Содержание к диссертации
Введение
ГЛАВА 1 Анализ техники формирования свч сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы в современных радиоэлектронных системах 1 4
1.1 Основные параметры, определяющие стабильность частоты и фазы сигналов СВЧ твердотельных передатчиков (ТП) и современные требования к ним. и
1.2 Современные методы измерения флуктуационных параметров описывающих качество СВЧ сигналов ТП . 26
1.3 Физические механизмы, снижающие качество сигналов ТП. 33
1.4 Влияние нелинейных искажений на качество сигнала ТП. 38
1.5 Современный уровень элементной базы для ТП. 42
1.6 Цель и основные задачи диссертационной работы. 47
ГЛАВА 2 Исследования и моделирование твердотельных свч передатчиков импульсных сигналов при воздействии шумов и помех 50
2.1 Методы обеспечения тепловых режимов импульсных СВЧ пе редатчиков на GaN СВЧ транзисторах. 50
2.1.1 Моделирование тепловых режимов импульсных СВЧ пе-редатчиков на GaN СВЧ транзисторах. 50
2.1.2 Конструктивные методы обеспечения тепловых режимов GaN СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках . 55
2.1.3 Методы снижения вероятности электрического пробоя GaN СВЧ транзисторов при работе в режиме максимальной выходной мощности f\C\
2.2 Минимизация уровня фазовых шумов твердотельных СВЧ передатчиков импульсных сигналов на GaN СВЧ транзисторах. 63
2.2.1Влияние тепловых флуктуаций на кратковременную неста бильность частоты СВЧ передатчиков
3 2.2.2 Ми нимизацин влияния на стабильноста частоты ч фазы СВЧ сигнала уровня шумов и помех от вторичного источника питания в импульсных передатчиках на GaN СВЧ транзисторах 68
2.3 Минимизация искажений сложных сигналов СВЧ твердотельных передатчиков с использованием GaN транзисторных усилителей 72
2.4 Выводы 77
ГЛАВА 3 Исследования и моделирование свч генерато ров сигналов, стабилизированных диэлектрическими и пьезоэлектрическими резонаторами при воздействии шумов и помех У9
3.1 Оптимизация мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резонаторами, с ФАПЧ по критерию максимума стабильности частоты и фазы 79
3.1.1 Моделирование эквивалентной схемы и выбор типа СВЧ транзистора
3.2 Методы повышения стабильности частоты СВЧ генераторов с высокой стабильностью частоты и фазы при воздействии внешних дестабилизирующих факторов 87
3.2.1 Моделирование воздействия ударов, вибраций, акустических флуктуаций на СВЧ генераторы с высокой стабильностью частоты и фазы 88
3.2.2 Конструктивные методы повышения стабильности часто-ты СВЧ генераторов при воздействии акустических шумов механических ударов и вибраций
3.3 Выводы 202
ГЛАВА 4 Результаты экспериментальных исследований и практического применения свч передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на gan свч транзисторах 204
4.1 Импульсные твердотельные СВЧ передатчики Х-диапазона на GaN СВЧ транзисторах с высокой стабильностью частоты и фазы 104
4.2 СВЧ генераторы на GaN СВЧ транзисторах, стабилизированные диэлектрическими резонаторами, с конструктивной защитой ФАПЧ от акустических шумов и механических воздействий 109
4.3 Выводы
Заключение
Список литературы 1 19
- Современные методы измерения флуктуационных параметров описывающих качество СВЧ сигналов ТП
- Конструктивные методы обеспечения тепловых режимов GaN СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках
- Моделирование эквивалентной схемы и выбор типа СВЧ транзистора
- Импульсные твердотельные СВЧ передатчики Х-диапазона на GaN СВЧ транзисторах с высокой стабильностью частоты и фазы
Введение к работе
Актуальность работы
Стабильность частоты и фазы генерируемых сигналов определяет основные характеристики радиолокационных и связных систем, такие как:
дальность обнаружения целей;
разрешение целей по дальности;
подавление мешающих отражений от местных предме - тов и медленно движущихся объектов;
помехозащищенность и скрытность передачи сигналов радиолокации и связи.
Существенные сложности при формировании сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы возникают не толь - ко при генерации этих сигналов, но и при их усилении до заданных значений мощности. Эта задача наиболее актуаль - на при создании мощных твердотельных СВЧ передатчиков, поскольку нелинейные искажения в твердотельных СВЧ приборах существенно больше, чем в электровакуумных СВЧ приборах. Задача построения мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы должна решаться не только по критерию высокого качества формируемых сигналов, но и с учётом требований по мини - мизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам [ Л1].
