Комплексная миниатюризация компонентов и устройств приемо-передающих модулей свч диапазона
На правах рукописи
Бабунько Сергей Анатольевич КОМПЛЕКСНАЯ МИНИАТЮРИЗАЦИЯ КОМПОНЕНТОВ И УСТРОЙСТВ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ МОДУЛЕЙ СВЧ ДИАПАЗОНА Специальность 05.12.07 – Антенны, СВЧ устройства и их технологии
Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук
Нижний Новгород – 2006
Работа выполнена в Закрытом акционерном обществе «Научно производственное предприятие «Салют-27» (ЗАО «НПП «Салют-27»)
Научный консультант:
доктор технических наук, доцент Орлов Олег Сергеевич
Официальные оппоненты:
доктор технических наук, старший научный сотрудник Алыбин Вячеслав Георгиевич доктор технических наук, старший научный сотрудник Щитов Аркадий Максимович
Ведущая организация:
ФГУП «Научно-производственное предприятие «Полет», г. Нижний Новгород
Защита состоится 15 февраля 2007 г. в 15 часов на заседании диссертационного совета Д212.165.01 в Нижегородском Государственном Техническом Универ ситете по адресу: 603600, Нижний Новгород, ГСП-41, ул. Минина, 24.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НГТУ.
Автореферат разослан 27 декабря 2006г.
Ученый секретарь диссертационного совета В.А. Калмык
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность работы. Проблемы совершенствования технических харак теристик современных радиоэлектронных средств военного и гражданского назначения в значительной мере обусловлены качеством разработки и изготов ления радиокомпонентов СВЧ приемо-передающих модулей. Решение задач уменьшения их габаритов и массы, повышение надежности работы, помехо устойчивости и помехозащищенности, устойчивости к воздействию внешних дестабилизирующих факторов в немыслимо без успехов в области создания новых более совершенных СВЧ компонентов. Поскольку в состав большинства радиоэлектронных изделий СВЧ входят полосовые фильтры, коммутационные устройства, синтезаторы частот, улучшение их технических характеристик является существенным фактором, определяющим решение проблемы созда ния современных малогабаритных средств связи, РЛС, средств радиотехниче ской разведки, позиционирования и т.д. Одним из путей, позволяющим успеш но решать задачу повышения качества и расширения функциональных воз можностей приемо-передающих модулей (ППМ), является активное использо вание высокочастотных монолитно-интегральных схем (МИС).
Работы по интегральной схемотехнике [Л.1-Л.5] показывают преимущест ва монолитно-интегральных приборов перед другими технологиями изготов ления аппаратуры СВЧ. Использование монолитных схем и соответствующих принципов проектирования: интеграция активных и пассивных компонент в составе одной микросхемы СВЧ (субмодуля), миниатюризация приборов и их отдельных компонентов, широкое использование принципа «базового проек тирования» - создание универсальных устройств в виде субблоков – требует перехода на новый уровень разработки и проектирования радиоэлектронной аппаратуры (РЭА) СВЧ [Л.1, Л.2]. Одновременное изготовление пассивных компонентов и активных приборов в составе МИС СВЧ позволяет достичь максимально возможной плотности упаковки компонентов в составе модуля.
Применение такой технологии производства предполагает увеличение функ циональных возможностей РЭА СВЧ, что является существенным для порта тивной и бортовой аппаратуры. Уменьшение габаритных размеров и веса от дельных компонентов и узлов позволяет создавать функционально насыщен ные изделия, что значительно упрощает общую структуру прибора, расширяет область его применений, облегчает эксплуатацию и улучшает технические ха рактеристики.
Одна из современных тенденций развития радиоэлектронной техники СВЧ диапазона – создание универсальных базовых структур, позволяющих исполь зовать их во многих приборах широкого спектра применений. В этой связи представляется актуальной задача исследования и разработки базовых конст рукций различных функциональных устройств – защитных, фильтров, фазов ращателей и т.д. – позволяющих работать в полосе частот от октавы до декады [Л.6-Л.8]. Применение новых материалов и современных технологий также требуют корректных методов точного расчета параметров электрических схем.
Освоение диапазонов ВЧ и СВЧ происходит, в основном, за счет внедре ния твердотельных устройств. При повышении рабочей частоты прибора на чинают проявляться различные не учитываемые в расчетах факторы. Возраста ет погрешность в описании параметров элементов, труднее обеспечить точ ность механического изготовления деталей. Становится необходимым созда ние моделей элементов и устройств, позволяющих учитывать разброс парамет ров и взаимодействия по постоянному току, СВЧ и паразитным связям.
Известно [Л.1, Л.9], что устройства в монолитно-интегральном исполне нии занимают примерно в 100 раз меньшую площадь по отношению, напри мер, к аналогичным устройствам СВЧ на основе гибридно-интегральных схем (ГИС), наиболее распространенным в настоящее время. Нужно отметить, что при этом все компоненты МИС являются законченными устройствами, схемо техника которых подчиняется принципам функциональной интеграции.
