автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Исследование и разработка методов проектирования полупроводниковых фазовращателей на основе SiGe БиКМОП технологии

На правах рукописи

ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ ПРОЕКТИРОВАНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ БЮЕ БИКМОП ТЕХНОЛОГИИ

Специальность 05.27.01 - твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 9 НОЯ 2012

Москва 2012

005055820

Работа выполнена на кафедре Интегральной электроники и микросистем Национального исследовательского университета «МИЭТ»

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Крупкина Татьяна Юрьевна

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор,

заместитель генерального директора по науке ОАО «НИИМЭ и Микрон» Шелепин Николай Алексеевич

кандидат технических наук, доцент кафедры ТКС Национального

исследовательского университета «МИЭТ» Тимошенко Александр Геннадиевич.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие «Научно-производственное предприятие «Пульсар»

Защита диссертации состоится «25» декабря 2012г. в 1629 часов на заседании диссертационного совета Д 212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» (аудитория 3103) по адресу: 124498, Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИЭТ.

Автореферат разослан «2<3» ноября 2012 года.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор с

Крупкина Т.Ю.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы.

К современной электронной аппаратуре предъявляются все более жесткие требования по повышению быстродействия и надежности при снижений массо-габаритных размеров и энергопотребления. Удовлетворению этих требований способствует совершенствование элементной базы.

Современное развитие радиолокационных систем (РЛС) идет по пути повышения энергетического потенциала и увеличения функциональных возможностей. Такие тенденции хорошо видны на примере радиотехнических комплексов с электронным сканированием луча, которые предполагают широкое использование активных фазированных антенных решеток (АФАР). Поэтому создание микросхем приемного и передающего каналов является весьма перспективным.

Серийно выпускаемые в России приемо-передающие модули (ППМ) АФАР сантиметрового и миллиметрового диапазонов представляют собой гибридные модули на основе арсенида галлия (ОаАв). Новым подходом к построению АФАР с более низкими стоимостными показателями и с малой удельной мощностью является разработка всего ППМ на одном кристалле путем использования перспективной для разработки аналого-цифровых БИС СВЧ диапазона кремний-германиевой (БЮе) БиКМОП технологии. В настоящее время разработка данной эффективной и недорогой технологии активно осуществляется в ОАО «НИИМЭ и Микрон» на основе базового кремниевого процесса НСМ0Б8О с нормами 0,18 мкм [1].

Ключевыми устройствами систем АФАР являются фазовращатели (ФВ), число которых в зависимости от назначения системы составляет от десятков до десятков тысяч штук в каждой решетке. Параметры и стоимость фазовращателей играют доминирующую роль, как в получении необходимых технических характеристик антенных систем, так и в их ценообразовании. Многообразие требований к антенным системам не позволяет выделить какой-либо класс фазовращателей, как полностью удовлетворяющий этим требованиям. Как правило, выбор того или иного класса устройств определяется компромиссом ряда основных параметров (например, быстродействие, рабочая СВЧ мощность, потребляемая мощность управления, массогабаритные параметры, стоимость).

Решению актуальной задачи построения интегральных фазовращателей на основе совокупности новых научно-обоснованных структурных и схемотехнических решений посвящена настоящая диссертация.

Цель работы - решение актуальной научной задачи по исследованию и разработке методов построения ИС фазовращателей на основе БЮе БиКМОП технологии.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. проведен анализ основных методов построения интегральных фазовращателей;

2. разработана методика и спроектирована ИС пассивного проходного фазовращателя, построенного на ФВЧ и ФНЧ секциях;

3. спроектирована ИС векторного фазовращателя и предложены методы увеличения ее динамического диапазона;

4. для снижения требований, предъявляемых к характеристикам блока фазовращателя, разработана структура приемника, в которой фазовращатель расположен в цепи сигнала гетеродина.

5. изложены и проанализированы результаты экспериментальных исследований спроектированных микросхем фазовращателей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый принцип построения структуры пассивных фазовращателей, обеспечивающий минимальные вносимые потери.

2. Разработана методика проектирования пассивных фазовращателей, обеспечивающая минимальную амплитудную модуляцию и наилучший коэффициент согласования.

3. На основании проведенных исследований зависимости линейности передаточной характеристики и коэффициента шума от структурной организации схемы фазовращателя векторного типа предложен новый способ построения данных систем за счет переноса квадратурного фильтра в конец тракта и использования дискретных аттенюаторов для регулирования амплитуды векторов.

4. Предложен новый метод построения приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, позволяющий использовать в качестве сигнала гетеродина входной сигнал и обеспечивающий расширение динамического и частотного диапазона приемника, а также снижение требований к характеристикам фазовращателя, без ухудшения точности задания фазы выходного сигнала.

Практическая значимость работы заключается в следующем:

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, с использованием БЮе БиКМОП технологии

выполнена разработка ряда отечественных ИС фазовращателей (К1338ХК1У, К1338ХК2У, К1338ХКЗУ, 1338ХК6У, 1338ХК7У, К1338ХК9У). Данные ИС использованы при разработке ППМ АФАР Э-диапазона БКВП.434856.029, ППМ АФАР С-диапазона БКВП.434857.004.

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для поиска оптимальных состояний векторного фазовращателя по заданным критериям.

3. Разработаны и внедрены методики проведения измерений ИС фазовращателей на предприятии ФГУП «НИИМА «Прогресс».

4. Исследована структура приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, решение использовано при разработке ИС приемника X-диапазона, позволяющего осуществлять фазовый сдвиг входного сигнала в диапазоне частот 8-12 ГГц и расширить динамический диапазон до 89 дБ.

5. Разработанные методики проектирования, структурные и схемотехнические решения внедрены при выполнении НИР («И-2011-1.3.2-215-009-044» в рамках ФЦП «Научно-педагогические кадры 2009-2013) на кафедре ИЭМС в Национальном исследовательском университете МИЭТ.

На защиту выносятся следующие положения:

1. Принцип построения параллельно-последовательной структуры пассивных фазовращателей с использованием изолированных МОП транзисторов в качестве ключей, позволивший уменьшить величину вносимых потерь.

2. Методика проектирования пассивных фазовращателей,

позволяющая получать минимальную амплитудную модуляцию выходного сигнала для всех состояний фазовращателя, а также наилучший коэффициент согласования схемы.

3. Структурная организация схемы векторного фазовращателя, обеспечивающая расширение динамического диапазона, которое достигается за счет уменьшения коэффициента шума путем переноса пассивных квадратурных фильтров в конец тракта и увеличения линейности благодаря использованию для регулировки амплитуды векторов дискретных аттенюаторов.

4. Метод построения приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, позволяющий использовать в качестве сигнала гетеродина входной сигнал, а также снижающий требования к характеристикам фазовращателя, без ухудшения точности задания фазы выходного сигнала.

Апробация результатов работы.

Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: «Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов» (г. Зеленоград, Национальный исследовательский университет МИЭТ, 2010 г., 2011 г.); 52-ая научная конференция «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (г. Зеленоград, МФТИ, 2009 г); Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, 2011г., 2012 г.); Российская научно-техническая конференция «Электроника, микро- и наноэлектроника» (г. Суздаль, 2010 г., 2011г., 2012 г.); Всероссийская конференция

«Микроэлектроника СВЧ» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); V Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (Москва, 2012 г.), а также в следующих журналах: Известия высших учебных заведений «Электроника» (г. Москва, 2012 г., №4, №5), Вестник Московского Энергетического Института (г. Москва, 2012 г., №2).

Публикации.

По теме диссертации опубликовано 19 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, включая 4 работы в изданиях, рецензируемых ВАК, получено 1 свидетельство об официальной регистрации топологии ИМС.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка. Объем работы составляет 153 страницы, работа содержит 91 рисунок, 19 таблиц, список цитируемых источников из 113 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель и задачи работы, научная новизна, практическая значимость полученных результатов, а также положения, выносимые на защиту. Излагается краткое содержание работы.

В первой главе обсуждаются предпосылки создания и преимущества применения АФАР в современных радиолокационных системах. Рассматриваются различные структурные варианты

построения приемо-передающих модулей (ППМ) АФАР, отличающихся типом и расположением фазовращателя (ФВ).

Показано, что особенно привлекательной является реализация ФВ на базе интегральной технологии за счет увеличения надежности, снижения габаритов и стоимости тракта. Рассмотрены основные принципы построения полупроводниковых фазовращателей:

• отражательные ФВ;

• проходные ФВ на гибридных устройствах;

• проходные шлейфные ФВ;

• проходные коммутируемые ФВ;

• на основе электрически управляемых конденсаторов;

• метод векторного сложения ортогональных сигналов;

• метод формирование сдвига фаз на кольцевом генераторе;

• цифровые методы обработки сигналов.