Решению актуальной задачи создания мощных твердо - тельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью часто - ты и фазы на основе совокупности новых научно - обоснованных технических и технологических решений по - священа настоящая диссертация.
Целью данной работы является разработка оптимизиро - ванных схем построения мощных твердотельных СВЧ пере - датчиков с высокой стабильностью частоты и фазы, а также - определение требований к их элементной базе для реали- зации минимальных массо - габаритных характеристик и по - вышения эффективности специальных радиоэлектронных систем.
Для достижения поставленной цели в работе:
-
-
проведен анализ состояния техники формирования СВЧ сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы для современных радиоэлектронных систем;
-
проведены исследования и моделирование твердотель- ных СВЧ импульсных передатчиков на GaN СВЧ транзи - сторах при воздействии помех и шумов;
-
проведены моделирование и оптимизация мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резона - торами, с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) по кри - терию максимума стабильности частоты и фазы;
-
проведены экспериментальные исследования по практи - ческому применению твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на GaN СВЧ транзи - сторах.
Научная новизна
-
-
-
Установлено, что применение GaN СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектриче - ским резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) на 10дБ, вследствие большей величины активной части импеданса GaN СВЧ транзистора по сравнению с GaAs СВЧ транзистором, что приводит к меньшей на порядок величине вносимого в кон - тур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и, соответственно, - большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.
-
Показано, что применение двухключевой схемы мо - дулятора питания GaN СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ СВЧ передатчика более чем на 10 дБ по сравнению с одноключевой схемой модулятора питания. По - лученный результат достигается подавлением влияния шу - мов и помех вторичного источника питания, поскольку в те - чение длительности импульса GaN СВЧ транзистор подклю - чен к блоку конденсаторов (через первый ключ), а блок кон - денсаторов отключен (через второй ключ) от вторичного ис - точника питания; в течение паузы между импульсами GaN СВЧ транзистор отключен от блока конденсаторов (через первый ключ) и блок конденсаторов заряжается (через включенный второй ключ) от вторичного источника пита - ния.
-
Установлено, что для снижения вероятности электрического пробоя GaN СВЧ транзистора, обусловленного короткими импульсными выбросами напряжения помехи на стоке GaN СВЧ транзистора, возникающими при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, модулятор питания стока GaN СВЧ транзистора должен выключаться не менее чем за 150 нс до начала заднего фронта СВЧ импульса. Это обеспечивает снижение напряжения помехи на стоке GaN СВЧ транзистора до уровня < 10% напряжения питания стока.
-
Показано, что применение теплопроводящих подло - жек из карбида кремния в GaN СВЧ транзисторах позволяет обеспечить уровень перегрева активной структуры за длительность импульса т=200 мкс ДТ< 150С, что на 60% мень - ше чем в GaN СВЧ транзисторах на кремниевых подложках, и неравномерность вершины СВЧ импульса при этом менее 20% от амплитуды импульса.
Практическая значимость
1. Разработаны и внедрены методы проектирования твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на GaN СВЧ транзисторах при воздействии шумов и помех при минимальных массо-габаритных характеристиках аппаратуры, заключающиеся:
в оптимизации соотношения величины вносимых по - терь к нагруженной добротности резонатора выбором, импе - данса СВЧ транзистора и добротности согласующей цепи для реализации минимального уровня СПФШ сигнала СВЧ генератора, стабилизированного диэлектрическим резонато - ром;
в выборе двухключевой схемы модулятора питания GaN СВЧ транзистора позволяющей снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 10 дБ, что достигает - ся подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания;
в применении быстродействующего модулятора пита - ния стока GaN СВЧ транзистора, обеспечивающего сниже - ние напряжения помехи на стоке GaN СВЧ транзистора до уровня < 10% напряжения питания стока менее чем за 150 нс.
2. Разработаны конструктивные и схемотехнические ме - тоды обеспечения генерации СВЧ сигналов с высокой ста - бильностью частоты и фазы при воздействии внешних воз - действующих факторов, состоящие:
в реализации оптимальных механизмов отвода тепла от мощных GaN СВЧ транзисторов;
в снижении влияния механических воздействий на ус - тойчивость работы СВЧ твердотельных передатчиков;
в фильтрации электромагнитных помех и выборе оп - тимальных типов вторичных источников питания для раз - личных блоков СВЧ твердотельных передатчиков сигналов для обеспечения высокой стабильности частоты и фазы при минимальном размере аппаратуры.
Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы для:
формирователя сигналов гетеродинов и передатчика БКВП .468173.006;
устройства формирования сигналов радиолокационно - го модуля БКВП .468173.020;
модуля выходного усилителя мощности радиолокационного модуля БКВП .468714.033 и модуля выходного уси - лителя мощности линии радиокоррекции БКВП .468714.037.
твердотельного СВЧ передатчика X - диапазона радио - локационного модуля БКВП .468714.030;
твердотельного СВЧ модуля выходного усилителя мощности X-диапазона комплекса радиотехнической за - щиты БКВП.468714.042
На защиту автором выносятся следующие научные по - ложения
1 . Применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в GaN СВЧ транзисторах позволяет уменьшить температурную нестабильность фазы сигнала СВЧ передат- чика за длительность импульса т=200 мкс до 20 и неравно - мерность вершины СВЧ импульса менее 20% от амплитуды импульса. Это обеспечивает отношение основного и боково - го лепестков свертки ФКМ сигнала на уровне менее чем на 0.5 дБ, что близко к погрешности измерения. Этот результат достигается за счет обеспечения уровня перегрева активной области структуры ДТ< 150оС, что на 60% меньше, чем уро - вень перегрева в GaN СВЧ транзисторах на кремниевых теп - лопроводящих подложках.
Применение двухключевой схемы модулятора пита - ния GaN СВЧ транзистора позволяет повысить стабильность частоты СВЧ передатчика и снизить уровень СПФШ сигнала более чем на 10 дБ, что достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания во время пе - редачи СВЧ сигнала.
Выключение модулятора питания стока мощного GaN СВЧ транзистора не менее чем за 150 нс до начала заднего фронта СВЧ импульса снижает уровень коротких импульс - ных помех напряжения на стоке GaN СВЧ транзистора, воз - никающих при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, до уровня < 10% напряжения питания стока.
Применение GaN СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонато - ром, позволяет повысить стабильность частоты сигнала СВЧ передатчика, за счет снижения уровня спектральной плотности фазового шума (СПФШ) на 10 дБ, что обуслов - лено большей величиной активной части импеданса GaN СВЧ транзистора по сравнению с GaAs СВЧ транзистором.
Апробация работы
Содержание и результаты работы доложены и обсужде -
ны:
на научно - технической конференции «Твердотельная СВЧ электроника, приборы силовой электроники, микроэлектроника и изделия на основе ПЗС», Москва, 2003;
на научно - технической конференции «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством ИЭТ», Москва, 2004;
на научно - технической конференции, посвященой 60-летию МИРЭА, Москва, МИРЭА, 2007;
на VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Москва, 2008;
на VIII-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 21-23 октября, 2009;
на IX-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, 01-03 декабря 2010;
на X-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 12-14 октября 2011.
Публикации
По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 работы - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Получен 1 патент на изобретение. Список публикаций приведен в конце автореферата.
Вклад автора в результаты работы
Основные теоретические результаты получены автором самостоятельно и опубликованы в ряде работ в том числе - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Во всех экспериментальных исследова - ниях автор принимал непосредственное участие в части по - становки и проведения экспериментов, а также их внедре - ния, являясь главным конструктором и заместителем главно - го конструктора 6-ти ОКР.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, выво - дов, списка литературы и оглавления. Работа содержит 115 страниц текста, включая 76 рисунков и фотографий и спи - сок литературы из 108 наименований.
Современные методы измерения флуктуационных параметров описывающих качество СВЧ сигналов ТП
Стабильность частоты и фазы сигналов ТП ограничивается наличием шумов и помех, как внешних, так и присущих самой радиоэлектронной аппаратуре [1-4]. Физической причиной, приводящей к нестабильности параметров ТП, являются случайные процессы в элементах схем ТП [4-7] и определяется с помощью статистических характеристик: среднеквадратического отклонения параметра сигнала от среднего значения, автокорреляционной функции параметров сигнала, спектральной плотности шума параметров сигнала[1-3].
Шумы и помехи, воздействующие на аппаратуру, могут изменяться во времени, поэтому для адекватного описания параметров качества сигнала необходимо использование корреляционного анализа. С практической точки зрения более удобным является измерение Фурье- образа корреляционной функции случайного процесса - спектральной плотности щума. Следует отметить, что дисперсия параметра однозначно связана со спектральной плотностью его шума. Однако из-за ограниченности времени измерения и значения полосы сигнала полезно рассматривать среднеквадратическое отклонение параметра от среднего значения и спектральную плотность шума (СПИТ) этого параметра как взаимно дополняющие характеристики сигнала.
