автореферат диссертации по электронике, 05.27.01, диссертация на тему:Твердотельные мощные передатчики C- и X-диапазонов с высокой стабильностью частоты и фазы сигналов на GaN СВЧ транзисторах

Глыбин Александр Анатольевич

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ МОЩНЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ С- и X-ДИАПАЗОНОВ С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ СИГНАЛОВ НА GaN СВЧ ТРАНЗИСТОРАХ

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 0

Москва 2012

005042711

005042711

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 Косов Александр Сергеевич, Институт космических исследований РАН, заведующий лабораторией

кандидат технических наук Рабинов Анатолий Алексеевич, Федеральное государственное унитарное предприятие «Научно-исследовательский институт микроэлектронной аппаратуры «Прогресс», заместитель начальника НИО

Ведущая организация: ОАО «КБ «Кунцево», г. Москва

Защита состоится «23» мая 2012 г. в 16 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 кандидат технических наук

(004.01 'А.Л. Филатов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы

Стабильность частоты и фазы генерируемых сигналов определяет основные характеристики радиолокационных и связных систем, такие как:

- дальность обнаружения целей;

- разрешение целей по дальности;

- подавление мешающих отражений от местных предметов и медленно движущихся объектов;

- помехозащищенность и скрытность передачи сигналов радиолокации и связи.

Существенные сложности при формировании сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы возникают не только при генерации этих сигналов, но и при их усилении до заданных значений мощности. Эта задача наиболее актуальна при создании мощных твердотельных СВЧ передатчиков, поскольку нелинейные искажения в твердотельных СВЧ приборах существенно больше, чем в электровакуумных СВЧ приборах. Задача построения мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы должна решаться не только по критерию высокого качества формируемых сигналов, но и с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам [Л 1 ].

Решению актуальной задачи создания мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Целью данной работы является разработка оптимизированных схем построения мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы, 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 состояния техники формирования СВЧ сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы для современных радиоэлектронных систем;

2) проведены исследования и моделирование твердотельных СВЧ импульсных передатчиков на GaN СВЧ транзисторах при воздействии помех и шумов;

3) проведены моделирование и оптимизация мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резонаторами, с фазовой автоподстройкой частоты (ФАПЧ) по критерию максимума стабильности частоты и фазы;

4) проведены экспериментальные исследования по практическому применению твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на ваИ СВЧ транзисторах.

Научная новизна

1. Установлено, что применение ваИ СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) на ЮдБ, вследствие большей величины активной части импеданса ОаЫ СВЧ транзистора по сравнению с ОаАв СВЧ транзистором, что приводит к меньшей на порядок величине вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и, соответственно, - большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.

2. Показано, что применение двухключевой схемы модулятора питания ваК СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ СВЧ передатчика более чем на 10 дБ по сравнению с одноключевой схемой модулятора питания. Полученный результат достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания, поскольку в течение длительности импульса ОаК СВЧ транзистор подключен к блоку конденсаторов (через первый ключ), а блок конденсаторов отключен (через второй ключ) от вторичного источника питания; в течение паузы между импульсами ваК СВЧ транзистор отключен от блока конденсаторов (через

первый ключ) и блок конденсаторов заряжается (через включенный второй ключ) от вторичного источника питания.

3. Установлено, что для снижения вероятности электрического пробоя GaN СВЧ транзистора, обусловленного короткими импульсными выбросами напряжения помехи на стоке GaN СВЧ транзистора, возникающими при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, модулятор питания стока GaN СВЧ транзистора должен выключаться не менее чем за 150 не до начала заднего фронта СВЧ импульса. Это обеспечивает снижение напряжения помехи на стоке GaN СВЧ транзистора до уровня <10% напряжения питания стока.

4. Показано, что применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в GaN СВЧ транзисторах позволяет обеспечить уровень перегрева активной структуры за длительность импульса т=200 мке АТ<150°С, что на 60% меньше чем в GaN СВЧ транзисторах на кремниевых подложках, и неравномерность вершины СВЧ импульса при этом менее 20% от амплитуды импульса.

Практическая значимость

1 .Разработаны и внедрены методы проектирования твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на GaN СВЧ транзисторах при воздействии шумов и помех при минимальных массо-габаритных характеристиках аппаратуры, заключающиеся:

- в оптимизации соотношения величины вносимых потерь к нагруженной добротности резонатора выбором, импеданса СВЧ транзистора и добротности согласующей цепи для реализации минимального уровня СПФШ сигнала СВЧ генератора, стабилизированного диэлектрическим резонатором;

- в выборе двухключевой схемы модулятора питания GaN СВЧ транзистора позволяющей снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 10 дБ, что достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания;

- в применении быстродействующего модулятора питания стока Оа1Ч СВЧ транзистора, обеспечивающего снижение напряжения помехи на стоке ваЫ СВЧ транзистора до уровня <10% напряжения питания стока менее чем за 150 не.

2.Разработаны конструктивные и схемотехнические методы обеспечения генерации СВЧ сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы при воздействии внешних воздействующих факторов, состоящие:

- в реализации оптимальных механизмов отвода тепла от мощных ОаЫ СВЧ транзисторов;

- в снижении влияния механических воздействий на устойчивость работы СВЧ твердотельных передатчиков;

- в фильтрации электромагнитных помех и выборе оптимальных типов вторичных источников питания для различных блоков СВЧ твердотельных передатчиков сигналов для обеспечения высокой стабильности частоты и фазы при минимальном размере аппаратуры.

Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы для:

- формирователя сигналов гетеродинов и передатчика БКВП.468173.006;

- устройства формирования сигналов радиолокационного модуля БКВП.468173.020;

- модуля выходного усилителя мощности радиолокационного модуля БКВП.468714.033 и модуля выходного усилителя мощности линии радиокоррекции БКВП.468714.037.

