Введение к работе
Актуальность работы. Одной из главных тенденций развития современной радиоэлектронной и телекоммуникационной аппаратуры является расширение полосы частот и освоение все более высокочастотных диапазонов для повышения емкости каналов, скорости и качества передачи данных. Применение СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) позволяет значительно улучшить основные технические параметры радиоэлектронных систем (РЭС), кардинально снизить массу и габариты аппаратуры, повысить надежность ее функционирования, уменьшить трудоемкость и себестоимость изготовления радиоэлектронных изделий в серийном производстве.
К основным потребителям СВЧ МИС относятся: высокоскоростные системы передачи данных; системы космической, спутниковой и мобильной связи; радиолокационные системы; системы наблюдения и радиоуправления и др. Ключевым составляющим элементом этих систем, во многом определяющим чувствительность, дальность действия и другие качественные характеристики, являются СВЧ монолитные усилители.
В см- и мм-диапазонах наилучший компромисс между стоимостью и характеристиками СВЧ монолитных усилителей обеспечивают гетероструктурные НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) технологии - псевдоморфные (рНЕМТ) и мета-морфные (шНЕМТ) на основе материала GaAs. Передовые фирмы в США, Европе, Японии и на Тайване разработали промышленные GaAs НЕМТ технологии изготовления СВЧ МИС и транзисторов с длиной затвора 130-150 нм, что соответствует частотному диапазону до 60 ГГц, и опытные 70-90 нм технологии с частотным диапазоном 120 ГГц.
За последние 5 лет в России наблюдается повышенный темп развития опытных гетероструктурных НЕМТ технологий изготовления СВЧ МИС и РЭС на их основе, на что указывает появление значительного количества публикаций в отечественной периодической литературе. В частности, подобные технологии развиваются в организациях: ФГУП НПП «Исток» (г. Фрязино), ФГУП НПП «Пульсар» (г. Москва), ИСВЧПЭ РАН (г.Москва), ОАО «Октава» (г.Новосибирск), ОАО «НИИПП» (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск) и др.
Однако для создания СВЧ МИС, включая монолитные транзисторные усилители, помимо решения проблем технологии, должны быть решены сложные задачи измерений, построения моделей элементов и автоматизированного проектирования.
Создание адекватных моделей базируется на высокоточных измерениях целого комплекса характеристик элементов МИС. Для решения последней задачи, помимо аппаратных средств, используются сложные программные системы, которые автоматизируют процесс измерений, осуществляют сбор, анализ, обработку данных и построение моделей элементов с возможностью их использования в системах автоматизированного проектирования (САПР) СВЧ устройств. К сожалению, в настоящее время отечественные программные системы, выполняющие указанные функции, в коммерческом исполнении отсутствуют, зарубежные программные продукты имеют вы-
сокую стоимость (выше 50.000 $ на 2011 - 2012 гг.), при этом зачастую не реализуют всех необходимых для СВЧ измерений функций.
Важнейшей проблемой, с которой сталкивается разработчик, является точное моделирование СВЧ устройств в заданном частотном диапазоне. Решение этой проблемы возможно при совместном использовании современных программных средств автоматизированного проектирования СВЧ устройств (Microwave Office, ADS и др.) и библиотек моделей элементов МИС, отражающих особенности технологии изготовителя. Однако в России в настоящее время нет верифицированных библиотек моделей пассивных и активных элементов для отечественных субмикронных технологий. В связи с этим отечественные проектировщики МИС чаще всего вынуждены адаптировать имеющиеся стандартные модели в коммерческих САПР СВЧ устройств. К сожалению, такой подход ведет к большим затратам времени и труда и не гарантирует качества моделей, последнее не позволяет выполнить точное проектирование СВЧ МИС, особенно в мм-диапазоне.