Шумы и помехи, воздействующие на аппаратуру, могут изменяться во времени [1-3], поэтому для адекватного описания параметров качества сигнала необходимо использование корреляционного анализа [3]. С практической точки зрения более удобным является измерение Фурье-образа корреляционной функции случайного процесса - спектральной плотности шума [3,8-10]. Следует отметить, что дисперсия параметра однозначно связана со спектральной плотностью его шума [1,3]. Однако из-за ограниченности времени измерения полосы сигнала полезно рассматривать среднеквадратичное отклонение параметра от среднего значения и спектральную плотность шума (СПШ) этого параметра как взаимно дополняющие характеристики сигнала [9,10]. ТП можно рассматривать как источник идеального монохроматического сигнала, амплитуда и частота которого модулированы шумом. Сигнал такого генератора описывается уравнением [2] U (t) = и0 [l+m(t)] cos [cD0t + (p(t)], где Uo, G)0 - средние постоянные значения амплитуды и частоты; m(t), (p(t) - случайные функции, представляющие собой относительные флуктуации амплитуды и фазы, соответственно; m(t) тождественен коэффициенту амплитудной модуляции: m(t)=AU(t)/Uo, а (p(t) - индексу частотной модуляции: cp(1) = Ara(t)/ , где Q. = 2TIF - частота модуляции.
Стабильность частоты или фазы характеризуется значением относительной нестабильности частоты- 5f или амплитуды- 8q , определяемой как отношение изменения частоты к ее номинальному значению. Относительную нестабильность принято подразделять на: кратковременную, средневремен-ную и долговременную. Кратковременная нестабильность частоты обусловлена флуктуациоными процессами (шумами). Времена корреляции случайных шумовых процессов вносящих вклад в кратковременную нестабильность частоты, лежат ниже десятков секунд. Времена корреляции случайных процессов вносящих вклад в средневременную нестабильность частоты, превышают десятки секунд и, в основном, обусловлены температурными изменениями в элементах схемы ТП. Долговременная нестабильность частоты связана с необратимыми изменениями в элементах схемы ТП и обусловлены процессами старения.
Спектральная плотность частотного и фазового шума- Sf(f)) и S9(1) представляет собой спектры флуктуаций частоты и фазы. Спектральные плотности частоты и фазы связаны между собой [2]: (1.І-). «Чистота» спектра определяется как радиочастотный спектр сигнала, включающий как форму линии колебания, так и уровень и частоту дискретных составляющих в спектре сигнала -, Sn(f)
Следует отметить, что перечисленные параметры, описывающие качество сигнала,- являются характеристиками случайных процессов и описываются статистическими моделями, область применимости которых зависит от характеристик исследуемых процессов.
Амплитудный шум 5и(1) ТП оказывает влияние на [8-12]: - чувствительность СВЧ приемника, случае близкого расположения рабочих и гетеродинных частот, не позволяющего обеспечить эффективную фильтрацию амплитудного шума; - стабильность частоты формируемых сигналов, обусловленную амплитудно-фазовой конверсией амплитудного шума. Следует отметить, что устройства стабилизации амплитуды сигнала и использование в ТП ограни-чительных устройств для снижения уровня амплитудного шума также при-водят к увеличению нестабильности частоты.
Стабильность частоты может описываться как во временной области по измеренному массиву значений частоты, так и в частотной области в виде спектральной плотности частоты сигнала [1,3,11,12].
Теоретически параметры качества сигнала во временной области: корреляционная функция Bf(x) связаны со спектральными плотностями шума [1] SfCo)) =21вКх)соз[(со-шо)х]с1х, (1.2.),
О Следует отметить, что перечисленные параметры, описывающие качество сигнала, являются характеристиками случайных процессов и описываются статистическими моделями, область применимости которых зависит от характеристик исследуемых процессов. На практике, из-за конечного времени измерения сигналов и ограниченности полос анализа измерительных приборов, однозначность соответствия параметров сигнала во временной и частотной области должна быть исследована в каждом конкретном случае.
В качестве основной модели спектральной плотности флуктуаций частоты (частотного шума) используется степенная модель[3]: S B +B.1 !4 + Во + Bl f + B2 f (1.З.), Аналогично для фазового шума с учетом (1.1) ход зависимостей спектральной плотности фазового шума имеет вид S A A f3 + А.2 Г2+ А Г1 + А0, (1.4.), где А_4 Г -шум случайных блужданий генератора, обусловленный флуктуациями температуры А_з Г - частотный фликкер-шум, А_2 Г - частот-ный “белый” шум, А.1 Г - фазовый фликкер-шум, Ао - фазовый “белый” шум.
Первые два слагаемых определяют вклад собственно генератора в спектральную плотность фазового шума выходного сигнала, а вторые два слагаемых определяют вклад буферных и умножительных каскадов.
