Введение к работе
Актуальность темы. Последние годы характеризуются новым этапом активного развития радиоэлектронных приборов и устройств сверхвысокочастотного (СВЧ) диапазона. Данная тенденция обусловлена постоянно возрастающими объемами информации, передаваемых посредством твердотельных микроэлектронных устройств. Исследуемый в настоящей диссертации твердотельный СВЧ генератор является принципиальным устройством радиоэлектронного средства любого назначения, и в настоящее время широко используется в космической, сотовой и спутниковой связи, телевидении и радиовещании, широкополосных технологиях беспроводной передачи данных Wi-Fi и WiMax.
Традиционно в качестве активного элемента автогенераторов в СВЧ диапазоне используются диоды (генераторы на диодах Ганна и лавинно-пролетных диодах) и транзисторы (биполярные и полевые). Повышение рабочей частоты генерации и других вышеперечисленных показателей обеспечивается за счет совершенствования технологии изготовления гомо-структурных полевых транзисторов с барьером Шоттки (MESFET) [1] и гетероструктурных биполярных и полевых транзисторов (НВТ/НЕМТ) [2].
Революционным шагом на пути совершенствования технологии создания генераторов СВЧ диапазона явился переход от гибридных к монолитным интегральным схемам (МИС) на арсенид-галлиевых подложках. Этот процесс сопровождается не только ужесточением требований к традиционным параметрам СВЧ генератора: мощности, полосе перестройки, частотным шумам, уровню гармоник, но и появлением новых критических параметров, характеризующих степень интегрирования, например, габаритных размеров МИС. Последний параметр должен выбираться на базе компромиссного решения с учетом технологических ограничений, современных тенденций по развитию многофункциональных СВЧ МИС, взаимодействия электромагнитных полей схемных элементов и т. д.
Альтернативный путь совершенствования принципов построения и основных характеристик твердотельных СВЧ приборов состоит во внедрении технологий сверхвысокочастотной оптоэлектроники (СОЭ), предмет исследований которой находится на стыке фотоники и СВЧ радиоэлектроники [3, 4]. Среди активно исследуемых в настоящее время телекоммуникационных систем с использованием устройств СОЭ можно выделить сети абонентского доступа волоконно-коаксиальной структуры [5], а также системы локальной информационно-телекоммуникационной системы распределения волоконно-эфирной структуры [6]. Основными направлениями развития таких систем в настоящее время являются: увеличение пропускной способности канала передачи, а также их объединение в мультисер-
висную инфраструктуру связи [7].
Одним из наиболее перспективных функциональных элементов СОЭ является оптоэлектронный генератор (ОЭГ, Optoelectronic oscillator, ОБО) [8]. Основным преимуществом ОЭГ по сравнению с традиционными микроэлектронными СВЧ генераторами является более низкий уровень шумов в значительно более широком рабочем диапазоне частот [9], что представляет собой принципиально новый подход к созданию прецизионных ма-лошумящих источников радиосигналов [10]. Помимо этого, проведенные исследования его термостабильности и чувствительности к механическим перегрузкам продемонстрировали высокую долговременную стабильность частоты генерации [11] и слабую чувствительности к ускорению [12], то есть перспективность применения ОЭГ в системах бортовой аппаратуры авиационного, наземного и морского базирования.
Еще одно важное достоинство ОЭГ состоит в принципиальной возможности преодоления известного компромисса при проектировании монолитных интегральных схем (МИС) СВЧ генераторов, управляемых напряжением (ГУН), заключающегося в выборе между широкой полосой перестройки и низкими частотными шумами, поскольку для расширения полосы перестройки МИС ГУН нужно уменьшать его внешнюю добротность, а для уменьшения уровня частотных шумов ее необходимо увеличивать [13]. В случае ОЭГ полоса перестройки частоты не зависит от внешней добротности и определяется минимальными полосами пропускания элементов его структурной схемы. Кроме того, верхний диапазон частоты генерации ОЭГ ограничен полосой пропускания оптоэлектронных компонентов, которая в настоящее время уже составляет сотни гигагерц [14], что, вследствие фундаментальных ограничений, трудно достижимо для современных интегральных СВЧ генераторов [10].
