Введение к работе
Актуальность темы
Широкое применение интегральных схем СВЧ и необходимость точного анализа на этапе проектирования ставит задачи по созданию моделей отечественных электронных компонентов. Для определения параметров моделей необходимо специальное оборудование, средства измерения и методики обработки результатов измерений. Однако, стоимость измерительного оборудования весьма велика, а методики не совершенны. Наиболее востребованными остаются измерительные приборы, построенные на основе векторного вольтметра или импульсного рефлектометра, каждый из которых обладает своими достоинствами и недостатками. Для определения параметров моделей электронных компонентов актуально создание автоматизированных средств измерений, основанных на новых принципах функциошгрования и методах обработки измерительной информации, а также оптимальном сочетании цена/качество.
По-прежнему, остается актуальной задача корректного измерения параметров рассеяния нелинейных цепей, следовательно, и электронных компонентов в режиме большого сигнала. Любой способ измерения S-параметров четырехполюсников предполагает изменение режима возбуждения анализируемого объекта, поскольку, например, при возбуждении с входа и согласованном выходе анализу поддаются не более двух величин. При каждом новом режиме возбуждения нелинейной цепи появляются четыре новые неизвестные. По этой причине задача восстановления искомых величин традиционными методами анализа является некорректной, так как число неизвестных величин будет всегда больше числа уравнений, из которых они определяются. Более того, возбуждение нелинейной цепи с выхода при, например, согласованном входе, вообще не целесообразно и не ясно, как использовать реакцию цепи на такое воздействие. В силу нелинейности характеристик таких СВЧ компонентов, как транзисторы, диоды и т. д., при возбуждении гармоническим сигналом в спектре отраженных и прошедших через объект анализа волн появляются гармонические составляющие высших порядков, затрудняющие решение задачи восстановления элементов S-матрицы.
Существующие на мировом рынке приборы обеспечивают измерения только в стандартных коаксиальных или волноводных трактах. Для подключения СВЧ компонентов предназначенных для монтажа в полосковую линию передачи к стандартному коаксиальному тракту (к входам измерительного прибора) используются специальные контактные устройства иностранных производителей (Inter-Continental Microwave (США), ArumoTech Corporation (Корея), Cascade Microtech (США)), которые являются монополистами на мировом рынке (каждый в своей нише). Стоимость таких контактных устройств зачастую сопоставима или превышает стоимость измерительного прибора.
Варианты изготовления коаксиально-полосковых переходов контактных устройств с параметрами, близкими к идеальным, связаны со значительными технологическими трудностями, поэтому характеристики контактного устройства необходимо определять, с целью последующего исключения их влияния на результаты измерений. Описанные в литературе методы калибровки контактных устройств, как правило, требуют наличия полосковых калибровочных мер с известными СВЧ параметрами. Однако отсутствие аппаратуры для их аттестации и несовершенство расчетных методик не позволяют иметь точную информацию о характеристиках этих мер. Поэтому актуальна разработка методов и конструкций контактных устройств, позволяющих проводить калибровку с использованием не аттестованных калибровочных полосковых мер. Для повышения точности калибровки необходима разработка методов, позволяющих получить достоверную информацию об их электромагнитных характеристиках из результатов измерений.
При решении всех перечисленных задач целесообразно использовать современные программные среды автоматизированного проектирования и моделирования.
Цель работы состоит в разработке методов и средств определения параметров активных и пассивных линейных и нелинейных микроэлектронных компонентов для поверхностного монтажа, на основе новых способов измерений, компьютерной обработки измерительной информации, с применением средств математического моделирования и пакетов программ автоматизированного проектирования СВЧ устройств.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
разработать способ измерения отношения комплексных амплитуд волн на входе измеряемого объекта, который совмещает преимущества временных и частотных методов анализа и свободен от их недостатков;
разработать метод корректного анализа волновых параметров рассеяния нелинейных цепей в режиме большого сигнала;
разработать конструкции контактных устройств и методы исключения их влияния на результаты измерений параметров микроэлектронных компонентов.
Методы исследования.
