автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Моделирование и оптимизация активных нелинейных радиоэлектронных компонентов на HEMT-транзисторах для монолитных микроволновых интегральных схем миллиметрового диапазона

На Ьравах рукописи

Аунг Бо Бо Хейн

Моделирование и оптимизация активных нелинейных радиоэлектронных компонентов на НЕ1УГГ-транзисторах для монЬ^итных микроволновых интегральных схем миллиметрового диапазона

Специальность 05.27.01. «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и наноэлектроника, приборы на квантовых эффектах»

15 ЯНВ 2015

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

005557592

Москва-2014г.

005557592

Работа выполнена на кафедре микроэлектронных радиотехнических устройств и систем (МРТУС) в Национальном исследовательском университете «МИЭТ».

Научный руководитель: Кандидат технических наук, доцент

В.А Романюк

Официальные оппоненты: Воронович Вячеслав Вячеславович,

доктор технических наук , главный научный сотрудник, ФГУП «18 ЦНИИ» МО РФ

Добычина Елена Михайловна, кандидат технических наук, доцент кафедры «Радиофизика, антенны и микроволновая техника» МАИ

Ведущая организация: ОАО «Радиофизика»

Защита диссертации состоится «24» февраля 2015 г. в 14 ч. 30 мин. на заседании диссертационного совета Д212.134.01 при Национальном исследовательском университете «МИЭТ» по адресу: 124498 Москва, Зеленоград, проезд 4806, д. 5, МИЭТ.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке НИУ МИЭТ и на сайте http://miet.ru/.

Автореферат разослан «-13 » улсС^ЭУ 2014г.

Ученый секретарь диссертационного совета: доктор технических наук, профессор Т.Ю. Крупкина

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Тенденцией последнего времени является стремление увеличить частоту электромагнитных колебаний, применяемых в самых разнообразных радиоэлектронных системах. Развитие радиосистем и их элементной базы осуществляется путем исследований и разработки микроэлектронных изделий на все более высокочастотных монолитных микроволновых интегральных схемах (ММИС). В настоящее время активно осваиваются частоты в десятки и сотни ГГц. Базовыми элементами длй создания ММИС миллиметрового диапазона являются различные структуры полевых транзисторов с гетеропереходами - структуры НЕМТ, рНЕМТ, <1 микросхемы, чаще всего, выполняют на подложках из арсенида галлия GaAs или нитрида галлия GaN.

Широко распространенными компонентами практически всех радиоэлектронных систем являютсй нелинейные ММИС -генераторы, усилители мощности, умнЬжители и преобразователи частоты. С ростом частоты колебаний увеличиваются потери электромагнитной энергии в микроэлектронных изделиях, возрастают сложности достижения высокого качества нелинейных радиоэлектронных компонентов. В этой связи увеличивается роль изделий, которые Являются не только нелинейными, но и активными. При этом, для созданий высококачественных ММИС миллиметрового диапазона длин волн требуется более точное их проектирование, что включает Ь себя разработку более адекватных моДелей активных элементу более строгий у^ет различных нелинейностей, оптимальйое построение схем и структур микроэлектронных радиотехнических изделий,

Проектирование ММИС миллиметрового и субмиллиметрбвого диапазонов длин волн начинается с создания его электрической схемы. Разработанные в последние годы системы автоматизированного) проектирования СВЧ устройств, так^е как Microwave Office, Anspfl, ADS и другие дают возможность осуществления тщательного, подробного и всестороннего проектирования нелинейных схем СВЧ, а также измерять в моделях их характеристики и параметры.

Ёесьма удобным и эффективным представляется комплекс программ Microwave Office. Здесь достаточно просто составлять модели СВЧ компонентов как в виде электрических схем на элементах с сосредоточенными параметрами, так и с использованием отрезков передающих линий. Имеется

возможность всестороннего анализа стационарных режимов линейных и нелинейных устройств, получения практически всех полезных для практики характеристик.

Программа Microwave Office идеально подходит для анализа и проектирования т^ких нелинейных устройств СВЧ,. как усилители мощности, умножители частоты, смесители, где имеется необходимость в подаче на устройство колебаний различных частот и проводить анализ при наличии колебаний нескольких частот. Программа дает возможность осуществлять анализ как в частотной, так и временной области. В библиотеке программы имеются различные модели полевых СВЧ транзисторов структур MESFET, НЕМТ, такие как ANGELOV, CURTICE, FUJI1, ТОМ, YHLAND.

Несмотря на то, что в литературе имеются некоторые сведения по применению программы Microwave Office, в настоящее время нет подробной методики анализа и проектирования активных нелинейных устройств СВЧ, что свидетельствует об актуальности настоящей работы.

Целью диссертационной работы. Целью диссертационной "работы является выполнение исследований, направленных на создание ММИС активных нелинейных радиоэлектронных компонентов миллиметрового диапазона длин волн - усилителей мощности, умножителей частоты, смесителей частот,

позволяющих улучшить их основкые качественные показатели. Содержание исследований соответствует областям, отмеченных в паспорте специальности 05.27.01 «Твердотельная электроника, радиоэлектронные компоненты, микро- и нйно-электроника, приборы на квантовых эффектах»:

1) разработка и исследование схемотехнических и конструктивных основ созданйя и методов совершенствования изделий твердотельной радиоэлектроники,

2) исследование и моделирование функциональных и эксплуатационных характеристик изделий.