При проектировании СВЧ устройств большое распространение получили модели элементов (транзисторов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности, не-однородностей линий передачи и т.д.) в виде эквивалентных схем (ЭС), которые обладают высоким быстродействием, обеспечивают удовлетворительную точность и легко встраиваются в существующие САПР. Распространенным подходом к построению ЭС СВЧ компонентов является метод экстракции. Задача экстракции параметров ЭС может рассматриваться как одна из постановок проблемы синтеза электрических цепей. В ряде работ предложен подход к решению последней задачи, основанный на решении так называемых систем компонентных уравнений (СКУ), т.е. уравнений, составленных относительно параметров элементов (компонентов) цепи. Данный подход является универсальным и строгим, однако, в известной автору литературе отсутствуют анализ и исследование его в общем виде применительно к задаче построения моделей СВЧ компонентов - в частности, не исследованы общие способы составления и решения полной СКУ, нет попыток применения универсального подхода к экстракции достаточно сложных ЭС. Представлены лишь примеры решения СКУ конкретного вида для построения простых моделей пассивных компонентов СВЧ МИС. Методы экстракции параметров ЭС являются также основой для построения более сложных видов моделей СВЧ компонентов - параметрических и температурных.
При применении в военной, космической, бортовой и измерительной аппаратуре к СВЧ транзисторным усилителям во многих случаях предъявляются требования по температурной стабильности. В зависимости от технологии изготовления усилителей, основное влияние на их характеристики может оказывать температурный уход параметров либо активных, либо пассивных элементов цепи, либо тех и других одновременно. Таким образом, при разработке устройств подобного класса возникает необходимость учета зависимостей электрических параметров используемых электронных компонентов от температуры. Существующие методы построения и проектирования усилителей не позволяют учесть изменение параметров активных и пас-
сивных элементов из-за влияния температуры непосредственно на этапе выбора (синтеза) схемы усилителя.
На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные задачи исследования.
Цель работы. Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения для построения моделей пассивных компонентов СВЧ устройств; методик автоматизированного проектирования СВЧ транзисторных усилителей с учетом влияния температуры; построение моделей элементов, в том числе температурных; проектирование и исследование СВЧ транзисторных усилителей на основе гетероструктурных GaAs рНЕМТ и тНЕМТ монолитных технологий.
Цель работы достигается решением следующих основных задач.
Разработка алгоритмов и программного обеспечения для автоматизации зондовых измерений характеристик компонентов СВЧ МИС.
Разработка методик, алгоритмов и программного обеспечения для построения (экстракции) моделей СВЧ компонентов на основе составления и решения СКУ.
Оценка влияния погрешности измерений параметров рассеяния на точность экстракции параметров эквивалентных схем, получение рекомендаций по повышению точности экстракции.
Разработка методики построения параметрических моделей пассивных компонентов СВЧ МИС.
Измерение параметров и построение моделей элементов СВЧ МИС (транзисторов, резисторов, конденсаторов, катушек индуктивности) на основе отечественных гетероструктурных GaAs pHEMT/mHEMT технологий.
Экспериментальное исследование влияния температуры на параметры активных и пассивных элементов СВЧ МИС на основе GaAs pHEMT/mHEMT технологий.
Построение температурных моделей элементов СВЧ МИС.
Разработка методик проектирования СВЧ транзисторных усилителей с корректирующими двухполюсниками с учетом влияния температуры.
Разработка СВЧ транзисторных усилителей на основе отечественных GaAs pHEMT/mHEMT монолитных технологий.
10. Экспериментальные исследования температурных зависимостей характеристик
монолитных усилителей.
Научная новизна работы заключается в следующем.
Впервые предложена методика экстракции параметров эквивалентных схем СВЧ компонентов, основанная на составлении и аналитическом решении полной системы нелинейных компонентных уравнений с использованием метода базисов Греб-нера.
Впервые предложена комбинированная методика экстракции параметров эквивалентных схем СВЧ компонентов, основанная на аналитическом выводе уравнений связи между элементами с использованием метода базисов Гребнера и последующем применении оптимизационного метода.