Анализ литературных источников показал, что при построении ИС СВЧ ФВ применяются два основных направления:

• использование ФВЧ и ФНЧ переключаемых секций;

• применение принципа векторного сложения.

Рассмотрены основные преимущества БЮе технологии, заключающиеся в высоком быстродействии, хорошей однородности характеристик приборов на пластине, малом тепловыделении, низкой стоимости изготовления и высоком выходе годных, а также необходимостью проведения только 4 дополнительных операций по сравнению со стандартным процессом КМОП или 5 дополнительных операций по сравнению со стандартным биполярным процессом.

Вторая глава посвящена разработке пассивных ФВ с использованием ФНЧ и ФВЧ (рис. 1). Значения элементов фильтров для получения заданного фазового сдвига при согласовании звеньев с сопротивлением 20 можно получить из следующих выражений:

1

ПФВЧ: ¿ = -

2 wQtg

Z0iу0 sin|

'о

2

Z0 1

ТФВЧ: L = —С = ■-г-г

2Zoaotgif

sinU0l

ТФНЧ: L =-C = —

O0 ZqCOQ

ПФНЧ: L = ^-sin|iS0|; C =

9, W

Результаты экспериментальных исследований вносимых потерь переключающих элементов на МОП транзисторах показали существенное расхождение с результатами моделирования в САПР Cadence с использованием библиотеки SGB25V фирмы IHP. Для уменьшения вносимых потерь использованы изолированные транзисторы с глубоким карманом, результаты экспериментальных исследований которых на частоте 3 ГТц показали, что вносимые потери составляют не более 1,0 дБ, подавление сигнала в закрытом состоянии 28,4 дБ, коэффициент согласования при открытом ключе не более 1,2.

Предложенная методика проектирования пассивных ФВ, позволяет получать минимальную амплитудную модуляцию выходного сигнала для всех состояний ФВ, а также наилучший коэффициент согласования схемы.

ФВЧ

I I

ФНЧ

Рис. 1. Секция пассивного фазовращателя

Предложена параллельно-последовательная структура для построения пассивных ФВ, позволяющая уменьшить величину вносимых потерь за счет сокращения в два раза количества проходных МОП ключей (рис. 2).

На основе 810е технологии рассчитана схема и разработана топология пассивного ФВ. Результаты моделирования схемы представлены в таблице 1 на странице 17.

--1 ФВЧ |—^-----1 ФВЧ |----—--1 ФВЧ |--

----1 ФВЧ |-------"-[ ФВЧ |----"-1 ФВЧ |—---

___| ФНЧ |------1 ФНЧ |—■-■— —-1 ФНЧ |---

___1 ФНЧ |-------1 ФНЧ |--------1 ФНЧ |—---

Рис. 2. Параллельно-последовательная структура пассивного ФВ

Третья глава содержит результаты проектирования полупроводниковых ФВ на основе метода векторного сложения ортогональных сигналов. Суть метода заключается в суммировании

двух сдвинутых на 90° по фазе сигналов. Различные амплитудные весовые составляющие сигналов формируют различные значения фазы.

Спроектирована ИС векторного ФВ на основе схемы четырехквадрантного сумматора, в которой изменение весовых коэффициентов основано на зависимости крутизны транзистора от тока эмиттера (рис. 3).

Предложена и спроектирована ИС векторного ФВ на основе четырехквадрантного сумматора с расширенным динамическим диапазоном.

Установлено, что применение в Біве СВЧ ФВ векторного типа СВЧ аттенюаторов с дискретным изменением величины коэффициента передачи для регулировки амплитуды векторов позволяет расширить динамический диапазон схемы, благодаря высокой линейности схемы дискретного аттенюатора.

По результатам исследования зависимости точки однодецибельной компрессии по входу и коэффициента шума от структурной организации схемы предложена структурная схема векторного ФВ с расширенным до 81 дБ динамическим диапазоном

(рис. 4). На рис. 5 представлена АЧХ ФВ в опорном состоянии. Результаты измерения схемы представлены в таблице 1 на странице 17.

Рис. 4. Структурная схема векторного ФВ с расширенным динамическим диапазоном

Рис. 5. АЧХ векторного ФВ

Количество возможных значений выходного сигнала для ФВ с данной структурой весьма избыточно и напрямую зависит от разрядности аттенюатора. Благодаря этому можно значительно минимизировать ошибки в точности задания фазы и амплитуды выходного сигнала.

В четвертой главе рассмотрена схема приемника с ФВ в цепи гетеродина, позволяющая расширить динамический и частотный диапазоны. Принцип работы данного приемника основан на том, что

при перемножении в смесителе полезного сигнала и сигнала гетеродина, выходной сигнал имеет суммарную и разностную частоту и фазу, полученную в результате сложения или вычитания фаз входных сигналов, т. е.:

vOUT(0 = vo(0• cos{соцр -t + (pRF)xcos(aLO ■t + epL0) =

= v0{')■ Icos[(®^ ±wL0> + (tpRF ±<pL0)]+...

где corf - частота полезного сигнала, coLo - частота сигнала гетеродина, Фкр - фаза полезного сигнала, cpL0 - фаза сигнала гетеродина.

Установлено, что требования к ФВ, расположенному в канале гетеродина, существенно отличаются от требований к ФВ, расположенному в ВЧ тракте, благодаря работе с малыми сигналами. Требуемая для работы смесителя амплитуда гетеродина получается применением после ФВ усилителя-ограничителя, а собственные шумы ФВ не оказывают существенного влияния на результирующий коэффициент шума смесителя.

На рис. 6 представлена предлагаемая структурная схема преобразователя частоты с ФВ в канале гетеродина, в которой в качестве сигнала гетеродина используется входной сигнал. В ее состав входят: смеситель (СМ1), смеситель в канале гетеродина (СМ2), усилитель-ограничитель сигнала гетеродина (УМ), векторный фазовращатель (ФВ), полифазный фильтр (ПФ), схема управления.

Применение структуры приемника с двойным преобразованием позволяет осуществлять фазовращение на частотах 8-12 ГГц, расширить динамический диапазон приемника до 89 дБ и упростить задачу разводки сигнала гетеродина.

СМ1

Вход

Выход

ПФ

6

СМ2

Управление

Рис. 6. Структурная схема приемника с ФВ в цепи гетеродина

Разработаны методики измерения параметров ИС ФВ. На

основе разработанных методик проведены измерения ИС ФВ.

Сравнительные результаты измерений представлены в таблице 1 для

следующих ИС ФВ:

• ФВ1 - ИС ФВ, спроектированная на основе ФНЧ/ФВЧ с использованием параллельно-последовательной структуры и изолированных МОП транзисторов в качестве переключателей;

• ФВ2 - ИС векторного ФВ, спроектированная на основе ячейки четырехквадрантного сумматора;

• ФВЗ - ИС векторного ФВ, спроектированная на основе ячейки четырехквадрантного сумматора с расширенным динамическим диапазоном;

• ФВ4 - ИС векторного ФВ, спроектированная на основе четырех емкостных аттенюаторов;

• ФВ5 - ИС векторного ФВ, спроектированная с использованием структуры с расширенным динамическим диапазоном на основе дискретных аттенюаторов;

• ФВ6 - ИС приемника с ФВ, расположенным в цепи сигнала гетеродина.

Результаты экспериментального исследования микросхем ФВ показывают близкое соответствие с расчетными данными, что подтверждает корректность используемой методики проектирования полупроводниковых ФВ различных типов.

Выбор ИС ФВ с оптимальными параметрами проводился на основании расчета критерия качества с использованием выражения:

С к = а • Б Я + —+ + с — + СІ-К ,

Л)

где, Ск - критерий качества, БЯ - динамический диапазон, I -потребляемый ток, Б - площадь кристалла, 5ф - СКО фазовой ошибки, К - коэффициент передачи, 10, а, Ь, с, сі - нормирующие коэффициенты. Значения нормирующих коэффициентов подбираются с учетом экспертной оценки в зависимости от области применения схемы ФВ и важности каждого из параметров в отдельности. Для сравнительного анализа ИС ФВ значения нормирующих коэффициентов выбраны: 10 = ЮОмА, а = 0,1 [1/дБ], Ъ = 1 [мм2], с = 1 [град.], й = 1 [1/дБ].