При проектировании интегральных схем СВЧ необходимо создавать уст ройства с высокими показателями надежности [Л.1-Л.4]. Использование воз можностей функциональной электроники [Л.4, 4] позволяет генерировать, уси ливать и преобразовывать сигналы более простыми и надежными методами и строить приборы, работающие в области более коротких волн, на основе твер дотельных структур.
Для некоторых типов СВЧ устройств минимизация размеров встречает оп ределенные трудности. К ним относятся узлы на основе цепей с распределен ными постоянными. Размеры этих устройств жестко привязаны к длине волны электромагнитного поля, распространяющегося в передающей линии (это, на пример, фильтры, направленные ответвители, делители мощности). В связи с этим представляет большой интерес возможность создания полосовых фильт ров в микроисполнении, как наиболее востребованных и сложных в реализа ции элементов. В публикуемых материалах по разработке РЭА [Л.10-Л.12] этому вопросу не уделяется должного внимания.
Цель диссертации - разработка новых способов построения, схем и мето дик расчета компонентов и устройств диапазона СВЧ: полосовых фильтров, защитных устройств, синтезаторов частот, - реализация которых в настоящее время в интегральном исполнении вызывает наибольшие затруднения, что по зволит улучшить технические характеристики приемо-передающих модулей СВЧ диапазона и обеспечить их комплексную миниатюризацию.
Для достижения указанной цели в диссертационной работе анализируются достоинства и недостатки линий передачи, которые можно реализовать в инте гральном исполнении, что позволяет уменьшить потери и увеличить частотный диапазон устройства. Рассматриваются пути решения некоторых проблем, воз никающих при миниатюризации полупроводниковых, методы анализа и моде лирования СВЧ схем. Предлагается решение проблемы миниатюризации поло совых фильтров различных частотных диапазонов. Рассматривается несколько вариантов связей между резонансными контурами фильтра, использование которых позволяет создавать фильтры с заданными частотными характеристи ками. Предлагается эквивалентная схема самоуправляемого защитного устрой ства для расчета его динамической характеристики, что позволяет автоматизи ровать проектирование этого класса приборов. Рассматривается построенная на основе принципов функциональной электроники 4х-слойная интегральная структура СВЧ, выполняющая функции самоуправляемого защитного устрой ства малого уровня входной мощности, как пример структурной миниатюриза ции СВЧ устройств. Предлагается два варианта синтезаторов частот на основе управляемых фазовращателей, конструкция которых позволяет реализовать их в составе нескольких интегральных схем.
Методы исследования. При проведении теоретических исследований в диссертации использованы методы теории цепей с сосредоточенными и рас пределенными постоянными [Л.13-Л.15], аппарат S-параметров [Л.16] (при расчете характеристик устройств на основе связанных линий передачи), мето ды теории графов [Л.17], численное моделирование предложенных устройств с использованием САПР «Serenade», «Microwave Office». Для проверки выдви нутых теоретических положений и уточнения параметров схем разработанных устройств применялись экспериментальные методы исследования.
Научная новизна.
Систематизированы основные виды миниатюризации СВЧ приборов, оп ределены показатели, играющие решающую роль в улучшении технических характеристик РЭА.
Разработана методика расчета параметров и характеристик фильтров на линиях с распределенными параметрами и сосредоточенных элементах на ос нове магнитной связи резонаторов. Фильтры имеют низкие потери в полосе прозрачности и крутые спады АЧХ.
Разработана методика аналитического расчета динамической характери стики самоуправляемых защитных устройств на основе эквивалентной схемы взаимодействия детекторного и переключательного диодов по постоянному току и СВЧ.
Разработана методика расчета импеданса четырехслойной интегральной полупроводниковой структуры защитного устройства СВЧ.
Предложены функциональные структуры нового типа синтезаторов частот на основе управляемых фазовращателей, позволяющие реализовать синтезатор в составе нескольких интегральных схем.
Обоснованность и достоверность полученных результатов.
Обоснованность и достоверность научных положений, выводов и рекоменда ций, сформулированных в диссертации, подтверждается:
Использованием строго обоснованных методов расчета электрических це пей с сосредоточенными и распределенными постоянными;
Совпадением результатов расчета по формулам теории цепей для резо нансных контуров на сосредоточенных элементах, и результатов, полученных с помощью метода гармонического баланса;
Совпадением рассчитанных теоретически АЧХ фильтров и динамических характеристик защитных устройств с характеристиками, полученными экспе риментально;
Близостью электрических характеристик полупроводниковых структур, вычисленных с помощью представленного расчетного аппарата, и значений этих параметров в радиоэлектронных компонентах, выпускаемых промышлен ностью.
