автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.07, диссертация на тему:Повышение уровня выходной мощности приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток

005009185

ЕЗОПОВ Андрей Владимирович

ПОВЫШЕНИЕ УРОВНЯ выходной мощности ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩИХ МОДУЛЕЙ АКТИВНЫХ ФАЗИРОВАННЫХ АНТЕННЫХ РЕШЕТОК

Специальность: 05.12.07 - Антенны, СВЧ-устройства и их технологии

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Саратов 2011

005009185

Диссертация выполнена в Федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.»

Научный руководитель - заслуженный деятель науки РФ,

доктор технических наук, профессор Коломейцев Вячеслав Александрович

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Кошелев Василий Сергеевич

кандидат технических наук, профессор, лауреат Государственной премии СССР

Посадский Виктор Николаевич

Ведущая организация - ОАО НПП «Контакт», г. Саратов

Защита состоится «20» декабря 2011 г. в 13 - часов на заседании диссертационного совета Д 212.242.01 при ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» по адресу: 410054, Саратов, ул. Политехническая, 77, корпус 2, ауд. 212.

С диссертацией можно ознакомиться в научно-технической библиотеке ГОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет» (410054, Саратов, ул. Политехническая, 77).

Автореферат разослан «]£_» ноября 2011 г.

Автореферат размещен на сайте Минобрнауки России « $ »ноября 2011 г. и на сайте ФГБОУ ВПО «Саратовский государственный технический университет им. Гагарина Ю.А.» www.ssiu.ru « /<? »ноября 2011 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А.Л. Дпмитрюк

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в радиолокации является повышение уровня излучаемой СВЧ мощности активной фазированной антенной решетки (АФАР). Увеличение излучаемой мощности позволит увеличить дальность обнаружения цели. Для формирования требуемых диаграмм направленности в АФАР существует ограничение: шаг решетки не должен превышать половины длины волны излучаемого СВЧ сигнала. Данное ограничение переходит в требование, предъявляемое к габаритным размерам приемопередающих модулей (ППМ) - основных элементов АФАР. Начиная с некоторых частот СВЧ диапазона, ограничение максимально возможного поперечного сечения приемо-передающего канала приводит к невозможности использования миниатюрных электровакуумных и корпусированных твердотельных приборов. Доступной для применения в ППМ элементной базой остаются бескорпусные твердотельные элементы, выполненные в виде монолитных интегральных схем на диэлектрических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Более низкий КПД твердотельных элементов (в два раза и более) по сравнению с магнетронами и лампами бегущей волны выдвигает на первый план задачу обеспечения теплового режима. КПД лучших твердотельных усилителей СВЧ мощности составляет ~ 25 %, это означает, что 75 % подводимой мощности преобразуется в тепло. Поэтому задача увеличения излучаемой СВЧ мощности сводится к задаче отвода тепловой мощности от активного элемента приемо-передающего модуля.

Особую актуальность данная задача приобретает с появлением монолитных интегральных схем усилителей СВЧ мощности с высоким уровнем мощности 10-15 Вт, когда уровень доступной элементной базы обеспечивает более высокий уровень излучаемой СВЧ мощности, а конструктивная реализация системы отвода тепла от активного элемента не обеспечивает необходимый режим охлаждения.

Значительный вклад в исследование вопросов проектирования активных фазированных антенных решеток внесли зарубежные ученые Brookner Е., Horton D.A., Reudink D.O. и др., а также российские ученые Воскресенский Д.И., Гостюхин A.B., Гуськов Ю.Н., Бахрах Л.Д., Белый Ю.И., Глу-шицкий И.В. и др.

Однако несмотря на проведенные исследования вопросов проектирования и построения активных фазированных антенных решеток, актуальными и практически важными остаются следующие задачи: интенсификация процесса отвода тепла от активного элемента (монолитной интегральной схемы выходного усилителя мощности); измерение температуры активного элемента без нарушения электромагнитной совмести; минимизации паразитного взаимодействия бескорпусных СВЧ элементов приемопередающего модуля, расположенных в замкнутых радиогерметичных отсеках. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы: повышение уровня выходной мощности приемо-передающего модуля посредством интенсификации процесса теплопередачи и теплоотдачи рассеиваемой в активном элементе приемопередающего модуля тепловой мощности в окружающую воздушную среду или охлаждающую жидкость и оптимизация импульсного режима работы ППМ.

Методы исследования. Для решения поставленной задачи были использованы: метод вариации произвольной постоянной (метод Лагранжа); метод разделения переменных; принцип суперпозиции; представление искомого теплового поля в ряд Фурье; численные методы решения краевых задач математической физики (метод конечных элементов с использованием принципа Галеркина и взвешенных невязок; метод конечных разностей с применением быстрого преобразования Фурье).

Научная новизна:

1. Предложена математическая модель внутренней краевой задачи теплопроводности для приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая провести аналитическое исследование теплового поля ППМ, процессов теплопередачи и теплоотвода тепловой мощности от активных элементов монолитной интегральной схемы (МИС) в окружающую среду и охлаждающую жидкость и определить пути повышения уровня выходной мощности ППМ.

2. Установлено, что использование в качестве основания МИС металлической пластины с высокой теплопроводностью и заполнение воздушного промежутка между МИС и корпусом ППМ порошком бериллиевой керамики позволяет увеличить отвод тепловой мощности от активных элементов в окружающую среду, уменьшить максимальную и среднюю температуру нагрева МИС, то есть увеличить Рвых модуля без нарушения рабочего режима работы ППМ.

3. Показано, что с уменьшением времени длительности теплового импульса снижается величина максимальной температуры нагрева активного элемента МИС при постоянстве средней температуры - гср на периоде импульсного режима, что позволяет увеличить выходную СВЧ мощность на сверхкоротких импульсах (т„л,<5-10"4с) без нарушения порога тепловой безопасности работы ППМ.

4. Разработан бесконтактный метод измерения температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора от температуры.

5. Предложен способ электромагнитной совместимости приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке приемопередающего модуля АФАР, основанный на временном разделении работы

приемника и передатчика, позволяющий устранить паразитную обратную связь между активными элементами.

Практическая значимость.

1. Предложенные однослойная и двухслойная модели внутренней краевой задачи теплопроводности с произвольными источниками тепла могут быть использованы для оптимизации теплового режима приемопередающих модулей в современных радиолокационных системах, а также в СВЧ-энергетике при расчете тепловых полей в объеме нагреваемого материала в СВЧ установках волноводного и резонаторного типов.

2. Предложенный бесконтактный способ контроля температуры выходного усилителя мощности может быть использован для контроля температуры бескорпусных СВЧ элементов, выполненных на ваАз, в схеме которых присутствует транзисторный элемент, работающий в режиме насыщения.

3. Полученные в работе результаты могут быть использованы в учебном процессе по специальности «Радиотехника» в курсах «Электродинамика и распространение радиоволн» и «Теплообмен в радиоэлектронных аппаратах».

Апробация работы. Диссертационная работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Саратовского государственного технического университета и научно-производственном центре ЗАО «Алмаз-Фазотрон». Результаты диссертационной работы были доложены и обсуждены на всероссийских и международных научно-технических конференциях: «Инновации и актуальные проблемы техники и технологий» (Саратов, СГТУ, 2010), «Твердотельная электроника. Сложные функциональные блоки РЭА» (Звенигород, ФГУП «НПП «Пульсар», 2010), «Математические методы в технике и технологиях ММТТ-ХХ1У» (Саратов, СГТУ, 2011).

Достоверность и обоснованность полученных в работе результатов обусловлена корректностью математической модели процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР; использованием высокоточных численно-аналитических методов решения краевых задач математической физики; экспериментальной проверкой предложенных в работе бесконтактного метода контроля температуры активного элемента и режима работы приемо-передающего модуля, при котором работа приемного и передающего каналов разнесена во времени.

Реализация результатов. Результаты исследований внедрены на предприятии ЗАО НПЦ «Алмаз - Фазотрон» и могут быть использованы в учебном процессе и научно-исследовательских работах, проводимых кафедрой «Радиотехника» СГТУ и на предприятиях радиоэлектронного профиля: ОАО НПП «Контакт», ОАО «КБ Электроприбор», ОКБ «Тантал-Наука».

Публикации.

