Моделирование и оптимизация активных нелинейных радиоэлектронных компонентов на HEMT-транзисторах для монолитных микроволновых интегральных схем миллиметрового диапазона тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.27.01, кандидат наук Аунг Бо Бо Хейн

• Аунг Бо Бо Хейн
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Аунг Бо Бо Хейн

Выводы по главе 1

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ РАДИОУСТРОЙСТВ В ПРОГРАММЕ MICROWAVE OFFICE

2.1. Методические указания по использованию пакета проектирования Microwave Office

2.1.1. Запуск программы Microwave Office

2.2. Создание электрической схемы нелинейного устройства

2.3. Расчет характеристик и параметров схемы

2.3.1. Коэффициент передачи мощности Кр

2.3.2 Выходной спектр смесителя

Выводы по главе 2

ГЛАВА 3. МЕТОДЫ ПРОЕКТИРОВАНИЯ БАЗОВЫХ ЭЛЕМЕНТОВ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЧ - НЕЛИНЕЙНЫХ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ И

УМНОЖИТЕЛЕЙ ЧАСТОТЫ

2

3.1. Усилитель мощности

3.1.1. Оптимальный режим работы транзистора

3.1.2. Измерение входных и выходных импедансов транзистора

3.1.3. Автоматическое смещение

3.1.4. Методика проектирования согласующих цепей

3.1.5. Проверка допустимости величин напряжений и тока транзистора

3.1.6. Характеристики усилителя

3.2. Удвоитель частоты на полевом транзисторе

3.2.1. Проектирование оптимального режима работы транзистора в удвоителе частоты

3.2.2. Методика проектирования выходной цепи удвоителя

3.2.3. Методика проектирования входной цепи удвоителя

3.2.4. Проектирование цепи смещения транзистора

3.2.5. Проектирование цепи подачи напряжения питания на сток

3.2.6. Окончательная схема удвоителя частоты

Выводы по главе 3

ГЛАВА 4. ПОРЯДОК ПРОЕКТИРОВАНИЯ ВАРИАНТОВ СХЕМ АКТИВНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ СВЧ

4.1. Режим работы транзистора

4.2. Схема смесителя на одном транзисторе с подведением колебаний напряжений сигнала и гетеродина между затвором и истоком транзистора

4.2.1. Проектирование цепей согласования и фильтрации напряжений сигнала, гетеродина и промежуточной частоты

4.2.2. Расчет характеристик и параметры смесителя частот

4.2.3. Развяза между портами

4.3. Схема смесителя на двух транзисторах

4.4. Смеситель частот при подаче сигнала на сток транзистора

4.5. Проектирование цепей согласования и фидьтрации

4.5.1. Оптимизация цепи согласования и фильтрации гетеродина

4.5.2. Цепь согласования и фильтрации сигнала

4.5.3. Цепь согласования и фильтрации колебаний промежуточной частоты

4.5.4. Вариант схемы смесителя с диплексером

4.6. Характеристики смесителя частот

4.7. Увеличение развязки гетеродин-сигнал

4.8. Диплексер

4.9. Характеристики окончательной схемы смесителя с диплексером

4.10. Схема согласования и фильтрации колебаний частоты гетеродина, пригодная для монолитного выполнения

Выводы по главе 4

ГЛАВА 5. ИССЛЕДОВАНИЕ ПУТЕЙ УЛУЧШЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ АКТИВНЫХ СМЕСИТЕЛЕЙ МИЛИМЕТРОВОГО ДИАПАЗОНА ДЛИН ВОЛН

5.1. Смеситель СВЧ, работающий на второй гармонике гетеродина

5.1.1. Сместель с удвоителем частоты гетеродина на дополнительном транзисторе

5.1.2. Удвоение частоты на двух транзисторах

5.1.3. Второй вариант схемы смесителя, работающего на второй гармонике гетеродина

5.2. Метод увеличения коэффициента преобразования

5.3 Сравнение схем активнных смесителей СВЧ понижающих преобразователей частоты

5.3.1. Основные характеристики смесителей частот

5.3.2. Обсуждение результатов исследования различных схем смесителей

Выводы по 5-й главе

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

ЛИТЕРАТУРА

ПРИЛОЖЕНИЕ 1

ПРИЛОЖЕНИЕ 2

ПРИЛОЖЕНИЕ 3

ПРИЛОЖЕНИЕ 4

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Моделирование и оптимизация активных нелинейных радиоэлектронных компонентов на HEMT-транзисторах для монолитных микроволновых интегральных схем миллиметрового диапазона»

ВВЕДЕНИЕ

Тенденцией последнего времени является стремление увеличить частоту электромагнитных колебаний, применяемых в самых разнообразных радиоэлектронных системах [1]. Развитие радиосистем и их элементной базы осуществляется путем исследований и разработки микроэлектронных изделий на все более высокочастотных монолитных микроволновых интегральных схемах (ММИС) [2]. В настоящее время активно осваиваются частоты в десятки и сотни ГГц. Базовыми элементами для создания ММИС миллиметрового диапазона являются различные структуры полевых транзисторов с гетеропереходами - структуры НЕМТ, рНЕМТ, а микросхемы, чаще всего, выполняют на подложках из арсенида галлия GaAs или нитрида галлия GaN [3].

Широко распространенными компонентами практически всех радиоэлектронных систем являются нелинейные ММИС - генераторы, усилители мощности, умножители и преобразователи частоты. С ростом частоты колебаний увеличиваются потери электромагнитной энергии в микроэлектронных изделиях, возрастают сложности достижения высокого качества нелинейных радиоэлектронных компонентов. В этой связи увеличивается роль изделий, которые являются не только нелинейными, но и активными. При этом, для созданий высококачественных ММИС миллиметрового диапазона длин волн требуется более точное их проектирование, что включает в себя разработку более адекватных моделей активных элементов, более строгий учет различных нелинейностей, оптимальное построение схем и структур микроэлектронных радиотехнических изделий.

