Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Отинципы построения СВЧ модулей систем космической связи 14
Глава 2. Проектирование СВЧ модулей на основе арсенид-галлиевых схем 31
2.1 Анализ работы арсенид-галлиевого ПТШ в ключевом режиме 31
2.2 Реализация СВЧ фазовращателей в виде арсенид-галлиевых ИС...49
2.3 Особенности проектирования интегральных схем усилителей мощности 80
2.4 Эффективность использования арсенид-галлиевых интегральных схем в СВЧ аппаратуре 92
Глава 3. Влияние технологических факторов на параметры арсенид-галлиевых интегральных схем и СВЧ модулей на их основе 108
3.1 Базовая технология изготовления арсенид-галлиевых интегральных схем для аппаратуры систем связи 110
3.2 Технология изготовления бескорпусных и герметичных модулей на основе арсенид-галлиевых интегральных схем 116
3.3 Оценка надежности СВЧ модулей на основе арсенид-галлиевых интегральных схем 118
Глава 4. Построение СВЧ модулей на основе дискретных элементов 125
4.1 Проектирование приемных конверторов СВЧ диапазона на зарубежной элементной базе 125
4.2 Использование в приемных модулях полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах 132
4.3 Построение приемных трактов с распределенной фильтрацией... 136
4.4 Принципы построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР 145
4.5 Оптимизация конструкции СВЧ модулей для серийного производства 151
Глава 5. Использование элементов микроэлектромеханических систем в СВЧ модулях 158
5.1 Анализ работы микроэлектромеханического переключателя в СВЧ диапазоне 160
5.2 Построение СВЧ фазовращателей на основе микроэлектромеханических переключателей 174
5.3 Элементы МЭМС СВЧ диапазона для систем связи и радиолокации 182
Заключение 185
Литература 189
Приложение 208
- Отинципы построения СВЧ модулей систем космической связи
- Особенности проектирования интегральных схем усилителей мощности
- Технология изготовления бескорпусных и герметичных модулей на основе арсенид-галлиевых интегральных схем
- Использование в приемных модулях полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах
Введение к работе
Повышение степени интеграции СВЧ модулей радиоэлектронной аппаратуры имеет особое значение для бортовой аппаратуры космической связи и носимой, перевозимой и стационарной наземной аппаратуры. Под модулем СВЧ понимается радиоэлектронное изделие СВЧ диапазона, имеющее законченное схемное и конструктивное исполнение, состоящее из одного или нескольких функциональных узлов, неремонтопригодное в условиях эксплуатации, взаимозаменяемое. Функциональный узел СВЧ -сборочная единица или деталь, выполняющая одну или несколько радиотехнических функций и предназначенная для работы в СВЧ диапазоне в составе модуля СВЧ [1].
По конструктивно-технологическому исполнению СВЧ модули разделяются на коаксиально-волноводные, интегральные и комбинированные. Другим признаком разделения модулей является выполняемая обобщенная радиотехническая функция. Так различают модули генераторные, усилительные, преобразовательные и комбинированные. На более низком уровне разделяют изделия, отличающиеся выполняемой конкретной радиотехнической функцией: автогенераторы, малошумящие усилители, усилители мощности и др. По количеству выполняемых функций модули подразделяются на однофункциональные и многофункциональные. Используемый в модуле активный комплектующий элемент или функциональный узел на его основе дает наименование модулю в целом [2].
Модули СВЧ характеризуются большим числом электрических параметров, важнейшими из которых являются рабочий диапазон частот, полоса рабочих частот, коэффициент передачи, выходная мощность, коэффициент шума и коэффициент стоячей волны по напряжению (КСВН) по входу и выходу. К модулям, используемым в системах космической связи, предъявляются дополнительные технические требования, обусловленные размещением модулей в составе бортовой аппаратуры космического аппарата. Надежность модулей определяет срок активного существования
-5-- ...-;'
(GAC) бортового радиотехнического комплекса (БРТК) и характеризуется временем безотказной работы. Требования по радиационной стойкости модулей определяются условиями эксплуатации в открытом космическом пространстве без дополнительной радиационной защиты. При совместной, работе приемной и передающей аппаратуры близких частотных диапазонов в условиях ограниченного пространственного разноса антенных систем необходимо решать проблему помехозащищенности*приемных трактов, т. е. решать задачу электромагнитной совместимости (ЭМС). Устойчивость к воздействию климатических и механических факторов при минимальных массогабаритных характеристиках модулей является важнейшим требованием бортовой аппаратуры. Используемые технические решения и технология изготовления модулей должны, обеспечить повторяемость параметров модулей в условиях промышленного серийного производства при оптимальных стоимостных характеристиках. Для наземной аппаратуры . систем космической связи в меньшей степени важны вопросы радиационной стойкости, зато более актуальны вопросы снижения стоимости изготовления в условиях серийного производства.