- твердотельного СВЧ передатчика Х-диапазона радиолокационного модуля БКВП.468714.030;

- твердотельного СВЧ модуля выходного усилителя мощности Х-диапазона комплекса радиотехнической защиты БКВП.468714.042

На защиту автором выносятся следующие научные положения

1. Применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в ОаМ СВЧ транзисторах позволяет уменьшить температурную нестабильность фазы сигнала СВЧ передатчика за длительность импульса т=200 мке до 20° и неравномерность вершины СВЧ импульса менее 20% от амплитуды

импульса. Это обеспечивает отношение основного и бокового лепестков свертки ФКМ сигнала на уровне менее чем на 0.5 дБ, что близко к погрешности измерения. Этот результат достигается за счет обеспечения уровня перегрева активной области структуры ДТ<150°С, что на 60% меньше, чем уровень перегрева в GaN СВЧ транзисторах на кремниевых теп-лопроводящих подложках.

2. Применение двухключевой схемы модулятора питания GaN СВЧ транзистора позволяет повысить стабильность частоты СВЧ передатчика и снизить уровень СПФШ сигнала более чем на 10 дБ, что достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания во время передачи СВЧ сигнала.

3. Выключение модулятора питания стока мощного GaN СВЧ транзистора не менее чем за 150 не до начала заднего фронта СВЧ импульса снижает уровень коротких импульсных помех напряжения на стоке GaN СВЧ транзистора, возникающих при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, до уровня <10% напряжения питания стока.

4. Применение GaN СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет повысить стабильность частоты сигнала СВЧ передатчика, за счет снижения уровня спектральной плотности фазового шума (СПФШ) на 10 дБ, что обусловлено большей величиной активной части импеданса GaN СВЧ транзистора по сравнению с GaAs СВЧ транзистором.

Апробация работы

Содержание и результаты работы доложены и обсуждены:

- на научно-технической конференции «Твердотельная СВЧ электроника, приборы силовой электроники, микроэлектроника и изделия на основе ПЗС», Москва, 2003;

- на научно-технической конференции «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством ИЭТ», Москва, 2004;

- на научно-технической конференции, посвященой 60-летию МИРЭА, Москва, МИРЭА, 2007;

- на VII научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Москва, 2008;

- на УШ-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 21-23 октября, 2009;

- на IX-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Звенигород, 01-03 декабря 2010;

- на Х-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА», Дубна, 12-14 октября 2011.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 10 печатных работ, в том числе 2 работы - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Получен 1 патент на изобретение. Список публикаций приведен в конце автореферата.

Вклад автора в результаты работы

Основные теоретические результаты получены автором самостоятельно и опубликованы в ряде работ в том числе - в рецензируемых журналах, установленных ВАК по выбранной специальности. Во всех экспериментальных исследованиях автор принимал непосредственное участие в части постановки и проведения экспериментов, а также их внедрения, являясь главным конструктором и заместителем главного конструктора 6-ти ОКР.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех глав, выводов, списка литературы и оглавления. Работа содержит 115 страниц текста, включая 76 рисунков и фотографий и список литературы из 108 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 проведен анализ состояния и актуальных проблем обеспечения высокой стабильности частоты и фазы твердотельных мощных СВЧ передатчиков С- и Х- диапазонов для современных радиоэлектронных систем.

Проанализирована связь основных тактико-технических характеристик РЭС со стабильностью частоты и фазы формируемых сигналов.

Рассмотрены основные параметры, описывающие стабильность частоты и фазы сигналов, современные методы их измерения и физические механизмы, снижающие уровень стабильности частоты и фазы сигналов.

Проанализированы структура построения и основные узлы СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы, а именно: СВЧ генераторы сигналов, стабилизированные резонаторами, СВЧ формирователи сигналов на основе преобразователей частоты и СВЧ диапазонные твердотельные устройства формирования модулированных сигналов, а также рассмотрен современный уровень активной элементной базы для мощных твердотельных СВЧ передатчиков.

На основании проведенного анализа сформулирована цель и задачи, решаемые в диссертационной работе.

Во второй главе приводятся результаты исследований твердотельных СВЧ импульсных передатчиков на ваК СВЧ транзисторах.

Проведено моделирование тепловых режимов и на их основе - разработки конструкции теплопроводящей системы твердотельных импульсных СВЧ передатчиков, которая включает конструирование кристалла многокристального СВЧ транзистора, СВЧ модуля с теплосъемом различными теплоносителями (воздух, жидкость и др.) и СВЧ передатчика в целом.

Проведенный расчет показал наличие неравномерного распределения температуры по транзисторной структуре для БЮ подложки и наличие внутренних градиентов температуры для транзисторов.

На рис.1, приведено распределение температуры по поверхности кристалла СВЧ транзистора А10аМ/0аМ/81С с различной длиной затвора.

т."с п

> 4

« й

• ;

I -75 -5« -25 0 25 50

- 125 -11К1 -75 -511 -25

а I

'4 ?

• * •, • X ,мкм

* 1 <10 125

Рис.1. Распределение температуры вдоль поверхности кристалла по оси X при значении длины затвора Ь: а) - Ь3 = 0,35 мкм; б) - Ь3 = 0,5 мкм.

Установлено, что градиенты температуры при одинаковой мощности ОаТи СВЧ транзистора при изменении длины затвора в 1,4 раза изменяется на 30%.

Наряду со статическим разогревом важное значение для определения основных характеристик СВЧ транзистора имеет разогрев рабочей области СВЧ транзистора за время длительности СВЧ импульса.

Для минимизации перегрева рабочей области существенным является выбор размера и материала пьедестала, на который припаян кристалл СВЧ транзистора (рис.2).

ЛТ,°С

'2

/ „•нимяГ"

_ _ ____■-Й.ЛЙ 1

_ .-i yj.su

--—» 91.311

Рис.2. Зависимость прироста температуры рабочей области СВЧ транзистора от толщины пьедестала Ь для различных материалов: 1 - медь; 2 - МД-40.

Расчет зависимости температуры рабочей области СВЧ транзистора от длительности импульса т и скважности для различных подложек приведен на рис.3 и рис.4.

1 10 100 1000 10000 100000 Длительность импульса, мкс

Рис. 3. Зависимость изменения температуры рабочей области СВЧ транзистора АТ от длительности импульса т для различных значений скважности <3 СВЧ сигнала для мощного СВЧ транзистора на подложке 81С.

