автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:СВЧ твердотельные приемные модули на GaN и SiGe гибридных и монолитных интегральных схемах

На правах рукописи

Перевезенцев Александр Владимирович

СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНЫЕ МОДУЛИ НА GaN и 81Се ГИБРИДНЫХ И МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

Специальность:

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

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 с ;.;/.: -г-

005017484

Москва-2012

005017484

Работа выполнена в Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Пульсар».

Научный руководитель:

доктор технических наук, старший научный сотрудник Колковский Юрий Владимирович

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Жиган Игорь Платонович, ОАО «КБ «Кунцево»,

заместитель генерального директора-технический директор

кандидат технических наук, старший научный сотрудник Савельев Юрий Николаевич, филиал ФБУ «46 ЦНИИ Минобороны России», ведущий научный сотрудник

Ведущая организация:

ФГУП «НИИМА «ПРОГРЕСС», г. Москва

Защита состоится «23» мая 2012 г. в 14 часов на заседании диссертационного совета Д 409.004.01 при Федеральном государственном унитарном предприятии «Научно-производственное предприятие «Пульсар» (конференц-зал) в г. Москва, 105187, Окружной поезд, д. 27

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Федерального государственного унитарного предприятия «Научно-производственное предприятие «Пульсар».

Автореферат разослан апреля 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 409Д)0Д.01 кандидат технических наук ¿г Филатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Данная работа посвящена методам создания СВЧ твердотельных приемных модулей (ТПМ) класса «система в корпусе» с транзисторами на основе новых полупроводниковых материалов.

СВЧ модули класса «система в корпусе» (СВК) определяются, как функционально-законченные устройства, обладающие следующими основными признаками [Л 1 ]:

- реализацией основных характеристик в СВЧ тракте со стандартным волновым сопротивлением;

- самодиагностикой и управлением характеристиками;

- связью по цифровому интерфейсу с центральным процессором радиоэлектронной системы (РЭС);

- изготовлением по единой микроэлектронной технологии;

- обеспечением внутренней электромагнитной совместимости и тепловых режимов работы.

Основными предпосылками перехода на СВЧ СВК в настоящее время являются:

- изменение внутренней структуры современных РЭС, обусловленное внедрением распределенных систем класса АФАР (антенных фазированных решеток), состоящих из большого количества одинаковых функционально-законченных управляемых блоков;

- непрерывно возрастающие требования к увеличению функций РЭС при уменьшении массо-габаритных характеристик;

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

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

Анализ основных факторов, влияющих на качество приема сигналов СВЧ твердотельных приемных модулей (ТПМ) и состояния разработок современных ГИС и МИС на новых полупроводниковых материалах БЮе и СаЫ показал, что для обеспечения высокого качества приема сигналов с различными типами модуляций необходимо решить задачу создания СВЧ ТПМ на ваК и 81Се ГИС и МИС.

Это позволит не только обеспечить высокое качество работы современных радиоэлектронных средств, но и реализовать СВЧ ТПМ с минимальными массогабаритными характеристиками.

Наиболее актуально решение этой задачи для С- и X-диапазонов, где возможности кремниевой технологии практически исчерпаны. В Б-диапазоне при реализации СВЧ ТПМ с преобразованиями частоты МИС на 8Юе можно обеспечить меньший уровень коэффициента шума по сравнению с МИС на из-за более высокого значения граничной частоты /г, а также меньшее потребление.

Особенно важно отметить необходимость создания линейных МШУ, УВЧ и смесителей на ваМ для обеспечения высокого качества приема сигналов в присутствии мощных несинхронных помех.

Задача построения СВЧ приемных модулей сигналов должна решаться не только по критерию высокого качества приема сигналов, но и с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.

Решению актуальной задачи обеспечения высокого качества приема СВЧ сигналов на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Цель работы

Целью данной работы является решение актуальной научной задачи разработки СВЧ твердотельных приемников на СаЫ и 81Се монолитных и гибридных интегральных схемах (микромодулях), а также - определение требований

к их элементной базе, для реализации минимальных массо-габаритных характеристик и повышения эффективности специальных радиоэлектронных систем.

Для достижения поставленной цели в работе:

1) проведен анализ основных факторов, влияющих на качество приема СВЧ сигналов в современных радиоэлектронных системах;

2) выполнен теоретический анализ и проведено моделирование МШУ и фазовращателей СВЧ твердотельных приемников АФАР на ваТ^! и 810е транзисторах и МИС при воздействии шумов и помех высокого уровня;

3) выполнен теоретический анализ и проведено моделирование преобразователей частоты на 81Се для СВЧ твердотельных приемников по критериям минимизации уровня фазового и амплитудного шума;

4) проведен комплекс экспериментальных исследований и внедрения в специальную аппаратуру оптимизированных СВЧ твердотельных приемников на основе ваК и SiGe приборов.

Научная новизна

1. Установлено, что применение в БЮе СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ аттенюатора квадратурных каналов с дискретным изменением величины коэффициента передачи благодаря низкой крутизне преобразования «помеха-частота» позволяет повысить чувствительность приема фазо-кодированных и частотно-кодированных (ФКМ и ЧКМ) сигналов СВЧ ТПМ АФАР на 10 дБ по сравнению с ТПМ, использующим векторный фазовращатель, усилители квадратур которого управляются аналоговым сигналом.

2. Определены предельно достижимые значения спектральной плотности фазового шума (СПФШ)

50дБ/Гц, ограничивающей чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов при заданном минимальном дискрете переключения фазы Дф=6° для СВЧ фазовращателя векторного типа С-диапазона.

3. Показано, что применение СаЫ МШУ в СВЧ ТПМ позволяет увеличить чувствительность приемников на

1,5дБ в присутствии асинхронных СВЧ помех мощностью до 30 Вт и уменьшить массо-габаритные характеристики ППМ АФАР наЮ-15% по сравнению с ТПМ, использующим МШУ на ваАБ транзисторах с устройством защиты.

4. Показано, что применение в СВЧ ТПМ приёмнике с рабочей частотой « 4 ГГц 81Се СБИС СВЧ приемного тракта позволяет обеспечить снижение коэффициента шума на 1,5 дБ по сравнению СБИС СВЧ приёмником. Снижение коэффициента шума достигается за счет на порядок большей граничной частоты 81Се транзисторов Га, поскольку коэффициент шума на рабочих частотах, составляющих более 30% от граничной частоты (Гр>0.3Га), растет пропорционально квадрату частоты.

