Введение к работе
Актуальность работы. СВЧ усилители мощности (УМ) являются одними из важнейших и самых распространенных устройств современных радиоэлектронных систем, таких как системы мобильной связи (в том числе и нового поколения - 3G, 4G), беспроводной интернет - WiFi, LTE, радионавигационные системы - GPS, ГЛО-НАСС; военная техника - радиолокационные станции, самолеты нового поколения и т.п. Этот класс устройств во многом определяет важнейшие параметры радиоэлектронных систем (РЭС), такие, как излучаемую и потребляемую мощность, дальность действия, габариты и массу, надежность и стоимость.
Для того чтобы повысить скорость и качество передачи данных, современные беспроводные системы быстро развиваются: появляется множество новых стандартов передачи данных, повышаются рабочие частоты (вплоть до нескольких сотен ГГц), используются новые полупроводниковые технологии, ужесточаются требования к размерам, выходной мощности, к.п.д. и т.п. Поэтому инженеры постоянно находятся в процессе проектирования новых более быстрых и качественных интегральных схем.
Наиболее используемыми и перспективными технологиями производства полупроводниковых усилителей мощности в СВЧ и КВЧ диапазоне являются гетеро-структурные НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) технологии на основе полупроводниковых соединений GaAs и GaN. Указанные типы СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) имеют значительно лучшие параметры (диапазон рабочих частот, коэффициент усиления, выходную мощность и др.) по сравнению с традиционной MESFET технологией. На сегодня в России существует несколько организаций, в которых развиваются технологии по изготовлению СВЧ МИС на основе GaAs - ФГУП «Исток», ФГУП «Пульсар», ИСВЧПЭ РАН (все г. Москва), ОАО «НИИПП», НПФ «Микран» (оба г. Томск), а также GaN - ИСВЧПЭ РАН, ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ОАО «НИИПП», ЗАО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург).
Разработка современных СВЧ УМ невозможна без специализированных САПР, таких как Microwave Office (фирма Applied Wave Research, США), ADS (фирма Agilent Technologies, США) и др. С их использованием разработка СВЧ схем значительно ускоряется и удешевляется. Однако для проектирования СВЧ УМ необходимы точные математические модели СВЧ транзисторов, которые должны описывать поведение транзистора в заданном диапазоне частот и режимов по постоянному току, правильно отражать нелинейные эффекты и т.д., а также методики проектирования схем СВЧ УМ по заданным требованиям к комплексу характеристик, которые в существующих САПР слабо автоматизированы.
При проектировании СВЧ УМ для характеризации транзисторов как нелинейных приборов часто используются модели в виде эквивалентных схем (ЭС). Способы описания активных элементов (АЭ) в виде линейных и нелинейных ЭС достаточно широко рассмотрены в работах Г. Дамбрина, М. Беррота, Г. Компы, В. Кертиса, И. Ангелова, Г. Стаца, М. Эттенберга, А. Матерки, Д. Рута и др. При этом определение параметров (экстракция) линейной ЭС СВЧ транзистора является необходимым
этапом построения его нелинейной модели. Однако распространенные методы экстракции линейных моделей НЕМТ транзисторов не учитывают ряд эффектов, в частности, нелинейный характер зависимости сопротивления стока от напряжений смещения, что ведет к потере точности модели.
Несмотря на широкое распространение нелинейных моделей, задача их построения остается сложной и трудоемкой. До сих пор для распространенных видов нелинейных моделей отсутствует четкая формализованная процедура экстракции параметров. Как правило, применяется специализированное программное обеспечение (например, IC-CAP, AmCAD и др.), которое использует ряд аналитических выражений и методик для расчета ограниченного числа параметров моделей, остальные параметры вьиисляются при помощи оптимизационных методов. Однако данные САПР обладают очень высокой стоимостью, и не каждый университет или научно-исследовательская лаборатория может себе позволить их купить, кроме того, процедура является сложной и времязатратной.
Нелинейная модель ЕЕНЕМТ является одной из наиболее точных и распространенных моделей НЕМТ транзисторов. Во многих работах предприняты попытки расчета параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ без использования дорогостоящего программного обеспечения (ПО), однако описана экстракция только части параметров модели, расчет остальных параметров не рассмотрен. Нелинейная модель с учетом нелинейных зависимостей паразитных сопротивлений транзистора от режимов работы улучшает точность моделирования ВАХ и выходной мощности, однако в модели ЕЕНЕМТ и других распространенных моделях сопротивление стока считается постоянным. Таким образом, важной задачей является разработка полностью формализованной методики экстракции всех параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ СВЧ полевых транзисторов (с учетом нелинейного характера сопротивления стока) напрямую из измерений.