Если вместо подложки использовать кремниевую подложку зависимости, аналогичные показанным на рис.3, будут иметь вид, представленный на рис.4.

150т- нищ- мни- нищ- || - 1111Ц

— Q-2

О-з

Q-4

Q-5

— y=iu

— Q=20

0 - 1ИЧ-—LLLUJJ)-ШЩ-Ы_Ш_Ц-—LLLLL

1 10 100 100U 10000 ЮОООО

Длнтел>нос1ъ импульса, мкс

Рис. 4. Зависимость изменения температуры рабочей области СВЧ транзистора ДТ от длительности импульса т для различных значений скважности Q СВЧ сигнала для мощного СВЧ транзистора на подложке Si.

Проведенное моделирование показывает, что применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в ОаМ СВЧ транзисторах позволяет обеспечить уровень перегрева активной структуры за длительность импульса т = 200 мкс АТ<150°С, что почти на 60% меньше, чем в ОаК СВЧ транзисторах на кремниевых подложках.

Снижение внутренних перегревов с помощью принудительного охлаждения корпуса СВЧ модуля со скоростью потока воздуха 5 м/с и при температуре воздуха Т=20°С по-

вышает стабильность частоты СВЧ передатчика, снижая уровень СПФШ на 15 дБ.

Реализация конструктивных решений, обеспечивающих стабильность частоты СВЧ генераторов при разогреве активных областей мощных СВЧ транзисторов, зависит от типа теплоотводящего вещества (воздух или жидкость).

Сравнение конструкций воздушного и жидкостного охлаждения приведено на рисунках 5 и 6.

_ °с

НИЯНВ 5а

Рис.6. Блок с водяным охлаждением - а) и распределение температур - б. Габариты блока: 350x300*54 мм; Рвых = 500 Вт. Расход воды: 0,4 куб.м./в час, ТВ0Ды = 20°С

Перегрев рабочей области СВЧ транзистора, изготовленного на подложке из кремния, при т = 200мкс составля-

Рис.5. Блок с воздушным охлаждением - а) и распределение температур -б). Габариты блока: 450x420x104 мм;

Расход воздуха: 400 куб.м./час; Твоздуха = 25°С

РВЬ1Х = 500 Вт.

ет ДТ~250°С, что приводит к падению выходной мощности Рвых (рис.7,а) и изменению фазы Дер коэффициента усиления Кр (рис.7,6)

II,

411

30 20 10

а)

о

О 30

Рис.7. Зависимость максимальной выходной мощности Рвых - а) и фазового сдвига Дф коэффициента передачи СВЧ транзисторов от температуры корпуса (тимп =250мкс; (3=10) - б).

1- ваАз БЬМ0910-25; 2- СаЫ (4 кристалла ЗПШ987В).

Оптимизация отвода тепла при применении в ОаК СВЧ транзисторе теплопроводящей подложки из карбида кремния позволяет уменьшить неравномерность вершины СВЧ импульса до 20% от амплитуды (рис.8).

1 1

1

ид, мв

600 400 200 0

100 150 1110 250 дон .,50 11Н1

Рис. 8. Зависимости от времени I: 1 - изменения напряжения на стоке СВЧ транзистора ис; 2 - формы огибающей продетектированного СВЧ импульса ид.

Изменение формы огибающей СВЧ импульса (рис.8) определяется только разогревом активной области СВЧ транзистора, поскольку напряжение на стоке во время импульса остается постоянным.

Полученное значение нестабильности фазы сигнала СВЧ передатчика обеспечивает равенство отношения основного и бокового лепестков свертки ФКМ сигнала на входе и выходе выходного усилителя мощности (ВУМ) (рис.9) на уровне погрешности измерения.

200 150

100

so

о

-so

-100

150

О 50 100 150 200 250 300 350 400 0 50 100 J50 200 250 300 350 400

Рис.9. Отношение основного и бокового лепестков свертки

ФКМ сигнала:

а) - свертка сигнала на входе ВУМ; б) - свертка сигнала с

выхода ВУМ.

В импульсных усилителях мощности на GaN СВЧ транзисторах для минимизации тепловыделения и увеличения коэффициента полезного действия для питания СВЧ транзисторов твердотельных СВЧ усилителей в составе модуляторов управления питанием (МУП) используются вторичные источники питания (ВИП) с широтно-импульсной модуляцией. Применение ВИП с широтно-импульсной модуляцией существенно ухудшает уровень амплитудных и фазовых шумов СВЧ передатчика.

Показателем стабильности частоты является дисперсия

2

флуктуации частоты (ош)

(aJ2 = 2js,>)Ay

о

где 8ю(со) - спектральная плотность частотного шума.

Флуктуации фазы ср(Ч) и частоты у(Ч) связаны между собой

<Р(0 = \У(1)СИ

о

8ш(со)=сй28(р(со), где 8ф(со) - спектральная плотность фазового шума (СПФШ).

Для снижения уровня СПФШ СВЧ передатчика во время радиоимпульса импульсный вторичный источник питания должен быть отключен от СВЧ транзистора, что достигается применением двухключевой схемы питания GaN СВЧ транзистора (рис. 10).

Ключ! Ключ 2

Рис. 10. Схема импульсного модулятора питания с двумя

ключами

В схеме модулятора результат достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания (ВИП), поскольку в течение длительности импульса ОаМ СВЧ транзистор подключен к блоку конденсаторов (через первый ключ), а блок конденсаторов отключен (через второй ключ) от вторичного источника питания; в течение паузы между импульсами ваТЧ СВЧ транзистор отключен от блока конденсаторов (через первый ключ) и блок конденсаторов заряжается (через включенный второй ключ) от вторичного источника питания. Применение двухключевой схемы питания ОаК СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 20 дБ (рис.11).

S(fm). дБ,Til S(fm), лЬ'Гц -130

Рис.11. СПФШ твердотельного импульсного передатчика с питанием от ВУМ: с одноключевым модулятором - а) и с двухключевым модулятором - б).

Установлено, что в режиме обеспечения максимальной СВЧ мощности выходного импульсного усилителя твердотельного передатчика при выключении ОаИ СВЧ транзистора возникает бросок напряжения на стоке, что может приводить к отказам СВЧ транзистора из-за электрического пробоя (рис.12).