Федеральная целевая Программа «Национальная технологическая база на
2007 - 201Г г.г.» предусматривает разработку базовых технологий и базовых
конструкций электронных компонентов и приборов для-
сверхвысокочастотной электроники на основе последних достижений
микроэлектроники. ;
При помощи сложных радиоэлектронных систем решаются вопросы обеспечения жизнедеятельности и безопасности современных высокоразвитых государств, поэтому "Основы политики Российской Федерации в области развития электронной компонентной базы на период до 2010 года и дальнейшую перспективу», утвержденные Президентом Российской Федерации 11 апреля 2002 года, предусматривают концентрацию усилий и ресурсов на критических направлениях развития электронной
компонентной базы, к числу которых отнесено и создание сложных функциональных блоков, в том числе СВЧ диапазона.
Вопросам актуальности микроминиатюризации аппаратуры связи и радиолокации посвящены многочисленные работы Гуськова Г.Я., Блинова Г.А., Коледова Л.А., Панасенко П.В., Реброва СИ., Сестрорецкого Б.В., Чистякова Н.И. и других.
На момент выполнения данной работы отсутствовал промышленный выпуск арсенид-галлиевых интегральных схем СВЧ диапазона, удовлетворяющих требованиям, предъявляемым к бортовой аппаратуре связи нового поколения. Не существовало комплексного подхода к проектированию арсенид-галлиевых интегральных схем, позволяющего реализовать всю номенклатуру функциональных схем, требуемых для построения АФАР, на основе полупроводниковых структур арсенида галлия промышленного изготовления. Задача построения сложных многофункциональных модулей для серийного производства, способных работать в сложной электромагнитной обстановке, в том числе приемных модулей для многолучевых АФАР, не ставилась до начала 80-х годов по причине отсутствия в разработке подобных систем, Решению научно-технической проблемы создания СВЧ модулей для систем космической связи нового поколения и посвящена данная работа.
Диссертация состоит из введения, пяти глав и заключения. В первой главе рассмотрены принципы построения СВЧ модулей в зависимости от назначения и условий эксплуатации. Показана зависимость параметров модуля от характеристик и типа применяемых активных элементов.
Вторая глава посвящена вопросам проектирования СВЧ модулей на основе арсенид-галлиевых интегральных схем. Проведен анализ работы арсенид-галлиевого ПТШ в ключевом режиме для различных способов включения в СВЧ тракт при реализации фазовращателя в виде монолитной интегральной схемы. Исследована зависимость параметров СВЧ ключа от электрофизических параметров исходных структур арсенида галлия и
7 проведена оценка эффективности введения короткозамкнутых индуктивных шлейфов с целью снижения прямых потерь. Проведена оценка быстродействия СВЧ ключа на основе арсенид-галлиевого ПТШ и уровня максимальной управляемой мощности. Приведены результаты измерения характеристик трех типов первых отечественных арсенид-галлиевых ИС фазовращателей. Рассмотрены особенности проектирования интегральных схем усилителей мощности и проведена оценка эффективности использования спроектированных автором арсенид-галлиевых интегральных схем в составе модулей аппаратуры связи.
В третьей главе рассмотрено влияние технологических аспектов на характеристики арсенид-галлиевых интегральных схем и СВЧ модулей на их основе. Приведены результаты проведенных автором исследований радиационной стойкости СВЧ модулей на арсенид-галлиевых ИС и их надежностных характеристик.
В четвертой главе рассмотрены примененные автором методы построения СВЧ модулей повышенной интеграции на основе дискретных элементов для поверхностного монтажа. Рассмотрены вопросы использования в приемных модулях полосно-пропускающих фильтров на высокодобротных диэлектрических резонаторах. Проанализированы принципы построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР с точки зрения помехозащищенности и оптимизации конструкции для организации серийного производства модулей.
В пятой главе проведен анализ работы микроэлектромеханического переключателя в СВЧ диапазоне, реализованного на основе аморфных алмазоподобных пленок, и показана возможность реализации на его основе схемы фазовращателя в интегральном исполнении.
Таким образом, научно-техническая проблема, которая решается в данной работе заключается в разработке комплексного подхода к схемотехническим, технологическим и конструкторским решениям при
8 создании элементов и модулей СВЧ диапазона для космических систем связи.
Объектом исследования являются арсенид-галлиевые интегральные схемы, микросборки на их основе, гибридные интегральные схемы, сложные одно- и многофункциональные модули СВЧ диапазона.
Предметом исследования являются модели, методы и алгоритмы проектирования, технология и конструкция указанных выше компонентов.
Цель и задачи работы.