Проектирование ММИС миллиметрового и субмиллиметрового диапазонов длин волн начинается с создания его электрической схемы. Разработанные в последние годы системы автоматизированного проектирования СВЧ устройств, такие как Microwave Office, Ansoft, ADS и другие дают возможность осуществления тщательного, подробного и всестороннего проектирования нелинейных схем СВЧ, а также измерять в моделях их характеристики и параметры.

Весьма удобным и эффективным представляется комплекс программ Microwave Office [4]. Здесь достаточно просто составлять модели СВЧ компонентов как в виде электрических схем на элементах с сосредоточенными параметрами, так и с использованием отрезков передающих линий. Имеется возможность всестороннего анализа стационарных режимов линейных и нелинейных устройств, получения практически всех полезных для практики характеристик.

Программа Microwave Office идеально подходит для анализа и проектирования таких нелинейных устройств СВЧ, как усилители мощности, умножители частоты, смесители, где имеется необходимость в подаче на устройство колебаний различных частот и проводить анализ при наличии колебаний нескольких частот. Программа дает возможность осуществлять анализ как в частотной, так и временной области. В библиотеке программы имеются различные модели полевых СВЧ транзисторов структур MESFET, НЕМТ, такие как ANGELOV, CURTICE, FUJII, ТОМ, YHLAND.

Несмотря на то, что в литературе имеются некоторые сведения по применению программы Microwave Office [5] - [8], в настоящее время нет подробной методики анализа и проектирования активных нелинейных устройств СВЧ, что свидетельствует об актуальности настоящей работы.

Целью диссертационной работы является выполнение исследований, направленных на создание ММИС активных нелинейных радиоэлектронных компонентов миллиметрового диапазона длин волн - усилителей мощности, умножителей частоты, смесителей частот, позволяющих улучшить их основные качественные показатели. Содержание исследований соответствует областям, отмеченных в паспорте специальности 05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нано-электроника, приборы на квантовых эффектах»:

1) разработка и исследование схемотехнических и конструктивных основ создания и методов совершенствования изделий твердотельной радиоэлектроники,

2) исследование и моделирование функциональных и эксплуатационных характеристик изделий.

В данной диссертационной работе поставлены задачи

1) провести анализ и исследование функциональных характеристик существующих активных нелинейных радиоэлектронных компонентов с целью создания монолитных микроволновых интегральных схем (ММИС) миллиметрового диапазона длин волн,

2) синтезировать активные нелинейные устройства, имеющие наилучшие технические характеристики,

3) разработать эффективную методику проектирования схем активных нелинейных устройств.

Выполнение радиоэлектронных компонентов в виде ММИС более высокочастотного диапазона позволит более надежно извлекать полезную информацию на фоне воздействия сигналов других систем, увеличить точность радиосистем за счет передачи более сложных сигналов, уменьшить их размеры, повысить надежность.

Проектирование активных нелинейных устройств миллиметрового диапазона имеет особенности, состоящие в том, что необходимо учитывать не отдельные конкретные нелинейные элементы (сопротивление, емкость, индуктивность), а комплекс нелинейностей, входящих в состав активного нелинейного элемента.

Методы исследования.

1. Моделирование электрических схем активных нелинейных радиоэлектронных компонентов миллиметрового диапазона на полевых транзисторах структур НЕМТ в программе Microwave Office.

2. Оптимизация схем и их параметров по заданному критерию и ограничениям с целью реализации их в виде ММИС на подложке из GaAs.

Научные положения, выносимые на защиту.

1. Оптимизированные схемы усилителей мощности, умножителей частоты, смесителей частот на НЕМТ-транзисторах, являющиеся базой для создания ММИС.

2. Сравнение вариантов построения схем активных смесителей СВЧ и рекомендации по их применению.

3. Способы увеличения усиления преобразования и развязок между портами активных смесителей.

4. Разработанная методика проектирования электрических схем активных нелинейных устройств с помощью программы Microwave Office.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

1) определены наилучшие (наиболее простые) схемы транзисторных смесителей частот миллиметрового диапазона, обладающие наибольшим коэффициентом преобразования при достаточно высоких развязках между входами и выходом смесителя,

2) продемонстрирован метод увеличения коэффициента преобразования смесителя частот путем организации обратной связи между выходной и входной согласующими цепями,

3) предложен метод увеличения развязок гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин смесителя путем построения гетеродина на пониженной частоте и специальной схемы удвоителя частоты,

4) предложен вариант способа увеличения развязок гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин построением схемы смесителя на двух последовательно включенных транзисторов, разделенных индуктивностью,

5) разработана методика проектирования электрических схем усилителей мощности, умножителей частоты и смесителей СВЧ на НЕМТ-транзисторах в программе Microwave Office,

Достоверность полученных результатов. Результаты диссертационной работы получены путем моделирования электрических схем нелинейных устройств СВЧ при использовании различных структур полевых транзисторов и их компьютерных моделей ТОМ, ANGELOV, YHLAND. Сравнение результатов показало их идентичность.

Практическая ценность работы.

1. Получены оптимальные схемы активных нелинейных радиоэлектронных

компонентов миллиметрового диапазона длин волн, имеющие высокое усиление

9

преобразования, на базе которых возможна реализация в виде ММИС на подложке из GaAs.

2. Предложены способы улучшения параметров смесителей частот, которые возможно применять не только в вариантах, рассмотренных автором, но и в других схемах смесителей.

3. Выданы рекомендации по применению вариантов электрических схем смесителей частот в зависимости от значений требуемых параметров.

4. Проведенная работа дает возможность разработчикам нелинейных СВЧ устройств таких, как нелинейные усилители мощности, умножители частоты, смесители частот осуществлять их проектирование, используя возможности программы Microwave Office.

Реализация полученных результатов. Полученные результаты представлены в виде комплекса программ, позволяющих осуществлять проектирование нелинейных СВЧ устройств с помощью программы Microwave Office. Основные результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре микроэлектронных радиотехнических устройств и систем МИЭТ в дисциплине «Приемопередающие устройства»:

в лабораторных работах для магистрантов, в лекционном курсе.

Публикации. Основные результаты диссертационной работы изложены в 8 печатных работах, в том числе три работы в журнале, входящем в список, утвержденный ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемых литературных источников из 48 наименований. Общий объем диссертации 169 стр, включая 160 рисунков, 1 таблицу и приложения.