Проведенный анализ публикаций показал, что в последние годы ОЭГ активно исследуется в основном для телекоммуникационных применений, и практически не охвачены другие перспективные направления его применения, такие как, например, измерительная техника. Следует также отметить, что исследования ОЭГ в своем подавляющем большинстве носят экспериментальный характер. Так, к настоящему времени разработана теоретическая модель функционирования ОЭГ в квазистатическом приближении [15], что не позволяет корректно описать его функционирование в рабочем режиме. Кроме того, в работе [13] на основе единого волнового подхода разработана модель ОЭГ в приближении большого сигнала, корректная только для стационарного режима генерации. Таким образом, отсутствие полной модели функционирования ОЭГ в переходном и стационарном режимах значительно ограничивает уровень и скорость его внедрения в
системы телекоммуникации, радиолокации и метрологии.
В связи с вышеизложенным целью данной работы является дальнейшее совершенствование методов и процессов моделирования и разработки твердотельного СВЧ генератора с использованием как традиционного микроэлектронного, так и нового оптоэлектронного подходов. Цель данной работы достигается решением следующих основных задач:
Разработка и исследование аналитической модели ОЭГ для полного описания режима его функционирования.
Разработка и исследование объектно-ориентированной модели ОЭГ для моделирования спектральных и шумовых характеристик различных структурных схем ОЭГ.
Разработка и исследование принципиальной схемы и топологии монолитной интегральной схемы перестраиваемого СВЧ транзисторного генератора.
Разработка экспериментальных макетов ОЭГ и монолитной интегральной схемы транзисторного СВЧ генератора для верификации результатов моделирования.
Разработка принципов функционирования и схемы прецизионного датчика оптико-физических параметров волноводных сред на базе ОЭГ и проведение его моделирования и экспериментального исследования.
Методы исследования. Для решения поставленных задач в диссертационной работе использовались современные принципы исследования и разработки оптоэлектронных приборов и микроэлектронных интегральных схем, методы теории автогенераторов СВЧ колебаний, а также метод медленно меняющихся амплитуд для решения нелинейного дифференциального уравнения ОЭГ.
Научная новизна. К основным новым научным результатам, полученным в ходе исследований по теме диссертации, относятся:
На базе метода медленно меняющихся амплитуд разработана аналитическая модель полного функционирования оптоэлектронного генератора, описывающая процессы самовозбуждения и стационарной генерации.
С использованием одномодовых скоростных уравнений лазера с распределенной обратной связью и схемы оптоэлектронной обратной связи с волоконной линией задержки разработана объектно-ориентированная модель ОЭГ, позволяющая с высокой точностью анализировать спектральные и шумовые характеристики одноконтурной и многоконтурных структурных схем ОЭГ.
Путем моделирования и экспериментального подтверждения показана возможность разрешения с помощью ОЭГ известного недостатка
традиционных генераторов сигналов СВЧ диапазона, заключающегося в компромиссе между низкими частотными шумами и широкой полосой перестройки.
Практическая ценность работы состоит в следующем.
Развиты принципы моделирования и проектирования генератора сигналов СВЧ диапазона на базе оптоэлектронного и микроэлектронного подходов.
Реализован и исследован макет ОЭГ, обладающий ультраширокой полосой перестройки 3-12 ГГц и на 20 дБ меньшими фазовыми шумами по сравнению с традиционными транзисторными СВЧ генераторами.
Разработаны методики компьютерного проектирования одно-тактной и балансной монолитных интегральных схем перестраиваемых транзисторных СВЧ генераторов.
Предложена и теоретически и экспериментально исследована схема ОЭГ в качестве нового прецизионного датчика оптико-физических параметров волноводных сред, функционирующего в режимах «на проход» и «на отражение».
Достоверность полученных результатов обуславливается корректностью исходных положений и математических преобразований, совпадением результатов моделирования математического и компьютерного моделирования спектральных и шумовых характеристик ОЭГ с результатами его экспериментального исследования, а также использованием прецизионного, метрологически аттестованного измерительного оборудования.
