автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Построение моделей гетероструктурных полевых транзисторов и автоматизированное проектирование монолитных СВЧ усилителей мощности на основе большесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм

На правах рукописи

4іг

Коколов Андрей Александрович

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ БОЛЬШЕСИГНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАССЕЯНИЯ И НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

5 ДЕК 2013

Томск-2013

005542523

Работа выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования "Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники" (ТУСУР).

НАУЧНЫЙ РУКОВОДИТЕЛЬ:

доктор технических наук, профессор Бабак Леонид Иванович.

ОФИЦИАЛЬНЫЕ ОППОНЕНТЫ:

Гошин Геннадий Георгиевич, доктор технических наук, профессор каф. Сверхвысокочастотной и квантовой радиотехники Томского государственного университета систем управления и радиоэлектроники.

Девятков Геннадий Никифорович, доктор технических наук, профессор каф. Конструирования и технологии радиоэлектронных средств Новосибирского государственного технического университета.

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «МАТИ - Российский государственный технологический университет им. К.Э. Циолковского», г. Москва.

Защита состоится « 27 » декабря 2013 г. в 9 часов на заседании диссертационного совета Д 212.268.01 при Томском государственном университете систем управления и радиоэлектроники (ТУ СУР) по адресу: ТУ СУР, ауд. 201,, Ленина пр-т, д. 40, г. Томск.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ТУСУР по адресу: Вершинина ул., д. 74, г. Томск.

Автореферат разослан ноября 2013 г.

Отзывы на автореферат в двух экземплярах, подписанные составителем и заверенные гербовой печатью организации, просим высылать по адресу: Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.268.01 Филатову А.В., ТУСУР, Ленина пр-т, д. 40, г. Томск, РФ, 634050.

Ученый секретарь

ВЕДУЩАЯ ОРГАНИЗАЦИЯ:

диссертационного совета Д 212.268.01, доктор технических наук, профессор

А.В. Филатов

Общая характеристика работы

Актуальность работы. СВЧ усилители мощности (УМ) являются одними из важнейших и самых распространенных устройств современных радиоэлектронных систем, таких как системы мобильной связи (в том числе и нового поколения - 3G, 4G), беспроводной интернет - WiFi, LTE, радионавигационные системы - GPS, ГЛО-НАСС; военная техника - радиолокационные станции, самолеты нового поколения и т.п. Этот класс устройств во многом определяет важнейшие параметры радиоэлектронных систем (РЭС), такие, как излучаемую и потребляемую мощность, дальность действия, габариты и массу, надежность и стоимость.

Для того чтобы повысить скорость и качество передачи данных, современные беспроводные системы быстро развиваются: появляется множество новых стандартов передачи данных, повышаются рабочие частоты (вплоть до нескольких сотен ГГц), используются новые полупроводниковые технологии, ужесточаются требования к размерам, выходной мощности, к.п.д. и т.п. Поэтому инженеры постоянно находятся в процессе проектирования новых более быстрых и качественных интегральных схем.

Наиболее используемыми и перспективными технологиями производства полупроводниковых усилителей мощности в СВЧ и КВЧ диапазоне являются гетерост-руктурные НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) технологии на основе полупроводниковых соединений GaAs и GaN. Указанные типы СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) имеют значительно лучшие параметры (диапазон рабочих частот, коэффициент усиления, выходную мощность и др.) по сравнению с традиционной MESFET технологией. На сегодня в России существует несколько организаций, в которых развиваются технологии по изготовлению СВЧ МИС на основе GaAs - ФГУП «Исток», ФГУП «Пульсар», ИСВЧПЭ РАН (все г. Москва), ОАО «НИИПП», НПФ «Микран» (оба г. Томск), а также GaN - ИСВЧПЭ РАН, ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ОАО «НИИПП», ЗАО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург).

Разработка современных СВЧ УМ невозможна без специализированных САПР, таких как Microwave Office (фирма Applied Wave Research, США), ADS (фирма Agilent Technologies, США) и др. С их использованием разработка СВЧ схем значительно ускоряется и удешевляется. Однако для проектирования СВЧ УМ необходимы точные математические модели СВЧ транзисторов, которые должны описывать поведение транзистора в заданном диапазоне частот и режимов по постоянному току, правильно отражать нелинейные эффекты и т.д., а также методики проектирования схем СВЧ УМ по заданным требованиям к комплексу характеристик, которые в существующих САПР слабо автоматизированы.

При проектировании СВЧ УМ для харакгеризации транзисторов как нелинейных приборов часто используются модели в виде эквивалентных схем (ЭС). Способы описания активных элементов (АЭ) в виде линейных и нелинейных ЭС достаточно широко рассмотрены в работах Г. Дамбрина, М. Беррота, Г. Компы, В. Кертиса, И. Ангелова, Г. Стаца, М. Эттенберга, А. Матерки, Д. Рута и др. При этом определение параметров (экстракция) линейной ЭС СВЧ транзистора является необходимым эта-

пом построения его нелинейной модели. Однако распространенные методы экстракции линейных моделей НЕМТ транзисторов не учитывают ряд эффектов, в частности, нелинейный характер зависимости сопротивления стока от напряжений смещения, что ведет к потере точности модели.

Несмотря на широкое распространение нелинейных моделей, задача их построения остается сложной и трудоемкой. До сих пор для распространенных видов нелинейных моделей отсутствует четкая формализованная процедура экстракции параметров. Как правило, применяется специализированное программное обеспечение (например, IC-CAP, AmCAD и др.), которое использует ряд аналитических выражений и методик для расчета ограниченного числа параметров моделей, остальные параметры вычисляются при помощи оптимизационных методов. Однако данные САПР обладают очень высокой стоимостью, и не каждый университет или научно-исследовательская лаборатория может себе позволить их купить, кроме того, процедура является сложной и времязатратной.

Нелинейная модель ЕЕНЕМТ является одной из наиболее точных и распространенных моделей НЕМТ транзисторов. Во многих работах предприняты попытки расчета параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ без использования дорогостоящего программного обеспечения (ПО), однако описана экстракция только части параметров модели, расчет остальных параметров не рассмотрен. Нелинейная модель с учетом нелинейных зависимостей паразитных сопротивлений транзистора от режимов работы улучшает точность моделирования ВАХ и выходной мощности, однако в модели ЕЕНЕМТ и других распространенных моделях сопротивление стока считается постоянным. Таким образом, важной задачей является разработка полностью формализованной методики экстракции всех параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ СВЧ полевых транзисторов (с учетом нелинейного характера сопротивления стока) напрямую из измерений.

Другими способами характеризации мощных СВЧ транзисторов являются измеренные или смоделированные нагрузочные (load pull) диаграммы (контуры постоянной мощности или к.п.д. на диаграмме Вольперта-Смита) и болыпесигнальные параметры рассеяния (БСПР), а также улучшенный вариант БСПР - Х-параметры.

Существующие в настоящее время способы проектирования СВЧ УМ основаны на применении квазилинейных методов, нелинейных моделей СВЧ транзисторов, нагрузочных диаграмм, БСПР и Х-параметров. Однако все они имеют существенные недостатки.

Квазилинейный подход, предложенный С. Крипсом и развитый П. Абри, является по своей сути приближенным. Проектирование СВЧ УМ при помощи нелинейных моделей и Х-параметров основывается на итерационной оптимизации, что является времязатратным и не всегда приводит к оптимальному решению. Применению нагрузочных диаграмм для проектирования СВЧ УМ посвящены работы В.И. Кагано-ва, В.В. Должикова, Б.Г. Цыбаева, Дж. Дегенфорда, Дж. Кузака, и др. Однако нагрузочные диаграммы не дают возможности полностью характеризовать АЭ как нели-

нейный активный четырехполюсник, не позволяют точно оценить ряд других характеристик усилительного каскада, таких как коэффициент усиления, входной и выходной коэффициенты отражения, устойчивость.

Описание АЭ при помощи БСПР, а также применение этого аппарата для проектирования нелинейных СВЧ устройств рассмотрено в работах Г.В. Петрова, A.B. Хромова, В.Б. Текшева, В. Ленгтона, Р. Гилмора, П. Колантонио, Дж. Лёцци, Я. Вершпехта и др. Одним из главных достоинств характеризации усилительных приборов при помощи БСПР является то, что на их основе можно моделировать нелинейные СВЧ устройства (в частности, УМ) аналогично тому, как анализируются линейные цепи с помощью малосигнальных S-параметров. Недостатком БСПР является справедливость этих параметров только для тех условий работы, при которых они были измерены или рассчитаны. Работы, посвященные исследованию зависимостей БСПР от условий работы АЭ, автору не известны.

Одним из эффективных методов является структурный синтез СВЧ усилителей на основе декомпозиционного подхода и визуального проектирования, предложенный Л.И. Бабаком и развитый М.Ю. Покровским, М.В. Черкашиным, Ф.И. Шеерманом, И.М.Добушем. Однако методика была изначально разработана для проектирования линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей с использованием малосигнальных S-параметров. С точки зрения автора, перспективным является расширение визуальной методики проектирования для проектирования СВЧ УМ с применением нагрузочных диаграмм и БСПР.

Таким образом, задачи разработки методик построения линейных и нелинейных моделей СВЧ НЕМТ транзисторов, а также эффективных способов автоматизированного проектирования СВЧ УМ, являются актуальными.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные направления исследований.