По результатам научных исследований, проведенных в рамках данной диссертационной работы, опубликовано 9 печатных работ, из них три работы - в рекомендуемых ВАК РФ изданиях.

„ Структура и объем диссертационной работы. Диссертационная работа, состоит из введения, трех глав, заключения, содержит 184 страницы и включает 57 рисунков, а также список используемой литературы, содержащий 101 наименование.

Личный вклад автора. Представленные в диссертационной работе результаты расчета тепловых свойств приемо-передающих модулей АФАР получены автором самостоятельно, кроме того, в совместно опубликованных работах автор принимал непосредственное участие в анализе полученных результатов, разработке методики и проведении экспериментальных исследований группового четырехканального приемо-передающего модуля.

Основные результаты и положения, выносимые на защиту:

1. Математическая модель процесса нагрева, теплопередачи и теплообмена приемо-передающего модуля АФАР, позволяющая исследовать тепловые процессы в твердотельных монолитных интегральных схемах с точечными поверхностными источниками тепловой мощности и позволяющая определить пути оптимизации теплового режима данного СВЧ-устройства.

2. Результаты исследований теплового поля монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля, процессов теплопередачи и теплообмена направленные на повышение выходной мощности ППМ посредством увеличения теплового потока от активных элементов МИС в окружающую среду или охлаждающую жидкость и снижения максимальной температуры нагрева усилителя СВЧ мощности.

3. Доработка конструкции ППМ, которая при заданном режиме охлаждения обеспечивает максимальную передачу тепловой мощности от МИС в охлаждающую среду посредством использования медной пластины в качестве основания МИС и заполнением внутренней полости ППМ порошком бериллиевой керамики, обладающего высокой теплопроводностью, что позволяет увеличить теплоотдачу с верхней поверхности ППМ без нарушения электродинамических процессов МИС.

4. Бесконтактный метод контроля температуры активного элемента приемо-передающего модуля АФАР, позволяющий контролировать температуру монолитной интегральной схемы без нарушения электромагнитного и теплового полей вблизи активного элемента, в основе которого лежит зависимость подвижности основных носителей заряда в канале полевого транзистора.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении отражена актуальность темы диссертации, сформулированы цель и основные задачи исследования.

В первой главе отражены конструктивные особенности приемопередающего модуля АФАР, предложен способ обеспечения электромагнитной совместимости элементов приемного и передающего каналов, ис-

следована проблема устойчивости выходного усилителя мощности в бескорпусном исполнении.

Приемо-передающий модуль (ППМ) - основа пространственного канала АФАР. Функциональные возможности ППМ позволяют достичь описанных преимуществ АФАР. ППМ должен обеспечивать: заданный уровень СВЧ-мощности в излучателе; требуемую чувствительность приемного канала и защиту малошумящего усилителя; раздельное управление амплитудно-фазовым распределением в режимах приема и передачи; компенсацию температурной и частотной зависимостей данного распределения в заданном частотном и динамическом диапазонах; управление переключателями СВЧ тракта внешним импульсом синхронизации; компенсацию температурной зависимости коэффициентов передачи ППМ в режимах передачи и приема; принимать и хранить кодовые команды центрального блока управления; по запросу центрального блока управления формировать коды состояния основных параметров и общего сигнала исправности.

Основной элементной базой приемо-передающих модулей АФАР являются монолитные интегральные схемы на кристаллах ОаАй. Достигнутый уровень мощности усилителей на ваЛв составляет порядка 10 Вт. Дальнейшее увеличение мощности на данном материале практически невозможно. Перспективным направлением развития твердотельной элементной базы является переход на полупроводниковый материал, обладающий существенно лучшими характеристиками, - ваИ. Максимальная выходная мощность усилителей на ваЫ в настоящий момент составляет порядка 15-20 Вт. Существенно более высокая стоимость СаИ не позволяет полностью заменить ваЛв. При производстве опытных образцов ППМ, когда необходимо в короткие сроки создать рабочие образцы с высокими выходными характеристиками, интерес представляет КМИС технология. КМИС - квазимонолитная интегральная схема. Позволяет сочетать возможности ваЫ и простоту ваАз. Маленький (не более 10% от общей площади усилителя) активный элемент изготавливается на ваИ, а пассивные элементы (индуктивности, емкости, микрополосковые линии, занимающие остальные 90% площади) изготавливаются на полуизолирующем СаАБ.

В первой главе также сформулированы основные проблемы, возникающие при разработке приемо-передающих модулей: отвод тепла из активной области выходного усилителя мощности к внешней поверхности модуля; бесконтактный контроль температуры в области наибольшей тепловой нагрузки; стабилизации температуры модуля при настройке, калибровке и испытаниях; электромагнитная совместимость бескорпусных твердотельных СВЧ элементов в ограниченном объеме.

Суммарный коэффициент усиления приемного и передающего каналов составляет порядка 80 дБ, а суммарные развязки ферритных вентилей и транзисторных переключателей составляют не более 60-70 дБ, что дает возможность появлению паразитной обратной связи. Каскадирование ключей и ферритных вентилей для увеличения уровня развязки нецелесообразно,

т.к. обратная связь может возникать и по объему радиогерметичного отсека канала. Устранение связей по объему возможно только в случае создания конструкции, удовлетворяющей решению ВКЗЭ для замкнутых областей с неоднородным заполнением диэлектрическими (ваАв) и проводящими (А1) материалами. Принимая во внимание то, что не всегда можно изготовить конструкцию, удовлетворяющую полученному решению, в рамках данной конструкции был предложен режим импульсного питания не только передающего, но и приемного каналов. Отключение приемного канала на время работы передающего позволяет разорвать цепь возникновения обратной связи, то есть минимизировать паразитное взаимодействие бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов.

Исследован вопрос устойчивости выходного усилителя мощности в монолитном интегральном исполнении, и определены пути устранения электромагнитного самовозбуждения. Показано, что паразитная электромагнитная самогенерация в рабочем диапазоне частот вызвана усилением гармоник сигнала более низкой частот. Электромагнитное моделирование цепей питания усилителя мощности позволило определить источник этих колебаний - недостаточную фильтрацию по цепям питания первого и второго каскадов усилителя. Показано, что добиться устойчивой работы микросхемы позволяют: несимметричная подача питания на второй каскад; установка дополнительного конденсатора в разрыв золотых перемычек.

Тепловой режим ППМ определяет в основном одним элементом - выходным усилителем мощности (рис. 1), так как рассеиваемая тепловая мощность остальных элементов много меньше.

Рис. 1. Приемо-передающий модуль АФАР

Площадь поверхности модуля составляет 9000-10000 мм2. Площадь кристалла выходного усилителя мощности не превышает 25 мм2. Исходя из соотношения площадей, кристалл усилителя можно считать точечным источником тепла. Но и в самом кристалле тепло выделяется не по всей поверхности, а лишь в активной области - транзисторных ячейках. Площадь

активной области составляет порядка 1,4 мм", то есть и в кристалле источник тепла тоже точечный

Во второй главе предложена математическая модель процесса теплопередачи и нагрева активного элемента ППМ АФАР. При формулировке математической модели в данной диссертационной работе использован принцип ортогональности и суперпозиции, согласно которому искомое тепловое поле при действии нескольких тепловых источников в объеме твердого тела может быть представлено как суперпозиция тепловых полей каждого теплового источника в отдельности. Основные источники тепла в приемо-передающем модуле, выходные усилители СВЧ мощности (рис. 2, поз. 1, 2, 3, 4), расположены на верхней поверхности медной прямоугольной пластины на одинаковом расстоянии друг от друга, при этом они одинаковы по форме, и в каждом из них выделяется одинаковая тепловая мощность.

О'

~~ Л""""

О"

г

т

Рис. 2. Блочная тепловая модель приемо- Рис. 3. Блочная тепловая однослойная мо-

передающего модуля АФАР: дель кристалла усилителя СВЧ мощности: 1,2,3,4- монолитные интегральные 1,2- первый; 3,4,5,6- второй; схемы усилителей СВЧ мощности 7 - третий каскады усилителя

Это означает, что тепловые потоки от первого модуля ко второму, от второго к третьему и от третьего к четвертому, и наоборот, равны между собой. То есть прямые линии Ь2; являются осями симметрии теплового поля, на которых справедливо условие экстремума - Э//3г=0, а это условие является условием идеальной теплоизоляцией нагреваемого материала (граничное условие II рода). Аналогичное условие наблюдается и на торцевых поверхностях при 2=0 и г=Ь в силу малой толщины пластины и незначительной теплоотдачи конвекцией и излучением с данных поверхностей по сравнению с верхней и нижней поверхностями. Это означает, что расчет теплового поля приемо-передающего модуля можно провести для четвертой части прямоугольной пластины (0<г<Ь1 или Ь,<7.<Ь2 и т.д.) с одиночным поверхностным источником тепловой мощности, что упрощает исследование тепловых процессов в ППМ.