Другими способами характеризации мощных СВЧ транзисторов являются измеренные или смоделированные нагрузочные (load pull) диаграммы (контуры постоянной мощности или к.п.д. на диаграмме Вольперта-Смита) и болыпесигнальные параметры рассеяния (БСПР), а также улучшенный вариант БСПР - Х-параметры.
Существующие в настоящее время способы проектирования СВЧ УМ основаны на применении квазилинейных методов, нелинейных моделей СВЧ транзисторов, нагрузочных диаграмм, БСПР и Х-параметров. Однако все они имеют существенные недостатки.
Квазилинейный подход, предложенный С. Крипсом и развитый П. Абри, является по своей сути приближенным. Проектирование СВЧ УМ при помощи нелинейных моделей и Х-параметров основывается на итерационной оптимизации, что является времязатратным и не всегда приводит к оптимальному решению. Применению нагрузочных диаграмм для проектирования СВЧ УМ посвящены работы В.И. Кагано-ва, В.В. Должикова, Б.Г. Цыбаева, Дж. Дегенфорда, Дж. Кузака, и др. Однако нагрузочные диаграммы не дают возможности полностью характеризовать АЭ как нели-
нейный активный четырехполюсник, не позволяют точно оценить ряд других характеристик усилительного каскада, таких как коэффициент усиления, входной и выходной коэффициенты отражения, устойчивость.
Описание АЭ при помощи БСПР, а также применение этого аппарата для проектирования нелинейных СВЧ устройств рассмотрено в работах Г.В. Петрова, А.В. Хромова, В.Б. Текшева, В. Ленгтона, Р. Гилмора, П. Колантонио, Дж. Лёцци, Я. Вершпехта и др. Одним из главных достоинств характеризации усилительных приборов при помощи БСПР является то, что на их основе можно моделировать нелинейные СВЧ устройства (в частности, УМ) аналогично тому, как анализируются линейные цепи с помощью малосигнальных S-параметров. Недостатком БСПР является справедливость этих параметров только для тех условий работы, при которых они были измерены или рассчитаны. Работы, посвященные исследованию зависимостей БСПР от условий работы АЭ, автору не известны.
Одним из эффективных методов является структурный синтез СВЧ усилителей на основе декомпозиционного подхода и визуального проектирования, предложенный Л.И. Бабаком и развитый М.Ю. Покровским, М.В. Черкашиным, Ф.И. Шеерманом, И.М.Добушем. Однако методика была изначально разработана для проектирования линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей с использованием малосигнальных S-параметров. С точки зрения автора, перспективным является расширение визуальной методики проектирования для проектирования СВЧ УМ с применением нагрузочных диаграмм и БСПР.
Таким образом, задачи разработки методик построения линейных и нелинейных моделей СВЧ НЕМТ транзисторов, а также эффективных способов автоматизированного проектирования СВЧ УМ, являются актуальными.
На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные направления исследований.
Целью работы является разработка методик построения линейных и нелинейных моделей мощных СВЧ НЕМТ транзисторов, методик автоматизированного проектирования СВЧ усилителей мощности на основе болыпесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм; проектирование и исследование СВЧ транзисторных усилителей на основе отечественных и зарубежных гетероструктрурных GaAs и GaN НЕМТ монолитных технологий.
Цель работы достигается решением следующих основных задач.
-
Разработка методики экстракции параметров малосигнальной модели НЕМТ транзистора с учетом нелинейной зависимости сопротивления стока и оценка влияния погрешности измерений на точность определения этих параметров.
-
Разработка полностью формализованной методики экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ для GaAs и GaN НЕМТ транзисторов.
-
Разработка улучшенной нелинейной модели ЕЕНЕМТ с нелинейным сопротивлением стока и методики ее экстракции.
-
Построение, экспериментальное исследование и верификация нелинейных моделей мощных СВЧ транзисторов для отечественных монолитных GaAs и GaN технологий изготовления.
-
Исследование и анализ зависимостей БСПР НЕМТ транзисторов от входной мощности, импедансов генератора и нагрузки, режимов работы. Исследование различных способов расчета БСПР.
-
Разработка «визуальной» методики проектирования СВЧ УМ на основе декомпозиционного подхода и БСПР.