Целью работы является разработка методик построения линейных и нелинейных моделей мощных СВЧ НЕМТ транзисторов, методик автоматизированного проектирования СВЧ усилителей мощности на основе большесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм; проектирование и исследование СВЧ транзисторных усилителей на основе отечественных и зарубежных гетероструктрурных GaAs и GaN НЕМТ монолитных технологий.

Цель работы достигается решением следующих основных задач.

1. Разработка методики экстракции параметров малосигнальной модели НЕМТ транзистора с учетом нелинейной зависимости сопротивления стока и оценка влияния погрешности измерений на точность определения этих параметров.

2. Разработка полностью формализованной методики экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ для GaAs и GaN НЕМТ транзисторов.

3. Разработка улучшенной нелинейной модели ЕЕНЕМТ с нелинейным сопротивлением стока и методики ее экстракции.

4. Построение, экспериментальное исследование и верификация нелинейных моделей мощных СВЧ транзисторов для отечественных монолитных ОаАэ и йаЫ технологий изготовления.

5. Исследование и анализ зависимостей БСПР НЕМТ транзисторов от входной мощности, импедансов генератора и нагрузки, режимов работы. Исследование различных способов расчета БСПР.

6. Разработка «визуальной» методики проектирования СВЧ УМ на основе декомпозиционного подхода и БСПР.

7. Разработка и экспериментальное исследование монолитных СВЧ УМ на основе отечественных и зарубежных ОаЛэ и ваЫ НЕМТ технологий

Научная новнзна работы заключается в следующем.

1. Предложена новая аналитическая методика экстракции параметров малосигнальной эквивалентной схемы гетерострукгурных ваАв и ваИ НЕМТ транзисторов с учетом зависимости сопротивления стока от напряжений смещения.

2. Разработана новая полностью формализованная методика экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ для гетерострукгурных йаАэ и ОаЫ НЕМТ транзисторов, позволяющая также учесть нелинейный характер сопротивления стока.

3. Предложена новая интерактивная методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов на основе «визуального» подхода, болыпесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Разработанные методики экстракции линейных и нелинейных моделей мощных СВЧ транзисторов повышают точность моделирования, а также позволяют упростить задачу построения моделей.

2. На основе проведенных исследований разработана программа автоматизированного построения малосигнальной модели полевых СВЧ транзисторов, что позволяет ускорить и облегчить решение данной задачи.

3. Для ряда гетерострукгурных ваАв и ОаЫ НЕМТ технологий отечественных производителей построены линейные и нелинейные модели СВЧ транзисторов, что дает возможность осуществить проектирование и разработку монолитных интегральных схем (МИС) усилителей мощности и других нелинейных СВЧ устройств на основе этих технологий.

4. Разработанная «визуальная» методика проектирования, основанная на болыпесигнальных параметрах рассеяния и нагрузочных диаграммах, позволяет осуществить синтез согласующих цепей в мощных СВЧ усилительных каскадах непосредственно по комплексу требований к характеристикам в режиме большого сигнала, включая выходную мощность, коэффициент усиления, коэффициент отражения на входе и выходе, устойчивость, а также обеспечивает простоту и наглядность расчетов.

5. С использованием построенных моделей АЭ и предложенных методик проектирования разработан ряд МИС транзисторных усилителей на основе отечественных и

зарубежных гетероструктурных GaAs и GaN НЕМТ технологий, работающих в СВЧ и КВЧ диапазонах.

Положения, выносимые на защиту.

1. Методика экстракции малосигнальной эквивалентной схемы гетероструктурного НЕМТ транзистора с учетом нелинейного характера сопротивления стока позволяет повысить точность моделирования S-параметров в различных рабочих точках до 6% по модулю и до 8° по фазе.

2. Разработанный алгоритм экстракции позволяет на полностью формализованной основе с использованием аналитических и численных процедур определить все параметры нелинейной модели ЕЕНЕМТ, необходимые для моделирования статических и ВЧ характеристик НЕМТ транзисторов в режимах малого и большого сигнала

3. Методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов в нелинейном режиме на основе одновременного использования «визуального» подхода, боль-шесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм позволяет учесть комплекс требований к характеристикам каскада в заданном диапазоне частот и при этом повысить точность расчета коэффициента усиления, коэффициентов отражения по входу и выходу в режиме большого сигнала, а также обеспечивает простоту и наглядность проектирования.

Апробация результатов. Представленная работа выполнялась как составная НИР на кафедре КСУП ТУСУРа при поддержке Российского фонда фундаментальных исследований (в рамках проектов 08-07-99034-р_офи и 09-07-99020-р_офи) и Администрации Томской области (контракт №354/1 от 21.10.2009), а также в рамках ФЦП «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 20092013 годы по направлениям «Нанотехнологии и наноматериалы», «Создание электронной компонентной базы», «Микроэлектроника» (мероприятия 1.1, 1.2.1, 1.2.2, 1.3.1, 1.3.2, государственные контракты П1418, П1492, П2188, П669, П499, 16.740.11.0092, 14.740.11.1261, 14.740.11.1136, 14.740.11.0135), в том числе индивидуальный грант в рамках ФЦП (№14.132.21.1598).

Основные результаты работы [1-16] были изложены на следующих научно-практических конференциях: Международная европейская конференция «European Microwave Week», г. Амстердам, 2012 г.; Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо), г. Севастополь, 2010-2012 гг.; Международная конференция «Инновации в информационных и коммуникационных науках и технологиях, ТУ СУР, г. Томск, 2012 г.; Международная научно-практическая конференция студентов и молодых ученых «Современные техника и технологии», ТПУ, г. Томск, 2012 г.; Всероссийская научно-техническая конференция студентов и молодых ученых «Современные проблемы радиоэлектроники», КГТУ, г. Красноярск, 2009-2013 гг.; Всероссийская научно-техническая конференция

студентов, аспирантов и молодых ученых «Научная сессия ТУ СУР», г. Томск, 2009 -2013 гг.

Реализация и внедрение результатов работы. Разработанные в диссертации методы, алгоритмы, программные продукты, модели транзисторов и СВЧ транзисторные усилители внедрены и использованы при выполнении НИР в ОАО «НИ-ИПП» (г. Томск), ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ИСВЧПЭ РАН (г. Москва), в НОЦ «Нанотехнологии» (ТУСУР, г. Томск), а также в учебном процессе на кафедре КСУП ТУ СУР.

Личный вклад автора. Все представленные в диссертации результаты исследований получены лично автором либо при его непосредственном участии. В работах, опубликованных в соавторстве, автором получены существенные теоретические и практические результаты.

Публикации. По результатам выполненных исследований опубликована 51 работа, в том числе 13 статей в научных журналах, включенных в перечень ВАК. Получены 2 свидетельства о государственной регистрации топологии интегральной схемы и одно свидетельство о регистрации программы для ЭВМ.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы и 5 приложений. Общий объем работы составляет 260 страниц. Основная часть включает 228 страниц, в том числе 145 страниц текста, 134 рисунка и 40 таблиц. Список используемых источников содержит 163 наименования.

Краткое содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы, отмечены недостатки существующих методик экстракции моделей полевых СВЧ транзисторов и подходов к проектированию СВЧ УМ, определены цели и задачи исследования, показаны научная новизна и практическая ценность работы, излагаются положения, выносимые на защиту.

В первой главе проведен обзор видов линейных и нелинейных моделей полевых СВЧ транзисторов и способов их экстракции, рассмотрены методы проектирования СВЧ УМ.

В большинстве существующих методик экстракции полагается, что значения внешних (паразитных) элементов малосигнальной модели (рис. 1) Д/, ¿¡, Д/, Я, не зависят от приложенных к СВЧ транзистору напряжений, в то время как значения внутренних элементов Сф Сл, gm, Д, и т зависят от них. Однако это допущение не всегда верно. Так, во многих работах показано, что сопротивление стока Д/ включает в себя постоянное контактное сопротивление, а также объемное сопротивление, нелинейно зависящее от приложенного напряжения. В литературе рассмотрен ряд методов экстракции сопротивления Д/ в линейных ЭС СВЧ ПТ, однако они обладают следующими недостатками:

1) требуются измерения при различных длинах затвора транзистора что трудно реализуемо;

2) из-за множества допущений при аналитическом решении системы уравнений процедура расчета не является универсальной;

3) используется процедура оптимизации, что приводит к «нефи-зичности» решений.

Таким образом, надежные аналитические методики экстракции малосигнальной модели СВЧ ПТ с учетом нелинейного характера сопротивления стока і?^ в настоящее время отсутствуют.

Несмотря на все разнообразие используемых в настоящее время нелинейных моделей СВЧ ПТ, в существующей литературе нет достаточной информации о способах экстракции их параметров. В частности, для распространенных типов моделей ПТ (см. табл. 1) нет описания процесса экстракции в виде формализованной процедуры, т.е. определенной последовательности необходимых действий с указанием используемых способов решения задач на всех этапах. В связи с этим на сегодняшний момент построение точных нелинейных моделей СВЧ ПТ является трудновыполнимой задачей. На практике обычно прибегают к помощи методов оптимизации, что неэффективно, так как без задания начальных параметров модель зачастую не сможет одновременно воспроизвести ВАХ и ВЧ характеристики.