и,,В -80,0

40,0 20,0 0,0

U,,В ■ 80,0

ид«в

"Д 800 40,0 600 20.0

ГУ

11д,мВ 800 600 400 200

Рис.12. Зависимости напряжения Uc на стоке СВЧ транзистора - 1 во время прохождения СВЧ импульса с огибающей продетекти-рованного сигнала ид - 2. а) СВЧ импульс внутри импульса модулятора питания; б) модулятор питания выключен раньше окончания СВЧ импульса.

Для устранения выброса на заднем фронте СВЧ импульса разработан быстродействующий модулятор, обеспечивающий снижение напряжения «помехи» на стоке GaN СВЧ транзистора до уровня <10% напряжения питания стока за время, менее чем 150 не.

Разработаны методики конструирования СВЧ твердотельных передатчиков сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы, устойчивых к внешним и внутренним климатическим, механическим и электромагнитным воздействиям. Проведенное моделирование тепловых режимов ваК СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках показало, что оптимальным методом съема тепла, минимизирующим габаритные размеры СВЧ передатчика, как показано выше, является жидкостное охлаждение, а воздушное охлаждение позволяет снизить вес и удешевить конструкцию СВЧ передатчика.

В третьей главе приведены результаты теоретического анализа и моделирования мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резонаторами, по критерию максимума стабильности частоты и фазы.

Оптимизация параметров СВЧ генераторов для минимизации уровня СПФШ сигнала СВЧ генератора 5<р([т) проводилось вариацией параметров, входящих в формулу (1)

где Он - величина нагруженной добротности резонатора, КР - коэффициент усиления СВЧ транзистора генератора, компенсирующий потери в резонаторе, 5ТР(]'т) - спектральная плотность низкочастотного шума активного элемента, /„, -частота отстройки от рабочей частоты СВЧ генератора, /о -рабочая частота СВЧ генератора.

Моделирование параметров СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе по критерию минимума спектральной плотности шума СВЧ генератора проведено вариацией параметров эквивалентной схемы нагруженного резонатора (рис.13) в виде последовательного контура с резонансной частотой /р, эквивалентной индуктивностью Ьр, емкостью Ср и сопротивлением Кр. Кроме того эквивалентная схема учитывает статическую емкость резонатора С0, импеданс СВЧ транзистора Ьтр, Стр и 11Тр, и согласующее устройство, представляющее собой Г-образный трансформатор импедансов, состоящий из индуктивности Ь] емкости С] и активного сопротивления Я,

Кр, дБ -51 -10 -15 -20 -25 -30

*Р

А

т я / 1 у

/[-а (т. кГц -р.

а)

б)

Рис.13. Эквивалентная схема нагруженного резонатора -а) и амплитудно-частотная характеристика диэлектрического резонатора в СВЧ генераторе с цепями согласования — б)

Проведенный анализ показал, что минимизация уровня СПФШ ограничена условием возникновения автоколебаний СВЧ генератора крЕ соз(<рЕ)>1, где Крх - суммарный коэффициент передачи разомкнутой петли генератора, - суммарный фазовый сдвиг в разомкнутой петле генератора и - условием устойчивой работы в диапазоне рабочих температур АТ, при выполнении соотношения (/„-/р)=(ьрСоУ' «зтат, где ёт - температурная нестабильность частоты, /а - частота антирезонанса.

Оба эти условия связывают достижимые значения нагруженной добротности резонатора (),, с импедансом СВЧ транзистора и параметрами эквивалентной схемы диэлектрического резонатора и схем согласования.

Проведен расчет достижимых значений отношения нагруженной добротности диэлектрического резонатора к не-нагруженной добротности <3 в зависимости от отношения активных составляющих импеданса транзистора и резонатора для различных значений добротности цепей согласования (рис. 14).

1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0

К, ,/11,,

ю 100 1000

Рис.14. Зависимости величины отношения нагруженной к ненагруженной добротности резонатора (^„/(3 от отношения активных составляющих импеданса резонатора и транзистора Ы,/Н-ф при значениях добротности цепей согласования С>с: С>с=3 (1); <3С=30 (2) и С>с=300 (3).

Полученные результаты показывают, что чем выше активное сопротивление СВЧ транзистора, тем меньше величина вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и, соответственно, больше величина нагруженной добротности резонатора при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.

На основании проведенного анализа и моделирования был проведен выбор типа СВЧ транзистора по критерию минимума спектральной плотности шума СВЧ генератора, стабилизированного диэлектрическим резонатором.

Сравнение расчетных значений активной составляющей импеданса гтр, вносимого в контур диэлектрического резонатора, для ОаМ и ОаАэ транзисторов (рис.15) показывает, что величина вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь ваИ СВЧ транзистора почти на порядок меньше, чем у ваАв СВЧ транзистора.

Рис.15. Сравнение расчетных значений импеданса Оа1М - 1 и йаЫ - 2 СВЧ НЕМТ с одинаковой РВЬ1Х в диапазоне частот

0.1-10 ГГц.

Это приводит к большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором и, в соответствии с (1), - к меньшей величине СПФШ.

Большая величина нагруженной добротности в СВЧ генераторе на ОаЫ транзисторе позволяет выбрать этот тип СВЧ транзистора по критерию минимума спектральной плотности шума СВЧ генератора, стабилизированного диэлектрическим резонатором, поскольку низкочастотные шумы ваЫ и ОаАэ транзисторов отличаются незначительно и находятся достаточно близко к среднеквадратическому отклонению результатов измерений (о я 3 дБ)

Экспериментальная проверка СПФШ мощных (Р=10Вт) СВЧ генераторов на ОаЫ и СаАэ транзисторах (рис.16) показала, что применение ОаЫ СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) более чем на ЮдБ, что обусловлено большей величиной активной части импеданса ваЫ СВЧ транзистора по сравнению с импедансом ваАв СВЧ транзистора.

Рис.16. СПФШ мощных СВЧ генераторов (Р=1Вт) на СаАв-транзисторе - а) и ОаМ-СВЧ транзисторе - б).