Практическая ценность.
Предложена конструкция микроблока для размещения монолитной инте гральной схемы СВЧ.
Показана возможность реализации в составе интегральных схем СВЧ по лосовых фильтров и самоуправляемых защитных устройств.
Разработан новый тип полосовых фильтров с магнитной связью резонато ров, обладающих малыми потерями в полосе пропускания и крутыми спадами АЧХ.
Изучено влияние различных факторов на форму динамической характери стики самоуправляемых защитных устройств, что позволяет более точно рас считывать параметры проектируемых защитных устройств ограничительного и блокирующего типов.
Разработаны функциональные схемы устройств нового класса – синтезато ров частот на основе управляемых фазовращателей – отличающихся высоким быстродействием и когерентностью выходных колебаний.
Реализация и внедрение результатов. Электрические схемы и методы расчета предложенных конструкций фильтров и защитных устройств, разрабо танные в ходе выполнения диссертационной работы, внедрены в ЗАО «НПП «Салют-27», г. Н.Новгород, где они используются при разработке новой тех ники СВЧ диапазона. В ОАО НИИРЭК, г. С.-Петербург, при создании радио локатора использованы результаты расчета полосового фильтра на несиммет ричной МПЛ и защитных устройств антенной системы. В ОАО «Корпорация «Фазотрон-НИИР», г. Москва, при создании бортовых авиационных комплек сов использованы фильтры на магнитно-связанных контурах и самоуправляе мые защитные устройства предложенной конструкции.
Основные положения диссертации, выносимые на защиту:
Интеграция активных и пассивных компонентов в составе монолитно интегральной схемы СВЧ, позволяющая перейти на новый уровень развития схемотехники приемо-передающих модулей – создание полностью твердо тельных приборов.
Методика расчета и конструирования полосовых фильтров отличающихся низким затуханием в полосе пропускания и крутыми спадами АЧХ, построен ных на основе резонаторов с преимущественно магнитной связью.
Методика расчета динамической характеристики самоуправляемого pin диодного защитного устройства, обеспечивающая при проектировании воз можность выбора типа характеристики – ограничителя мощности или блоки рующего устройства.
Методика расчета импеданса четырехслойной структуры монолитно интегрального самоуправляемого защитного устройства, обладающего высо ким быстродействием, малыми потерями в режиме слабого сигнала и непод верженной перегреву при смене режимов.
Способы построения и функциональные схемы синтезаторов частот на основе управляемых фазовращателей, предоставляющие возможность их реа лизации на базе интегральной технологии производства.
Публикации и апробация работы. По теме диссертации опубликовано работы [1-22]. Конкретные технические решения, вытекающие из теоретиче ских исследований, защищены двумя патентными свидетельствами РФ на по лезные модели [9, 10]. Основные результаты работы докладывались и обсуж дались на следующих научно-технических конференциях: Научно-техническая конференция факультета информационных систем и технологий, Н. Новгород, 1998 г.;
Научно-технический форум «Будущее технической науки Нижегород ского региона», Н. Новгород, 2002 г.;
VII, VIII и X Нижегородская сессия мо лодых ученых, сек. «Электроника и радиотехника», Дзержинск, 2002, 2003 и 2005 гг.;
XIII и XIV Отраслевой координационный семинар по СВЧ технике, Хахалы, 2003 и 2005 гг.;
VII-я Межотраслевая научно-техническая конферен ция, ФГУП НПП «Салют», Н. Новгород, 2003 г.;
XIII-я Международная Крым ская конференция КрыМиКо-2003 «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии», Севастополь, 2003 г.;
Всероссийская научно-техническая конфе ренция «Методы и средства измерений в области электромагнитной совмести мости технических средств», Н. Новгород, 2004 и 2005 гг.;
Форум «Россия единая», конгресс «Перспективы развития Нижегородской радиоэлектроники и связи», Н. Новгород, 2005 г.;
XIII-я и XIV-я межрегиональная научно техническая конференция «Обработка сигналов в системах телефонной связи и вещания», Московское и Нижегородское НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, Н. Новгород, 2005 и 2006 гг.;
семинар «Методы расче тов, экспериментальные исследования и технологические проблемы устройств СВЧ и КВЧ диапазонов», ННГУ им. Лобачевского, Н. Новгород, 2006 г.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из введения, че тырех глав, заключения, библиографического списка из 185 наименований и приложений. Объем диссертационной работы составляет 230 страниц, включая 186 страниц основного текста, 67 рисунков и 2 таблицы.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении формулируется цель диссертационной работы, обосновыва ется ее актуальность, ставятся задачи исследования, определяется новизна по лученных результатов и их практическая ценность, формулируются основные положения, выносимые на защиту, кратко излагается содержание диссертации.