Во введении обоснованы актуальность темы работы, научная новизна и общие задачи диссертационной работы, представлены основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе приведен обзор электрических схем активных нелинейных

устройств СВЧ и методов их проектирования.

10

Во второй главе приведен порядок моделирования нелинейных радиоустройств в программе «Microwave Office».

В третьей главе приведены методики проектирования устройств, на базе которых строятся схемы смесителей частот: нелинейных усилителей мощности и умножителей частоты на НЕМТ-транзисторах. Описана методика проектирования электрической схемы усилителя мощности миллиметрового диапазона длин волн. Методика проектирования основана на моделировании электрической схемы усилителя и оптимизации ее по критерию - максимум коэффициента усиления мощности Кр.

Для создания активного смесителя частот миллиметрового диапазона длин волн, имеющего пониженный уровень шума, проанализирована возможность выполнения гетеродина на пониженную частоту и работой смесителя на второй гармонике гетеродина. В качестве примера автор рассмотрел вариант смесителя частот, в котором частота сигнала составляет 37 ГГц, промежуточная частота 2 Мгц, а частота гетеродина 17,5 ГГц. Разработана методика проектирования схем удвоителя частоты для получения максимального коэффициента передачи мощности.

В четвертой главе на базе моделирования в программе Microwave Office.

разработана методика проектирования различных вариантов электрических схем

смесителя СВЧ миллиметрового диапазона на полевых транзисторах структуры

НЕМТ. Смеситель предполагается выполнить в виде монолитной микроволновой

интегральной схемы (ММИС), что накладывает ограничения на размеры элементов.

Проведено моделирование электрических схем транзисторных смесителей частот,

исследование их характеристик, оптимизация схем и их параметров по критерию -

максимальный коэффициент преобразования частот при максимальных развязках

между портами смесителя. Рассмотрены следующие схемы: 1) на одном транзисторе с

подачей напряжений сигнала и гетеродина на входные электроды транзистора, 2) на

одном транзисторе с подведением напряжений сигнала и гетеродина на входной и

выходной электроды с применением диплексера, разделяющего колебания частот

сигнала и промежуточной частоты, 3) схему с двумя транзисторами, являющуюся

аналогом двухзатворного транзистора. Был проведен анализ схем по критерию

11

максимальной величины основного параметра смесителя - коэффициента передачи мощности от входа радиосигнала до выхода промежуточной частоты.

В пятой главе проведено исследование возможностей улучшения таких параметров смесителя, как усиление преобразования частоты и величины развязок между портами. Изучены варианты схем транзисторных смесителей, работающих на пониженной частоте гетеродина. С целью увеличения усиления преобразования предложен метод построения входной согласующей цепи гетеродина, позволяющий осуществить положительную обратную связь по промежуточной частоте.

Рассмотрена возможность увеличения развязок между портами смесителя путем выполнения гетеродина на пониженную частоту с последующим ее удвоением. Проведен анализ влияния различных схем удвоителей частоты на величины развязок гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин.

В этой части работы проведено сравнение параметров и характеристик всех рассмотренных вариантов схем смесителей частот и выданы рекомендации по их применению.

В заключении представлены краткие выводы по проделанной работе и основные полученные результаты.

В приложении приведены сокращенные методики проектирования электрических схем активных нелинейных устройств СВЧ.

ГЛАВА 1. ОБЗОР ЛИТЕРАТУРЫ ПО ВАРИАНТАМ ПОСТРОЕНИЯ СХЕМ АКТИВНЫХ НЕЛИНЕЙНЫХ УСТРОЙСТВ СВЧ И МЕТОДАМ ИХ ПРОЕКТИРОВАНИЯ.

1.1. Электрические схемы транзисторных смесителей СВЧ.

Известно большое разнообразие схем транзисторных смесителей: - на одном или двух транзисторах, на ячейках Гильберта [9] - [15]. С ростом частоты колебаний уменьшается коэффициент передачи мощности смесителя, уменьшаются величины развязок между портами. Представляется целесообразным рассмотреть наиболее простые схемы активных смесителей с тем, чтобы в дальнейшей работе добиться их наилучших показателей [16].

1.1.1. Схемы на одном транзисторе.

В коротковолновой части СВЧ, как и на более низких частотах, напряжения сигнала и гетеродина частот подводят к затвору транзистора через сумматор мощностей [17]. Давно применяются схемы, где напряжения сигнала и гетеродина подводятся к входу транзистора (к его входным электродам). Например, в работе [18] напряжение радиосигнала подведено к затвору транзистора, а напряжение гетеродина к его истоку.

Существуют схемы, где напряжения сигнала и гетеродина подводят к входному и выходному электродам транзистора. В работе [19] напряжение сигнала подведено к затвору транзистора, а напряжение гетеродина - к его стоку, а в работе [20], наоборот, применена схема, в которой к затвору транзистора подведено напряжение гетеродина, а к стоку - напряжение сигнала. Напряжение промежуточной частоты снимается со стока, и в этом случае требуется подключение к стоку фильтра, разделяющего колебания промежуточной частоты и радиосигнала.

1.1.2. Схемы на двухзатворном транзисторе или на двух отдельных транзисторах.

Для удобства подачи напряжений сигнала и гетеродина применяют двухзатворный транзистор [21] или два отдельных транзистора [22], [23]. В этих

схемах напряжения сигнала и гетеродина подводятся к затворам транзистора или транзисторов. В работе [24] колебания радиосигнала частоты 60 ГГЦ поступают на затвор полевого транзистора структуры РНЕМТ, а колебания частоты гетеродина подводятся к затвору аналогичного транзистора, включенного в цепь стока первого транзистора. Преобразование частот производится в первом транзисторе.

1.1.3. Схемы на нескольких транзисторах.

На относительно низких частотах в качестве смесителей частот могут быть применены ячейки Гильберта. Двойной балансный смеситель с использованием пяти полевых транзисторов структуры НЕМТ, работающий на частотах до 7 ГГц, описан в работе [25]. В настоящее время ведутся работы по созданию эффективных смесителей на ячейках Гильберта миллиметрового диапазона.

