для переключения антенны на каналы приемника и передатчика, а так же для ограничения мощности, поступающей в канал приемника, как в режиме передачи, так и в режиме приема. Вторая задача связана с усилением принимаемого антенной сигнала до величины, необходимой для нормальной работы индикатора РЛС.

На разных этапах развития РЛС, и радиоэлектронной аппаратуры в целом, указанная задача решалась различными способами с применением для указанных целей приборов, основанных на различных физических принципах действия.

При этом с течением времени улучшались качественные характеристики приборов, применяемых для указанных целей, однако сами задачи управления и усиления колебаний СВЧ являются актуальными и в настоящее время. При этом для целей защиты приемника разработан специальный класс приборов, названных защитными устройствами (ЗУ), в который входят как переключатели, так и ограничители СВЧ сигналов. Для целей усиления СВЧ сигналов также разработан класс усилителей, в который входят усилители разных типов.

В современных радиолокационных станциях и приемной аппаратуре диапазона СВЧ защитное устройство (ЗУ) является одним из важнейших электронных элементов СВЧ-тракта [1]. Оно обеспечивает защиту входных цепей приемника (смесителей на полупроводниковых диодах, малошумящих полупроводниковых усилителей и др.) от СВЧ-сигналов «собственного» передатчика (синхронных сигналов) и сигналов соседних радиолокационных станций и других внешних источников, способных вызвать нарушение работы приемного устройства (несинхронных сигналов).

Длительную эволюцию прошли и устройства усиления сигналов СВЧ. В процессе этой эволюции вакуумные усилительные приборы менялись на полупроводниковые, которые выполнялись сначала по гибридной, а затем и монолитной технологии. Основной проблемой при разработке этих устройств являлось снижение уровня шума и повышение рабочей частоты.

Несмотря на достаточно длительный период развития, полупроводниковые приемно-усилительные модули (ПУМ), включающие защитное устройство и малошумящий усилитель (МШУ), в миллиметровом диапазоне длин волн не обеспечивают необходимую чувствительность приемника и не обеспечивают его защиту от мощных помех, создаваемых как собственным передатчиком, так и сторонними источниками преднамеренных и непреднамеренных помех. В то же время необходимость разработки ПУМ миллиметрового диапазона с улучшенными параметрами становится все более актуальной.

В связи с этим цель диссертационной работы была сформулирована следующим образом: исследование и разработка приемно-усилительного модуля 8-мм диапазона длин волн, по основным электрическим параметрам не уступающего аналогичным изделиям сантиметрового диапазона.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Разработать схему полностью твердотельного ЗУ и определить требования к ее элементам.

2. Разработать базовую технологию изготовления многодиодных матриц на основе кремниевых и арсенид-галлиевых подложек.

3. Разработать конструкцию полупроводникового МШУ с волновод-ными входом и выходом.

4. Разработать конструкцию модуля в целом, обеспечить требуемые электрические параметры, технологичность изготовления и провести испытания модуля.

Научные положения, выносимые на защиту:

1. Использование управляющего токового сигнала, создаваемого вторым каскадом защитного устройства, позволяет увеличить толщину базы диодов, использованных в первом каскаде (в монолитной кремниевой матрице) без существенного снижения быстродействия ЗУ. Это позволило увеличить допустимую входную импульсную мощность до 1 кВт и отказаться от газоразрядных каскадов защиты.

2. Использование в выходных каскадах ЗУ балочных р-1-п- и детекторных диодов позволяет уменьшить максимальную просачивающуюся мощность на входе МШУ до 10 мВт при увеличении малосигнального затухания не более чем на 0,3 дБ.

3. Показано, что конструктивное объединение ЗУ и МШУ в один модуль позволяет улучшить согласование между его отдельными каскадами и добиться снижения коэффициента шума приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн до 4 дБ при одновременном снижении массы и габаритов изделия.

Новые научные результаты:

1. Создан полностью твердотельный (полупроводниковый) приемно-усилительного модуль 8-мм диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1 кВт в импульсе. Такая входная мощность в миллиметровом диапазоне длин волн достигнута впервые. В связи с отказом от входных газоразрядных каскадов защиты долговечность модуля повышена на порядок.

2. Разработан малошумящий усилитель мощности 8-миллиметрового диапазона длин волн с коэффициентом шума не более 2 дБ.

3. Объединение в одном блоке (модуле) защитного устройства и ма-лошумящего усилителя позволяет улучшить качество согласования ЗУ и МШУ и тем самым уменьшить коэффициент шума модуля. Сокращены также габариты и масса модуля.

Практическая ценность работы.

Предложенная конструкция малошумящего приемно-усилительного модуля 8-миллиметрового диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов мощностью до 1кВт и разработанные методики проектирования и изготовления монолитных каскадов защитного устройства используются при разработке специальной аппаратуры в ЗАО "Светлана-Электронприбор".