В заключении диссертации сформулированы основные результаты и сделан общий вывод по работе.

Таблица 1. Параметры ИС ФВ разработанных на основе БЮе БиКМОП технологии

Наименование параметра, единица измерения ФВ1* ФВ2 ФВЗ ФВ4 ФВ5 ФВ6

Диапазон рабочих частота, ГГц 2,7-3,3 3-6 2-4 2-4 4-6 8-12

СКО фазовой ошибки, град. 6 1,2 3,3 2,0 2,3 3,9

Коэффициент передачи, дБ -11 3,8 2,1 1,5 2,4 -12,6

СКО амплитудной ошибки, дБ - 0,3 0,5 0,4 0,7 0,3

Коэффициент шума, дБ 12 25,3 10,9 12,5 10,4 13*

Точка однодецибельной компрессии по входу, дБм +14 -14,0 -13,7 -8,0 -2,6 +8

Динамический диапазон (Д^0,1 ГГц), дБ 96,0 54,7 69,4 73,5 81,0 89,0

КСВН по входу 1,9 1,6 1,5 1,8 1,6 з,з

КСВН по выходу 1,6 3,5 1,4 1,9 1,2 5,9

Ток потребления, мА 0,1 20 112 131 155 105

Размер кристалла, мм2 3,92 0,9 2,2 6,72 4,0 3,92

Критерий качества 11,30 9,81 9,44 9,67 10,50 10,14

* - результаты моделирования в САПР Cadence.

17

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

Основные итоги теоретических и экспериментальных

исследований, проведенных в настоящей работе, заключаются в

следующем:

1. Рассмотрены предпосылки создания и преимущества применения АФАР в современных РЛС. Детальный анализ состояния разработок современных гибридных и монолитных ИС показал, что для обеспечения высокого качества приема сигналов необходимо решить задачу создания СВЧ ПГТМ на 510е ИС.

2. Показано, что перспективным является применение 810е технологического процесса, позволяющего значительно увеличить степень интеграции микросхем, сохраняя при этом высокий процент выхода годных, а также низкую стоимость изготовления, особенно при использовании отечественной технологии.

3. Разработана методика проектирования пассивных фазовращателей, позволяющая получать минимальную амплитудную модуляцию выходного сигнала для всех состояний фазовращателя, а также наилучший коэффициент согласования схемы.

4. Установлено, что применение параллельно-последовательной структуры для построения пассивных фазовращателей, а также использование изолированных МОП транзисторов в качестве ключей, позволяет уменьшить величину вносимых потерь.

5. Установлено, что применение в БЮе СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ аттенюатора с дискретным изменением величины коэффициента передачи позволяет расширить

динамический диапазон схемы, благодаря высокой линейности схемы дискретного аттенюатора.

6. Исследование зависимости динамического диапазона векторного фазовращателя от структурной организации схемы позволило установить, что структурная схема, в которой пассивные элементы (квадратурные фильтры) расположены в конце тракта, позволяет расширить динамический диапазон схемы до 81 дБ, за счет снижения коэффициента шума.

7. Рассмотрена методика поиска оптимальных фазовых и амплитудных состояний выходного сигнала векторного фазовращателя с избыточным числом состояний. Данная методика позволяет проводить корректировку схемы после изготовления, что значительно уменьшает влияние разброса технологического процесса и неучтенных паразитных элементов.

8. Исследована структура приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, решение использовано при разработке ИС приемника X-диапазона позволяющего осуществлять фазовый сдвиг входного сигнала в диапазоне частот 8-12 ГГц и расширить динамический диапазон до 89 дБ.

9. Разработаны и внедрены методики проведения измерений ИС фазовращателей на предприятии ФГУП «НИИМА «Прогресс».

10. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, с использованием 81Се БиКМОП технологии выполнена разработка ряда отечественных ИС фазовращателей (К1338ХК1У, К1338ХК2У, К1338ХКЭУ, 1338ХК6У, 1338ХК7У, К1338ХК9У). Данные ИС использованы при разработке ППМ АФАР

S-диапазона БКВП.434856.029, ППМ АФАР С-диапазона БКВП.434857.004. 11. Разработанные методики проектирования, структурные и схемотехнические решения внедрены при выполнении НИР («И-2011-1.3.2-215-009-044» в рамках ФЦП «Научно-педагогические кадры 2009-2013) на кафедре ИЭМС в Национальном исследовательском университете МИЭТ.

Таким образом, основным научным результатом работы является создание ряда структурных схем СВЧ фазовращателей для приемо-передающих модулей АФАР на основе SiGe технологии, обеспечивающих хорошие точностные параметры и сравнительно большой динамический диапазон при работе на высоких частотах.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

Материалы диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Ионов Л.П., Колковский Ю.В., Малышев И.В:, Миннебаев В.М., Мухин И.И., Репин В.В., Суслов A.A.. Разработка МИС с использованием SiGe БиКМОП технологии для построения трактов ППМ АФАР. // Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА. Материалы научно-технической конференции. - М.: МНТОРЭС им. A.C. Попова, 2008. - С. 102.

2. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В., Громов Д.В., Репин В.В., Мухин И.И., Суслов A.A. Расчетно-экспериментальное моделирование СВЧ характеристик металлокерамических корпусов ИС. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В .Я. Стенина. - М.: МИФИ, 2008. - С. 102 - 109.

3. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Усачев Н. А., Бычков М. С., Мухин И.И. Проектирование пассивных элементов для монолитных кремниевых СВЧ ИС. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов. - М.: МИФИ, 2009. - С. 45 - 56.

4. Мухин И.И. Методика проектирования интегральных фазовращателей для СВЧ диапазона. // Труды 52-ой научной конференции МФТИ «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук»: Часть V. Физическая и квантовая электроника. Том 1.-М.: МФТИ, 2009. - С. 177 - 179.

5. Мухин И.И., Репин В.В. Разработка активного дискретного фазовращателя для С и Б диапазонов с использованием БЮе технологии. // Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций «РТ-2010»: Материалы 6-ой международной молодежной научно-технической конференции, 19-24 апреля 2010 г. - Севастополь: Изд-во СевНТУ, 2010. - С. 449.

6. Мухин И.И. Сравнительный анализ интегральных фазовращателей СВЧ диапазона, спроектированных по 810е БиКМОП технологии. // Микроэлектроника и информатика - 2010. 17-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2010. - С. 92.

7. Репин В.В., Мухин И.И., Малышев И.В., Ионов П.Л. Вопросы схемотехнического проектирования балунов для полупроводниковых малошумящих усилителей. // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2010. - С. 57-64.

8. Мухин И.И. Разработка активного фазовращателя СВЧ диапазона по принципу СнК // Проектирование систем на кристалле: тенденции развития и проблемы. Международная научно-техническая конференция с элементами научной школы для молодежи: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2010. - С. 64.

9. Мухин И.И. Исследование и пути улучшения параметров интегральных активных фазовращателей СВЧ диапазона // Микроэлектроника и информатика - 2010. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, 2011. - С.84 .

10. Репин В.В., Мухин И.И. Методы построения МИС векторных фазовращателей // Актуальные вопросы создания информационно-управляющих систем воздушного и космического базирования. Научно-техническая конференция. Тезисы докладов. - М.: ОАО «Концерн «Вега», 2011. - С. 15.

11. Ионов ПЛ., Малышев И.В., Мухин И.И., Репин В.В. Методы построения МИС векторных фазовращателей // Электроника, микро-и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2011. - С. 117-122.

12. Малышев И. В., Мухин И. И., Репин В. В., Шнитников А. С. Разработка БИС фазовращателя для модулей АФАР // 21-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2011). Севастополь: материалы конф. — Севастополь: Вебер,2011. - С. 149-150.

13. Мухин И.И., Репин В.В., Шнитников A.C., Арсеньев П.А. Монолитный фазовращатель для систем с активной фазированной антенной решеткой, построенный по принципу сложения векторов // Вестник Московского Энергетического Института. - М.: Издательский дом МЭИ, 2012, № 2. - С. 125-127.

14. Мухин И.И., Репин В.В. Применение SiGe БиКМОП технологии для построения МИС дискретного фазовращателя, использующего принцип векторного сложения // Всероссийская конференция «Микроэлектроника СВЧ». Сборник трудов конференции, том 2. Санкт-Петербург, 2012. - С. 120-122.

15. Репин В.В., Елесин В.В., Мухин И.И., Назарова Г.Н. Анализ схем построения интегральных активных балунов // Электроника, микро-и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - С. 256-262.