Таблица 1 - Основные нелинейные модели СВЧ ПТ и их характеристики

JFET Curtice3 ЕЕНЕМТ Angelov2 томз CMC

Вид СВЧ транзистора MESFET MESFET НЕМТ MESFET/ НЕМТ MESFET MOSFET

Количество параметров 27 59 68 80 54 55

Зарядовая модель - + + + + +

Низкочастотная дисперсия - + + + + +

Электрический пробой - + + + + +

Саморазгорев - - - + - +

Эффекты ловушек - - - - - -

Температурная модель + + + + + +

Учет нелинейной зав-ти Л/ - - - + - -

Существующие коммерческие программные продукты для построения нелинейных моделей полупроводниковых приборов (IC-CAP, Auriga, AmCAD) используют свои собственные алгоритмы, которые являются коммерческой тайной, цена же

Рисунок 1 - Обобщенная малосигнальная модель полевого СВЧ транзистора

таких программ очень высока. Поэтому разработка методик построения нелинейных моделей современных СВЧ ПТ является актуальной задачей, особенно для отечественных технологий изготовления СВЧ МИС.

Обзор показал (см. табл. 1), что среди распространенных нелинейных моделей НЕМТ транзисторов по ряду характеристик модель ЕЕНЕМТ является одной из наиболее точных и полных. Кроме того, она пригодна для разработки формализованной процедуры экстракции, так как многие из ее параметров имеют явный физический смысл. Одним из способов дополнительного улучшения точности моделирования выходных ВАХ и ВЧ характеристик СВЧ ПТ является введение в модель ЕЕНЕМТ нелинейного сопротивления стока Я/.

Проектирование СВЧ УМ является сложной задачей. Существующие практические методики проектирования УМ основаны либо на линейном расчете выходной мощности, исходя из малосигнальной модели СВЧ ПТ (методика С. Крипса или П. Абри), либо на параметрической оптимизации заранее выбранной принципиальной схемы СВЧ УМ, когда АЭ представлен с помощью нелинейной модели или X-параметров. В первом случае метод не дает полного понимания нелинейной работы СВЧ ПТ и позволяет осуществить только приближенный расчет выходной мощности. Во втором случае остается открытым вопрос выбора принципиальной схемы УМ и сходимости алгоритма оптимизации. Таким образом, проблема разработки формализованной процедуры проектирования СВЧ УМ по комплексу требований к больше-сигнальным характеристикам УМ, включая выходную мощность, к.п.д., коэффициент усиления, согласование на входе и выходе, устойчивость и др., остается нерешенной.

Начиная с середины 1960-х годов, в литературе появилось много работ, посвященных проектированию СВЧ УМ и автогенераторов на основе БСПР. Однако эти ранние работы (до 1990-х годов) базировались на неверной концепции БСПР в стандартном тракте. В этой концепции упрощали зависимости болыпесигнальных параметров от входной мощности и пренебрегали их зависимостью от импедансов генератора и нагрузки АЭ, что приводило к значительным погрешностям в расчете. Современная концепция БСПР, основанная на строгом математическом описании нелинейного АЭ в виде многополюсника (П. Колантонио, 1995 г.), лишена указанных недостатков. Она позволяет определять БСПР транзистора, нормированные к сопротивлению тракта (50 Ом), при любых импедансах генератора и нагрузки. Однако методики проектирования СВЧ УМ, использующие современную концепцию БСПР, в литературе отсутствуют.

Процесс проектирования СВЧ УМ является итерационным, что приводит к изменению импедансов генератора и нагрузки АЭ в процессе расчета. Однако БСПР верны только для того установившегося нелинейного режима работы АЭ, при котором они были рассчитаны или измерены. Поэтому для проектирования СВЧ УМ при помощи БСПР необходимо знать области адекватности их применения, зависимости от величины падающей мощности, импедансов генератора и нагрузки и т.п. Указанные вопросы практически не освещены в литературе.

Перспективным подходом к проектированию СВЧ транзисторных усилителей является декомпозиционный метод синтеза (ДМС). Этот общий подход позволяет формализовать и осуществить структурных синтез СВЧ полупроводниковых устройств с учётом всего комплекса требований к характеристикам.

Для СВЧ усилительного каскада с реактивными согласующими цепями (СЦ) на входе и выходе (рис. 2) процедура проектирования на основе ДМС состоит из следующих этапов: 1) определение на фиксированных частотах полосы пропускания fk (к = \,т) областей допустимых значений (ОДЗ) коэффициентов отражения входной (Г.?) и выходной (Г/,) СЦ, исходя из требований к характеристикам; 2) синтез СЦ по ОДЗ коэффициентов отражения.

Определение ОДЗ основано на численном решении системы нелинейных неравенств:

#;<#у(Д)<я;, v =1Д;£ , (1)

где Н~, Н* — заданные граничные значения характеристики Hv усилительного каскада на частоте fk, v =1Д - число характеристик. В качестве характеристик Hv могут выступать коэффициент усиления Gt, коэффициент шума F, модули коэффициентов отражения на входе (т0 и выходе (т2). На каждой частоте fk ОДЗ Ек (например, на плоскости коэффициента отражения нагрузки Г^ может быть получена как общая часть (пересечение) частных ОДЗ, соответствующих ограничениям на отдельные характеристики каскада: Ек = Еа С[ЕЩ (рис. 3). Нахождение ОДЗ коэффициентов отражения СЦ реализовано в программе рисуж)к 3 _ формирование одз Et на REGION. плоскости коэффициента отражения Гь

Для решения на втором этапе задачи синтеза СЦ используется интерактивный подход, реализованный в программе визуального проектирования пассивных цепей LOCUS. В этом случае ОДЗ Ек (к = 1 ,т) и годограф коэффициента отражения СЦ I ¿СО одновременно отображаются на экране монитора (рис. 4). Выбор структуры СЦ осуществляется путем сопоставления расположения ОДЗ Ек, построенных на нескольких фиксированных частотах /к, с годографами различных цепей в библиотеке LOCUS. После выбора структуры пользователь в интерактивном режиме с помощью «мыши» и тюнеров добивается попадания годографа коэффициента отражения цепи TL{f) на заданных частотах fk в соответствующие ОДЗ Ек. Достоинством визуального подхода

М! т 2

Рисунок 2 - Усилительный каскад с реактивными СЦ

является простота и наглядность, а также возможность контроля структуры и значений элементов цепи.

В работах Ф.И. Шеермана, М.В. Черка-шина и Л.И. Бабака приведенный подход был применен к СВЧ УМ. Методика проектирования основывалась на совместном применении нагрузочных диаграмм и малосигнальных в-параметров АЭ. Однако малосигнальные Б-параметры не позволяют точно рассчитать в большесигнальном режиме такие характеристики усилительного каскада (рис. 2), как коэффициент усиления, согласование на входе и выходе, коэффициент устойчивости. Таким образом, применительно к УМ рассмотренный «визуальный» подход требует дальнейшего развития. Перспективным здесь является использование для описания АЭ болыпесигнальных Б-параметров.

Вторая глава посвящена разработке методики экстракции малосигнальной модели НЕМТ транзистора с учетом нелинейной зависимости сопротивления стока и формализованной методики экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ, а также их верификации.

Главное отличие предложенной новой методики экстракции малосигнальной модели СВЧ ПТ с учетом нелинейного характера сопротивления стока Я^ состоит в том, что это сопротивление включено во внутреннюю часть ЭС (рис. 5) и зависит от напряжений питания У^ и При этом значительно усложняется решение системы уравнений, описывающих внутренний транзистор.

Первый этап - экстракция внешних элементов ЭС (Яц, Я;, Ьг, Ьц, И,/) — основан на методиках Г. Дамбрина и М. Джеона. На втором этапе определяются У-параметры внутренней части транзистора, работающего в активном режиме, во всем диапазоне частот. Это осуществляется путем «вычитания» из измеренных параметров транзистора внешних элементов по методу Г. Дамбрина.

При помощи метода узловых потенциалов была выведена система уравнений, связывающая полученные У-параметры внутренней части малосигнальной ЭС У,™' с её элементами (рис. 5):

ИеН.

Рисунок 4 - Процесс нахождения значений элементов КЦ с заданной структурой

б £8 Я,

Ьа О

Рисунок 5 - Малосигнальная ЭС с учетом нелинейного характера сопротивления

(4)

(5)

(6)

Д

^п1 = л

Y£t=GdGdl+jc0(CgJ+Cл)/A, где Д =Ол +/ю(с„ +сл); О, = 1/Л, ; = 1/Л* .

При разделении комплексных уравнений (3)-(6) на реальную и мнимую части получается сложная система, состоящая из 8 нелинейных вещественных уравнений с 8 неизвестными. Ее решение было найдено с помощью пакета Мар1е при применении метода базисов Грёбнера. Получено следующее выражение для сопротивления

11, =-

(7)

Найденные выражения для остальных элементов Сф СЛ, и г)

являются громоздкими и неудобны для вычислений. Более рациональным путем является расчет нелинейного сопротивления Ду по формуле (7), дальнейшее «вычитание» значения этого сопротивления из малосигнальной ЭС внутреннего транзистора и расчет внутренних элементов по стандартной методике.

В частности, расчет для отечественного ОаЫ НЕМТ транзистора на подложке БіС с шириной затвора 4x100 мкм показал, что при вариации напряжения УХ5 от -4 В до 0 В сопротивление стока изменяется от 3.9 Ом до 10 Ом. В качестве примера на рис. 6 приведено сравнение Б-параметров эквивалентных схем этого транзистора, полученных по новой методике и методике Дамбрина, с измерениями (У^ = 0 В, = 5 В, = 168 мА). Предложенная методика позволяет повысить точность моделирования Б-параметров в различных рабочих точках до 6% по модулю и до 8° по фазе.