В данной диссертационной работе поставлены задачи

1) провести анализ и исследойание функциональных характеристик существующих активных нелинейных радиоэлектронных компонентов с целью создания монолитных микроволновых интегральных схем (ММИС) миллиметрового диапазона длин волн,

2) синтезировать активные нелинейные устройства, имеющие наилучшие технические характеристики,

3) разработать эффективную методику проектирования схем активных нелинейных устройств.

Выполнение радиоэлектронных компонентов в виде ММИС более высокочастотного диапазона позволит более надежно извлекать полезную информации на фоне воздействия сигналов других систем, увеличить точность радиосистем за счет передачи более сложных сигналов, уменьшить их размеры, повысить надежность.

Проектирование активных нелинейных устройств миллиметрового диапазона имеет особенности, состоящие в том, что необходимо учитывать не отдельные конкретные нелинейные элементы (сопротивление, емкость, индуктивность), а комплекс нелинейностей, входящих в состав активного нелинейного элемента.

Методы исследования:

1) моделирование электрических схем активных неЛийейных радиоэлектронных компонентов миллиметрового диапазона на полевых транзисторах структур НЕМТ в программе Microwave bffi^e,

2) оптимизация схем и их параметров по заданному критерию и ограничениям с Целью реализации их в вще ММИС на подложке из GaAs.

Научный положений, взносимые на защиту.

1. Оптимизированные схемы усилителей мощности, умножителей частоты, смесителей Частот на НЕМТ-Транзисторах, являющиеся базой для создания ММИС.

2. Сравнение вариантов построения схем активных смесителей СВЧ и рекомендации по их применению.

3. Способы увеличения усиления преобразования и развязок между портами активных смесителей.

4. Разработанная методика проектирования электрических схем активных нелинейных устройств с помощью программы Microwave Office.

Научная новизна диссертации состоит в создании, проведении и реализации следующих научно-обоснованных разработок:

1) определены наилучшие (наиболее простое) схемы транзисторных смесителей частот миллиметрового диапазона, обладающие наибольшим коэффициентом преобразования при достаточно высоких развязках между входами и выходом смесителя,

2) продемонстрирован метод увеличения коэффициента преобразования смесителя частот путем организации обратной связи-между выхоДной и входной согласующими цепями,

3) предложен метод увеличения развязок гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин смесителя путем построения гетеродина на пониженной частоте и специальной схемы удвоителя частоты,

4) предложен вариант способа увеличения развязок гетеродин-сиг^ап и сигнал-гетеродин построением схемы смесителя на двух последовательно включенных транзисторов, разделенных индуктивностью,

5) разр^бЬтана методика проектирования электрических схем усилитёлей мощности, умножителей частоты и смесителей СВЧ на НЕМТ-транзисторах в Программе fylicrowave Office.

Практическая ценность работы. (

1. Получены оптимальнее схемы активных нелинейных радиоэлектронных компонентов миллиметрового Диапазона длин волн, имеющие высокое усиление преобразования,-на базе-которых возможна реализация в виде ММИС на подложке из GaAs.

2. Предложены способы улучшения параметров смесителей частот, которые возможно применять не только в вариантах, рассмотренных автором, но и в других схемах смесителей..

3. Выданы рекомендации по применению вариантов электрических схем смесителей частот в зависимости от значений требуемых параметров.

4. Проведенная работа дает возможность разработчикам нелинейных СВЧ устройств таких, как нелинейные усилители мощности, умножители частоты, смесители частот осуществлять их проектирование, используя возможности программы Microwave Office.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертационной работы получены автором лично на основе результатов научных исследований, выполненных под руководством его руководителя. Автор освойл методику работы с программой Microwave Office, провел моделирование и оптимизацию схем нелинейных устройств, осуществил предложенную научным руководителем идею увеличения усиления преобразования смесителя путем организации пЬложительной обратной связи по промежуточной частоте, разработал вариант смесителе работающего на второй гармонике гетеродина, позволивший увеличить развязки между входами и выходом смесителя.

В результате выполнения работы автор провел сравнение различных оптимизированных схем на полевых транзисторах СВЧ, разработал методики их проектирования в программе Microwave Office и выдал рекомендации для монолитного выполнения. По результатам исследования автор разработал топологию ММИС оптимального смесителя частот.

Реализация полученных результатов. Полученные результаты представлены в виде комплекса программ, позволяющих осуществлять проектирование нелинейных СВЧ устройств с помощью программы Microwave Office. Основные результаты работы использованы в учебном процессе на кафедре микроэлектронных радиотехнических устройств и систем МИЭТ в дисциплине «ПриеМорередающие устройства»:

- в лабораторных работах для магистрантов,

- b лекционном курсе.

Апробация работы и публикации. Основные положения и отдельные результаты работы докладывались на следующих конференциях ' и опубликованы в следующих изданиях: "Микроэлектроника и информатика - НИУ МИЭТ. 2011-2013."; "Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - НИУ МИЭТ. 2011."; По теме диссертации опубликовано 8 работ, среди которых 3 статьи в журналах, входящих в перечень ВАК.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения и списка используемых литературных источников из 48 наименований. Общий объем диссертации 169 стр, включая 160 рисунков, 1 таблицу и приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

В первой главе приведен обзор литературы по вариантам построения схем нелинейных устройств СВЧ и методов их проектирования. По результатам проведенного обзора можно сделать следующие выводы. Основное внимание уделено активным смесителям частот длй понижающих преобразователей частоты.

1. Активные смесители СВЧ выполняют, главным образом, используя нелинейность переходной характеристики полевого транзистора структуры MESFET или НЕМТ. В простейшем случае на частотах миллиметрового диапазона смеситель содержит один транзистор.