1.1.4. Смесители на гармонике гетеродина.

Обычно частота напряжения гетеродина отличается от частоты колебаний напряжения сигнала на промежуточную частоту, однако известны схемы смесителей, например [26], [27], где частота напряжения гетеродина в два или более раз меньше обычно требуемой.

1.2. Достижения в разработке современных активных смесителей СВЧ.

Активные нелинейные устройства выполняют в виде ММИС, используя полупроводниковые подложки из арсенида галлия (ваАз) и нитрида галлия (ОаИ) [28]. В качестве активных и нелинейных элементов применяют полевые транзисторы с барьером Шотки (МЕББЕТ), полевые транзисторы с гетеропереходами (НЕМТ и РНЕМТ), биполярные транзисторы с гетеропереходами (НВТ и БНВТ). С целью увеличения частоты и мощности ММИС в настоящее время исследуются подложки и транзисторы из фосфида индия (1пР), карбида кремния (8Ю) и других комбинированных материалов ( ЫАб, А18Ь, 1п8Ь) [29], [30].

Наиболее высокочастотные пассивные смесители дают возможность преобразовывать частоты радиосигнала, составляющие десятки ГГц и даже достигающие 100 ГГц [31], [32], однако в них получается не усиление, а потери

преобразования. Усиление преобразования активных смесителей Кр составляет 10-15 дБ на относительно низких частотах (0,8-0,9 ГГц) [33]. С ростом частоты усиление падает [34] и на частотах более 70 ГГц Кр< 0 дБ [35]. Если схему активного смесителя усложнить, то усиление преобразования можно повысить. Так, в микросхеме MFC-P013811-QDG, содержащей балансный смеситель на полевых транзисторах, малошумящий усилитель в цепи подачи радиосигнала, удвоитель частоты и усилители в цепи подачи напряжения гетеродина, усиление преобразования составляет 12 дБ в диапазоне частот 37 -40 ГГц [27].

Следует отметить, что сведения, опубликованные в статьях о разного рода смесителях, весьма фрагментарны, приводятся отдельные характеристики без комплексной оценки смесителя. Это обстоятельство не дает возможность затрудняет провести оценку достоинств и недостатков, затрудняет возможность выбора схемы.

1.3. Методы проектирования смесителей СВЧ.

Проектирование смесителей СВЧ осуществляется аналитическими инженерными и с помощью компьютерного моделирования [36]. Разработанные в последние годы системы автоматизированного проектирования СВЧ устройств, такие как Microwave Office, Ansoft, ADS и другие дают возможность осуществления тщательного, подробного и всестороннего проектирования нелинейных схем СВЧ, а также измерять в моделях их характеристики и параметры.

Весьма удобным и эффективным представляется комплекс программ Microwave Office [37]. Здесь весьма просто составлять модели СВЧ устройств как в виде электрических схем на элементах с сосредоточенными параметрами, так и с использованием отрезков передающих линий. Имеется возможность всестороннего анализа стационарных режимов линейных и нелинейных устройств, получения практически всех полезных для практики характеристик.

Программа Microwave Office идеально подходит для анализа и проектирования таких нелинейных устройств СВЧ, как смесители, где имеется необходимость в подаче на устройство колебаний двух различных частот и проводить анализ при наличии колебаний, по крайней мере, трех частот. Программа дает возможность

осуществлять анализ как в частотной, так и временной области. В библиотеке программы имеются различные модели полевых СВЧ транзисторов структур MESFET, НЕМТ, такие как ANGELOV, CURTICE, FUJII, ТОМ, YHLAND.

Несмотря на то, что в литературе имеются сведения по применению программы Microwave Office, в настоящее время нет подробной методики анализа и проектирования активных смесителей СВЧ, что свидетельствует об актуальности настоящей работы.

Постановка задачи исследований схем активных смесителей СВЧ.

Существенной частью настоящей диссертационной работы является исследование схем активных смесителей СВЧ. Задачи исследования смесителей следующие:

1) моделирование и оптимизация схем активных смесителей СВЧ по критерию - максимум усиления преобразования при ограничениях на напряжения и токи транзистора,

2) исследование путей улучшения параметров и характеристик активных смесителей СВЧ,

3) сравнение схем активных смесителей и выдача рекомендаций по их использованию,

4) разработка методов проектирования электрических схем активныхсмесителей частот миллиметрового диапазона с использованием программы Microwave Office,

Выводы по главе 1.

По результатам проведенного обзора можно сделать следующие выводы.

1. Активные смесители СВЧ выполняют, главным образом, используя нелинейность переходной характеристики полевого транзистора структуры MESFET или НЕМТ. В простейшем случае на частотах миллиметрового диапазона смеситель содержит один транзистор.

2. Наиболее простые электрические схемы смесителей СВЧ можно разделить на следующие группы:

напряжения сигнала и гетеродина подводят к входным электродам транзистора (затвору и истоку),

напряжения сигнала и гетеродина подводят к противоположным электродам транзистора (затвору и истоку),

напряжения сигнала и гетеродина подают на разные затворы двухзатворного транзистора (или применяют два транзистора),

применяют одну из перечисленных схем, но частота колебаний напряжения гетеродина в два-три раза меньше требуемой.

3. Преимущества и недостатки перечисленных схем из литературы четко не определены.

4. Не имеется хорошо разработанной методики проектирования схем активных смесителей, при этом весьма слабо используются возможности современных систем автоматизированного проектирования.

ГЛАВА 2. МЕТОДИКА МОДЕЛИРОВАНИЯ НЕЛИНЕЙНЫХ

РАДИОУСТРОЙСТВ В ПРОГРАММЕ MICROWAVE OFFICE.

Одним из популярных программных продуктов, используемых для проектирования радиочастотных устройств и устройств СВЧ, является AWR DESIGN ENVIRONMENT (AWRDE) компании Applied Wave Research. Он включает в себя три инструментальных средства: Microwave Office (MWO), Visual System Simulator (VSS) и Analog Office (ANO). Эти средства интегрированы в единую среду проектирования и могут использоваться вместе, не выходя из этой среды. Среда проектирования AWR использует единую объектно-ориентированную модель данных, синхронизирующую работу над проектом без использования промежуточных трансляторов.