В главе разработана методика экстракции нелинейной модели ЕЕНЕМТ СВЧ ПТ. Она основана на использовании нелинейных уравнений модели, описывающих различные характеристики транзистора (токи затвора и стока, статическую и ВЧ крутизну, входную и проходную емкости и т.д.) и включает в себя следующие этапы:

Рисунок 6 - Сравнение в-параметров ЭС йаЫ НЕМТ транзистора = 4x100 мкм), полученных по новой методике и методике Дамбрина, с измерениями

1. Экстракция элементов малосигнальной ЭС транзистора из измеренных импульсных S-параметров для различных режимов по постоянному току.

2. Аппроксимация нелинейных зависимостей тока стока (рис. 1а), статической крутизны транзистора (рис. 76) и внутренних емкостей аналитическими функциями нелинейной модели. Исходя из зависимости статической крутизны, аналитически определяются следующие параметры нелинейной модели ЕЕНЕМТ: максимальное значение крутизны Gmmax и соответствующее напряжение Vgo, напряжение отсечки Vpo, коэффициент сжатия линейного участка крутизны Deltgm и др. Из зависимостей входной Си и проходной С\2 емкостей, а также ВЧ крутизны транзистора находятся параметры модели, отвечающие за моделирование ВЧ характеристик. Также в модель ЕЕНЕМТ добавляется зависимость нелинейного сопротивления стока Rj.

3. Прямая оптимизация параметров модели с целью достижения наилучшего соответствия измеренных и смоделированных малосигнальных и нелинейных характеристик. Коэффициенты нелинейных функций, полученные на предыдущем этапе, используются в качестве начального приближения.

4. Проведение дополнительных измерений и экстракция параметров, описывающих физические эффекты в НЕМТ транзисторе (саморазогрев, пробой, ловушки, низкочастотную дисперсию и т.д.). Данные параметры устанавливаются вручную и не оптимизируются.

В диссертации подробно описывается последовательность аналитических и численных процедур, выполняемых на каждом этапе экстракции нелинейной модели ЕЕНЕМТ СВЧ ПТ. В результате находятся все 68 искомых параметров модели.

Нелинейная модель ЕЕНЕМТ строится на основе измеренных статических ВАХ и малосигнальных S-параметров транзистора. Поэтому для её верификации используется сравнение рассчитанных на большом сигнале нагрузочных (load pull) диаграмм и амплитудных характеристик транзистора с данными измерений.

В качестве примера на рис. 7-9 представлены результаты построения и верификации нелинейной модели ЕЕНЕМТ для 0.15 мкм GaN НЕМТ транзистора с общей шириной затвора Wg = 4x100 мкм, изготовленного по отечественной технологии. На рис. 7 показаны смоделированные и измеренные выходные ВАХ, а также зависимость крутизны от напряжения Vgs при различных значениях напряжения Vds.

250

- Нелинейная модель

- Измерения

0.1

200

0В

3

о 0.02

4 g

g 0.04

* 0.06

5

10

Напряжение стека VВ

15

20

Напряжение Vp. В

б)

Рисунок 7 - Измеренные и смоделированные выходные ВАХ (а) и крутизна (б)

На рис. 8 приведены малосигнальные в-параметры в различных рабочих точках, на рис. 9а - рассчитанные и измеренные нагрузочные диаграммы на частоте 23 ГГц, а на рис. 96 - амплитудные характеристики на той же частоте при оптимальный по мощности нагрузке = 7/Л/„ .

- Измерения

- Нелинейная N

О.ГБг«

\р / """ ' 1

.'К' 4 ./ >ч' }< //'А. ' /V. /й:-Я

4'»

ш

Рисунок 8 - Частотные зависимости измеренных и смоделированных малосигнальных в-параметров в диапазоне0.1-40 ГГц: а) Уе=-3.25 В, К* =15 В, /Л=35 мА; б) Г^—3.5 В, В,/Л=18 мА

бг, дБ

Рм, дБм

25

20

15

10

5 10 15

Входная мощность, дБм

20

а) б)

Рисунок 9 - Измеренные и смоделированные большесигнальные характеристики на частоте 23 ГГц: а) нагрузочные диаграммы; б) коэффициент усиления и выходная мощность

В диапазоне изменения входной мощности до 20 дБм отклонения результатов моделирования от результатов измерений составляют не более 0.2 дБ по коэффициенту усилению и не более 0.2 дБм по выходной мощности. Это свидетельствует о достаточной для проектирования точности предложенной методики экстракции нелинейной модели ЕЕНЕМТ СВЧ ПТ.

В третьей главе производится сравнение методов расчета БСПР, исследование БСПР при различных условиях работы СВЧ транзистора. Предложена визуальная методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов на основе БСПР и на-

грузочных диаграмм, которая продемонстрирована на примере однокаскадного СВЧ УМ Ка-диапазона.

Для отечественных и зарубежных ваАв и ОаЫ НЕМТ транзисторов проведено численное исследование зависимостей БСПР от входной мощности, нагрузки, постоянных напряжений, отсечки сигнала и др. В качестве примера на рис. 10 приведены зависимости БСПР ваАБ рНЕМТ транзистора в диапазоне входных мощностей от -10 дБм до 20 дБм при трех значениях нагрузки: 1) 50 Ом; 2) 1 кОм; 3) = '¿1Л,„.

В диссертации сделан ряд заключений о характере зависимостей БСПР НЕМТ транзисторов от входной мощности и импеданса нагрузки. В частности, на малом сигнале для всех трех указанных случаев БСПР совпадают, что согласуется с теорией. При достаточно больших значениях входной мощности Р,„ БСПР транзистора существенно зависят от импеданса нагрузки. Обращает на себя внимание значительное изменение параметра Бп при увеличении Р,„, это приводит к ухудшению устойчивости АЭ при больших амплитудах возбуждающего транзистора от входной мощности при импедансах сигнала. Отметим, что большинство нагрузки 50 Ом, 1 кОм и 25 ГГц)

выводов о характере поведения БСПР полевых транзисторов не совпадают с имеющимися в литературе (основанными на устаревшей концепции БСПР в стандартном тракте).

При условии малой зависимости БСПР АЭ от коэффициента отражения источника сигнала Г^ (полагаем Г/п) = Г5чр,(п) =Г,„<пГ) итерационный расчет УМ (рис. 2) на пом шаге производится по следующей схеме: 1) выбор коэффициента отражения нагрузки Г/(п); 2) расчет БСПР АЭ 5Т>) для Г/» = Г.Уо;„(п) и Г/.(п); 3) определение по БСПР 5!/(п) характеристик УМ при Г5(п) и Г^п); 4) выбор следующего приближения г/п+1) и т.д. В связи с этим возникает вопрос - насколько должны отличаться нагрузки Г,,(п) и Г/(п+|', чтобы требовался перерасчет БСПР. Иначе говоря, необходимо определить на плоскости Г£ области адекватности (допустимых ошибок) БСПР, вычисленных при конкретном значении Г^ =

С этой целью была рассчитана погрешность найденной по БСГТР выходной мощности УМ по сравнению с нелинейной моделью. В качестве примера на рис. 11 представлены линии равных ошибок 8Р,„„=сопз1 на плоскости Гг. расчет выполнен для БСПР ОМ8 рНЕМТ транзистора, полученных в оптимальном по выходной мощности режиме (7>т=10 дБм; частота / = 25 ГГц;КЛ = 3.5 В; = -0.8 В; /А = 48 мА). Диапазон изменения (относительно Г,/1р1) коэффициента отражения Гь в котором погрешность моделирования Рош не превышает 10%, составляет около = 0.2 (при 5% - ДГ,, = 0.1), т.е. достаточно велик. При этом область на диаграмме Вольперта-Смита, где дР„„, < 10%, весьма широка (рис. 11). Заметим, что на промежуточных шагах итерационного расчета УМ точности вычислений Рош в 10% (и даже в 20%) вполне достаточно (более высокая точность требуется для определения окончательных характеристик усилителя).

В главе выполнена оценка точности аналитического расчета характеристик мощного усилительного каскада при помощи БСПР для определения возможности замены ими нелинейной модели транзистора. С этой целью был осуществлен расчет параметров однокаскадного УМ (рис. 2), работающего в существенно нелинейном режиме В-класса. На рис. 12 и в табл. 2 представлены результаты вычисления с помощью нелинейной модели, БСПР и малосигнальных 8-параметров транзистора характеристик мощного усилительного каскада (рис. 2) на частоте 25 ГТц при оптимальной нагрузке 7.и1р, и Р,„ = 11 дБм (в табл. 2 Г ¡п и Г01„ — входной и выходной коэффициенты отражения АЭ).

Рисунок 11 - Погрешность расчета с помощью БСПР выходной мощности Ре,,, на плоскости коэффициента отражения нагрузки (/"= 25 ГТц)

ат. дБ: Ром. дБ«: РАЕ

Рисунок 12 - Зависимости от входной мощности основных характеристик УМ В-класса, рассчитанные при = 2ьор: с помощью нелинейной модели и БСПР

Таблица 2 - Характеристики усилительного каскада В-класса, рассчитанные при помощи

нелинейной модели, БСПР и малосигнальных S-параметров (f= 25 ГГц)

GT, дБ Г,„ Г0,„ т, тг Ра,,,, дБм К.П.Д., %

Нелинейная модель 7.8 0.843/ -149.2° 0.862/ -154.4° 0.10 0.59 18.8 35.1

БСПР Zb ~ ZoDt 7.8 0.843/ -149.2° 0.825/ -152.8° 0.10 0.52 18.8 35.9

Малосигнальные S-параметры 8.8 0.892/ -165.9° 0.645/ -152.24° 0.15 0.35 19.8 47

Таким образом, результаты расчета характеристик УМ по БСПР и нелинейной модели транзистора хорошо совпадают, в то время как расчет по малосигнальным 8-параметрам прибора дает большую ошибку.