5. Установлено, что применение 8Юе СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) в гетеродине СВЧ ТПМ с преобразованием частоты позволяет повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов более чем на ЮдБ по сравнению с Б! СВЧ МИС и на 20дБ по сравнению с ваАз СВЧ МИС. Повышение чувствительности достигается из-за меньшего значения низкочастотного шума 81Се МИС гетеродина.

Практическая значимость

1 .Разработаны и внедрены новые практические методы проектирования СВЧ твердотельных приемных модулей на СаК и 81Се МИС и ГИС, которые позволяют повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов при воздействии шумов и помех при минимальных массо-габаритных характеристиках аппаратуры.

2. Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы:

- при разработке и серийном выпуске ППМ АФАР 8-диапазона БКВП.434856.029;

- при разработке и серийном выпуске ППМ АФАР С-диапазона БКВП.434857.004;

- при разработке и серийном выпуске СВЧ ТПМ X-диапазона БКВП.464335.003.

На защиту автором выносятся следующие научные положения

1. Применение СВЧ аттенюатора с дискретным изменением величины коэффициента передачи в 81Се СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ ТПМ АФАР позволяет, благодаря низкой крутизне преобразования «помеха-частота», повысить чувствительность приема фазо- и частотно-кодированных (ФКМ и ЧКМ) сигналов СВЧ ТПМ АФАР на 10 дБ по сравнению с ТПМ, использующим векторный фазовращатель, усилители квадратур которого управляются аналоговым сигналом, формируемым цифро-аналоговым преобразователем.

2. Выбор йаМ транзистора в качестве активного прибора малошумящего усилителя позволяет повысить чувствительность приема на 1,5дБ в присутствии асинхронных СВЧ помех мощностью до 30 Вт и уменьшить массо-габаритные характеристики ППМ АФАР наЮ-15% по сравнению с ТПМ, использующим МШУ на СаАэ транзисторах с устройством защиты.

3. Использование в СВЧ ТПМ приёмнике с рабочей частотой Гр = 4 ГГц 81Се СБИС СВЧ приемного тракта позволяет обеспечить снижение коэффициента шума на 10 дБ по сравнению СБИС СВЧ приёмником.

4. Выбор 81Се СВЧ монолитных интегральных схем для гетеродина СВЧ ТПМ с преобразованием частоты позволяет повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов более чем на ЮдБ по сравнению с Б! СВЧ МИС и на 20дБ по сравнению с ваАз СВЧ МИС.

Апробация работы

Содержание и результаты работы доложены и обсуждены на 5 научно-технических конференциях.

На «VI научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Владимир, 2007.

На «VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки

РЭА», Москва, 2008.

На «VIII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 2009.

На «IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, 2010.

На «X научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 2011.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 14 печатных работ, в том числе 2 работы опубликованы в рецензируемых журналах, включенных в Перечень ВАК для опубликования основных научных результатов диссертаций.

Вклад автора в результаты работы

Основные теоретические результаты получены автором самостоятельно и опубликованы без соавторов. Во всех экспериментальных исследованиях автор принимал непосредственное участие в части постановки и обсуждения результатов экспериментов, а также их внедрения, являясь главным конструктором и заместителем главного конструктора ряда ОКР.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и оглавления. Работа содержит 115 страниц текста, включая 73 рисунка и фотографий и список литературы из 122 наименований.

ОСНОВНОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность темы диссертации, формулируется цель работы и задачи исследования. Приводятся научная новизна, положения, выносимые на защиту, и практическая значимость работы.

В первой главе рассмотрены состояние и актуальные проблемы обеспечения высокой чувствительности приема СВЧ сигналов в современных радиоэлектронных системах.

Проведен обзор основных типов модуляции СВЧ сигналов современных РЭС и проанализированы основные физические механизмы, снижающие чувствительность приема сигналов с различными типами модуляции. Рассмотрены модели описания воздействий источников шума в СВЧ твердотельных приемных модулях.

Проанализированы принципы и схемы построения СВЧ приемников АФАР и СВЧ приемников с преобразованием частоты, а также современный уровень активной элементной базы GaN и 81Се для СВЧ твердотельных приемных модулей.

На основании проведенного анализа сформулированы цель и задача, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе приводятся результаты теоретического анализа и моделирования СВЧ твердотельных приемных модулей для ППМ АФАР при воздействии шумов и СВЧ помех высокого уровня мощности.

Проведенный анализ показал, что применение ОаИ СВЧ транзисторов в малошумящих усилителях (МШУ) твердотельных приемных модулей (ТПМ) АФАР позволяет повысить чувствительность приема сигналов, снизив вклад прямых потерь устройства защиты Кпп в суммарный коэффициент шума приемника Кшпрм- Этот результат обусловлен тем, что ваК СВЧ транзисторы обладают большей устойчивостью к воздействию СВЧ мощности (рис.1), что позволяет в ряде применений исключить устройство защиты (УЗ) или существенно снизить требования к уровню просачивающейся СВЧ мощности.

КШ!дБ

3

6 i

5

2 3 4 i i * 7 i

. i

1 FJS>,BT

0,05 0,1 0,15 0,2

30

Рис.1. Взаимосвязь минимального коэффициента шума (Кш мин.) и максимальной допустимой ВХОДНОЙ МОЩНОСТИ (Р^х) 1- SKY65050-372LF (GaAs рНЕМТ транзистор);

2 - 3ri324(GaAs FET транзистор);

3 - XL5017(GaAs рНЕМТ МИС);

4- CF001-01 (GaAs HEMT транзистор);

5 - MAAM71200-Hl(GaAs HEMT МИС);

6 - 3n604(GaAs FET транзистор);

7 - ЗПШ 988A(GaN HEMT транзистор)

Минимизация коэффициента шума СВЧ приемника Прм достигается выбором входного СВЧ транзистора МШУ, который должен учитывать не только минимальный коэффициент шума СВЧ транзистора КшЬ но и величину прямых потерь устройства защиты Кпп. Требования минимизации KUIi, Кпп и увеличение Рмах являются взаимно-противоречивыми, и в зависимости от заданного уровня помех на входе приемника величина коэффициента шума приемника Кш ПрМ оудет различной (рис.2).