Microwave Office позволяет создавать схемы, состоящие из элементов схем (сосредоточенных и распределённых) и электромагнитных структур. Схемы могут иметь сложную иерархическую структуру, включающую множество подсхем на различных уровнях иерархии. В качестве подсхем могут использоваться ранее созданные схемы или электромагнитные структуры, а также списки цепей, файлы данных или элементы из библиотек сторонних пользователей. Для создания схем имеется обширная библиотека встроенных схемных элементов

Для моделирования можно использовать один из методов: линейное и нелинейное моделирование, одночастотный и многочастотный гармонический баланс, ряды Вольтера, электромагнитное моделирование и др. Результаты могут выводиться в различных графических формах или в таблице в зависимости от цели проводимого анализа. Имеется множество измеряемых величин, которые можно отобразить на графиках. Если же нужной величины в этом множестве всё-таки нет, можно составить уравнение для её вычисления, и она будет выведена на график.

Можно настраивать или оптимизировать электрические схемы, созданные в проектах, и все изменения немедленно и автоматически отражаются на графиках и в топологии. Теперь появилась возможность настраивать и оптимизировать и электромагнитные структуры, используя экстракцию, т.е. извлечение электромагнитных структур из элементов схемы или из топологии схемы. Для

выполнения анализа в нелинейном моделировании используется гармонический баланс, который является эффективным методом для анализа усилителей мощности, смесителей, умножителей и генераторов.

2.1. Методические указания по использованию пакета проектирования Microwave Office.

2.1.1. Запуск программы Microwave Office.

Чтобы запустить Microwave Office нажмите кнопку Пуск в Windows и выберите

nporpaMMbi>AWR2009>AWR Design Environment. На экране появится основное окно

сайта (рис. 2.1).

Строка заголовка Главнее меню Панель инструментов

Окно просмотра проекта

Рабочее поле —

Окно статуса Панели

Рис. 2.1. Вид основного окна при работе с программой.

Шаг 1. Создание нового проекта.

Для создания нового проекта:

1) Выберите в меню File>New Project (Файл>Новый проект).

2) Выберите в меню File>Save Project As (Файл>Сохранить проект как). Откроется диалоговое окно Save As.

^ Untitled Project - AWH Design Environment [9.00.4647)

№ Eat Y«w Ewcl

;Q:-c.,ect

0 Protect S& Dsiign Motor. & Prcjec* Opto s i-i Gloe?l СеЛяюпб О DjU

iS S)Bf» testate * is Cfcurt Scfsmabcs £ EM Siiictues

■Si Оjtp\T cl^JaTiOTlS

Sb Gmfir, KiiOpbnier Uoa;

Sciipts &VkIow Й»р 6WP.

ra i etf я 0*>г<Чи 'ft Wizards <3 JS*' 3«rs

; % Stdlus V.'i*iUA

Ча Олг, Л1 у. * 3 -►

3) Наберите имя проекта (Schematic l) и нажмите Сохранить.

Ï Untitled Project - AWR Desig

file Edit View Project Smu

Создать новый проект -Сошть новый проект с библиотекой -Открьпь существующий проект Открыть пример -Закрыть проект

Сохранить текущий проект Дать имя проект}" Переслать проект

Q New Project Ctrl+N

S New With Library ££ Open Project Ctrl+0 Open Example. 1 Close Project

У £sve Project Cirl+S Щ- Save Project As Send Project To

m

;

Рис. 2.2. Имя активного проекта отображается в заголовке основного окна.

Шаг 2. Установка единиц измерения, используемых по умолчанию.

Чтобы установить единицы измерения, которые будут использоваться в проекте по умолчанию нужно:

1. выбрать Options>Project Options (Опции>Опции проекта) в выпадающем меню (рис. 2.3), после этого откроется диалоговое окно Project Options (рис. 2.4).

Options | Tools Scripts Window

Environment Options-

Project Options-

Layout Options-Default Circuit Options... Default System Options-Default EM Options... Default Graph Options

Drawing Layers-Рис. 2.3. Выбор в контекстном меню опций проекта.

Project Options

Frequencies j Schematics/Diagrams Global Units Interpolation/Passivity

Frequency Resistance

GHz [У Ohm fc

Angle Conductance

Deg [Г S FT

Temperature inductance

DegC ft nH IT

Time Capacitance

ns |C pF fë

Voilage Current

II rrA

Use Base Units

Power Linear mW Log dßm

Length О Metric units Length type mil

OK

Отмена

Справка

Рис. 2.4. Диалоговое окно установки единиц измерения.

2. выбрать Global Units (Глобальные опции) в верхней части диалогового окна.

3. установить нужные единицы измерения, щёлкая по стрелкам, справа от поля ввода соответствующей единицы так, чтобы они соответствовали показанным на рис. 2.4, снимите флажок в поле Metric units (Метрические единицы), установите mil в поле Length type и нажмите ОК.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Аунг Бо Бо Хейн, 2014 год

ЛИТЕРАТУРА

1. С. Кузьмин. Тенденции развития СВЧ электроники для широкополосных применений. 2014. Интернет

2. I. D. Robertson, S. Lucyszyn. RFIC and MMIC Design and Technology. 2001, 562 pp.

3. Takashi Mimura: 'The Early History of the High Electron Mobility Transistor (HEMT). IEEE TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY AND TECHNIQUES, VOL. 50, NO. 3, MARCH 2002,.

4. Описаие программы Microwave Office. Интернет.

5. В.Д. Разевиг, Ю.В. Потапов, А.А. Курушин. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. М., СОЛОН - Пресс, 2003

6. Е.Е. Дмитриев. Основы моделирования в Microwave Office 2007. Интернет, 2008.

7. Е.Е. Дмитриев. Основы моделирования в Microwave Office 2009. Интернет, 2010.

8. Eurointech. AWR Microwave Office. Интернет.

9. B.A. Романюк. Основы радиосвязи. М. Высшее образование. Юрайт. 2009,288 с.

10. Л. Белов. Преобразователи частоты. Современные ВЧ-компоненты. //Электроника. Наука, Технология, Бизнес. 2004, №2, с. 10-15.