Степенные модели не могут описывать спектральную плотность шума в полном диапазоне частот от О до оо, из-за расходимости их интегральных характеристик. В частности величина нестабильности частоты, определенная через спектральную плотность частотного шума[7]:
Конструктивные методы обеспечения тепловых режимов GaN СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках
В настоящее время существует ряд ограничений, сдерживающих развитие твердотельной СВЧ радиоэлектронной техники:
- суммирование большого количества кремниевых и арсенид галлие-вых транзисторов для повышения мощности усложняет конструкцию аппаратуры и повышает ее стоимость. Присущие арсенид галлиевым транзисторам низкое рабочее напряжения и необходимость работы на повышенных токах не только ограничивают их мощность, но увеличивают потери полезной мощности и ухудшают КПД передатчиков. Резкое снижение рассеяния носителей в тонкой нанометровой области позволило на порядок увеличить подвижность электронов и привело к созданию нового типа СВЧ приборов HEMT (High Mobilily Electron Transistor). Реализация СВЧ транзисторов типа HEMT на GaAs гетероэпитаксиальных структурах позволило создать мало-шумящие СВЧ транзисторы С-, X- и Кн- диапазонов с значением шумовой температуры не превышающей 40 К, а также - СВЧ мощные внутрисогласо-ванные транзисторы с выходной мощностью до 60 Вт в С-диапазоне и до 25 ВтвX-диапазоне; - мощные кремниевые приборы ограничены частотным диапазоном порядка 4 ГГц.
Для устранения основной причины, сдерживающей создание твердотельных РЛС С- и X- диапазонов, а именно, недостаточного уровня выходной мощности СВЧ транзисторов и твердотельных модулей СВЧ передатчиков, изготавливаемых сегодня на основе гетероструктур GaAs, как сказано выше, в настоящее время развивается одно из важнейших основных направ-лений создания СВЧ электроники: использование наногетероструктур на основе широкозонных полупроводников, среди которых наиболее перспектив-ным является нитрид галлия и гетеропереходы на основе этого материала создание нитрид галлиевой технологии и, на ее основе - СВЧ элементов (транзисторов и микросхем) и модулей передатчиков повышенной мощности. Преимущества, получаемые в результате применения гетероструктур GaN, наиболее четко демонстрируют приборы НЕМТ и НВТ, которые обладают рядом преимуществ по сравнению, как с кремниевыми, так и с арсе-нид-галлиевыми транзисторами, а именно[64,77-84]: - более высокой областью рабочих температур; - более высокими рабочими напряжениями; - более высокой радиационной стойкостью; - большей величиной тока насыщения.
Отмеченные преимущества GaN гетероструктур позволяют создавать твердотельные СВЧ блоки и модули, предназначенные[65,84,87,88]: - для замены СВЧ электровакуумных приборов передатчиков сущест вующих средств связи и РЛС всех средств ПВО; - для антенных фазированных решеток РЛС ЗРК воздушного и мор-ского базирования и других радиоэлектронных систем. ььЧ транзисторы на нитриде галлия могут работать при повышенных рабочих напряжениях (порядка 50 и более вольт) и при повышенной темпе-ратуре окружающей среды (температура рабочая области транзистора повы-шается до 300С). Зто позволяет поднять выходную мощность транзисторов на порядок и обеспечить температурный режим его работы в модуле СВЧ передатчика без сложных систем охлаждения; физические свойства нового материала позволят работать в широком частотном диапазоне (до 50 - 70 ГГц)[77,84,88].