Данное положение позволяет для расчета теплового поля такой сложной системы, какой является монолитная интегральная схема ППМ, использовать более простую математическую модель, представляющую собой двухслойную прямоугольную пластину с поверхностным источником тепла при различных положениях данного источника в объеме пластины

(рис.4). Число возможных расположений теплового источника на внешней поверхности пластины равно числу тепловых источников в МИС, а положение теплового источника (поз. 3 рис. 4) соответствует расположению рассматриваемого теплового источника на поверхности МИС. Математическая модель процесса теплопередачи и нагрева МИС и ППМ может быть представлена следующим образом:

"п Л„

с/^ 'Л._. = "ри 0

///~г~ У при -Л2<г<О

/С а .....- 2 ,и( ,Г)"1 0 при О

Рис.4. Двухслойная математическая модель: ^ _ ¡Лп при 0<г<Л,

1 - медная и 2 - алюминиевая пластины; " ~ 1 д при -/г2 < * < о 3 - поверхностный источник (1)

ап при 0 < г < /;, = /.(г.т) Ц

атг при -/),<:< О Э/,(г,г) . Эг,(г,г) ,

-V,—---Лп"

II" \ м « Эг '-1

,-»5Г—^.(г.т)-^,^ ,|(Г-11)Ш,1(?1Т) = , |

Эг »= дх » 1„о, эу 0 и»

где аг; - коэффициент температуропроводности; ЛТ! - коэффициент теплопроводности; «п - коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением; г, -температура; /' - индекс среды: /=1 - верхняя, ¡=2 - нижняя пластины. Удельная плотность тепловых источников - определяется следую-

щим образом:

Т\- ¡Йт ~со"-'" "Ри < у < <У2; г = Л.

[ О в остальной области.

Как следует из соотношения (2), тепловой источник действует только в медной пластине и носит поверхностный характер, постоянен во времени и имеет равномерную поверхностную плотность. Представленная математическая модель позволяет определить тепловое поле в МИС, тепловой поток, отводимый от источника тепла в окружающее пространство, скорость распространения изотермы тепла в двухслойной прямоугольной пластине, представляющей собой медное основание МИС и алюминиевый корпус ППМ, то есть основные теплотехнические характеристики исследуемого объекта. При аТ1=ап; 1г1=1г2=1г математическая модель (1) пе-

реходит в однослойную модель, позволяющую провести исследование влияние металлического основания (ковар, медь, алюминий) на тепловое поле МИС и величину гтах в зоне расположения активного элемента. Применение медных пластин позволяет достичь эффекта сглаживания теплового поля МИС за счет более высокой теплопроводности меди (1^390 Вт/м

К) по сравнению с арсенидом галлия (/7=55 Вт/м К). Вследствие этого ускоряется процесс теплопереноса от МИС в окружающую воздушную среду через прямоугольную медную пластину.

В разделе 2.3 данной диссертационной работы приведено аналитическое решение ВКЗТ для однослойной и двухслойной модели (1) с поверхностным источником тепловой мощности, которое позволяет исследовать тепловое поле в МИС ППМ, а также оценить теплоотдачу тепловой энергии от МИС в прямоугольную пластину, что приводит к снижению максимальной температуры нагрева активного элемента (транзисторной ячейки СВЧ мощности на полевом транзисторе), а также процесс теплопередачи от нагретого тела в окружающую среду через металлическую пластину и определить пути оптимизации теплового режима ППМ АФАР.

Решение неоднородной внутренней краевой задачи теплопроводности для двухслойной модели ППМ определяется в виде разложения Фурье по собственным ортонормированным функциям - ут„р(х,у,2) имеет следующий вид:

при о < г < (I,

где:

Т'1 (г)=

* и»»/) к '

^пКщ,)1

г?

(Я, 2 О

я- при ^/д<,<()

I

1

спРп ^

при 0<г<</,

»игр о о а о

СТ2Рг2 ^тпр О О

¡¿х\(1у1д,у1\г,1)-Ч?,£{х.у,г№ при -Л, < г < О

П',; (->'.>'. г) =

при 0 < г < Л,

( тл

С(» -

( тл ^ (ПК \ „(2,, . , , ,п

со8 -х сое —У\'К (г.) при ~(!,<г<0

V. а ) \Ь ■ ) "

(3)

(4)

(5)

(6)

а-Ь

((Я,,К-,,)2-а^ +апЯп + ((Ял^,)!

{ЛпК^^К^-оГпМк^

(7)

((Я,,К:„г)г + а}, К -апЛп + ((Я,, АГ„, )г - а}2>/, + а, Л, «в(2Л>/2)

)- а« М«!еЛ ))г

где собственные тепловые числа 6=^2^2 определяются из дис-

персионного уравнения

«л

«1 _

■т 2

(В)

+1

^2 ,

+ 1

Л-2

при этом взаимосвязь между собственными значениями и & определяется соотношением

Соотношения (3) - (7) в совокупности с дисперсионным уравнением (8) и соотношением (9) представляют собой решение неоднородной ВКЗТ для двухслойной модели с произвольным тепловым источником, позволяющее исследовать тепловое поле в монолитной интегральной схеме ППМ АФАР с учетом влияния охлаждающих пластин (медная и алюминиевая пластины) на температуру усилителя СВЧ мощности на полевых транзисторах, определяющее тепловой поток МИС. Отличительной чертой полученного аналитического решения является сложность вычислений для трехмерного теплового поля, особенно для нестационарного режима нагрева теплообмена и теплопередачи. В связи с этим в данной диссертационной работе составлена программа решения трансцендентного дисперсионного уравнения и расчета теплового поля МИС, которая позволяет упростить анализ теплового поля в сложных СВЧ-устройствах как в стационарном, так и в нестационарном режиме. Применяя разработанную математическую модель и принимая во внимание то, что основным источником тепла в модуле является МИС выходного усилителя мощности, а в нем основным источником тепла являются транзисторные ячейки, в которых и происходит последовательное (от первого каскада к третьему) усиление СВЧ сигнала, для исследования процессов нагрева, теплопередачи и теплоотдачи рассеиваемой тепловой мощности исследуемые устройства можно представить блочными тепловыми моделями (рис. 2 и 3).

В третьей главе проводится исследование теплового поля приемопередающего модуля. На рис. 5 приведены структуры теплового поля симметричной четверти ППМ (рис. 2) для трех типов металлических оснований - ковар, медь и алюминий при удельной плотности тепловых источников д^Ряот/4 и естественной конвекции в свободное пространство (воздушная среда). Коэффициент теплоотдачи конвекцией и излучением при расчетах брался - ат=10 Вт/м2 град. (без принудительного воздушного охлаждения) как для верхней, так и для нижней поверхностей. Как следует из рис. 5, максимальная температура нагрева в ППМ наблюдается в области расположения источника тепловой мощности (усилителя СВЧ мощности), а минимальная температура нагрева наблюдается в наиболее удаленной от источника тепла области ППМ, при этом максимальный градиент температуры Л!тах-1ц,шх-1цт-т {¡в - температура нагрева верхней поверхности, а ¡н -

нижней поверхности приемо-передающего модуля) составляет Аг„т~ 75 °С (для ковара); Лгтах= 8 °С (для алюминия) и 4 °С (для меди). То есть с

увеличением коэффициента теплопроводности металлического основания максимальная температура нагрева усилителя СВЧ мощности снижается. Наибольший эффект наблюдается при использовании медной пластины. На рис. 6 приведена структура теплового поля ППМ полученная для основания из ковара на основе двухслойной тепловой модели с использованием принципа суперпозиции тепловых полей от различных тепловых источников. Сравнение структур теплового поля, приведенного на рис. 5а и 6, показывает их полную идентичность, что подтверждает вывод о симметричности теплового поля при действии одинаковых по конфигурации, выделяемой тепловой мощности и расположению в ППМ тепловых источников.