2. Наиболее простые электрические схемы транзисторных смесителей СВЧ можно разделить на следующие группы:

- напряжения сигнала и гетеродина подводят к входным электродам транзистора (затвору и истоку), ;

- напряжения сигнала и гетеродина подводят к противоположным электродам транзистора (затвору и истоку)!,

- напряжения сигнала и гетеродина подают на разные затворы двухзатворного транзистора (или ¡применяют! два транзистора),

- применяют одну из перечисленные схем, но частота колебаний напряжения гетеродина р два-три раза меньше требуемой.

3. Преимущества и недостатки перечисленных схем из литературы четко не определены.

4. Не имеется хорошо разработанной методики проектирования схем активных смесителей, при этом весьма слабо используются возможности современных систем автоматизированного прчёктирования.

Во второй главе освоена и описана методика моделирования нелинейных радиоустройств в йрограмме Microwave Office; которая позволяет создавать схемы, состоящие из

сосредоточенных и распределённых Элементов схем- и электромагнитных структур. С.Чемы могут иметь сложную иерархическую структуру, Включающую множество ■ подсхем на различных урцвнях иерархии. В качестве подсхем кЬгут использоваться ранее созданные схемы или электромагнитные структуры, а также спйски цепей, файлы Данных Или элементы из библиотек сторонних пользователей. Для создания схем имеется обширн4я библицтека встроенных схемных элементов

Для моделирования можно использовать, один из методов: линейное и нелинейное моделирование, одночастотный и многочастотйый гармонический баланс, ряды Вольтера, электромагнитное моделирование й др. Для выполнения анализа в нелинейном моделировании используется гармонически^ баланс, который является эффективным методом для анализа усилителей мощности, смесителей, умножителей и генераторов.

В диссертации описана методика создания проектов в системе, продемонстрирован пример анализа нелинейной схемы смесителя частот. Показано, как следует измерять характеристики нелинейных элементов схемы, измерять основные характеристики смесителя частот и их улучшать.

В третьей главе описана разработанная автором методика проектирования с>{ем нелинейных устройств: нелинейных усилителей мощности на НЕМТ-транзисторах и умножителей частоты. Этапы.проектирования усилителя мощности:

1) определение оптимального режима работы транзистора в простейшей схеме;

2) расчет цепей усилителя, внешних по отношению к транзистору;

3) проверка допустимости напряжений и токов транзистора;

4) расчет характеристик усилителя;

5) уточнение параметров схемы усилителя.

Предполагается, что проецируемые схемы будут реализованы

в виде монолитных микроволновых интегральных схем (ММИС) на подложке из GaAs. Для минимизации размеров ММИС применяются элементы цепи с сосредоточенными параметрами. При проектировании.следует следить за тем, чтобы параметры элементов цепи были достаточно малы, что дает возможность выполнить их с малыми геометрическими размерами

(существенно меньше дл^ны волны). В случае применения элементов на отрезках передающей линии размеры ММИС существенно увеличиваются.

На первом этапеттроектирования усилителя (или умножителя) в программе Microwave Office рассчитываются вольтамперные характеристики транзистора, в результате чего устанавливаются значения постоянных напряжений на стоке и затворе транзистора. Составляется начальная схема усилителя, содержащая транзистор, источники питания и смещения, блокировочные индуктивности и порты - рис.1. Источником входных колебаний является порт PORT1, имеющий стандартное внутреннее сопротивление, равное 50 Ом, такое же значение имеет выходной порт.

r_METER ID-AHPi

PORT P-2

Z=50 Ohm

PORT1 P*=1-

Z=50 Ohm Pwr»-t0d3m

a-

Г

<i

V.HETER ID'VHt

V_METER J- ID=VM2 f\

©

IND

ID-LI

L=S0nH

1

ocvs

ll>V2 v-3v

IND 1D-L2

Ъ=50пН

DCVS ID»V1 V—T.2 V

-9-

-Я-

Рис.1. Начальная схема усилителя мощности и умножителя частоту

Далее в нелинейном режиме работы проводится расчет зависимости от частоты действительной-и мнимой частей входного сопротивления транзистора. Включением компенсирующей реактивности на входе транзистора ликвидируется мнимая часть входного- сопротивления, а с помощью входной согласующей цепи действительная часть входного сопротивления преобразуется в стандартное сопротивление 50 Ом. Аналогично рассчитывается выходная цепь усилителя.

На следующем этапе производится расчет амплитудно-частотйой характеристики, то есть зависимости коэффициента усиления мощности от частоты входных колебаний и проверяется допустимость мгновенных напряжений на электродах транзистора и постоянного тока стока. Зависимости от времени напряжений и токов транзистора рассчитываются в нелинейном режиме программы при включении в моделируемую Схему вольтметров и амперметров и использовании команд Vtime, Itime. Если условий допустимости значений напряжений и токов не выполняются, производится коррекция параметров схемы с помощью команд Simulate, Tune.

Для исключения второго источника постоянного напряжения, служащего для подачи напряжения смещения на затвор транзистора, измеряются в модели постоянные токи затвора и истока и включаются соответствующие сопротивления автоматического смещения.

Проектирование умножителя частоты для получения максимального коэффициента передачи мощности производится в следующем порядке. Первоначальная схема соответствует рис.1.

На первом этапе устанавливаем оптимальный режим работы транзистора. Для этого

а) изменяя напряжение смещения, подаваемого на затвор, а также выходное сопротивление порта Р1, находим наибольшую амплитуду второй гармоники тока стока,

б) находим оптимальное сопротивление выходного порта Р2, соответствующее максимуму мощности второй гармоники на выходе удвоителя.