Кш, прм,дБ 4,0'

2

2,0 1,0 0,0

Р„ Вт

о

10

30

100

Рис.2. Зависимость КШпрм от величины заданного уровня максимальных помех Рп для различных ваАз СВЧ транзисторов: 1- 8КУ65050-372ЬР; 2 - ЗПЭ07; 3 - СР001-01 и ваИ СВЧ транзистора 4 - ЗПШ 988А

ю

|

Существенное увеличение максимального уровня мощности, при котором СВЧ транзистор сохраняет работоспособность, достигается при использовании ОаЫ СВЧ транзисторов из-за увеличения более чем на порядок пробивных напряжений. Это обеспечивает выигрыш по коэффициенту шума при работе в присутствии синхронных и асинхронных помех причем, чем больше величина воздействующей на приемник СВЧ помехи, тем больше выигрыш от использования ОаЫ СВЧ транзистора (рис.2).

Моделирование усилителей высокой частоты (УВЧ) на БЮе показало, что основные достоинства УВЧнаБЮе: высокая плотность упаковки, малое потребление, совмещение в одном кристалле аналоговых и цифровых схем находят свое применение в следующих за МШУ каскадах ТПМ. По результатам моделирования разработаны широкополосные УВЧ С и X диапазонов (табл.1 и 2).

Таблица 1

Результаты измерений основных параметров УВЧ С-диапазона

Параметр Технология МИС Значение параметра

Рабочая частота ГГц 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0

Коэффициент шума Кш, дБ 8Юе 2,5 2,3 2,3 2,1 2,2 2,4 2,7

81 3,5 3,4 3,4 3,5 3,7 3,8 4,0

Коэффициент усиления КР, ДБ 8Юе 22,0 24,0 24,5 23,5 22,5 21,0 19,0

21,0 22,0 22,5 22,5 19,5 18,0 16,0

Потребляемая мощность Рп, мВт 8Юе 60

81 100

Таблица 2

Результаты измерений основных параметров УВЧ Х- диапазона

Параметр Частота, ГГц 8,0 10,0 11,0

Коэффициент усиления. дБ ' 27 23 20

Коэффициент шума, дБ 2,6 3,3 3,6

Развязка, дБ -36 -41 -42

КСВН по входу 2,7 2.6 4

КСВ11 по выходу 1,5 1,7 1,9

Показано, что при анализе СВЧ твердотельных приемных модулей для ППМ АФАР, основным источником фазового шума, ограничивающего чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов, является СВЧ фазовращатель, формирующий диаграмму направленности АФАР.

При моделировании анализировались две основные схемы построения фазовращателей: СВЧ фазовращатель, реализуемый переключением линий задержки и фазовращатель «векторного типа.

Сравнение частотных зависимостей двух типов фазовращателей показало, что фазовращатель векторного типа обеспечивает высокую равномерность значений основных параметров в рабочем диапазоне частот (рис.3,6 и 4,6).

Аф, лф;

Рис.3. Частотные зависимости относительного изменения фазы в основных состояниях для СВЧ фазовращателя с переключаемыми ФВЧ и ФНЧ секциями (а) и векторного фазовращателя (б)

Рис.4. Частотные зависимости коэффициента усиления во всех состояниях для СВЧ фазовращателя с переключаемыми ФВЧ и ФНЧ секциями (а) и векторного фазовращателя (б)

Основным недостатком векторного фазовращателя с аналоговой перестройкой усиления, использующего в качестве регулятора усилитель, управляемый цифро-аналоговым преобразователем (ЦАП), является резкое возрастание уровня спектральной плотности фазового шума (СПФШ) выходного сигнала ТПМ по сравнению с СПФШ ТПМ с фазовращателем, использующим переключение ФНЧ и ФВЧ секций (рис.5),

дБТц

102 1 03 1 0' Ю'

Рис. 5. Зависимости СПФШ выходного сигнала ТПМ: с фазовращателем, использующим переключение ФНЧ и ФВЧ секций (1) и с векторным фазовращателем, управляемым

ЦАП (2)

Для исключения возрастания ФМ шума необходимо минимизировать крутизну преобразования «напряжение-амплитуда» квадратурных сигналов векторного фазовращателя, что достигается использованием в схеме векторного фазовращателя (рис. 6) дискретных аттенюаторов.

Б(Гга), дБ/Гц

Рис.6. Зависимости спектральной плотности фазового шума 8ф(Гт)на выходе СВЧ фазовращателей, построенных по принципу векторного сложения ортогональных сигналов, с дискретным (1) и непрерывным (2) переключением ослабления управляющих аттенюаторов

Замена в регуляторе фазы аналогового СВЧ аттенюатора на дискретный аттенюатор с минимальной величиной дискрета переключения ЛКр=0.5 дБ позволяет снизить уровень фазового шума СВЧ ТПМ на 10 дБ.

Установлено, что схема СВЧ фазовращателя «векторного» типа с дискретным СВЧ аттенюатором имеет меньший уровень фазового шума по сравнению с СВЧ фазовращателем, реализуемым переключением линий задержки (рис.5), что объясняется дополнительным фазовым шумом, вносимым усилителем, компенсирующим потерн линий задержки различной длины.

В третьей главе приводятся результаты теоретического анализа и моделирования СВЧ твердотельных приемных модулей с преобразованием частоты при воздействии помех и шумов.

Проведенный анализ активных смесителей и усилителей на основе 810е интегральных схем показал возможность создания СБИС СВЧ приёмника с рабочей частотой до 11 ГГц (табл.3).

Таблица 3

Наименование параметра Результаты моделирования Результаты измерения

Коэффициент преобразования Кпр, дБ 16,3 11,85

Коэффициент шума Кш, дБ 12,3 15,5

КСВН СВЧ входа КСВНКР 2,75 4,2

КСВН гетеродинного СВЧ входа КСВНш 2,9 3,8

Ток потребления 1п, мА 18,1 18,6

Размер кристалла (мкм2) 459x523

Минимизация коэффициента шума 81Се интегральной схемы достигается использованием транзистора с минимальным сопротивлением базы п> и с максимально большим коэффициентом усиления по току на низкой частоте (по постоянному току) аос-

Показано, что на рабочих частотах /р, существенно меньших граничной частоты /а, (/р ~ 0.1/а) коэффициент шума не зависит от частоты, а при более высоких значениях рабочей частоты (/р > 0.1/а) коэффициент шума растет пропорционально квадрату частоты. Это определяет преимущества 8Юе интегральных схем перед кремниевыми при создании СБИС СВЧ приёмника.