Реализация и внедрение результатов исследования. Результаты разработки полупроводникового ограничителя для защиты МШУ и разработки самого МШУ использованы в ОКР «Панцирь-С» и «Панцирь-С1». Разработанные в этих ОКРах приемно-усилительные модули - М45163, М55150, использующие результаты диссертационной работы, успешно поставляются заказчику июня 2010г.

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре радиотехнической электроники Санкт-Петербургского государственного электротехнического университета «ЛЭТИ». Основные положения и результаты диссертационной работы докладывались на международных и всероссийских конференциях: «XVII координационного научно-технического семинара по СВЧ технике» (Нижний Новгород, п. Хахалы, 2011), «Актуальные проблемы электронного приборостроения», («АПЭП -2010, Саратов, 2010), Всероссийской конференции "Микроэлектроника СВЧЭ (Санкт-Петербург, 2012), 63-й НТК ППС СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010.

Результаты диссертации опубликованы в 9 научных статьях, в том числе опубликована одна статья в рекомендованных ВАК РФ изданиях.

Личный вклад соискателя. A.A. Усов принимал участие в создании ПУМ на всех этапах его разработки. Им предложена схема ЗУ, определены параметры ее элементов, разработана базовая технология изготовления полупроводниковых диодных матриц. A.A. Усов оптимизировал также конструкцию и параметры МШУ, разработал компоновку модуля и провел его испытания.

Заключение диссертации по теме «Антенны, СВЧ устройства и их технологии», Усов, Андрей Аркадьевич

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате выполнения диссертационной работы получены следующие основные результаты:

1. Проведен аналитический обзор литературы по защитным устройствам и малошумящим усилителям СВЧ. Показано, что известные устройства в миллиметровом диапазоне длин волн не обладают необходимыми характеристиками и параметрами.

2. Выбрана схема построения ЗУ, базирующаяся на использовании монолитных многодиодных матриц.

3. Проведен расчет необходимого числа диодов в матрице, исходя из максимальной входной импульсной и средней мощности.

4. Предложена схема, состоящая из двух диодных матриц - первой кремниевой и второй арсенид-галлиевой. При этом выпрямленный ток второй матрицы открывает диоды первой, тем самым увеличивая ее быстродействие и затухание в режиме ограничения.

5. Сконструирован малошумящий усилитель на основе импортной микросхемы ХЫ00. В результате оптимизации копланарно-волноводных переходов коэффициент шума усилителя снижен до двух децибел.

6. На базе разработанных ЗУ и МШУ сконструированы приемно-передающие модули типов М45163 и М55150. Модули прошли испытания и поставляются заказчику. При этом долговечность разработанных модулей на порядок превышает долговечность ранее разработанных модулей, использующих для защиты резонансные разрядники. Отечественные и зарубежные аналоги этих модулей отсутствуют.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Усов, Андрей Аркадьевич, 2012 год

1. А.И. Ропий, A.M. Старик, К.К. Шутов, Сверхвысокочастотные защитные устройства, М.:Радио и связь, 1993.

2. Р.И. Перец. Антенные переключатели. М.: Сов. Радио, 1950.

3. Д.А. Ашкенази, В.П. Беляев, Г.И. Бродуленко и др. Резонансные разрядники антенных переключателей. М.: Сов. Радио 1976.

4. Chaffin R.J. Microwave semiconductor devices: fundamentals and radiation effects. N.Y.: Mc Graw-Hill, Inc. 1973.

5. Мырова Л.О., Чепиченко А.З. Обеспечение стойкости аппаратуры связи к ионозирующему и электромагнитному излучению. М.: Радио и связь, 1988.

6. Patel S., Goldie H. А 100 kW solid-state coaxial limiter for L. band. Micrwave J. 1982. —N 1. —P. 93-97.

7. Tenenholtz R. Designingmegawatt diode duplexers. Microwave J.— 1978.—N 12,—P. 30—34 (part 1); 1979. — N 1,—P. 63—68 (part 2).

8. Вайсблат A.B. Коммутационные устройства СВЧ на полупроводниковых диодах. М.: Радио и связь, 19876. - 120 е.: ил. - (Массовая библиотека инженера «Электроника»)

9. Полупроводниковые диоды для управления СВЧ мощностью/ JI. С. Ли-берман, Б.В. Сестрорецкий, В.А. Шпирт, Л.М. Якубень. Радиотехника, 1972, т. 27, № 5, с. 10-23

10. Дзехцер Г.Б., Орлов О.С. p-i-n диоды в широкополосных устройствах СВЧ. М.: Сов. радио, 1970.

11. Leenov D. The silicon PIN diode as a microwave radar protector at mega watt levels.- IEEE Trans., 1964, vol. ED-11, N2,P.53-61.

12. Либерман Л.С. О системе параметров переключательных p-i-n диодов.

13. Полупроводниковые приборы и их применение. Сов. радио, 1969, вып. 21, с. 171-182.

14. Lee F. Achieve high isolation in series application with a low capacitance beam lead PIN. Microwave J., 1983, vol. 26, N 2, p. 143-146.