Далее, используя полученные результаты исследования большесигнальных S-параметров СВЧ ПТ, в главе разрабатывается визуальная методика проектирования мощного усилительного каскада с реактивными СЦ (рис. 2) на основе нагрузочных диаграмм и БСПР. Она включает следующие этапы:

1. Исследование нелинейного АЭ, выбор режима по постоянному току, определение на частотах,/*(к = \,т) с помощью load pull моделирования или измерений оптимального коэффициента отражения нагрузки Г/а,,,'1' и входной мощности Pin, при которой выходная мощность транзистора Рои,шв максимальна (при этом Г/1,=Г/П(1) ). Определение требований к выходной мощности усилительного каскада Роиь коэффициенту усиления GT, согласованию на входе т\ и выходе т2, к.п.д. г] и т.д.

2. Построение на частотах fk(k = \,m) нагрузочных диаграмм транзистора -контуров равных значений P0„,=const и r| =const на плоскости TL при заданной входной мощности Pj„. Определение по диаграммам на каждой из частот fk частных областей, отвечающих допустимым значениям выходной мощности (£р(1)) и к.п.д. (£,,). Построение ОДЗ ELpl)(fk) на плоскости Г,, как общей части (пересечения) частных

ОДЗ:£2 = 4'>ПС •

3. Расчет при помощи нелинейной модели для найденных коэффициентов отражения генератора Гs(l)(fk) и нагрузки Г^р, (/*) и заданного уровня Р,„ БСПР транзистора S,jX A)(fk) (верхние индексы в обозначении S^ ^ соответствуют верхним индексам в обозначениях Ysw и T¿ч'). Получение на основе БСПР S,j l:l> с помощью программы REGION ОДЗ EGM(l*(fk), в которых одновременно удовлетворяются требования к характеристикам GT, m\ и т2. Определение результирующих ОДЗ на плоскости TL: Еf = (рис. 13).

4. Проектирование по ОДЗ £/,(1>(й) выходной реактивной СЦ с использованием «визуальной» методики и программы LOCUS. Синтезированная выходная СЦ будет иметь коэффициент отражения Г¿<2)(/). При большом различии Til)(fk) и T,{1)(fk)

Рисунок 13 — Формирование ОДЗ El

следует определить БСПР $/1:2>(/У, найти ОДЗ E,m(fk). заново синтезировать выходную СЦ и т.д.

5. Определение на плоскости Г.? с помощью программы REGION ОДЗ Е$2)(/к), отвечающих ограничениям на характеристики УМ G, т\ и т2, при этом используются известные значения коэффициента отражения выходной СЦ и БСПР S,}l\k).

6. Проектирование по областям Esm{fu) входной реактивной СЦ (аналогично п. 4) с коэффициентом отражения Гs2){f)- Сравнение Tsm{fk) и Гs (Л), перерасчет при необходимости БСПР. Операция синтеза входной СЦ производится до тех пор, пока годограф Гs(a\fk) не попадет в ОДЗ Es"}(fk). На этом проектирование мощного усилительного каскада заканчивается.

Предложенная методика демонстрируется на примере проектирования одно-каскадного монолитного СВЧ УМ диапазона 37-40 ГГц, работающего в режиме класса А и выполненного на 0.15 мкм GaAs рНЕМТ транзисторе с шириной затвора Wg = 6x75 мкм. При помощи load pull моделирования на частоте 40 ГГц в выбранном режиме по постоянному току (Vds = 5 В, Vgs = -0.5 В, /А = 130 мА) была определена максимальная выходная мощность транзистора Р0„іш ~ 23.1 дБм, при этом GT = 9.8 дБ (Р,„ = 14.5 дБм). На этом основании были сформулированы следующие требования к характеристикам УМ: РомШ> 22.5 дБм; GT> 9 дБ; ш, < 0.33 (-9.8 дБ); т2 < 0.33 (-9.8 дБ); также усилитель должен быть абсолютно устойчив во всей полосе частот.

На рис. 14 показаны ОДЗ на плоскости Г.? и Г/, для частот 37 ГГц и 40 ГГц, области устойчивости на частотах 1 ГГц, 10 ГГц, 20 ГГц и 50 ГГц, а также годографы

Рисунок 14 - а) ОДЗ на плоскости ГЛ годограф и схема входной СЦ;

б) ОДЗ на плоскости Г/., годограф Г/;2,(/) и схема выходной СЦ

Далее к усилителю была добавлена параллельная ЯС-цепочка, обеспечивающая устойчивость в низкочастотной области, а параметры СЦ дополнительно дооптими-зированы. Полученная схема УМ с синтезированными входной и выходной СЦ и ре-

зультаты ее моделирования с использованием нелинейной модели транзистора приведены на рис. 15.

, дЬм

20 30 Частота, ГГц

а) б)

Рисунок 15 - а) Принципиальная схема однокаскадного УМ; б) частотные характеристики (Р,„ = 14.5 дБм) Была выполнена также оценка повышения точности проектирования УМ, которая достигается при использовании для описания транзистора БСПР вместо малосигнальных Б-параметров. С этой целью осуществлено моделирование характеристик рассчитанного УМ (рис. 15а) с использованием БСПР З1//' и малосигнальных параметров АЭ 5'//(0) (табл. 3).

Таблица 3 - Характеристики СВЧ УМ, рассчитанные с использованием БСПР 5,

(1:2)

, (0)

/, ГГц дБ т, »ь

БСПР 37 ГГц 9.42 0.326 0.068

40 ГГц 9.08 0.277 0.243

Малосигнальные 8-параметры 37 ГГц 10.11 0.278 0.497

40 ГГц 9.94 0.330 0.276

При использовании малосигнальных 8-параметров максимальные ошибки в расчетных значениях характеристик <3Г, т\ и т2 для спроектированного УМ составляют Д0г=0.86 дБ, Дт,= 0.0525 (19%), Дт2= 0.429 (630%). Как видно, использование БСПР позволило значительно улучшить точность проектирования УМ по комплексу требований к характеристикам. При большем сжатии коэффициента усиления (свыше 1 дБ), а также в нелинейных режимах работы транзисторов (классы В и С) улучшение точности расчета усилителей с помощью БСПР еще значительнее.

Рассчитанный однокаскадный усилитель после некоторой модификации был использован в качестве каскада предварительного усиления в более мощном монолитном УМ диапазона 37-40 ГГц.

Таким образом, предложенная методика визуального проектирования нелинейных СВЧ УМ, основанная на использовании БСПР и нагрузочных диаграмм, позволяет применить линейные методы анализа и синтеза, а также учесть полный комплекс требований к характеристикам УМ в режиме большого сигнала (коэффициент усиления, выходная мощность, к.п.д., согласование на входе и выходе, устойчивость) на этапе синтеза принципиальной схемы.

В четвертом разделе описано программное обеспечение для экстракции параметров малосигнальной ЭС, приведены разработанные линейные и нелинейные модели СаАэ и ваИ НЕМТ транзисторов для различных отечественных гетероструктур-ных технологий. Представлены результаты автоматизированного синтеза, моделирования и экспериментального исследования МИС транзисторных усилителей с использованием разработанных методик проектирования и моделей СВЧ транзисторов.

На рис. 16 изображен интерфейс программы ЕХТКАСТКЖ-Ь, которая основана на предложенной методике экстракции малосигнальной ЭС СВЧ ПТ. Также в программном модуле дополнительно реализованы другие методики экстракции малосигнальной ЭС.

С использованием разработанных методик и ПО в ходе диссертационного исследования был построен ряд линейных и нелинейных моделей для СВЧ

транзисторов, изготовленных по различным ОаАз и ОаК НЕМТ технологиям, в том числе с учетом нелинейного характера сопротивления стока Я) (табл. 4).

Таблица 4 - Разработанные линейные и нелинейные модели НЕМТ транзисторов

№ Технология Изготовитель Диапазон частот, ГТц Нелинейная модель Малосигнальная модель Учет Я,,

1 0.15 мкм GaN НЕМТ ОАО «НИИПП» 0.1-40 + + +

2 0.13 мкм GaAs mHEMT ИСВЧПЭ 0.01-67 + + -

3 0.15 мкм GaAs рНЕМТ Win Semicon. (РР152Х) 0.1-34 - + +

4 0.15 мкм GaN НЕМТ ОАО «Октава» 0.1-20 + - -

5 0.15 мкм GaAs рНЕМТ ОАО «НИИПП» 0.1-40 + + -

6 0.15 мкм GaAs рНЕМТ ЗАО «Микран» 0.1-40 + + -

Представлены результаты проектирования и экспериментального исследования следующих монолитных усилителей СВЧ и КВЧ диапазонов волн, разработанных с использованием предложенных методик и моделей:

I. МИС двухкаскадного СВЧ УМ диапазона частот 37-40 ГГц (рис. 17) на основе 0.15 мкм GaAs рНЕМТ технологии компании Win Semiconductors со следующими характеристиками: коэффициент усиления GT= 10.0±1.0 дБ; коэффициенты отражения на входе Рп! < -3.3 дБ и выходе IS22I < -9.5 дБ; выходная мощность при сжа-

Рисунок 16 - Диалоговое окно для задания настроек

экстракции малосигнальной ЭС СВЧ полевого транзистора

тии усиления на 1 дБ Pout¡dB = 23.0 дБм; потребляемый питания Уде = 5 В. Размер кристалла 4.32x4.05 мм.