16. Мухин И.И., Репин В.В. Проектирование полупроводниковых БИС активных фазовращателей с использованием SiGe-БиКМОП-технологии // Изв. вузов. Электроника. -2012. -№ 4. - С.54-59.

17. Мухин И. И., Репин В. В., Елесин В.В., Назарова Г.Н., Шнитников A.C. Вопросы схемотехнического проектирования интегральных балунов // 22-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2011). Севастополь: материалы конф. — Севастополь: Вебер, 2012. - С. 95-96.

18. Мухин И.И., Бычков М.С., Репин В.В. Разработка монолитной интегральной схемы приемника с фазовращателем в цепи гетеродина // Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных

систем - 2012. Сборник трудов / под общ. ред. академика РАН A.JI. Стемпковского. - М.: ИППМ РАН, 2012. - С. 320-323.

19. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Усачев H.A., Чуков Г.В., Сотсков Д.И., Репин В.В., Мухин И.И. Построение монолитных ИС многоразрядных фазовращателей СВЧ-диапазона с улучшенными точностными характеристиками // Изв. вузов. Электроника. -2012. -№ 5. — С.31-38.

ЦИТИРУЕМАЯ ЛИТЕРАТУРА

1. Шелепин H.A., Селецкий В.К., Дмитриев В.А. Исследование параметров элементной базы 0,18 мкм радиочастотной БиКМОП технологии // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В.Я. Стенина. - М.: НИЯУ МИФИ, 2012. -С. 111-116.

Подписано в печать:

Заказ № 86 Тираж 100 экз. Уч.-изд. л. 1,3 Формат 60x84 1/16.

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

124498. Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

ВВЕДЕНИЕ.

ГЛАВА 1. ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ ДЛЯ ППМ АФАР.

1.1 Особенности построения антенных фазированных решеток.

1.1.1 Предпосылки создания антенн с электронным управлением лучом.

1.1.2 Принцип работы антенны с электронным управление луча.

1.1.3 Активные фазированные антенные решетки.

1.1.4 Методы структурной реализации ППМ для АФАР.

1.2 Устройства формирования фазовых сдвигов.

1.2.1 Варианты размещения фазовращателя в ППМ АФАР.

1.2.2 Классификация фазовращателей.

1.2.3 Методы построения полупроводниковых фазовращателей.

1.3 8Юе БиКМОП технология.

1.4 Выводы.

ГЛАВА 2 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ИНТЕГРАЛЬНЫХ ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ НА ОСНОВЕ ПАССИВНЫХ ЭЛЕМЕНТОВ.

2.1 Принцип работы пассивных проходных фазовращателей.

2.1.1 Методика расчета и выбора ФВЧ/ФНЧ фильтров для построения секций фазовращателя.

2.2 Переключающие элементы.

2.2.1 Обзор управляющих элементов для пассивных фазовращателей.

2.2.2 Исследование ключей, выполненных на основе МОП технологии.

2.2.3 Исследование изолированных МОП ключей.

2.3 Разработка пассивного фазовращателя на переключаемых ФВЧ/ФНЧ фильтрах.

2.3.1 Методика проектирования схемы пассивного фазовращателя на переключаемых ФВЧ/ФНЧ фильтрах.

2.3.2 Структурная схема пассивного фазовращателя с уменьшенным количеством проходных ключей.

2.3.3 Результаты моделирования пассивного фазовращателя.

2.4 Выводы.

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЕ И РАЗРАБОТКА ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ, ПОСТРОЕННЫХ ПО ПРИНЦИПУ ВЕКТОРНОГО СЛОЖЕНИЯ.

3.1 Построение фазовращателей с использованием принципа векторного сложения.

3.1.1 Принцип векторного сложения ортогональных сигналов.

3.1.2 Структурная схема векторного фазовращателя.

3.1.3 Проектирование фазовращателя на основе схемы четырехквадрантного сумматора.

3.1.4 Увеличение динамического диапазона схемы фазовращателя на основе четырехквадрантного сумматора.

3.1.5 Схема управления векторным фазовращателем на основе четырехквадрантного сумматора.

3.2 Аттенюаторный метод построения векторных фазовращателей.

3.2.1 Структурная схема векторного фазовращателя на основе дискретных аттенюаторов.

3.2.2 Структурная схема векторного фазовращателя на основе дискретных аттенюаторов с расширенным динамическим диапазоном.

3.3 Методика поиска оптимальных состояний векторного фазовращателя с избыточным количеством состояний.

3.4 Выводы.

ГЛАВА 4 ИССЛЕДОВАНИЕ СТРУКТУРЫ ПРИЕМНИКА С ФАЗОВРАЩАТЕЛЕМ В ЦЕПИ ГЕТЕРОДИНА. ПРОВЕДЕНИЕ И СРАВНИТЕЛЬНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ ИЗМЕРЕНИЯ ИС ФАЗОВРАЩАТЕЛЕЙ.

4.1 Структурная схема приемника с фазовращателем в цепи гетеродина

4.2 Методики проведения измерений ИС фазовращателей.

4.2.1 Методика измерения параметров проходных фазовращателей.

4.2.2 Методика измерения параметров приемника с фазовращателем в цепи гетеродина.

4.3 Результаты проведения измерений ИС фазовращателей.

4.3.1 Результаты измерения фазовращателя на основе схемы четырехквадрантного сумматора.

4.3.2 Результаты измерения фазовращателя на основе четырехквадрантного сумматора с расширенным динамическим диапазоном.

4.3.3 Результаты измерения ФВ на основе двух емкостных аттенюаторов. 124 4.3.5 Результаты измерения приемника с фазовращателем в цепи сигнала гетеродина.

4.4 Анализ результатов исследования ИС фазовращателей.

4.4.1 Сводные результаты исследования характеристик ИС фазовращателей

4.4.2 Выбор оптимальной ИС фазовращателя на основе критерия качества

4.5 Выводы.

К современной электронной аппаратуре предъявляются все более жесткие требования по повышению быстродействия и надежности при снижении массо-габаритных размеров и энергопотребления. Удовлетворению этих требований способствует совершенствование элементной базы [1].

Современное развитие радиолокационных систем (РЛС) идет по пути повышения энергетического потенциала и увеличения функциональных возможностей [2]. Такие тенденции хорошо видны на примере радиотехнических комплексов с электронным сканированием луча, которые предполагают широкое использование активных фазированных антенных решеток (АФАР). Применение АФАР в составе радиолокационных комплексов является критерием перспективности и качественно новым уровнем получаемой информации. Объясняется это тем, что АФАР имеет лучшие энергетические характеристики и может оперативно изменять полосу обзора, полосу захвата, перенацеливать луч с объекта на объект и т.д. [3,4].

АФАР находят широкое применение в различных радиотехнических системах, в том числе радиолокационных, радиовидения, радиоразведки, радионаблюдения, радиосвязи, космических радиолокационных системах дистанционного зондирования Земли и в системах навигации [5, 6].

Основными предпосылками перехода к АФАР в настоящее время являются [7 - 10]:

• непрерывно возрастающие требования к увеличению функций радиоэлектронных систем при уменьшении массо-габаритных характеристик;

• совершенствование качества СВЧ полупроводниковых приборов: увеличение удельной СВЧ мощности практически во всех диапазонах рабочих частот, повышение линейности и широкополосности, снижение уровня внутренних шумов;

• расширение функциональных возможностей СВЧ полупроводниковых приборов: реализация на одном кристалле аналоговых и цифровых схем, появление систем на кристалле.

Развитие техники АФАР оказалось серьезным стимулом решения проблем СВЧ-микроэлектроники, как основы микроминиатюризации СВЧ-компонентов и обеспечения их массового производства [11, 12]. В состав АФАР может входить до 10 ООО элементов, каждый из которых представляет собой законченное, достаточно сложное устройство. Наряду с этим применение АФАР позволяет использовать новые методы обзора пространства, увеличивает разрешающую способность и дальность действия, что значительно расширяет возможности реализации требуемых характеристик РЛС.

Главными достоинствами АФАР можно назвать их потенциально большую эквивалентную чувствительность приемника, возможность достижения значительной мощности излучения, определяемой электрической прочностью элементов тракта, а также возможность амплитудно-фазового управления диаграммы направленности [13, 14]. Немаловажными остаются и массогабаритные размеры элементов антенны. Размер антенны связан с используемой длиной волны радиолокатора. Расширение частотного диапазона в СВЧ область позволяет уменьшить размеры блоков АФАР.