При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследовашш базируются на теории СВЧ цепей, теории функций комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, методах компьютерного моделирования (включая имитационное моделирование и идентификацию параметров моделей). Выводы, полученные с помощью экспериментальных методов, основываются на статистических оценках.
Научная новизна
Предложены, разработаны и исследованы методы и устройства измерения комплексных коэффициентов отражения микроэлектронных компонентов, основанные на эффекте пространственно удаленной нагрузки и линейной аппроксимации измеряемых параметров в частотном окне;
Разработан способ измерения болыпесигнальиых параметров рассеяния нелинейных цепей, обеспечивающий восстановление всех элементов 5-матрицы в режиме возбуждения, соответствующему рабочему;
Разработаны и исследованы методы калибровки и идентификации параметров моделей контактных устройств и электронных компонентов, не требующие использования аттестованных калибровочных мер.
Практическая ценность
Практическая ценность работы заключается в том, что предложенные в диссертации структурные схемы, методы и алгоритмы являются основой для создания новых автоматизированных систем, обеспечивающих измерение волновых параметров рассеяния электронных компонентов. Результаты проведенных исследований легли в основу разработки прикладных программ для векторного
анализатора СВЧ цепей, используемых при промышленных (и опытных) испытаниях характеристик чип-резисторов и аттенюаторов для габридных интегральных СВЧ устройств с поверхностным монтажом компонентов.
Практическое использование
Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры "Компьютерные технологии в проектировании и производстве". Результаты работы использованы при выполнении проекта РФФИ № 05-02 08075 «Исследование возможности создания интеллектуальных систем измерения и обработки сигналов» и внедрены в ОАО «НПО «ЭРКОН» для разработки, проектирования и испытаний СВЧ резисторов и аттенюаторов, а также при выполнении ОКР «Поглотитель», «Микрочип», «Пленка-НН», «Чип-П», «Резина».
Обоснованность и достоверность результатов работы.
Все положения, выносимые на защиту, прошли проверку на соответствие с теорией на модельном уровне. Адекватность предлагаемых в работе моделей подтверждается сравнением результатов теоретических и экспериментальных исследований. Основные результаты работы реализованы в рефлектометре с внутренней задержкой сигнала, контактных устройствах для измерения параметров ВЧ и СВЧ микроэлектронных компонентов в полосковых линиях передачи и программном комплексе, используемом в связке с векторным анализатором цепей Е5071С фирмы Agilent Technologies.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
Международной НТК «Пассивные электронные компоненты-2008», Г.Н.Новгород, 2008 г.;
XII Нижегородской сессии молодых учёных «Технические науки», Г.Н.Новгород, 2007 г.;
VI Международной молодежной НТК «Будущее науки», Г.Н.Новгород, 2007 г.;
Международной НТК "Интеллектуальные системы (AIF06) и интеллектуальные САПР (CAD2006)", г. Дивноморск, 2006 г.;
XI Нижегородской сессии молодых ученых Технические науки, Г.Н.Новгород, 2006 г.;
V Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», Г.Н.Новгород, 2006 г.;
Международной НТК "Информационные системы и технологии" ИСТ-2006, Г.Н.Новгород, 2006 г.;
IV НТК «Молодёжь в науке», г. Саров, 2005 г.;
Международной НТК "Интеллектуальные системы (AIF'05) и интеллектуальные САПР (CAD2005)", г. Дпвноморск, 2005 г.;
IV Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов",
г.Н.Новгород, 2005 г.;
IV Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», Г.Н.Новгород, 2005 г.;
X Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», г.Н.Новгород, 2005 г.;
VII международной конференции "Актуальные проблемы электронного приборостроения"
АПЭП-2004, г. Новосибирск, 2004 г.;
Всероссийской НТК "Информационные системы и технологии" ИСТ-2005, г. Н.Новгород, 2005 г.; Девятой НТК по радиофизике "Факультет - ровесник Победы", г.Н.Новгород, 2005 г.;
III Международной НТК "Физика и технические приложения волновых процессов", г.
Волгоград, 2004 г.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 23 работы. Результаты диссертационной работы отражены в отчете по НИР.
Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, библиографического списка из 207 наименований и 3 приложений. Общий объем работы - 170 страниц.