ток І£>с = 1100 мА, напряжение

37 38 39 Частота, ГГц

а)

Рисунок 17 - МИС двухкаскадиого УМ диапазона 37-40 ГГц-, а) топология; б) измеренные частотные характеристики; в) измеренная амплитудная характеристика

2. МИС двухкаскадиого СВЧ УМ диапазона частот 30-33 ГГц (рис. 18) на основе 0.15 мкм GaN НЕМТ технологии ОАО «НИИПП» со следующими характеристиками (приведены данные моделирования, МИС находится на стадии изготовления): GT= 7.3+1.0 дБ; |5„| < -12 дБ; |.522| < -10 дБ; РшШ = 22.5 дБм; loe =240 мА; VDC = 15 В. Размер кристалла 1.3x2.3 мм.

3<>

Частота, ГГц

0 10 20 Входная мощность, дБм в)

а) б)

Рисунок 18 - МИС двухкаскадиого СВЧ УМ диапазона 30-33 ГГц: топология (а), частотные характеристики (б) и мощностные характеристики (в) - моделирование 3. МИС однокаскадного копланарного усилителя (КУ) диапазона частот 3438 ГГц (рис. 19) на основе 0.13 мкм ОаАэ гаНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН: вт = 9.5±0.5 дБ; |5„| < -10 дБ; < -5 дБ; РошШ = 7 дБм; 1ос = 40 мА; Уос = 3.5 В. Размер кристалла 1.8x0.9 мм.

однокаскадного копланарного усилителя диапазона 34-38 ГГц: топология (а), измеренные частотные (б) и мощностные характеристики (в)

start —25 dBm ño ¿8m stoplOdBm

Freq 36 GHz

a)

Рисунок 19-МИС

4. МИС двухкаскадного КУ диапазона частот 34-37.5 ГГц (рис. 20) на основе 0.13 мкм ОаАв тНЕМТ технологии ИСВЧПЭ РАН: С, = 19.5±0.5 дБ; |5и| < -12 дБ; 15*221 < -5 дБ; Рошыв = 7 дБм; //х- = 75 мА; Уис = 3.5 В. Размер кристалла 2><1.5 мм.

а) 6) в)

Рисунок 20 - МИС двухкаскадного копланарного усилителя диапазона 34-37.5 ГГц: топология (а), измеренные частотные (б) и мощностные характеристики (в)

5. МИС двухкаскадного линейного усилителя диапазона 30-50 ГГц (рис. 21) на основе 0.15 мкм GaAs рНЕМТ технологии компании Win Semiconductors со следующими характеристиками: GT= 13.5±1.0 дБ; |5ц| < -3.5 дБ; IS22I < -6 дБ; IDC =90 мА VDC = 2.3 В. Размер кристалла 1.5x0.75 мм.

а) 6) в)

Рисунок 21 — МИС двухкаскадного линейного усилителя диапазона 30-50 ГТц: а) принципиальная схема; б) топология; в) измеренные частотные характеристики

Заключение. Основные результаты работы сводятся к следующему.

1. Предложена новая методика экстракции параметров малосигнальной модели НЕМТ транзистора с учетом нелинейного характера сопротивления стока На, позволяющая повысить точность моделирования малосигнальных 8-параметров в различных рабочих точках. Методика положена в основу разработанной программы ЕХ-ТКАСТЮЫ-Ь.

2. Для ОаАв и ОаК НЕМТ транзисторов с применением аналитических и численных процедур разработана полностью формализованная методика экстракции всех параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ, в том числе с нелинейным сопротивлением стока

3. С использованием предложенных методик и разработанного ПО построены, экспериментально исследованы и верифицированы нелинейные модели мощных СВЧ транзисторов для отечественных GaAs и GaN НЕМТ технологий.

4. Исследованы и проанализированы зависимости БСПР GaAs и GaN НЕМТ транзисторов от входной мощности, импедансов генератора и нагрузки, режимов работы АЭ. Исследованы способы расчета БСПР, получены области адекватности БСПР.

5. Разработана «визуальная» методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов в нелинейном режиме на основе одновременного использования «визуального» подхода, большесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм. Она позволяет учесть комплекс требований к характеристикам каскада в заданном диапазоне частот и при этом повысить точность расчета коэффициента усиления, коэффициентов отражения по входу и выходу в режиме большого сигнала, а также обеспечивает простоту и наглядность проектирования.

6. С помощью разработанных моделей и методик на основе отечественных и зарубежных GaAs и GaN НЕМТ технологий спроектированы и изготовлены монолитные усилители СВЧ и КВЧ диапазонов волн. Результаты моделирования, проектирования и экспериментальных исследований усилителей подтверждают достоверность и эффективность предложенных моделей и методик.

Приложение А содержит краткий обзор и параметры распространенных нелинейных моделей СВЧ ПТ. В Приложении Б приведен список параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ, описание ее уравнений приведено в Приложении В. В Приложении Г изложен строгий подход к линеаризации нелинейных цепей. Приложение Д содержит результаты расчета БСПР для GaAs и GaN НЕМТ транзисторов в зависимости от входной мощности.

Основное содержание диссертации отражено в 16 работах:

1. Ко колов А. А, Торхов H.A., Добуш И.М., Бабак Л.И. Экспериментальное исследование и моделирование GaN НЕМТ Ка-диапазона на подложке SiC // Известия вузов. Физика. - 2013. - Т.56. - №8/3. - С. 116-120.

2. Коколов A.A., Бабак Л.И. Методика построения нелинейной модели ЕЕНЕМТ для гетероструктурных полевых СВЧ-транзисторов // Доклады ТУСУРа. - Томск, 2010. -№2 (22), ч.1.-С. 149-152.

3. Коколов A.A., Бабак Л.И. Методика построения малосигнальной модели СВЧ-транзистора с высокой подвижностью электронов // Доклады ТУСУРа. - Томск, 2010.-№2(22), ч.1.-С. 153-156.

4. Черкашин М.В., Коколов A.A., Добуш И.М., Бабак Л.И. Проектирование одно-каскадного монолитного усилителя Ка-диапазона с использованием комплекса программ автоматизированного синтеза // Доклады ТУСУРа. — Томск, 2010. - №2 (22), 4.1.-С. 25-29.

5. Черкашин М.В., Коколов А.А., Добуш И.М., Бабак Л.И. Автоматизированное проектирование двухкаскадного копланарного монолитного усилителя Ка-диапазона. // Доклады ТУСУРа. - Томск, 2010. - №2 (22), Ч.1.-С. 30-33.

6. L.I. Babak, А.А. Kokolov, А.А. Kalentyev, D.V. Garays A New Genetic-Algorithm-Based Technique for Low Noise Amplifier Synthesis // Microwave Integrated Circuits Conférence (EuMIC), 2012. - P. 381-384.

7. Добуш И.М., Коколов A.A., Дмитриенко K.C., Сальников A.C., Федоров Ю.В., Черкашин М.В., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Копланарный монолитный усилитель Ка-диапазона на основе отечественной GaAs наногетероструктурной технологии // Доклады ТУСУРа.-Томск, 20Ю.-№1 (21), Ч.2.-С. 55-62.

8. Коколов А.А., Шеерман Ф.И., Бабак Л.И. Обзор математических моделей СВЧ полевых транзисторов с высокой подвижностью электронов // Доклады ТУ СУР. -Издательство ТУСУРа. - 2010 2 (22) - С. 118-123

9. Kokolov A.A., Babak L.I., Colantonio P. Design of Matching Networks for a Harmonic-Tuned Class F Power Amplifier by Genetic Synthesis // Innovations in Informatiom and Communication Science and Technology IICST, 2012. - P. 194-197.

10. Добуш И.М., Степачева A.B., Сальников A.C., Коколов А.А, Самуилов А.А., Бабак Л.И. Программы для автоматизации измерений, деэмбеддинга и построения линейных моделей СВЧ полевых транзисторов //21-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМи-Ко'2011): Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2011. - Т. 1. - С. 214-215.

П.Гуляев В. И., МякишевЮ. Б., Раков Ю. Н., Добуш И. М., Коколов А. А., Бабак Л. И. GaN НЕМТ К-диапазона на базе 0.25 мкм технологии // 22-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2012). Севастополь, 10-14 сентября 2012 г.: Материалы конф. в 2 т. — Севастополь: Вебер, 2012. — Т.1. — С. 66-67.

12. Коколов А.А., Бабак Л.И. Визуальная методика проектирования СВЧ усилителей мощности на основе болыпесигнальных параметров рассеяния // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013). Севастополь, 9-13 сентября 2013 г.: Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2013. - Т.2. - С. 149-150.

13.Коколов А.А. Новая методика экстракции нелинейного сопротивления стока для НЕМТ транзисторов // 23-я Международная Крымская конференция «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2013). Севастополь, 913 сентября 2013 г.: Материалы конф. в 2 т. - Севастополь: Вебер, 2013. - Т. 2. -С. 127-128.