Но создание АФАР (особенно бортовых) является сложной технической задачей. И в первую очередь это касается приемо-передающих модулей (ППМ), которые составляют основу любой АФАР.

Принятый парциальными антеннами решетки сигнал проходит дальнейшую обработку в радиоприемном или радиопередающем тракте, где, в частности, подвергается частотной фильтрации, задержке или сдвигу фаз в каждом парциальном канале для формирования диаграммы направленности антенной решетки

Следует отметить, что применение групповых ППМ позволяет снизить массу блока, потребляемую мощность, но при этом следует особое внимание обращать на вопросы электромагнитной совместимости внутри корпуса ППМ и устранения взаимного влияния каналов друг на друга.

Поэтому создание микросхем приемного и передающего каналов является весьма перспективным. Серийно-выпускаемые в России полупроводниковые ППМ АФАР сантиметрового и миллиметрового диапазонов представляют собой гибридные модули на основе арсенида галлия (ОаАз). Наряду с большими габаритными размерами, указанные гибридные модули имеют большие токи потребления, высокую удельную мощность на один ППМ, что приводит к «тяжелому» температурному режиму всей антенной решетки, требующему принудительного охлаждения. В сочетании с низким выходом годных это приводит к крайне высокой стоимости РЛС, ее развертывания и обслуживания.

Новым подходом к построению АФАР с более низкими стоимостными показателями и с малой удельной мощностью является разработка всего ППМ на одном кристалле путем использования перспективной для разработки аналого-цифровых БИС СВЧ диапазона кремний-германиевой (8Юе) БиКМОП технологии. В настоящее время разработка данной эффективной и недорогой технологии активно осуществляется в ОАО «НИИМЭ и Микрон» на основе базового кремниевого процесса НСМ088Э с нормами 0,18 мкм [15].

Характеристики модулей определяют практически все основные параметры РЛС. В частности, выходную мощность передающего канала, коэффициент шума приемного канала, а также верхнюю границу линейности амплитудной характеристики приемопередающих трактов вместе с точностью и идентичностью поддержания фазового сдвига по всем каналам. В совокупности эти параметры определяют предельные возможности системы по дальности действия и точности определения координат объекта наблюдения.

В состав ППМ входят такие элементы, как защитное устройство, малошумящий усилитель, усилитель предварительной частоты, смеситель, аттенюатор, фильтры и т.д. Ключевыми устройствами систем АФАР являются фазовращатели (ФВ), число которых в зависимости от назначения системы составляет от десятков до десятков тысяч штук в каждой решетке. Параметры и стоимость фазовращателей играют доминирующую роль, как в получении необходимых технических характеристик антенных систем, так и в их ценообразовании. Многообразие требований к антенным системам не позволяет выделить какой-либо класс фазовращателей, как полностью удовлетворяющий этим требованиям. Как правило, выбор того или иного класса устройств определяется компромиссом ряда основных параметров (например, быстродействие, рабочая СВЧ мощность, потребляемая мощность управления, массогабаритные параметры, стоимость) [16].

Влияние фазовращателя на характеристики приемного или передающего тракта весьма значительно. Основной функцией фазовращателя является изменение величины фазового сдвига передаваемого или принимаемого сигнала. Значение фазы при этом должно меняться равномерно и охватывать весь необходимый диапазон. Таким образом, объединение в одном кристалле фазовращателя и цифровой схемы управления значительно расширяет функциональные возможности и быстроту работы схемы. Правильный выбор схемы фазовращателя и его схемы управления позволяют получить нужные характеристики антенны, а также упростить и ускорить настройку и регулировку приемных модулей при очевидном снижении трудозатрат [17].

Решению актуальной задачи построения интегральных фазовращателей на основе совокупности новых научно-обоснованных структурных и схемотехнических решений посвящена настоящая диссертация.

Цель работы - решение актуальной научной задачи по исследованию и разработке методов построения ИС фазовращателей на основе 81Се БиКМОП технологии.

Для достижения поставленной цели решены следующие задачи:

1. проведен анализ основных методов построения интегральных фазовращателей;

2. разработана методика и спроектирована ИС пассивного проходного фазовращателя, построенного на ФВЧ и ФНЧ секциях; 10 ~

3. спроектирована ИС векторного фазовращателя и предложены методы увеличения ее динамического диапазона;

4. для уменьшения требований к характеристикам фазовращателя, разработана структура приемника, в которой фазовращатель расположен в цепи сигнала гетеродина.

5. изложены и проанализированы результаты экспериментальных исследований спроектированных микросхем фазовращателей.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложен новый принцип построения структуры пассивных фазовращателей, обеспечивающий минимальные вносимые потери.

2. Разработана методика проектирования пассивных фазовращателей обеспечивающая минимальную амплитудную модуляцию и наилучший коэффициент согласования.

3. На основании проведенных исследований зависимости линейности передаточной характеристики и коэффициента шума от структурной организации схемы фазовращателя векторного типа предложен новый способ построения данных систем за счет переноса квадратурного фильтра в конец тракта и использования дискретных аттенюаторов для регулирования амплитуды векторов.

4. Предложен новый метод построения приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, позволяющий использовать в качестве сигнала гетеродина входной сигнал и обеспечивающий расширение динамического и частотного диапазона приемника, а также снижение требований к характеристикам фазовращателя, без ухудшения точности задания фазы выходного сигнала.

Научные положения, выносимые на защиту;

1. Принцип построения параллельно-последовательной структуры пассивных фазовращателей с использованием изолированных МОП транзисторов в качестве ключей, позволивший уменьшить величину вносимых потерь.

2. Методика проектирования пассивных фазовращателей, позволяющая получать минимальную амплитудную модуляцию выходного сигнала для всех состояний фазовращателя, а также наилучший коэффициент согласования схемы.

3. Структурная организация схемы векторного фазовращателя, обеспечивающая расширение динамического диапазона, которое достигается за счет уменьшения коэффициента шума путем переноса пассивных квадратурных фильтров в конец тракта и увеличения линейности благодаря использованию для регулировки амплитуды векторов дискретных аттенюаторов.

4. Метод построения приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, позволяющий использовать в качестве сигнала гетеродина входной сигнал, а также снижающий требования к характеристикам фазовращателя, без ухудшения точности задания фазы выходного сигнала.

Практическая значимость полученных результатов диссертационной работы показана в следующих положениях:

1. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, с использованием 81Се БиКМОП технологии выполнена разработка ряда отечественных ИС фазовращателей (К1338ХК1У, К1338ХК2У, К1338ХКЗУ, 1338ХК6У, 1338ХК7У, К1338ХК9У). Данные ИС использованы при разработке ППМ АФАР 8-диапазона БКВП.434856.029, ППМ АФАР С-диапазона БКВП.434857.004.

2. Разработан алгоритм и программное обеспечение для поиска оптимальных состояний векторного фазовращателя по заданным критериям.

3. Разработаны и внедрены методики проведения измерений ИС фазовращателей на предприятии ФГУП «НИИМА «Прогресс».

4. Исследована структура приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, решение использовано при разработке ИС приемника Х-диапазона позволяющего осуществлять фазовый сдвиг входного сигнала в диапазоне частот 8-12 ГГц и расширить динамический диапазон до 89 дБ.

5. Разработанные методики проектирования, структурные и схемотехнические решения внедрены при выполнении НИР («И-2011-1.3.2-215-009-044» в рамках ФЦП «Научно-педагогические кадры 2009-2013) на кафедре ИЭМС в Национальном исследовательском университете МИЭТ.

Апробация работы. Основные положения диссертационной работы были представлены на следующих научно-технических конференциях: «Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов» (г. Зеленоград, Национальный исследовательский университет МИЭТ, 2010 г., 2011 г.); 52-ая научной конференции «Современные проблемы фундаментальных и прикладных наук» (г. Зеленоград, МФТИ, 2009 г.); Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (г. Севастополь, 2011г., 2012 г.); Российская научно-техническая конференция «Электроника, микро- и наноэлектроника» (г. Суздаль, 2010 г., 2011г., 2012 г.); Всероссийская конференция «Микроэлектроника СВЧ» (г. Санкт-Петербург, 2012 г.); V Всероссийская научно-техническая конференция «Проблемы разработки перспективных микро- и наноэлектронных систем» (Москва, 2012 г.), а также в следующих журналах: Известия высших учебных заведений «Электроника» (г. Зеленоград, 2012 г., №4, №5), Вестник Московского Энергетического Института (г. Москва, 2012 г.).