а-ковар; б - алюминий; в-медь Рис. 5. Тепловое поле симметричной четверти ППМ для трех типов оснований

Рис. 6. Тепловое поле приемо-передающего модуля (основание из ковара А.т=17 Вт/м К)

Из рис. 6 следует, что наибольший отток тепловой мощности наблюдается в местах расположения активных элементов, что однозначно определяется граничным условием третьего рода, согласно которому тепловой поток от нагретого тела в окружающую среду при постоянстве коэффициента ат максимален в зоне расположения усилителя СВЧ мощности (максимальной температуры нагрева). При удалении от источника тепловой мощности тепловой поток в воздушную среду уменьшается, достигая минимального значения в области х = а. Это означает, что для снижения средней температуры нагрева ППМ необходимо принудительное охлаждение в основном осуществлять в области 0<х<50 мм. При этом необходимо учитывать, что усилители СВЧ мощности МИС находятся в замкнутом корпусе, что приводит к резкому снижению коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением аТь вследствие неподвижности воздуха внутри корпуса, которое приводит к увеличению теплового сопротивления воздушного промежутка между основанием и верхней крышкой корпуса ППМ. Это приводит к резкому снижению теплопередачи тепловой мощности с верхней поверхности в окружающую среду и увеличению максимальной температуры нагрева усилителя СВЧ мощности. Исправить данное положение можно путем интенсификации теплоотдачи с нижней поверхности

ППМ в окружающую среду посредством принудительного воздушного охлаждения и путем увеличения теплопроводности воздушного промежутка в корпусе усилительного модуля. Это можно осуществить посредством заполнения данного промежутка мелкофракционным порошком бериллиевой керамики, обладающей высокой теплопроводностью (Д,=269 Вт/м град), как у алюминия, при этом данный порошок является диэлектриком, что не приводит к изменению электродинамических свойств данного модуля.

На рис. 7 приведены кривые максимальной температуры нагрева !тах источника тепловой мощности (усилителя СВЧ мощности) при вариации коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением в зоне расположения активного элемента для различных материалов в основании МИС (кривая 1 -для ковара; кривая 2 - для алюминия; кривая 3 - для меди). Из рис. 7 легко видеть, что начиная с некоторого значения коэффициента теплоотдачи конвекцией и излучением (аТ>30) существенно больший вклад в снижение максимальной температуры вносит применение оснований с высоким значением коэффициента теплопроводности.

Рис. 7. Зависимость сшшх от «■;■ при различных материалах основания 1 -ковар (17 Вт/м град); 2 -алюминий (210 Вт/м град); 3 -медь (390 Вт/м град)

Рассмотрим тепловое поле выходного усилителя мощности выполненного в виде кристалла монолитной интегральной схемы на подложке из СаАв. В данном устройстве происходит последовательное усиление СВЧ мощности от 1 каскада к 3 каскаду в каждом кристалле МИС. Наибольшая тепловая мощность выделяется на последовательности транзисторных ячеек в третьем каскаде, соответственно и максимальная температура в МИС будет достигаться в этой зоне, что и подтверждает структура теплового поля, приведенная на рис. 8 и 9, рассчитанная с помощью соотношений (3) -(9). Характерной особенностью структуры теплового поля является наличие экстремальных температур (экстремум функции Кг,г)) в зоне расположения усилительных каскадов, при этом минимальная температура соответствует входным каскадам, а максимальная температура нагрева достигается в области расположения выходных усилителей. Соответственно в дан-

ных зонах экстремальны и значения тепловых потоков, определяющих теплообмен нагреваемой монолитной интегральной схемы с окружающей средой. Максимальный теплообмен между нагреваемой МИС с окружающей средой наблюдается в выходной части. Использование медного основания в МИС приводит к значительному уменьшению экстремальных значений температуры нагрева в областях расположения активных элементов рис. 8 вследствие большого оттока тепла из МИС в медную пластину, обладающую высокой теплопроводностью (Хт= 390 Вт/м град).

Рис. 10. Структура теплового поля МИС с учетом влияния ограниченного воздушного промежутка

На рис. 10 приведена структура теплового поля МИС при естественной конвекции в окружающую среду с учетом влияния ограниченного воздушного промежутка (аГ2=Ю Вт/м2 град и аТ!=2 Вт/м2 град). Максимальная температура нагрева в МИС увеличилась по сравнению с ?тмшс> приведенной на рис. 9: А(т1хШС = 10 °С (9,8 %), но не столь значительно. Это связано с тем, что активный элемент МИС (полупроводниковый усилитель мощности на подложке из арсенида галлия (Ят=55 Вт/м град) обладает достаточно низким тепловым сопротивлением Ят=8/Хт (<5=0,1 мм), что увеличивает эффективность теплоотдачи в нижнюю металлическую основу МИС, которое приводит к снижению максимальной температуры нагрева в выходной области МИС).

В разделе 3.2 рассмотрен нестационарный и импульсный режим работы монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР. Работа в импульсном режиме, приводит к увеличению 1МАх в установив-

Рис. 8. Материал основания - ковар

Рис. 9. Материал основания - медь

«ю

шемся режиме при неизменной средней на периоде импульса температуры нагрева - ?с/„ что может привести к выходу из строя усилителя СВЧ мощности в выходной части монолитной интегральной схемы. В импульсном режиме работы монолитной интегральной схемы значение максимальной температуры нагрева активного элемента во многом определяется скважностью и длительностью импульса и средней излучаемой тепловой мощностью. Указанные параметры в основном определяют рабочий режим ППМ, а также выходные характеристики АФАР. Особый интерес представляет тепловое поле в монолитной интегральной схеме выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля в импульсном режиме в области установившейся температуры (т—>оо), поскольку при разработке систем АФАР представляет интерес максимальная температура в МИС, которая и определяет необходимые условия рабочего режима работы ППМ и режима охлаждения. Импульсный режим работы характеризуется периодичностью изменения температуры нагрева в образце, которая определяется следующими соотношениями:

ГИ11„ЛпТ) = Тт,9((п + \)Г), (10)

где п - номер импульса (и»1). Первое соотношение определяет периодическую последовательность минимальной температуры нагрева, а второе соотношение соответственно последовательность максимальной температуры нагрева образца в импульсе.

В данном разделе диссертационной работы приведены соотношения, определяющие минимальную и максимальную температуру нагрева монолитной интегральной схемы выходного усилителя мощности ППМ. Минимальная температура нагрева достигается в момент окончания паузы между импульсами и определяется соотношением

где (1гапр)Ср - средняя на периоде - Т температура нагрева образца. Максимальная температура нагрева МИС достигается в момент окончания действия импульса, то есть при т = пТ+ т1Ш„ и определяется соотношением:

На рис. 11 и 12 приведены кривые импульсного режима работы ППМ в области установившейся температуры (т > пТ, п » 1) для скважности <3=10 и длительности импульса тим = МО"4 с; Ы0"3 с, рассчитанные с помощью соотношений (11) - (12). Легко видеть, что с увеличением длительности импульса максимальная температура нагрева ППМ возрастает, что может привести к перегреву активного элемента. Наиболее удобным для ППМ является импульсный режим с субкоротким импульсом тепловой мощности.

I I

1 -длительность импульса 10"3с; 2 - длительность импульса Ю^с;

3 - непрерывный режим с учетом скважности <3=10

В табл. 1 приведены значения /„„•„ и для МИС ППМ в выходной области монолитной интефальной схемы для субкоротких импульсов длительностью от 1-104 с до 5-10 3 с при скважности () = 10. Средняя мощность на периоде импульсного режима низменна Р„ог=2,52 Вт. Данные табл. 1 позволяют сделать следующее заключение: для ППМ наиболее приемлемым является импульсный режим с субкоротким импульсом до 104 с, при этом отклонение от средней температуры нагрева не превышает 2 °С для МИС на основании из ковара и 0,5 °С на медном основании.

