автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.17, диссертация на тему:Комплексное методическое и аппаратурное обеспечение проектирования охлажденных СВЧ малошумящих усилителей на полевых транзисторах

ОСОБОЕ КОНСТРУКТОРСКОЕ БЮРО МОСКОВСКОГО ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО ИНСТИТУТА (ТЕХНИЧЕСКОГО УНИВЕРСИТЕТА)

Комплексное методическое и аппаратурное обеспечение проектирования охлажденных СВЧ малошумящих усилителей на полевых транзисторах

Специальность: 05Л2.17 "Радиотехнические и телевизионные системы и устройства"

На правах рукописи

Тополышцкий Владимир Николаевич

Диссертация в виде научного доклада на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва 1998 г.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

начальник отдела Горшенков Юрий Николаевич

Официальные оппоненты - доктор технических наук

Ведущая организация - НПП "САЛЮТ", г. Нижний Новгород.

Защита диссертации состоится " /СО" А<Л</ 199<§г. в/5 ч. ¿^С7 мин, в аудитории заседании диссертационного

Совета К-053.16.13 по присуждению ученой степени кандидата технических наук Московского энергетического института (технического университета).

С диссертацией в виде научного доклада можно ознакомиться в библиотеке МЭИ.

Диссертация в виде научного доклада разослана "

Ученый секретарь диссертационного Совета

Каменецкий Юрий Аронович кандидат технических наук Уздин Ринадий Исаакович

К-053.16.13

кандидат технических доцент

г

1. ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

АКТУАЛЬНОСТЬ ПРОБЛЕМЫ

Задачи, которые ставятся перед современными радиотехническими системами, часто могут быть решены только с использованием приемных устройств с предельно низкими собственными шумами.

В последнее время получили широкое распространение малошумящие усилители (МШУ) СВЧ-диапазона на ОаАз полевых транзисторах (ПТ) и, в частности, охлажденные (ОМШУ), благодаря своим преимуществам перед квантовыми и параметрическими усилителями.

Специфика проектирования охлажденных МШУ состоит в следующем: I. Габариты и тепловая нагрузка усилительного узла должны быть минимальными для достижения максимальной глубины охлаждения при заданных параметрах холодильной установки, поэтому в конструкциях МШУ используются ПТ в бескорпусном исполнении и микрополосковые тонкопленочные волноводы. Чтобы сконструировать компактную микрополос-ковую схему, необходимо знание электродинамических параметров микро-полосковых узлов, приборов для прямого измерения которых нет.

2. В рабочем режиме охлажденный узел МШУ недоступен для настройки, поэтому он должен быть спроектирован наиболее точно, что возможно только с использованием полного набора исходных данных, соответствующих реальным условиям работы ПТ, т.е. шумовых параметров и параметров волновой матрицы (или эквивалентной схемы) транзисторов, включенных в микрополосковую линию и охлажденных до соответствующей температуры. Только в этом случае достаточно быстро могут быть достигнуты наилучшие результаты. Но в справочной литературе такие параметры отсутствуют и штатных приборов для их измерения нет.

Кроме того при исследовании малошумящих ПТ и МШУ (Тш<300 К) используются двухуровневые управляемые эталоны шума с криогенным охлаждением, очень громоздкие и неудобные в обращении, что особенно мешает при работе с микроминиатюрными устройствами.

Отсюда вытекают акхуальность задачи и необходимость комплексного подхода при обеспечении проектирования охлажденных МШУ низкотем->атурными параметрами транзисторов и электродинамическими параметрами планарных волноводов, требование усовершенствования процесса стройки усилителей и повышения точности измерения шумовых пара; чзтров.

ЩЛЬ РАБОТЫ

Целью настоящей работы является разработка методик и их апаратурно-< обеспечения для исследования температурных зависимостей параметров

СВЧ транзисторов в условиях криогенных температур и электродинамических характеристик планарных волноводов. Целью также является исследование возможности генерирования СВЧ шумовой мощности со СПМШ в пределах (0,2...0,5)кТо без криогенного охлаждения и создание удобного малогабарит ного двухуровневого низкотемпературного генератора шума.