в) проверяем выполнение ограничений на напряжения и токи транзистора.

На втором этапе проектируются входная и выходная _цепи согласования и. фильтрации. Входная цепь преобразует на входной частоте оптимальное сопротивление порта Р1 в стандартное внутреннее сопротивление источника входных колебаний, выходная цепь преобразует- оптимальной сопротивление порта Р2 на выходной-частоте в стандартное сопротивление нагрузки.

На последнем этапе измеряется зависимость от частоты коэффициента передачи мощности и других характеристики умножителя частоты, проверяется допустимость напряжений и токов транзистора и производится коррекция параметров схемы с целью достижения наилучшего значения оптимизируемого параметра и выполнения условий на- допус+имость электрических величин на электродах транзистора. При расчете коэффициента передачи мощности Кр усилителя и умножителя имеется разница. Если при расчете Кр усилителя используется команда PGain, то в случае умножителя нужна команда LSSnm (S-параметры в режиме большого сигнала), причем для выходного порта указывается Номер гармоники входных колебаний.

Описаннай методика продемонстрирована на примере проектирования схемы удвоителя частоты с выходной частотой 35 ГГц. Критерием оптимальности схемы цыбран макримум коэффициента передачи мощности при ограничениях на входное и выходное напряжения и выходной ток транзистора.

В четвертой главЬ диссертации описана разработанная ^.втором методика проектирования электрических схем смесителей СВЧ миллиметрового диапазона длин волн для понйжающих преобразователей частоты с помощью программы Microwave Office и аналитических расчетов. Методика проектирования

основана на моделировании электрической схемы и последующей оптимизации схемы и ее параметров. В качестве критерия оптимальности схемы выбран коэффициент передачи мощности, то есть отношение мощности промежуточной Частоты к мощности радиосигнала (в активных смесителях этот параметр называется усилением преобразования). Важными также являются следующий параметры смесителя: развязка гетеродин - выход, сигнал - выход, гетеродин - сигнал, сигнал-гетеродин, чистота выходного спектра мощности, требуемая мощность гетеродина. Цри поиске наибольшего коэффициента передачи мощности следует учитывать ограничения на мгновенные напряжения на входном и выходном электродах транзистора, а также максимально допустимый ток стока.

В качестве примера рассмотрены простые наиболее часто применяемые схемы .смесителя с частотой радиосигнала 37 ±1 ГГц, промежуточной Частотой 2 ГГц и частотой гетеродина, меньшей частоты сигнала. На указанных частотах Нелинейным элементом смесителя целесообразно выбрать полейой транзистор структуры НЕМТ, в качестве компьютерной модели транзистора выбрана модель УНЬАШ.

Проектирование транзисторного смесителя частот с целью получения максимального коэффициента передачи мощности состоит из следующих этапов:

1) составление схемы смесителя,

2) выбор рабочей точки на нелинейной характеристике, соответствующей максимальной амплитуде тока стока промежуточной частоты,

3) определение оптимальных выходных сопротивлений источников сигнала и гетеродина,

4) расчет вводных согласующих цепей подачи сигнала и гетеродина,

5) определение оптимального сопротивления нагрузки смесителя, соответствующего максимуму мощности промежуточной частоты в нагрузке,

6) расчет выходной согласующей цепи,

7) расчет основных характеристик и параметров смесителя и оптимизация схемы с целью их улучшения.

Первая схема (схема «А») - рис. 2 содержит один транзистор, при этом колебания напряжения гетеродина поступают на исток, а напряжения сигнала - на затвор.

напряжения сигнала и гетеродина подведейы к входным электродам транзистора (схема «А»)

Особенность моделирования схемы смесителя .состоит в том, что имеются два источника входных колебаний разных частот. В настоящей работе в качестве источника колебаний^ напряжения гетеродина используется порт PI типа PORTI. Заданный в свойствах проекта диапазон частот - это частоты гетеродина, они обозначаются как ¡¡стон 1». Источником сигнала является порт Р2 типа PORTFj колебания от этЬго источника обозначаются как «тон 2». Поскольку частота сигнала должна быть выше частоты гетеродина на промежуточную частоту 2 ГГц, в свойствах порта указано «FRECjHl^ GHz (частота тона 1 + 2 ГГц).

Первые шаги проектирования смесителя подобны тем, которые осуществлены при проектировании усилителя. Далее подбираются внутренние сопротивления источников и сопротивление автосмещения по критерию - максимум амплитуды тока Промежуточной частоты 2 ГГц, измеряемого амперметром. Важным является поиск оптимальных сопротивлений источников PI и Р2, соответствующих Максимальной амплитуде тока стока промежуточной частоты. Оптимизация сопротивления портов осуществляется посредством команд. Simulate, Типе.Далее определяется оптимальное сопротивление нагрузки смесителя (сопротивление порта РЗ). Критерий оптимальности - максимум мощности промежуточной частоты на выходе смесителя.

Следующим этапом проектирования является расчет согласующих цепочек. Требуется выбрать и расрчитать следующие

цепи согласования:

а) церв, прЬобразующуЮ на частоте сигнала (в данном примере 37 ГГц) сопротивление источника, равное 50 Ом, в оптимальное сопротивление портг^ Р2, наеденное йа предыдущем этапе,

б) цепь, преобразующую на частоте гетеродина (35 ГГц) сопротивление источника гетеродина 50 Ом в оптимальное

сопротивление порта PI.