Таблица 1

Материя Длительность Максимальная Минимальная Средняя тем- Градиент темпе-

основания импульса г„„,с. температура (.шД? тшпершураиД? пература^ ратуры AWC

МО"4 178,90 176,86 177,03 2,04

ковар 5-Ю'4 180,70 175,92 177,03 4,78

110"' 182,35 175,35 177,03 6,96

5-КГ* 189,17 172,73 177,03 16.44

МО"4 124,90 124,46 124,57 0,43

медь 5-Ю"4 125,73 124,19 124,57 1,54

110"' 126,22 123,99 124,57 2,23

5Т0"3 128,31 123,02 124,57 5,30

Таким образом, применение металлических пластин с высокой теплопроводностью позволяет существенно снизить разницу между максимальной и минимальной температурой на периоде излучаемого импульса при Т = const, что делает работу приемо-передающего модуля возможной и на более длинных импульсах и более высоком уровне средней тепловой мощности, без перегрева активного элемента, что позволяет увеличить выходную мощность ППМ.

В данной диссертационной работе разработан бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности, основанный на температурной зависимости подвижности основных носителей заряда в активной области полевого транзистора. Усилитель мощности, используемый в исследуемом приемо-передающем модуле, содержит встроенную схему (рис. 13) формирования напряжения смещения транзисторных ячеек. В дан-

ной схеме используется точно такая же транзисторная ячейка, что и в основных усилительных каскадах, но работающая в режиме насыщения. В диссертационной работе показано, что температурную зависимость тока насыщения можно представить в виде

/,(„.(Г) = ДГ, (13)

где Л/ - множитель, не зависящий или слабо зависящий от температуры; р - постоянная, определяемая механизмом рассеивания. Температурная зависимость напряжения соответственно, имеет вид

УК(Т) = ЯА,ТР (14)

Постоянную А/ находим из начальных условий:

А = 1щ>/т0р, (15)

В ходе проведенного исследования из экспериментальных зависимостей 1,1„(Т) определено значение постоянной р по формуле

Р = 1п(^)/1„У, (16)

Для используемых транзисторных структур в диапазоне рабочих температур (20-120 °С) р = -0,7.

Рис. 13. Схема формирования Рис. 14. Экспериментальная

напряжения смещения затвора и теоретическая зависимость Уе(Т)

Предложенный метод позволяет контролировать температуру кристалла посредством измерения напряжения У„ без введения каких либо дополнительных элементов, что позволяет проводить корректировку коэффициента усиления, а при достижении критической температуры отключать питание усилителя до того, как он выйдет из строя из-за перегрева.

Основные результаты и выводы:

1. Показано, что дальнейшее улучшение выходных характеристик БРЛС лежит в области увеличения мощности передатчика ППМ, возможной лишь в случае интенсификации процесса отвода тепла от активного элемента в окружающую среду или охлаждающую жидкость.

2. Для минимизации взаимного паразитного электромагнитного влияния бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке необходимо обеспечить разделение работы приемника и передатчика во времени, то есть использовать импульсный режим работы не только передатчика, но и приемника.

3. Показано, что для обеспечения электромагнитной устойчивости выходного усилителя мощности, выполненного в виде бескорпусной моно-

литной интегральной схемы на GaAs, проектирование цепей питания необходимо проводить с применением расчета их электромагнитных свойств, с целью устранения причин возникновения паразитной обратной связи.

4. Предложенная математическая модель ВКЗТ для монолитных интегральных схем ППМ АФАР наиболее достоверно и полно описывает процессы нагрева, теплопроводности и теплообмена нагреваемых МПС и IIIIM с окружающей средой или охлаждающей жидкостью и позволяет пронести аналитическое исследование обозначенных процессов, а также определим, пути повышения выходной мощности ППМ.

5. Установлено, что уменьшение времени длительности теплового импульса (г1Ш<510Л:) позволяет увеличить выходную СВЧ мощность за счет снижения максимальной температуры нагрева активного элемента МИС па периоде импульсного режима при постоянстве средней температуры /,.,,.

6. Использование в качестве основания ППМ пластин с высокой теплопроводностью позволяет существенно снизить неравномерность теплового поля активного элемента, за счет более быстрого растекания тепла по всей пластине, что позволяет существенно снизить максимальную и среднюю температуру активного элемента.

7. Использование мелкофракционного порошка бериллиевой керамики для заполнения пустот над активным элементом позволяет существенно увеличить тепловой поток, отводимый от активного элемента в окружающую среду с верхней поверхности ППМ без нарушения электромагнитной совместимости бескорпусных элементов.

8. Предложенный бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля АФАР позволяет контролировать температуру в точке расположения активного элемента без нарушения электромагнитной совместимости, что позволяет проводить более точную корректировку выходных параметром ППМ от температуры.

9. Доработка конструкции приемо-передающего модуля в соответствии с предложенными в диссертационной работе рекомендациями, позволяет увеличить максимальный уровень излучаемой СВЧ мощности приемопередающего модуля с 5-7 Вт до 8-10 Вт.

Результаты диссертации опубликованы в следующих работах: В изданиях, рекомендованных ВАК РФ

1. Езопов A.B. Корректировка параметров эквивалентной схемы СВЧ полевого транзистора с затвором Шоттки для разработки усилителя мощности в Х-диапазоне / A.B. Езопов, В.А. Коломейцев // Вестник Саратовского технического университета. 2010. № 3 (48). С. 112-116.

2. Езопов A.B. Разработка метода контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля активной фа шрошшпой антенной решетки / A.B. Езопов, В.А. Коломейцев // Вестник Саратовского технического университета. 2011.№ 1 (52). Вып.1. С. 149-153.

{

3. Езопов A.B. Электромагнитное взаимодействие компонентов приемного и передающего каналов в приемо-передающих модулях АФАР X-диапазона / A.B. Езопов, В.А. Коломейцев // Вестник Саратовского технического университета. 2011. № 2 (55). Вып. 1. С. 17-21.

В других изданиях

4. Езопов A.B. Разработка метода контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля АФАР / В.А. Коломейцев, A.B. Езопов // Инновации и актуальные проблемы техники и технологий: материалы Всерос. науч.-прак. конф. молодых ученых: в 2 т. Т. 1. Саратов, 2010. С. 291-294.

5. Езопов A.B. Адаптивный алгоритм стабилизации температуры при измерении многофункциональных модулей / В.А. Коломейцев, A.B. Езопов // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА: материалы IX науч.-техн. конф. /ФГУП «НПП «Пульсар». М„ 2010. С. 165-167.

6. Езопов A.B. Групповой приемопередающий модуль АФАР Х-диапазона для бортовых РЛС / Э.А. Семенов, A.B. Бугерин, A.B. Иванов, A.B. Езопов // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА: материалы IX науч.-техн. конф. /ФГУП «НПП «Пульсар». М„ 2010. С. 56-58.

7. Езопов A.B. Особенности питания мощных усилителей Х-диапазона в монолитном исполнении / В.А. Коломейцев, A.B. Езопов // Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА: материалы IX науч.-техн. конф. /ФГУП «НПП «Пульсар». М„ 2010. С. 90-92.

8. Езопов A.B. Результаты разработки группового приемопередающего модуля АФАР Х-диапазона / Э.А. Семенов, A.B. Бутерин, A.B. Иванов, A.B. Езопов // Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2010 - 2012 / под ред. Ю.И. Белого. М.: Радиотехника, 2011. С 554-560.

9. Езопов A.B. Метод стабилизации температуры многофункциональных модулей / В.А. Коломейцев, A.B. Езопов // материалы XXIV международной научной конференции ММТТ - 24. Секция 10. Т. 10. Саратов, 2011. С. 105-107.

Подписано в печать 15.11.11 Формат60х84 1/16

Бум. офсет. Усл. печ. л. 1,0 Уч.-изд. л. 1,0

Тираж 100 экз. Заказ 288 Бесплатно

Саратовский государственный технический университет

410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Отсчитано в Издательстве СГТУ. 410054, Саратов, Политехническая ул., 77 Тел.: 24-95-70; 99-87-39, e-mail: izdat@sstu.ru

ВВЕДЕНИЕ.

1. ГЛАВА I. ПЕРСПЕКТИВНЫЕ НАПРАВЛЕНИЯ РАЗВИТИЯ АКТИВНЫХ АНТЕННЫХ ФАЗИРОВАННЫХ РЕШЕТОК БОРТОВЫХ РАДИОЛОКАЦИОННЫХ СТАНЦИЙ Х-ДИАПАЗОНА.

1.1. Критерии повышения функциональных возможностей радиолокационных комплексов X - диапазона.