Для достижения поставленной цели необходимо:

- разработать способ экспериментального исследомания полей рассеяния планарных волноводов и определения их электродинамических характеристик;

- разработать способ исследования температурной зависимости параметров волновой матрицы ИТ. установленных в микрополосковую линию, при их охлаждении до криогенной температуры.

- разработать способ исследования температурной зависимости шумовых параметров (Ь'о - коэффициента шума транзистора в 50-омной линии; Fmin-минимального коэффициента шума и Zopi - оптимального импеданса на входе транзистора, обеспечивающего минимальные шумы) ПТ, при их охлаждении до криогенной температуры;

- экспериментально и теоретически исследовать принцип генерации "холодного" шума GaAs полевым транзистором, разработать и сконструировать основанный на этом принципе двухуровневый низкотемпературный генератор шума с электронным переключением уровней.

НА УЧНАЯ НОВИЗНА работы заключается в следующем: I .Предложена новая методика построения измерительной линии для любого типа пленарного волновода, включая и микрополосковый, основанная на изобретении магнитных зондов (двух вариантов), позволяющих производить измерение пространственного распределения тангенциальных магнитных составляющих поля рассеяния пленарного волновода, и значительно расширяющая традиционные возможности измерительных линий.

2. Подтверждена экспериментально принципиальная необходимость низкотемпературных испытаний ПТ для отбора приборов, способных работать при глубоком охлаждении. Для некоторых типов ПТ получены данные, позволяющие экстраполировать шумовые параметры работоспособных транзисторов в область криогенных температур.

3. Предложена новая методика лабораторных исследований полного набора шумовых параметров IIT при изменении температуры до минус 190°С, которая заключается в разработке эталонного генератора шума и управляемых трансформаторов импеданса работоспособными при криогенных темпернатурах, их миниатюризации и размещении совместно с испытуемым транзистором в холодной зоне. Разработана методика определения ОПти-

мального значения импедансов на входе и выходе ПТ по результатам настройки на минимум коэффициента шума.

4. Предложена новая методика лабораторного исследования параметров волновых матриц ПТ для условий, аналогичных предыдущему пункту. Получены формулы для обработки результатов измерений.

5. Разработана методика оценки величины уровня "холодного" шума на выходе ГШ и его температурной стабильности для разных вариантов конструкций и условий эксплуатации и методика расчета минимального уровня излучаемой шумовой температуры (Хит ) генератора в зависимости от й-параметров и шумовых параметров ПТ.

Предложены две схемы двухуровневых низкотемпературных генераторов шума (ДНП1Г) с электронным переключением уровней, основанные на использовании невзаимных и шумовых свойств ОаАв полевых транзисторов и позволяющие без криогенного охлаждения получить:

- низкотемпературный уровень шумового излучения в 3...5 раз меньше уровня, соответствующего физической температуре прибора;

- большую возможность выбора величины второго уровня шума;

- постоянство выходного импеданса генератора.

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЦЕННОСТЬ РАБОТЫ

1. Созданный образец измерительной линии в диапазоне частот от I до 7 ГГц на любом типе пленарного волновода в дополнение к традиционным для коаксиальных и волноводных измерительных линий возможностям позволяет проводить следующие измерения,:

- измерения более широкого диапазона значений КСВН (1,002 ...60);

- измерения в непосредственной близости от испытуемого элемента, а не на значительном растоянии, обусловленом конструкцией линии и переходными устройствами, ухудшающими погрешность измерений;

- измерение эффективной диэлектрической проницаемости и погонного затухання исследуемого волновода;

- измерение пространственного распределения тангенциальных магнитных составляющих полей рассеяния как в регулярной линии, так и в области любого элемента схемы, включая и резонансные с динамическим диапазоном значений амплитуд поля до 35 дБ. Распределение составляющих полей можно измерять как над, так и под подложкой линии.

На приборе экспериментально подтверждено наличие продольных составляющих поля в основном типе колебаний микрополоскового и копла-нарного волноводов (квази-ТЕМ волна) и определено соотношение амплитуд поля.