14. Коколов А. А., Добуш И. М., Бабак Л. И., Гуляев В. И., МякишевЮ. Б., Раков Ю. Н. Измерение параметров и построение нелинейной модели 0,25 мкм GaN НЕМТ транзистора на подложке из сапфира. VIII Международная научно-

практическая конференция «Электронные средства и системы управления», Томск, 8-10 ноября 2012 г. - Томск: В-Спектр, 2012: В 2 частях. -Ч. 1. - С. 59-62.

15. А. Коколов, A.A. Савин, Л.И. Бабак, Методика и оценка точности экстракции параметров малосигнальной модели СВЧ полевого транзистора, Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» - Красноярск: Из-во СФУ. - 2010. - С. 77-81.

16. К.С. Дмитриенко, A.A. Коколов, Л.И. Бабак, Построение нелинейной модели GaAs mHEMT транзистора, Всероссийская научно-техническая конференция с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники» - Красноярск: Из-во СФУ. - 2010. - С. 81-85.

17. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ №2011616003 «Программа для автоматизации процесса измерений параметров и построения линейной модели СВЧ полевого транзистора» // Добуш И.М., Сальников A.C., Коколов A.A., Степачева A.C., Самуилов A.A., Абрамов А.О., 2011 г.

18. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2012630163 «Монолитная интегральная схема ш-НЕМТ однокаскадного копланарного усилителя Ка-диапазона» // Бабак Л.И., Дмитриенко К.С., Добуш И.М., Коколов A.A., Сальников A.C., Шеерман Ф.И., 2012 г.

19. Свидетельство о государственной регистрации топологии интегральной микросхемы № 2012630164 «Монолитная интегральная схема ш-НЕМТ двухкаскадного копланарного усилителя Ка-диапазона» // Бабак Л.И., Черкашин М.В., Добуш И.М., Коколов A.A., Сальников A.C., Шеерман Ф.И., 2012 г.

Тираж 100. Заказ 1132. Томский государственный университет систем управления и радиоэлектроники.

634050, г. Томск, пр. Ленина, 40. Тел. 533018.

томский государственный университет систем управления

и радиоэлектроники (тусур)

04201455421

На правах рукописи

Коколов Андрей Александрович

ПОСТРОЕНИЕ МОДЕЛЕЙ ГЕТЕРОСТРУКТУРНЫХ ПОЛЕВЫХ ТРАНЗИСТОРОВ И АВТОМАТИЗИРОВАННОЕ ПРОЕКТИРОВАНИЕ МОНОЛИТНЫХ СВЧ УСИЛИТЕЛЕЙ МОЩНОСТИ НА ОСНОВЕ БОЛЬШЕСИГНАЛЬНЫХ ПАРАМЕТРОВ РАССЕЯНИЯ И НАГРУЗОЧНЫХ ДИАГРАММ

Специальность 05.12.07 - Антенны, СВЧ устройства и их технологии

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель: д.т.н., профессор кафедры КСУП Леонид Иванович Бабак

Томск 2013

Оглавление

ВВЕДЕНИЕ........................................................................................................................5

1 Способы описания нелинейных свойств СВЧ транзисторов

и методы проектирования СВЧ УМ................................................................................13

1.1 Обзор способов описания нелинейных свойств СВЧ транзисторов.............................13

1.1.1 Классификация нелинейных моделей...........................................................................13

1.1.2 Линейные и нелинейные эквивалентные схемы СВЧ полевых транзисторов.........20

1.1.3 Общий подход к экстракции нелинейных моделей СВЧ НЕМТ-транзисторов.......35

1.1.4 Поведенческие модели мощных СВЧ транзисторов...................................................36

1.2 Методы построения и проектирования СВЧ УМ............................................................54

1.2.1 Общие принципы построения и проектирования СВЧ УМ........................................54

1.2.2 Декомпозиционный подход и «визуальная» методика проектирования СВЧ транзисторных усилителей......................................................................................................66

1.3 Выводы и основные задачи исследования.......................................................................72

2 Построение линейных и нелинейных моделей СВЧ полевых НЕМТ-транзисторов ... 75

2.1 Методика экстракции параметров малосигнальной модели для СВЧ НЕМТ-транзисторов с учетом нелинейного характера сопротивления стока...............................75

2.1.1 Описание методики экстракции малосигнальной модели..........................................75

2.1.2 Пример: построение и верификация малосигнальной модели

для 0.15 мкм GaN НЕМТ транзистора....................................................................................86

2.2 Методика построения нелинейной модели ЕЕНЕМТ

для СВЧ НЕМТ-транзисторов.................................................................................................91

2.2.1 Описание методики экстракции нелинейной модели ЕЕНЕМТ................................91

2.2.2 Пример: построение и верификация нелинейной модели ЕЕНЕМТ

для 0.15 мкм GaN НЕМТ транзистора..................................................................................103

2.3 Основные результаты исследований..............................................................................111

3 Проектирование мощных СВЧ усилительных каскадов

на основе декомпозиционного подхода и БСПР............................................................112

3.1 Исследование большесигнальных S-параметров НЕМТ транзисторов......................112

3.1.1 Сравнение методов расчета БСПР...............................................................................112

3.1.2 Исследование зависимостей БСПР НЕМТ транзисторов от условий работы.......115

3.1.3 Области адекватности БСПР, рассчитанные для заданных нагрузок АЭ...............133

3.2 Моделирование большесигнальных характеристик мощных СВЧ усилительных

каскадов на основе БСПР......................................................................................................136

3.2.1 Аналитический расчет большесигнальных характеристик мощных усилительных каскадов на основе БСПР.............................................................................136

3.2.2 Оценка точности аналитического расчета большесигнальных характеристик

мощных усилительных каскадов на основе БСПР..............................................................140

3.3 Проектирование мощных СВЧ усилительных каскадов на основе «визуального» подхода и БСПР............................................................................................147

3.3.1 Методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов

на основе «визуального» подхода и БСПР..........................................................................147

3.3.2 Пример: проектирование однокаскадного монолитного

СВЧ УМ диапазона 37-40 ГГц на основе GaAs рНЕМТ технологии................................153

3.4 Основные результаты исследований..............................................................................165

4 Построение моделей СВЧ транзисторов, проектирование и эксперментальное исследование монолитных СВЧ УМ на основе гетероструктурных

GaAs и GaN НЕМТ технологий.....................................................................................167

4.1 Разработка программного обеспечения для экстракции малосигнальной

модели полевых СВЧ транзисторов.....................................................................................167

4.2 Построение линейных и нелинейных моделей гетероструктурных

полевых СВЧ транзисторов.........................................................................................................

4.2.1 Построение малосигнальных моделей для гетероструктурных

полевых СВЧ транзисторов...................................................................................................170

4.2.2 Построение нелинейной модели ЕЕНЕМТ для гетероструктурных

СВЧ полевых транзисторов...................................................................................................181

4.3 Проектирование и экспериментальное исследование монолитных усилителей.......188

4.3.1 Двухкаскадный УМ на основе GaAs рНЕМТ технологии диапазона

37-40 ГГц со сложением мощности четырех транзисторов...............................................188

4.3.2 Проектирование двухкаскадного УМ диапазона 30-33 ГГц

на основе отечественной GaN НЕМТ технологии..............................................................201

4.3.3 Однокаскадный копланарный усилитель диапазона частот 34-38 ГГц

на основе GaAs mHEMT технологии...................................................................................205

4.3.4 Двухкаскадный копланарный усилитель диапазона частот 34-37.5 ГГц

на основе GaAs mHEMT технологии...................................................................................211

4.3.5 Двухкаскадный линейный СВЧ усилитель Ка-диапазона

на основе 0.15 мкм GaAs рНЕМТ технологии....................................................................214

4.4 Основные результаты.......................................................................................................219

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..............................................................................................................220

Список использованной литературы.............................................................................221

Приложение А - Линейные и нелинейные модели СВЧ полевых транзисторов..........231

Приложение Б - Список параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ.............................242

Приложение В - Уравнения нелинейной модели ЕЕНЕМТ..........................................244

Приложение Г - Линеаризация нелинейных цепей........................................................248

Приложение Д - Табличные значения БСПР ваАз рНЕМТ транзистора......................256

Приложение Е - Акты внедрения..................................................................................260

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность проблемы. СВЧ усилители мощности (УМ) являются одними из важнейших и самых распространенных устройств современных радиоэлектронных систем, таких как системы мобильной связи (в том числе и нового поколения - 3G, 4G), беспроводной интернет - WiFi, LTE, радионавигационные системы - GPS, ГЛОНАСС; военная техника - радиолокационные станции, самолеты нового поколения и т.п. Этот класс устройств во многом определяет важнейшие параметры радиоэлектронных систем (РЭС), такие, как излучаемую и потребляемую мощность, дальность действия, габариты и массу, надежность и стоимость.

Для того чтобы повысить скорость и качество передачи данных, современные беспроводные системы быстро развиваются: появляется множество новых стандартов передачи данных, повышаются рабочие частоты (вплоть до нескольких сотен ГГц), используются новые полупроводниковые технологии, ужесточаются требования к размерам, выходной мощности, к.п.д. и т.п. Поэтому инженеры постоянно находятся в процессе проектирования новых более быстрых и качественных интегральных схем.