1.2. Основные задачи улучшения характеристик приемо-передающего модуля активной фазированной решетки Х-диапазона.

1.3. Электромагнитная совместимость и устойчивость компонентов приемо-передающих модулей активных фазированных антенных решеток X-диапазона в условиях сверхплотного монтажа в радиогерметичных отсеках.

2. ГЛАВА II. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ МОДЕЛЬ ПРОЦЕССА ТЕПЛОПЕРЕДАЧИ И НАГРЕВА АКТИВНОГО ЭЛЕМЕНТА ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ АКТИВНОЙ ФАЗИРОВАННОЙ АНТЕННОЙ РЕШЕТКИ И МЕТОДЫ ЕЕ РЕШЕНИЯ.

2.1. Математическая модель процесса теплопередачи и нагрева активного элемента приемо-передающего модуля активной фазированной антенной решетки.

2.2. Алгоритм и программа численного решения совместной внутренней краевой задачи электродинамики и теплопроводности для сложных СВЧ - устройств методом конечных и объемных элементов и методом конечных и объемных разностей.

2.3. Решение внутренней краевой задачи теплопроводности для однослойной и двухслойной модели монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР с поверхностным источником тепловой мощности.

3. ГЛАВА III. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕПЛОВОГО ПОЛЯ МОНОЛИТНОЙ ИНТЕГРАЛЬНОЙ СХЕМЫ УСИЛИТЕЛЯ СВЧ МОЩНОСТИ ПРИ РАЗЛИЧНЫХ РЕЖИМАХ ТЕПЛООБМЕНА С ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДОЙ И ПУТИ СТАБИЛИЗАЦИИ ТЕПЛОВОГО РЕЖИМА РАБОТЫ ПРИЕМО-ПЕРЕДАЮЩЕГО МОДУЛЯ АФАР X-ДИАПАЗОНА.

3.1 Исследование теплового поля монолитной интегральной схемы усилителя СВЧ мощности в установившемся режиме.

3.2 Нестационарный и импульсный режим работы монолитной интегральной схемы приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона.

3.3 Бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности и стабилизация температуры внешней поверхности приемо-передающего модуля АФАР Х-диапазона.

Актуальность темы.

В настоящее время наиболее актуальной и практически важной задачей в радиолокации является повышение уровня излучаемой СВЧ мощности активной фазированной антенной решетки (АФАР). Увеличение излучаемой мощности позволит увеличить дальность обнаружения цели, что предоставит тактическое преимущество' над противником. Для минимизации- боковых лепестков, в АФАР' существует ограничение: шаг решетки не' должен превышать половины длины волны излучаемого СВЧ сигнала. Данное ограничение переходит в требование, предъявляемое к габаритным размерам приемо-передающих модулей (ГШМ) - основных элементов АФАР. Начиная с некоторых частот СВЧ диапазона, ограничение максимально возможного поперечного сечения приемо-передающего1 канала приводит к невозможности использования миниатюрных электровакуумных и корпуссированных твердотельных приборов. Доступной для применения в ППМ элементной базой остаются бескорпусные твердотельные элементы, выполненные в виде монолитных интегральных схем на диэлектрических подложках с высокой диэлектрической проницаемостью. Более низкий КПД твердотельных элементов (в два раза и более) по сравнению с магнетронами и лампами бегущей волны, выдвигает на первый план задачу обеспечения теплового режима. КПД лучших твердотельных усилителей СВЧ мощности составляет ~ 25 % это означает, что 75 % подводимой мощности преобразуется в тепло. Поэтому задача увеличения излучаемой СВЧ мощности сводится к задаче отвода тепловой мощности от активного элемента приемо-передающего модуля.

Особую актуальность данная задача приобретает с появлением монолитных интегральных схем усилителей СВЧ мощности с высоким уровнем мощности - 10 — 15 Вт. Когда уровень доступной элементной базы обеспечивает более высокий уровень излучаемой СВЧ мощности, а конструктивная реализация системы отвода тепла от активного элемента не обеспечивает необходимый режим охлаждения.

Значительный вклад в исследование вопросов проектирования активных фазированных антенных решеток внесли зарубежные ученые - Brookner Е., Horton D.A., Reudink D.O. и др., а таюке российские ученые - Воскресенский Д.И., Гостюхин A.B., Гуськов Ю.Н., Бахрах Л.Д. Белый Ю.И., Глушицкий И.В. и др.

Однако, несмотря на проведенные исследования вопросов проектирования и построения активных фазированных антенных решеток, актуальными и практически важными остаются следующие задачи: интенсификации процесса отвода тепла от активного элемента (монолитной интегральной схем выходного усилителя мощности); измерение температуры активного элемента без нарушения электромагнитной совмести; минимизации паразитного взаимодействия бескорпусных СВЧ элементов приемо-передающего модуля, расположенных в замкнутых радиогерметичных отесеках. Решению вышеперечисленных вопросов и посвящена данная диссертационная работа.

Цель диссертационной работы.

Повышение уровня выходной мощности приемо-передающего модуля посредством интенсификации процесса теплопередачи рассеиваемой в активном элементе приемо-передающего модуля тепловой мощности в окружающую воздушную среду или охлаждающую жидкость.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

- обеспечение электромагнитной совместимости бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов за счет разделения работы данных элементов во времени (импульсный режим работы);

- разработка математической модели процесса нагрева, теплопередачи и теплообмена нагреваемого активного элемента приемо-передающего модуля с окружающей средой;

- решение внутренней краевой задачи теплопроводности для монолитной интегральной схемы и приемо-передающего модуля при различных режимах теплообмена нагреваемого объекта с окружающей средой;

- оптимизация импульсного теплового режима работы приемо-передающего модуля и исследование путей снижения максимальной температуры нагрева активного элемента.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ И ВЫВОДЫ ДИССЕРТАЦИИ

1. Показано, что дальнейшее улучшение выходных характеристик БРЛС лежит в области увеличения мощности передатчика ППМ, возможной лишь в случае интенсификации процесса отвода тепла от активного элемента в окружающую среду или охлаждающую жидкость.

2. Для минимизации взаимного паразитного1 электромагнитного влияния бескорпусных СВЧ элементов приемного и передающего каналов в замкнутом радиогерметичном отсеке необходимо обеспечить разделение работы, приемника и передатчика во времени, то есть использовать импульсныйфежим работы не только передатчика, но и приемника.

3. Показано, что для обеспечения электромагнитной устойчивости выходного усилителя мощности, выполненного в виде бескорпусной, монолитной интегральной схемы на ОаАБ, проектирование цепей питания необходимо проводить с применением расчета их электромагнитных свойств, с целью устранения причин возникновения паразитной обратной связи.

4. Предложенная математическая модель ВКЗТ для монолитных интегральных схем ППМ АФАР наиболее достоверно и полно описывает процессы нагрева, теплопроводности и теплообмена нагреваемых МИС и ППМ с окружающей средой или, охлаждающей жидкостью и позволяет провести аналитическое исследование обозначенных процессов, а также определить пути повышения выходной мощности ППМ.

5. Установлено, что уменьшение времени длительности теплового импульса (тш«<5- 10"4с) позволяет увеличить выходную СВЧ мощность за счет снижения максимальной температуры нагрева активного элемента МИС на периоде импульсного режима при постоянстве средней температуры Iср•

6. Использование в качестве основания ППМ пластин с высокой теплопроводностью позволяет существенно снизить неравномерность теплового поля активного элемента, за счет более быстрого растекания тепла по всей пластине, что позволяет существенно снизить максимальную и среднюю температуру активного элемента.

7. Использование мелкофракционного порошка бериллиевой керамики для заполнения пустот над активным элементом позволяет существенно увеличить тепловой поток, отводимый от активного элемента в окружающую среду с верхней поверхности ППМ без нарушения электромагнитной совместимости бескорпусных элементов.

8. Предложенный бесконтактный метод контроля температуры выходного усилителя мощности приемо-передающего модуля АФАР позволяет контролировать температуру в точке расположения активного элемента без нарушения электромагнитной совместимости, что позволяет проводить более точную корректировку выходных параметром ПХХМ от температуры.

9. Доработка конструкции приемо-передающего модуля в соответствии с предложенными в диссертационной работе рекомендациями, позволяет увеличить максимальный уровень излучаемой СВЧ мощности приемопередающего модуля с 5-7 Вт до 8-10 Вт.