По теме диссертации опубликовано 19 работ в материалах международных и всероссийских научно-технических конференций, в том числе 4 работы в изданиях рецензируемых ВАК, получено 1 свидетельство об официальной регистрации топологии ИМС.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и библиографического списка, изложенных на 153 страницах текста, иллюстрированного таблицами, графиками и рисунками.

4.5 Выводы

1. Разработана, изготовлена и экспериментально исследована микросхема приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, позволяющая осуществлять фазовый сдвиг сигнала в диапазоне частот 8-12 ГГц и обладающая расширенным до 89 дБ динамическим диапазоном. Перемещение фазовращателя из цепи сигнала в цепь гетеродина позволяет значительно уменьшить требования к параметрам фазовращателя.

2. Предложена структурная схема приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, использующая в качестве сигнала гетеродина входной сигнал. Данное решение позволяет упростить разводку сигнала гетеродина.

3. Разработаны и внедрены методики измерения проходного фазовращателя и приемника с фазовращателем в цепи гетеродина.

4. Результаты экспериментального исследования микросхем фазовращателей показывают близкое соответствие с расчетными данными, что подтверждает корректность используемой методики проектирования полупроводниковых фазовращателей различных типов.

5. Проведен сравнительный анализ полученных результатов для всех разработанных микросхем фазовращателей, реализованных по кремниевой БЮе БиКОМП технологии. Предложена методика поиска микросхем фазовращателей с оптимальными параметрами на основе расчета критерия качества.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные итоги теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе, заключаются в следующем:

1. Рассмотрены предпосылки создания и преимущества применения АФАР в современных радиолокационных системах. Детальный анализ состояния разработок современных ГИС и МИС на полупроводниковых материалах показал, что для обеспечения высокого качества приема сигналов необходимо решить задачу создания СВЧ ППМ на 81Се ИС.

2. Установлено, что использование при разработке 8!Ое БиКМОП технологического процесса позволяет значительно увеличить степень интеграции микросхем и размещать на одном кристалле цифровые и аналоговые блоки одновременно, сохраняя при этом высокий процент выхода годных, а также низкую стоимость изготовления по сравнению с приборами на основе ваАБ.

3. Разработана методика проектирования пассивных фазовращателей, позволяющая получать минимальную амплитудную модуляцию выходного сигнала для всех состояний фазовращателя, а также наилучший коэффициент согласования схемы.

4. Установлено, что применение параллельно-последовательной структуры для построения пассивных фазовращателей, а также использование изолированных МОП транзисторов в качестве ключей, позволяет уменьшить величину вносимых потерь.

5. Установлено, что применение в БЮе СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ аттенюатора с дискретным изменением величины коэффициента передачи позволяет расширить динамический диапазон схемы, благодаря высокой линейности схемы дискретного аттенюатора.

6. Исследование зависимости динамического диапазона векторного фазовращателя от структурной организации схемы позволило установить, что структурная схема, в которой пассивные элементы (квадратурные фильтры) расположены в конце тракта, позволяет расширить динамический диапазон схемы до 81 дБ, за счет снижения коэффициента шума.

7. Рассмотрена методика поиска оптимальных фазовых и амплитудных состояний выходного сигнала векторного фазовращателя с избыточным числом состояний. Данная методика позволяет проводить корректировку схемы после изготовления, что значительно уменьшает влияние разброса технологического процесса и неучтенных паразитных элементов.

8. Исследована структура приемника с фазовращателем в цепи гетеродина, решение использовано при разработке ИС приемника X-диапазона позволяющего осуществлять фазовый сдвиг входного сигнала в диапазоне частот 8-12 ГГц и расширить динамический диапазон до 89 дБ.

9. Разработаны и внедрены методики проведения измерений ИС фазовращателей на предприятии «НИИМА «Прогресс».

10. На основе проведенных теоретических и экспериментальных исследований, с использованием БЮе БиКМОП технологии выполнена разработка ряда отечественных ИС фазовращателей (К1338ХК1У, К1338ХК2У, К1ЗЗ8ХКЗУ, 1338ХК6У, 1338ХК7У, К1338ХК9У). Данные ИС использованы при 7 разработке ППМ АФАР 8-диапазона БКВП.434856.029, ППМ АФАР С-диапазона БКВП.434857.004.

11. Разработанные методики проектирования, структурные и схемотехнические решения внедрены при выполнении НИР («И-2011-1.3.2-215-009-044» в рамках ФЦП «Научно-педагогические кадры 2009-2013) на кафедре ИЭМС в Национальном исследовательском университете МИЭТ.

Основным научным результатом работы является создание структурных схем СВЧ фазовращателей для приемо-передающих модулей АФАР на основе 8!Ое технологии, обеспечивающих хорошие точностные параметры и сравнительно большой динамический диапазон при работе на высоких частотах.

1. Шахнович И. Твердотельные СВЧ приборы и технологии. Состояние и перспективы // Электроника НТБ, 2005. №5. -С.58-64.

2. Бакулев П.А., Радиолокационные системы // М.: Радиотехника, 2004. -524 С.

3. Современная радиолокация. (Анализ, расчет и проектирования систем) /Пер. с англ. под ред. Ю.Б. Кобзарева // М.: Советское радио,1969. -704 С.

4. Справочник по радиолокации. Под ред. Скольника. Пер. с англ. Под ред. Н.К. Трофимова // М.: Сов. Радио, 1979. -Т.З. 528 С.

5. Лукин В.Н., Мищенко И.Н., Молочко C.B. Основные направления создания интегрированной авиационной бортовой радиоэлектронной аппаратуры связи, навигации и опознавания США // Зарубежная радиоэлектроника, 1987. №8. - С. 3-22.

6. Ширман Я. Д., Манжос В.Н. Теория и техника обработки радиолокационной информации на фоне помех // М.: Радио и связь, 1981. -416 С.

7. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации // М.: Радио и связь, 1985.-344 С.

8. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники // М.: Радио и связь, 1989. 656 С.

9. Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС // М.: Горячая линия Телеком, 2005. -272 С.

10. Андреев B.C. Теория нелинейных электрических цепей // М.: Радио и связь, 1982.-280 С.

11. Skolnik M. Introduction to Radar Systems // 3rd edition McGraw-Hill, New York, 2001.

12. Rohde U.L., Newkirk D.P. RF/Microwave circuit design for wirelessapplications // A Wiley-Interscience Publication, 2000. 938 P.142 ~

13. Разевиг В.Д., Потапов Ю.В., Курушин A.A. Проектирование СВЧ устройств с помощью Microwave Office. Под ред. В.Д. Разевига. -М.: СОЛОН-Пресс, 2003. 496 С.

14. Stutzman W. L, Thiele G. A. Antenna Theory and Design // John Wiley and Sons, Inc., New Jersey, 1998.

15. Шелепин H.A., Селецкий B.K., Дмитриев В. А. Исследование параметров элементной базы 0,18 мкм радиочастотной БиКМОП технологии // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В .Я. Стенина. М.: НИЯУ МИФИ, 2012. - С. 111-116.

16. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Усачев H.A., Чуков Г.В., Сотсков Д.И., Репин В.В., Мухин И.И. Построение монолитных ИС многоразрядных фазовращателей СВЧ-диапазона с улучшенными точностными характеристиками // Изв. вузов. Электроника, 2012. -№ 5. С.31-38.

17. Вендик О.Г., Парнес М.Д. Антенны с электронным движением луча (введение в теорию). Под ред. Л.Д. Бахраха, 2001. 250 С.

18. Филиппов B.C., Пономарев Л.И., Гринев А.Ю. и др. Антенны и устройства СВЧ. Проектирование фазированных антенных решеток: Учеб. пособие для вузов // Под ред. Д.И. Воскресенского. 2-е изд., доп. и перераб. - М.: Радио и связь, 1994. - 592 С.: ил.

19. Хижа Г.С., Вендик И.Б., Серебрякова Е.А. СВЧ-фазовращатели и переключатели: Особенности создания на p-i-n диодах в интегральном исполнении. М.: Радио и связь, 1984. 184 С.

20. Вендик О.Г. Антенны с немеханическим движением луча: введение в теорию. М.: Сов. Радио, 1965. 360 С.

21. Ерохин Г. А., Чернов О. В., Козырев Н. Д., Кочержевский В. Д. «Антенно-фидерные устройства и распространение радиоволн» — Учебник для высших учебных заведений, 3-е издание

22. Jeon S., Wang Y., Wang H., Bohn F., Natarajan A., Babakhani A., Hajimiri A. A Scalable 6-to-18 GHz Concurrent Dual-Band Quad-Beam Phased-Array Receiver in CMOS // IEEE JSSC, 2008. Vol. 43, №. 12. - PP. 2660-2673.