Типичные приборы, предназначенные для работы в Х-диапазоне частот, представлены в работе [66]. Величины КПД до 60% достигались при 40 В с плотностью мощности 6,4 Вт/мм для прибора размером 1,28 мм. Долгосрочная надежность должна быть порядка 10 часов[88]. Ранние сообщения о работе с большими мощностями в Х-диапазоне частот пред-ставлены фирмами VCSB и Rockwell в работах [67 68]. Плотность выходной мощности для приборов достаточно небольшого размера была в то время 1,7 Вт/мм и 2,3 Вт/мм. Раннее сообщение об очень высокой плотности мощности AlGaN/GaN НЕМТ-приборах, созданных на полуизолирующем Sic с плотностью мощности 9,8 Вт/мм на частоте 8 ГГц, было сделано представителями фирмы VCSB в [69]. Основные предсказания о г-раничений при работе с большой мощностью выдвинуты Трю (Trew) с сотрудниками, они сосредоточили внимание вчасти дисперсии, на взаимодействии свойств широкозонных материалов при работе в области высоких частот, например в [70-72]. Была предсказана плотность мощности 10-12 Вт/мм в Х-диапазоне частот. Экспериментальные ограничения мощности при определенных частотах для НЕМТ со структурой AlGaN/GaN в Х-диапазоне были определены Истманом (Eastman) с сотрудниками, например, в работах [73-75]. Геометрические соображения, например ограничения, связанные с толщи-ной барьерного слоя, приводящие к низким значениям напряжения смещения в Х-диапазоне представлены в [76]. Сотрудники фирмы «Тринквинт» (Triquint) сообщили о мощности MMIC; применяющихся в радиолокаторах, работаю-щих в Х-диапазоне [77]. Плотности выходной мощности 12 Вт/мм при частоте 10 ГГц представлены в этой работе с КПД, равным 50%. Вместе с тем имеются сообщения о приборах с хорошими параметрами, созданными на Si-подложках в [78]. Плотность мощности для прибора с малой периферией была достаточно высокой и составляла 7 Вт/мм при 10 ГГц при КПД 37% при смещени VDS — 40 В. Указывалось, что в этом случае ограничения связаны именно с КПД.
Моделирование эквивалентной схемы и выбор типа СВЧ транзистора
Как отмечалось выше, конструктивное обеспечение тепловых режимов GaN СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках является многоступенчатым и состоит из конструкции кристалла, многокристального СВЧ транзистора, СВЧ модуля с теплосъемом различными теплоносителями (воздух, жидкость и др.) и СВЧ передатчика в целом.
Реализация теплоотвода в кристалле в основном определяется теплопроводностью подложки [64]. Расчеты влияния различных материалов подложки на зависимость температуры рабочей области СВЧ транзистора от длительности импульса были проведены для подложек: кремния толщиной Ь=100мкм; карбида кремния толщиной Ь=100мкм; поликристаллического алмаза толщиной Ь=100мкм, выращенного на кремнии с остаточной толщиной h,=10MKM и п,=20мкм; (рис.2.8).
Зависимость перегрева рабочей области СВЧ транзистора от длительности импульса для различных материалов подложки: 1 - подложка кремния толщиной Ь = ЮОмкм; 2 - карбид кремния толщиной Ь = 1 ООмкм; 3 - поликристаллический алмаз толщиной Ь = ЮОмкм, выращенный на кремнии с остаточной толщиной h, = ІОмкм; 4 - поликристаллический алмаз толщиной Ь = ЮОмкм, выращенный на кремнии с остаточной толщиной h, = 20мкм.
Результаты расчетов показывают, что наиболее перспективным для подложек СВЧ транзисторов при работе с длительностями импульсов т 200мкс является карбид кремния, значение перегрева рабочей области, при использовании которого составляет АТ=150С, так же как и при использовании полиалмаза. Перегрев рабочей области СВЧ транзистора, ведёт к падению коэффициента усиления Кр и выходной мощности Рвых(рис.2.9,а) и к росту фазового сдвига (рис.2.9,б)[97]. Р.„.,Вт 4»
При минимизации перегрева рабочей области существенным является выбор размера и материала пьедестала, на который припаян кристалл СВЧ транзистора (рис.2.10). Следующим щагом в конструкторском обеспечении тепловых режимов твердотельных СВЧ передатчиков является реализация отвода тепла в твердотельном усилительном модуле [88, 97-99].
Расчет распределения температуры вдоль корпуса модуля с воздущ ным охлаждением приведен на рис.2.11. Габариты модуля: 450x420x104 мм. Выходная мощность Рвых=500 Вт. Расход воздуха; 400 куб. метров в час, температура воздуха Т„= 25С.
Распределение температуры в пространстве показывает точечный характер тепловыделения, обусловленный выделением мощности в выходных транзисторах СВЧ модуля. Эффективность теплосъема не оптимальна, так как температура ребер радиатора превышает температуру воздуха на 10-Н5С (рис.2.11,б).
Эффективность теплосъема может быть повышена при использовании водяного охлаждения (рис.2.12).
Блок с водяным охлаждением - а) и распределение температур - б). Расчет распределения температуры вдоль корпуса модуля с водяным охлаждением, имеющим габариты: 350x300x54 мм при Рвых = 500 Вт показывает, что при расходе у=0,4м /час воды при температуре Ттлм = 20С температура радиатора превышает температуру воды менее чем на 5С.
Оптимизация отвода тепла при применении в GaN СВЧ транзисторе теплопроводящей подложки из карбида кремния позволяет обеспечить неравномерность вершины СВЧ импульса менее 20% от амплитуды импульса (рис.2.13).