В первой главе показывается целесообразность применения монолитно интегральных элементов в приемо-передающих модулях СВЧ. Рассматривают ся актуальные проблемы, которые сегодня решает микроэлектроника СВЧ.
Указываются общие признаки и цели миниатюризации приборов, применяе мые в настоящее время схемотехнические решения и конструкции, эффектив ность внесения пассивных компонентов СВЧ цепей в состав микросхемы.
На основе изучения особенностей конструкции, частотных характеристик, способа производства, эксплуатационных свойств наиболее используемых ли ний передачи и устройств на их основе вводится классификация видов миниа тюризации электрических схем и компонентов в зависимости от рабочего диа пазона частот и применяемой технологии производства. Вводится коэффици ент интеграции, показывающий степень миниатюризации СВЧ прибора.
Указываются наиболее существенные проблемы, с которыми приходится сталкиваться при разработке монолитно-интегральных схем СВЧ. Предлагают ся пути решения некоторых из этих проблем.
Описываются современные средства автоматизированного проектирования интегральных схем и методы расчета характеристик элементов, модели кото рых заложены в программах. Приводятся ограничения, налагаемые при ис пользовании каждого из методов машинного проектирования. Дается оценка точности расчета по этим программам.
Обсуждаются требования, предъявляемые к передающим линиям СВЧ и КВЧ диапазонов, на которых основано создание интегральных схем. Предла гается в качестве основы интегральных схем для применения в диапазоне сантиметровых и миллиметровых волн копланарный волновод с подвешенной подложкой, рассматриваются результаты проведенных измерений параметров копланарной линии в сравнении с микрополосковой линией. Описывается раз работанный вариант конструктивного исполнения корпуса для размещения копланарных линий интегральных схем СВЧ в составе изделия. Анализируют ся условия взаимодействия проводников одной подложки.
Во второй главе рассматриваются факторы, ограничивающие широкое распространение интегральных приборов в технике СВЧ, в том числе - отсут ствие полосовых фильтров в составе микросхем. Показывается, что развитие технологии производства интегральных схем на современном этапе позволяет решить эту проблему.
Предлагается 3 варианта построения нового типа полосовых фильтров на основе резонаторов с магнитной связью. Отличительной особенностью пред ложенных конструкций является возможность их реализации в составе МИС.
Каждый из рассмотренных фильтров перекрывает декадную полосу частот. За критерии качества при выборе и разработке схемы полосовых фильтров при нимается малый уровень потерь в полосе пропускания, минимально достижи мая ширина полосы пропускания, высокая крутизна спадов АЧХ, высокий уро вень внеполосного затухания, простота изготовления отдельных элементов, возможность реализации в монолитно-интегральной схеме СВЧ [Л.18-Л.20].
Для диапазона ОВЧ предлагается новый тип фильтра на магнитно связан ных катушках, рассмотренный впервые.
0 дБ C C - L C - L L C - МГц 100 Основной отличительной особенностью предложенной схемы является практически полная перекачка энергии из одного контура в другой за счет сильной магнитной связи между спиралями резонаторов.
Приводится методика расчета контурных элементов и нагруженной доб ротности (полосы) фильтра, разработанная для этого типа схемы. Указаны размеры, номиналы элементов и частотные характеристики эксперименталь ных образцов. Сопоставляются расчетные и полученные экспериментально характеристики. Исследована возможность расширения диапазона рабочих частот.
Для диапазона УВЧ предлагается разработанный фильтр на индуктивно связанных полосковых линиях несимметричной МПЛ с сосредоточенными емкостями. В литературе не встречается конструкций, основанных на принци пе магнитной связи контуров на МПЛ. Похожие конструкции гребенчатых фильтров [Л.11, Л.21] имеют в основе своей работы резонанс на отрезке МПЛ длиной /4. Для реализации в составе МИС этот фильтр предлагается впервые.
С2 7,3 пФ 0 дБ - W W 0,6 мм 0,6 мм - L=7,2 мм - S1 S Ссв1 Ссв 2 - мм мм 2 пФ 2 пФ С1 С - 6 пФ 6 пФ 1,4 ГГц 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 1,1 1,2 1, Рассматривается возможность оптимизации фильтров по ширине полосы пропускания, длине области связи, потерям. Для реализации на практике поло сового фильтра, построенного на связанных микрополосковых линиях, прово дится конструктивный расчет с помощью вычисления S-параметров восьмипо люсника. Для двухконтурного фильтра приводится вывод формулы, опреде ляющей его коэффициент передачи:
S 21 _ св. лин.
S 21 _ фильтра = C 2 S 21 _ св. лин.
1 + S 11 _ св. лин. S 21 _ св. лин.
C 1 + 1 + + + 1+ Z в (1 S 11 _ св. лин. ) jC св1 C св1 Z j C Z 0 jC св C св1 0 св Полученные значения уточняются и оптимизируются методом гармониче ского баланса с помощью САПР.