в) цеЬь, преобразующую на промежуточной частоте 2 ГГц сопротивление нагрузки 50 Ом ц оптимальнце сопротивление порта РЗ.

Согласующие цепочки рассчитывались по простым аналитическим формулам. Полученные при аналитическом расчете параметры согласующих цепочек были оптимизированы с целью компенсации мнимых частей входных импедансов транзистора. Критерий оптимальности - максимальная мощность промежуточной частоты в порту 3.

Важнейшей характеристикой смесителя является зависимость коэффициента усиления мощности Кр от частоты входных колебаний (сигнала или гетеродина). Кр рассчитывается как параметр рассеяния смесителя в нелинейном режиме - LSSnm (Large Signal S-parameter). Индексы n,m - это номера гармоник входных колебаний, причем индекс п относится к источнику колебаний тона 1 (PORTI), а индекс m - к источнику колебаний

тона 2 (PORTF).

Картинка на экране монитора при расчете зависимости Кр от частоты гетеродина показана на рис. 3, там имеются четыре окна под названием Harpionic Index, два верхних относятся к выходной, то есть, промежуточной частоте, два нижних - к входной частоте, то есть, частоте радиосигнала. Они рассчитываются следующим образом:

f= nf| + mf2>

где f, - частот^ тона 1, f2 - частота тона 2, п и m - положительные или отрицательные целые числа.

Measuremenlsl

Ufas. Typs

: Clvsroe

i ■ Cuitent

i , : Moi»

I - Op Point

! . Oscillator

! Parameter

! ■ ведя«

: . . кш

Measurement

'"'"Ii ¡ :

3¡Z

1Ы ilNHG P ; :

Ш ¡ЕШШЖИа^ШЙ! :

v: ii ! ! n i (-¡i. i ! ■ :

fîî|! (AMIOAM " '; AMtoPM I DCRF

Data Source Name

[mixer

Port (To)

z.z.1

Ш lOiPM : i рае

iPGain Щ 'PT

Large Signal S Parameter al Harmonic

Simulator ! Harmonic Balance fejjj Configuration ^De=f3ult_ _____ Ц

■ ■ Comple:-: M c.'ifier ■

О Real о I mag. ©Meg. O Angla О Ало1е11

■ Corrçfe . fonj.gí'.v El dB

[P0RT_3 Port (From)

[™":XZZZZiP

Harmonic Index (2 GHz)

iiZZlEZZiQ

Harmonic Index (3 GHz)

HZZiEZZlQ

Sweep Freq (FDOC)

[Use for x-axis ___________Ш®

i L...

t

OK

Отмена

Справка

Apply

Meas Help

Рис. 3. Экран монитора при расчете зависимости коэффициента передачи мощности смесителя от частоты

Вторая рассмотренная схема смесителя (схема «В») - рис.4 отличается тем, что напряжения гетеродина и сигнала подводятся к противоположным электродам транзистора: напряжение гетеродина к затвору транзистора, а напряжение сигнала - к стоку.

Схема проектировалась следующим образом. На первом этапе производился поиск оптимального внутреннего сопротивлений источников сигнала и гетеродина, а также напряжение смещения по критерию максимума амплитуды тока промежуточной частоты, измеряемой амперметром. Кроме того, отыскивалось оптимальное сопротивление нагрузки смесителя по критерию максимума выходной мощности колебаний промежуточной частоты.

На втором этапе проектировались цепи согласования и фильтрации. Важной задачей при построении схемы является разделение электромагнитных колебаний радиосигнала и промежуточной частоты. Для этого необходимо спроектировать диплексер, то есть устройство, разделяющее колебания двух частот. Часть диплексера, относящаяся к колебаниям напряжения сигнала, содержит ФВЧ и согласующую цепочку, преобразующую на

частоте сигнала стандартное внутреннее сопротивление источника в оптимальное сопротивление на выходном электроде транзистора. Вторая часть, относящаяся к колебаниям промежуточной частоты, содержит ФНЧ и цепочку согласования; преобразующую на промежуточной частоте оптимальное сопротивление нагрузки в оптимальнее сопротивление на выходе транзистора. Дальнейший порядок проектирования с цельно получения максимального усиления преобразования такой же, как и для схемы А.

БиЕСКГ Ю-52

РОЯТГ

Рис. 4. Схема смесителя с подводом напряжения гетеродина к затвору транзистора, а напряжения сигнала к егр вь!ходу (схема

«В»)

Помимо высокого значения коэффициента передачи мощности, важную роль играют развязки между портами смесителя. В схеме В источники колебаний частота* сигнала и гетеродина разделены транзистором, здесь развязки сигнал-гетеродин и гетеродин-сигнал выше, чем в схеме А. Как показало моделирование, дальнейшее увеличение развязок возможно усложнением цепей согласования и фильтрации, а именно увеличением крутизны скатов фильтров.

Третья рассмотренная схема (схема «С») содержит два транзистора, разделенные индуктивностью - рис. 5. Вариантом такой схемы является двухзатворный транзистор (если исключить индуктивность).

Рис. 5. Схема смесителя, в которой напряжения сигнала и гетеродина подведены к двум отдельным затворам (схема «С»)

Порядок проектирования схемы такой же, как и в случае проектирования схемы на одном транзисторе (схема «А»), Изменение индуктивности, включенной между транзисторами, позволяет регулировать уровень развязок гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин при одновременном сохранении высокого усиления преобразования. С этой целью используются команды Simulate, Tune.