Минимизация тока потребления в разработанных усилителях достигается применением резонансного контура в качестве частотно-зависимого входного импеданса второго каскада, который также определяет полосу пропускания усилителя.

Проведена оптимизация структуры синтезатора прямого цифрового синтеза частоты (ПЦСЧ) гетеродина ТПМ на 810е, показавшая, что:

- биения периодического процесса усечения фазового кода с сигналом опорной частоты приводит к возникновению побочных составляющих в спектре синтезатора ПЦСЧ;

- для снижения уровня дискретных составляющих в радиочастотном спектре сигнала синтезатора ПЦСЧ, возникающих из-за огрубления кода фазы, необходимо увеличение разрядности ПЗУ кода фазы или разбиение рабочего диапазона на переключаемые поддиапазоны с дополнительной фильтрацией пьезоэлектрическими фильтрами на поверхностных акустических волнах (ПАВ);

- при выполнении условия /р « /с1к для подавления дискретных составляющих в радиочастотном спектре сигнала синтезатора ПЦСЧ эффективно использование цифрового алгоритма квадратурного формирования частот.

Установлено, что в СВЧ ТПМ с преобразованием частоты применение Б10е МИС в ГУН гетеродина с ФАПЧ позволяет повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов.

Минимизация уровня фазового шума выходного сигнала ТПМ, определяемого характеристиками полупроводникового прибора, проведена выбором типа полупроводникового прибора с минимальным уровнем низкочастотного шума и подбором режимов его работы. Установлено, что в С и X диапазонах частот уровень фазового шума выходного

сигнала ТПМ с гетеродином, использующим Б10е МИС, более чем на порядок ниже чем у ТПМ с гетеродином ваАз МИС. Этот результат коррелирует со значением низкочастотных шумов транзисторов этих приборов.

Для проверки достоверности полученных закономерностей был проведен статистический анализ результатов измерений по выборке в 100 приборов, с учетом того, что среднеквадратичное отклонение результатов измерений составляет о я 3 дБ. При этом можно утверждать, что выявленные закономерности являются устойчивыми.

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований и практического использования СВЧ твердотельных приемных модулей, целью которых являлась проверка выводов вышеизложенной теоретической оптимизации ТПМ на СаЫ и 81Се монолитных и гибридных интегральных схемах по критериям обеспечения максимальной чувствительности приема.

Оптимизация схемных и конструктивных решений проводилась с учетом минимизации влияния внешних воздействий на характеристики качества формируемых сигналов и обеспечения минимальных габаритных размеров аппаратуры.

На основании выполненного анализа для минимизации коэффициента шума СВЧ приемника в присутствии мощных помех в качестве малошумящего СВЧ транзистора МШУ использовались ваИ малошумящие транзисторы ЗПШ988А. Разработанные МШУ обеспечили, вместе с устройством защиты, уровень коэффициента шума не более 3 дБ в полосе рабочих частот АГ = 9,5-40,7 ГГц.

На их основе реализованы входные устройства четы-рехканального приемного модуля с устройством защиты (УЗ) от несинхронных помех высокого уровня и высокой идентичностью модуля и фазы коэффициента усиления приемных каналов, предназначенные для работы в когерентной РЛС Х-диапазона (рис.7).

Рис.7. Четырехканальный приемный модуль X-диапазона БКВП.464335.003

Рабочая полоса частот СВЧ приемника АГ= 9,5+10,7 ГГц, максимальный уровень импульсной несинхронной СВЧ помехи на входе приемника Рп=ЗООВт при длительности импульса тимп = 0,5+200мкс.

МШУ на ваК транзисторах использованы для защиты приемных каналов двухканального приемо-передатчика блока БКВП.434856.029 вместо двухкаскадных управляемых устройства защиты (рис.8).

Рис.8. Входные малошумящие СВЧ субмодули для ППМ в-диапазона БКВП.434856.029: МШУ с УЗ на ОаАэ ; (а) и МШУ на ОаЫ (б)

Результаты применения 8Юе интегральных схем для I гетеродинов ТПМ с прямым цифровым синтезом частоты (ПЦСЧ) на основе полученных в главе 3 результатов использованы при разработке гетеродинов четырехканально-го приемного модуля Х-диапазона (рис.9).

!

Рис.9. Блок цифрового синтеза сигналов СВЧ гетеродинов четырехканального приемного модуля Х-диапазона БКВП.464335.003

Для подавления в спектре сигнала ТПМ дискретных составляющих, обусловленных формированием выходного сигнала с помощью цифрового аккумулятора фазы, в цифровом гетеродине ТПМ применен цифровой квадратурный перемножитель частот на 8Юе СБИС. Это позволило снизить уровень дискретных составляющих в радиочастотном спектре СВЧ ТПМ более чем на 10 дБ (рис.10).

Б(Г|. дБ 10

и до !и 11 [

йп.

вт. дБ 10 -

-25 -20 -15 .1(1 о

5 10 15 20 »

-¡- [—

1 ¿¡Й Гт,

-20 -15 -10 -5

а) б)

Рис.1 0 Радиочастотный спектр на выходе ПЦСЧ гетеродина «сетки» частот ГТ1:а) — синтезатор с использованием цифрового квадратурного перемножения частот; б) - синтезатор ПЦСЧ АЭ9858

Результаты проведенных исследований ОаЫ и 8Юе монолитных и гибридных интегральных схем использованы при проектировании СВЧ твердотельного ППМ АФАР С-диапазона. СВЧ твердотельный ППМ полностью разработан с использованием йаЫ ГИС и 81Се МИС (рис.11), применение которых позволило реализовать в объеме 166х 1З6х25мм3 16 канальный СВЧ ТПМ.