Приводятся экспериментальные результаты и сравнительные оценки с су ществующими аналогами. Основываясь на публикациях о современном со стоянии производства микроэлектроники, делается вывод о возможности соз дания подобных фильтров в микроэлектронном исполнении.
Для диапазона СВЧ предлагается вариант фильтра в интегральном испол нении как на магнитно связанных печатных катушках индуктивности, так и на резонаторах с емкостными и резонансными связями.
При построении фильтра с резонансными связями предлагается заменить проходные конденсаторы контурами. Расположение полюсов запирания на краях полосы пропускания фильтра обеспечивает большую крутизну спадов АЧХ. От известных фильтров Кауэра их отличает относительно невысокая чувствительность к неточности настройки контуров.
Приводится расчет фильтра в САПР с моделями реальных элементов инте гральных схем, предназначенного для реализации на полупроводниковой под ложке. Рассчитываются параметры элементов и размеры микросхемы. На ос нове технологии создания интегральных катушек индуктивности с воздушным заполнением предлагается конструкция фильтров с магнитно-связанными под вешенными катушками индуктивности, реализованных в составе монолитно интегральной схемы.
В третьей главе сформулированы общие технические требования, предъ являемые к интегральным управляющим СВЧ устройствам, и введена класси фикация полупроводниковых защитных устройств (ЗУ) СВЧ и их динамиче ских характеристик. Рассмотрены принципы построения и функционирования квазиактивных самоуправляемых защитных устройств. Составлена эквива лентная схема взаимодействия диодов в ЗУ по СВЧ и постоянному току. Полу чены выражения для шунтирующего сопротивления перехода, постоянного на пряжения автосмещения, возникающего на детектирующем переходе, ВАХ диода, изменения шунтирующего сопротивления под воздействием первой гармоники сиг нала. Предложена методика расчета динамической характеристики самоуправ ляемого ЗУ. Рассмотрены способы определения остальных параметров ЗУ.
Проанализированы базовые зависимости параметров ЗУ от структуры диода, токов управления и способа взаимодействия с полем СВЧ [Л.22, Л.23].
Приведены экспериментальные данные по исследованию характеристик пред ложенной конструкции самоуправляемого ЗУ и дано сравнение с известными конструкциями. Определена зависимость основных параметров устройства от расстояния между диодами. Разработана схема размещения диодов и элемен тов самоуправляемого защитного устройства в кристалле монолитно интегральной микросхемы, рассчитаны их параметры.
C L R1 10 пФ R 10 R3 R 50 Ом L VD1 R мкГн R2 1 кОм 100 Ом 100 Ом мм C R VD R C C1 VD 2 VD 3 VD C1 C 100 пФ 100 пФ VD2 VD3 VD /8 /4 / 6 мм Показано, что полоса рабочих частот устройства может быть значительно расширена при включении дополнительных диодов, расположенных на рас стояниях в/4 и н/4 друг от друга, гдев – длина волны высокочастотного края диапазона, н – длина волны низкочастотного края диапазона. Дана оценка энергии импульса просачивающейся мощности.
Изучены структуры типов p+npn+, разработанные как монолитные само управляемые защитные устройства [Л.24], сочетающие в себе функции детек тора и тонкобазового pin-диода, связанных по постоянному току. Рассмотрено взаимодействие этих структур с СВЧ полем, получены выражения для импе данса и тока структуры, определяющие зависимость выпрямленного тока и прошедшей мощности от мощности на входе:
r 0 SPZ L w I= Z= ( w 2 L ) 2 L2 w r 0 S PZ 0 ОПЗ pn-перехода I, мА Рвых, Вт Рвх3 Рвх2 Рвх 1, 1, p+ n+ n p I макс 1 0, Рвх Рвх 0,5 I мин 0, Рвх 0 Рс 1 Рпор 2 0 2 Рвх, Вт Рвх, Вт x=0 x=w x Рассчитано распределение плотности неравновесных носителей заряда в p+npn+ структуре (дрейфовое приближение). Проведена оценка времени пере ключения устройства. Описаны преимущества предложенной структуры перед другими типами самоуправляемых ЗУ.
В четвертой главе рассмотрены возможности миниатюризации такого класса устройств, как синтезаторы частот СВЧ. Даны оценки возможности реализации в монолитном исполнении отдельных элементов схем синтезато ров. Проанализированы варианты построения с возможностью реализации в виде монолитно-интегральных схем – новой узловой элементной базы – для обеспечения повышенных характеристик радиоизмерительной аппаратуры.
Предложены новые схемные решения в проектировании синтезаторов час тот. Приведены структурные схемы и пояснены принципы работы двух типов разработанных синтезаторов частот на основе управляемых фазовращателей.