-
Разработка и экспериментальное исследование монолитных СВЧ УМ на основе отечественных и зарубежных GaAs и GaN НЕМТ технологий
Научная новизна работы заключается в следующем.
-
Предложена новая аналитическая методика экстракции параметров малосигнальной эквивалентной схемы гетероструктурных GaAs и GaN НЕМТ транзисторов с учетом зависимости сопротивления стока от напряжений смещения.
-
Разработана новая полностью формализованная методика экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ для гетероструктурных GaAs и GaN НЕМТ транзисторов, позволяющая также учесть нелинейный характер сопротивления стока.
-
Предложена новая интерактивная методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов на основе «визуального» подхода, болыпесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
-
Разработанные методики экстракции линейных и нелинейных моделей мощных СВЧ транзисторов повышают точность моделирования, а также позволяют упростить задачу построения моделей.
-
На основе проведенных исследований разработана программа автоматизированного построения малосигнальной модели полевых СВЧ транзисторов, что позволяет ускорить и облегчить решение данной задачи.
-
Для ряда гетероструктурных GaAs и GaN НЕМТ технологий отечественных производителей построены линейные и нелинейные модели СВЧ транзисторов, что дает возможность осуществить проектирование и разработку монолитных интегральных схем (МИС) усилителей мощности и других нелинейных СВЧ устройств на основе этих технологий.
-
Разработанная «визуальная» методика проектирования, основанная на болыпесигнальных параметрах рассеяния и нагрузочных диаграммах, позволяет осуществить синтез согласующих цепей в мощных СВЧ усилительных каскадах непосредственно по комплексу требований к характеристикам в режиме большого сигнала, включая выходную мощность, коэффициент усиления, коэффициент отражения на входе и выходе, устойчивость, а также обеспечивает простоту и наглядность расчетов.
-
С использованием построенных моделей АЭ и предложенных методик проектирования разработан ряд МИС транзисторных усилителей на основе отечественных и
зарубежных гетероструктурных GaAs и GaN НЕМТ технологий, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах.
Положения, выносимые на защиту.
1. Методика экстракции малосигнальной эквивалентной схемы гетероструктурного
НЕМТ транзистора с учетом нелинейного характера сопротивления стока позволя
ет повысить точность моделирования S-параметров в различных рабочих точках
до 6% по модулю и до 8 по фазе.
-
Разработанный алгоритм экстракции позволяет на полностью формализованной основе с использованием аналитических и численных процедур определить все параметры нелинейной модели ЕЕНЕМТ, необходимые для моделирования статических и ВЧ характеристик НЕМТ транзисторов в режимах малого и большого сигнала.
-
Методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов в нелинейном режиме на основе одновременного использования «визуального» подхода, боль-шесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм позволяет учесть комплекс требований к характеристикам каскада в заданном диапазоне частот и при этом повысить точность расчета коэффициента усиления, коэффициентов отражения по входу и выходу в режиме большого сигнала, а также обеспечивает простоту и наглядность проектирования.
Апробация результатов. Представленная работа выполнялась как составная НИР на кафедре КСУП ТУСУРа при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (в рамках проектов 08-07-99034-р_офи и 09-07-99020-р_офи) и Администрации Томской области (контракт №354/1 от 21.10.2009), а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы по направлениям «Нанотехнологии и наноматериалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1, 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1261, 14.740.11.1136, 14.740.11.0135), в том числе индивидуальный грант в рамках ФЦП (№14.132.21.1598).
Основные результаты работы [1-16] были изложены на следующих научно-практических конференциях: Международная европейская конференция «European Microwave Week», г. Амстердам, 2012 г.; Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо), г. Севастополь, 2010-2012 гг.; Международная конференция «Инновации в информационных и коммуникационных науках и технологиях, ТУ СУР, г. Томск, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2012 г.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2009-2013 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция
студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2009 -2013 гг.
Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации методы, алгоритмы, программные продукты, модели транзисторов и СВЧ транзисторные усилители внедрены и использованы при выполнении НИР в ОАО «НИИПП» (г. Томск), ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), в НОЦ «Нанотехнологии» (ТУСУР, г. Томск), а также в учебном процессе на кафедре КСУП ТУ СУР.
Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.
Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 51 работа, в том числе 13 статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК. Получены 2 свидетельства о государственной регистрации топологии интегральной схемы и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы составляет 260 страниц. Основная часть включает 228 страниц, в том числе 145 страниц текста, 134 рисунка и 40 таблиц. Список используемых источников содержит 163 наименования.