Целью диссертационной работы является решение научно-технической проблемы создания СВЧ модулей высокой степени интеграции для систем космической связи нового поколения. Совокупность теоретических, научно обоснованных технических решений, конструкторско-технологических основ проектирования и реализация устройств вносит значительный вклад в развитие экономики страны и повышение ее обороноспособности. Цель достигается путем решения следующих задач:
Исследование принципов проектирования арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения с высокой радиационной стойкостью и длительной наработкой на отказ.
Определение конструктивно-технологических требований к активным элементам арсенид-галлиевых ИС.
Построение многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР с высокой повторяемостью параметров для серийного производства.
Определение критериев проектирования входных приемных трактов АФАР для работы в сложной электромагнитной обстановке.
5. Определение требований к микроэлектромеханическим элементам,
изготовленных на основе аморфных алмазоподобных пленок, для
использования в СВЧ диапазоне частот.
9 Методы исследований.
При проведении исследований в диссертационной работе использовался математический аппарат, основанный на классических методах линейной алгебры и теории цепей, методы компьютерного моделирования и проектирования и натурного эксперимента. Использовались элементы теории надежности и метод экспертных оценок.
Научная новизна.
Исследованы и реализованы принципы проектирования арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения в СВЧ диапазоне.
Определены и сформулированы общие и частные конструктивно-технологические ограничения на проектирование активных элементов арсенид-галлиевых ИС.
Предложена методика оценки времени потери работоспособности СВЧ арсенид-галлиевых ИС во время импульсного воздействия факторов ядерного взрыва.
Разработана концепция построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР для работы в сложной электромагнитной обстановке.
Теоретически обоснована и практически подтверждена возможность использования полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах в конструкции СВЧ модулей с технологией поверхностного монтажа.
Определены требования к микромеханическим переключателям, изготовленным на основе аморфных алмазоподобных пленок, для применения в устройствах СВЧ диапазона.
Основные научные результаты и положения, выносимые на защиту.
Результаты разработки ряда модулей СВЧ диапазона на основе арсенид-галлиевых интегральных схем с длительной наработкой на отказ и высокой радиационной стойкостью для бортовой и наземной аппаратуры систем космической связи.
Схема унифицированного переключательного кристалла, позволяющая реализовать на его основе многоразрядный фазовращатель, фазовый модулятор, согласованный ключ и плавный аттенюатор в диапазоне частот до 5 ГГц.
Методы проектирования устройств СВЧ диапазона различного функционального назначения на основе однокаскадных усилителей в монолитном исполнении.
Схема построения многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР на основе синфазной двухуровневой разводки, позволяющей получать в широкой полосе частот минимальный фазовый разброс каналов с минимальным взаимным влиянием каналов,
Принцип построения приемных трактов АФАР с распределенной фильтрацией с целью обеспечения помехозащищенности и реализации минимальных шумовых характеристик с основным критерием сохранения линейного режима работы входных каскадов.
Обоснование возможности применения фильтров на высокодобротных диэлектрических резонаторах в конструкции модулей с поверхностным монтажом элементов на текстолитовую подложку.
Оценка конструктивно-технологических параметров микроэлектромеханического переключателя на основе алмазоподобных пленок для работы в СВЧ диапазоне.
Практическая значимость научных положений и выводов диссертационной работы.
Практическая значимость научных положений и выводов диссертационной работы заключается в разработке ряда арсенид-галлиевых ИС различного функционального назначения, использованных в приемных и передающих модулях систем космической связи 17Р53, 17Р78, В-200, В-400.
Разработана конструкция многоканальных приемных модулей многолучевых АФАР, адаптированная к серийному производству. Построение модулей с использованием данной концепции позволило
реализовать бортовую приемную АФАР изделия 14Р512 с высокими техническими и массогабаритными характеристиками.
Использование распределенной фильтрации в приемных трактах АФАР обеспечивает высокую помехозащищенность и способность функционирования в сложной электромагнитной обстановке.
Использование полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах в сочетании с технологией поверхностного монтажа элементов позволило спроектировать ряд блоков для малогабаритных станций космической связи ППС2Г1 и ППС2Г1.01. Блоки имеют высокую технологичность, малую трудоемкость сборки и регулировки. Использование технологии поверхностного монтажа позволило в короткие сроки спроектировать, изготовить и испытать приемные конверторы Ки- и X-диапазонов для станций приема информации с космических аппаратов дистанционного зондирования Земли 11Ф664 №2 и «Метеор-ЗМ», соответственно.
Получены высокочастотные характеристики первых отечественных микромеханических переключателей на основе аморфных алмазоподобных пленок, что позволяет использовать их в качестве управляющих элементов интегральных схем фазовращателей и переключателей СВЧ диапазона.
Достоверность результатов диссертационной работы подтверждается
-комплексностью проведенных исследований с использованием современных средств компьютерного моделирования;
-многократной экспериментальной проверкой теоретических результатов;
-обсуждениями на научно-технических конференциях, ссылками в технической литературе, а также экспертизами заявок на изобретения;
-положительными отзывами использования в промышленных образцах, изготовленных по типовым процессам микроэлектроники.