Представленные структуры предложены в качестве базовых для создания мо нолитных синтезаторов, позволяющих реализовать принцип «прибор на кри сталле».
Первый вариант – синтезатор, построенный на основе управляемых двух позиционных фазовращателей. Каждый фазовращатель управляется от «сво его» делителя частоты. Каждый делитель имеет коэффициент деления 2, а час тота, подаваемая с генератора частоты сдвига (ГЧС), на величину которой нуж но сместить гетеродинный сигнал, подаваемый с формирователя частоты гете родина (ФЧГ), подаётся на «конец» цепочки – последний делитель, управляю щий фазовращателем, производящим самый малый сдвиг фазы.
ГЧС Шина синхронизации ~ :2 :2 :2 :2 : Fвых 0- 0- 0- 0- 0- 0 ФЧГ /2 /4 /8 /16 / Особенность второго варианта синтезатора на основе плавного фазовраща теля (ФВ) заключается в том, что в качестве опорного сигнала используется не стабилизированная частота, а высокостабильное напряжение, подаваемое с генератора опорного напряжения (ГОН). Такое решение позволяет существен но упростить схемотехнику и создать необходимые элементы в едином цикле, в небольшом объёме и термостатировать всё устройство в целом.
Шина управления Сигнал управления ГОН ФЧГ Сигналь- Fгет.
ный вход Компа ФВ ратор Вход Выход управ Выход ления сброса Управление В заключении сделаны общие выводы и перечислены основные результа ты, полученные в процессе выполнения работы.
В приложениях представлены: терминология, применяющаяся по отно шению к интегральным приборам СВЧ;
номограммы для расчета волновых сопротивлений связанных микрополосковых линий (МПЛ);
формулы, приме няемые при расчете фильтра на связанных МПЛ;
вывод формулы для коэффи циента передачи S21 полосового фильтра на связанных МПЛ;
расчет ступенча того волноводного перехода;
документы, подтверждающие внедрение резуль татов диссертационной работы в производственную практику.
ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ И РЕЗУЛЬТАТЫ Не охватывая весь спектр проведенных работ и исследований, выделим главные моменты, представленные в настоящей диссертации.
1. Рассмотрены общие принципы построения МИП СВЧ, сформулированы критерии для разработки и изготовления микроминиатюрных приборов. Пред ставлены наиболее применимые базовые конструкции основных узлов СВЧ схем применительно к микроминиатюрному исполнению в составе МИС. При ведены расчеты параметров МИС, ограничительные факторы, схемы и спосо бы реализации компонентов, базовые конструкции модулей и перспективных линий передачи. Показаны основные соотношения между элементами схем.
Проведено исследование подвешенной копланарной линии как основы по строения МИП, предложено конструктивное исполнение корпуса прибора.
2. Рассчитаны и проверены экспериментально базовые конструкции полосо вых фильтров СВЧ различных частотных диапазонов. Схемы предложенных фильтров дают возможность их размещения в составе кристалла СВЧ микро схемы. Рассмотренные конструкции отличаются низкими потерями по сравне нию с известными прототипами.
3. Разработан математический аппарат расчета полосовых фильтров с маг нитной связью контуров. Для различных вариантов реализации структуры имеется свой алгоритм расчета параметров. Предложены различные варианты согласующих цепей, обеспечивающих связь и согласование контуров фильтра.
Приведены методы их расчета.
4. Разработана методика расчета характеристик самоуправляемого диодного защитного устройства на основе составленной эквивалентной схемы взаимо действия диодов.
5. Разработана методика расчета импеданса четырехслойной полупроводни ковой структуры монолитно-интегрального защитного устройства.
6. Разработаны базовые модели новой структуры синтезатора частот на осно ве управляемых фазовращателей. Показана возможность его реализации в микроминиатюрном исполнении. На различные варианты этого устройства получены авторские свидетельства на полезную модель.
Основной результат данной работы заключается в изложении научно обоснованных технических и технологических решений в области построения монолитно-интегральных приборов СВЧ. Полученные результаты позволили осуществить внедрение предложенных схемных решений в радиотехническую аппаратуру. Успешная реализация накопленного опыта свидетельствует о воз можности более широкого использования предложенных идей в современной аппаратуре СВЧ.
ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ОПУБЛИКОВАНЫ СЛЕДУЮЩИЕ РАБОТЫ:
1. Бабунько С.А., Орлов О.С. Проблемы создания базовых структур и ком понентов СВЧ модулей в интегральном исполнении. - 13-я Междуна родная Крымская конференция КрыМиКо-2003 «СВЧ-техника и теле коммуникационные технологии», Севастополь, 2003.
2. Бабунько С.А., Орлов О.С. Анализ и расчет компонентов и устройств для решения задач ЭМС технических средств. - Всероссийская научно техническая конференция «Методы и средства измерений в области электромагнитной совместимости технических средств», Н. Новгород, 2004. - с. 66-70.