Разработаны конструктивные и схемотехнические методы обеспечения стабильности частоты и фазы сигнала СВЧ генераторов при воздействии внешних воздействующих факторов, состоящие в снижении влияния механических воздействий на устойчивость работы СВЧ твердотельных передатчиков.

0.1

10

100

В четвертой главе рассмотрены результаты экспериментальных исследований и практического использования оптимизированных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на ваИ СВЧ транзисторах при воздействии шумов и помех.

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

Существенное влияние на стабильность частоты, как показано в главе 2, оказывает перегрев и наличие градиентов температуры (рис.17).

й(1т), дБ/Гц

кГц

Рис.17. Экспериментальные зависимости СПФШ СВЧ усилителя: а)-без принудительного охлаждения корпуса СВЧ модуля; б) - с принудительным охлаждением корпуса СВЧ модуля со скоростью потока воздуха 5 м/с и при температуре воздуха Т=20°С.

Результаты проведенных исследований легли в основу разработки импульсного СВЧ передатчика Х-диапазона (рис.18).

Рис.18. Конструкция и внешний вид импульсного СВЧ передатчика Х-диапазона с выходной импульсной мощностью 8 кВт.

Показано, что основными преимуществами применения ОаИ СВЧ транзисторов в твердотельных СВЧ передатчиках с высокой стабильностью частоты и фазы, по сравнению с ваАз СВЧ транзисторами, являются большие значения импульсной мощности и большая линейность, обусловленные большими пробивными напряжениями и, как следствие, -большими рабочими напряжениями.

Проведенные исследования виброустойчивости СВЧ формирователя сигналов (рис. 19,а), использующего СВЧ генераторы с диэлектрическими резонаторами, показали, что при механических воздействиях с ускорением до 10§ уровень СПФШ СВЧ формирователя сигналов не изменяется (рис.19,6).

Полученные результаты достигаются за счёт применений методов конструктивной защиты опорного кварцевого генератора, СВЧ генераторов с диэлектрическими резонаторами и всей конструкции СВЧ формирователя сигналов.

1 10 100

1 Рис.19. СВЧ формирователь сигналов, обеспечивающий

' высокую стабильность частоты и фазы при воздействии шу-

1 мов и помех - а), и результаты измерения СПФШ СВЧ гене-

ратора на ваМ СВЧ транзисторе, стабилизированного диэлектрическим резонатором, с ФАПЧ при воздействии аку-' стического гармонического воздействия с частотой 20Гц

' мощностью 120дБ-б):

| 1 - испытания СПФШ СВЧ генератора на йаАз СВЧ

I транзисторе;

I 2 - испытания СПФШ СВЧ генератора на Оа1М СВЧ

, транзисторе

в составе конструкции СВЧ формирователя сигналов.

I

СВЧ формирователь сигналов успешно прошел испытания на стойкость к внешним воздействующим факторам (механическим, климатическим, акустическим) Комплекса государственных военных стандартов (КГВС) «Мороз-6».

Заключение

Основные результаты теоретических и экспериментальных исследований, проведенных в настоящей работе, заключаются в следующем:

1. Установлено, что применение ОаЫ СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) на ЮдБ, что обусловлено большей величиной активной части импеданса ваИ СВЧ транзистора по сравнению с ваАв СВЧ транзистором;

это приводит к меньшей на порядок величине вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и, соответственно, большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.

2. Показано, что применение двухключевой схемы модулятора питания GaN СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 10 дБ по сравнению с одноключевой схемой модулятора питания. Полученный результат достигается за счёт подавления влияния шумов и помех вторичного источника питания, поскольку в течение длительности импульса GaN СВЧ транзистор подключен к блоку конденсаторов (через первый ключ), а блок конденсаторов отключен (через второй ключ) от вторичного источника питания, а в течение паузы между импульсами GaN СВЧ транзистор отключен от блока конденсаторов (через первый ключ) и блок конденсаторов заряжается (через включенный второй ключ) от вторичного источника питания.

3. Установлено, что для снижения вероятности электрического пробоя GaN СВЧ транзистора, обусловленного короткими импульсными выбросами напряжения «помехи» на стоке GaN СВЧ транзистора, возникающими при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, модулятор питания стока GaN СВЧ транзистора должен выключаться не менее чем за 150 не до начала заднего фронта СВЧ импульса. Это обеспечивает снижение напряжения «помехи» на стоке GaN СВЧ транзистора до уровня <10% напряжения питания стока.

4. Показано, что применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в GaN СВЧ транзисторах позволяет обеспечить уровень перегрева активной структуры за длительность импульса т=200 мке АТ<150°С, что почти в два раза меньше чем в GaN СВЧ транзисторах на кремниевых подложках; при этом неравномерность вершины СВЧ импульса составляет менее 20% от амплитуды импульса.

5. Разработаны методики конструирования СВЧ твердотельных передатчиков сигналов с высокой стабильностью

частоты и фазы, устойчивых к внешним и внутренним климатическим, механическим и электромагнитным воздействиям при минимальных массо-габаритных характеристиках аппаратуры.

6. Результаты работы использованы при создании:

1) при разработке и организации выпуска формирователя сигналов гетеродинов и передатчика S-диапазона БКВП.468173.006;

2) при разработке устройства формирования сигналов Х-диапазона БКВП.468173.020;

3) при разработке модуля выходного усилителя мощности X диапазона с водяным охлаждением БКВП.468714.033.

4) при разработке твердотельного СВЧ передатчика X-диапазона БКВП.468714.030.

5) при разработке усилителя мощности Х-диапазона с воздушным охлаждением БКВП.468714.042.

Публикации по теме диссертационной работы

1. Глыбин A.A., Фоканди Д.С., Титаев J1.B. Твердотельный СВЧ генератор, устойчивый к акустическому и вибрационному воздействию. // Труды научно-технической конференции «Твердотельная СВЧ электроника, приборы силовой электроники, микроэлектроника и изделия на основе ПЗС», Москва. 2003. С.61-62.

2. Глыбин А.А, Клушин И.Р. Минимизация AM и ФМ шума твердотельных умножителей частоты // Труды научной конференции «Твердотельная электроника. Комплексированные изделия. Экономика и управление научными разработками и производством ИЭТ». Москва. 2004. С.33-34.