Рис.11. Четырехканальный твердотельный СВЧ ППМ АФАР С-диапазона частот БКВП.434857.004;

В качестве входного каскада МШУ использована ваИ СВЧ ГИС, что позволило ограничиться одним каскадом в УЗ и существенно сократить объем ППМ.

Для обеспечения идентичности амплитуды и фазы коэффициента передачи приемных каналов в СВЧ приемном модуле использована сложно- функциональная СВЧ МИС, в составе аттенюатора, векторного фазовращателя, компенсирующего потери усилителя, и схемы управления по последовательному порту на одном кристалле, изготовленная по 81Се технологии с минимальными топологическими размерами 0,42 мкм (рис.12).

Рис. 12. Топология кристалла сложной функциональной СВЧ МИС в составе аттенюатора, дискретного фазовращателя и схемы управления по последовательному порту

Основные характеристики ППК:

- рабочий диапазон частот 5,2-5,9 ГГц;

- количество разрядов фазовращателей 5 для приемного и 5 для передающего узлов со следующими номинальными значениями: 1-й разряд 11.25°; 2-й разряд 22.5°; 3-й разряд 45°; 4-й разряд 90°; 5-й разряд 180°;

- коэффициент передачи при произвольных значениях фазовых состояний для приемного тракта не менее 25дБ;

- коэффициент передачи при произвольных значениях фазовых состояний для передающего тракта не менее 40дБ;

- уровень СПФШ на частоте отстройки Гт=100кГц менее минус 150 дБ/Гц.

Заключение

Основным результатом работы является создание СВЧ твердотельных приемных модулей на ГИС и МИС из новых полупроводниковых материалов ваТЯ и 81Се, обеспечивающих высокое качество приема сигналов с различными типами модуляции при минимальных массогабаритных характеристиках.

Этот результат расширяет функциональные возможности СВЧ аппаратуры перспективных радиоэлектронных систем и комплексов при уменьшении габаритов и снижении потребляемой мощности.

Проведенные в работе исследования позволили:

- повысить чувствительность СВЧ твердотельных приемных модулей при воздействии мощных СВЧ помех, на основе использования ОаК транзистора в качестве активного прибора малошумящего усилителя, что позволяет повысить чувствительность приема на 1,5дБ в присутствии асинхронных СВЧ помех мощностью до 30 Вт и уменьшить массо-габаритные характеристики ППМ АФАР наЮ-15% по сравнению с ТПМ, использующим МШУ на ваАз транзисторах с устройством защиты;

- снизить уровень фазовых шумов при приеме сигналов в ППМ АФАР, применив СВЧ аттенюатор с дискретным изменением величины коэффициента передачи в 810е СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ ТПМ АФАР; это позволяет, благодаря низкой крутизне преобразования «помеха-частота», повысить чувствительность приема фазо- и частотно-кодированных (ФКМ и ЧКМ) сигналов СВЧ ТПМ АФАР на 10 дБ по сравнению с ТПМ, использующим векторный фазовращатель, усилители квадратур которого управляются аналоговым сигналом, формируемым цифро-аналоговым преобразователем;

- минимизировать уровень СПФШ и дискретных составляющих в радиочастотном спектре сигнала СВЧ ТПМ методом цифрового квадратурного синтеза гетеродинных сигналов и применением 81Се СВЧ монолитных интегральных схем для гетеродина СВЧ ТПМ; это позволяет повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов более

чем на ЮдБ по сравнению с Si СВЧ МИС и на 20дБ по сравнению с GaAs СВЧ МИС;

- разработать и внедрить в специальную аппаратуру оптимизированных СВЧ ТПМ на основе GaN и SiGe приборов.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Колковский М.Ю., Колковский Ю.В., Перевезенцев A.B. Минимизация фазовых шумов твердотельных СВЧ синтезаторов частоты. // «Электронная техника.-Серия 2. Полупроводниковые приборы-2006. -Вып. 1-2. -С.97- 101.

2. Перевезенцев A.B. Многоканальный СВЧ приемник X-диапазона на GaN и SiGe микросхемах. // «Электронная техника», Серия 2. Полупроводниковые приборы, 2011. Вып. 1-2, С. 114-119.

3. Фоканди Д.С., Колковский М.Ю., Перевезенцев A.B. Цифровые твердотельные СВЧ синтезаторы частоты // Тезисы докладов конференции «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством ИЭТ. «Пульсар-2002», Москва. 2002, С. 21-23.

4. Плетнев P.A., Перевезенцев A.B. Твердотельный СВЧ приемник измерения амплитуды и фазы с большим динамическим диапазоном // Тезисы докладов конференции «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством изделий электронной техники «Пульсар-2004», Москва, 2004, С. 35-36.

5. Перевезенцев A.B., Плетнев P.A. Твердотельные СВЧ синтезаторы частот и их применение в PJIC обнаружения // Тезисы докладов конференции «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством изделий электронной техники «Пульсар-2005», Москва, 2004, С. 4243.

6. Колковский Ю.В., Перевезенцев A.B., Плетнев P.A. Четырехканальный приемник Х-диапазона для систем радиолокации // Материалы VI научно-технической конференции «Твердо-

тельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2007», Владимир, 2007, С. 171-174.

7. Колковский Ю.В., Мнннебаев В.М., Перевезенцев A.B. Четырехканальный приемник Х-диапазона для систем радиолокации // Материалы VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2008», Москва, 2008, С.84.

8. Колковский Ю.В., Перевезенцев A.B., Плетнев P.A. Твердотельные формирователи сигналов для сверхширокополосных радиоэлектронных систем // Материалы VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2008», Москва, 2008, С.85-86.

9. Акинин В.Е., Колковский Ю.В., Перевезенцев A.B. Твердотельные синтезаторы ФМС и JI4M сигналов с прямым цифровым синтезом // Материалы VIII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2009», Дубна, 2009, С. 63.

10. Перевезенцев A.B., Плетнев P.A. Твердотельные СВЧ синтезаторы частот и их применение в PJ1C обнаружения // Материалы VIII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2009», Дубна, 2009, С. 67-68.

11. Колковский Ю.В., Миннебаев В.М., Перевезенцев

A.B., Глыбин A.A., Редька Ал. В., Редька Ан. В. 4-х канальный ППМ для АФАР С-диапазона // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2010», Звенигород, 2010, С. 43.