1. Активные фазированные антенные решетки / под ред. Д. И. Воскресенского и А. И. Канащенкова. — М.: Радиотехника, 2004. 488 с.

2. Тезисы докладов 1-й Всероссийской научно-технической конференции по «Проблемам создания перспективной авионики». М., 2002.

3. Устройства СВЧ и антенны. Проектирование фазированных антенных решеток / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радиотехника, 2003.

4. Гостюхин B.JL, Трусов В.Н., Климачев К.Г. и др. Активные фазированные решетки. М.: Радио и связь, 1993.

5. Активные антенные решетки // Сб. «Антенны (современное состояние и проблемы)» М.: Советское радио, 1979.

6. Активные элементы модулей активных решеток // Сб. «Антенны и устройства СВЧ (проектирование фазированных антенных решеток)» / Под ред. Д. И. Воскресенского. М.: Радио и связь, 1981.

7. Гостюхин B.JL, Гринева К.И., Трусов В.Н. Вопросы проектирования активных ФАР с использованием ЭВМ. М.: Радио и связь, 1983.

8. Иммореев И .Я. Опыт разработки твердотельных отечественных PJIC ПВО. Вопросы специальной радиоэлектроники. Сер. Радиолокационная техника, 1991, вып. 22.

9. Шифрин Я.С. Вопросы статистической теории антенн. М.: Советское радио, 1970.

10. Active Electronically Steered Arrays. 2010. URL: http://www.ausairpower.net/aesa-intro.html (дата обращения: 16.03.2011)

11. Воскресенский Д.И., Овчинникова E.B. Развитие бортовых антенных систем. // Материалы 15-ой международной крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 2005, Севастополь.

12. Воскресенский Д.И., Гостюхин B.JL, Климачев К.Г. Бортовые твердотельные активные ФАР. Изв. Вузов СССР. Сер. Радиоэлектроника, 1988, т. 31, №2, с. 4-14.

13. Радоилокационные системы специального и гражданского назначения. 2010-2012 / Под ред. Ю.И. Белого. -М.: Радиотехника, 2011. 920 е.: ил.

14. Дудник П.И., Кондратенков Г.С., Татарский Б.Г., Ильчук А.Р., Герасимов A.A. Авиационные радиолокационные комплексы и системы / под. ред. П.И. Дудника. М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. 2006.

15. Гостюхин B.JL, Трусов В.Н., Гостюхин A.B. Активные фазированные антенные решетки / Под. ред. B.JI. Гостюхина — М.: Радиотехника 2010.

16. Труды юбилейной научно-технич. конференции, посвященной 30-летию образования ЦНИИРЭС, М., 2001.

17. Слока В.К., Васин В.И. Цифровая интеллектуальная ФАР — перспективная технология для радиолокационных и радиоинформационных комплексов XXI века // Сб. «Вестник Московского авиационного института», 2000, т. 7,№ 1.

18. Transmit/receive modules. 2010. URL: http://www.microwavesl01.com/encyclopediaytransmitreceivemodules.cfiTi (дата обращения: 16.03.2011)

19. Ein neues Radar für den Eurofighter "CAPTOR-E" ready für Tranche 3. 2010. URL: http://www.airpower.at/news06/0922 captor-e/index.html (дата обращения: 10.03.2011)

20. И. Викулов, Н. Кичаева Технология GaAs-монолитных схем СВЧ в зарубежной военной технике. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2007 №2.

21. Зарубежные бортовые PJIC самолетов тактической авиации 4+ и 5 поколений. URL: http://www.avia.ru/press/10556/ (дата обращения 27.03.2011)

22. Phazotron Zhuk. / AE/ASE Assessing Russia's First AESA. 2010. URL: http://www.ausairpower.net/APA-Zhuk-AE-Analysis.html (дата обращения: 18.03.2011)

23. Flanker Radars in Beyond Visual Range Air Combat. 2010. URL: http://www.ausai rpower.net/APA-Flanker-Radars.html#mozTocId533477 (дата обращения: 05.03.2011)

24. Манченко JI.B., Пчелин В.А., Трегубов В. Б. Двухкаскадный усилитель мощности Х-диапазона на гетероструктураных полевых транзисторах ФГУП

25. Hlill «Исток». // Материалы 20-ой международной крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 2010, Севастополь.

26. Васильев Я.О., Манченко JI.B., Пчелин В.А., Трегубов В.Б. Усилители мощности для АФАР Х-диапазона в ГИС исполнении. ». // Материалы 17-ой' международной крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 2007, Севастополь.

27. Капралова A.A., Пчелин В.А., Трегубов В.Б. Внутрисогласованный транзистор Х-диапазона с выходной мощностью 14 Вт. »; // Материалы 20-ой международной крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 2010, Севастополь.

28. XP1006-BD 8.5-11.0 GHz GaAs MMIC Power Amplifier. 2010. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.mimixasia.com/pdf/xp1006-BD ASIA.pdf (дата обращения: 16.03.2011)

29. X Band Ultra Low Noise Amplifier. 2010. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.triquint.com/prodserv/more info/download.aspx?f ile=/docs/t/TGA2600/TGA2600.pdf (дата обращения: 20.03.2011).

30. XZ1002-BD 8.5-11.0 GHz GaAs MMIC Core Chip. 2010. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. URL: http://www.mimixasia.com/pdf/XZ10Q2-BD.pdf (дата обращения: 14.03.2011)

31. Ю. Мякишев, В. Гуляев, К. Журавлев Квазимонолитные интегральные СВЧ-схемы: технология и приборы. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2006 №6.

32. Электронная энциклопедия. Чистые комнаты. URL:http://ru.wikipedia.org/wiki/4HCTbie помещения (дата обращения 30.03.2011)

33. Глазунов В., Гуляев В., Зыкова Г., Мякишев Ю., Чалый В. Двухкаскадный AlGaN/GaN усилитель Х-диапазона. ». // Материалы 20-ой международной'крымской конференции «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» 2010, Севастополь.

34. И. Викулов GaN-микросхемы приемопередающих модулей АФАР: Европейские разработки. // Электроника: Наука, Технология, Бизнес 2009 №7.

35. Shuh Р. et al. GaN MMIC Based T/R-Module Front-End for X-band Applications. Proceedings of the 3rd European Microwave Integrated Circuits

36. X Band Low Noise Amplifier. Систем, требования: Adobe Acrobat Reader. http://www.triquint.com/prodserv/moreinfo/download.aspx?file;=/docs/t/TGA2511/ TGA2511.pdf (дата обращения 15.02.2011)

37. Глушицкий И.В., Зайченко И.И., Лапин Л.М., Холодов В.Ф. Проблемы отвода тепла в элементах активных антенных решеток // Наукоемкие технологии. 2005. Т. 6 № 2.

38. Глушицкий И.В., Зайченко И.И. Конструктивные особенности устройств охлаждения для бортовых АФАР // Антенны. 2008. вып. № 9 (136).

39. Глушицкий И.В. Охлаждение бортовой аппаратуры авиационной техники. М.: Машиностроение. 1987.

40. Дан. П.Д., Рей Д.А. Тепловые трубы. Пер. с англ.: М.: Энергия 1979. 272 е., ил. •

41. Лапин Л.М., Насыров Г.Х., Зайченко И.И., Благовещенский A.A. Исследование теплового режима элементарной ячейки АФАР //

42. Радиолокационные системы специального и гражданского назначения. 2010 -2012 / Под. ред. Ю.И. Белого М.: Радиотехника, 2011. - с. 731 - 735.

43. В. В. Пасынков «Полупроводниковые приборы. Учебное пособие» В. В. Пасынков, JI. К. Чиркин, 2009.

44. Исаченко В.П., Осипова В.А., Сукомел A.C. Теплопередача. М.: «Энергия», 1969. 440 с.

45. Лыков A.B. Теория теплопроводности. Москва: Гостехиздат, 1952. 392 с.

46. Михеев М.А. Основы теплоотдачи. Москва: Госэнергоиздат, 1956. 356 с.

47. Кудрявцев Е.В., Чекалев К.Н., Шумаков Н.В. Нестационарный теплообмен М. -Л, АН СССР 1961, 158 с.

48. Михеев В.А., Михеева И.М. Основы теплопередачи. М. «Энергия», 1973. 320 с.

