Введение к работе
Актуальность темы. Успех разработки микроэлектронных СВЧ устройств, в частности микрополосковых интегральных схем, определяется результатами предварительного машинного проектирования и моделирования, а также совершенством моделей пассивных и активных (диодов, транзисторов) интегральных структур и электронных компонентов. Все известные системы автоматизированного проектирования, такие как Microwave Harmonica, Microwave Explorer, Success, Serenada фирмы Compact Software (Ansoft Inc), Libra (в составе HP Advanced Design System) фирмы HP EEsof, Microwave Office фирмы Applied Wave Research имеют обширную библиотеку моделей зарубежных транзисторов. Однако в настоящее время не существует, как таковой, библиотеки моделей транзисторов российского производства, предназначенных для работы в режиме малого и большого сигналов, что необходимо для проектирования автоматизированными средствами СВЧ устройств на их основе.
Параметры моделей транзисторов определяют по результатам измерений их волновых параметров рассеяния в контактных устройствах с внешними коаксиальными соединителями. Для исключения влияния контактного устройства на определяемые параметры проводят измерения с тестовыми полосковыми структурами с известными или частично известными параметрами и используют специальную математическую обработку данных для трансформации ^-параметров в коаксиальном тракте к физическим границам транзистора. Известны различные способы решения этой задачи -матричное вынесение, фильтрация окнами в сочетании с преобразованиями Фурье. Однако, несмотря на достигнутый прогресс в определении параметров транзисторов по результатам измерений остаются нерешенными следующие задачи:
Снижение стоимости оборудования. (Контактное устройство является весьма дорогими оборудованием, сопоставимым по стоимости с измерительной аппаратурой - векторным анализатором цепей);
Повышение точности. (Процедуры исключения влияния контактного устройства недостаточно эффективны из-за несовершенства конструкции в области контакта между коаксиальной и полосковой линиями передачи);
Расширение сферы использования. (Измерения ^-параметров транзистора в полосковом тракте не соответствуют условиям работы транзисторов в усилителях мощности, умножителях и преобразователях частоты).
Решению этих актуальных задач и посвящена настоящая диссертационная работа.
Целью диссертации является разработка эффективных способов определения параметров моделей СВЧ транзисторов по результатам их измерений в составе усилительных модулей на постоянном токе и на СВЧ в режимах малого и большого сигналов, с применением пакетов прикладных
программ математического моделирования и автоматизированного проектирования СВЧ устройств. Методы исследования
При выполнении работы использовались теоретические и экспериментальные методы исследования. Результаты теоретических исследований базируются на теории СВЧ цепей, теории функции комплексного переменного, методах аппроксимации числовых рядов, методах компьютерного моделирования. Эксперименты выполнены с использованием современного оборудования и методов обработки результатов косвенных измерений.
Научная новизна
Научная новизна работы состоит в применении принципиально нового способа определения параметров транзисторов, основанного на идентификации параметров его схемной модели, по результатам измерений. Существенно, что измеряют не транзистор в контактном устройстве, а усилительный модуль, помещенный в корпус с внешними коаксиальными соединителями. Задача исключения влияния внешних окружающих транзистор СВЧ-цепей решается методом удаленной нагрузки на основе идентификации параметров аналитической модели коаксиально-полосковых переходов и моделирования интегральных согласующих цепей и полосковых линий с помощью средств автоматизированного проектирования.
Предложен способ определения параметров модели транзистора по результатам измерений с фиксированными контактами между полосковыми и коаксиальными линиями и подтверждена его эффективность на основании сопоставления с альтернативными решениями.
Разработаны и исследованы методы определения параметров аналитических моделей коаксиальных переходов - с дюймовой и метрической резьбой, а так же коаксиально-полосковых переходов, не требующие использования аттестованных калибровочных мер.
Предложен новый метод определения волновых и идентификации схемных параметров модели СВЧ транзистора в СВЧ усилителе мощности в режиме большого сигнала по схеме с удаленной нагрузкой. Проведен анализ точности измерений в данном режиме с использованием математического аппарата по обработке массива экспериментальных данных. Практическая ценность работы заключается:
В сокращении затрат при определении параметров СВЧ транзисторов по результатам измерений за счет исключения дорогостоящего контактного устройства и проведения испытаний в корпусе с фиксированными коаксиально-полосковыми переходами;
В повышении достоверности получаемой информации и расширении сферы использования моделей за счет проведения измерений в условиях реальной работы транзистора в качестве усилительного или преобразующего элемента;
В повышении точности результатов за счет исключения наиболее существенного источника погрешности, обусловленного
нестабильностью параметров соединителей коаксиальных и полосковых линий в контактных устройствах;
В разработке программы для решения задачи идентификации аналитических моделей коаксиально-полосковых переходов в рамках одного проекта и использовании этих моделей при автоматизированном проектировании и моделировании интегральных СВЧ модулей.
В разработке нового метода определения волновых и идентификации схемных параметров моделей СВЧ транзисторов в режиме большого сигнала.
Практическое использование
Работа выполнялась в соответствии с планом научной работы кафедры «Компьютерные технологии в проектировании и производстве». Результаты работы внедрены в ЗАО НПП «Салют-25» для разработки, проектирования и испытаний СВЧ приборов специального назначения, а также при выполнении ОКР «Овация», «Облегчение».
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекомендаций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
использованием теоретически обоснованных методов описания СВЧ устройств;
сравнением полученных результатов с зарубежными аналогами и результатами, полученными другими авторами;
контролем результатов машинной оптимизации, путем проверки выполнения условий минимального значения целевых функций.
Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на:
XI Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», Г.Н.Новгород, 2006г.
XII Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», Г.Н.Новгород, 2007г.
V Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», Г.Н.Новгород, 2006г.
VI Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», Г.Н.Новгород, 2007г.
Международной НТК «Информационные системы и технологии» ИСТ-2006, Г.Н.Новгород, 2006.
IV Международной молодежной НТК «Будущее технической науки», Г.Н.Новгород, 2005г.
Международной НТК «Информационные системы и технологии» ИСТ-2005, Г.Н.Новгород, 2005г.
Международной НТК «Интеллектуальные системы (AIS05 и интеллектуальные САПР (CAD2005)», г.Дивноморск, 2005г.
XVI Координационном научно-техническом семинаре по СВЧ технике, Н.Новгород, 2009г.
XV Нижегородской сессии молодых ученых «Технические науки», Г.Н.Новгород, 2010г.
Публикации
По теме диссертации опубликовано 12 работ.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка из 101 наименований. Общий объем работы 150 страниц.
Положения, выносимые на защиту:
Методы определения параметров транзисторов по результатам измерений на постоянном токе и на СВЧ.
Способы идентификация моделей коаксиально-полосковых переходов, полосковых и резистивных структур.
Методы определения электромагнитных характеристик объектов по результатам измерений в согласованном тракте.
Сопоставительный анализ методов определения параметров транзисторов и экспериментальных результатов.
Идентификация параметров моделей СВЧ транзисторов в режиме большого сигнала.