В пятой главе приведены результаты исследований, направленных на улучшение таких важных параметров смесителя частот, как развязка гетеродин-сигнал, сигнал-гетеродин и усиление преобразования. Слабая развязка гетеродин-сигнал может привести к проникновению мощности колебаний напряжения гетеродина в приемную антенну, что может вызвать помехи для работы других радиосистем. При слабой развязке сигнал-гетеродин возможно затягивание частоты колебаний

напряжения гетеродина. Возможность увеличения усиления преобразования существенна при приеме слабых сигналов.

Для увеличения развязки гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин рассмотрен смеситель частот, в котором частота гетеродина в два раза меньше требуемой. В этом случае смеситель частот работает на второй гармонике гетеродина. В качестве варианта такого смесителя может быть применена схема на одном транзисторе, в которой колебания напряжения сигнала поступают на затвор транзистора, а напряжения гетеродина - на исток. Эта схема аналогична схеме «А» (рис. 2). Главное отличие моделируемой схемы в том, что в свойствах порта PORTF, задающих частоту колебаний сигнала, следует указать _FREQH 1*2+2 GHz (частота сигнала равна удвоенной частоте тона 1 с прибавлением 2 ГГц).

Согласующая цепь гетеродина настроена на частоту 17,5 ГГц. Частота колебаний напряжения сигнала 37 ГГц. Благодаря нелинейности переходной характеристики смесителя, в составе спектра колебаний тока стока смесителя имеется частота f-^f

где fc - частота сигнала и /, - частота гетеродина. Колебания

напряжения этой частоты и являются полезным эффектом работы данного смесителя.

Моделирование показало, что рассматриваемый вариант смесителя, работающего на второй гармонике гетеродина, позволяет увеличить развязки между входами сигнала и гетеродина, но имеет два существенных недостатка:

- малый коэффициент усиления мощности ,

- большая требуемая мощность гетеродина.

С целью увеличения усиления преобразования смесителя, работающего на второй гармонике гетеродина, рассмотрена возможность построения гетеродина пониженной частоты с последующим ее удвоением. Изучено несколько вариантов построения удвоителей частоты и их сочетания с различным^ схемами смесителя. Одна из возможных схем смесйтеля с удвоителем частоты изображена на рис. 6.

Рис. 6. Элетстрическая схема смесителя с удвоением частоты (схема

«Б»)

Здесь схема смесителя подобна схеме «А», и добавлен удвоитель частоты на дополнительном транзисторе У1Р1. Смешение частот происходит на транзисторе УР2. К его затвору подключен

источник радиосигнала, его частота равна 2 /г + / , где / -

промежуточная частота. Колебания частоты гетеродина поступают на затвор транзистора УР1. Схема настроена на частоту сигнала 37 ±1 ГГц, частоту гетеродина 17,5 ± 0, 5 ГГц и промежуточную частоту 2 ГГц.

Из результатов моделирования следует, что в данной схеме развязка гетеродин-сигнал более, чем на 10 дБ, а сигнал-гетеродин более, чем на 20 дБ выше, чем в схеме «А».

Коэффициент передачи мощности смесителя можно существен^ повысить, если использовать обратную связь по напряжению, в результате чего напряжение промежуточной частоты со стока передается на затвор транзистора. Напряжение промежуточной частоты усиливается транзистором и создается добавочный ток стока промежуточной частоты который

суммируется с током стока, обусловленным смешением частот £ и

/. В результате увеличивается мощность промежуточной частоты

на выходе смесителя. Таким образом, возникает задача так

спроектировать входную цепь смесителя, чтобы добавочный ток стока совпадал по фазе с первичным током стока, созданным благодаря умножению напряжений сигнала и гетеродина.

Для примера реализации предложенной идеи выбрана схеМа смесителя частот, в которой напряжение гетеродина подведено к затвору транзистора, а напряжение сигнала подведено к стоку -схема «В» (рис. 4).

Входную согласующую цепь гетеродина следует проектировать таким образом, чтобы ее адмитанс на электродах транзистора удовлетворял двум требованиям:

1) на частоте гетеродина был равен' комплексно-сопряженному значению входного адмитанса транзистора,

2) на промежуточной частоте имел оптимальное значение при котором добавочный- ток стока промежуточной частоты совпадает по фазе с первичным током.

В диссертации приведены соотношения, относящиеся к электромагнитным колебаниям промежуточной частоты /п/1, по

которым можно ориентировочно рассчитать У„х = 08Х + ]Ввх:

Ù3- комплексная амплитуда напряжения затвор-исток, Ù -комплексная амплитуда напряжения сток-исток, C~Q+Cc-суммарная емкость канала транзистора равная сумме емкостей истока Ç и стока Сс. Для нахождения действительной и мнимой

составляющих адмитанса входной цепи на промежуточной частоте нужно знать модуль и фазу коэффициента обратной связи.

Фазу коэффициента обратной связи (р можно найти из условия баланса фаз автогенератора. Предварительно следует определить фазы крутизны щ. и сопротивления нагрузки срп, моделируя схему смесителя. Модуль коэффициента обратной связи Кж можно, для ориентировочного расчета, установить в пределах 0,1 - 0,5. Моделирование показало, что построение входной

К.

соСс

ос

VaT-^n + 1)~arg. п=0,1,2...,где 2 &„г

согласующей цепи гетеродина с учетом организации положительной обратной связи по промежуточной частоте дает возможность увеличить коэффициент передачи мощности смесителя на 10-15 дБ.