Реализация результатов работы. Результаты диссертационной работы в виде конструкторских и технологических документов внедрены на предприятиях НПО «Элас» г. Зеленоград, ПО «Радий» г. Москва, ПО «Тантал» г. Саратов, ГУЛ НПЦ «Спурт» г. Зеленоград, ОАО «Ижевский радиозавод» г. Ижевск, ОАО «Завод «Компонент» г. Зеленоград, ФГУП НИИ Физических проблем им. Ф.В. Лукина г. Зеленоград.
Апробация работы.
Основные результаты работы докладывались и обсуждались на международных, всесоюзных и всероссийских конференциях и семинарах:
Семинар «Проблемы и перспективы производства МЭА» Зеленоград. 1983
Семинар «Проблемы и перспективы производства МЭА» Зеленоград. 1985
Научно-технический семинар МЭП Фрязино. 1985
Семинар «Современная технология производства СВЧ схем». Минск. 1989
Семинар «Проблемы и перспективы построения широкополосных усилителей мощности в системах передачи информации» Севастополь. 1990 -Всесоюзная конференция "Применение дистанционных радиофизических методов в исследованиях природной среды". Ереван. 1990
2-я Крымская конференция «СВЧ -техника и спутниковый прием». Севастополь. 1992.
3-я Международная конференция «Спутниковая связь». Москва. 1998. -13-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2003)
-15-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2005) -16-я Международная Крымская конференция «СВЧ техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо 2006)
Публикации.
Основные результаты диссертации изложены в 52 работах, в том числе 37 научно-технических публикациях. Из них 10 статей опубликовано в
13 научно-технических журналах РФ из перечня ВАК Минобразования, 1 авторском свидетельстве СССР, 1 положительном решении на выдачу патента РФ, 1 заявке на изобретение и 12 научно-технических отчетах НИОКР.
Личный вклад. Все выносимые на защиту результаты и положения, составляющие основное содержание диссертационной работы разработаны и получены лично автором или при его непосредственном участии.
Структура и объем работы.
Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы из 185 наименований и приложений. Общий объем работы без учета приложений составляет 210 страниц, Диссертация содержит 87 рисунков и 11 таблиц.
Отинципы построения СВЧ модулей систем космической связи
Одним из основных критериев качества разработки модулей для систем космической связи является степень интеграции проектируемых устройств. Наиболее эффективный способ повышения степени интеграции СВЧ модулей заключается в повышении степени интеграции используемых узлов и компонентов.
С начала 80-х годов внимание разработчиков элементной базы СВЧ устройств привлечено к полупроводниковым интегральным схемам (ИС), в зарубежной литературе называемым монолитными ИС [3], под которыми подразумевают функционально законченные на кристалле микросхемы, где на поверхности или в объеме полупроводника сформированы активные и пассивные элементы микросхемы. Идея создания таких микросхем была выдвинута еще в 1958 г. [4], но не могла быть реализована в СВЧ диапазоне из-за недостаточного уровня развития технологии и отсутствия полупроводниковых материалов с необходимыми свойствами.
Полупроводниковые ИС по сравнению с гибридными (ГИС) с навесными активными элементами обладают следующими преимуществами: малыми размерами за счет высокой плотности компоновки элементов на кристалле и отсутствия контактных площадок для монтажа навесных активных элементов; повышенной надежностью за.счет устранения внутрисхемных проволочных соединений; расширенным частотным диапазоном за счет устранения паразитных реактивностей, присущих проволочным перемычкам; высокой воспроизводимостью параметров, обеспеченной групповыми методами обработки полупроводниковых пластин, что позволяет исключить трудоемкую работу по регулировке СВЧ устройств; «жесткое соединение» активного элемента с микрополосковыми цепями согласования повышает повторяемость параметров схемы; активные элементы в пределах одного кристалла имеют идентичные характеристики; возможностью автоматизированного измерения СВЧ параметров ИС на пластине, что позволяет вести разбраковку на ранних этапах изготовления ИС и тем самым снизить себестоимость изготовления годных кристаллов.
К недостаткам монолитных ИС можно отнести ограниченный проблемами теплоотвода уровень непрерывной выходной мощности усилителей, обычно до 1,5...3,0 Вт [5], и длительный цикл проектирования при отсутствии библиотеки стандартных элементов, что оправдано только при достаточно массовом выпуске кристаллов.