Наиболее используемыми и перспективными технологиями производства полупроводниковых усилителей мощности в СВЧ и КВЧ диапазоне являются гетероструктурные НЕМТ (High Electron Mobility Transistor) технологии на основе полупроводниковых соединений GaAs и GaN. Указанные типы СВЧ транзисторов и монолитных интегральных схем (МИС) имеют значительно лучшие параметры (диапазон рабочих частот, коэффициент усиления, выходную мощность и др.) по сравнению с традиционной MESFET технологией. На сегодня в России существует несколько организаций, в которых развиваются технологии по изготовлению СВЧ МИС на основе GaAs - ФГУП «Исток», ФГУП «Пульсар», ИСВЧПЭ РАН (все г. Москва), ОАО «НИИПП», НПФ «Микран» (оба г. Томск), а также GaN - ИСВЧПЭ РАН, ОАО «Октава» (г. Новосибирск), ОАО «НИИПП», ЗАО «Светлана-Рост» (г. Санкт-Петербург). Особый интерес для разработчиков СВЧ УМ представляет GaN технология: зарубежные образцы уже перешли рубеж 200 ГГц [1] и удельной мощности 4.5-6 Вт/мм [2, 3], вплоть до 10 Вт/мм [4]; лучшие отечественные образцы - 77 ГГц и 4.2 Вт/мм [5], соответственно.

Разработка современных СВЧ УМ невозможна без специализированных САПР, таких как Microwave Office (фирма Applied Wave Research, США), ADS (фирма Agilent Technologies, США) и др. С их использованием разработка СВЧ схем значительно ускоряется и удешевляется. Однако для проектирования СВЧ УМ необходимы точные математические модели СВЧ транзисторов, которые должны описывать поведение транзистора в заданном диапазоне частот и режимов по постоянному току, правильно отражать нелинейные эффекты и т.д., а также методики проектирования схем СВЧ УМ по заданным требованиям к комплексу характеристик, которые в существующих САПР слабо автоматизированы.

При проектировании СВЧ УМ для характеризации транзисторов как нелинейных приборов часто используются модели в виде эквивалентных схем (ЭС). Способы описания активных элементов (АЭ) в виде линейных и нелинейных ЭС достаточно широко рассмотрены в работах Г. Дамбрина [6], М. Беррота [7], Г. Компы [8, 9], В. Кертиса [10], И. Ангелова [11], Г. Стаца [12], М. Эттенберга [13], А. Матерки [14], Д. Рута [15] и др. При этом определение параметров (экстракция) линейной ЭС СВЧ транзистора является необходимым этапом построения его нелинейной модели. Однако распространенные методы экстракции линейных моделей НЕМТ транзисторов не учитывают ряд эффектов, в частности, нелинейный характер зависимости сопротивления стока от напряжений смещения, что ведет к потере точности модели [16-19].

Несмотря на широкое распространение нелинейных моделей, задача их построения остается сложной и трудоемкой. До сих пор для распространенных видов нелинейных моделей отсутствует четкая формализованная процедура экстракции параметров. Как правило, применяется специализированное программное обеспечение (например, IC-САР [19], AmCAD [20] и др.), которое использует ряд аналитических выражений и методик для расчета ограниченного числа параметров моделей, остальные параметры вычисляются при помощи оптимизационных методов. Однако данные САПР обладают очень высокой стоимостью, и не каждый университет или научно-исследовательская лаборатория может себе позволить их купить, кроме того, процедура является сложной и времязатратной.

Нелинейная модель ЕЕНЕМТ является одной из наиболее точных и распространенных моделей НЕМТ транзисторов. Во многих работах предприняты попытки расчета

параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ без использования дорогостоящего программного обеспечения (ПО), однако описана экстракция только части параметров модели [21, 22], расчет остальных параметров не рассмотрен. Нелинейная модель с учетом нелинейных зависимостей паразитных сопротивлений транзистора от режимов работы улучшает точность моделирования ВАХ и выходной мощности, однако в модели ЕЕНЕМТ и других распространенных моделях сопротивление стока считается постоянным. Таким образом, важной задачей является разработка полностью формализованной методики экстракции всех параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ СВЧ полевых транзисторов (с учетом нелинейного характера сопротивления стока) напрямую из измерений.

Другими способами характеризации мощных СВЧ транзисторов являются измеренные или смоделированные нагрузочные (load pull) диаграммы (контуры постоянной мощности или к.п.д. на диаграмме Вольперта-Смита) [23-25] и большесигнальные параметры рассеяния (БСПР) [26-30, 32-35], а также улучшенный вариант БСПР -Х-параметры [31].

Существующие в настоящее время способы проектирования СВЧ УМ основаны на применении квазилинейных методов, нелинейных моделей СВЧ транзисторов, нагрузочных диаграмм, БСПР и Х-параметров. Однако все они имеют существенные недостатки.

Квазилинейный подход, предложенный С. Крипсом [36] и развитый П. Абри [37], является по своей сути приближенным. Проектирование СВЧ УМ при помощи нелинейных моделей и Х-параметров основывается на итерационной оптимизации, что является времязатратным и не всегда приводит к оптимальному решению. Применению нагрузочных диаграмм для проектирования СВЧ УМ посвящены работы В.И. Каганова [165], В.В. Должикова [166], Дж. Дегенфорда [25], Дж. Кузака [23], и др. Однако нагрузочные диаграммы не дают возможности полностью характеризовать АЭ как нелинейный активный четырехполюсник, не позволяют точно оценить ряд других характеристик усилительного каскада, таких как коэффициент усиления, входной и выходной коэффициенты отражения, устойчивость.

Описание АЭ при помощи БСПР, а также применение этого аппарата для проектирования нелинейных СВЧ устройств рассмотрено в работах A.B. Храмова [96, 98], Г.В.

Петрова [97], В.Б. Текшева [35], В. Ленгтона [28], Р. Гилмора [29], П. Колантонио [26], Дж. Лёцци [27], Я. Вершпехта [31] и др. Одним из главных достоинств характеризации усилительных приборов при помощи БСПР является то, что на их основе можно моделировать нелинейные СВЧ устройства (в частности, УМ) аналогично тому, как анализируются линейные цепи с помощью малосигнальных Б-параметров. Недостатком БСПР является справедливость этих параметров только для тех условий работы, при которых они были измерены или рассчитаны. Работы, посвященные исследованию зависимостей БСПР от условий работы АЭ, автору не известны.

Одним из эффективных методов является структурный синтез СВЧ усилителей на основе декомпозиционного подхода и визуального проектирования, предложенный Л.И. Бабаком [38] и развитый М.Ю. Покровским [39], М.В. Черкашиным [40], Ф.И. Шеерма-ном [41], И.М.Добушем [42]. Однако методика была изначально разработана для проектирования линейных и малошумящих СВЧ транзисторных усилителей с использованием малосигнальных 8-параметров. С точки зрения автора, перспективным является расширение визуальной методики проектирования для проектирования СВЧ УМ с применением нагрузочных диаграмм и БСПР.

Таким образом, задачи разработки методик построения линейных и нелинейных моделей СВЧ НЕМТ транзисторов, а также эффективных способов автоматизированного проектирования СВЧ УМ, являются актуальными.

На основании вышеизложенного можно сформулировать цель настоящей работы и определить основные направления исследований.

Целью работы является разработка методик построения линейных и нелинейных моделей мощных СВЧ НЕМТ транзисторов, методик автоматизированного проектирования СВЧ усилителей мощности на основе болынесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм; проектирование и исследование СВЧ транзисторных усилителей на основе отечественных и зарубежных гетероструктурных СаАэ и ОаЫ НЕМТ монолитных технологий.

Цель работы достигается решением следующих основных задач.

1. Разработка методики экстракции параметров малосигнальной модели НЕМТ транзистора с учетом нелинейной зависимости сопротивления стока и оценка влияния погрешности измерений на точность определения этих параметров.

2. Разработка полностью формализованной методики экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ для ваАз и ОаИ НЕМТ транзисторов.

3. Разработка улучшенной нелинейной модели ЕЕНЕМТ с нелинейным сопротивлением стока и методики ее экстракции.

4. Построение, экспериментальное исследование и верификация нелинейных моделей мощных СВЧ транзисторов для отечественных монолитных ваАз и ваЫ технологий изготовления.

5. Исследование и анализ зависимостей БСПР НЕМТ транзисторов от входной мощности, импедансов генератора и нагрузки, режимов работы. Исследование различных способов расчета БСПР.

6. Разработка «визуальной» методики проектирования СВЧ УМ на основе декомпозиционного подхода и БСПР.

7. Разработка и экспериментальное исследование монолитных СВЧ УМ на основе отечественных и зарубежных ваАБ и СаЫ НЕМТ технологий

Научная новизна работы заключается в следующем.

1. Предложена новая аналитическая методика экстракции параметров малосигнальной эквивалентной схемы гетероструктурных ваАБ и ваЫ НЕМТ транзисторов с учетом зависимости сопротивления стока от напряжений смещения.

2. Разработана новая полностью формализованная методика экстракции параметров нелинейной модели ЕЕНЕМТ для гетероструктурных ОаАэ и ОаЫ НЕМТ транзисторов, позволяющая также учесть нелинейный характер сопротивления стока.

3. Предложена новая интерактивная методика проектирования мощных СВЧ усилительных каскадов на основе «визуального» подхода, большесигнальных параметров рассеяния и нагрузочных диаграмм.

Практическая ценность работы состоит в следующем.

1. Ра