11. Millimeter-Wave MMICs and Application. Thesis by Matthew Alexander Morgan. California Institute of Technology. Pasadena, California, March 24, 2003.

12. Активные смесители серии Mag 10// Hewlett Packard AN SO-13.

13. S.A. Maas, Microwave mixers.// Artech House, Norwood, MA, -1993.

14. J.P.Silver. Gillbert cell mixer design tutorial.// RF, RFIC and Microwave theory, design, www.rfic.co.uk.

15. Javier Reina-Tosiba, Carlos Crespo and oth. GaAs MMIC Mixer based on the Gilbert ctll with HEMTs based on the subthreshold region.// Microwave and optical technology letters, vol. 28, № 4, February 2001, pp. 241-244

16. T. Brabetz, N. B. Buchanan, and V. F. Fusco. Effect of Device Gain compression on V-band pHEMT mixer performance.// Microwave and Optical technology letters. Vol. 39, No. 6, December -2003

17. John W. Archer. A 80-100 GHz image-reject HEMT Mixer. Microwave and Optical technology letters. Vol. 48, No. 12, December -2006

18. Dan An,l Sung-Chan Kim,2 and Jin-Koo Rhee. High-Performance W-band MMIC Mixer module using GaAs metamorphic HEMT. // Microwave and Optical technology letters.Vol. 52, No. 4, April- 2010.

19. Active GaAs FET mixers using the ATF-10136, ATF-13736 and ATF-13484. //Application note G005, Hewlett-Packard Co, 1992.

20. E. Gosse, L. Picheta, E.A. Allamando. K-band monolitchic mixer with the use of a GaAS cold FET.// Microwave and optical technology letters, vol. 14, № 4, March 1997, pp. 199-202.

21. Bert Buxton, Ruediger Vahldieck, Jens Bornemann. An active dual-gate GaAs FET mixer for 800 MHz low current consumption mountain top repeaters. //IEEE Pacific Rim conference on communication, computers and signal processing, May 9-10, 1991, pp. 67-70.

22. Mikko Varonen, Mikko Karkainen, Jan Riska and oth. Resistive HEMT mixers for 60-GHz broad-band telecommunication. //IEEE Transaction on Microwave Theory and Techniques, vol. 53, № 4, April 2005, pp. 1322-1331.

23. Sang-Heung Lee, Jong-Won Lim, Hokyun Ahn and oth. Characteristic of a 60 GHz MMIC Mixer with an open stub microstrip line.// Microwave and optical technology letters, vol. 52, № 6, June 2009, pp. 1341 - 1345.

24. S.E. Gunnarsson, M. Gavell, D. Kuylenstierna and H. Zirath. 60 GHz MMIC double balanced Gilbert mixer in mHEMT technology with integrated RF, LO and IF batons.// ELECTRONICS LETTERS 23rd November -2006- Vol. 42 No. 24.

25. Jhe-Jia Kuo; Chun-Hsien Lien; Zuo-Min Tsai; Kun-You Lin; Schmalz, K.;Scheytt, J.C.; Huei Wang Design and Analysis of Down-Conversion Gate/Base-PumpedHarmonic Mixers Using Novel Reduced-Size 180 Hybrid With Different Input Frequencies. // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques.Volume: 60 , Issue: 8 : - 2012 , Page(s): 2473-2485.

26. И.Шахнович. Твердотельные СВЧ-технологии. Невоспетые герои беспроводной революции.//Элекгроника НТБ, выпуск 4, 2005, 7 с.

27. Jian-An Hou, Jui-Chieh Chiu, and Yeong-Her Wang. A compact Ku-band MMIC subgarmonic image rejection mixer using an active filter.

28. А.А. Коколов, M.B. Черкашин. Построение и характеристики СВЧ монолитных СВЧ усилителей мощности на основе полупроводниковых материалов GaAs и GaN. //доклады Тусура №2 (24) часть 2, декабрь 2011, с. 17-23.

29. Роман Александров. Монолитные интегральные схемы СВЧ: взгляд изнутри. Компоненты и технологии, №9, 2005.

30. Microwave and Optical technology letters. Vol. 49, No. 12, December 2007.

31. John W. Archer. A 80-100 GHz image-reject passive HEMT Mixer.Интернет.

32. М.Е.Белкин, JI.M. Белкин. Особенности построения резистивных смесителей диапазона крайне высоких частот в монолитном исполнении. Интернет.

33. Microwave FET mixer arranged to receive RF input an gate electrode. http://www. Patentgenius.com/patent/4592095.html

34. 37 - 40 GHz down converter. United monolithic semiconducters. MFC-P013811-QDG.

35. Youngwoo Kwon and Dimitris Pavlidis. A Study of Subterahertz HEMT Monolithic Oscillators . Third International Symposium on Space Terahertz Technology

36. Ю.Потапов. Моделирование СВЧ-смесителя. Инженерная микроэлектроника, №2(65) февраль 2002.

37. Microwave Office. AWRDE Simulation and Analysis Guide. 6.3. Nonlinear Noise Analysis, p.l - 9.

38. В.И.Нефедов. Основы радиоэлектроники и связи. Москва «Высшая школа» 2005.

39. Описание программы «Microwave Office». Examples, Mixers.

40. Ф.И. Шеерман, JI.И. Бабак, А.А. Баров, В.А. Вьюшков. Проектирование

монолитного усилителя мощности диапазона 8-12 Ггц с помощью программ

автоматизированного синтеза. Сборник докладов конференции «Электронные

средства и системы управления». Томск 2005.

160

41. Б.Е.Петров, В.А.Романюк. Радиопередающие устройства на полупроводниковых приборах. Москва, «Высшая школа», 1989.

42. Microwave Doubler: Model SYS2H1324N01X. Microwave Journal, January 2011.

43. В.А.Красник, Л.В.Манченко, А.Б.Пашковский, Т.И.Потапова, В.А.Пчелин. Нелинейная модель полевых транзисторов с субмикронным затвором на гетероструктурах с селективным легированием. Электронная техника, сер.1, СВЧ-техника, вып 4(492). 2007. С.25-28..