Реализация и внедрение результатов работы. Результаты проведенных теоретических и экспериментальных исследований использованы при выполнении НИР в ИСВЧПЭ РАН и МЦАИ РАН, а также вошли состав 8-ми отчетов по НИР в рамках аналитической ведомственной целевой программы Минобрнауки «Развитие научного потенциала высшей школы (2009-2011 годы)» и ФЦНТП «Исследования и разработки по приоритетным направлениям развития научно-технологического комплекса России на 2007-2012 годы», выполненным в Объединенной научно-исследовательской лаборатории «Сверхвысокочастотные и оптоэлектрон-ные устройства», МИРЭА.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на следующих международных и всероссийских конференциях: Progress In Electromagnetics Research Symposium (PIERS 2009, Moscow, Russia); International Conference on Micro- and nanoelectronics (ICMNE 2009, Moscow-Zvenigorod, Russia); 52-я научная конференция МФТИ (52-я НК МФТИ, 2009 г., Москва-Долгопрудный); Международная научно-техническая конференция «Фундаментальные проблемы радиоэлектронно-
го приборостроения» (Intermatic 2009, 2010, Москва); ІХ-я Всероссийской научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Пульсар - 2010, Звенигород); 58-я, 59-я и 60-я научно-технические конференции МИРЭА (НТК МИРЭА 2009 и 2010, Москва), Российско-Швейцарский семинар «Современные полупроводниковые источники оптического излучения», МИРЭА, 2011; научный семинар лаборатории стандартов частоты отдела квантовой радиофизики, ФИАН им. П.Н. Лебедева (1 июня 2011 г.).
Публикации и личный вклад автора. По теме диссертационной работы опубликовано 8 научных работ, в том числе 4 в ведущих российских журналах, 3 из которых опубликованы в журналах, входящих в перечень российских рецензируемых научных журналов ВАК министерства образования и науки РФ, в которых должны быть опубликованы основные научные результаты диссертаций на соискание ученых степеней доктора и кандидата наук. Все результаты диссертационной работы получены автором лично или в соавторстве с научным руководителем, о чем свидетельствует приведенный ниже список публикаций по теме диссертации.
На защиту выносятся следующие положения:
1. Условие самовозбуждения ОЭГ определяется интегральной
крутизной его модуляционной характеристики в петле обратной связи.
При этом длина волоконно-оптического тракта не влияет на время ус
тановления стационарного режима и должна подбираться, исходя из
компромисса между уровнем ЧМ шумов и областью свободной диспер
сии в спектре генерации ОЭГ. Время установления стационарного ре
жима определяется коэффициентами усиления предварительного элек
трического усилителя и усилителя мощности, а также амплитудой шу
ма напряжения на управляющем входе модулятора интенсивности оп
тического излучения.
Сопоставление разработанной аналитической модели с известной моделью ОЭГ в квазилинейном приближении позволяет уточнить зависимость амплитуды стационарных колебаний от коэффициента прямой передачи при его значениях больше 1, что соответствует реальному режиму возбуждения ОЭГ.
Обнаруженный эффект подавления боковых мод в спектре генерации ОЭГ, обусловленный наличием в его структурной схеме петли положительной обратной связи. Данный эффект был предсказан с помощью разработанной объектно-ориентированной модели ОЭГ и подтвержден в экспериментальной части работы.
Сравнение результатов компьютерного расчета частотных шумов ОЭГ по предложенной объектно-ориентированной модели позволяет уточ-
нить результаты, полученные с помощью широко известной формулы Ли-сона, при отстройках от несущей более 10 кГц.
Исследования, проведенные в диссертации, позволили разработать оптоэлектронный генератор СВЧ сигналов с полосой перестройки более двух октав и уровнем фазовых шумов в среднем на 10-20 дБ ниже по сравнению с перестраиваемыми транзисторными СВЧ генераторами и синтезаторами частот, построенными по традиционным принципам.
Принцип действия, варианты реализации, результаты моделирования и экспериментального исследования прецизионного двухрежимного датчика оптико-физических параметров волноводных сред на основе ОЭГ. Полученная чувствительность 1,3 МГц/мм на частоте генерации 12 ГГц в прецизионном режиме измерений и чувствительность 74 кГц/м в стандартном режиме измерений обосновывает перспективность его применения в области исследования оптических интегральных схем и прецизионной рефрактометрии.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, списка литературы и приложения. Объем работы составляет 160 стр. машинописного текста, который содержит 6 таблиц, 81 рисунок, 54 формулы, 119 наименований библиографии.