3. Бабунько С.А., Орлов О.С. Проблема комплексной миниатюризации и интеграции компонентов при разработке РЭА СВЧ диапазона. - Десятая Нижегородская сессия молодых ученых, сек. «Электроника и радиотех ника», Дзержинск, 2005.
4. Чеченин Ю.И., Орлов О.С., Бабунько С.А. Диоды GaAs для КВЧ диапа зона. – В кн.: Материалы XIII Отраслевого координационного семинара по СВЧ технике, Хахалы, 2003. - с. 74-77.
5. Бабунько С.А., Орлов О.С. Расчет и исследование полосовых фильтров в миниатюрном гибридно-интегральном исполнении - Радиотехника, сер.
Информационно-измерительные и управляющие системы, вып. 1, 2005. с. 52-56.
6. Бабунько С.А., Орлов О.С. Разработка полосовых фильтров на магнитно связанных контурах - Десятая Нижегородская сессия молодых ученых, сек. «Электроника и радиотехника», Дзержинск, 2005.
7. Бабунько С.А. Создание миниатюрных фильтров СВЧ для повышения ЭМС. – семинар «Методы расчетов, экспериментальные исследования и технологические проблемы устройств СВЧ и КВЧ диапазонов», ННГУ им. Лобачевского, Нижний Новгород, 2006.
8. Бабунько С.А., Орлов О.С. Самоуправляемые полупроводниковые уст ройства для ограничения мощности высокочастотных сигналов. - Радио техника, сер. Информационно-измерительные и управляющие системы, вып. 6, 2004. - с. 27-30.
9. Бабунько С.А. Синтезатор частот. – А.С. RU №8850 U1 6H03B21/02 от 16.12.98 Бюл. №12.
10. Бабунько С.А. Синтезатор частот. – А.С. RU №11640 U1 6H03B21/00 от 23.02.99 Бюл. №10.
11. Бабунько С.А., Орлов О.С. Проблемы создания базовых структур и ком понентов СВЧ модулей в интегральном исполнении. – Материалы XIII отраслевого координационного семинара по СВЧ технике, ФГУП НПП «Салют», Нижний Новгород, 2003. - с. 82-85.
12. Бабунько С. А. К теории структурного синтеза быстродействующих син тезаторов частот. - Радиоэлектронные и телекоммуникационных систе мы и устройства, Межвузовский сборник научных трудов, Н. Новгород, 1998. - с. 35-38.
13. Бабунько С. А. Выбор структурной схемы синтезатора частот. - Научно техническая конференция факультета информационных систем и техно логий, Н. Новгород, 1998. - с.16-17.
14. Бабунько С.А. Синтезатор частот на основе управляемого фазовращате ля. - Седьмая Нижегородская сессия молодых ученых, сек. Электроника и радиотехника, Дзержинск, 2002.
15. Бабунько С.А. Синтезатор частот на основе управляемого фазовращате ля. - Научно-технический форум «Будущее технической науки Нижего родского региона», Нижний Новгород, 2002.
16. Бабунько С.А. Схемотехника построения сверхбыстродействующих ключей на СВЧ. - Восьмая Нижегородская сессия молодых ученых, сек.
Электроника и радиотехника, Дзержинск, 2003.
17. Быкадоров А.А., Бабунько С.А. Метод реализации высокостабильного синтезатора частот СВЧ диапазона с малыми фазовыми шумами. – 58-я научная сессия, посвященная дню радио, Российское научно техническое общество радиотехники, электроники и связи им. А.С. По пова, Москва, 2003.
18. Бабунько С.А., Быкадоров А.А., Рябков В.П. Построение синтезаторов радиоэлектронной аппаратуры СВЧ. - 7-я межотраслевая научно техническая конференция, Хахалы, 2003. - с. 177-181.
19. Бабунько С.А, Орлов О.С. Проблемы создания базовых структур и ком понентов СВЧ модулей в интегральном исполнении. - 7-я межотраслевая научно-техническая конференция, Хахалы, 2003. - с. 82-85.
20. Бабунько С.А., Орлов О.С., Быкадоров А.А. САПР СВЧ устройств и при боров. Состояние, перспективы развития. – Материалы форума «Россия единая», конгресс «Перспективы развития Нижегородской радиоэлек троники и связи», Нижегородское региональное отделение НТО радио техники, электроники и связи им. А.С. Попова, Н. Новгород, 2005.
21. Орлов О.С., Быкадоров А.А., Бабунько С.А. Киральные структуры СВЧ диапазона в информационных технологиях. - конференция «Современ ные информационные технологии в науке, технике и образовании», Мо сковское и Нижегородское НТО радиотехники, электроники и связи им.