В 1980 г. в НИИ Микроприборов НПО «ЭЛАС» была изготовлена и испытана первая отечественная СВЧ интегральная схема малошумящего усилителя на арсениде галлия. На кристалле размером 4,0 х 4,0 х 0,4 мм в едином технологическом цикле был сформирован транзистор шириной 300 мкм, цепи питания и согласования [6-8]. На основе данного кристалла была спроектирована бескорпусная микросборка и ряд многокаскадных усилителей для бортового ретранслятора спутниковой связи. Несколько позже разработки в данной области начались в НИИ «Пульсар» г. Москва, ТИАСУР г. Томск,, СКТБ «Октава» г. Новосибирск, НПО «Исток» г. Фрязино. Наглядно выигрыш от использования монолитных ИС показан на рис. 1.1, где представлены блоки двухканальных МШУ аналогичного функционального состава, изготовленные на арсенид-галлиевых ИС и гибридных ИС на дискретных транзисторах в металлокерамических корпусах.
Попытки создать СВЧ схемы на кремнии для приемо-передающего модуля были предприняты еще в 1964 г. [9] в рамках проекта MERA по созданию РЛС с фазированной антенной решеткой. Планировалось спроектировать переключатель прием-передача Х- диапазона на p-i-n диодах, смеситель S- диапазона на диодах Шотки, двухкаскадный усилитель промежуточной частоты на биполярных транзисторах и умножитель частоты на четыре на варакторных диодах. Высокоомный кремний р- типа использовался в качестве СВЧ подложки, однако после высокотемпературных процессов диффузии полуизолирующие свойства кремния не сохранялись и потери в микрополосковых линиях (МПЛ) достигали 2.. .3 дБ/см. Лучшими диэлектрическими свойствами обладает полуизолирующий арсенид галлия, на котором сопротивление подложек, легированных хромом, достигает 10 ...10 Ом см [10]. Это позволяет реализовать на данном материале МПЛ с потерями 0,3.. .0,4 дБ/см, что лишь немного выше, чем на традиционных СВЧ материалах — поликоре и сапфире. Кроме того, арсенид галлия обладает высокой устойчивостью к воздействию специальных факторов [11, 12].
Первым приближением к монолитным ИС СВЧ диапазона явилась микросхема усилителя на арсениде галлия размером 1,8x1,2 мм", спроектированная специалистами фирмы Plessey (Великобритания) в 1976 г., которая обеспечивала коэффициент усиления 4,5 дБ в диапазоне частот 7,7...11,5 ГГц [13]. На кристалле в едином технологическом цикле были сформированы: полевой транзистор с затвором Шотки (ПТШ) и цепи согласования по входу и выходу, однако отсутствовали необходимые цепи питания. Первая попытка показала целесообразность совмещения на кристалле активного элемента и цепей согласования в микрополосковом исполнении. К настоящему времени за рубежом разработаны и выпускаются серийно ИС различного функционального назначения: сверхширокополосные усилители бегущей волны (УБВ), многокаскадные малошумящие усилители (МШУ), усилители средней мощности (УСМ) для непрерывного режима работы и усилители мощности (УМ) для импульсного режима работы, многодискретные фазовращатели и аттенюаторы. Конечная цель разработчиков данной продукции - создание приемо-передающих модулей на основе одного или нескольких кристаллов ИС для различных частотных диапазонов для использования в системах связи и радиолокации.
Основным активным элементов разработанных схем является ПТШ, конструкция которого была предложена Шокли в 1952 г. [14]. Планарная структура ПТШ позволяет получать размер затвора, определяющий быстродействие прибора, до 1 мкм методами контактной фотолитографии и 0,15...0,3 мкм с помощью электронно-лучевой литографии и излучения ультрафиолетового спектра. Использование в полевых транзисторах носителей одного типа и высокая подвижность электронов в арсениде галлия, примерно в пять раз превышающая подвижность носителей заряда в кремнии, обеспечивают граничную частоту арсенид-галлиевых ПТШ до 300 ГГц, что позволяет использовать их в миллиметровом диапазоне.
Затраты на разработку базовой технологии и проектирование сложных ИС оправданы только при серийном выпуске кристаллов. Массовую потребность в монолитных СВЧ ИС могут обеспечить две быстроразвивающиеся области: системы с активными фазированными антенными решетками (АФАР) и системы фиксированной широкополосной, мобильной и подвижной связи СВЧ диапазона, где по оценкам специалистов потребность в кристаллах ИС составит миллионы штук в год [15].
Особенности проектирования интегральных схем усилителей мощности
При работе арсенид-галлиевого ПТШ в ключевом режиме рассматривается два состояния транзистора - с полностью открытым каналам и полностью закрытым каналом. При этом не требуется проектирование согласующих цепей, проектируется микрополосковая линия или квадратурный мост. Для того, чтобы спроектировать входную и выходную согласующие цепи (СЦ) транзисторного усилителя, необходимо иметь информацию о значениях импедансов транзистора в требуемом частотном диапазоне. Частотные зависимости импедансов ПТШ могут быть получены в результате расчетов при известных параметрах эквивалентной схемы транзистора, либо измерены экспериментально. Использование эквивалентных схем транзисторов позволяет сократить сроки проектирования усилителей, однако эффективность такого подхода ограничена для схем усилителей мощности из-за недостаточной точности задания параметров эквивалентных схем в режиме большого сигнала [82-88]. Уменьшение погрешности определения импедансов транзисторов в режиме реального сигнала может быть достигнуто при отказе использования эквивалентных схем ПТШ и описании транзистора на основе его внешних характеристик как четырехполюсника. Такое описание ПТШ является более точным, так как основано на непосредственном измерении его параметров в реальном режиме возбуждения, нагрузки, питания и автоматически учитывает все взаимосвязи внутри транзистора [85].