3. Глыбин A.A., Колковский Ю.В., Гришаков М.Н., Ивко A.M., Рогозинский А.М., Финкель И.В. Стабильные твердотельные СВЧ генераторы устойчивые к воздействию акустического шума // «Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы» 2007. Вып. 1. С.103- 108.

4. Александров В.А., Глыбин A.A., Колковский Ю.В. Разработка твердотельного СВЧ синтезатора частоты // Труды 56 научно-технической конференции, посвященной 60-летию МИРЭА. Москва. МИРЭА. 2007. С.35-36.

5. Аболдуев И.М., Васильев А.Г., Глыбин A.A., Колковский

Ю.В., Зайцев A.M., Миннебаев В.М., Пырсиков Ю.В. 200-Ваттный импульсный усилитель мощности Х-диапазона с активными элементами на основе широкозонных материалов // Труды УП научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». Москва. 2008. С. 78-79.

6. Борисов О.В., Глыбин A.A., Колковский Ю.В. Модулятор управления питанием усилителей мощности на GaAs и GaN ПТБШ Х-диапазона // Труды VIII -ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». Дубна. 21-23 октября 2009. С.8.

7. Колковский Ю.В., Глыбин A.A., Борисов О.В., Ивко А.М. Модулятор питания для GaN СВЧ усилителя мощности // Труды IX-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». Звенигород. 01-03 декабря 2010. С.36-38.

8. Глыбин A.A., Миннебаев В.М., Перевезенцев A.B., Колковский Ю.В., Редька Ал. В., Редька Ан. В. 4-х канальный ППМ для АФАР С-диапазона // Труды IX-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». Звенигород. 01-03 декабря 2010. С.43.

9. Глыбин A.A., Колковский Ю.В., Миннебаев В.М., Иванов К.А., Мещерякова К.С. Твердотельный нитрид галлиевый 500-ватный импульсный усилитель мощности Х-диапазона // «Электронная техника. Серия 2. Полупроводниковые приборы» 2011. Вып.1. С.83-88.

10. Борисов О.В., Глыбин A.A., Колковский Ю.В., Ивко А.М. Модулятор управления питанием усилителей мощности на GaN СВЧ транзисторах Х-диапазона // Труды Х-ой научно-технической конференции «Твердотельная электроника, сложные функциональные блоки РЭА». Дубна. 12-14 октября 2011. С.61-64.

11. Васильев A.M., Глыбин A.A., Колковский Ю.В., Пашков С.С., Рогозинский A.B., Финкель И.В. Шумозащищенный кожух для электронных средств // Патент на изобретение №2338343. Приоритет 03.06.2007.

Цитируемая литература

Л1. Васильев А.Г., Колковский Ю.В., Концевой Ю.А. СВЧ приборы и устройства на широкозонных полупроводниках. М.: Техносфера. 2011. 416 с.

Заказ № 29. Тираж 100 экз. Уч -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 12-5/3345

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

На правах рукописи

Глыбин Александр Анатольевич

ТВЕРДОТЕЛЬНЫЕ МОЩНЫЕ ПЕРЕДАТЧИКИ С- И X-ДИАПАЗОНОВ С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ

СИГНАЛОВ НА GAN СВЧ ТРАНЗИСТОРАХ

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

ОГЛАВЛЕНИЕ

ВВЕДЕНИЕ 8

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНИКИ ФОРМИРОВАНИЯ СВЧ СИГНАЛОВ С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ В СОВРЕМЕННЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ ! 4

1.1 Основные параметры, определяющие стабильность частоты и фазы сигналов СВЧ твердотельных передатчиков (ТП) и современные требования к ним. ^

1.2 Современные методы измерения флуктуационных параметров, описывающих качество СВЧ сигналов ТП. 26

1.3 Физические механизмы, снижающие качество сигналов ТП. 33

1.4 Влияние нелинейных искажений на качество сигнала ТП. 3 8

1.5 Современный уровень элементной базы для ТП. 42

1.6 Цель и основные задачи диссертационной работы. 47 ГЛАВА 2 ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ ТВЕРДОТЕЛЬНЫХ СВЧ ПЕРЕДАТЧИКОВ ИМПУЛЬСНЫХ СИГНАЛОВ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ШУМОВ И ПОМЕХ 50

2.1 Методы обеспечения тепловых режимов импульсных СВЧ передатчиков на ваЫ СВЧ транзисторах. 50

2.1.1 Моделирование тепловых режимов импульсных СВЧ передатчиков на ОаИ СВЧ транзисторах. 50

2.1.2 Конструктивные методы обеспечения тепловых режимов ваК СВЧ транзисторов в импульсных передатчиках. 55

2.1.3 Методы снижения вероятности электрического пробоя ваИ СВЧ транзисторов при работе в режиме максимальной выходной

МОЩНОСТИ £0

2.2 Минимизация уровня фазовых шумов твердотельных СВЧ передатчиков импульсных сигналов на ваИ СВЧ транзисторах. 63

2.2.1Влияние тепловых флуктуаций на кратковременную нестабильность частоты СВЧ передатчиков 53

2.2.2 Ми нимизация влияния на стабильность частоты и фазы СВЧ сигнала уровня шумов и помех от вторичного источника питания в импульсных передатчиках на ваИ СВЧ транзисторах 68

2.3 Минимизация искажений сложных сигналов СВЧ твердотельных передатчиков с использованием ваЫ транзисторных усилителей 72

2.4 Выводы

ГЛАВА 3 ИССЛЕДОВАНИЯ И МОДЕЛИРОВАНИЕ СВЧ ГЕНЕРАТОРОВ СИГНАЛОВ, СТАБИЛИЗИРОВАННЫХ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ И ПЬЕЗОЭЛЕКТРИЧЕСКИМИ РЕЗОНАТОРАМИ ПРИ ВОЗДЕЙСТВИИ ШУМОВ И ПОМЕХ 79

3.1 Оптимизация мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резонаторами, с ФАПЧ по критерию максимума стабильности частоты и фазы 79

3.1.1 Моделирование эквивалентной схемы и выбор типа СВЧ транзистора 7Р

3.2 Методы повышения стабильности частоты СВЧ генераторов с высокой стабильностью частоты и фазы при воздействии внешних дестабилизирующих факторов £7