3. Предложена новая методика «визуального» проектирования СВЧ усилительных каскадов с двухполюсными цепями коррекции и обратной связи по комплексу характеристик, включая коэффициент усиления, коэффициент шума, уровни согласования на входе и выходе, устойчивость, позволяющая осуществить выбор (синтез) указанных цепей с учетом требования термостабильности каскада. Практическая значимость полученных результатов:
Предложенные методики экстракции позволяют на единой основе решать задачи определения элементов эквивалентных схем пассивных СВЧ компонентов любой структуры и теоретически любой степени сложности.
На основе выполненных исследований созданы программы для автоматизации измерений и построения моделей элементов, позволяющие облегчить и ускорить разработку СВЧ МПС.
Построенные модели пассивных и активных элементов позволяют осуществить моделирование и проектирование МИС мм-диапазона волн на основе отечественных GaAs pHEMT/mHEMT технологий с учетом влияния температуры.
Разработанная «визуальная» методика позволяет проектировать СВЧ транзисторные усилители с корректирующими двухполюсниками, которые удовлетворяют повышенным требованиям по температурной стабильности.
С использованием разработанных моделей, методик и программ созданы первые отечественные образцы СВЧ усилителей мм-диапазона волн на основе гетеро-структурных GaAs рНЕМТ и тНЕМТ технологий.
Положения, выносимые на защиту.
Применение метода базисов Гребнера в задаче экстракции параметров эквивалентных схем позволяет получить в аналитической форме решение системы нелинейных полиномиальных компонентных уравнений, а также уравнения связи между элементами.
Совместное использование при экстракции эквивалентных схем уравнений связи, полученных с помощью метода базисов Гребнера, и оптимизационных методов позволяет уменьшить размерность решаемой системы нелинейных уравнений, учесть условие неотрицательности значений элементов эквивалентных схем и повысить точность модели.
«Визуальная» методика проектирования СВЧ усилительного каскада с двухполюсной цепью коррекции или обратной связи позволяет выбрать схему цепи для удовлетворения комплекса требований к характеристикам в заданном диапазоне температур.
Апробация результатов. Основные результаты исследований докладывались на следующих научно-технических конференциях: Международная научно-практическая конференция «Электронные средства и системы управления», ТУ СУР, г. Томск, 2010 и 2011 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2008-2010 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Со-
временные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2009-2010 гг.; Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», г. Севастополь, 2010 и 2011 гг.; Мокеровские чтения. Научно-практическая конференция по физике и технологии наногетероструктурной СВЧ-электроники, г. Москва, 2011 г.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых «Технологии Microsoft в теории и практике программирования», г. Томск, 2009 г.; Международная научно-практическая конференция студентов и молодых учёных «Современные техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2011 г.
Представленная работа выполнялась как составная часть НИР на кафедре КСУП ТУСУРа при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (в рамках проектов 08-07-99034-р_офи, 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 и 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).
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты диссертации внедрены и использованы при решении задач измерения, моделирования и проектирования монолитных СВЧ компонентов и устройств в НОЦ «Нанотехнологии» (ТУСУР, г. Томск), ОАО «НИИПП» (г. Томск), НПФ «Микран» (г. Томск), ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), а также в учебном процессе на кафедрах КСУП и ФЭ ТУСУРа.
Представленные методы и программы использовались при разработке следующих монолитных усилителей мм-диапазона волн: трехкаскадный усилитель диапазона частот 30-37,5 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs рНЕМТ технологии; одно- и двухкас-кадный копланарные усилители диапазона частот 34-38 ГГц на основе 0,15 мкм GaAs mHEMT технологии.
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 опубликовано 35 работ, в том числе: 9 статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК.
Получено свидетельство о регистрации программы для ЭВМ (№2011616003 от 3 августа 2011 г.): «Программа для автоматизации процесса измерений параметров и построения линейной модели СВЧ полевого транзистора».
Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, пяти разделов, заключения, списка литературы, списка сокращений и двух приложений. Общий объем работы составляет 199 страниц. Основная часть включает 162 страницы, в том числе 130 страниц текста, 125 рисунков и 27 таблиц. Список используемых источников содержит 220 наименований.