2. Усовершенствованные адаптеры транзисторов, входящие в состав штатных измерителей коэффициента шума, в диапазоне частот (1...12) ГГц и при температурах до минус 190° С позволяют:

- отбирать транзисторы, способные работать при глубоком охлаждении;

- измерять зависимости коэффициентов шума и усиления транзисторов от их рабочей температуры;

- производить испытания конструкции транзисторов на термоудары при одновременной регистрации их характеристик.

Испытания достаточно больших партий транзисторов показали, что для некоторых типов транзисторов до 30% из партии при температурах ниже минус 70...80°С переходили в режим самовозбуждения, не зависящий от внешних нагрузок, а работоспособные транзисторы имели существенно разные от образца к образцу зависимости собственных шумов от температуры прибора. Устойчивых приборов с линейкой температурной зависимостью набиралось не более 20%. Именно они использовались в разрабатываемых образцах ОМШУ.

3. Разработанная методика оценки выходных параметров низкотемпературного генератора шума позволяет определить требования к конструкции прибора.

4. Применение компактных двухуровневых низкотемпературных генераторов шума на основе "холодного" излучения ОаАв полевого транзистора позволяет не только полностью использовать возможности измерителей коэффициента шума и увеличить оперативность и удобство работы в случае измерения шумовых температур ниже 300 К, но и повысить примерно в 1,5 раза точность измерения за счет выбора оптимального значения второго опорного уровня ГШ.

ВНЕДРЕНИЕ

1. Экспериментальные данные, полученные с помощью микрололоско-ной измерительной линии и адаптеров транзисторов для низкотемпературных измерений шумов ПТ, были использовапы при разработке серии МШУ на ПТ разного уровня охлаждения в диапазоне частот от 1 до 14 Ггц. На 2 образца ОМШУ есть акты внедрения.

2. Разработаны, изготовлены и испытаны 8 образцов низкотемпературных генераторов шума различного назначения. Два образца аттестованы в Метрологическом центре НПО "ВНИИФТРИ". На два образца (по теме "Штакетник-Г'КНО") есть протоколы натурных испытаний и включения их в состав контрольно-измерительного комплекса РСДБ на антенсЮ ТНА-1500. Четыре образца (по теме "Пират- 1АМ") прошли климатические испытания под контролем ПЗ и включены в состав контрольной ап-

паратуры. 2 образца ДНГШ включены в состав КИП комплекса "Кобальт" (есть акт внедрения).

ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ, ВЫНОСИМЫЕ НА ЗАЩИТУ

1. Новая методика построения измерительной линии, которая не только распространяет на планарные волноводы возможности традиционных измерительных линий, но и обладает рядом принципиально новых возможностей исследования пространственного распределения электромагнитного поля "внутри" СВЧ устройств. Экспериментальные данные распределения полей рассеяния различных типов микрополосковых и копланарных волноводов.

2. Новая матодика измерения низкотемпературных параметров волновых матриц ПТ, установленных в микрополосковую линию.

3. Новая методика измерения полного набора шумовых параметров охлажденных ПТ, установленных в микрополосковую линию, и методика обработки результатов. В процессе измерения не производится каких либо перестыковок испытуемого транзистора, что уменьшает погрешность.

4. Методика расчета параметров и конструкции низкотемпературных генераторов шума на ОаАз полевых транзисторах, заменяющих ПИ с криогенным охлаждением при измерениях шумовых температур ниже 300 К.

5. Новая методика низкотемператургных измерений шумовых параметров и экспериментальные данные для некоторых типов отечественных и зарубежных ПТ.

АПРОБАЦИЯ РАБОТЫ

По материалам исследований опубликовано 17 научных работ:

- сделано 2 изобретения;

- опубликовано 6 статей в журналах и научно-технических сборниках;

- сделано 10 докладов на научно-технических конференциях и семинарах, 5 из них опубликовано;

Кроме того поданы 3 заявки на изобретения и включены материалы в научно-технические отчеты по трем НИР и в один эскизный проект.