23. Hajimiri A., Hashemi H., Natarajan A., Guan X., Komijani A. Integrated phased array systems in silicon // Proceedings of the IEEE, 2005. Vol. 93. -№. 9. -PP.1637-1655.

24. Ali F., Mitchell S., Moghe S., Ho P., Podell A. A C-band low noise MMIC phased array receive module // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 1988.-Vol. 2.-PP. 951-954.

25. Fourikis N. Advanced Array Systems // Applications and RF Technologies. London, UK: Academic Press, 2000.

26. Tang R., Burns R.W. Array technology // Proc. IEEE, 1992. Vol. 80, PP. 173-182.

27. Mitchell M., Wallace T. Low power density arrays // presented at 50th Annual Tri-Service Radar Symposium, Albuquerque, NM, 2004.

28. Ender J., Wilden H., Nickel U., Klemm R., Brenner A., Eibert Т., Nubler D. Progress in phased-array radar applications // 34th European Microwave Conference, 2004. Vol. 3. -PP. 1509-1512.

29. Hommel H., Feldle H. Current status of airborne active phased array (AESA) radar systems and future trends // 34th European Microwave Conference, 2004. Vol. 3. -PP. 1517-1520.

30. Абрамов А.А., Чернякав M.C. Повышение точности пеленгации в ФАР с дискретным фазированием // Журнал Радиотехника, 1993. № 10-12.-С. 55-58.

31. Mitchell М.А., Wallace Т., Harris М., Cressler J.D., Comeau J., Andrews J., Kuo L., Morton M., Papapolymerou J., Parks В., Wilson G. Feasibility of

32. T/R module functionality in a single SiGe 1С // presented at Radio Frequency Module Manufac-turing Workshop, Huntsville, AL, 2005.

33. Wallace T. T/R module design for a low power density array // Air and Missile Defense Division, Georgia Tech Research Institute, Memorandum TAT030509, 2004.

34. Kopp B.A. X-band transmit/receive module overview // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Dig., 2000. PP. 705-708.

35. Jung Y.B., Eom S.Y., Jeon S.I., Choi J.I., Park H.K. The design of T/R module for X-band APAA system used in satellite communications // IEEE MTT-S International Microwave Symposium Dig., 2002. PP. 1337-1340.

36. Kopp B.A., Borkowski M., Jerinic G. Transmit/receive modules // IEEE Trans. Microwave Theory Tech., 2002. Vol. 50. - PP. 827-834.

37. Gloanec M., Camiade M., Serru V., Ouarch Z, Beilenho K. Advanced MMICs for remote sensing and radar applications // Proc. 33rd European Microwave Conference, 2003. PP. 871-874.

38. Hackenberg U„ Adolph M., Dreher H., Ott H., Reber R., Rieger R., Schweizer В. Polarisation agile, highly accurate T/R-module for synthetic aperture radar // Proc. 33rd European Microwave Conference, 2003. PP. 875-878.

39. Mitchell M., Harris M., Cressler J.D. Single chip T/R module // Internal Research and Development, Georgia Tech Research Institute, 2004.

40. Mitchell M. SiGe T/R chip preliminary requirements // Air and Missile Defense Division, Georgia Tech Research Institute, Memorandum STRC050302, 2004.

41. Clark G., Dishong J., Mongia R., Nelson S., Schurr P., Thornton R., Walker M., White D., Yok S. X- and Ku-band T/R, TTD and PA MMICs // Proc. Of GOMAC Tech-05, 2005. -PP. 131-133.

42. Активная фазированная антенная решетка: http://ru.wikipedia.org/wiki/Aктивнaя фазированная антенная решетка.

43. Гостюхин В. Л., Трусов В. Н., Гостюхин А. В. Активные фазированные антенные решетки // М.: Радиотехника 3-е издание, 2011г.

44. Фазированная антенная решетка: Ьйр://ги^1к1ресИа.огаМ1к1/Фазированная антенная решетка.

45. Проектирование фазированных антенных решёток. Под ред. Д.И. Воскресенского. М. Радиотехника, 2003г.

46. Иванов А.И. Создание распределённых СУД на спец микропроцессорах // Спец. Электроника, 1987. -№1. серия 10.

47. Крутчинский С. Современная микросхемотехника отечественных аналоговых ИС и смешанных СФ-блоков. Электронные компоненты, 2009. № 1, www.ELCP.ru.

48. Cameron Т. A Calibrated Phase and Amplitude Control System for PhasedArray Transmitters // A dissertation submitted in partial fulfillment of the requirements for the degree of Doctor of Philosophy, University of Washington, 2006.

49. Morton M.A., Comeau J.P., Cressler J.D., Mitchel M. et al. Sources of phase error and design considerations for silicon-based monolithic high-low pass microwave phase shifters // IEEE TMTT, 2006. Vol. 54. - №12. - PP. 4032-4040.

50. Natarajan A., Komijani A., Guan X., Babakhani A., Hajimiri A. A 77-GHz phased-array transceiver with on-chip antennas in silicon: transmitter and local LO-path phase shifting // IEEE J. Solid-State Circuits, 2006. Vol. 41. -№ 12.-PP. 2807-2819.

51. Yamaji T. et al. A four-input beam-forming downconverter for adaptive anten-nas // IEEE J. Solid-State Circuits, 2003. Vol. 38. - № Ю. -PP. 1619-1625.

52. Butler J. Beam forming matrix simplifies design of electronically scanned antennas // Electronics Design, 1961.-Vol. 9.-PP. 170-173.

53. Blostein S., Leib H. Multiple antenna systems: Their role and impact in future wireless access // IEEE Commun. Mag., 2003. Vol. 41. - № 7. -PP. 94-101.

54. Чистюхин B.B. Антенно-фидерные устройства. M.: МИЭТ, 1997. -С. 205-215.

55. Тагилаев А.Р. Аналоговые Фазовращатели СВЧ. Радиотехника, 1990. -№ 10.

56. Wu P., Chang H., Tsai M., Huang T, Wang H. New Miniature 15-20-GHz Continuous-Phase/Amplitude Control MMICs Using 0.18-um CMOS Technology / IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2006. -Vol. 54.-№ l.-PP. 10-19.

57. Карпов В.M., Малышев В.A., Перевощиков И.В. Широкополосные устройства СВЧ на элементах с сосредоточенными параметрами / Под ред. В.А. Малышева. -М.: Радио и связь, 1984. 104 С., ил.

58. Lee S., Park J.H, Kim H.T., Kim J.M., Kim Y.K., Kwon Y. Low-loss analog and digital reflection-type MEMS phase shifters with 1 : 3 bandwidth // IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2004. Vol. 52. - № 1. - PP. 211-219.

59. Miyaguchi K, Hieda M, Nakahara K, Kurusu H, Nii M, Kasahara M, Takagi T, Urasaki S. An ultra-broad-band reflection-type phase shifterMMIC with series and parallel LC circuits // IEEE Trans. Microw. Theory Tech, 2001. Vol. 49. -№ 12. - PP. 2446-2452.

60. Boire D.C, Onge G.S, Barratt C, Norris G.B, Moysenko A. 4 : 1 bandwidth digital five bit MMIC phase shifters // Microwave Millimeter-Wave Monolithic Circuit Symp. Dig, 1989. PP. 69-73.

61. Hayashi H., Nakagawa T., Araki K. A miniaturized MMIC analog phase shifter using two quarter-wave-length transmission lines // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2001.-Vol. 50.-№ l.-PP. 150-154.

62. Zarei H., Allstot D.J. A low-loss phase shifter in 180 nm CMOS for multiple-antenna receivers // IEEE Int. Solid-State Circuits Conf.Tech. Dig., 2004. Vol. l.-PP. 392-393.

63. Lee H.D., Kang D.W. A Ku-band MOSFET phase shifter MMIC // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2004. PP. 191-194.

64. Ellinger F., Bachtold W. Varactor tuned phase shifter MMIC at C-band with 360° phase control for adaptive antenna combining // Fourth IEEE International Caracas Conference on Devices, Circuits and Systems, 2002.

65. Ellinger F., Vogt R., Bachtold W. Ultra Compact, Low Loss, Varactor Tuned Phase Shifter MMIC at C-Band // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2001. Vol. 11. - № 3. - PP. 104-105.

66. Ellinger F.,Jackel H., Bachtold W. Varactor-Loaded Transmission-Line Phase Shifter at C-Band Using Lumped Elements // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2003. Vol. 51. - № 4. -PP. 1135—1140.