12. Колковский Ю.В., Перевезенцев A.B., Миннебаев

B.М., Александров В.А., Легай Г.В. Четырехканальный суммарно-разностный приемник Х-диапазона для систем радиолокации // Материалы IX научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2010», Звенигород, 2010, С. 109.

13. Перевезенцев A.B., Шишков Д.В., Репин В.В. Сложнофункциональная СВЧ МИС на SiGe с полосой рабочих частот 3-8 ГГц. // Материалы X научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2011», Дубна, 2011,

С. 41-44.

14. Александров В.А., Васильев А.Г., Колковский Ю.В., Мин-небаев В.М., Перевезенцев A.B. Четырехканальный приемник X-диапазона с устройством защиты от помех высокого уровня II Материалы X научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», «Пульсар-2010», Дубна, 2011, С. 77-79.

Цитируемая литература

[Л1] А.Г. Васильев, Ю.В. Колковский. Новое поколение ЭКБ-твердотельных СВЧ модулей класса «система в корпусе» для перспективных радиоэлектронных систем // Электронная техника, Сер.2, 2010, стр.53-60.

Заказ № 30. Тираж 100 экз. У ч -изд.л 1,75. Формат 60x48 1/16, Отпечатано в типографии ФГУП «НПП «Пульсар» 105187» г. Москва,ул. Окружной проезд, д.27 Подписано в печать « 4» апрель 2012 г.

61 12-5/3344

Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-производственное предприятие «Пульсар»

На правах рукб'писи

/

/ ¿V

Перевезенцев Александр Владимирович

СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНЫЕ МОДУЛИ НА GaN и 81Се ГИБРИДНЫХ И МОНОЛИТНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ

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

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, старший научный сотрудник

Колковский Ю.В.

Москва-2012

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

8

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ 14

1.1 Основные требования, предъявляемые к СВЧ твердотельным приемным модулям в современных твердотельных радиолокационных системах 14

1.2 Основные факторы, ограничивающие чувствительность СВЧ твердотельных приемных модулей 21

1.2.1 Основные источники шумов СВЧ твердотельных приемных модулей 21

1.2.2 Влияние нелинейных искажений сигналов на качество приема сигналов СВЧТПМ 25

1.2.2.1 Нелинейные искажения сигналов при смешении сигналов в ТПМ 25

1.2.2.2 Нелинейные искажения многочастотных сигналов в СВЧ усилителях ТПМ 27

1.3 Состояние разработок ваМ и БЮе МИС и ГИС для СВЧ твердотельных приемных модулей 30

1.3.1 Малошумящие СВЧ усилители на ваК транзисторах для приемопередающих модулей активных фазированных антенных решеток 31

1.3.2 8Юе фазовращатели для ТПМ АФАР 38

1.3.3 СБИС СВЧ синтезаторов частоты для гетеродинов СВЧ твердотельных приемных модулей 45

1.4 Цель и основные задачи диссертационной работы

50

ГЛАВА 2 СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ ПРИЕМОПЕРЕДАЮЩИХ МОДУЛЕЙ АФАР на ваИ и 810е ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ 52

2.1 Проектирование входных каскадов СВЧ твердотельного приемного модуля АФАР 52

2.1.1 Выбор типа СВЧ транзистора для МШУ ТПМ АФАР по критерию максимальной чувствительности при минимальных массо-габаритных характеристиках ППМ АФАР 52

2.1.2 Моделирование усилителей высокой частоты (УВЧ) на 81Се) для приемных трактов ППМ АФАР 57

2.2 Метод повышения чувствительность приема фазо- и частотно-кодированных (ФКМ и ЧКМ) сигналов ТПМ АФАР 67

2.3 Выводы 74

ГЛАВА 3 СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ ПРИЕМНИКИ с ПРЕОБРАЗОВАНИЕМ ЧАСТОТЫ на ваК и 810е ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ 75

3.1 Применение ОаК и 810е интегральных схем для повышения чувствительности в СВЧ приемниках сигнала с фазовой и частотной модуляцией 75

3.1.1 СВЧ смесители на 81ве интегральных схемах 76

3.2 Применение ваИ и 810е интегральных схем в гетеродинах СВЧ ТПМ с преобразованием частоты для повышения чувствительности сложных сигналов с фазовой и частотной модуляцией в присутствии

мощных помех 82

3.2.1 8Юе интегральные схемы синтезаторов с прямым цифровым синтезом частоты (ПЦСЧ) 82

3.2.2 Применение СВЧ ГИС на 81Се для снижения уровня фазового шума гетеродинов СВЧ ТПМ с преобразованием частоты 96

3.3 Выводы 101

ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ и ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНЫХ

МОДУЛЕЙ НА ОаИ И БЮе МОНОЛИТНЫХ и ГИБРИДНЫХ ИНТЕГРАЛЬНЫХ СХЕМАХ 102

4.1 Многоканальные СВЧ твердотельные приемные модули с преобразованием частоты 102

4.2 СВЧ твердотельный приемо-передающий модуль С-диапазона на

ваК и 810е монолитных и гибридных интегральных схемах 111

4.3 Выводы 119

ЗАКЛЮЧЕНИЕ 121

ЛИТЕРАТУРА 124

ПРИЛОЖЕНИЯ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АИМ - амплитудно-импульсная модуляция АМ - амплитудная модуляция АМШ - амплитудные модуляционные шумы АФАР - антенные фазированные решетки АЧХ - амплитудно-частотная характеристика АЦП - аналого-цифровой преобразователь ВИП - вторичный источник питания ВТ - военная техника