3.2.1 Моделирование воздействия ударов, вибраций, акустических флуктуаций на СВЧ генераторы с высокой стабильностью частоты и фазы 88

3.2.2 Конструктивные методы повышения стабильности частоты СВЧ генераторов при воздействии акустических шумов, механических ударов и вибраций 93

3.3 Выводы 102 ГЛАВА 4 РЕЗУЛЬТАТЫ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ

И ПРАКТИЧЕСКОГО ПРИМЕНЕНИЯ СВЧ ПЕРЕДАТЧИКОВ С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ НА ОаЫ СВЧ ТРАНЗИСТОРАХ ш

4.1 Импульсные твердотельные СВЧ передатчики Х-диапазона на

ОаЫ СВЧ транзисторах с высокой стабильностью частоты и фазы 104

4.2 СВЧ генераторы на ваЫ СВЧ транзисторах, стабилизированные диэлектрическими резонаторами, с конструктивной защитой схемы ФАПЧ от акустических шумов и механических воздействий 109

4.3 Выводы ЗАКЛЮЧЕНИЕ СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

СПИСОК РАБОТ АВТОРА ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ ПРИЛОЖЕНИЯ

114 116 119

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АИМ - амплитудно-импульсная модуляция

АМ - амплитудная модуляция

АМШ - амплитудные модуляционные шумы

АФАР - антенные фазированные решетки

АЧХ - ампплитудно - частотная характеристика

ВИЛ - вторичный источник питания

ВШИ - встречно - штыревой преобразователь

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

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

МСВ - магнито - статические волны

НКФ - накопитель кода фазы

НО - направленный ответвитель

НЧ - низкая частота

ОАВ - объемные акустические волны

ОГ - опорный генератор

ОР - отражательные решетки

ПАВ - поверхностные акустические волны

ПИФ - пропорционально - интегрирующий фильтр

ПК - преобразователь кода

ПЛИС -программируемая логическая интегральная схема ПП - пассивная помеха

ПТЗШ - полевой транзистор с затвором Шотки

ПЦСЧ - прямой цифровой синтез частоты

ПЧ - промежуточная частота

РВ - ряды Вольтера

РЭА - радиоэлектронная аппаратура

РЭС - радиоэлектронные системы

СГ - стабилизированный генератор

СЫР - станция наведения ракет

СОЦ - станция обнаружения целей

СПАШ - спектральная плотность амплитудного шума

СПФШ - спектральная плотность фазового шума

СПИ! - спектральная плотность шума

СС - сложный сигнал

ССЧ - СВЧ синтезатор частот

РЛС - радиолокационная станция

ТУФС - твердотельные устройства формирования сигналов

ФАПЧ - фазовая автоподстройка частоты

ФКМ - фазо - кодовая модуляция

ФМ - фазовая модуляция

ФМн - фазовая манипуляция

ФМШ - фазовые модуляционные шумы

б

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

ЧМШ - частотные модуляционные шумы

ШИМ - широтно-импульсная модуляция

ШПС - 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

Стабильность частоты и фазы генерируемых сигналов определяет основные характеристики радиолокационных и связных систем [Л1] такие как:

- дальность обнаружения целей;

- разрешение целей по дальности;

- подавление мешающих отражений от местных предметов и медленно движущихся объектов;

-помехозащищенность и скрытность передачи сигналов радиолокации и связи.

Существенные сложности при формировании сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы возникают не только при генерации этих сигналов, но и при их усилении до заданных значений мощности. Эта задача наиболее актуальна при создании мощных твердотельных СВЧ передатчиков, поскольку нелинейные искажения в твердотельных СВЧ приборах существенно больше, чем в электровакуумных СВЧ приборах. Задача построения мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы должна решаться не только по критерию высокого качества формируемых сигналов, но и с учётом требований по минимизации массо-габаритных характеристик аппаратуры при обеспечении устойчивости к внешним дестабилизирующим факторам [Л1].

Решению актуальной задачи создания мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на основе совокупности новых научно-обоснованных технических и технологических решений посвящена настоящая диссертация.

Цель работы

Целью данной работы является разработка оптимизированных схем построения мощных твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы, 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 состояния техники формирования СВЧ сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы для современных радиоэлектронных систем;

2) проведены исследования и моделирование твердотельных СВЧ импульсных передатчиков на ваК СВЧ транзисторах при воздействии помех и шумов;

3) проведены моделирование и оптимизация мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резонаторами, с ФАПЧ по критерию максимума стабильности частоты и фазы

4) изложены результаты экспериментальных исследований и практического применения твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на ваИ СВЧ транзисторах.

Научная новизна

1. Установлено, что применение ваК СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором, позволяет снизить уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ) на ЮдБ, что обусловлено меньшей примерно на порядок величиной активной части последовательного импеданса ваЫ СВЧ транзистора по сравнению с ОаАБ СВЧ транзистором, что приводит к меньшей на порядок величине вносимого в контур диэлектрического резонатора сопротивления потерь и соответственно большей величине нагруженной добротности при одинаковой величине связи резонатора с СВЧ транзистором.

2. Показано, что применение двухключевой схемы модулятора питания ваИ СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 10 дБ по сравнению с одноключевой схемы модулятора питания . Полученный результат достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания, поскольку в течение дли-

тельности импульса ваИ СВЧ транзистор подключен к блоку конденсаторов (через первый ключ), а блок конденсаторов отключен (через второй ключ) от вторичного источника питания; в течение паузы между импульсами ваМ СВЧ транзистор отключен от блока конденсаторов (через первый ключ) и блок конденсаторов заряжается (через включенный второй ключ) от вторичного источника питания.

3. Установлено, что для снижения вероятности электрического пробоя 0аЫ СВЧ транзистора, обусловленного короткими импульсными помеховы-ми выбросами напряжения на стоке ОаИ СВЧ транзистора, возникающими при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, модулятор питания стока ваЫ СВЧ транзистора должен выключаться не менее чем за 150 не до начала заднего фронта СВЧ импульса. Это обеспечивает снижение помехового напряжения на стоке ваЫ СВЧ транзистора до уровня <10% напряжения питания стока.