44. MWO/AO Element Catalog> Nonlinear>FET.

45. Microwave and Optical technology letters. Vol. 48, No. 12, December -2006

46. K. Yhland, N. Rorsman, M. Garcia, and H. Merkel, A Symmetrical HFET/MESFET Model Suitable for Intermodulation analysis of Amplifiers and Resistive FET Mixers.//IEEE Trans. Microwave Theory Tech., vol. 48, p. 15 (Jan., 2000).

47. В.Поляков, Б. Степанов. Смеситель гетеродинного приемника. "Радио" №4 1983.

48. В. Романюк. Транзисторный смеситель СВЧ с повышенным коэффициентом передачи мощности. Современная электроника, №3, 2012.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1 Акт о внедрении результатов диссертационной работы

"УТВЕРЖДАЮ" Проректор бной работе

шатова И.Г.

2014г.

-- J

АКТ

использования результатов днссергацнонной работы Aym* Во Бо ХсГига «Моделирование и оптимизация активных нелинейных ради сод с ктр о i ш u х компо-иентов на 11 CMT-Tpai писторах лля монолитных микроволновых шпегралышх

на соискание ученой степени кандидата технических наук по специальности 05.27.01.

Комиссия в следующем составе:

председатель комиссии - Чнспохни B.B. - к.т.н.. профессор, заведующий кафедрой МРТУС,

члены комиссии:

1) Бахвалова С.Л. • к.т.н., доцент кафедры МРТУС;

2) Чуйко В.Г. - к.т.и., доцент кафедры МРТУС

составили настоящий акт s том, что результаты исследований, подученные в диссертационной работе, а именно:

- методы проектирования электрических схем пелинеЛпих усилителей, умножителей частоты н смесителей СВЧ с использованием аналитических расчетов к компьютерного моделирования.

- схемы активных смесителей частот миллиметрового диапазона длин поли, имеющие максимальное усиление преобразования,

- сравнение схем смесителей СВЧ на полевых транзисторах структуры НЕМТ,

- метод увеличения усиления преобразования транзисторных смесителей путем организации положи гслыюй обратной сими по промежуточной частоте,

схем миллиметрового диапазона»

• способы увеличения ратаячок между »ходам» и выходом активных смесителей частот

используются в учебном процессе Национального исследовательского университс-та «МИЭТ» в лекционных и практических занятиях но дисциплине «Приемопередающие устройства» кафедры МРТУС.

По результатам диссертационной работы поставлены следующие лабор,норные работы для магистрантов по дисциплине «Практикум по приемопередающим устройствам в Microwave Office»:

1) «Исследование усиди гелей мощности».

2) «Проекпфопанисуси.ипелеП мощности».

3) «Умножитель частоты»,

4) «Смеситель частот на нолевом тряизисгоре»

Председатель комиссии

В.В. Чиспохин

Члены комиссии:

С.Л. Ьлхналона

/ •

13.Г. ЧуПко

Порядок проектирования усилителя мощности миллиметрового диапазона в

Microwave Office

Цель проектирования - получить оптимальную схему усилителя мощности, работающего на частоте миллиметрового диапазона, имеющую максимальный

коэффициент усиления Кр = 10 lg ^вых/р дБ при ограничениях на допустимые

ВХ

значения напряжения на затворе и постоянного тока стока, а также заданной величине входной мощности.

1. Измерить статическую переходную характеристику транзистора при номинальном напряжении сток-исток. Определить начальное напряжение смещения на затворе Uc м0, соответствующее середине переходной вольт-амперной характеристики транзистора.

2. Рассчитать сопротивления разделительных емкостей Хр и блокировочных индуктивностей Хбл. Для электромагнитных колебаний входной частоты Хр < 1 Ом, Хбл > 500 Ом.

3. Составить начальную схему усилителя мощности, содержащую транзистор, включенный по схеме с общим истоком, источники питания и смещения, разделительные емкости, блокировочные индуктивности, входной порт типа PORT 1 и простой выходной порт. Включить амперметр в цепь стока, вольтметр для измерения напряжения между затвором и истоком. Установить напряжение питания номинальное, напряжение смещения Ucm0, сопротивления портов 50 Ом, входную мощность 10 дБм.

4. Измерить зависимость от частоты коэффициента мощности усилителя. Используя команды Simulate, Tune, найти оптимальные значения напряжения смещения и сопротивления выходного порта, соответствующее максимальному коэффициенту усиления на заданной частоте колебаний.

5. Рассчитать и включить в схему выходную согласующую цепь, преобразующую оптимальное сопротивление выходного порта в стандартное сопротивление нагрузки 50 Ом.

6. В нелинейном режиме работы Microwave Office рассчитать зависимости от частоты действительной RBX и мнимой Хвх частей входного сопротивления транзистора.

7. Рассчитать и включить в схему реактивность, компенсирующую Хш.

8. Рассчитать и включить в схему входную согласующие цепь, преобразующую действительную часть входного сопротивления RBX в стандартное сопротивление 50 Ом.

9. Измерить зависимость от времени напряжения на затворе и ток стока транзистора. Сравнить максимальные измеренные значения с предельно допустимыми. Если напряжение или ток вышли за границы допустимых значений, скорректировать напряжения питания и смещения.

10. Заменить фиксированное смещение схемой автоматического смещения. Для этого исключить из схемы усилителя источник напряжения смещения, последовательно с выводом истока включить сопротивление автосмещения, зашунтировав его блокировочной емкостью. Величину сопротивления автосмещения можно найти по формуле R см = U3q / I ст0, где U з0 напряжение смещения на затворе, / сто постоянный ток стока. Блокировочную индуктивность цепи смещения целесообразно заменить блокировочным сопротивлением. Так как в полевом транзисторе постоянный ток затвора весьма мал, включение резистора практически не изменит напряжения смещения между затвором и стоком.

11. Используя команды Simulate, Tune, добиться максимального значения Кр на заданной частоте входных колебаний путем корректировки параметров элементов схемы.

12. Окончательно проверить допустимость мгновенного значения напряжения на затворе и постоянного тока стока транзистора.