2. ИССЛВДОВАНИЕ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ СВЧ-ЭЛЕКТРОМАГНИТ-НОГО ПОЛЯ РАССЕЯНИЯ В ПЛАНАРНЫХ ЛИНИЯХ ПЕРЕДАЧИ

2.1. Обзор состояния вопроса.

Планарные волноводы, которые находят широкое применение в микроминиатюрных устройствах СВЧ, относятся к разряду линий открытого типа, то-есть обладают значительными полями рассеяния. Эта особенность ограничивает плотность компановки схемы на плате, близость размещения

экранов и увеличивает погонные потери. Кроме того электрические характеристики линий этого типа особенно чувствительны к разбросу параметров материалов и погрешности изготовления. Поэтому становится очевидной необходимость измерения реальных электродинамических параметров линий передачи и элементов схем на их основе, а также эффективной диэлектрической проницаемости, погонных потерь и других параметров.

Следует также учитывать, что инженерные расчетные данные параметров волноводов обычно получают для основного типа колебаний, а в реальной линии этот тип колебаний существует не в чистом виде. Так например для микрополосковой линии все расчеты проводятся в предположении существования там ТЕМ-волны, но ряд публикаций указывают на наличие в структуре поля продольных составляющих, что естественно отражается на параметрах линии.

Существующая стандартная измерительная техника применительно к планарным волноводам позволяет производить только косвенные измерения внешних параметров (КСВН, коэффициента отражения, входного импеданса, коэффициента затухания и др.) и то через вспомогательные переходные устройства, которые вносят значительные погрешности в измерения. Измерять же распределение стоячей волны, а тем более пространственное распределение полей, вообще не представляется возможным. Известные специальные разработки в этой области не решают поставленной задачи и не могут рассматриваться как удобные лабораторные измерительные установки, позволяющие измерять весь требуемый набор параметров с достаточной точностью, поскольку они чересчур сложны в изготовлении, в работе и в обработке результатов измерений, вносят сильное возмущение в поле исследуемого объекта и имеют маленький динамический диапазон.

2.2. Зонды специальной конструкции, измерительная линия и ее возможности.

Для преодоления отмеченных выше трудностей разработана и изготовлена специальная измерительная линия для пленарных волноводов [I].

Высокая пространственная разрешающая способность и высокая чувствительность установки обусловлены применением магнитного измерительного зонда новой конструкции (рис.1а). Зонд состоит из двух миниатюрных коаксиалов (3) диаметром 0,6 мм, центральные жилы которых с одной стороны замкнуты измерительной петлей (4), а с другой - петлей связи (1), возбуждающей резонатор. Клагодаря большой развязке от побочных составляющих поля и наводок и миниатюрности петли зонд позволяет производить "точечные" измерения напряженности только магнитной составляющей, нормальной к плоскости петли.

- Измерительная петля зонда удалена от экранирующей плоскости корпуса на расстояние 10-12 мм и имеет наружный диаметр - 0,8 мм. Точность перемещения зонда в пространстве (150x100x10) куб. мм по любой координате составляет ±0,01 мм. Динамический диапазон измерительной схемы не менгее 35 дБ. Установка позволяет производить измерение КСВН в диапазоне 1,002 ... 60, длины волны в линии с относительной ошибкой гЗх 10"4 , погонных потерь ¿0,15 дБ/А.

Кроме того разработанная измерительная линия обладает рядом принципиальных особенностей, недоступных стандартным измерительным линиям: на ней можно с высокой степенью точности и разрешающей способности измерять распределение по трем координатам двух взаимно-перпендикулярных магнитных составляющих СВЧ-поля над плоскостью подложки, а в случае исследования копланарной, щелевой и подобных им линий, и под плоскостью диэлектрической подложки, а также распределение полей "внутри" исследуемого устройства непосредственно в области любого его элемента.

Теоретические и экспериментальные оценки возможностей коаксиального зонда показали, что он не может обеспечить развязку от посторонних магнитных составляющих более 36 дБ и имеет ограничение по диапазону частот до 7 ГГц.

От этих