Было проведено сравнение параметров основных наиболее простых схем трайзисторных смесителей частот, исследованных в настоящей работе. Для сравнения схем транзисторйых смесителей частот учтены их следующие параметры:

1) усиление преобразования ¡с ,

2) количество нежелательных составляющих в спектре рыходной мощности,

3) развяЗки гетеродин - сигнал !_,г_с, сигнал - гетеродин £ г,

гетеродин - выход I , сигнал - выход г

1 Л-6'Ы.Г С-ОЫХ

4) входная мощность гетеродина р,

5) рабочая полоса-частот' Д./

Оптимизация схем и их.параметров проведена- по критерию-максимум кр при-ограничении мгновенных значений напряжений и токов транзистора.

Результаты моделирования схем «А», «В», «С» и «Б» представлены-в таблице 1.

Таблица 1. Параметры смесителей.

Парам етры Схема «А» Схема «В» Схема «С» Схема «О»

Наибольший К),, дБ ~6 - 16 ~3 ~ 1,5

Д/-**■.""" > 30 ~2,5 5 ~8*

Р., дБм 5-8 5-8 0-2 5-8

Число нежелательных спектральных составляющих на выходе, превышающих -80 дБм 3 ] 1 1

Развязка гетеродин-выход, дБ >60 >80 >80 >80

Развязка сигнал-выход, дБ >40 >80 >80 > 80

Развязка гетеродин-сигнал, дБ ~ 8 >20 ~ 12 -20**

Развязка сигнал-гетеродин, дБ ~ 7 > 16 ~ 13 >30

* Рабочая полоса частот сигнала, в 2 раза большая измеренной на частоте гетеродина

**В. смесителе «D» развязка гетеродин-сигнал достаточно

велика, но на сигнальном входе имеется частота.2 fi, причем

разница входной мощности гетеродина и мощности частоты 2 ff на

сигнальном входе смесителя составляет - 10 дБ.

Из полученных характеристик и измеренных параметров различных схем можно отметить следующие особенности смесителей.

Схема «А». В этой схеме наибольшая рабочая полоса частот сигнала при применении простейших цепей согласования и фильтрации в виде Г-образных цепочек. Недостатком схемы является слабая развязка гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин, а также большее (по сравнению с другими схемами) число нежелательных спектральных составляющих в выходном сг1ектре мощности. Кроме того, в этой схеме худшая развязка гетеродин-выход и сиг-нал-выход.

Схема «В». Смеситель по схеме «В» позволяет получить наибольшее усиление преобразования, поскольку в данной схеме легко реализуется описанный ранее метод увеличения усиления преобразования. Здесь хорошая развязка гетеродин-сигнал и неплохая развязка .сигнал-гетеродин.. В схеме чистый спектр выходной мощности и наименьший коэффициент шума. Недостаток схемы - узкая полоса пропускания.

Схема «С». Достоинство данного смесителя в том, что требуется наименьшая мощность гетеродина. Недостатком является невысокая развязка гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродйн.

Схема «О». В схеме самая высокая развязка сигнал-гетеродин и хорошая развязка гетеродин-сигнал. Недостаток схемы — высокая мощность второй гармоники гетеродина в сигнальном порту, которая всего лишь на 10 дБ ниже входной мощности гетеродина.

По совокупности показателей, полученных в настоящей работе при моделировании в программе Microwave Office, наилучшей схемой активного смесителя является схема «В».

На основании сравнения исследованных схем была создана оптимальная схема смесителя частот, в которой учтены особенности рассмотренных схем, применен изложенный способ увеличения усиления преобразования и предложена схема удвоителя частоты, позволяющая минимизировать проникновение

мощности гетеродина в сигнальный порт и мощность сигнала - в гетеродинный порт.

Схема удвоителя приведена на рис. 7, она состоит из двух усилителей, возбуждаемых противофазно. Транзистор каждого каскада работает в режиме В, и токи их стоков суммируются. В результате в суммарном токе появляется значительная составляющая второй гармоники, которая и используется для создания мощности второй гармоники частоты гетеродина. Напряжение гетеродина, частота которого 17,5 ГГц, подается на о(5а усилителя через гибридное кольцо.

Рис. 7. Схема'удвоителя частоты

Соединив выход умножителя с гетеродинным входом смесителя схемы «В», получили оптимальную схему смесителя частот работающего на второй гармонике гетеродина, имеющего высокое усиление преобразования (-12 дБ) и достаточно большие развязки сигнал-гетеродин (~ 40 дБ) и гетеродин-сигнал (>70 дБ). Следует отметить, что мощность колебаний удвоенной частоты гетеродина, проникающих в сигнальный порт, на 10 дБ ниже, чем в других схемах. В оптимальной схеме наиболее чистый спектр выходной мощности (кроме промежуточной частоты на выходе имеется ее вторая гармоника, уменьшенная на 50 дБ).

Особенности оптимальной схемы смесителя частот:

а) частота гетеродина/г, (/~с -/пр)/2,

б) применен удвоитель частоты, выполненный на двух усилителях при их противофазном возбуждении.

В заключениипредставлены краткие выводы по проделанной работе и основные полученные результаты.

В приложении приведены сокращенные методики проектирования электрических схем активных нелинейных устройств СВЧ.