4. Показано, что применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в ваИ СВЧ транзисторах позволяет обеспечить уровень перегрева активной структуры за длительность импульса т=200 мке АТ<150°С, что в два раза меньше чем в ОаЫ СВЧ транзисторах на кремниевых подложках, и неравномерность вершины СВЧ импульса менее 20% от амплитуды импульса.

Практическая значимость

1.Разработаны и внедрены новые практические методы проектирования твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на ОаЫ СВЧ транзисторах при воздействии шумов и помех при минимальных массо-габаритных характеристиках аппаратуры заключающиеся:

- в оптимизации соотношения величины вносимых потерь к нагруженной добротности резонатора выбором, импеданса СВЧ транзистора и добротности согласующей цепи для реализации минимального уровня СПФШ сигнала СВЧ генератора, стабилизированного диэлектрическим резонатором;

- в выборе двухключевой схемы питания GaN СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 10 дБ, что. достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания;

- в применении быстродействующего модулятора питания стока GaN СВЧ транзистора, обеспечивающего снижение помехового напряжения на стоке GaN СВЧ транзистора до уровня <10% напряжения питания стока менее чем за 150 не.

3.Разработаны конструктивные и схемотехнические методы обеспечения генерации СВЧ сигналов с высокой стабильностью частоты и фазы при воздействии внешних воздействующих факторов, состоящие:

- в реализации оптимальных механизмов отвода тепла от мощных GaN СВЧ транзисторов;

- в снижении влияния механических воздействий на устойчивость работы СВЧ твердотельных передатчиков;

- фильтрации электромагнитных помех и выборе оптимальных типов вторичных источников питания для различных блоков СВЧ твердотельных передатчиков сигналов для обеспечения высокой стабильности частоты и фазы при минимальном размере аппаратуры.

Основные результаты исследований, проведенных в данной работе, использованы:

1) при разработке и организации выпуска формирователя сигналов гетеродинов и передатчика S- диапазона БКВП.468173.006.

2) при разработке устройства формирования сигналов для радиолокационного модуля Х- диапазона БКВП.468173.020.

3) при разработке модуля выходного усилителя мощности Х- диапазона с водяным охлаждением БКВП.468173.033.

4) при разработке твердотельного СВЧ передатчика Х- диапазона БКВП.468714.030.

5) при разработке усилителя мощности Х- диапазона с воздушным охлаждением БКВП.468714.042.

На защиту автором выносятся следующие научные положения

1. Применение теплопроводящих подложек из карбида кремния в GaN СВЧ транзисторах позволяет обеспечить уровень перегрева активной структуры за длительность импульса т=200 мкс ДТ<150°С, что в два раза меньше чем в GaN СВЧ транзисторах на кремниевых подложках, и неравномерность вершины СВЧ импульса менее 20% от амплитуды.

2. Применение двухключевой схемы питания GaN СВЧ транзистора позволяет снизить уровень СПФШ сигнала СВЧ передатчика более чем на 10 дБ, что достигается подавлением влияния шумов и помех вторичного источника питания во время передачи СВЧ сигнала.

3. Для снижения уровня коротких импульсных помех напряжения на стоке GaN СВЧ транзистора, возникающих при выключении СВЧ сигнала в режиме съема максимальной импульсной СВЧ мощности, до уровня <10% напряжения питания стока, модулятор питания стока GaN СВЧ транзистора должен выключаться не менее чем за 150 не до начала заднего фронта СВЧ импульса.

4. Применение GaN СВЧ транзистора в мощном СВЧ генераторе, стабилизированном диэлектрическим резонатором позволяет снизить на 10 дБ уровень спектральной плотности фазового шума (СПФШ), что обусловлено меньшей величиной активной части последовательного импеданса GaN СВЧ транзистора по сравнению с GaAs СВЧ транзистором.

Содержание работы.

Глава 1 посвящена анализу состояния и актуальным проблемам обеспечения высокой стабильности частоты и фазы твердотельных мощных СВЧ передатчиков С и X диапазонов для современных радиоэлектронных систем.

Глава 2 содержит теоретический анализ и моделирование твердотельных СВЧ импульсных передатчиков на GaN СВЧ транзисторах при воз-

действии помех и шумов.

Глава 3 посвящена теоретическому анализу и моделированию и оптимизации мощных СВЧ генераторов, стабилизированных диэлектрическими резонаторами, по критерию максимума стабильности частоты и фазы

Глава 4 содержит результаты экспериментальных исследований и практического применения твердотельных СВЧ передатчиков с высокой стабильностью частоты и фазы на ваК СВЧ.

Заключение содержит описание основных результатов работы. В перечне использованной литературы указаны статьи, публикации и изобретения по данной теме.

ГЛАВА 1 АНАЛИЗ ТЕХНИКИ ФОРМИРОВАНИЯ СВЧ СИГНАЛОВ С ВЫСОКОЙ СТАБИЛЬНОСТЬЮ ЧАСТОТЫ И ФАЗЫ В СОВРЕМЕННЫХ РАДИОЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМАХ

1.1 Основные параметры, определяющие стабильность частоты и фазы сигналов СВЧ твердотельных передатчиков (ТП) и современные требования к ним.

Стабильность частоты и фазы сигналов ТП ограничивается наличием шумов и помех, как внешних, так и присущих самой радиоэлектронной аппаратуре [1-4]. Физической причиной, приводящей к нестабильности параметров ТП, являются случайные процессы в элементах схем ТП [4-7] и определяется с помощью статистических характеристик: среднеквадратического отклонения параметра сигнала от среднего значения, автокорреляционной функции параметров сигнала, спектральной плотности шума параметров сигнал а[ 1-3].

Шумы и помехи, воздействующие на аппаратуру, могут изменяться во времени, поэтому для адекватного описания параметров качества сигнала необходимо использование корреляционного анализа. С практической точки зрения более удобным является измерение Фурье- образа корреляционной функции случайного процесса - спектральной плотности шума. Следует отметить, что дисперсия параметра однозначно связана со спектральной плотностью его шума. Однако из-за ограниченност