ГУН - генератор управляемый напряжением

ГШ - генератор шума

ДКВ - двойная коррелированная выборка

ДН - диаграмма направленности

ДФ - доплеровский фильтр

ЗРК - зенитно-ракетный комплекс

ЗС - зондирующий сигнал

ИА- излучающая апертура

ИД РЛС - импульсно-доплеровская РЛС

ИНЧ - инфранизкие частоты

ИМИ - интермодуляционные искажения

ИФО - интегральная фазовая ошибка

КвФМ - квадратурная фазовая модуляция

КРТЗ - комплекс радиотехнической защиты

КСД - компенсация собственного движения

КФО - корреляционно- фильтровая обработка

ЛЗ - линия задержки

ЛЧМ - линейная частотная модуляция

НКФ - накопитель кода фазы

НО - направленный ответвитель

НЧ - низкая частота

ОГ - опорный генератор

ПАВ - поверхностные акустические волны

ПИФ - пропорционально - интегрирующий фильтр

ПК - преобразователь кода

ПЛИС -программируемая логическая интегральная схема

ПП - пассивная помеха

ППМ - приемо-передающий модуль

ПРМ - приемный модуль

ПТЗШ - полевой транзистор с затвором Шоттки

ПУМ - предварительный усилитель мощности

ПЦСЧ - прямой цифровой синтез частоты

ПЧ - промежуточная частота

РВ - ряды Вольтера

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

РЭС - радиоэлектронные системы

СНР - станция наведения ракет

СОЦ - станция обнаружения целей

СПАШ - спектральная плотность амплитудного шума

СПФШ - спектральная плотность фазового шума

ГЛТТТТ - спектральная плотность шума

СС - сложный сигнал

ССЧ - СВЧ синтезатор частот

РЛС - радиолокационная станция

УФС - устройство формирования сигналов

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФКМ - фазо - кодовая модуляция

ФМ - фазовая модуляция

ФМн - фазовая манипуляция

ФМШ - фазовые модуляционные шумы

ФНЧ - фильтр нижних частот

ФЧХ - фазо - частотная характеристика

ЦФЗС -цифровой формирователь зондирующего сигнала

ЦФСС - цифровой формирователь сложного сигнала

ЦАП - цифро-аналоговый преобразователь

ЧМ - частотная модуляция

ЧМТТТ - частотные модуляционные шумы

ТТТИМ - широтно-импульсная модуляция

ТТТПС - широкополосные сигналы

ЭМС - электромагнитная совместимость

ЭПР - эффективная поверхность рассеяния

CDMA (code division multiple access) - множественный доступ с кодовым разделением

НВТ (hetero-bipolar transistor) -гетеробиполярный транзистор

НЕМТ (high mobility electron transistor) - транзистор с высокой подвижностью

электронов

ВВЕДЕНИЕ

Актуальность работы

Данная работа посвящена методам создания СВЧ твердотельных приемных модулей (ТПМ) класса «система в корпусе» на основе новых полупроводниковых материалов.

СВЧ модули класса «система в корпусе» (СВК) можно определить, как функционально-законченные устройства, обладающие следующими основными признаками [1-3]:

- реализация основных характеристик в СВЧ тракте со стандартным волновым сопротивлением;

- самодиагностика и управление характеристиками;

- связь по цифровому интерфейсу с центральным процессором РЭС;

- изготовление по единой микроэлектронной технологии;

- обеспечение внутренней электромагнитной совместимости и тепловых режимов работы.

Основными предпосылками перехода на СВЧ СВК в настоящее время являются [1-9]:

- изменение внутренней структуры современных РЭС, обусловленное внедрением распределенных систем класса АФАР (антенных фазированных решеток), состоящих из большого количества одинаковых функционально-законченных управляемых блоков;

- непрерывно возрастающие требования к увеличению функций РЭС при уменьшении массо-габаритных характеристик;

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

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

Данная работа посвящена методам создания СВЧ твердотельных приемных модулей (ТПМ) класса «система в корпусе» на основе новых полупроводниковых материалов.

Анализ основных факторов, влияющих на качество приема сигналов СВЧ твердотельных приемных модулей (ТПМ) и состояния разработок современных ТИС и МИС на новых полупроводниковых материалах 8Юе и ваИ показал, что для обеспечения высокого качества приема сигналов с различными типами модуляций необходимо решить задачу создания СВЧ ТПМ на ОаИ и 8Юе ГИС и МИС.

Решение этой задачи позволит не только обеспечить высокое качество работы современных радиоэлектронных средств, но и реализовать СВЧ ТПМ с минимальными массогабаритными характеристиками.

Наиболее остро решение этой задачи необходимо в С- и Х-диапазонах, где возможности 81 ГИС и МИС практически исчерпаны.

Но в Б-диапазоне при реализации СВЧ ТПУ с преобразованиями частоты МИС на 8Юе могут обеспечить меньший уровень потребления по сравнению с МИС на 81 из-за более высокого значения граничной частоты

Особенно нужно отметить необходимость создания линейных МШУ, УВЧ и смесителей на ваЫ для обеспечения высокого качества приема сигналов в присутствии мощных несинхронных помех.

Задача построения СВЧ приемных модулей сигналов должна решаться не только по критерию высокого качества приема сигналов, но и с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам.

Решению актуальной задачи обеспечения высокого качества приема СВЧ сигналов на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Цель работы

Целью данной работы является решение актуальной научной задачи разработки на основе новых научно-технических и технологических методов создания СВЧ ТПМ на ваЫ и 8Юе МИС и гибридных интегральных схем (микромодулей), а также определение требований к их элементной базе, для реализации минимальных массо-габаритных характеристик и повышения эффективности специальных радиоэлектронных систем.

Для достижения поставленной цели в работе:

1) проведен анализ основных факторов, влияющих на качество приема СВЧ сигналов в современных радиоэлектронных системах;

2) разработана флуктуационная модель и на её основе проведено моделирование методов повышения чувствительности СВЧ твердотельных приемных модулей для ППМ АФАР;

3) выполнен теоретический анализ и проведено моделирование методов повышения чувствительности СВЧ ТПМ с преобразованием частоты при воздействии шумов и помех;

4) изложены результаты экспериментальных исследований и внедрения в специальную аппаратуру оптимизированных СВЧ ТПМ на основе ОаК и 81Се приборов.

Научная новизна

1. Установлено, что применение в 81Се СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ аттенюатора квадратурных каналов с дискретным изменением величины коэффициента передачи благодаря низкой крутизне преобразования «помеха-частота» позволяет повысить чувствительность приема фазо-кодированных и частотно-кодированных (ФКМ и ЧКМ) сигналов СВЧ ТПМ АФАР на 10 дБ по сравнению с ТПМ, использующим векторный фазовращатель, усилители квадратур которого управляются аналоговым сигналом.

2. Определены предельно достижимые значения спектральной плотности фазового шума (СПФШ) 8ф(&п)=-150 дБ/Гц, ограничивающей

чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов при заданном минимальном дискрете переключения фазы Аф=6° для СВЧ фазовращателя векторного типа С-диапазона.