Основные результаты и выводы

В результате выполнения работы создана Схемотехническая база для изготовления монолитных микроволновых Интегральных схем активных нелинейных радиоэлектронных компонентов миллиметрового диапазона длин волн на НЕМТ- транзисторах -усилителей мощности, умножителей частоты, смесителей частот, имеющих оптимизированные выходные характеристики. При этом,

1) проведена оптимизация четырех типичных, наиболее простых схем транзисторных смесителей частот по критерию «максимальное усиление преобразования» при ограничениях на

.напряжения и токи транзистора и обеспечении, по возможности, больших развязок между портами смесителя,

2) показана возможность увеличения усиления преобразования путем организации положительной обратной связи в смесителе по промежуточной частоте,

3) проведено сравнение оптимизированных схем смесителей частот и выданы рекомендации для их применения,

4) предложена схема удвоителя частоты, позволяющая увеличить развязки между портами смесителк,

5) показана возможность увеличения развязок между портами смесителя путем последовательного включения Транзисторов, разделенных индуктивностью,

6) на базе проведенных исследований предложена схема смесителя, содержащая гетеродин половинной частоты и удвоитель частоты, имеющая наилучшее сочетание выходных параметров,

7) разработана методика проектирования электрических схем нелинейных усилителей, умножителей частоты и транзисторных смесителей частот, в которой сочетаются аналитические инженерные расчеты, моделирование в программе Microwave Office.

По результатам исследований можно сделать следующие выводы по построению смесителей частот миллиметрового диапазона длин волн:

а) простые смесители на одноМ-двух интегральных транзисторах структур НЕМТ в 8-мИллиметровом диапазоне длин волн имеют коэффициент передачи мощности, больший 0 дБ, наибольшее усиление преобразования получено равным 15-17 дБ при частоте сйгнала 37 ГГц,

б) наиболее широкую полосу частот позволяет получить схеМа смесителя с подведением напряжений сигнала и гетеродина к входу транзистора, в этой схеме без принятия Специальных мер легко реализуется полоса пропускания -12 ГГц при средней частоте сигнала 37 ГГц,

в) наибольший коэффициент усиления мощности получается в схеме, где. осуществляется положительная обратная по промежуточной частоте,

г) развязки сигал-выход и гетеродин-выход достаточно велики во всех рассмотренных схемах (> 80 дБ в большинстве схем), в то же время, получение желательных развязок гетеродин-сигнал и сигнал- гетеродин достаточно сложная задача; мощность колебаний напряжения гетеродина на миллиметровых волнах легко проникает на вход подачи сигнала через транзистор, такая же ситуация с проникновением сигнала на вход подачи напряжения гетеродина,

д) для достижения необходимых развязок гетеродин-сигнал и сигнал-гетеродин следует обеспечить достаточно высокую крутизну спада и подъема амплитудно-частотных характеристик согласующих цепей,

е) развязки гетеродин-сигнал Ьг_с и сигнал-гетеродин

Ьс_г можно увеличить, применив гетеродин, частота которого в

два раза ниже требуемой, с последующим удвоением частоты на двух усилителях, возбуждаемых противофазно, в этом случае

ьг_с > 70дБ, ьс_г > 40 дБ,

ж) наилучшим смесителем, имеющим оптимальное сочетание параметров, является вариант, работающий на второй гармонике гетеродина, в котором напряжения гетеродина и сигнала подведены к противоположным электродам транзистора (входу и выходу) и применен разработанный удвоитель частоты на двух усилителях.

Основные положения и результаты диссертации опубликованы в следующих работах.

1. Аунг Бо Бо Хейн. Метод извлечения параметров компьютерной модели СВЧ- транзисторов из измеренных характеристик. // Микроэлектроника и информатика - 2011. 18-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, апр. 2011г. -339с. С. 217.

2. Аунг Бо Бо Хейн. Проектирование нелинейного усилителя мощности миллиметрового диапазона в Microwave Office. // Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике - 2011г. 4-я Всероссийская межвузовская научно-практическая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М: МИЭТ, окт. 2011г. -195с. С. 103.

3. Аунг Бо Бо Хейн. Транзисторный смеситель СВЧ с диплексером. // Микроэлектроника и информатика - 2012. 19-я Всероссийская' межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: ^ИИЭТ, апр. 2012г. -323с. С. 210.

4. Аунг Бо Бо Хейн. Микроволновый транзисторный смеситель, работающий на второй гармонике гетеродина. // Актуальные проблемы информатизации в науке, образовании и экономике -2012г. 5-я Всероссийская научно-практйческая конференция: Тезисы докладов. - М: МИЭТ, окт. 2012г. - 156 с. С. 61.

5. Аунг Бо Бо Хейн. Сравнение схем активных смесителей частот Миллиметрового диапазона длик волн. // Микроэлектроника и информатика - 2013. 20-я Всероссийская межвузовская научно-техническая конференция студентов и аспирантов: Тезисы докладов. - М.: МИЭТ, апр. 2013г. - 340с. С. 234.

6. В.А.Ррманюк, Аунг Бо Бо Хейн. Проектирование схем активных смесителей СВЧ для обеспечения максимума усиления преобразования. // Известия вузов Электроника МИЭТ № 4(96) 2012г, С 60 - 65.

7. В.А.Романюк, Аунг Бо Бо Хейн. Проектиройание нелинейных усилителей миллиметрового диапазона. II «Радиотехника» № 9 2012г, С 141 -144.

8. В.А.Романюк, Аунг Бо Бо Хейн. Применение удвоителя частоты на двух транзистрах для гетеродина смесителя. // Известия вузов Электроника МИЭТ № 4(102) 2013г, С 28 - 31.

Подписано в печать:

Формат 60x84 1/16 Уч.-изд. л. 4,Ъ

Тираж ¿9экз. Заказ № Я

Отпечатано в типографии ИПК МИЭТ.

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