15. Seymour D. J., Heston D. D., Lehmann R. E. Monolitic MBE GaAs n-i-p-diode limiter. IEEE Microwave millimeter Waves monolithic circuits Symp.— 1987.—N 4. —P. 35—37.

16. Armstrong A., Goodrich G., Moroney W. High power mm passive solidstate limiter. Conf. Proc. Military Microwave.— London. — 1986. P. 143—148.

17. Кириллов A.B., Смирнов В. А., Романов JI.П. Технический отчет по НИР «Дункан», 1984г.

18. Лебедев И, В., Шнитников А. С, Купцов Е. И. Твердотельные СВЧ-ограничители проблемы и решения. Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника,- 1985.- Т. 28, № 10. - С. 34-41.

19. Лебедев И. В., Алыбин В. Г., Купцов Е. И. Интегрализацяя твердотельных управляющих и защитных устройств СВЧ. Изв. вузов. Сер. Радиоэлектроника. 1982. - Т. 25, № 10. - С. 32-41.

20. Клич С.М. Проектирование СВЧ устройств радиолокационных приемников. М., «Сов. радио», 1973. С 184-187.

21. Сифоров В.И. Радиоприемники сверхвысоких частот. М., Воениздат, 1955.

22. Быстродействующие широкополосные модуляторы на p-i-n структурах. С.В.Кошевая, М.И.Смойловский и др. Изв. вузов. Серия Радиоэлектроника, 1989, т. 32, № 10, стр. 14-23.

23. З.Ю.Готра. Технология микроэлектронных устройств. Справочник. Москва, Радио и связь, 1991.

24. А.В.Кириллов. Технический отчет по ОКР «Дисгрегация», ЗАО «Светлана-Электронприбор», 1993.

25. А.В.Кириллов. Технический отчет по НИР «Демарш», ЗАО «Светлана-Электронприбор», 1991.

26. А.В.Кириллов. Технический отчет по ОКР «Ключ», ОАО «Светлана», 2006.

27. Полупроводниковые приборы. Сверхвысокочастотные диоды. Справочник, под ред. Б.А.Наливайко. Томск, МГП «Раско», 1992.

28. Патент на полезную модель №90934 от22.09.2010 СВЧ-ограничитель. Авторы Кириллов А.В., Попов В.В., Смирнов В.А., Романов Л.П., Соловьев Ю.В.

29. Alekseev Е. and Pavlidis D. High Switching Rate Capability of mm-Wave InGaAs PIN Diodes// Solid-State Electronics Laboratory. -http://www.eecs.umich.edu

30. D.Pavlidis, E.Alekseev, K.Hong, D.Cui InP-based millimeter-wave PIN diodes for switching and phase-shifting applications//Solid-State Electronics. -1997.-V.41.- №10.- pp.1635-39.

31. Alekseev E., Pavlidis D., Ziegler V., Berg M., Dickmann J. 77GHz HighIsolation Transmit. Receive Switch Using InGaAs/InP PIN diodes// GaAs 1С Symposium. 1998. - pp. 177-180

32. Semiconductor products operation GaAs pin diodes (MA4GP). :http:// www. macom.com

33. Hoag D., Curcio D., Boles T. Development of a High Voltage mmW GaAs PIN Diode Switch, http://www.macom.com

34. Semiconductor products operation GaAs pin diodes (MA4GP). http:// www. macom.com

35. Semiconductor products operation GaAs pin diode switches (MA4AGSW1). http:// www.macom.com

36. Semiconductor products operation GaAs pin diode switches (MA4AGSWA1). // www.macom.com

37. Semiconductor products operation AlGaAs/GaAs pin diode switches (MA4AGSW2). // www.macom.com

38. Semiconductor products operation AlGaAs/GaAs pin diode switches (MA4AGSW8-1). :http:// www.macom.com

39. Semiconductor products operation GaAs pin diode switches (MA4AGSW110). http:// www.macom.com

40. Semiconductor products operation Si pin diode switches (MA4L). http:// www.macom.com

41. Semiconductor products operation Si pin diode switches (MA8L-1). http:// www.macom.com

42. Н.З. Шварц. Линейные транзисторные усилители СВЧ. М., изд. "Сов. радио", 1980г.

43. Усов А.А. Полупроводниковый малошумящий приемно-усилительный модуль 8-мм диапазона длин волн с защитой по входу от синхронных и несинхронных сигналов / А.А. Усов, А.В. Кириллов, В.А. Смирнов // Известия

44. Санкт-Петербургского Государственного Электротехнического Университета «ЛЭТИ». 2009. 7/2009. С. 3-6.

45. Усов A.A. Разработка защитных устройств малошумящих усилителей миллиметрового диапазона. / А.Д. Григорьев, A.B. Кириллов, A.A. Усов // Сборник докладов студентов, аспирантов и молодых ученых, 63-я НТК ППС, изд. СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2010. С. 43-49.

46. Усов A.A. Монолитный ограничитель мощности миллиметрового диапазона / А.Д. Григорьев, A.B. Кириллов, A.A. Усов.// Материаллы конференции «Актуальные проблемы электронного приборостроения», 2010. С. 128-133.