67. Ellinger F., Vogt R., Bachtold W. Compact Reflective-Type Phase-Shifter MMIC for C-Band Using a Lumped-Element Coupler // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2001. Vol. 49. - № 5. - PP. 913—917.

68. Wang H. Hajimiri A. A Wideband CMOS Linear Digital Phase Rotator // IEEE Custom Integrated Circuits Conference, 2007. PP. 671-674.

69. Koh K.J., Rebeiz G.M. A 6-18 GHz 5-Bit Active Phase Shifter // IEEE MTT-S Int. Microwave Symp. Dig., 2010. PP. 792-795.

70. Grajal J., Gismero J., Mahfoudi M., Petz F.A. A 1.4-2.7-GHz analog MMIC vector modulator for a crossbar beam forming network // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 1997. Vol. 45. -№ 10. - PP. 1705-1714.

71. Koh K.J., Rebeiz G.M. 0.13-um CMOS Phase Shifters for X-, Ku-, and K-Band Phased Arrays // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2007. Vol. 42. -№. 11.-PP. 2535-2546.

72. Paul D.K., Gardner P. Microwave quadrature active phase shifter using MESFETs //Microwave Opt. Technol. Lett., 1997. Vol. 15. - PP. 359-360.

73. Kim S.J., Myung N.H. A new active phase shifter using a vector sum method // IEEE Microw. Guided Wave Lett., 2000. Vol. 10. - № 6. -PP. 233-235.

74. Chen P.Y., Huang T.W., Wang H., Wang Y.C., Chen C.H., Chao P.C. K-band HBT and HEMT monolithic active phase shifters using vector sum method // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2004. Vol. 52. - № 5. -PP. 1414-1424.

75. Hashemi H., Komijani A., Hajimiri A. A 24-GHz SiGe Phased-Array Receiver LO Phase-Shifting Approach // IEEE Trans. 2005. - Vol. MTT-53. -No. 2.-PP. 614-626.

76. Krishnaswamy H., Hashemi H. A fully integrated 24 GHz 4-channel phased-array transceiver in 0.13 um CMOS based on a variable-phase ring oscillator and PLL architecture // IEEE ISSCC Dig. Tech. Papers, 2007. -Vol. 50.-PP. 124-591.

77. Krishnaswamy H., Hashemi H. A Variable-Phase Ring Oscillator and PLL Architecture for Integrated PhaseB Array Transceivers // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008. Vol. 43. -№. 11. -PP. 2446-2463.

78. Jeon S., Wang Y.J., Wang H., Bohn F., Natarajan A., Babakhani A., Hajimiri A. A Scalable 6-to-18 GHz Concurrent Dual-Band Quad-Beam Phased-Array Receiver in CMOS // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2008. -Vol. 43. -№. 12.-PP. 2660-2673.

79. Koh K.J., Rebeiz G.M. A Q-Band Four-Element Phased-Array Front-End Receiver With Integrated Wilkinson Power Combiners in 0.18-um SiGe BiCMOS Technology // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2008. Vol. 56. -№ 9. - P. 2046—2053

80. Teshiba M., Leeuwen R., Sakamoto G., Cisco T. A SiGe MMIC 6-Bit PIN Diode Phase Shifter // IEEE Microwave and Wireless Components Letters, 2002.-Vol. 12. -№. 12.-PP. 500-501.

81. Huynh C., Nguyen C. New Ultra-High-Isolation RF Switch Architecture and Its Use for a 10-38-GHz 0.18- um BiCMOS Ultra-Wideband Switch // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 2011. Vol. 59. -№2.-PP. 345-353.

82. Li Q., Zhang Y.P. CMOS T/R switch design: Towards ultra-wideband and higher frequency // IEEE J. Solid-State Circuits, 2007. Vol. 42. - № 3. -PP. 563-570.

83. Jin Y., Nguyen C. Ultra-compact high-linearity high-power fully integrated DC-20-GHz 0.18- mCMOS T/R switch // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2007.-Vol. 55.-№ 1.-PP. 30-36.

84. Min B.W., Rebeiz G.M. Ka-band low-loss and high-isolation switch design in 0.13- m CMOS // IEEE Trans. Microw. Theory Tech., 2008. Vol. 56. № 6. -PP. 1364-1371.

85. Blondy P., Palego C., Pothier A., Crunteanu A., Gasseling T., Champeaux C., Catherinot A., Tristant P. High power applications of RF-MEMS // Silicon Monolithic Integrated Circuits in RF Systems, Topical Meetingon, 2007. -PP. 166-168.

86. Bo-Shi J., Qun W., Hao-Yuan S., Jia-Hui F., Le-Wei L. Modeling and design of the novel MEMS phase shifter for Ka band applications // Antennas and Propagation Society International Symposium, 2005 IEEE, 2005. -Vol. 1A. PP. 520-523.

87. Huang F.J. О K.K. А 0.5-цт CMOS T/R switch for 900-MHz wireless applications // IEEE J. Solid-State Circuits, 2001. Vol.36. - №3. -PP. 486-492.

88. Li Z.B., О K.K. 15-GHz Fully Integrated NMOS Switches in а 0.13-цт CMOS process // IEEE J. of Solid-State Circuits. -2005. -Vol.40. № 11. -PP. 2323-2328.

89. Карманов П.В. Дискретный фазовращатель // Информационные технологии в образовании, РГРТУ, 2010. С. 83-87.

90. Майская В. SiGe устройства нужная технология в нужное время // Электроника: Наука, Технология, Бизнес, 1/2001. - С. 28-33.

91. Cressler J.D. SiGe НВТ Technology: A New Contender for Si-Based RF and Microwave Circuit Applications // IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, 1998. Vol. 46. - №. 5. - PP. 572-589.

92. Chantre A., Marty M., Regolini J.L., Mouis M., Pontcharra J., Dutartre D., Morin C., Gloria D., Jouan S., Pantel R., Laurens M. A high performance low complexity SiGe HBT for BiCMOS integration // Proc. 1998 BCTM, 1998. -PP. 93-96.

93. Singh R., Harame D., Oprysko M. Silicon germanium: technology, modeling and design. John Wiley and Sons, 2004.

94. Koh K. May J., Rebeiz G. A Millimeter-Wave (40-45 GHz) 16-Element Phased-Array Transmitter in 0.18- m SiGe BiCMOS Technology // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2009. -V. 44. -№ 5. PP. 1498 - 1509.

95. Laurens M. et al. A 150 GHz fT/fMAx 0,13 um SiGe:C BiCMOS technology //Proc. IEEE BCTM, 2003.

96. Reynolds S. et al. 60 GHz Transceiver Circuits in SiGe Bipolar Technology

97. ISSCC Digest, 2004. -PP.442-443.151 ~

98. Елесин В.В, Чуков Г.В., Громов Д.В., Репин В.В. и др. Исследование влияния ионизирующих излучений на характеристики кремний-германиевых интегральных схем СВЧ диапазона // Микроэлектроника, 2010.-Т. 39.-№2.-С. 136-148.

99. Елесин В.В., Назарова Г.Н., Чуков Г.В. Расчетно-экспериментальное моделирование СВЧ-характеристик металлокерамических и металл о стеклянных корпусов ИС // Изв. вузов. Электроника, 2012. № 5. -С. 24-30.

100. Мухин И.И., Репин В.В. Проектирование полупроводниковых БИС активных фазовращателей с использованием БЮе-БиКМОП-технологии // Изв. вузов. Электроника, 2012. № 4. - С.54-59.

101. Мухин И.И. Исследование и пути улучшения параметровинтегральных активных фазовращателей СВЧ диапазона //

102. Микроэлектроника и информатика 2011. 18-я Всероссийскаямежвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов:

103. Тезисы докладов. М.: МИЭТ, 2011. - С.84 .152 ~

104. Ионов П.Л., Малышев И.В., Мухин И.И., Репин В.В. Методы построения МИС векторных фазовращателей // Электроника, микро- и наноэлектроника. Сборник научных трудов / Под ред. В.Я. Стенина. -М.: НИЯУМИФИ, 2011.-С. 117-122.

105. Lim. S, Long. J. A low-voltage broadband feedforward-linearized BJT mixer // IEEE Journal of Solid-State Circuits, 2006. V. 41. - № 9. -PP. 2177-2187.

106. Кандырин Ю.В. Методы и модели многокритериального выбора вариантов в САПР: Учебное пособие для вузов. -М.: Издательство МЭИ, 2004.-172 С.: ил.