3. Показано, что применение ваЫ МШУ в СВЧ ТПМ позволяет увеличить чувствительность приемников на 1,5дБ в присутствии асинхронных СВЧ помех мощностью до 30 Вт и уменьшить массо-габаритные характеристики 1111М АФАР наЮ-15% по сравнению с ТПМ, использующим МШУ на ваАз транзисторах с устройством защиты.

4. Показано, что применение в СВЧ ТПМ приёмнике с рабочей частотой ф ~ 4 ГГц 8Юе СБИС СВЧ приемного тракта позволяет обеспечить снижение коэффициента шума на 1,5 дБ по сравнению 81 СБИС СВЧ приёмником. Снижение коэффициента шума достигается за счет на порядок большей граничной частоты 8Юе транзисторов ía, поскольку коэффициент шума на рабочих частотах, составляющих более 30% от граничной частоты (ф>0.3£а), растет пропорционально квадрату частоты.

5. Установлено, что применение 8Юе СВЧ монолитных интегральных схем (МИС) в гетеродине СВЧ ТПМ с преобразованием частоты позволяет повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов более чем на 10дБ по сравнению с 81 СВЧ МИС и на 20дБ по сравнению с ваАз СВЧ МИС. Повышение чувствительности достигается из-за меньшего значения низкочастотного шума вЮе МИС гетеродина.

Практическая значимость

1. Разработаны и внедрены новые практические методы проектирования СВЧ твердотельных приемных модулей на ваК и 8Юе МИС и ГИС, которые позволяют повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов при воздействии шумов и помех при минимальных массо-габаритных характеристиках аппаратуры.

2. Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы:

- при разработке и серийном выпуске ППМ АФАР радиолокационных станций 8- диапазона БКВП.434856.029;

- при разработке и серийном выпуске ППМ АФАР радиолокационной аппаратуры С-диапазона БКВП.434857.004;

- при разработке СВЧ четырехканального ТПМ радиолокационного модуля Х-диапазона БКВП.464335.003.

На защиту автором выносятся следующие научные положения

1. Применение СВЧ аттенюатора с дискретным изменением величины коэффициента передачи в 81ве СВЧ фазовращателе векторного типа СВЧ ТПМ АФАР позволяет, благодаря низкой крутизне преобразования «помеха-частота», повысить чувствительность приема фазо- и частотно-кодированных (ФКМ и ЧКМ) сигналов СВЧ ТПМ АФАР на 10 дБ по сравнению с ТПМ, использующим векторный фазовращатель, усилители квадратур которого управляются аналоговым сигналом, формируемым цифро-аналоговым преобразователем.

2. Выбор ОаЫ транзистора в качестве активного прибора малошумящего усилителя позволяет повысить чувствительность приема на 1,5дБ в присутствии асинхронных СВЧ помех мощностью до 30 Вт и уменьшить массо-габаритные характеристики ППМ АФАР наЮ-15% по сравнению с ТПМ, использующим МШУ на ОаАБ транзисторах с устройством защиты.

3. Использование в СВЧ ТПМ приёмнике с рабочей частотой ф ~ 4 ГГц 810е СБИС СВЧ приемного тракта позволяет обеспечить снижение коэффициента шума на 10 дБ по сравнению 81 СБИС СВЧ приёмником.

4. Выбор 816е СВЧ монолитных интегральных схем для гетеродина СВЧ ТПМ с преобразованием частоты позволяет повысить чувствительность приема ФКМ и ЧКМ сигналов более чем на ЮдБ по сравнению с 81 СВЧ МИС и на 20дБ по сравнению с ОаАэ СВЧ МИС.

Содержание работы

Глава 1 посвящена анализу состояния разработок СВЧ твердотельных приемных модулей для современных радиоэлектронных систем и актуальным проблемам обеспечения высокой чувствительности приема СВЧ сигналов в

современных радиоэлектронных системах.

Глава 2 содержит теоретический анализ и моделирование СВЧ твердотельных приемных модулей ППМ АФАР на ваИ и 810е интегральных схемах, при воздействии помех и шумов.

Глава 3 посвящена теоретическому анализу и моделированию СВЧ твердотельных приемных модулей с преобразованием частоты на ваИ и 81Се интегральных схемах и рассмотрению методов оптимизации СВЧ ТПМ с преобразованием частоты.

Глава 4 содержит результаты экспериментальных исследований СВЧ ТПМ на ваЫ и 816е интегральных схемах, оптимизированных по критериям: минимума нелинейных искажений сложных сигналов с фазовой и частотной модуляцией и минимума амплитудных и фазовых шумов при воздействии мощных СВЧ помех при реализации минимальных массо-габаритных характеристик РЭА, и практического использования полученных в данной работе теоретических результатов, методов проектирования и конструктивных решений в специальной аппаратуре.

Заключение содержит описание основных результатов работы.

В перечне использованной литературы указаны статьи, публикации и изобретения по данной теме.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ СОСТОЯНИЯ РАЗРАБОТОК СВЧ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ ПРИЕМНЫХ МОДУЛЕЙ ДЛЯ СОВРЕМЕННЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ

1.1 Основные требования, предъявляемые к СВЧ твердотельным приемным модулям в современных твердотельных радиолокационных системах

СВЧ твердотельные приемные устройства характеризуются следующими основными параметрами, которые задаются исходя из их назначения и условий эксплуатации [1-7]:

- рабочий диапазон частот;

- коэффициент шума Кш, определяющий чувствительность ПРМ;

- коэффициент передачи Кп, обеспечивающий уровень сигнала на выходе необходимый для сопряжения с устройством обработки сигнала;

-верхняя граница линейности амплитудной характеристики (ВГЛАХ), определяющая уровень максимального выходного сигнала, передаваемого с нелинейными искажениями не превышающими заданную норму;

- уровень синхронных и несинхронных помех, определяющий требования к устройству защиты ПРМ;

- параметры определяющие помехозащищенность ПРМ (подавление зеркального и побочных каналов приема);

- полоса пропускания, определяющая диапазон частот, в котором усиление ПРМ не выходит за заданные пределы.

Качество приема сигналов, особенно сложных сигналов с фазо-кодовой (ФКМ) и частотно-код