Частотные зависимости импедансов транзистора в требуемой рабочей полосе являются исходными данными для второго этапа проектирования усилителей - синтеза согласующих цепей. Наибольшее развитие получили два принципиально разных подхода к решению задачи согласования — аналитические методы и методы параметрической оптимизации [89-91]. Подход, основанный на использовании аналитических методов синтеза согласующих цепей, пригоден для согласования чисто активного сопротивления генератора с комплексным сопротивлением нагрузки, представленным в виде простых цепочек из R, L, С - элементов. Функция передачи согласующей цепи при этом аппроксимируется аналитической зависимостью. Результатом синтеза аналитическими методами является структура согласующей цепи и номиналы ее элементов, что считается несомненным достоинством аналитического подхода [92]. К недостаткам аналитических методов синтеза СЦ относятся невозможность применения этих методов для согласования двух произвольных комплексных импедансов, необходимость в котором возникает при проектировании межкаскадных цепей усилителя мощности в интегральном исполнении, и необходимость аппроксимации сопротивления нагрузки и функции передачи цепи, что вносит погрешность в результат проектирования [93]. Кроме аналитического подхода к решению задачи согласования существует ряд методов параметрического синтеза согласующих цепей, основанных на многомерной оптимизации с использованием ЭВМ. Такой подход является более традиционным и широко используется для инженерного проектирования. Эффективность параметрического синтеза в значительной степени ограничена необходимостью первоначального выбора структуры согласующей цепи. Если учесть то, что существует большое количество возможных структур СЦ, то выбор одной из них для проведения параметрической оптимизации требует обоснования, а его правильность зависит во многом от опыта разработчика.
Проектирование усилителей мощности в интегральном исполнении разбивается на следующие этапы: измерение входных и выходных импедансов транзистора в заданном частотном диапазоне при требуемых входной мощности, нагрузке, напряжениях питания и смещения [94]; синтез структур согласующих цепей и оптимизация номиналов их элементов [95];- определение геометрических размеров элементов согласующих цепей и реализация топологии кристалла усилителя мощности.
Усилители мощности в гибридном исполнении представляют собой микросборку из кристалла транзистора и цепей согласования и питания, реализуемых на подложках из сапфира или поликора. Минимальное значение ширины полоска и зазора между проводниками для гибридной технологии составляет40...60 мкм. Реализация усилителей мощности в виде монолитных схем на подложке арсенида галлия предполагает выполнение активных и пассивных элементов на одном кристалле в едином технологическом цикле, в этом случае минимальные зазоры и ширина проводников могут быть доведены до единиц микрон.
Описанный подход был реализован при проектировании бескорпусного модуля усилителя мощности сантиметрового диапазона с выходной мощностью более 1,0 Вт в диапазоне частот 2,5.. .5,0 ГГц. Для реализации общего коэффициента передачи модуля 10... 15 дБ было выбрано два каскада усиления. При выборе числа каскадов, реализуемых на одном кристалле, необходимо учитывать несколько противоречивых факторов - количество каскадов, ширину используемых транзисторов, коэффициент выхода годных, толщину кристалла для обеспечения теплоотвода, механическую прочность, потери в пассивных цепях согласования и питания. В данном случае предпочтение отдано однокаскадным унифицированным схемам для снижения сроков и стоимости разработки. Для обеспечения требуемой выходной мощности более 1,0 Вт в рабочей полосе частот 25.. .40 % в выходном каскаде необходимо использовать транзистор с шириной затвора 4 мм, а для возбуждения выходного каскада и обеспечения требуемого коэффициента усиления выбран транзистор с шириной затвора 1,6 мм. Удельная выходная мощность 0,3...0,5 Вт/мм была характерна для базовой технологии при использовании серийных структур арсенида галлия. Изначально была выбрана схема автосмещения, что позволяет использовать однополярный источник питания и делает усилитель устойчивым к перегрузкам по входу и изменению нагрузки по выходу.