Неравномерность вершины СВЧ импульса обусловлена разогревом активной области СВЧ транзистора за время импульса, поскольку напряжение на стоке СВЧ транзистора остается неизменным (кривая 1 рис.2.13).
Сравнение зависимостей на рис.2.9 и 2.13 позволяет определить величину разогрева активной области СВЧ транзистора по величине изменения уровня выходного сигнала. Оценка экспериментальных результатов показывает, что уровень перегрева активной структуры в GaN СВЧ транзисторах на теплопроводящих подложках из карбида кремния импульсом при т=200 мкс составляет АТ 150С, что совпадает с расчетными значениями на рис.2.8.
Разогрев активной области СВЧ транзистора существенно влияет на стабильность фазы усиливаемого сигнала. 2.1.3 МетодМ снижения жероятности электричеккого прогоя GaN СВЧ транзисторов при работе в режиме максимальной выходной мощности
Одним из основных преимуществ, получаемых в результате применения СВЧ транзисторов на гетероструктурах GaN, по сравнению с транзисторами на СaAs являются более высокие рабочие напряжения (рис. 2.14) [88-91].
Зависимости выходной импульсной мощности Р!ых GaN транзисторов от напряжения на стоке Uc при различных напряжениях питания и1ИТ: 1 - 24В; 2 - ЗОВ; 3 - 40В (тимм =20мкс; д=10) Работа при повышенных рабочих напряжениях может приводить к инжекционному и тепловому пробою (рис. 2.15) .
Оба эти процесса приводят к необратимым разрушениям активной структуры СВЧ транзистора (рис.2.16). пробоя. Результаты ускоренных испытаний мощных GaN НЕМТ ЗПШ987В при повышенных напряжениях показали, что при ускоренном режиме испытаний: рабочий режим Рвх=20Вт; Ц„=55В; Ткор,уса=60оС ускоренный режим Рвх=20Вт; UM=55B; Ткорпуса=125С накопленное количество отказов на выборке 20 штук составило 4 транзистора
Рассчитанное по результатам испытаний рабочее напряжение было установлено равным UP=40B. Результат проверки при ускоренных испытаниях (рабочий режим Рвх=20Вт; Un=40B; Ткорпуеа=60С; ускоренный режим Рвх=20Вт; U„=40B; Тк0рпуСа=125оС) показал отсутствие накопленных отказов.
Полученные результаты показывают возможность устойчивой работы GaN НЕМТ ЗПШ987В при повышенных напряжениях питания до Un=40B.
Однако для однозначной оценки устойчивой работы GaN НЕМТ ЗПШ987В при повышенных напряжениях питания необходимо рассмотреть переходные процессы в СВЧ транзисторе при прохождении СВЧ сигнала (рис.2Л 8). Напряжение питания стока СВЧ транзистора Uc, сформированное модулятором, существенно изменяется при прохождении СВЧ сигнала (напряжение продетектированного сигнала ид). Выбросы напряжения Uc, воз пикающие при прохождении СВЧ сигнала, показывают индуктивный характер импеданса СВЧ транзистора на низких частотах, что может объяснить наличие и полярность выбросов напряжения Uc. Особую опасность представляют выбросы на заднем фронте СВЧ сигнала, величина которых составляет около 40
Импульсные твердотельные СВЧ передатчики Х-диапазона на GaN СВЧ транзисторах с высокой стабильностью частоты и фазы
Зависимости величины отношения нагруженной и ненагру-женной добротности резонатора QH/д от отношения активных составляющих импеданса транзистора, вносимого в контур резонатора, гТр и импеданса ре-зонатора Грпри различных значениях добротности цепей согласования Qc: Qc=3 (1); Qc=30 (2) и Qc=300 (3).
Полученные результаты объяснимы с помощью теоремы Фано [94] поскольку показывают, что чем выше вносимое в контур резонатора активное сопротивление СВЧ транзистора, тем больше отношение гтр/гр и тем требуется более высокая добротность цепи согласования для реализации значений нагруженной добротности резонатора, близких к собственной добротности резонатора.
В результате проведенного исследования показано, что минимально достижимая величина вносимых потерь согласованного резонатора Kp min зависит от добротности согласующей цепи, входной статической емкости С1 и отношения активных составляющих импеданса резонатора и транзистора гтр/гр. При этом уменьшение нагруженной добротности резонатора при уменьшении величины вносимого сопротивления нагрузки в контур согласования Гтр (уменьшение емкости С) сопровождается уменьшением только до величины ггр = 4-r+2R,(Q;) при котором Кр= К p.mirv
Дальнейшее уменьшение сопровождается только уменьшением нагруженной добротности, а вносимые потери при этом возрастают. Следовательно, увеличение связи резонатора с нагрузкой всегда уменьшает добротность, но уменьшает Кр только до определенного предела Kp,min, после чего потери начинают возрастать причем, частота оптимального согласования резонатора с нагрузкой fo отличается от собственной резонансной частоты fp.