49. Пехович А.И., Жидких В.М. Расчеты теплового режима твердых тел. Л., «Энергия», 1976. 352 с.

50. Юдаев Б.Н. Техническая термодинамика. Теплопередача. М.: Высшая школа. 1988. 479 с.

51. Мучник Г.Ф. Методы теории теплообмена: В двух частях. / Г.Ф. Мучнин, И.Б. Рубашов // Москва: Высшая школа часть 1, 1970. 288 с; часть 2, 1974. 270 с.

52. Уонг X. Основные формулы и данные по теплообмену для инженеров. М.: Мир, 1979. 212 с.

53. Дульнев Т.Н. Тепло и массообмен в электронной аппаратуре. М.: Высшая школа, 1984. 374 с.

54. Кутателадзе С.С., Боришанский В.М. Справочник по теплопередаче./ С.С. Кутателадзе, В.М. Боришанский//Москва: Госэнергоиздат, 1959. 426 с.

55. Пехович А.И. Приложение принципа взаимности к решению задач теплопроводности. «Известия ВНИИГ». 1969. т. 91. с. 349-361.

56. Болгарский A.B., Термодинамика и теплопередача. / A.B. Болгарский, Г.А. Мухачев, В.К. Щукин // М.: Энергия, 1975. 293 с.

57. Григорьев А.Д. Электродинамика и техника СВЧ / А.Д. Григорьев // М.: Высшая школа, 1990. 335 с.

58. Пименов Ю.В. Техническая электродинамика / Ю.В. Пименов. В.Н. Вольман, А.Д. Муравцов // М.: Радио и связь, 2000. 536 с.

59. Анго А. Математика для электро и радиоинженеров. —М: Наука. Главная ред. физ-мат. лит. 1965.

60. Краснюк Н.П., Дымович Н.Д. Электродинамика и распространение радиоволн. / Н.П. Краснюк, Н.Д. Дымович // М.:Изд-во «Наука». Глав. ред. физ.-мат. лит. 1970. 720 с.

61. Коломейцев В. А. Взаимодействие электромагнитных волн с поглощающими средами и специальные СВЧ системы равномерного нагрева / В.А. Коломейцев // Диссертация на соискание ученой степени доктора технических наук. Саратов: СГТУД999 г. 439 с.

62. Марков Г.Т. Возбуждение электромагнитных волн / Г.Т. Марков, А.Ф. Чаплин // М.: Энергия, 1967. 376 с.

63. Фальковский О.Н. Техническая электродинамика / О.Н. Фальковский // М.: Связь, 1978. 432 с.

64. Вайштейн JI.A. Электромагнитные волны. М.: Радио и связь, 1988. 440 с.

65. Калинин В.И., Герштейн Г.М. Введение в радиофизику. М: Гостехиздат. 1957. 656 с.

66. Никольский В.В., Никольская Т.Н. Электродинамика и распространение радиоволн: учеб. пособие для ВУЗов. -3-е изд. -М.: Наука. Глав. ред. физ.-мат. лит., 1989. 544 с.

67. Шорин С.Н. Теплопередача. Москва: Высшая школа, 1964. 490 с.

68. Кондратьев Г.М. Регулярный тепловой режим. ГИТТЛ. 1954. 297 с.

69. Коломейцев В.А., Комаров В.В. Микроволновые системы с равномерным нагревом. Саратов: Изд-во СГТУ. 1997. 160 с.

70. Сегерленд Л. Применение метода конечных элементов. М.: Мир, 1979. 392 с.

71. Сильвестр П., Феррари. Р. Метод конечных элементов для радиоинженеров и инженеров электриков /П.Сильвестр, Р.Феррари // Москва: Мир, 1986. 229 с.

72. Сабониадьер Ж.К., Кулон Ж.Л. Метод конечных элементов и САПР. -М.: Мир, 1989. 190 с.

73. Галлагер Р. Метод конечных элементов. Основы. М.: Мир, 1984. 428 с.

74. Поршнев C.B. Вычислительная математика / C.B. Поршнев // Курс лекций. СПб.: БХВ-Петербург, 2004. 320 с.

75. Вержбицкий В.М. Численные методы. Линейная алгебра и нелинейные уравнения / В.М. Вержбицкий / М.: Высшая школа, 2000. 206 с.

76. Марчук Г.И. Методы вычислительной математики / Г.Н. Марчук // М.: Наука, 1989. 608 с.

77. Webb J.P. Finite element analysis of dispersion in waveguides with sharp metal edges / J.P. Webb // IEEE. Trans, 1988. V. MTT 36, №12. p. 1819-1824.

78. Soriano V. Finite elements and finite difference formulation for microwave heating laminar material / V. Soriano, C. Devese, de hos Reges // Int. J. Microwave Power and Electromagnetic Energy, 1998. Vol. 33, №2. p. 67-76.

79. Хомяков C.B. Моделирование СВЧ нагревательных установок с равномерным объемным тепловыделением на волноводах сложных сечений, частично заполненных поглощающим материалом / С.В. Хомяков / диссертация канд. физ.-мат. наук, Саратов, 1999. 157 с.

80. Блейхут П. Быстрые алгоритмы цифровой обработки сигналов: пер. с англ. / П. Блейхут // М.: Мир. 1989. 448 с.

81. Форстайт Дж. Машинные методы математических вычислений / Дж. Форстайт, М. Мальком, К. Мольер // М.: Мир, 1980. 250 с.

82. Шакин В.К. СВЧ устройства равномерного нагрева диэлектрических материалов на основе квазистационарных'волноведущих структур: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. — Саратов: СГТУ, 2004. с.231.

83. Салахов Т.Р. Процесс взаимодействия электромагнитных волн с термопараметрическими материалами в волноводных и резонаторных структурах: диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов: СГТУ, 2004. 200 с.

84. Dillon В. Comparison of formulations for the vector finite elements analysis of waveguides /В. Dillon, J.P. Webb// IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques. 1994. Vol. 42 №2. P. 308-316.

85. Corzani Т. The finite element method via weighted residual principle for the analysis of closed waveguides contain lossy media. /Т. Corzani, L. Mania, E. Valentinuzzi// Alta Frequenra. 1981. Vol. 50 №1. P. 17-22.

86. Miniowitz R. Covariant protection quadrilateral elements for analysis of waveguides with sharp edges /R.Miniowitz, J.P. Webb // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 1991. Vol. 39, №3. P. 501-505.

87. Rahman B.M. Penalty function improvement of waveguide solution by finiteelements. /В.М. Rahman, J.B. Davies // IEEE Trans. Microwave Theory and Techniques, 1984. Vol. 32, №8. P. 922-928.

88. Воеводин B.B Матрицы и вычисления / B.B. Воеводин, Ю.А. Кузнецов // М.: Наука, 1984. 320 с.ч

89. Dibben D.C, Metaxas А.С. Finite elements time domain analysis of multimode applicators using edre elements / D.C. Dibben, A.C Metaxas // Int. J. Microwave power and Electromagnetic Energy. 1984. Vol. 29 №4. P. 242-251.

90. Железняк A.P. СВЧ устройства на основе волноводов сложного <■ поперечного сечения для равномерного нагрева диэлектрических материалов /

91. А.Р. Железняк // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов: СГТУ, 2001г. с. 249.

92. Семенов А.Э. СВЧ нагревательные устройства резонаторного типа с регулируемым подводом электромагнитной мощности. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. Саратов: 2008г. 180 с.

93. Самарский А.А. Теория разностных схем. М.: Наука. 1977. 656 с.

94. Зенкевич О. Конечные элементы и аппроксимации / О. Зенкевич, К. Морган//М.: Мир, 1986. 318 с.

95. Г.Н. Дульнев. Применение ЭВМ для решения задач теплообмена. / Г.Н. Дульнев, В.Г. Парфенов, A.B. Сиганов // М.: Высшая школа, 1990. 208 с.

96. М. Шур «Современные приборы на основе арсенида галлия» М. Шур, Москва «Мир» 1991.

97. B.JI. Бонч-Бруевич «Физика полупроводников» B.JI. Бонч-Бруевич, С.Г. Калашников, Москва «Наука» 1991.

98. Цифровое регулирование мощности, http://www. 123avr.com/z08.htm.

99. Хоровиц П., Хилл У. Искусство схемотехники М.: Мир, 1993.