Измерения импедансов транзисторов проводились на реальном сигнале методом тестовых плат по схеме, приведенной на рис. 2.25. На входной и выходной плате сформированы цепи известной структуры и после оптимального согласования в требуемой полосе частот пересчитываются значения элементов цепей и по следующим формулам вычисляются значения импедансов транзистора
Технология изготовления бескорпусных и герметичных модулей на основе арсенид-галлиевых интегральных схем
Арсенид-галлиевые ИС СВЧ диапазона используются только в составе герметичной аппаратуры, т.к. имеющаяся на кристалле защита не обеспечивает полную защиту от воздействия окружающей среды. До сих пор не удалось реализовать отечественные герметичные металлокерамические корпуса для отдельных кристаллов с приемлемыми высокочастотными характеристиками. Диэлектрические крышки из керамики или пластика служат только для механической защиты кристалла. Для обеспечения надежной эксплуатации арсенид-галлиевых ИС в составе бортовой радиоэлектронной аппаратуры герметичные корпуса блоков закачиваются осушенным инертным газом при избыточном давлении с точкой росы не выше минус 70 С. При длительном хранении арсенид-галлиевых ИС используется специальная групповая тара, по конструкции аналогичная герметичным корпусам.
Для эксплуатации в составе герметичных модулей арсенид-галлиевые ИС пайкой устанавливаются на металлическое основание из титана ВТ-1, имеющего коэффициент температурного расширения (КТР) близкий к арсениду галлия, и покрытое золотом толщиной 5 мкм. Для подачи СВЧ сигнала на входе и выходе микросборки пайкой устанавливаются поликоровые платы с 50-омной микрополосковой линией и тонкопленочными резисторами. Пайка осуществляется на припой ПСр 2,5 при температуре 280.. .300 С без использования флюса или с помощью эвтектического припоя германий-золото при температуре 380...400 С.
Для обеспечения теплоотвода от кристаллов усилителей мощности основания выполняются из меди с золотым покрытием толщиной не менее 5 мкм, при этом слой припоя демпфирует разницу КТР основания и кристалла ИС. Проведенные испытания показали устойчивость данной конструкции к воздействию механических факторов и термоциклов.
Микросварка выводов входа, выхода, питания и заземления осуществляется проволокой диаметром 30 мкм методом термокомпрессии. Для повышения надежности и снижения паразитной индуктивности присоединительных выводов параллельно устанавливается несколько проволочных перемычек.
Проведен сравнительный анализ влияния на высокочастотные характеристики интегральных усилителей проволочных выводов диаметром 30 мкм и плоских проводников толщиной 20 мкм, получаемых прокаткой золотой проволоки диаметром 50 мкм. Волновое сопротивление проволочного вывода составляет 17.. ..50 Ом, а плоского - 40.. .52 Ом в зависимости от высоты петли над заземляющей плоскостью. Индуктивность круглого проводника определяется по формуле: 1 [ мм] — длина проводника; d [ мм] - диаметр проводника. Индуктивность плоского проводника определяется по формуле: 1 [ мм] — длина проводника; w [ мм] - ширина проводника; t [ мм] — толщина проводника.
Расчеты показывают, что при длине проволочного проводника 0,2...0,5 мм его индуктивность составит 0,091...0,23 нГн. Для плоского проводника значение индуктивности лежит в пределах 0,068.. .0,17 нГн при той же длине.
Оценки показывают, что на частотах выше 10 ГГц индуктивность вносить дополнительное реактивное сопротивление порядка 2 Ом. В высокочастотном тракте дополнительная реактивность мало сказывается на потери, а в цепи заземления может возникнуть неустойчивый режим за счет образования положительной обратной связи и возникнуть паразитные резонансы. Кроме того, ширина плоского проводника близка к ширине 50-омной микрополосковой линии на кристалле арсенида галлия толщиной 200 мкм.
Таким образом, для получения оптимальных характеристик на частотах выше 10 ГГц для микросварки СВЧ тракта арсенид-галлиевых ИС и заземления элементов схемы целесообразно применять плоские проводники.
Для систем спутниковой связи особое значение имеет оценка надежности используемой элементной базы. В настоящее время разработка бортовой аппаратуры проводится исходя из срока активного существования космического аппарата 7...10 лет. Ставится задача довести данный параметр до 15 лет.
Надежность СВЧ арсенид-галлиевых ИС, как и других полупроводниковых приборов, зависит от факторов естественного старения различных элементов приборов, а также вероятности появления катастрофических отказов. В основе процессов старения лежат явления диффузии, распада твердых растворов и дефектообразования. Нагревание приборов и воздействие электрических полей стимулирует процессы старения, которые проявляются в арсенид-галлиевых ИС на основе ПТШ в снижении уровня тока насыщения, увеличении токов утечки затвора и изменении напряжения отсечки. Наиболее интенсивно процессы старения протекают в мощных транзисторах из-за высокой напряженности полей в гребенчатой структуре затвора ПТШ и высокой температуре в канале.