Сравнение расчетных значений активной составляющей г,р для GaN и GaAs транзисторов (рис.3.5) показывает, что величина вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь GaN СВЧ транзистора на порядок меньше, чем у GaAs СВЧ транзистора [103].
Это приводит к меньшей на порядок величине вносимого в контур ди электрического резонатора сопротивления потерь и, соответственно, большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.
Поскольку уровень СПФШ СВЧ генератора существенно зависит от уровня низкочастотного шума СВЧ транзистора был проведен сравнительный анализ низкочастотных шумов GaN и GaAs транзисторов. Сравнение различных типов СВЧ транзисторов показало, что низкочастотные шумы GaN и GaAз транзисторов отличаются незначительно и находятся достаточно близко к среднеквадратическому отклонению результатов измерений (о 3дБ).
Сравнение результатов измерения СПФШ мощных (Р=10Вт) СВЧ генераторов на GaN и GaAs транзисторах (рис.3.6) показало, что применение GaN СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) более чем на 10дБ, что обусловлено большей величиной активной части импеданса GaN СВЧ транзистора по сравнению с импедансом GaAs СВЧ транзистора.
Проведенный анализ показал, что основными физическими ограничениями когерентности сигналов СВЧ генераторов с высокой стабильностью частоты и фазы, стабилизированных резонаторами на ПАВ, являются реализуемая величина нагруженной добротности Qн и потери Кр в резонаторе. Полученные результаты, как указано выше, позволяют исходя из конкретных требований к СВЧ генераторам с высокой стабильностью частоты и фазы, сформировать оптимальные требования к параметрам резонатора и схемы согласования.
Наряду с естественными, внутренними процессами, происходящими в приборах, на уровень фазового шума влияют также внешние дестабилизирующие факторы [1,2]. К ним относятся: - воздействие ударов, вибраций, акустических флуктуаций; - шумы и пульсации источников питания; - изменение температуры (шум «случайных блужданий фазы»). Наиболее распространенным источником помех в СВЧ генераторах с высокой стаоильностью частоты и фазы являются низкочастотные гармони-ческие колебания, причем их источниками могут быть, как электромагнит-ные колебания, так и механические вибрации [2, 95, 105],
Наиболее очевидными источниками помех являются помехи от напряжения сети переменного тока частотой 50 или 400 Гц и их гармоники. Воз-действие механических вибраций может приводить к помеховой модуляции информационных сигналов вследствие пьезоэффекта в частотно-задающих элементах СВЧ передатчиков (резонаторах) и изменениях эффективной электрической длины СВЧ кабелей [95, 104, 105],. Периодические ударные воздействия могут быть представлены как сумма гармонических колебаний, а однократные могут имитироваться с помощью шумового случайного воздействия (ШСВ), обладающего равномерным распределением мощности шума («белым» шумом). 3.2.1. Моделирование воздействия ударов, вибв,ций, акустических флуктуаций на СВЧ генераторы с высокой стабильностью 43 CTOTKI и фазы.
Для учета их вклада механических и акустических воздействий в результирующий спектр шума проведем моделирование источников шума ис-пользуя структурную схему одночастотного ТП, состоящую из автогенератора и буферного каскада [106].
При анализе механических и акустических воздействий поскольку пьезоэлектрический резонатор входит в блок автогенератора выражение для степенной модели СПФШ [3] можно упростить S„{ ») o)2.SAr{co), (3.6) что позволяет в степенной модели СПФШ использовать следующие два слагаемых: иЛ = Л_3-/-3 + Л_2-/-2, (3.7) где Л./3 - частотный фликкер-шум, А./2- частотный “белый” шум. Спектральная плотность шума, описываемая формулой (3.7) является спектральной плотностью шумового или помехового воздействия.
При воздействии описанных влияний на СВЧ генераторы с высокой стабильностью частоты и фазы в рабочей полосе частот, например, в полосе частот «скоростной» характеристики селектора движущихся целей [9-12] гармоническое акустическое воздействие проявляется в виде дискретной составляющей в радиочастотном спектре (рис.3.7) и СПФШ (рис.3.8) сигнала ТП.
Похожие диссертации на Твердотельные мощные передатчики C- и X-диапазонов с высокой стабильностью частоты и фазы сигналов на GaN СВЧ транзисторах
-
-
-