А.С. Попова, Арзамас, 2006.
22. Бабунько С.А., Орлов О.С. САПР, информационные технологии для сис тем высокочастотной связи. – 14-я межрегиональная научно-техническая конференция «Обработка сигналов в системах телефонной связи и веща ния», Московское и Нижегородское НТО радиотехники, электроники и связи им. А.С. Попова, Нижний Новгород, 2006.
ЛИТЕРАТУРА Л.1. Орлов О.С. Миниатюризация и качество твердотельных устройств СВЧ.
- Электронная техника, сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 10 (404), 1987. - с.
29-34.
Л.2. Орлов О.С., Осипов В.П. Монолитно интегральные СВЧ схемы, устрой ства и приборы. - Радиотехника, №2, 2001. - с. 17-23.
Л.3. Гассанов Л.Г., Липатов А.А., Марков В.В., Могильченко Н.А. Твердо тельные устройства СВЧ в технике связи – М.: Радио и связь, 1988. - с.
Л.4. Гвоздев В.И., Нефедов Е.И. Объемные интегральные схемы СВЧ. – М.:
Наука, 1985.
Л.5. Темнов В.М. Поверхностные волны в однополосковой линии пере дачи. - Изв. ВУЗов, Радиофизика, т. 34, 1991. - с. 286-291.
Л.6. Chao, G. et al. K-band monolithic GaAs balances mixer. - IEEE Transactions on MTT, v.1, №1, 1983.
Л.7. Tokumitsu Ts. K-band and millimeter-wave MMIC for emerging commercial wireless application. - IEEE Trans. on MTT, v.49, №11, 2001. - pp. 2066 2072.
Л.8. Ishikawa T., Yamashita E. Experimental evaluation of basic circuits compo nents using buried microstrip lines for constructing high-density microwave integrated circuits. - IEEE Trans. on MTT, v.44, №7, 1996. - pp. 1074-1080.
Л.9. Бергер М.Н. Передающие линии для интегральных схем диапазона мил лиметровых волн - Зарубежная радиоэлектроника, 1991.
Л.10. Young-Ho Suh, Kai Chang Coplanar stripline resonators modeling and appli cations to filters - IEEE Transactions on MTT, v.50, №5, 2002.
Л.11. Фильтры для интегральных схем СВЧ – Обзоры по электронной технике, сер. 1, Электроника СВЧ, вып. 3 (612), 1979. - 52 с.
Л.12. Справочник по элементам полосковой техники / Под ред. А.Л. Фельд штейна. – М.: Связь, 1979. - 336 с.
Л.13. Ханзел Г. Справочник по расчету фильтров – М.: Сов. радио, 1974.
Л.14. Маттей Дж. Л., Янг Л. Джонс Е.М. Фильтры СВЧ, согласующие цепи и цепи связи – М.: Связь, 1971.
Л.15. Роуз Дж. Д., Теория электрических фильтров – М.: Советское радио, 1980.
Л.16. Фельдштейн А.Л., Явич Л.Р., Смирнов В.П. Справочник по элементам волноводной техники – М.: Советское радио, 1967.
Л.17. Силаев М.А., Брянцев С.Ф. Приложение матриц и графов к анализу СВЧ устройств. – М.: Советское радио, 1970. - 248 с.
Л.18. Привер Э.Л., Закамов В.Р. Симметрирование формы АЧХ квазиполино миальных полосно-пропускающих фильтров. - Радиотехника, №6, 2003.
Л.19. Привер Э.Л., Закамов В.Р. Синтез полосно-пропускающих фильтров на сосредоточенных элементах с оптимальными свойствами. - Седьмая Нижегородская сессия молодых ученых, сек. Электроника и радиотех ника, Дзержинск, 2002.
Л.20. Закамов В.Р. Синтез полосно-пропускающих фильтров на сосредоточен ных элементах с крутыми фронтами подавления. - Вестник ННГУ, сер.
Радиофизика, вып. 2, 2005. - с. 238-242.
Л.21. Леонченко В.П., Фельдштейн А.Л., Шепелянский Л.А. Расчет полоско вых фильтров на встречных стержнях. Справочник. – М.: «Связь», 1975.
Л.22. Лебедев И.В., Шнитников А.С., Купцов Е.И. Твердотельные СВЧ ограничители;
Проблемы и решения: Обзор. - Изв. высш. учебн. заведе ний, сер. Радиоэлектроника, т. 28, вып. 10, 1985.
Л.23. Лебедев И.В., Алыбин В.Г. Резонансная решетка и ее применение для создания твердотельных СВЧ-устройств. - Изв. высш. учебн. заведений, сер. Радиоэлектроника, т. 21, вып. 10, 1978. - с. 24-31.
Л.24. Орлов О.С. Полупроводниковая структура. - А.С. №091672 от 27.09.1983.