Порядок проектирования схемы транзисторного умножителя частоты в

Microwave Office

Цель проектирования - получить оптимальную схему умножителя частоты на

р

п, имеющую максимальный коэффициент передачи мощности Кр = 10 lg -Д дБ при

ограничениях на допустимые значения напряжения на затворе и постоянного тока стока, а также заданной величине входной мощности (Рп - мощность п-гармоники входных колебаний, Рх - мощность первой гармоники).

1. Измерить статическую переходную характеристику транзистора при номинальном напряжении сток-исток. Определить начальное напряжение смещения на затворе Um0, соответствующее наибольшей кривизне характеристики вблизи ее нижнего изгиба.

2. Рассчитать сопротивления разделительных емкостей Хр и блокировочных индуктивностей Для электромагнитных колебаний входной частоты Хр < 1 Ом, Х6л > 500 Ом.

3. Составить начальную схему умножителя частоты, содержащую транзистор, включенный по схеме с общим истоком, источники питания и смещения, разделительные емкости, блокировочные индуктивности, входной порт типа PORT 1 и простой выходной порт. Включить амперметр в цепь стока, вольтметр для измерения напряжения между затвором и истоком. Установить напряжение питания номинальное, напряжение смещения t/CM0, сопротивления портов 50 Ом, входную мощность 10 дБм.

4. Измерить амплитуду n-гармоники тока стока. Применяя команды Simulate, Tune, добиться ее максимального значения путем изменения напряжения смещения.

5. Измерить выходной спектр мощности. Используя Simulate, Tune, получить максимальную мощность n-гармоники, оптимизируя сопротивление выходного порта.

6. Аналитически рассчитать и включить в схему выходную согласующую цепь, преобразующую на частоте n-гармоники стандартное сопротивление нагрузки умножителя 50 Ом в оптимальное сопротивление на выходе транзистора, полученное на предыдущем шаге.

7. В нелинейном режиме работы Microwave Office рассчитать зависимости от частоты действительной RBX и мнимой Хвх частей входного сопротивления транзистора.

8. Рассчитать и включить в схему реактивность, компенсирующую Хвх.

9. Рассчитать и включить в схему входную согласующую цепь, преобразующую действительную часть входного сопротивления RBX в стандартное сопротивление 50 Ом.

10. Измерить зависимость от времени напряжения на затворе и ток стока транзистора . Сравнить максимальные измеренные значения с предельно допустимыми. Если напряжение или ток вышли за границы допустимых значений, скорректировать напряжения питания и смещения.

11. Измерить зависимость от частоты коэффициента передачи мощности умножителя. С этой целью в нелинейном режиме работы Microwave Office использовать расчет S- параметров транзистора в режиме большой амплитуды колебаний LSSnm. Число п - номер выходной гармоники, число т=1.

12. Используя команды Simulate, Tune, добиться максимального значения Кр на заданной частоте входных колебаний путем корректировки параметров элементов схемы.

13. Окончательно проверить допустимость мгновенного значения напряжения на затворе и постоянного тока стока транзистора.

Порядок проектирования схем транзисторных смесителей СВЧ для понижающих

преобразователей частоты в Microwave Office

Задача проектирования состоит в том, чтобы создать оптимальную электрическую схему, по возможности, простого транзисторного смесителя частот, пригодную для выполнения монолитной микроволновой интегральной схемы миллиметрового диапазона длин волн. Критерий оптимальности - максимум коэффициента преобразования при ограничениях на допустимые напряжения и токи транзистора. Кроме того, учитывались следующие параметры смесителя: уровень побочных составляющих в спектре выходной мощности, развязки между портами, полоса пропускания, требуемая мощность гетеродина.

1. Измерить в Microwave Office статическую переходную характеристику транзистора. Определить разрешенный диапазон напряжений смещения между затвором и истоком, в котором напряжение на затворе и ток стока не превышают допустимого значения.

2. Составить начальную схему смесителя частот на одном транзисторе с заземленным истоком, включающую транзистор, источники питания на сток и смещения на затвор, блокировочные индуктивности и разделительные емкости, диплесер (если необходимо по моделируемой схеме), входной порт типа PORT1 для подачи напряжения гетеродина и PORTF для подачи напряжения сигнала, а также простой выходной порт. Напряжение питания установить равным номинальному значению, напряжение смещения в середине разрешенного участка, сопротивления портов - стандартные, равные 50 Ом. Включить в схему измерительные приборы.

3. Мощность гетеродина частоты /г установить равной 10 дБм, частоту сигнала /с в порту PORTF установить следующим образом Freq=_FREQHl+/np, где /пр - промежуточная частота, мощность сигнала (-10 дБ).

4. Измерить модуль амплитуды тока стока промежуточной частоты /пр. Используя команды Simulate, Tune, добиться максимума /пр путем изменения

напряжения смещения, мощности гетеродина и выходных сопротивлений источников сигнала и гетеродина. Определить оптимальные выходные сопротивления источников сигнала и гетеродина.

5. Измерить спектр выходной мощности смесителя. Изменяя сопротивление выходного порта, найти максимальную мощность промежуточной частоты. Определить оптимальное выходное сопротивление смесителя.

6. Рассчитать цепи согласования и фильтрации напряжений сигнала и гетеродина, а также напряжения промежуточной частоты. Включить согласующие цепи в схему смесителя.

7. Измерить амплитудно-частотную характеристику смесителя, то есть зависимость коэффициента передачи мощности от частоты гетеродина. Корректируя параметры схемы, добиться максимума коэффициента преобразования на заданной частоте.

8. Измерить зависимости от времени напряжений и токов транзистора. Проверить допустимость их значений. Если напряжения и токи превышают предельно допустимые значения, скорректировать напряжение смещения и напряжение питания.

9. Измерить выходной спектр смесителя, развязки между портами смесителя, зависимость коэффициента передачи мощности смесителя от мощности гетеродина. При необходимости уменьшить уровень спектральных составляющих в выходной мощности смесителя и увеличить развязки между портами изменить согласующие цепи в соответствии с содержанием 4-й главы диссертации.

10. Заменить фиксированное напряжение смещения автоматическим аналогично тому, как это делается при проектировании усилителя мощности.