Использование в приемных модулях полосно-пропускающих фильтров на диэлектрических резонаторах
Одним из вариантов снижения размеров микроэлектронных устройств СВЧ диапазона является использование материалов с высокой диэлектрической проницаемостью. Наибольшее распространение получило использование резонаторов с высокой диэлектрической проницаемостью в полосно-пропускающих фильтрах [132-134]. Основными требованиями к керамическим материалам диэлектрических резонаторов являются повышение добротности и близкий к нулю температурный коэффициент диэлектрической проницаемости. Использование элементов термокомпенсации СВЧ схем и попытки получить составные диэлектрические резонаторы повышают сложность и снижают надежность устройства в целом. Совершенствование технологии изготовления диэлектрических резонаторов с высокой диэлектрической проницаемостью на основе твердых растворов ряда соединений, начатое в НИИ «Гириконд», продолжается в настоящее время ООО «Керамика» г. Санкт-Петербург. Проведенные работы показали возможность получения температурного коэффициента требуемого знака и величины от минус 6,0 МК"1 до + 15,0 МК"1 для резонаторов с диэлектрической проницаемостью 80 в интервале температур от минус 60 С до +80 С, как показано на рис. 4.6 [135-138]. В процессе исследований была установлена зависимость резонансной частоты от условий возбуждения резонатора, что позволило определить точные геометрические размеры резонатора и, тем самым, сократить трудоемкость регулировки полосно-пропускающих фильтров при изготовлении в условиях серийного производства. Отказ от механической перестройки с помощью винтов, выбор оптимального числа резонаторов и конструкция фильтра с использованием пенополиуретановой подложки достаточно четко обоснованы в работах В.Ф. Панина, Т.Н. Нарытника и др. [132,133,139-141]. Наибольшее распространение получили фильтры на диэлектрических резонаторах из материала ТБНС с диэлектрической проницаемостью 80. Для отбора резонаторов с нужной резонансной частотой и исследования свойств диэлектрических резонаторов используется контактирующее устройство (КУ), такое как изображенное на рис. 4.7.
Для реализации полосно-пропуекающих фильтров для изделия 14Р512 были выбраны резонаторы с диэлектрической проницаемостью 80, изготовленные по современной технологии [142]. Отношение высоты резонатора к его диаметру выбрано 0,6.. .0,7 в отличие от общепринятого 0,4...0,5 [143, 144]. Для каждого частотного диапазона были экспериментально определены оптимальные размеры отсека фильтра, что позволило спроектировать пять типов блоков с использованием диэлектрических резонаторов трех типов ВАЯП7.124.001, ВАЯП7.124.001-01 и ВАЯП7.124.002. Оптимизация геометрических размеров отсека фильтра позволяет сократить паразитные полосы пропускания, образующихся за счет высших типов колебаний в резонаторе. Конструкция фильтров максимально повторяет конструкцию КУ, что обеспечивает повторяемость характеристик отобранных резонаторов. В изделии 14Р512 диэлектрические резонаторы использованы в приемных модулях ВАЯП2.027.090, ВАЯП2.027.091, ВАЯП2.027.092, ВАЯП2.027.093 и ВАЯП2.027.097. Модули различаются составом, функциональным назначением, рабочей частотой и служат для обеспечения избирательности приемного тракта и выделения частотного канала в многолучевой АФАР. Рабочая частота модуля определяется полосой пропускания ППФ, так как были использованы широкополосные усилители, поэтому размеры диэлектрических резонаторов напрямую определяют рабочий диапазон работы модуля. Конструкция модуля с полосно-пропускающим фильтром на диэлектрических резонаторах приведена на рис. 4.8. Диэлектрические резонаторы располагаются на пенополиуретановои подложке с диэлектрической проницаемостью близкой к единице и толщиной не менее 2 мм для сохранения добротности резонаторов при расположении в корпусе.
Крепление резонаторов к подложкам и, соответственно, подложек к корпусу осуществляется клеем ВК-9, обеспечивающим минимальный вклад в искажение характеристик фильтров. Полосно-пропускающие фильтры на диэлектрических резонаторах обеспечивают прямые потери не более 1,5 дБ при рабочей полосе не более 2% и запирании более 40 дБ при отстройке на 200 МГц, что невозможно получить при использовании микрополосковых фильтров соизмеримых размеров. Проведенные испытания показали устойчивость данного типа фильтров к воздействию механических факторов с пиковым ускорением до 15 g [145, 146].
Использование диэлектрических резонаторов с высокой диэлектрической проницаемостью и высокой термостабильностью, изготовленных по современной технологии, позволяет реализовать малогабаритные полосно-пропускающие фильтры для приемных модулей систем космической связи, работающих в условиях сложной электромагнитной обстановки и для подавления внеполосных излучений на выходе передающих трактов. Кроме того, подобные фильтры незаменимы для подавления побочных каналов приема в понижающих преобразователях частоты при использовании низкой промежуточной частоты.
